張明 任鴻翔 朱天惠 周毅 唐海娜

摘要：為實(shí)時(shí)模擬及預(yù)測(cè)渤海灣三維海上溢油的動(dòng)態(tài)特征，采用Mike 21 Flow模型計(jì)算渤海水動(dòng)力潮汐，針對(duì)瞬時(shí)溢油的擴(kuò)散和漂移過程，建立海上溢油運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型；采用泊松盤采樣算法創(chuàng)建不同直徑的油粒子，通過Marching Cube算法重建等值面，模擬實(shí)現(xiàn)海上溢油過程，并與真實(shí)案例的數(shù)據(jù)對(duì)比。溢油模擬結(jié)果表明：所建潮汐流數(shù)值模型評(píng)估溢油事故船舶位置的海面高程、海流速度和海流方向與觀測(cè)站數(shù)據(jù)接近；海上溢油運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型原油運(yùn)動(dòng)軌跡與與實(shí)際軌跡相似；相較于傳統(tǒng)溢油模擬可視化工作局限于二維非交互效果，新方法從三維層面提高溢油模型的物理真實(shí)感，為海上搜救模擬器生成溢油事故的三維場(chǎng)景、降低人力和財(cái)物成本、為海上溢油應(yīng)急預(yù)案的制定提供直觀的信息和依據(jù)。

關(guān)鍵詞：潮汐建模；溢油模擬；溢油擴(kuò)散與漂移；溢油可視化

中圖分類號(hào)：U491；U698.7；X52文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1672-0032（2024）02-0123-08

引用格式：張明，任鴻翔，朱天惠，等.渤海灣海上瞬時(shí)溢油三維模擬［J］.山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2024，32（2）：123-130.

ZHANG Ming， REN Hongxiang， ZHU Tianhui， et al. Three-dimensional simulation on instantaneous oil spill in the Bohai Sea Bay［J］.Journal of Shandong Jiaotong University，2024，32（2）：123-130.

0?引言

海上溢油是船舶交通運(yùn)輸行業(yè)面臨的嚴(yán)峻環(huán)境問題。隨全球化貿(mào)易的增長，由船舶事故、惡劣天氣條件、技術(shù)故障或非法排放等原因造成的海上溢油事故頻發(fā)，在海洋中釋放大量有害物質(zhì)，包括石油化學(xué)品、重金屬和有毒物質(zhì)，對(duì)附近的海岸線和沿海生存環(huán)境造成惡劣影響，對(duì)旅游業(yè)、漁業(yè)和當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)帶來重大損失，給海洋生態(tài)帶來嚴(yán)重破壞。溢油分為持續(xù)溢油和瞬時(shí)溢油2種，持續(xù)溢油量可能為幾百t甚至幾十萬t，發(fā)生海上溢油事故時(shí)，在重力、摩擦力和風(fēng)、波浪場(chǎng)、潮流作用下，溢油立即向四周擴(kuò)散。海上溢油的善后處理難度較大，周期較長，成本較高[1]。因此，有必要開發(fā)溢油三維模擬系統(tǒng)模擬特定的海上溢油事故，重點(diǎn)研究海水動(dòng)力潮汐模型、海上溢油數(shù)學(xué)模型及溢油可視化方法。

采用流體動(dòng)力模型進(jìn)行潮汐預(yù)報(bào)的結(jié)果準(zhǔn)確、快速，是該領(lǐng)域研究的主要方法之一。Guo等[2]采用普林斯頓海洋模型和近岸模擬波浪模型進(jìn)行混合處理，模擬大連地區(qū)的潮汐。Badri 等[3]采用波浪和人工風(fēng)場(chǎng)理論改進(jìn)溢油模型，并應(yīng)用于霍爾木茲海峽的溢油事故。Barros等[4]提出數(shù)值淺水流模型的干濕算法，對(duì)復(fù)雜拓?fù)鋮^(qū)域的計(jì)算精度較好。Fay[5]忽略次要作用項(xiàng)，在不同膨脹階段保留主要作用項(xiàng)，得到平靜海面油膜膨脹的半理論計(jì)算公式。Lehr等[6]在Fay理論的基礎(chǔ)上，考慮風(fēng)的影響，提出油膜橢圓模型，正確反映油膜在風(fēng)作用下的展開過程。Liu等[7]基于Fay的油膜膨脹理論建立膠州灣水動(dòng)力模型，耦合環(huán)境場(chǎng)影響建立膠州灣溢油模型，研究風(fēng)、浪、流各要素對(duì)溢油運(yùn)動(dòng)的影響。Li等[8]研究動(dòng)態(tài)溢油覆蓋海面區(qū)域的電磁散射機(jī)制，采用油膜膨脹理論與溢油體積結(jié)合，建立動(dòng)態(tài)溢油覆蓋海面區(qū)域的三維幾何模型。Erdoan[9]采用尼霍爾方程和高斯隨機(jī)游走技術(shù)，以油膜擴(kuò)散長度步進(jìn)粒子，通過維諾（Voronoi）圖展示油面污染情況。Liu等[10]提出基于散列函數(shù)和空間四叉樹算法的耦合技術(shù)，將溢油模型與海洋模型結(jié)合。Toz等[11]采用PISCES 2軌跡模型模擬溢油的主要風(fēng)化過程，據(jù)此確定伊茲米爾灣船舶溢油的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。Liu等[12]提出基于動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的新型動(dòng)態(tài)評(píng)估方法，將平流、蒸發(fā)、擴(kuò)散等模型轉(zhuǎn)化為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，量化極端風(fēng)況下的溢油風(fēng)險(xiǎn)。Fraga等[13]提出拉格朗日粒子模型，預(yù)測(cè)平靜海面上石油擴(kuò)散第一階段的浮油直徑。溢油模型有回歸模型和對(duì)流擴(kuò)散模型2種，回歸模型是建立在試驗(yàn)結(jié)果與試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)擬合基礎(chǔ)上的模型，對(duì)流擴(kuò)散模型主要根據(jù)對(duì)流擴(kuò)散方程模擬溢油整體的軌跡。

大多數(shù)海上溢油的可視化研究聚焦于海上油膜運(yùn)動(dòng)的二維可視化，海上溢油的三維可視化研究較少。Ren等[14]采用平面折射技術(shù)將溢油軌跡的模擬結(jié)果轉(zhuǎn)化為溢油發(fā)展變化的紋理圖，在圖形處理器（graphics processing unit，GPU）的片元著色器中通過投影紋理坐標(biāo)獲取紋理，模擬再現(xiàn)海上溢油三維場(chǎng)景。余楓[15]采用軟件OpenSceneGraph的紋理烘焙和平面折射技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海上溢油模型的實(shí)時(shí)仿真和三維可視化。魏國[16]在文獻(xiàn)[15]的基礎(chǔ)上，對(duì)海上溢油應(yīng)急工作流程進(jìn)行三維可視化處理，實(shí)現(xiàn)溢油圍油欄的三維可視化，但未解決物理真實(shí)性提升的問題。鄒長軍[17]基于Navier-Stock方程實(shí)現(xiàn)基于物理的流體仿真，并提出窄帶流體隱式粒子方法解決流體與移動(dòng)障礙物的交互問題，通過 GPU并行加速實(shí)現(xiàn)。李海江[18]采用速度無散的光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)（divergence-free smoothed particle hydrodynamics， DFSPH）方法提出改進(jìn)的粒子數(shù)密度模型，基于等靜態(tài)密度假設(shè)，可統(tǒng)一處理包括非均勻采樣的邊界粒子在內(nèi)的所有領(lǐng)域粒子，解決流體交界面附近密度不連續(xù)的問題，有效模擬海上溢油擴(kuò)散、漂移及破碎等典型場(chǎng)景。田睿等[19]提出基于正弦平移法線紋理的溢油可視化方法，實(shí)現(xiàn)基于二維網(wǎng)格的溢油交互可視化，提高油膜與海浪融合的仿真效率，但物理真實(shí)感不強(qiáng)。

本文研究海水動(dòng)力潮汐模型、海上溢油數(shù)學(xué)模型和溢油可視化技術(shù)，采用Mike 21 Flow模型計(jì)算渤海潮汐流的方向和速度，將回歸模型和對(duì)流擴(kuò)散模型結(jié)合構(gòu)建海上溢油混合模型，采用泊松盤采樣算法創(chuàng)建油膜粒子，通過Marching Cube算法重建等值面，模擬實(shí)現(xiàn)海上溢油的三維可視化效果，以期提高海上溢油事故的處理效率。

1?潮汐流的數(shù)值模擬

發(fā)生溢油事故后須盡快確定油膜的位置和運(yùn)動(dòng)方向以便盡快收集溢油，阻止溢油擴(kuò)散。預(yù)測(cè)風(fēng)速、風(fēng)向、潮汐速度和潮流方向有助于提高海上溢油應(yīng)急與搜救時(shí)溢油模型的有效性。隨計(jì)算機(jī)和信息系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展，潮汐的計(jì)算和預(yù)測(cè)已越來越精確。采用Mike Zero水動(dòng)力模擬計(jì)算程序中的MIKE 21 Flow Model二維自由表面流模型系統(tǒng)，對(duì)潮汐水力學(xué)、風(fēng)和波浪產(chǎn)生的潮流、風(fēng)暴潮通過水動(dòng)力模塊建模。

通過MIKE 21 Flow Model中質(zhì)量守恒和垂直方向上的動(dòng)量積分表示流量和水位的變化，流體系統(tǒng)整體的質(zhì)量守恒方程為：

-ξ-t+-p-x+-q-y=-d-t，

式中：ξ為表面高程，m；p、q分別為x、y軸方向通量密度，為單位時(shí)間通過單位面積流體的體積，與對(duì)應(yīng)方向的深度平均速度有關(guān)，m3/（s·m2）；d為時(shí)變水深，m；x、y為空間位置坐標(biāo)，m；t為時(shí)間，s。

x方向的動(dòng)量方程為

-p-t+--xp2h+--ypqh+gh-ξ-x+gp?p2+q2C2h2－1ρw--xhτxx+--yhτxy－Ωq－fvx+hρw-pa-x=0，

式中：h為水深，h=ξ－d，m；g為重力加速度，m/s2；C為Chezy數(shù)，m1/2/s；ρw為水的密度，kg/m3；τxx、τxy為有效剪應(yīng)力在不同方向的分量；Ω為科里奧利參數(shù)，與緯度有關(guān)，s-1；f為風(fēng)摩擦因數(shù)；vx、vy分別為風(fēng)速v在x、y方向的分量，m/s；pa為大氣壓，Pa。

y方向的動(dòng)量方程為

-q-t+--yq2h+--xpqh+gh-ξ-y+gq?p2+q2C2h2－1ρw--y（hτyy）+--x（hτxy）+Ωp－fvy+hρw--y（pa）=0，

式中：τyy為有效剪應(yīng)力的分量； u、v 為x、y方向的深度平均速度。

Chezy數(shù)一般根據(jù)曼寧數(shù)M經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到，計(jì)算公式為C=Mh1/6。如果可獲得波浪引起的床阻力，根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算得到C=u?g/ufc ，其中u為波浪邊界層速度，ufc為波浪邊界層摩擦速度。

模擬渤海潮汐的第1步是創(chuàng)建大小適中的三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格太小易忽略邊界條件對(duì)研究區(qū)域的影響，網(wǎng)格太大增加模型的計(jì)算時(shí)間。邊界條件須與觀測(cè)或輸入的計(jì)算數(shù)據(jù)適應(yīng)，在研究區(qū)域內(nèi)計(jì)算網(wǎng)格須足夠詳細(xì)地表達(dá)海區(qū)信箱，動(dòng)態(tài)因素對(duì)地形的影響較大。計(jì)算網(wǎng)格如圖1所示。計(jì)算網(wǎng)格為非構(gòu)造網(wǎng)格，網(wǎng)格最大面積約為4 km2，黃海區(qū)域約為40 km2，仿真區(qū)域生成39 856個(gè)節(jié)點(diǎn)和68 623個(gè)元素。研究區(qū)域劃分的網(wǎng)格與不同地理位置深淺不一的水深區(qū)域相結(jié)合，包含計(jì)算網(wǎng)格、水位、邊界等信息，疊加水深數(shù)據(jù)的渤海計(jì)算網(wǎng)格水深圖，如圖2所示。

采用本文提出的模型評(píng)估2011年6月“蓬萊19-3號(hào)”鉆井平臺(tái)溢油事故中平臺(tái)所處位置的水位、流速和流向，并與觀測(cè)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證，如圖3所示。由圖3可知，“蓬萊19-3號(hào)”鉆井平臺(tái)溢油位置的海面高程、流速和流向的模擬數(shù)據(jù)和觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果比較接近。

a） 海面高程

b） 流速

c） 流向

2?海上溢油運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型

海上溢油會(huì)發(fā)生擴(kuò)散、漂移、蒸發(fā)、溶解、乳化、溢油融合、油和障礙物相互作用等過程，通常在溢油較長時(shí)間后才發(fā)生油膜蒸發(fā)和乳化過程。本文主要考慮瞬時(shí)溢油后較短時(shí)間內(nèi)以擴(kuò)散和漂移過程為主的溢油建模與仿真。

在溢油的早期階段，擴(kuò)散是影響油膜軌跡的重要過程。海上溢油事故往往發(fā)生在大風(fēng)浪的惡劣天氣條件下，因此，海上溢油應(yīng)考慮風(fēng)的作用。在模擬油膜擴(kuò)散時(shí)，將油膜形狀設(shè)置為橢圓，反映油膜在風(fēng)作用下的拉伸現(xiàn)象，以多邊形模擬油膜的橢圓邊界，橢圓的半長軸、半短軸分別為a、b，油膜擴(kuò)散的面積

A=πab。（1）

基于Lehr的試驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)公式[9]，式（1）可改寫為：

{A}=2 270Δρ/ρ023{V}23{t}12+40Δρ/ρ013{V}13{v}43{t} ， {Amax}=105{v}43，（2）

式中：{A}為以m2為單位的A的數(shù)值，Δρ為油水密度差，ρ0為溢油的密度，{V}為以barrel為單位的溢油體積的數(shù)值，{v}為以knot為單位的海平面風(fēng)速的數(shù)值，{t}為以s為單位的時(shí)間的數(shù)值，{Amax}為以m2為單位的油品可擴(kuò)散的最大面積Amax的數(shù)值。

溢油擴(kuò)散到一定階段時(shí)，以油膜的漂移為主要運(yùn)動(dòng)形式。風(fēng)、浪和表面流是影響溢油漂移速度和預(yù)測(cè)油膜軌跡的因素，表面流對(duì)油膜影響較大，大油膜被分解為若干細(xì)小油膜。可將油膜整體分解為若干油粒子，通過計(jì)算每個(gè)油粒子的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)油膜的運(yùn)動(dòng)。單個(gè)油粒子的漂移速度

vsingle=dXi/dt=vdrift+vdiff ，

式中：Xi為第i個(gè)油粒子在世界空間坐標(biāo)系下的位置；vdrift為漂移速度，vdrift=awv10+acvc，其中，v10為海面上方10 m處的風(fēng)速，vc為流速，aw為風(fēng)速影響因子，aw=0.03，ac為流速影響因子，ac= 1.0；vdiff為擴(kuò)散速度，vdiff=vdriftRnexp（iαn），其中，Rn為隨機(jī)數(shù)，Rn∈[-1，1]，αn為隨機(jī)角度，αn∈[0，π]。

3?海上溢油可視化關(guān)鍵技術(shù)

采用泊松盤算法對(duì)油膜區(qū)域的油粒子進(jìn)行隨機(jī)取樣。泊松盤取樣是將點(diǎn)分布在一定空間的算法，2點(diǎn)間的距離不小于泊松盤半徑。將油粒子抽象為無數(shù)個(gè)直徑不同的球形粒子，對(duì)橢圓油膜區(qū)域的貢獻(xiàn)隨機(jī)。將橢圓的原點(diǎn)設(shè)為O（x， y， z），油膜平面為Oxz，海平面軸的高度為y。假定溢油初始階段y=0，確定油粒子在橢圓油膜內(nèi)的方法為：

（x-h）2/a2+（y-k）2/b2≤1，

式中（h， k）為橢圓中心位置坐標(biāo)。

油膜粒子數(shù)是影響海上溢油可視化效果的重要因素。生成的粒子越少，對(duì)海上溢油精細(xì)尺度的特征模擬越不準(zhǔn)確；粒子越多，溢油可視化模型越靈活逼真。但粒子過多易導(dǎo)致計(jì)算成本較高，計(jì)算速度大幅減小，須根據(jù)計(jì)算設(shè)備的配置確定可視化溢油模型中的粒子總數(shù)。

通過泊松盤采樣油膜粒子后，對(duì)基于粒子的流體模擬結(jié)果進(jìn)行可視化研究。通過Marching Cube（MC）算法構(gòu)建多邊形重構(gòu)流體表面，渲染多邊形。先定義平滑核密度函數(shù)，將模擬區(qū)域劃分為網(wǎng)格，計(jì)算各網(wǎng)格點(diǎn)周圍粒子密度的總和，采用MC算法提取等值面。

通過7個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)流體表面的可視化。

1）將三維空間劃分為空間網(wǎng)格。在MC算法的初始化階段，粒子較多，需在整個(gè)區(qū)域中劃分網(wǎng)格。流體域是1組網(wǎng)格單元，在每步計(jì)算中遍歷區(qū)域內(nèi)的所有粒子，找到網(wǎng)格單元與立方體的表面交點(diǎn)。

2）計(jì)算每個(gè)空間網(wǎng)格頂點(diǎn)的密度。采用劃分的網(wǎng)格作為油膜場(chǎng)景的采樣點(diǎn)，得到油膜密度場(chǎng)數(shù)據(jù)。

3）定義并計(jì)算油膜表面的密度等值面的閾值。

4）比較每個(gè)頂點(diǎn)密度與等值面的閾值。等值面的閾值不大于頂點(diǎn)密度時(shí)，設(shè)頂點(diǎn)為1，頂點(diǎn)在等值面的內(nèi)部；反之，設(shè)頂點(diǎn)為0，頂點(diǎn)在等值面的外部。根據(jù)比較結(jié)果得到空間網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)。

5）計(jì)算空間網(wǎng)格密度等值面的頂點(diǎn)坐標(biāo)。三角形網(wǎng)格的1條邊將與等值面相交，頂點(diǎn)在等值面的內(nèi)部時(shí)，另1個(gè)頂點(diǎn)在等值面的外部。確定與等值面相交的線段后，

通過線性插值方法定義網(wǎng)格邊與等值面間的切割點(diǎn)。

6）計(jì)算各頂點(diǎn)的單位法線，對(duì)法線內(nèi)插，輸出三角形頂點(diǎn)和頂點(diǎn)法線。

7）根據(jù)頂點(diǎn)位置、頂點(diǎn)法線、照明類型等輸入數(shù)據(jù)，采用軟件Unity 3D著色器將流體域轉(zhuǎn)化并可視化到屏幕上。

基于MC算法的油膜表面可視化結(jié)果如圖4所示。黑色為油膜，褐色為海水，海水上面為大氣。

4?海上溢油的模擬實(shí)現(xiàn)

海上溢油模型可視化實(shí)現(xiàn)過程如圖5所示。

先建立溢油的初始數(shù)據(jù)，如溢油類型、釋放量、油水密度等。通過Mike Zero和Mike 21 FM計(jì)算得到潮汐數(shù)據(jù)，水動(dòng)力潮汐模型的計(jì)算輸出數(shù)據(jù)可作為溢油擴(kuò)散和漂移模型的輸入數(shù)據(jù)計(jì)算油膜的演變與運(yùn)動(dòng)，達(dá)到最大溢油擴(kuò)散面積時(shí)，采用泊松盤算法將油膜渲染成油粒子，再計(jì)算浮油漂移的軌跡和特征，采用MC算法重建等值面，實(shí)現(xiàn)海上油膜的可視化。

采用Unity 3D實(shí)現(xiàn)海上溢油模擬，通過C#語言編程，模擬渤海灣某海域溢油事件，模擬信息為：溢油事件發(fā)生日期為2022-07-04，溢油位置為北緯38.4°、東經(jīng)120.1°附近，溢油體積為1 000 m3，ρ0 =806 kg/m3，ρw = 1 025 kg/m3，v10=0.5 m/s。

在溢油模型的開始擴(kuò)散階段，浮油的擴(kuò)散形式為橢圓形增大面積，根據(jù)式（1）（2）計(jì)算橢圓的長、短軸。溢油擴(kuò)散模擬結(jié)果如圖6所示。達(dá)到最大油膜擴(kuò)散面積時(shí)，采用泊松盤算法將油膜分成粒子。修改該算法，采用優(yōu)化飛鏢算法生成直徑不同的油粒子，滿足溢油模擬系統(tǒng)的要求。

本文模擬實(shí)現(xiàn)2種海上溢油場(chǎng)景。第1種是在廣闊海域無障礙物時(shí)，油膜在海上自由擴(kuò)散與漂移，溢油可視化結(jié)果如圖7所示。在模型中，泊松圓盤采樣算法產(chǎn)生約2 500個(gè)油粒子，通過添加粒子的浮力、顏色和其他屬性可連續(xù)觀察油膜的發(fā)展。溢油的初始擴(kuò)散階段，油膜足夠厚，在波浪、風(fēng)和表面張力的影響下，油膜不破裂。溢油不斷擴(kuò)散到足夠薄時(shí)，波浪和風(fēng)等因素抵消溢油的黏度影響，油膜逐漸分解為許多小部分。第2種場(chǎng)景是受島嶼等障礙物影響下的油膜擴(kuò)散和漂移，油膜在海上擴(kuò)散與漂移到島嶼附近后，受島嶼的阻礙產(chǎn)生一定堆積，溢油可視化結(jié)果如圖8所示。

海上溢油后，大部分原油迅速擴(kuò)散為1層薄膜，在更廣闊的海洋范圍內(nèi)破碎成小的浮油面。受物理海洋學(xué)中朗繆爾環(huán)流的作用，溢油薄膜隨時(shí)間的推移逐漸撕裂合并成條狀溢油風(fēng)積丘。

將可視化溢油模型模擬結(jié)果與2010年7月“深水地平線”鉆井平臺(tái)溢油事故現(xiàn)場(chǎng)圖片對(duì)比，如圖9所示。由圖9可知：溢油事故現(xiàn)場(chǎng)的原油形成沿風(fēng)向的溢油風(fēng)積丘，在溢油模型中，將油膜抽象為油粒子，油粒子逐漸向圖中紅線所示的條狀風(fēng)積丘聚集，與真實(shí)溢油現(xiàn)場(chǎng)相似。本文的三維可視化成果基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域相關(guān)研究基礎(chǔ)，對(duì)成果的判斷依據(jù)為與真實(shí)情況的接近程度。

5?結(jié)束語

本文采用Mike 21 Flow模型對(duì)渤海地區(qū)潮流進(jìn)行數(shù)值模擬，將溢油運(yùn)動(dòng)過程分為油膜的擴(kuò)散、漂移兩階段進(jìn)行計(jì)算，建立基于風(fēng)和潮流條件的溢油運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)溢油軌跡的實(shí)時(shí)模擬和三維可視化。此模型簡(jiǎn)單高效，滿足應(yīng)急溢油響應(yīng)的基本需求，比傳統(tǒng)紋理貼圖的方法極大地提升可視化模擬的物理真實(shí)感。采用泊松盤采樣方法動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)油粒子的融合和分離，比基于網(wǎng)格的物理方法的真實(shí)性更好。

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Three-dimensional simulation on instantaneous oil spill in

the Bohai Sea Bay

ZHANG Ming1， REN Hongxiang2*， ZHU Tianhui2， ZHOU Yi3， TANG Haina4

1. Maritime College， Fujian Chuanzheng Communications College， Fuzhou 350007， China;

2. Navigation College， Dalian Maritime University， Dalian 116026， China;

3. CNOOC Energy Technology and Service-Oil Production Services Co.， Ltd.， Tianjin 300452， China;

4. School of Artificial Intelligence， University of Chinese Academy of Sciences ， Beijing 100049， China

Abstract：To simulate and predict the dynamic characteristics of three-dimensional offshore oil spills in the Bohai Sea Bay in real-time， the Mike 21 Flow model is used to calculate the hydrodynamic tides in the Bohai Sea. A mathematical model of offshore oil spill movement is established to exhibit the diffusion and drift processes of instantaneous oil spills. The Poisson disk sampling algorithm is used to create oil particles of different diameters， and the Marching Cube algorithm is employed to reconstruct iso-surfaces， simulating the offshore oil spill process and comparing it with data from real cases. The results of the oil spill simulation show that the sea surface elevation， current velocity， and direction at the location of the oil spill accident vessel assessed by the tidal flow numerical model are close to the data from observation stations. The trajectory of crude oil movement from the mathematical model of offshore oil spill movement is similar to the actual trajectory. Compared to traditional oil spill simulation visualization limited to two-dimensional non-interactive effects， the new method improves the physical realism of the oil spill model from a three-dimensional perspective. This method helps in generating three-dimensional scenarios of oil spill accidents for offshore search and rescue simulations， reducing manpower and material costs， and providing intuitive information and basis for the formulation of offshore oil spill emergency response plans.

Keywords：tidal modelling; oil spill simulation; the diffusion and drift processe of oil spill; oil spill visualization

（責(zé)任編輯：王惠）

收稿日期：2023-03-24

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（52071312）；交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)科技項(xiàng)目（2022-ZD3-035）；遼寧省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃；大連市科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目（2021JJ12GX031）

第一作者簡(jiǎn)介：張明（1971—），男，福建南平人，副教授，工學(xué)碩士，主要研究方向?yàn)楹＿\(yùn)技術(shù)與海運(yùn)安全，E-mail：zhangming_1971@126.com。

*通信作者簡(jiǎn)介：任鴻翔（1974—），男，黑龍江綏化人，教授，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)與視景仿真技術(shù)，E-mail：dmu_rhx@163.com。

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2024.02.017