海上溢油行为及归宿的数值模拟研究.pdf

海上溢油行为与归宿的数值模拟研究1 徐淑波，熊德琪，廖国祥 大连海事大学环境科学与工程学院，大连 (1 16026) E-mail ：msj@ 摘 要：准确预测海上溢油的行为与归宿在溢油事故应急反应决策支持中起着重要的作用。 本文在国内相关研究基础上，建立了溢油行为与归宿数值预测模型：以三维潮流预报模型的 计算结果作为输入数据，采用大量拉格朗日粒子表示溢油，模拟每个粒子在海面风、海流作 用下的迁移扩散及其经历的蒸发、乳化、分散、溶解、密度和粘度变化等风化过程。此外， 为实现有效的数值模型数据管理和结果可视化，作者应用了地理信息系统 （GIS ）和数据库 技术，利用VC++开发了溢油动态模拟信息系统。应用该系统模拟发生在珠江口的 “3.24 溢 油事故”表明，潮流场模拟结果与实测数据基本吻合，溢油的漂移轨迹与观察结果基本符合。 关键词：溢油 行为 归宿 数值模拟 珠江口 中图分类号：X55 ；TP31 1.前言 近年来，随着中国经济的高速发展，通过海上运输石油的数量不断增加，海上溢油风险 也随之日益增高。据统计，从 1973 年到2002 年29 年间我国沿海船舶溢油、码头溢油 50t [1] 以上重大事故统计达到62 起 。海上溢油事故发生，往往严重威胁海洋生态环境，并对环 境、社会和经济等产生广泛和长期的影响。无论在溢油事故应急反应中，或进行溢油风险和 损害评估，溢油过程模拟能有效地提供科学的决策支持，因此海上溢油模型的建立显得极为 重要。 国外学者从上世纪60 年代开始对溢油模型展开研究并建立了各种模型，如Fay （1969 ） [2 ] [3] 提出的溢油扩展模型 ；MacCay （1980）提出的溢油蒸发和乳化模型 ；NOAA （1994）的 [4] [5] ADIOS 模型 ；ASA 研究所的OILMAP 模型系统 ；Mark Reed （1999）等提出的OSCAR [6] 模型系统 等。国内学者主要从上世纪90 年代开始溢油模型研究，如张存智 （1997）等提 [7] [8] 出的三维溢油动态预报模式 ；乔冰 （2001 ）提出的应急反应溢油模型 ；娄安刚 （2001） [9] 等提出的三维海洋溢油预测模型 。 本文在国内外相关研究基础上，建立一个溢油行为与归宿数值预测模型，该模型采用拉 格朗日“油粒子”概念来描述海上溢油的行为变化，可以模拟溢油漂移、扩散等运动过程和 蒸发、乳化、分散、溶解、粘度和密度变化等风化过程。并在此基础上，建立用于实现模型 数据管理和可视化的溢油动态模拟系统。为检验数值模型的预测能力，本文应用该模型系统 对发生在珠江口的一次溢油事故进行数值模拟研究。 2.数值模型 海上溢油的迁移扩散主要依赖于海面风场和潮流场。风场数据一般由气象部门提供，而 潮流场则需要通过海区潮流场预报程序计算获得。 2.1 三维潮流预报模型 2.1.1 控制方程  z )  0 采用Blumberg 和Mellor 所定义的 坐标系。海面（ 转换成 ，而海底则相 应的变成 1，则计算三维潮波运动的控制方程的在σ坐标下形式为：  (Hu) (Hv ) w    0 t x y  (1) u