王璟，婁安剛，曹振東

（中國海洋大學環(huán)境工程與科學學院，山東青島266100）

崖城油氣田附近海域溢油漂移軌跡數(shù)值模擬預測

王璟，婁安剛，曹振東

（中國海洋大學環(huán)境工程與科學學院，山東青島266100）

通過采用不規(guī)則的三角網(wǎng)格和有限體積法的FVCOM模式，建立三維潮流數(shù)值模型。利用大海域計算得到的調和常數(shù)值作為開邊界的輸入值，模擬出崖城附近海域的潮流和潮位變化情況。在潮流、潮位驗證正確的前提下，利用歐拉—拉格朗日追蹤方法，建立了溢油軌跡預測模型，進行崖城油氣田附近海域溢油中心軌跡的預測，同時預測了溢油漂移的平均速率和油膜抵達敏感區(qū)的時間，為油氣田實施應急措施提供技術支持。

FVCOM模型；崖城；溢油；數(shù)值模擬

1 引言

崖城位于海南島最南端，距離三亞市西40 km處，其附近海域擁有大量的油氣田，在油氣田開發(fā)和運營的過程中可能會對周圍的海域和一些敏感資源造成一定的污染[1]，因此崖城附近海域水動力場的改變直接影響到這些工程造成的污染物輸送。本文以崖城13-4平臺附近發(fā)生突發(fā)性溢油為例，通過建立三維潮流模型模擬出崖城附近海域的潮流潮位情況，并以此為基礎分別在平均風和最強風下預測出溢油的漂移軌跡、平均速率、抵岸時間等。

在之前對南海的研究中，多以北部灣[2-3]為主要研究對象，而對海南島南部海域的研究較少。本文重點針對海南島南部海域，對其潮流潮位隨時間變化情況加以研究。

2 潮流數(shù)值模型

2.1 流體動力學基本方程組

運用FVCOM三維模型進行數(shù)值模擬，采用sigma坐標，三維非線性潮波運動方程為：

式中：g為重力加速度；f=2Ωsinφ為柯氏參數(shù)；Ω為地轉角速度；φ為地理緯度；ζ為自靜止水面算起的水位高度；h為自靜止水面算起的水深；H=h+ζ；u、v、w為流速，p為壓強，ρ為海水密度，τ為切應力。

2.2 邊界條件

海面邊界條件：

固體側邊界條件：

在開邊界上水位邊界條件：

這里H和g分別是調和常數(shù)的振幅和遲角，下標C代表著M2、S2、K1、O1四個分潮中的一個。ω代表著分潮頻率，f為交點因子，u為交點訂正角，V0是天文潮的初位相。

2.3 計算海域和網(wǎng)格設置

由于計算域開邊界上調和常數(shù)實際中難以得到，本文首先建立了大海域海流模型（見圖1），由大海域計算得出的調和常數(shù)值[4]，作為計算海域開邊界的輸入值。

圖1 大海域網(wǎng)格及地形圖

本文所建立的海域數(shù)學計算域范圍及網(wǎng)格見圖2，從圖中可以看出，三角形網(wǎng)格較好的反映出計算域內(nèi)的海岸線和地形特征。其中坐標范圍為16.5°—19°N，108°—110.5°E，水深及岸線根據(jù)海圖確定。崖城13-4氣田周圍海域網(wǎng)格加密，最小網(wǎng)格邊長800 m。垂向δ分20層。

圖2 計算海域網(wǎng)格及地形圖

水界強迫水位：利用大海域的計算結果作為工程海域水界的輸入資料。水界可提供4個分潮(M2、S2、K1、O1)的調和常數(shù)。由于是不正規(guī)全日潮海域[3]，水界可輸入下列調和方程：

式中，右方第1項表示平均日分潮，第2項表示平均半日分潮。

3 模擬結果驗證分析

3.1 潮流與潮位的驗證

在計算海域中，選取A、B、C三點（坐標位置見表1）分別作為潮流驗證點和潮位驗證點。在這些點分別將數(shù)值計算的結果與實測的資料進行了驗證，其驗證結果見圖3。

表1 驗證點坐標位置

圖3 流向驗證曲線

從圖3c—3h可以看出，流速的大小以及方向，轉流發(fā)生時刻的計算值與實測值基本一致；圖3a和3b顯示A、B兩站位的潮位振幅和位相計算值亦與實測值基本一致。

潮位和潮流的驗證結果表明建立的潮流模型是可行的，適合本海區(qū)。

3.2 評價海域潮流計算結果

圖4、5給出漲、落潮中間時的表層計算潮流場的潮流場圖。由圖中可以看出崖城13-4氣田附近潮流分布表現(xiàn)為往復流：漲潮為西北向流，落潮為東南向流，落潮潮流流速大于漲潮潮流流速。通過計算得知，崖城13-4氣田附近區(qū)域漲潮最大流速為48 cm/s，平均流速為31cm/s，落潮最大流速為60 cm/s，平均流速為38 cm/s。海南島東南部海域流速遠低于其他海域流速，這是由于東南部有一由100 m變深至1000 m的海底陡坡，與文獻[5]的結論一致。

圖4 漲潮中間時計算潮流場

圖5 落潮中間時計算潮流場

圖6和圖7為崖城13-4氣田附近區(qū)域漲潮時和落潮時垂向最大流速分布圖，由圖可以看出，最大流速隨著深度的增加而減小，與文獻[6]的結論一致。

圖6 漲潮中間時最大流速垂向分布

圖7 落潮中間時最大流速垂向分布

4 溢油預測模型

4.1 油膜漂移軌跡

在環(huán)境動力模型提供的環(huán)境動力參數(shù)的基礎上，采用歐拉-拉格朗日追蹤方法，進行油膜中心軌跡的預測[7]。油膜中心漂移速度，取決于海面風速與表層流，是空間和時間的函數(shù)，其值用油膜中心點所在網(wǎng)格點上的速度內(nèi)插而得?？臻g每個網(wǎng)格節(jié)點上的x、y方向上的速度在某時刻為：

式中，Vrx、Vry為網(wǎng)格點上表層潮流流速加上風海流的x、y方向分量，表層潮流流速由環(huán)境動力學模型求出，風海流的模擬根據(jù)?？寺接嬎悖?/p>

式中，w為風速，Ф為緯度。Vwind為網(wǎng)格點上的風速,α為風因子，θ0為風向，θ為油粒子受風影響的漂移偏角。θ的取值與風速的大小有關，公式為：

油粒子漂移軌跡計算公式為：

式中：S0為初始時刻，S為油膜中心點所在位置，Vl(x(t),y(t),t)為拉格朗日追蹤速度，

由于空間和時間不同，流況不同，有時風速、風向也不同，所以在不同地點、不同時刻發(fā)生溢油后所追蹤到的油膜中心運移軌跡就不同。

4.2 油膜擴展輸移預測

剪流和湍流引起的擴散過程屬于隨機運動，可用隨機走動法實現(xiàn)模擬。由于每個粒子的隨機運動而導致整個粒子云團在水體中的擴散過程。對于水體表面隨機擴散過程可用下式描述[8]：

式中：ra為α=(x,y)方向上的湍動擴散距離；R為[-1，1]間均勻分布隨機數(shù)。kα為α方向上的湍流擴散系數(shù)，Δt為時間步長。

第i個粒子在Δt時段內(nèi)的位移可表示為：

式中：rx，ry為在x，y方向上的隨機移動距離；ui，vi為拉格朗日速度在x，y方向上的分量。

4.3 油的化學過程

溢油在輸移和擴展的過程中，也同時發(fā)生各種生物和化學變化過程，使得海上溢油的量不斷減少。

4.3.1 溢油的揮發(fā)

溢油揮發(fā)過程受油性質、油厚度、風及油組分控制。采用Stiver和Mackay提出的一個暴露模式來計算油的揮發(fā)：

式中，B為系數(shù)，常取10.3；TG為揮發(fā)曲線梯度；T為油的表面溫度，通常與大氣溫度相近；T0為初始時油揮發(fā)溫度；Pa為大氣壓；V為油分子體積；R為大氣常數(shù)；θ為揮發(fā)系數(shù)，常取2.5×10-3，Uw為風速；T0、TG的數(shù)值常參考如下常數(shù)：

由YC13-1氣田混合凝析油的試驗得知API度(15.56℃)為43.70。

4.3.2 溢油的乳化

乳化過程受風速、波浪、油的厚度、環(huán)境溫度、油風化程度等因素的影響，一般用含水率來表示乳化程度。

式中：

YWi為第i個油粒子含水率，Uw為風速，WAx為油的含蠟量，Asph為油的瀝青質量含量，η0為油的無水動力粘性系數(shù)，YWsat為穩(wěn)定含水量，K1、K2為常數(shù)，分別為5.0×10-7和1.2×10-5。ηi為乳化后油的運動粘性系數(shù)。

式中，ηoil為乳化前油的運動粘性系數(shù)。

4.4 溢油量及溢出方式

4.4.1 溢油點

崖城13-4氣田主體區(qū)，坐標17°37'35.697"N，109°09'44.123"E。

4.4.2 溢油方式及溢油量

點源一次性連續(xù)排放2 h，溢油量為50 m3，平均溢油速率為25 m3/h。

4.5 風場

根據(jù)提供的風速風向分布圖以及風向玫瑰圖，本文選取表2中所示年平均最大風頻風場（風速：m/s），同時選取表3中所示5個不利極值風，考慮溢油對近海海域可能造成的最大影響。

4.6 預測結果

（1）油膜漂移軌跡

圖8、9為崖城13-4氣田主體區(qū)發(fā)生溢油后，分別在平均風和極值風（見表2、3所示風場）下所模擬出油膜的漂移軌跡示意圖。

圖8 平均風下油膜漂移軌跡示意圖

圖9 極值風下油膜漂移軌跡示意圖

表2 年平均風場

表3 年極值風場

（2）油膜漂移的平均速率、抵岸時間及抵達功能區(qū)的時間

通過計算可知，無論在什么時候發(fā)生溢油，油膜經(jīng)過一定時間會溢出計算域或者抵達岸邊。如果溢油量偏少并且油膜的漂移時間較長，油膜會在溢出計算域前或抵岸前消失。表4、5給出平均風和極值風況與流場耦合的條件下，在崖城13-4氣田主體區(qū)發(fā)生溢油后，油膜漂移的距離，平均速率、抵岸時間和抵達重點海域功能區(qū)的時間等。由表5可以看出，發(fā)生溢油之后，在出現(xiàn)極值不利風向下，油膜會在較短時間內(nèi)抵達需要重點保護的海南島南部重點海域功能區(qū)（最短為偏西南風向下，21.4 h即可到達敏感海域，對其造成影響）。因此需要各方在溢油事故發(fā)生后及時采取有效措施對溢油進行攔截。

表4 平均風下溢油不同條件下油膜漂移時間等

表5 極值風下溢油不同條件下油膜漂移時間等

4 結語

本文采用FVCOM三維潮流模式模擬海南島南部海域的潮流場，看出崖城油氣田附近海域的潮流表現(xiàn)為往復流，漲潮為西北向流，落潮為東南向流，并且落潮潮流大于漲潮潮流。在潮流模擬正確的情況下進行了崖城附近海域溢油軌跡的模擬，并預測了油膜抵達油氣田附近重點海域功能區(qū)的時間。在出現(xiàn)極值不利風向下，油膜會在較短時間內(nèi)抵達需要重點保護的海南島南部重點海域功能區(qū)（最短為偏西南風向下，21.4 h即可到達敏感海域，對其造成影響），油氣田附近一旦發(fā)生溢油，應立即采取行之有效的應急措施，保護溢油可能到達的重點保護海域，防止其遭受污染。

[1]萬修全,鮑獻文,吳德興,等.膠州灣及其鄰近海域潮流和污染物擴散的數(shù)值模擬[J].海洋科學,2003,27(5)：31-36.

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[3]趙昌,呂新剛,喬方利,等.北部灣潮波數(shù)值研究[J].海洋學報, 2010,32(4)：1-11.

[4]曹德明,方國洪.北部灣潮汐和潮流的數(shù)值模擬[J].海洋與湖沼, 1990,21(2)：105-113.

[5]孫洪亮,黃衛(wèi)民.北部灣潮汐潮流的三維數(shù)值模擬[J].海洋學報, 2001,23(2)：1-8.

[6]葉安樂.分潮流最大流速發(fā)生時刻隨深度變化的特征[J].海洋通報,1984,3(2)：1-8.

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[8]婁安剛,吳德星,王學昌,等.三維海洋溢油預測模型的建立[J].青島海洋大學學報：自然科學版,2001,31(4)：473-479.

The numerical simulation and forecast of spilled oil trajectory in Yacheng oil and gas field sea area

WANG Jing,LOUAn-gang,CAO Zhen-dong
(College of Environmental Science&Engineering,Ocean University of China,Qingdao,266100 China)

Based on the unstructured grid finite-volume coastal ocean model(FVCOM),the complete three-dimensional fine-solution equation group of shallow-sea tide is used to compute the tidal current and sea-level variations in Yacheng sea area.The open boundary conditions are provided by the open oceanic model.The simulation of the tidal current and sea-level are verified with the observation data.By Euler-Lagarangian tracing method,a trajectory forecasting model for spilled oil is established to predict the trajectory of the oil-film centre,the averaging moving rate and the reaching time of the oil to the sensitive area in Yacheng oil and gas field sea area. It offers some effective technologies for the emergency response to the oil and gas field.

FVCOM model;Yacheng;oil spill;numerical simulation

book=19,ebook=19

X55

：A

：1003-0239（2012）03-0073-08

2011-05-09

王璟（1987-），男，碩士研究生，主要從事海洋環(huán)境動力和數(shù)值模擬研究。E-mail：qiaokeli16520245@163.com