龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn
海上溢油风险的数值模型预警
作者：陈命男
来源：《环境影响评价》2015年第01期
摘要：
随着我国海洋开发规模的不断扩大，高密度的海上工程作业和进出施工船舶使周围海域面临很大的溢油环境风险。由于海上作业的特殊性，一旦发生溢油事故，必将给沿岸经济和海洋生态环境带来极大的危害。因此加强溢油风险管理，最大限度地预防溢油事故的发生并采取及时有效的防控措施是十分必要的。基于东海大桥风电二期工程，假设施工船舶发生碰撞溢油事故，利用MIKE21模型系统就溢油风险进行分析，介绍溢油模型预测海上溢油的计算过程。 关键词：
环境影响评价；风险；溢油模型；MIKE DOI： 10.14068/j.ceia.2015.01.019
中图分类号：X55 文献标识码：A 文章编号：2095-44（2015）01-0071-07
随着我国海洋开发规模的不断扩大，高密度的海上工程作业和进出施工船舶使周围海域面临很大的溢油环境风险。由于海上作业的特殊性，一旦发生溢油事故，必将给沿岸经济和海洋生态环境带来极大的危害。因此加强溢油风险管理，最大限度地预防溢油事故的发生并采取及时有效的防控措施是十分必要的。
溢油防控技术是降低溢油污染损害的关键[1]，包括溢油监控技术、溢油预测预警技术和溢油清除技术。其中，对于溢油预测预警系统而言，目前主要由水动力模型、溢油模型和GIS环境敏感区图组成[2]。根据溢油事故现场信息，该系统可提供溢油运动轨迹、扩散范围以及物化过程变化，提供敏感区及资源保护的优先次序；提供海上溢油事故的处理及人员、设备的配备与调动方案；提供回收油和油污废物的运输、储存、处理方案等，为迅速有效地进行海上溢油处理和降低污染损害提供技术支持和决策保障。目前溢油预测预警系统主要有美国的“OIL MAP”，英国的“OSIS（ Oil Spill Information System）”，日本的“溢油灾害对策系统”以及中海石油环保服务有限公司开发的“中国近海溢油预测预警与应急决策支持系统”等。预测预警技术的关键在于溢油模型和GIS环境敏感区图的建立以及两者的快速耦合。
因此，本文将基于东海大桥风电二期工程，假设施工船舶发生碰撞溢油事故，利用MIKE21模型系统就溢油风险进行分析，介绍溢油模型预测海上溢油的计算过程。 1 工程简介
龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn
东海大桥风电二期工程位于连接上海南汇芦潮港与小洋山之间的东海大桥西侧，距东海大桥1～5 km场址范围内，场址距南汇6～12 km，与“一期工程”隔东海大桥相望。本工程利用东海大桥登陆点东侧现一期工程110 kV升压变电站。风电场通过35 kV海底电缆接入岸上110 kV风电场升压变电站，接入上海市电网。项目总装机容量为10.22万kW，共安装28台风电机组。
2 模拟模型MIKE21简介
本文二维水动力模型采用MIKE21模型系统[3]，MIKE21系统是目前国际上功能最齐全、应用范围最广的水环境模拟软件之一，主要用于模拟海洋、河口、湖泊、河流、水库等水体的水流、水质、富营养化预测、水生生态、泥沙输运等问题。MIKE21完全按照软件系统工程的思想设计的，由波浪模型、水动力模型、对流扩散模型、常规水质模型和富营养化模型等组成，可模拟各种水文、气象条件下水体的流场分布，流速大小和方向，污染物迁移转化规律和水生生态演变规律等。
MIKE21模型采用有限体积法求解控制方程，计算网格为任意三角形单元，能够有效准确地模拟岸线和建筑物的外形轮廓。而且，根据研究需要，可对计算网格进行任意加密，以便能够在大范围模型中实现局部精细模拟，从而得到合理的数值模拟结果。 3 项目周边航道概况
项目所在海域紧邻东海大桥，属东海大桥桥区航线，是杭州湾北航路的咽喉。根据多年来形成的习惯航线，主要有长江口往南经大戢山、小戢山、唐脑山、鱼腥脑至宁波甬江口的内航线（或称西航线）；以及直接从杭州湾北湾航道往西，进杭州湾沿岸各港口的中小型船舶的航线。
工程海域附近主要有金山航道、漕泾东航道、漕泾西航道、洋山港西航道、洋山港东支航道以及东海大桥各通航孔航道，具体如下。 （1）金山航道
金山航道宽度2 km，全程长约80 n mile，水深小于8 m。主要用于上海金山石化运输原油。
（2）漕泾东航道
漕泾东航道自大洋山方位205°，距离2.9 n mile的漕泾大灯浮到K28灯浮全长31.5 n mile，航道宽1 n mile，水深最深处13 m，最浅7.3 m。自漕泾灯浮到K17灯浮长20 n mile，航道水深大于8 m。在K23～K25灯浮间最浅水深7.3 m。 （3）漕泾西航道
龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn
自金山航道王盘山北灯浮之北5 n mile开始，航道总长12.5 n mile，宽1 n mile，水深8～10 m。漕泾西航道西口衔接金山航道，东北口衔接漕泾东航道。 （4）洋山港西航道
洋山港西航道自东海大桥西口大灯浮航向120°，航行3.2 n mile抵Y44（左侧标）与Y43（右侧标，两标横距1 n mile）间转向97°，航行1.8 n mile抵Y42（左侧标）、Y41（右侧标）（两标横距1 n mile）间通过进入洋山港西口门。航道水深9 m左右。 （5）洋山港东支航道
航道宽1 500 m，航标为标进出口航道各宽750 m，水深7～11 m。 （6）东海大桥各通航孔航道
东海大桥设置4个通航孔，自南（小乌龟岛西北侧）向北依次为：1号通航孔航道（500载重吨及以下）、2号通航孔航道（5 000载重吨及以下）、3号通航孔航道（1 000载重吨及以下）和4号通航孔航道（500载重吨及以下）。 4 溢油事故风险评价 4.1 风险因子识别
本风电场施工期采用的最大吨位施工船舶为5 000 t 级的甲板驳轮，其所带的燃料油舱为134 m3，燃料油密度按0.75 t/m3计算，则5 000 t 级甲板驳轮最大载油量约为100 t。此外，通航资料显示，目前3#通航孔的过境船舶吨位为500 t左右，但从最不利角度考虑，3#通航孔的最大过船吨位为1 000 t，因此按照1 000 t船舶碰撞风机产生的溢油量考虑，1 000 t船舶燃料油载油量约40 t。
因此，溢油源强按保守考虑，采用施工期施工船舶碰撞发生燃料油舱泄漏造成的最大漏油量100 t。结合工程布置和通航情况，溢油点考虑位于3#通航孔南侧风机较为密集处。溢油点具体位置见图2。 4.2 溢油事故模型建立
溢油数学模型采用MIKE21（SA）模块[45]，基于欧拉—拉格朗日理论体系，通过对油膜在水体中的扩展、传输（水流和风场的作用）、紊动扩散、分散（夹带）、蒸发、乳化、溶解等各种过程的模拟，可提供油膜随时间变化的漂移位置、油膜厚度，以及漂移过程中黏度、油膜表面温度等属性的变化。
龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn
溢油形式主要分为瞬时和连续溢油，一般而言，溢油量的10%为瞬时溢油，90%为连续溢油。结合本工程实际情况，预测以原油作为油品的主要代表，考虑连续一小时溢油的情况，以大潮作为主要的潮流形式。 4.3 溢油计算结果
根据各种工况计算的结果，表3和表4给出了各种工况下溢油发生后12 h内每小时油膜的瞬时覆盖面积。同时模型绘出多年最大风速各工况下的油膜运动轨迹图、油膜的抵达时间，见图3。
工况1～工况9，溢油发生在高潮位时刻，油膜开始随着落潮流运动，油膜面积随着落潮过程逐渐增大，在转流过程中面积略有减小。在东风及北风作用下，油膜瞬时面积随时间变化较大，漂移距离也较大。
工况10～工况18，溢油发生在低潮位时刻，油膜开始随着涨潮流运动，油膜面积随着落潮过程逐渐增大，在转流过程中面积略有减小。
同时，在该海域余流基本以落潮方向为主，且略有向南的趋势，因此油膜漂移轨迹在落潮时有往东南方向漂移的趋势。 5 结论
从上述案例可以看出，利用MIKE21模型系统可以进行海上溢油风险的数值模拟预警，计算出油膜随时间变化的扫海面积，以及各种风速条件下油膜的瞬时分布图。
根据该数值模型的计算结果，相关部门可以建立应付突发性事故的抢险指挥系统，组织制定一份可操作的风险应急行动计划，并委托有资质的单位编制应急预案。一旦发生的溢油事故，应急部门就能快速作出反应，最大限度地减少事故污染对工程海域的灾害性损失。同时，根据上述计算结果，还可利用MIKE21模型计算结果与GIS地理信息平台，建立溢油位置与敏感目标的位置关系，作为预测预警系统的重要组成部分。 参考文献（References）：
[1] 崔源， 郑国栋， 栗天标， 等. 海上石油设施溢油风险管理与防控研究[J]. 油气田环境保护， 2010， 20（4）： 2933.
[2] 吕憧憬， 田丰林， 李勃， 等. 海上溢油可视化信息系统的设计与实现[J]. 地理空间信息， 2012， 10（5）： 2126..
[3] 李娜， 叶闵. 基于MIKE21的三峡库区涪陵段排污口COD扩散特征模拟及对下游水质的影响[J]. 华北水利水电学院学报， 2011， 32（1）： 128131.
龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn
[4] 张娜， 杨宪章. 长航道条件下波浪数学模型试验范围的选取[J]. 港工技术， 2009， 46（3）： 14.
[5] 邱桔斐， 马越， 徐新华. 长江口外海域波浪场数值模拟[J]. 水运工程， 2011（10）： 1114.