吳亞楠，武賀，張松，汪小勇，繳建華，李彤，白明

（1.國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津　300111；2.農(nóng)業(yè)部漁業(yè)環(huán)境及水產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心，天津　300221）

天津大港濱海濕地溢油漂移擴(kuò)散數(shù)值模擬研究

吳亞楠1，武賀1，張松1，汪小勇1，繳建華2，李彤2，白明2

（1.國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津300111；2.農(nóng)業(yè)部漁業(yè)環(huán)境及水產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心，天津300221）

利用MIKE-HD建立二維水動(dòng)力模型，模擬分析夏季天津大港濱海濕地附近海域水動(dòng)力特性，采用實(shí)測(cè)潮位、潮流數(shù)據(jù)對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。在獲得水動(dòng)力數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)南港工業(yè)區(qū)船舶通航量加大的趨勢(shì)，利用MIKE-SA模塊建立溢油擴(kuò)散模型，對(duì)溢油事故進(jìn)行預(yù)測(cè)。結(jié)果表明，在風(fēng)、潮的綜合影響下，低潮時(shí)刻溢油24 h后的擴(kuò)散面積比高潮時(shí)刻大，其中SW常風(fēng)情況下其擴(kuò)散面積最大，達(dá)72.04 km2；當(dāng)風(fēng)向與潮流方向一致時(shí)，即本文中低潮時(shí)刻溢油，油膜中心運(yùn)動(dòng)速度最大，擴(kuò)散面積也最大。

天津大港濱海濕地；水動(dòng)力；溢油；擴(kuò)散

海上溢油擴(kuò)散，受到海洋、大氣和太陽(yáng)輻射等多種環(huán)境因子的共同影響，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)十分復(fù)雜。溢油事故對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境帶來(lái)很大影響，盡管溢油事故發(fā)生的概率較小，還需要引起足夠的重視。溢油在短時(shí)間內(nèi)注入海域，嚴(yán)重影響到海-氣相互作用的每一個(gè)過(guò)程（曲維政等，2002），引起水質(zhì)的惡化，嚴(yán)重影響水域的環(huán)境（景偉文等，2008）；原油在流和風(fēng)共同作用下移動(dòng)，當(dāng)漂移擴(kuò)散到海岸時(shí)對(duì)其周?chē)Ｓ虻纳鷳B(tài)系統(tǒng)有著致命性的危害，盡管生物修復(fù)技術(shù)的發(fā)展對(duì)污染程度有了一定的緩解（鄭立等，2012；胥九兵等，2009；黃廷林等，2009），但提前的預(yù)報(bào)更有助于對(duì)溢油事故進(jìn)行有效控制。因此，預(yù)測(cè)溢油油膜漂移過(guò)程有著非常重要的實(shí)際意義。

天津大港濱海濕地海洋特別保護(hù)區(qū)位于天津市濱海新區(qū)大港近海區(qū)域，濕地總面積44 240 km2。由于近年來(lái)大規(guī)模的濕地開(kāi)發(fā)、石油開(kāi)采、農(nóng)田開(kāi)墾、城鎮(zhèn)建設(shè)使天然濕地面積大幅度減少，現(xiàn)存濕地只有原來(lái)的16.3%，加大海域海岸帶整治已經(jīng)勢(shì)在必行。根據(jù)《天津市海洋功能區(qū)劃（2011-2020年）》，天津海域劃分為漢沽毗鄰海域、塘沽毗鄰海域、大港毗鄰海域3個(gè)海域單元。大港岸段主要功能依次為工業(yè)與城鎮(zhèn)用海區(qū)、海洋保護(hù)區(qū)和農(nóng)漁業(yè)區(qū)，大港濱海濕地海洋特別保護(hù)區(qū)緊鄰南港工業(yè)區(qū)，見(jiàn)圖1，地理坐標(biāo)位于117°39′04″E，38°39′08″N附近。而此海域船舶通航量的增加，必然會(huì)加大船舶溢油事故發(fā)生的概率。

圖1　天津市海洋功能區(qū)劃圖（2011-2020年）

根據(jù)溢油模型的數(shù)學(xué)計(jì)算理論不同，溢油模型主要有兩個(gè)類(lèi)型，歐拉—拉格朗日理論和蒙特卡羅方法模型。郭良波（2011）采用Backhouse三維水動(dòng)力模型對(duì)番禺附近海域的潮流進(jìn)行了模擬，并在此基礎(chǔ)上采用歐拉—拉格朗日追蹤方法，進(jìn)行油膜中心軌跡的預(yù)測(cè)。臧士文（2011）利用FVCOM海洋模型和基于拉格朗日追蹤法的“油粒子”模型對(duì)大連新港輸油管線(xiàn)爆炸引起的溢油進(jìn)行了模擬。OI同化技術(shù)的加入也提高了溢油預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度。潘沖（2011）、許婷等（2011）、黃毅峰等（2011）分別對(duì)長(zhǎng)江口、廈門(mén)港、甌江口航道海域進(jìn)行過(guò)溢油模擬預(yù)測(cè)。婁安剛（2000）對(duì)蒙特卡羅方法在海洋溢油擴(kuò)展預(yù)測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。龍新峰等（2011）利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)奧里油溢油擴(kuò)散面積進(jìn)行了預(yù)測(cè)，與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果最大相對(duì)誤差為0.88%。郎印海等（2011）也利用BP網(wǎng)絡(luò)對(duì)海上石油平臺(tái)溢油污染等級(jí)進(jìn)行了評(píng)估。

本文首先采用MIKE-HD模塊建立渤海灣的潮流數(shù)值模型，對(duì)大港濱海濕地附近海域流場(chǎng)進(jìn)行模擬，并采用實(shí)測(cè)資料對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證（測(cè)站位置見(jiàn)圖2）；進(jìn)而利用MIKE-SA模塊建立溢油模型，對(duì)溢油擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值預(yù)測(cè)，為天津市溢油事故緊急方案提供技術(shù)依據(jù)。

圖2 測(cè)站示意圖

1　水動(dòng)力模擬

應(yīng)用MIKE-HD模塊進(jìn)行水動(dòng)力模擬計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果提供給MIKE-SA模塊作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度對(duì)溢油擴(kuò)散模擬結(jié)果的合理性有很大影響。

1.1控制方程組

連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

式中，x、y為直角坐標(biāo)系坐標(biāo)；t為時(shí)間；h為水深（基準(zhǔn)面到床面的距離）；ζ為潮位（基準(zhǔn)面到自由水面的距離）；u、v分別為x、y方向的垂線(xiàn)平均流速分量；f為科氏系數(shù)；g為重力加速度；Ex、Ey分別為x、y方向的水平紊動(dòng)粘性系數(shù)；τbx、τby分別為波流共同作用下床面剪切力在x、y方向的分量；Sxx、Sxy、Syy分別為各方向的波浪輻射應(yīng)力。

1.2模型搭建

模型采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以更好地適應(yīng)復(fù)雜岸線(xiàn)變化情況，計(jì)算區(qū)域?yàn)椴澈?，共?jì)18 264個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)、34 814個(gè)網(wǎng)格單元，模型計(jì)算的網(wǎng)格地形見(jiàn)圖3，圖4為工程區(qū)附近海域地形網(wǎng)格圖。

1.3實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

為了更好地調(diào)查海域的潮汐、流場(chǎng)特征，并供數(shù)值模型驗(yàn)證，設(shè)置了觀測(cè)站，觀測(cè)時(shí)間從2015年夏季5月22日至6月26日，觀測(cè)站位于津冀交界附近的大港濱海濕地海洋特別保護(hù)區(qū)附近海域，具體位置為：117°47′25.058″E，38°38′28.230″N，如圖2所示。根據(jù)本次測(cè)驗(yàn)的資料，表1列出了平均流速和流向的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，在垂向上無(wú)論大、中、小潮，均表現(xiàn)為表層、中層流速大于底層流速，最大流速均發(fā)生在表層。隨著深度的增加，流速呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)調(diào)和分析得到，測(cè)站潮汐應(yīng)屬混合潮中的不正規(guī)半日潮型，見(jiàn)測(cè)站潮汐特性一覽表2；潮流應(yīng)屬于正規(guī)淺海半日潮流類(lèi)型，見(jiàn)（WK1+WO1）/WM2統(tǒng)計(jì)表3；漲落潮流的主體方向?yàn)槲髂掀?東北偏東，并繪制了流速流向頻率分布玫瑰圖，如圖5所示。

圖3　計(jì)算海域水深地形網(wǎng)格

圖4　工程區(qū)附近海域水深地形網(wǎng)格

1.4模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證所建潮流模型的模擬精度，采用2015年6月1日15時(shí)-6月5日0時(shí)在渤海灣海域設(shè)置的1個(gè)潮位、潮流監(jiān)測(cè)點(diǎn)所得的資料進(jìn)行驗(yàn)證。由潮位（圖6）和潮流（圖7-圖9）驗(yàn)證結(jié)果可以得出，模擬海域潮流與實(shí)測(cè)潮流之間吻合良好，其中，水位絕對(duì)誤差約為19 cm，流速絕對(duì)誤差6 cm/s，流向絕對(duì)誤差為12°。總體上看，本海域建立的數(shù)值模型是正確的，由此得到的計(jì)算結(jié)果也是可信的，它能夠比較真實(shí)的反映該海域海水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

表1　測(cè)站平均流速、流向統(tǒng)計(jì)表

表2　測(cè)站潮汐特性一覽表

表3　（WK1+WO1）/WM2統(tǒng)計(jì)

圖5　流速流向頻率分布玫瑰圖

圖6　測(cè)站潮位驗(yàn)證圖

圖7　測(cè)站小潮垂向平均潮流驗(yàn)證圖

圖8　測(cè)站中潮垂向平均潮流驗(yàn)證圖

圖9　測(cè)站大潮垂向平均潮流驗(yàn)證圖

2　溢油擴(kuò)散模擬

2.1預(yù)測(cè)方案

利用MIKE-SA模塊建立大港濱海濕地海域溢油預(yù)測(cè)模型，采用矩形網(wǎng)格，應(yīng)用“油粒子”模型模擬擴(kuò)散、漂移、風(fēng)化等過(guò)程，對(duì)溢油泄露事故進(jìn)行預(yù)測(cè)。本文主要考慮潮流和風(fēng)兩項(xiàng)最重要因素，潮流數(shù)據(jù)源自MIKE-HD模塊的計(jì)算結(jié)果（因計(jì)算潮流場(chǎng)時(shí)未在HD模塊中加入風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，所以該計(jì)算結(jié)果中未包含風(fēng)生流的影響）。利用MIKE-SA模塊預(yù)測(cè)溢油漂移擴(kuò)散過(guò)程時(shí)加載風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，其中風(fēng)數(shù)據(jù)取自塘沽站1997-2006年（共計(jì)10年）氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，渤海灣區(qū)域海面風(fēng)場(chǎng)采用主導(dǎo)風(fēng)向SW、E，風(fēng)潮組合工況見(jiàn)表4?？紤]到港池前沿與航道連接處發(fā)生船舶碰撞事故導(dǎo)致溢油的概率大，所以將溢油源布放于此處，溢油源位置見(jiàn)圖10，采用點(diǎn)源連續(xù)排放，溢油持續(xù)時(shí)間為10 h，10 h后由于人為補(bǔ)救措施溢油停止。

表4　溢油風(fēng)潮組合工況

圖10　溢油源位置示意圖

2.2油膜運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散范圍分析

2.2.1無(wú)風(fēng)情況

高潮時(shí)刻溢油，此時(shí)刻開(kāi)始落潮，大量油粒子圍繞南港工業(yè)區(qū)外沿旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并有大量油粒子進(jìn)入港池內(nèi)部，油粒子大約在30 h后抵岸，主體運(yùn)動(dòng)方向?yàn)镋-W。

低潮時(shí)刻溢油，此時(shí)刻開(kāi)始漲潮，油粒子未抵岸，但有大量溢油進(jìn)入南港工業(yè)區(qū)港池內(nèi)部，在潮流作用下做往復(fù)性運(yùn)動(dòng)，油粒子的主力運(yùn)動(dòng)方向?yàn)镋-W。

無(wú)風(fēng)情況溢油發(fā)生24 h后油粒子擴(kuò)散范圍見(jiàn)圖11。

2.2.2SW常風(fēng)情況

圖11　無(wú)風(fēng)情況溢油粒子擴(kuò)散范圍

高潮時(shí)刻溢油，此時(shí)刻開(kāi)始落潮，大量油粒子圍繞南港工業(yè)區(qū)外沿旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并有大量油粒子進(jìn)入港池內(nèi)部，油粒子大約在24 h后抵岸，在SW常風(fēng)和潮流的共同作用下，主體運(yùn)動(dòng)方向?yàn)镹NESSW，并且油粒子抵達(dá)了天津港區(qū)，有較大影響。

低潮時(shí)刻溢油，此時(shí)刻開(kāi)始漲潮，油粒子18 h后抵岸，同時(shí)有大量溢油進(jìn)入南港工業(yè)區(qū)港池內(nèi)部，并在SW風(fēng)和潮流共同作用下，油粒子的主力運(yùn)動(dòng)方向?yàn)镹NE-SSW。并且油粒子抵達(dá)了天津港區(qū)，有較大影響。

SW常風(fēng)情況溢油發(fā)生24 h后油粒子擴(kuò)散范圍見(jiàn)圖12。

圖12SW常風(fēng)情況溢油粒子擴(kuò)散范圍

2.2.3E強(qiáng)風(fēng)情況

高潮時(shí)刻溢油，此時(shí)刻開(kāi)始落潮，油粒子大約在22 h后抵岸，大量油粒子進(jìn)入港池內(nèi)部，在E強(qiáng)風(fēng)和潮流的共同作用下，溢油發(fā)生后24 h內(nèi)，油粒子主體運(yùn)動(dòng)方向?yàn)镋-W，抵岸后，在沿岸流作用下，油粒子沿岸NNW-SSE方向運(yùn)動(dòng)，并且向SSE方向輸移。

低潮時(shí)刻溢油，此時(shí)刻開(kāi)始漲潮，油粒子17 h后抵岸，同時(shí)有大量溢油進(jìn)入南港工業(yè)區(qū)港池內(nèi)部，并在E強(qiáng)風(fēng)和潮流共同作用下，油粒子向岸運(yùn)動(dòng)，抵岸后，在沿岸流作用下油粒子沿岸輸移。油粒子除了在潮流影響下的E-W向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，還有沿岸的NNW-SSE運(yùn)動(dòng)方向，但隨著時(shí)間推移，進(jìn)入海洋保護(hù)區(qū)內(nèi)的油粒子向SSE方向沿岸向下輸移。此風(fēng)向下發(fā)生溢油事故對(duì)南港工業(yè)和濱海濕地海洋特別保護(hù)區(qū)的影響十分嚴(yán)重。

E強(qiáng)風(fēng)情況溢油發(fā)生24 h后油粒子擴(kuò)散范圍見(jiàn)圖13。

圖13　E強(qiáng)風(fēng)情況溢油粒子擴(kuò)散范圍

溢油擴(kuò)散面積S=S0·N，S0其中為單個(gè)矩形網(wǎng)格的面積，N為溢油油膜覆蓋的網(wǎng)格數(shù)。溢油事故24小時(shí)后擴(kuò)散面積估算值見(jiàn)表5。

表5　溢油事故24小時(shí)后擴(kuò)散面積估算（km2）

3　結(jié)語(yǔ)

（1）本文首先采用MIKE-HD模塊建立了渤海灣的潮流數(shù)值模型，對(duì)大港濱海濕地附近海域流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，并采用實(shí)測(cè)資料對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證；驗(yàn)證結(jié)果表明：計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合較好，本文建立的潮流數(shù)值模型是可靠的。

（2）利用MIKE-HD模塊的水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果和MIKE-SA模塊建立溢油模型，對(duì)溢油擴(kuò)散進(jìn)行了數(shù)值預(yù)測(cè)。結(jié)果表明：在風(fēng)、潮的綜合影響下，低潮時(shí)刻溢油24 h后的擴(kuò)散面積比高潮時(shí)刻大，其中SW常風(fēng)情況下其擴(kuò)散面積最大，達(dá)72.04 km2。

（3）根據(jù)擴(kuò)散面積估算值，可以得到，風(fēng)、潮工況對(duì)油膜運(yùn)動(dòng)軌跡影響很大，當(dāng)風(fēng)向與潮流方向一致時(shí)，油膜中心運(yùn)動(dòng)速度較大，油膜中心點(diǎn)間距較大，擴(kuò)散面積也較大；而當(dāng)風(fēng)向與潮流方向相反時(shí)，油膜運(yùn)動(dòng)方向甚至?xí)c潮流方向相反，不同的風(fēng)向直接導(dǎo)致油膜漂移方向不同。

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（本文編輯：袁澤軼）

Numerical simulation study of oil spilling drift and diffusion in Dagang coastal wetland of Tianjin

WU Ya-nan1,WU He1,ZHANG Song1,WANG Xiao-yong1,JIAO Jian-hua2,LI Tong2,BAI Ming2

（1.National Ocean Technology Center,Tianjin 300111,China;2.SupervisingandTesting Center of Fishery Environment andAquaticProducts Quality，Ministry of Agriculture,Tianjin 300221,China）

A 2-D hydrodynamic model was established using MIKE-HD to simulate hydrodynamic properties in Dagang coastal wetland of Tianjin at summer.The numerical results were verified by measured data.According to the obtained hydrodynamic data,MIKE-SA modelwas established to predict the environmental influence,which was induced by oil spilling accidents under the background of the increasing shipping around Nangang Industrial Zone.Results showed that both wind and tide had great effect on the prediction of oil spill trajectories,and after spilling for 24 h,the diffusion area at low tide was larger than that at high tide.Under the effect of SW wind,the direction of prevailing wind,the diffusion area became 72.04 km2,which was the largest one.While the wind direction was same as the tidal current direction and the oil spilling was at the low tide,the center of oil slick had the largest speed,hence,the diffusion area was largest.

Dagang coastal wetland of Tianjin;hydrodynamic;oil spilling;diffusion

X55

A

1001-6932（2016）05-0579-08

10.11840/j.issn.1001-6392.2016.05.012

2015-11-06；

2015-12-30

天津大港濱海濕地海洋特別保護(hù)區(qū)生境評(píng)價(jià)與海洋生物資源適應(yīng)性研究 （KJXH2014-21）。

吳亞楠（1987-），男，碩士，實(shí)習(xí)研究員，主要從事海洋環(huán)境水動(dòng)力研究。電子郵箱：hdwuyanan@163.com。

繳建華，博士，研究員。電子郵箱：litong19692006@163.com。