北海鐵山港西港區5、6號碼頭溢油事故模擬仿真研究

賀立 鄧翰京

摘 要：為了科學、合理地評估北海鐵山港西港區5#、6#泊位碼頭船舶溢油事故風險，從而為碼頭開展防治船舶污染海洋環境能力建設提供依據，論文對碼頭溢油事故進行了模擬仿真研究。論文建立了二維潮流模型用以模擬碼頭附近水域的潮流場，采用了OILMAP模型對15萬噸級散貨船10t燃料油N風和SW風特定情境下碼頭溢油事故進行了模擬仿真，具體包括對溢油的漂移、分散、擴展、蒸發、乳化、岸線沉積等系列過程，最后對模擬仿真結果進行了分析并為碼頭建設提出了相應建議。

關鍵詞：溢油事故；二維潮流模型；OILMAP模型；模擬仿真

中圖分類號：U698 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2018）9-0027-03

北海港是我國沿海開放重要港口之一，也是大西南和廣西的重要出海通道，具有沿海沿邊沿江的區位優勢，逐步發展為西南地區的重要出海口和我國對東盟國家海上貿易的重要口岸，地理位置十分優越，并成為重要國際區域經濟合作區，在此背景下，北海港迎來了高速發展期，但是北海港現有港口通過能力不足，需要新建泊位滿足未來吞吐量增長的要求。北海港鐵山港西港區 5 、6 號泊位工程是廣西積極推進的港口建設項目之一，該泊位為 2 個 15 萬噸級通用泊位，占用碼頭岸線 587m，主要貨種為重晶石、鎳礦石、鉻礦石、鐵礦石、鋁土礦和錳礦石，年設計吞吐量為800萬噸。為了科學、合理地評估北海鐵山港西港區5、6號泊位碼頭船舶溢油事故風險、防治船舶污染能力和防污應急設備需求，同時為碼頭開展防治船舶污染海洋環境能力建設提供依據，本文對北海鐵山港西港區5#、6#泊位碼頭溢油事故進行模擬仿真研究，對仿真結果進行了分析并提出了建議。

1 溢油事故模擬仿真建模

1.1 二維潮流模型

潮流是近岸淺水海域的基本流動，潮流數值計算是模擬入海溢油隨潮漂移和歸宿的基礎，建立合理的潮流模型是對碼頭溢油事故模擬仿真研究的第一步。本文采用二維潮流模型來模擬碼頭附近水域的潮流場：

式中：水位；：水深；、：直角坐標系（，）與正交曲線坐標系（，）的轉換系數；、：和方向上水深平均速度分量；：單位面積上取排水、蒸發和降水對流量的貢獻；、：單位體積內的源和匯。

模擬可能發生的溢油的區域為以北海鐵山港西港區5#、6#泊位碼頭為中心的海域，計算范圍為緯度：21°29′17.8980″～21°29′47.3700″N，經度109°32′52.2004″～109°33′29.2854″E。碼頭前后流場模擬結果如圖1-2所示。

1.2溢油事故模擬仿真模型

在碼頭前后流場模擬的基礎上，采用OILMAP模型對溢油事故進行模擬仿真。該模型對溢油的漂移、分散、擴展、蒸發、乳化、岸線沉積等一系列過程進行模擬仿真，從而預測油膜漂移軌跡和泄漏原油的歸宿。OILMAP根據水陸網格確定水陸邊界條件和模擬仿真范圍，在輸入風場、溫度等氣象海況資料以及溢油事故現場數據后，通過潮流模型、歸宿模型等一系列數學模型對溢油事故進行情景模擬仿真，預測溢油的漂移軌跡和物理轉化過程。

1.2.1漂移模型

假設溢油可分成許多獨立溢油粒，將每個溢油粒看作拉格朗日粒子。溢油粒在t時刻的位置分量用Xt表示。

式中： Δt：時間步長（s）；Xt-1：時刻溢油粒位置（m）；Uoil：溢油粒漂移速度（m/s）；Ut：水流產生的速度分量（m/s）；Uw：風產生的速度分量（m/s）；Udisp：分散過程產生的速度分量（m/s）。水流流場通過環境流體動力學模型計算得到，輸出給溢油模型；是一個常量，在1-4.5%變化，由實測確定；Uwindspeed為風速。

1.2.2分散模型

式中：東西方向水平擴散系數（m2/s）；：南北方向水平擴散系數（m2/s）；：時間步長（s）；：隨機系數（-1到1）；水平擴散系數、通常相等。

1.2.3擴展模型

擴展模型計算表面溢油的擴展面積。溢油擴展面積直接影響溢油蒸發、溶解、分散和光氧化作用所占比例。擴展由波浪、重力、慣性力、粘度、表面張力相互作用產生。擴展模型采用經Mackay和Kolluru修正的Fay三階段擴展理論，Fay的三階段擴展理論被廣泛應用于溢油擴展過程的計算。Mackay等修正Fay的近似理論，并將溢油描述為厚和薄的油膜。Mackay等假設厚油膜輸送薄油膜，并且80%～90%的總油膜面積為薄油膜。

假定超過90%的油團為厚油膜。厚油膜表面積變化速度（m2/s）定義如下：

式中：獨立溢油粒表面積（m2）；：擴展速度常數（1/s）；：獨立溢油粒體積（m3）；：獨立溢油粒半徑（m）；：表面油膜有效半徑（m）；：時間（s）；：獨立溢油粒表面積（m2）；：表面油膜的油粒數目。

1.2.4蒸發模型

蒸發是水面溢油中的石油烴的較輕組分從液態變為氣態向大氣進行質量傳輸的過程。它是溢油質量傳輸過程的主要部分，蒸發可使溢油的20%～40%從水面面進入到大氣層，特別是輕質原油或成品油如汽油、柴油等，蒸發損失有的可達溢油總量的一半以上。蒸發模型采用Stiver & Mackay1984提出的解析法進行溢油蒸發計算。

Stiver和Mackay提出的蒸發模型計算公式如下：

式中：溢油蒸發體積分量；T：溢油溫度；：油膜面積；：溢油初始體積；：質量遷移系數。

1.2.5乳化模型

乳化的形成是由于存在表面活性劑，就像芳香烴混合物。由于風化，芳香烴消耗盡時，開始沉淀出瀝青，瀝青減少油水表面張力，從而開始乳化過程，Mackay等的指數增加公式已被許多溢油模擬者使用多年，本文采用上述模型計算溢油乳化過程。

式中：乳化油的粘度；：蒸發對粘度的影響；：溢油混合水速度；：風速（m/s）；：乳化常數（0.65）；：經驗常數，乳化油為2×10-6，其它油為0；：常數，控制最大水含量，重油和原油為0.7，家用燃料油為0.25；：常數，輕油為1，重油為10；：油中最大水因子（油特性輸入值）；：時間（s）；—初始油粘度（cP）；：油膜蒸發系數。

（6）岸線沉積模型

岸線沉積模型基于Reedetal提出的計算方法，計算不同類型岸線的吸附能力和清除率指數。吸附能力和清除率指數依賴于溢油的粘性。到達岸線邊的溢油其歸宿依賴于溢出油品的特性、岸線的類型和環境動能。

對不同類型的岸線（m），定義相應的最大吸附容量和吸附泄露物速率，泄露物被岸線吸附的動力性由公式確定：

式中：為m類岸線的泄漏物吸附量。

2 溢油事故模擬仿真

2.1溢油事故情景設定

在模擬仿真模型建立好的基礎上，論文對碼頭操作性船舶溢油事故進行模擬仿真。首先需要設定仿真情境：5、6號泊位碼頭為15萬噸級散貨船泊位，故本文仿真船型為15萬噸級散貨船；考慮到北海鐵山港西港區海域常年風向為N風，同時SW向風也是對周邊環境敏感區構成威脅的風向，故選取N、SW兩個不利風向進行模擬仿真，N、SW 風速取年均風速，分別為4.6m/s和2.8m/s。本文文選取溢油事故情景詳見表1。

2.2 溢油事故模擬仿真結果

根據上述假定的溢油事故情景，對15萬噸級散貨船10t燃料油N風和SW風特定情境下碼頭溢油事故進行模擬仿真，在溢油泄漏后不同時間段的仿真結果如圖3至10所示，溢油72h后的預測結果如表2所示，

（1）N風向溢油事故模擬仿真結果

（2）SW風向溢油事故模擬仿真結果

3 結論及建議

3.1 結論

由于北海鐵山港西港區5#、6#泊位碼頭距離自然保護區、種質資源保護區等環境敏感目標較近，在不利風向條件下溢油在短時間內就會漂移到環境敏感目標。從仿真結果可以看出：N風向下主要對西南側的北部灣二長棘鯛長毛對蝦國家級水產種質資源保護區造成影響；SW風向下可對海草、東南側的合浦國家級儒艮自然保護區、北側的山口國家級紅樹林生態自然保護區等敏感保護目標及其附近岸線造成污染。因此，碼頭必須加強安全營運與防污染管理，降低污染事故發生概率，同時應加強應急防備能力，加強區域應急合作，提供應急反應效率，有效保護周邊環境敏感目標，減輕污染事故后果。

3.2 建議

根據碼頭特點和區域環境敏感資源的特征，同時結合模擬仿真結果，論文從降低風險事故概率和減輕風險事故后果兩個方面對碼頭建設提出對應建議：

（1）降低事故概率：建立健全碼頭安全與防污染管理體系、海難性事故防范對策、操作性事故防范對策和通航安全保障措施。

（2）減輕風險事故后果：配備防污應急設備和器材、制定和完善應急預案、溢油應急措施和環境敏感資源保護對策。

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