天津港某液體化工碼頭船舶污染影響模擬研究

蔡 磊，王燕燕，朱宇新

（1.中交（天津）生態(tài)環(huán)保設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300461；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300461）

引言

本工程位于天津港大港港區(qū)西港池南端岸線，處在防波堤掩護(hù)范圍內(nèi)，西側(cè)為二期碼頭工程，東側(cè)為中沙項(xiàng)目用地，南側(cè)為項(xiàng)目罐區(qū)用地。碼頭長(zhǎng)度910 m，分別為1個(gè)5萬(wàn)t級(jí)化工品泊位、1個(gè)5萬(wàn)t級(jí)液化石油氣泊位和1個(gè)10萬(wàn)t級(jí)化工品泊位，設(shè)計(jì)通過(guò)能力810萬(wàn)t/a。

圖1 工程位置

該項(xiàng)目所在海域的船舶碰撞是發(fā)生溢油事故的主要原因，本次研究港池口門處船舶溢油，在不同工況條件下溢油范圍和距離。

1 潮流數(shù)學(xué)模型

1.1 控制方程

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量方程：

式中：ζ為水位；h為靜水深；H為總水深，H=h+ε；u、v分別為x、y方向垂向平均流速；g為重力加速度；f為科氏力參數(shù)；φ為計(jì)算海域所處地理緯度）；CZ為謝才系數(shù)，n為曼寧系數(shù)；xε、yε為x、y方向水平渦動(dòng)粘滯系數(shù)。

1.2 定解條件

初始條件：

1.3 計(jì)算域設(shè)置

模型計(jì)算域包含了整個(gè)渤海灣海域，計(jì)算域南北跨度約114 km，東西跨度110 km，如圖2所示。模擬采用三角網(wǎng)格，用動(dòng)邊界的方法對(duì)干、濕網(wǎng)格進(jìn)行處理，整個(gè)模擬區(qū)域內(nèi)由6 160個(gè)節(jié)點(diǎn)和11 048個(gè)三角單元組成，最小空間步長(zhǎng)約為30 m。

1.4 模型水邊界輸入

開邊界：開邊界上共設(shè)28個(gè)點(diǎn)進(jìn)行控制（圖2），采用MIKE 21全球模式提取的對(duì)應(yīng)點(diǎn)的主要分潮調(diào)和常數(shù)值進(jìn)行計(jì)算[1]。

式中：fi、σi為第i個(gè)分潮（共取四分潮：M2、S2、O1和K1）的交點(diǎn)因子和角速度；Hi和Gi是調(diào)和常數(shù)，分別為分潮的振幅和遲角；Voi+Vi是分潮的幅角。

閉邊界：以岸線作為閉邊界，其中大海域采用海圖岸線數(shù)據(jù)，工程周邊采用海區(qū)實(shí)測(cè)岸線數(shù)據(jù)。

1.5 底部糙率及時(shí)間步長(zhǎng)

底部糙率通過(guò)曼寧系數(shù)控制，曼寧系數(shù)n值取13～38 m1/3/s。模型計(jì)算最小時(shí)間步長(zhǎng)取1.5 s。

1.6 水平渦動(dòng)粘滯系數(shù)

采用Smagorinsky (1963)公式，計(jì)算水平渦粘系數(shù)：

圖2 模型范圍及網(wǎng)格示意

2 風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)

風(fēng)場(chǎng)資料需要統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)近10年的歷史資料，為此本研究于美國(guó)環(huán)境預(yù)報(bào)中心下載了2007年1月～2017年12月共計(jì)10年的風(fēng)場(chǎng)資料，應(yīng)用于溢油預(yù)測(cè)與統(tǒng)計(jì)分析。

3 溢油數(shù)學(xué)模型

溢油行為與風(fēng)、海流、等水動(dòng)力因素以及本身的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。基于“油粒子”思想，很多學(xué)者對(duì)溢油模型做了深入的研究，建立了多種海上溢油行為預(yù)報(bào)模式，并應(yīng)用于實(shí)際研究[2]。以潮流計(jì)算結(jié)果和風(fēng)場(chǎng)資料分析結(jié)果為依據(jù)，進(jìn)行溢油可能擴(kuò)散范圍預(yù)測(cè)研究。

本研究以潮流計(jì)算結(jié)果和風(fēng)場(chǎng)資料分析結(jié)果為依據(jù)，采用溢油模型對(duì)溢油的擴(kuò)散、漂移和岸線吸附進(jìn)行模擬，分析研究預(yù)測(cè)油膜的演變，預(yù)測(cè)油膜漂移軌跡和歸宿，其模擬流程如圖3所示。

圖3 溢油模型數(shù)值模擬示意

溢油模型根據(jù)網(wǎng)格明確模擬預(yù)測(cè)參數(shù)及水陸邊界，在輸入氣象海況資料包括風(fēng)場(chǎng)、流場(chǎng)等以及事故的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)后，通過(guò)潮流模型、歸宿模型等多個(gè)數(shù)學(xué)模型的組合對(duì)溢油事故進(jìn)行模擬，研究預(yù)測(cè)油膜的演變包括漂移軌跡和歸宿等[3]。

3.1 漂移模型

油膜中心運(yùn)動(dòng)軌跡：

式中：S0為溢油初始位置；t0為溢油初始時(shí)間；S為溢油在Δt時(shí)刻后的油膜中心位置。

3.2 重力擴(kuò)散模型

根據(jù)加拿大多倫多大學(xué)溢油實(shí)驗(yàn)[4]，漂移的油膜由厚膜和薄膜組成，其中薄膜的面積是厚膜面積的4倍，其動(dòng)力擴(kuò)展特性為：

式中：A薄、A厚分別為薄油膜、厚油膜的面積；h薄、h厚分別為薄油膜、厚油膜厚度；V薄為薄油膜體積；C1、C2、C3分別為實(shí)驗(yàn)常數(shù)。

3.3 蒸發(fā)模型

油膜的蒸發(fā)也同樣按照厚薄油膜的假設(shè)分別建立動(dòng)力學(xué)公式，如下：

式中：V薄、V厚分別為薄油膜、厚油膜體積；fmax為最大蒸發(fā)分?jǐn)?shù)；分f薄、f厚分別為薄油膜、厚油膜蒸發(fā)量占比。

式中：Mv為蒸發(fā)相摩爾體積；R為氣體常數(shù)；T為溫度；dθ=Ke×dt/h厚,Ke為質(zhì)量傳輸系數(shù)；C為實(shí)驗(yàn)常數(shù)。

3.4 岸線吸附模型

對(duì)于不同的岸線類型（m種），其對(duì)溢油油膜的吸附效果是不同的，為此模型中可賦值多種岸線類型，其動(dòng)力學(xué)公式如下：

式中：A m為m種岸線的溢油吸附量；Am,max為最大吸附量；Vm為岸線對(duì)油膜的吸附速率。

3.5 水體溶出模型

水體溶出主要可溶組分的最大溶出濃度：

式中：Cn,max(T,P)是當(dāng)溫度為T、壓力為P時(shí)，n組分的最大溶出濃度；S(T,P)n是當(dāng)溫度為T、壓力為P時(shí)，n組分的溶出濃度；Kn,m為油類各組分間的影響系數(shù)；Kn,E為海面能量影響系數(shù)；Kn,s為海水鹽度影響系數(shù)；Kn,D為水深影響系數(shù)。

4 港池口門處溢油預(yù)測(cè)與分析

4.1 預(yù)測(cè)條件

選取特定的情景，預(yù)測(cè)在港池口門處發(fā)生溢油后的油膜運(yùn)動(dòng)規(guī)律，依據(jù)《水上溢油環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》[5]確定預(yù)測(cè)工況，結(jié)合風(fēng)場(chǎng)及流場(chǎng)條件，確定預(yù)測(cè)工況。

表1 口門處溢油事故主要工況參數(shù)

4.2 預(yù)測(cè)結(jié)果

表2 風(fēng)與不同潮流組合下油膜面積

圖4 夏季主導(dǎo)風(fēng)（SE向）漲、落潮溢油軌跡

圖5 冬季主導(dǎo)風(fēng)（NW向）漲、落潮溢油軌跡

圖6 不利風(fēng)S條件下溢油軌跡

5 結(jié)語(yǔ)

1）在港池口門處發(fā)生溢油事故后72小時(shí)的漂移軌跡可以看出，在夏季主導(dǎo)風(fēng)、漲潮時(shí)發(fā)生溢油事故后油膜漂向港池內(nèi)漂移，漲潮在72小時(shí)內(nèi)油膜擴(kuò)散面積為3.69 km2，距泄漏點(diǎn)最遠(yuǎn)距離為8.8 km，落潮在72小時(shí)內(nèi)油膜擴(kuò)散面積為23.2 km2，距泄漏點(diǎn)最遠(yuǎn)距離為14.5 km。

2）當(dāng)溢油事故發(fā)生在冬季主導(dǎo)風(fēng)NW作用下時(shí)，無(wú)論在漲潮階段發(fā)生溢油，還是在落潮階段發(fā)生溢油事故，油膜總體上向東南側(cè)漂移，漂移路由基本類似，漲潮在72小時(shí)內(nèi)油膜擴(kuò)散面積為112.4 km2，距泄漏點(diǎn)最遠(yuǎn)距離為29.3 km，落潮在72小時(shí)內(nèi)油膜擴(kuò)散面積為111.6 km2，距泄漏點(diǎn)最遠(yuǎn)距離為30.6 km。

3）當(dāng)溢油事故發(fā)生在不利風(fēng)下時(shí)，落潮在72小時(shí)內(nèi)油膜擴(kuò)散面積為19.94 km2，距泄漏點(diǎn)最遠(yuǎn)距離為10.7 km。