珠江口區域海上溢油動態預測信息系統的開發與應用

熊德琪，林 奎 ，肖 明 ，楊建立

（1.大連海事大學，大連 116026；2.廣東海事局，廣州 510230）

珠江口區域是我國經濟最發達的地區之一，油品需求量呈不斷增長的趨勢。廣州、深圳、珠海港每年油類吞吐量超過2 400萬t，其中大部分在珠江口、大嶼山、沙角、二虎等錨地進行水上過駁，參加過駁作業的大小油船約3萬3千多艘次，存在非常大的溢油污染風險。為了提高溢油反應效率，大連海事大學與廣東海事局合作，在國內外先進的溢油應急信息系統基礎上，針對珠江口水域的特點研制開發了“珠江口區域海上溢油動態預測信息系統”，作為溢油應急指揮的決策支持系統和培訓演習技術平臺［1-2］。

1 系統組成

系統由一系列數值計算模型和基于WINDOWS操作系統的用戶圖形界面2大部分組成（圖1）。

1.1 數值計算模型

海上溢油行為和結果受油品本身特性和潮流場等多種環境因素支配，經歷漂移、擴散、蒸發、分散、乳化、溶解、光氧化、生物降解及其相互作用的復雜過程。研究這些作用和相互作用過程，是模擬溢油行為和結果的基礎，數值計算模型是系統的核心，主要包括以下4個部分。

（1）三維潮流數值預報模塊。潮流、風海流以及密度流、壓力梯度流、沖淡水流等組成的合成流速，是油膜漂移運動的驅動力，因此流場預報是溢油動態預測的關鍵條件之一。珠江口水域動力環境復雜，課題選用中山大學在漢堡陸架海HAMSOM三維斜壓方程模式基礎上建立的珠江口潮流數值預報模式，形成珠江口三維潮流快速預報模塊，經驗證滿足預報精度。潮流快速預報方法借助三維數模對預報海域進行連續15個周的潮流計算，對每個網格點進行調和分析，算出各點的潮流調和常數，即可實現三維潮流的快速預報，生成的預報結果可供珠江口水域溢油應急預報系統實時調用。

（2）溢油行為模型。系統采用目前國際上一致認同的“油粒子”模型來模擬海面溢油行為，將溢油用許多粒子代表，反過來每一個粒子代表一組同樣大小和成分的油滴，粒子在表面表現為油膜，在水體中則表現為油滴，表面油膜的大小為表面粒子的疊加。采用表面擴散、平移、輸送、乳化和揮發算法來模擬計算海水表面溢油的漂移、風化過程；而水體中油粒子與水體一起運動，并伴有隨機行為，可視作拉格朗日粒子，采用隨機走動算法模擬水平和垂直方向的平移以及湍流擴散；利用線性平衡理論來劃分粒子的吸附狀態和溶解狀態；由于吸附在固體顆粒上的污染物會與顆粒一起沉降，底部污染物與沉積物按照生物擾動方程混和，會有一部分返回到水體中。污染物在水中和沉積層中的降解以一級降解方程表示。與過去的二維算法相比，應用油粒子概念不但較好地解決了油膜在環境動力作用下的剪變和破碎過程，并能確切預報油膜邊緣的擴展過程和油膜形狀在風向上的明顯拉伸現象，能切和實際地模擬油膜的不規則形狀和漂移軌跡，而且可以有效地消除數值發散問題。

（3）溢油風化模型。海面溢油在其輸運擴散的過程中，也同時經歷著蒸發、分散、溶解、乳化、沉降、光氧化、生物降解等復雜風化過程，直接導致油膜理化性質的改變，溢油的風化過程相當復雜。本模型主要以風化實驗數據為基礎，考慮溢油的蒸發、分散、溶解、乳化等過程，對于光氧化等長期過程等則可忽略。

（4）應急反應模型。聯合使用應急反應模型與溢油行為和風化模型，可模擬不同反應策略（如機械回收、使用分散劑等）的溢油清除效果，為溢油應急反應決策提供參考。

圖1 溢油動態預測信息系統的組成結構Fig.1 Scheme of oil spill dynamic forecast information system

1.2 圖形界面

（1）圖形界面是為了方便用戶輸入上述數值計算所需要的參數，并且可將預測計算結果可視化輸出，形象直觀，主要包括：可任意縮放比例的電子海圖，根據用戶指定的計算范圍，系統能夠自動生成高精度的計算網格，這樣可以提高計算準確性。

（2）包括油品和化學品的物理化學性質數據庫、水深地形數據庫，水文氣象（風海流）數據文件庫、資源分布數據庫、溢油人員設備數據庫等。用戶既可以直接選用風場和潮流場的數據文件，也可以根據觀測資料實時生成潮流場和風場，地形水深情況可自動調用數據庫，使應急預測準確而迅速。

（3）內置有與ArcView系統格式相互兼容的地理信息系統（GIS）技術，提高了系統的實用性和擴充性；允許用戶在電子海圖上編輯添加顯示資源保護區、環境敏感區、應急人員設備分布、水深、航道等信息。并具有開放性，允許用戶編輯添加。

（4）系統運行由輸入、模擬計算和輸出3部分構成，操作順序為：輸入溢油預測所必需的條件，包括油種性質數據、環境數據和模型控制參數，其中空間流場數據由三維潮流模型計算產生；預測部分以三維溢油動態模型和風化模型為主體，依據輸入數據預測未來時刻的溢油動態和行為；預測計算結果進行可視化輸出，計算結果可直接輸出至電子海圖上，可視化顯示溢油的漂移軌跡和性質變化，因此特別適合溢油現場指揮使用。同時，由于系統運行過程采用逐步引導式輸入，計算結果能夠以動畫、圖形、文本等多種形式詳細輸出，便于非專業的管理人員操作使用。還可通過一機多屏技術實現不同內容在雙屏或三屏上分別顯示，以便同時參考上述相關信息，提高應急反應效率。

2 系統功能

（1）用戶在15 min之內就可以將事故參數和現場數據方便快速地輸入并完成預測模擬計算，并在海域電子海圖上顯示溢油可能的漂移軌跡、擴散范圍、上岸時間和地點等，有助于確定油膜位置和動態，并及時調集應急隊伍和清除設備到達適當的作業地點；

（2）能夠根據氣象海況條件，計算預測海上溢油在不同時刻的殘余量、油膜厚度、密度、粘度、含水率、乳化率等溢油性質和狀態變化情況，有助于選擇最有效的控制清除方式；

（3）預報溢油漂移軌跡和擴展范圍，以便向環境敏感區發布污染預警，提前防范避免重大污染損失；

（4）系統內配備有地理信息系統（GIS）技術，可以顯示環境敏感區和應急人員設備的地理分布信息，有助于提前發出污染預警和進行應急部署；

（5）具備模擬不同清除方案處理效果的功能，為應急反應處理提供必要信息和決策支持；

（6）具備模擬不同化學品污染物在水中的溶解擴散情況和沉降作用對海底底質污染程度的功能，可對各種化學品在海面、水中、海底的動態和分布全方位地進行計算顯示；

（7）具有文字、圖形、圖表的直接復制打印輸出功能，方便編輯迅速形成報告。

3 應用案例

1999年3月24日發生的珠?！?·24”溢油污染事故是歷年來發生在珠江口水域溢油量最大、損害最為嚴重的船舶溢油事故。事故造成珠江口部分水域岸線嚴重污染，使珠海市在水產養殖和旅游等方面蒙受重大的經濟損失，生態環境遭到嚴重破壞，教訓十分深刻?，F應用上述“珠江口區域溢油動態預測信息系統”進行事故模擬檢驗。

3.1 事故模擬參數

溢油時間為 1999 年 3 月 24 日 02：00～03：00 時，溢油地點位于 22°24′.718N，113°43′.583E，距淇澳島約10 km；溢油種類為180#重質燃料油，約586 t。

根據珠海市氣象站提供的1999年3月24～30日典型時段的資料，24日和25日以偏東北風為主，風速約2.0 m/s；26日以偏南風為主，風速較小，約1.0 m/s；27日下午以后風向增強至4～5 m/s，以偏東風為主；28日以東北風為主，風速較大；29～30日，亦以東北風為主，風速亦較大。

海況條件：當天內伶仃站位的潮汐高潮時刻為04：55 和16：36，低潮時刻為 10：55 和 22：59，事故發生時處于漲潮狀態，流速約為1節，輕浪（圖2）。

3.2 模擬結果與分析

溢油漂移的模擬軌跡結果見圖3。下面對模擬結果作一些初步分析。

（1）1999年3月24日2時事故發生時正處于漲潮期，小潮，事故發生地點附近海域的潮流流速不大，漲急時約為0.4 m/s，吹輕微的東北風。油膜漂移主要受北向漲潮流和南向落潮流的控制作南北往復運動，同時受約2 m/s的東—東南風影響，油膜呈“M”字形軌跡逐漸向淇澳島方向靠近，平均漂移速度0.2 m/s。油膜厚度很快減少到1 mm以下，由于風浪不大，乳化程度低，但隨著重油中約10%輕組分的揮發，油膜的粘度很快增加，達5 000 Cs以上。溢油于1999年3月25日下午到達淇澳島附近海域，并有部分在淇澳島南芒灣和唐家灣銅鼓角一帶登陸。這段時間溢油在偏東北風的作用下緩慢向淇澳島漂移。這個時間段是最好的應急圍堵、回收時機。

（2）1999年3月26日，風力變小且是南風，油膜在漲落流的交替作用下，在銅鼓角附近海域徘徊，并有部分溢油進入金星門。部分油膜漂向南芒灣及輪渡碼頭等岸線。由于落潮流略大于漲潮流，大部分油膜向東南漂移繞過銅鼓角后，于27日凌晨向南漂移至大塢灣和唐家灣海域，在大塢灣和唐家灣海域作往復運動。這段時間海面刮南風，風力較小，使溢油在唐家灣和淇澳島南側之間海域隨潮流作往復運動，有部分油膜飄上岸。

圖2 伶仃水道附近水域的落急流態Fig.2 Simulated ebb tide current field around the Lingding waterway

（3）3月27日下午風力開始增強，轉為4級東風，大量溢油在唐家灣和銀坑一帶被吹上岸。剩余油膜于28日凌晨繞過銀坑進入香洲灣。28日繼續吹較大的東北風，油膜在香洲灣海域作往復運動，大部分油膜在香洲港、野貍島及菱角咀等處陸續抵岸。少量破碎油膜則于29日到達九州列島附近海域，最終被吹上海岸。突然增強的東北風將海面飄浮的剩余油膜陸續吹上岸。

根據模擬結果，此次溢油事故污染比較嚴重的海岸有：淇澳島東側與南側一帶、銅鼓角、唐家灣、銀坑、香州灣、九州港一帶等，模擬結果與當時實際監測情況較一致。

圖3 “3.24”事故油膜漂移動態與軌跡模擬結果Fig.3 Visual display of“3.24”oil film trajectory results

4 結束語

本文介紹的溢油動態預測信息系統輸入簡便快捷、計算迅速準確、結果詳實可視，無論是理論技術性還是實際應用性均比較先進。不但能夠為各港口和水域的污染事故應急計劃和部署提供決策支持，提高應急反應效率，也可以廣泛應用于海上溢油與化學品污染事故防治的其他領域，如污染事故風險與環境影響評價、應急反應計劃的演習和人員培訓、污染損害評估與索賠等。

［1］Reed M，Ekrol N，Rye H，et al.Oil Spill Contingency and Response（OSCAR）Analysis in Support of Environmental Impact Offshore Namibia［J］.Spill Science and Technology Bulletin，1999，5（1）：29-38.

［2］張波，吳冠，張硯峰，等.中文 Windows環境下的海上溢油預報系統［J］.海洋環境科學，1997，16（1）：41-45.ZHANG B，WU G，ZHANG Y F，et al.Oil spill prediction system for Windows［J］.Marine Environmental Science，1997，16（1）：41-45.