洪夢(mèng)娟，耿安朝，魏 芳

（上海海事大學(xué)海洋環(huán)境與工程學(xué)院，上海 201306）

隨著經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展及船舶大型化的發(fā)展趨勢(shì)，區(qū)域海上事故溢油頻發(fā)，對(duì)人類(lèi)活動(dòng)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成的重大的威脅?！秶?guó)家水上交通安全監(jiān)管和救助系統(tǒng)布局規(guī)劃》[1]（2005-2020）中提出2020年的發(fā)展目標(biāo)是重點(diǎn)水域一次溢油綜合清除處理能力達(dá)到1 000 t，但是該指標(biāo)是指回收油污混合物量，隨著應(yīng)急到達(dá)時(shí)間增長(zhǎng)，溢油面積逐漸擴(kuò)大，油膜厚度減小，導(dǎo)致回收油污的含水率上升，溢油回收效率下降，假如不考慮應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間的變化，混合物中含油量較少，該指標(biāo)便失去了描述溢油處理能力的作用，在實(shí)際處理過(guò)程中無(wú)法作為判別處理效果的標(biāo)準(zhǔn)，因此需針對(duì)應(yīng)急響應(yīng)做出溢油應(yīng)急處理能力評(píng)價(jià)。

國(guó)內(nèi)學(xué)者在溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方面做了大量工作，張舒[2]、劉偉[3]、洪曉煜[4]等采用故障樹(shù)等概率統(tǒng)計(jì)理論進(jìn)行溢油事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；苗佳靜[5]、冉玉茹[6]等采用模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行溢油風(fēng)險(xiǎn)分析；廖國(guó)祥[7]采用溢油動(dòng)力學(xué)模型為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及應(yīng)急響應(yīng)提供理論與技術(shù)支持。但在實(shí)際應(yīng)急處理工作中仍存在著大量難題[8]，如敏感區(qū)保護(hù)、清污效果評(píng)估、溢油量估算等[9]，劉劍[10]也提出溢油評(píng)估與實(shí)際清污工作評(píng)估的脫節(jié)現(xiàn)象?，F(xiàn)階段大量關(guān)于清污能力的研究集中在針對(duì)溢油量判斷溢油應(yīng)急響應(yīng)等級(jí)和優(yōu)化應(yīng)急處理能力，較少考慮到溢油應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間對(duì)應(yīng)急處理能力的影響。本文試圖采用溢油漂移擴(kuò)散預(yù)測(cè)計(jì)算模型預(yù)測(cè)出溢油應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間，提出相應(yīng)的應(yīng)急處理措施，研究區(qū)域海上溢油事故應(yīng)急響應(yīng)與處理能力的制約關(guān)系，為事故溢油應(yīng)急工作提供理論依據(jù)。

1 溢油漂移擴(kuò)散模型

溢油漂移擴(kuò)散模型包含溢油擴(kuò)散模型和二維潮流模型兩大模型。當(dāng)油粒子進(jìn)入海水中時(shí)，油膜半徑隨時(shí)間而變化，具體變化程度可由P.C，Blokker公式給出：

式中：Dt為t時(shí)刻后油膜的直徑，單位為m；rw，r0分別為水和油的比重，分別取1.025，0.87；V0為溢油量，m3；k=15 000。

在半封閉型海域中，水平尺度遠(yuǎn)大于垂直尺度，可忽略運(yùn)動(dòng)在垂向上的變化。將油粒子視為格朗日粒子，粒子速度（見(jiàn)式2）主要由潮流和風(fēng)生流決定，潮流速度由二維連續(xù)方程(見(jiàn)式3)和二維垂向動(dòng)量方程（見(jiàn)式4）采用半隱式有限差分?jǐn)?shù)值算法求得，再根據(jù)粒子速度計(jì)算出粒子軌跡（見(jiàn)式5）。

式中采用右旋直角坐標(biāo)系，OXY面與平均海平面重疊，Z軸向上為正。u、v分別為X方向和Y方向的垂向平均流速；ζ為相對(duì)于OXY面的水位，H為瞬時(shí)水深，H=h+ζ；h為相對(duì)于OXY平面的水深絕對(duì)值；f為柯氏參數(shù)；r為底摩擦系數(shù)；g為重力加速度。初始條件為：t=0時(shí)，u=v=ζ=0。邊界條件為：對(duì)于開(kāi)邊界水位取大小潮期間的水位。

Δt時(shí)間間隔粒子從點(diǎn)P1運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)P2，位移P1 P2進(jìn)行可通過(guò)下式積分而得。

式中uQ、vQ為歐拉流速。

2 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)數(shù)值模擬研究

本文以福建省東山灣為研究對(duì)象，東山灣屬于典型的半封閉型海灣，潮流屬于往復(fù)式正規(guī)半日潮流，主航道水深一般都超過(guò)10 m，最深處可達(dá)30 m，是我國(guó)天然深水良港之一。東山灣海洋重點(diǎn)功能類(lèi)型為港口航運(yùn)、農(nóng)漁業(yè)區(qū)、海洋保護(hù)區(qū)和特殊利用區(qū)。主要海洋敏感區(qū)有：東山灣農(nóng)漁業(yè)區(qū)、列嶼農(nóng)漁業(yè)區(qū)、漳江口紅樹(shù)林保護(hù)區(qū)、珊瑚礁自然保護(hù)區(qū)、馬鑾灣旅游娛樂(lè)區(qū)等[11-12]如圖1所示。

對(duì)模型進(jìn)行假設(shè)，溢油類(lèi)型為船用柴油，溢油量取100 m3，油膜中心到達(dá)岸或?yàn)晨诤蟛环祷?，模擬在東北風(fēng)、靜風(fēng)下，大、小潮的高潮、低潮、漲急、落急時(shí)刻16種海況和氣象下A、B、C三點(diǎn)處（圖2）發(fā)生的事故溢油，預(yù)測(cè)油膜在一個(gè)潮周期內(nèi)的漂移擴(kuò)散路徑和油膜面積的時(shí)空分布。

圖1 東山灣海洋功能區(qū)劃圖Fig.1 Dongshan bay function zoning map

圖2 東山灣航道圖Fig.2 Dongshan bay Channel map

2.1 溢油軌跡預(yù)測(cè)結(jié)果

溢油漂移方向與航道方向基本一致，油膜在一個(gè)潮周期12 h內(nèi)，A點(diǎn)漂移方向主要為南北走向，B點(diǎn)漂移方向主要為東西走向，C點(diǎn)漂移方向主要為南北走向（圖3、4）。從表2中可看出A點(diǎn)的漂移軌跡向北延伸至漳江口海域，向南可延伸至馬鞍嶼附近海域、城垵作業(yè)區(qū)、八尺門(mén)水道口等處，其中涉及東山灣農(nóng)漁業(yè)區(qū)、列嶼農(nóng)漁業(yè)區(qū)，漳江口紅樹(shù)林自然保護(hù)區(qū)；B點(diǎn)漂移軌跡在西北方向的鳥(niǎo)咀東部海域到東南方向的銅陵海域之間，其中涉及東山珊瑚保護(hù)區(qū)、列嶼農(nóng)漁業(yè)區(qū)及馬鑾灣旅游娛樂(lè)區(qū)；C點(diǎn)漂移軌跡基本在古雷作業(yè)區(qū)沿岸，其中涉及馬鑾灣旅游娛樂(lè)區(qū)。

隨著擴(kuò)散時(shí)間增長(zhǎng)，油膜面積擴(kuò)大（表1），由于主要受得海流、海風(fēng)的影響，油膜在不同海況下抵達(dá)岸灘和敏感區(qū)的擴(kuò)散時(shí)間不同（表1、2）。A點(diǎn)在東北風(fēng)、大潮、低潮情況下溢油，油膜在2 h內(nèi)抵達(dá)云霄作業(yè)區(qū)灘邊，溢油面積達(dá)0.316 km2；在東北風(fēng)、大潮、高潮情況下溢油，油膜在7 h內(nèi)抵達(dá)城安作業(yè)區(qū)灘邊，溢油面積達(dá)0.663 km2；在東北風(fēng)、大潮、落急情況下溢油，油膜在10 h內(nèi)抵達(dá)八尺門(mén)水道口灘邊，溢油面積達(dá)0.83 km2。B點(diǎn)在東北風(fēng)情況下溢油，油膜在1 h之內(nèi)抵達(dá)城安作業(yè)區(qū)灘邊，溢油面積達(dá)0.223 km2。C點(diǎn)在靜風(fēng)情況下溢油，油膜在1 h內(nèi)抵達(dá)古雷作業(yè)區(qū)灘邊，溢油面積達(dá)0.316 km2；在東北風(fēng)、小潮情況下溢油，油膜在5 h內(nèi)抵達(dá)塔嶼附近海域，溢油面積達(dá)0.538 km2。

表1 油膜擴(kuò)散直徑與面積隨時(shí)間變化的關(guān)系表Tab.1 The oil film diffusion diameter and area with time changes in the relationship table

表2 不同海況下油膜抵達(dá)各岸灘和敏感區(qū)所需的擴(kuò)散時(shí)間Tab.2 The diffusion time of film arrived on the beach and sensitive areas under different sea conditions

圖3 東北風(fēng)、大潮A、B、C三點(diǎn)落急時(shí)刻溢油Fig.3 Northeaster,spring tide,drop urgently moment

圖4 靜風(fēng)、大潮A、B、C三點(diǎn)低潮時(shí)刻溢油Fig.4 Calm wind,spring tide,low tide moment

2.2 溢油對(duì)海洋敏感區(qū)的影響

從表2中歸納出三點(diǎn)溢油后對(duì)各海洋敏感區(qū)的影響程度（表3）：A點(diǎn)油膜在靜風(fēng)情況下，溢油發(fā)生后2 h將對(duì)東山灣農(nóng)漁業(yè)區(qū)造成最重的影響；在東北風(fēng)作用下，溢油發(fā)生后6 h將對(duì)列嶼農(nóng)漁業(yè)區(qū)造成較大影響；在大潮，靜風(fēng)、低潮情況下，溢油發(fā)生后5 h將對(duì)漳江口紅樹(shù)林自然保護(hù)區(qū)造成影響。B點(diǎn)油膜對(duì)馬鑾灣旅游娛樂(lè)區(qū)影響最重，在靜風(fēng)條件下，溢油發(fā)生后4 h之內(nèi)將對(duì)該區(qū)造成影響。C點(diǎn)位于灣口，溢油基本不會(huì)影響灣內(nèi)敏感區(qū)。

表3 溢油對(duì)環(huán)境敏感區(qū)的影響程度Tab.3 The impact of spilled oil on environment sensitive areas

3 應(yīng)急響應(yīng)與處理能力

通過(guò)研究分析得到的不同海況下溢油油膜軌跡和油膜面積的時(shí)空分布，為溢油應(yīng)急響應(yīng)工作提供了理論依據(jù)，同時(shí)溢油事故應(yīng)急響應(yīng)與應(yīng)急處理措施之間存在較大的制約關(guān)系，如油膜軌跡決定了應(yīng)急船舶的布局；油膜擴(kuò)散時(shí)間決定了應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間；油膜面積決定了圍油欄數(shù)量等，本文采用應(yīng)急船舶、應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間、圍油處理、機(jī)械回收4個(gè)指標(biāo)討論東山灣溢油事故應(yīng)急響應(yīng)與處理能力。

3.1 物資儲(chǔ)備點(diǎn)的布局與應(yīng)急船舶搶險(xiǎn)路線

結(jié)合溢油擴(kuò)散模擬油膜軌跡結(jié)果，將物資儲(chǔ)備點(diǎn)設(shè)置于古雷作業(yè)區(qū)、城垵作業(yè)區(qū)、云霄作業(yè)區(qū)3個(gè)碼頭沿岸。根據(jù)溢油事故點(diǎn)的具體位置、油膜擴(kuò)散隨時(shí)間的變化及船舶航行時(shí)間，分析對(duì)事故點(diǎn)的搶險(xiǎn)路線。若A點(diǎn)發(fā)生溢油現(xiàn)象，應(yīng)急船舶從云霄作業(yè)區(qū)航行0.5 h內(nèi)達(dá)到事故點(diǎn)；若B點(diǎn)發(fā)生溢油現(xiàn)象，應(yīng)急船舶從城垵作業(yè)區(qū)航行0.5 h之內(nèi)達(dá)到事故點(diǎn)；若C點(diǎn)發(fā)生溢油現(xiàn)象，應(yīng)急船舶從古雷作業(yè)區(qū)航行0.5 h之內(nèi)達(dá)到事故點(diǎn)；若在東山灣農(nóng)漁業(yè)區(qū)附近發(fā)生溢油現(xiàn)象，應(yīng)急船舶需從云霄作業(yè)區(qū)出發(fā)，航行時(shí)間需要1 h；若在列嶼農(nóng)漁業(yè)區(qū)附近發(fā)生溢油現(xiàn)象，應(yīng)急船舶需從城垵作業(yè)區(qū)出發(fā)，航行時(shí)間需要1.5 h。

3.2 溢油應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間研究

溢油應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間必須滿足在油膜擴(kuò)散達(dá)到岸灘及敏感點(diǎn)所需時(shí)間之內(nèi)，否則將對(duì)海洋環(huán)境造成重大污染，其中溢油應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間=報(bào)警時(shí)間+接警后響應(yīng)時(shí)間+出動(dòng)時(shí)間+裝載物資時(shí)間+航行時(shí)間+現(xiàn)場(chǎng)組織時(shí)間。結(jié)合模擬預(yù)測(cè)的油膜擴(kuò)散達(dá)到岸灘及敏感點(diǎn)所需時(shí)間，討論出溢油應(yīng)急處理時(shí)需滿足的溢油應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間。如A點(diǎn)在東北風(fēng)、大潮、低潮情況下溢油，溢油應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間需在2 h內(nèi)，避免油膜抵達(dá)云霄作業(yè)區(qū)岸灘；在東北風(fēng)情況下溢油，溢油應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間需在6 h內(nèi)，避免油膜抵達(dá)列嶼農(nóng)漁業(yè)區(qū)；在靜風(fēng)情況下，溢油應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間需在2 h內(nèi)，避免油膜抵達(dá)東山灣農(nóng)漁業(yè)區(qū)。B點(diǎn)在東北風(fēng)情況下溢油，溢油應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間需在1h內(nèi)，避免油膜抵達(dá)城安作業(yè)區(qū)岸灘；在靜風(fēng)情況下溢油，溢油應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間需在4 h內(nèi)，避免油膜抵達(dá)馬鑾灣旅游娛樂(lè)區(qū)。C點(diǎn)溢油應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間需在1 h內(nèi)，避免油膜抵達(dá)古雷作業(yè)區(qū)岸灘。

3.3 應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)處理能力（圍油欄、清污船舶與污油回收量）

隨著應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間的增長(zhǎng)，溢油面積增大，溢油厚度變薄，回收污油的含水率上升。為提高溢油應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)處理能力，需增加圍油欄數(shù)量以及污油回收量。根據(jù)多年實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，圍油欄使用長(zhǎng)度為油膜周長(zhǎng)的1/2，油膜厚度通過(guò)油膜擴(kuò)展模型[13]預(yù)測(cè)而得，污油回收量=油膜厚度*油膜面積*回收系數(shù)，得到不同應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間下的應(yīng)急處理能力需求（見(jiàn)表4）。通過(guò)溢油應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間的研究，基本不會(huì)超過(guò)6 h，因此圍油欄的需求量不超過(guò)1 400 m，污油回收量不超過(guò)400 m3，為物資儲(chǔ)備提供依據(jù)。具體的應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)處理措施可根據(jù)應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間做出準(zhǔn)確的安排。

表4 不同應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間下的應(yīng)急處理能力需求Tab.4 Different emergency treatment capacity needs in different emergency response time

4 小結(jié)

本文通過(guò)數(shù)值模擬獲取溢油運(yùn)動(dòng)軌跡及油膜擴(kuò)散抵達(dá)岸灘和敏感點(diǎn)的時(shí)間，預(yù)測(cè)出溢油應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間，再結(jié)合航行時(shí)間選取應(yīng)急船舶搶險(xiǎn)路線，研究不同應(yīng)急時(shí)間下的現(xiàn)場(chǎng)處理能力需求，重點(diǎn)討論溢油應(yīng)急響應(yīng)對(duì)應(yīng)急處理能力的重要影響，為區(qū)域海上溢油事故應(yīng)急處理能力預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)。

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