北海铁山港西港区5、6号码头溢油事故模拟仿真研究
贺立 邓翰京
摘 要：为了科学、合理地评估北海铁山港西港区5#、6#泊位码头船舶溢油事故风险，从而为码头开展防治船舶污染海洋环境能力建设提供依据，论文对码头溢油事故进行了模拟仿真研究。论文建立了二维潮流模型用以模拟码头附近水域的潮流场，采用了OILMAP模型对15万吨级散货船10t燃料油N风和SW风特定情境下码头溢油事故进行了模拟仿真，具体包括对溢油的漂移、分散、扩展、蒸发、乳化、岸线沉积等系列过程，最后对模拟仿真结果进行了分析并为码头建设提出了相应建议。
关键词：溢油事故；二维潮流模型；OILMAP模型；模拟仿真
中图分类号：U698 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）9-0027-03
北海港是我国沿海开放重要港口之一，也是大西南和广西的重要出海通道，具有沿海沿边沿江的区位优势，逐步发展为西南地区的重要出海口和我国对东盟国家海上贸易的重要口岸，地理位置十分优越，并成为重要国际区域经济合作区，在此背景下，北海港迎来了高速发展期，但是北海港现有港口通过能力不足，需要新建泊位满足未来吞吐量增长的要求。北海港铁山港西港区 5 、6 号泊位工程是广西积极推进的港口建设项目之一，该泊位为 2 个 15 万吨级通用泊位，占用码头岸线 587m，主要货种为重晶石、镍矿石、铬矿石、铁矿石、铝土矿和锰矿石，年设计吞吐量为800万吨。为了科学、合理地评估北海铁山港西港区5、6号泊位码头船舶溢油事故风险、防治船舶污染能力和防污应急设备需求，同时为码头开展防治船舶污染海洋环境能力建设提供依据，本文对北海铁山港西港区5#、6#泊位码头溢油事故进行模拟仿真研究，对仿真结果进行了分析并提出了建议。
1 溢油事故模拟仿真建模
1.1 二维潮流模型
潮流是近岸浅水海域的基本流动，潮流数值计算是模拟入海溢油随潮漂移和归宿的基础，建立合理的潮流模型是对码头溢油事故模拟仿真研究的第一步。本文采用二维潮流模型来模拟码头附近水域的潮流场：
式中：水位；：水深；、：直角坐标系（，）与正交曲线坐标系（，）的转换系数；、：和方向上水深平均速度分量；：单位面积上取排水、蒸发和降水对流量的贡献；、：单位体积内的源和汇。
模拟可能发生的溢油的区域为以北海铁山港西港区5#、6#泊位码头为中心的海域，计算范围为纬度：21°29′17.8980″～21°29′47.3700″N，经度109°32′52.2004″～109°33′29.2854″E。码头前后流场模拟结果如图1-2所示。
1.2溢油事故模拟仿真模型
在码头前后流场模拟的基础上，采用OILMAP模型对溢油事故进行模拟仿真。该模型对溢油的漂移、分散、扩展、蒸发、乳化、岸线沉积等一系列过程进行模拟仿真，从而预测油膜漂移轨迹和泄漏原油的归宿。OILMAP根据水陆网格确定水陆边界条件和模拟仿真范围，在输入风场、温度等气象海况资料以及溢油事故现场数据后，通过潮流模型、归宿模型等一系列数学模型对溢油事故进行情景模拟仿真，预测溢油的漂移轨迹和物理转化过程。
1.2.1漂移模型
假设溢油可分成许多独立溢油粒，将每个溢油粒看作拉格朗日粒子。溢油粒在t时刻的位置分量用Xt表示。
式中： Δt：时间步长（s）；Xt-1：时刻溢油粒位置（m）；Uoil：溢油粒漂移速度（m/s）；Ut：水流产生的速度分量（m/s）；Uw：风产生的速度分量（m/s）；Udisp：分散过程产生的速度分量（m/s）。水流流场通过环境流体动力学模型计算得到，输出给溢油模型；是一个常量，在1-4.5%变化，由实测确定；Uwindspeed为风速。
1.2.2分散模型
式中：东西方向水平扩散系数（m2/s）；：南北方向水平扩散系数（m2/s）；：时间步长（s）；：随机系数（-1到1）；水平扩散系数、通常相等。
1.2.3扩展模型
扩展模型计算表面溢油的扩展面积。溢油扩展面积直接影响溢油蒸发、溶解、分散和光氧化作用所占比例。扩展由波浪、重力、惯性力、粘度、表面张力相互作用产生。扩展模型采用经Mackay和Kolluru修正的Fay三阶段扩展理论，Fay的三阶段扩展理论被广泛应用于溢油扩展过程的计算。Mackay等修正Fay的近似理论，并将溢油描述为厚和薄的油膜。Mackay等假设厚油膜输送薄油膜，并且80%～90%的总油膜面积为薄油膜。
假定超过90%的油团为厚油膜。厚油膜表面积变化速度（m2/s）定义如下：
式中：独立溢油粒表面积（m2）；：扩展速度常数（1/s）；：独立溢油粒体积（m3）；：独立溢油粒半径（m）；：表面油膜有效半径（m）；：时间（s）；：独立溢油粒表面积（m2）；：表面油膜的油粒数目。
1.2.4蒸发模型
蒸发是水面溢油中的石油烃的较轻组分从液态变为气态向大气进行质量传输的过程。它是溢油质量传输过程的主要部分，蒸发可使溢油的20%～40%从水面面进入到大气层，特别是轻质原油或成品油如汽油、柴油等，蒸发损失有的可达溢油总量的一半以上。蒸发模型采用Stiver & Mackay1984提出的解析法进行溢油蒸发计算。
Stiver和Mackay提出的蒸发模型计算公式如下：
式中：溢油蒸发体积分量；T：溢油温度；：油膜面积；：溢油初始体积；：质量迁移系数。
1.2.5乳化模型
乳化的形成是由于存在表面活性剂，就像芳香烃混合物。由于风化，芳香烃消耗尽时，开始沉淀出沥青，沥青减少油水表面张力，从而开始乳化过程，Mackay等的指数增加公式已被许多溢油模拟者使用多年，本文采用上述模型计算溢油乳化过程。
式中：乳化油的粘度；：蒸发对粘度的影响；：溢油混合水速度；：风速（m/s）；：乳化常数（0.65）；：经验常数，乳化油为2×10-6，其它油为0；：常数，控制最大水含量，重油和原油为0.7，家用燃料油为0.25；：常数，轻油为1，重油为10；：油中最大水因子（油特性輸入值）；：时间（s）；—初始油粘度（cP）；：油膜蒸发系数。
（6）岸線沉积模型
岸线沉积模型基于Reedetal提出的计算方法，计算不同类型岸线的吸附能力和清除率指数。吸附能力和清除率指数依赖于溢油的粘性。到达岸线边的溢油其归宿依赖于溢出油品的特性、岸线的类型和环境动能。
对不同类型的岸线（m），定义相应的最大吸附容量和吸附泄露物速率，泄露物被岸线吸附的动力性由公式确定：
式中：为m类岸线的泄漏物吸附量。
2 溢油事故模拟仿真
2.1溢油事故情景设定
在模拟仿真模型建立好的基础上，论文对码头操作性船舶溢油事故进行模拟仿真。首先需要设定仿真情境：5、6号泊位码头为15万吨级散货船泊位，故本文仿真船型为15万吨级散货船；考虑到北海铁山港西港区海域常年风向为N风，同时SW向风也是对周边环境敏感区构成威胁的风向，故选取N、SW两个不利风向进行模拟仿真，N、SW 风速取年均风速，分别为4.6m/s和2.8m/s。本文文选取溢油事故情景详见表1。
2.2 溢油事故模拟仿真结果
根据上述假定的溢油事故情景，对15万吨级散货船10t燃料油N风和SW风特定情境下码头溢油事故进行模拟仿真，在溢油泄漏后不同时间段的仿真结果如图3至10所示，溢油72h后的预测结果如表2所示，
（1）N风向溢油事故模拟仿真结果
（2）SW风向溢油事故模拟仿真结果
3 结论及建议
3.1 结论
由于北海铁山港西港区5#、6#泊位码头距离自然保护区、种质资源保护区等环境敏感目标较近，在不利风向条件下溢油在短时间内就会漂移到环境敏感目标。从仿真结果可以看出：N风向下主要对西南侧的北部湾二长棘鲷长毛对虾国家级水产种质资源保护区造成影响；SW风向下可对海草、东南侧的合浦国家级儒艮自然保护区、北侧的山口国家级红树林生态自然保护区等敏感保护目标及其附近岸线造成污染。因此，码头必须加强安全营运与防污染管理，降低污染事故发生概率，同时应加强应急防备能力，加强区域应急合作，提供应急反应效率，有效保护周边环境敏感目标，减轻污染事故后果。
3.2 建议
根据码头特点和区域环境敏感资源的特征，同时结合模拟仿真结果，论文从降低风险事故概率和减轻风险事故后果两个方面对码头建设提出对应建议：
（1）降低事故概率：建立健全码头安全与防污染管理体系、海难性事故防范对策、操作性事故防范对策和通航安全保障措施。
（2）减轻风险事故后果：配备防污应急设备和器材、制定和完善应急预案、溢油应急措施和环境敏感资源保护对策。
参考文献：
[1]韩亮. 二维潮流波浪数学模型及工程应用[D]. 天津大学， 2010.
[2]李彤， 谢志宜. 水上事故溢油漂移轨迹预测模型研究与应用[J]. 环境科学与管理， 2013， 38（7）：56-61.
[3]张亚东， 王祥， 岳俊飞. 溢油扩展模型评述[J]. 中国水运（下半月）， 2008， 8（4）：9-10.
[4]孙宝楠， 杨永增， 于顺， 等. 基于分析法经典溢油蒸发模型的改进[J]. 海洋科学进展， 2010， 28（3）：364-371.
[5]徐艳东. 海上溢油风化过程及其预测模型研究[D]. 中国海洋大学， 2006.
[6]李大鸣， 陈海舟， 付庆军. 海上溢油数学模型的研究与应用[J]. 哈尔滨工程大学学报， 2008， 29（12）：1291-1297.
摘 要：为了科学、合理地评估北海铁山港西港区5#、6#泊位码头船舶溢油事故风险，从而为码头开展防治船舶污染海洋环境能力建设提供依据，论文对码头溢油事故进行了模拟仿真研究。论文建立了二维潮流模型用以模拟码头附近水域的潮流场，采用了OILMAP模型对15万吨级散货船10t燃料油N风和SW风特定情境下码头溢油事故进行了模拟仿真，具体包括对溢油的漂移、分散、扩展、蒸发、乳化、岸线沉积等系列过程，最后对模拟仿真结果进行了分析并为码头建设提出了相应建议。
关键词：溢油事故；二维潮流模型；OILMAP模型；模拟仿真
中图分类号：U698 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）9-0027-03
北海港是我国沿海开放重要港口之一，也是大西南和广西的重要出海通道，具有沿海沿边沿江的区位优势，逐步发展为西南地区的重要出海口和我国对东盟国家海上贸易的重要口岸，地理位置十分优越，并成为重要国际区域经济合作区，在此背景下，北海港迎来了高速发展期，但是北海港现有港口通过能力不足，需要新建泊位满足未来吞吐量增长的要求。北海港铁山港西港区 5 、6 号泊位工程是广西积极推进的港口建设项目之一，该泊位为 2 个 15 万吨级通用泊位，占用码头岸线 587m，主要货种为重晶石、镍矿石、铬矿石、铁矿石、铝土矿和锰矿石，年设计吞吐量为800万吨。为了科学、合理地评估北海铁山港西港区5、6号泊位码头船舶溢油事故风险、防治船舶污染能力和防污应急设备需求，同时为码头开展防治船舶污染海洋环境能力建设提供依据，本文对北海铁山港西港区5#、6#泊位码头溢油事故进行模拟仿真研究，对仿真结果进行了分析并提出了建议。
1 溢油事故模拟仿真建模
1.1 二维潮流模型
潮流是近岸浅水海域的基本流动，潮流数值计算是模拟入海溢油随潮漂移和归宿的基础，建立合理的潮流模型是对码头溢油事故模拟仿真研究的第一步。本文采用二维潮流模型来模拟码头附近水域的潮流场：
式中：水位；：水深；、：直角坐标系（，）与正交曲线坐标系（，）的转换系数；、：和方向上水深平均速度分量；：单位面积上取排水、蒸发和降水对流量的贡献；、：单位体积内的源和汇。
模拟可能发生的溢油的区域为以北海铁山港西港区5#、6#泊位码头为中心的海域，计算范围为纬度：21°29′17.8980″～21°29′47.3700″N，经度109°32′52.2004″～109°33′29.2854″E。码头前后流场模拟结果如图1-2所示。
1.2溢油事故模拟仿真模型
在码头前后流场模拟的基础上，采用OILMAP模型对溢油事故进行模拟仿真。该模型对溢油的漂移、分散、扩展、蒸发、乳化、岸线沉积等一系列过程进行模拟仿真，从而预测油膜漂移轨迹和泄漏原油的归宿。OILMAP根据水陆网格确定水陆边界条件和模拟仿真范围，在输入风场、温度等气象海况资料以及溢油事故现场数据后，通过潮流模型、归宿模型等一系列数学模型对溢油事故进行情景模拟仿真，预测溢油的漂移轨迹和物理转化过程。
1.2.1漂移模型
假设溢油可分成许多独立溢油粒，将每个溢油粒看作拉格朗日粒子。溢油粒在t时刻的位置分量用Xt表示。
式中： Δt：时间步长（s）；Xt-1：时刻溢油粒位置（m）；Uoil：溢油粒漂移速度（m/s）；Ut：水流产生的速度分量（m/s）；Uw：风产生的速度分量（m/s）；Udisp：分散过程产生的速度分量（m/s）。水流流场通过环境流体动力学模型计算得到，输出给溢油模型；是一个常量，在1-4.5%变化，由实测确定；Uwindspeed为风速。
1.2.2分散模型
式中：东西方向水平扩散系数（m2/s）；：南北方向水平扩散系数（m2/s）；：时间步长（s）；：随机系数（-1到1）；水平扩散系数、通常相等。
1.2.3扩展模型
扩展模型计算表面溢油的扩展面积。溢油扩展面积直接影响溢油蒸发、溶解、分散和光氧化作用所占比例。扩展由波浪、重力、惯性力、粘度、表面张力相互作用产生。扩展模型采用经Mackay和Kolluru修正的Fay三阶段扩展理论，Fay的三阶段扩展理论被广泛应用于溢油扩展过程的计算。Mackay等修正Fay的近似理论，并将溢油描述为厚和薄的油膜。Mackay等假设厚油膜输送薄油膜，并且80%～90%的总油膜面积为薄油膜。
假定超过90%的油团为厚油膜。厚油膜表面积变化速度（m2/s）定义如下：
式中：独立溢油粒表面积（m2）；：扩展速度常数（1/s）；：独立溢油粒体积（m3）；：独立溢油粒半径（m）；：表面油膜有效半径（m）；：时间（s）；：独立溢油粒表面积（m2）；：表面油膜的油粒数目。
1.2.4蒸发模型
蒸发是水面溢油中的石油烃的较轻组分从液态变为气态向大气进行质量传输的过程。它是溢油质量传输过程的主要部分，蒸发可使溢油的20%～40%从水面面进入到大气层，特别是轻质原油或成品油如汽油、柴油等，蒸发损失有的可达溢油总量的一半以上。蒸发模型采用Stiver & Mackay1984提出的解析法进行溢油蒸发计算。
Stiver和Mackay提出的蒸发模型计算公式如下：
式中：溢油蒸发体积分量；T：溢油温度；：油膜面积；：溢油初始体积；：质量迁移系数。
1.2.5乳化模型
乳化的形成是由于存在表面活性剂，就像芳香烃混合物。由于风化，芳香烃消耗尽时，开始沉淀出沥青，沥青减少油水表面张力，从而开始乳化过程，Mackay等的指数增加公式已被许多溢油模拟者使用多年，本文采用上述模型计算溢油乳化过程。
式中：乳化油的粘度；：蒸发对粘度的影响；：溢油混合水速度；：风速（m/s）；：乳化常数（0.65）；：经验常数，乳化油为2×10-6，其它油为0；：常数，控制最大水含量，重油和原油为0.7，家用燃料油为0.25；：常数，轻油为1，重油为10；：油中最大水因子（油特性輸入值）；：时间（s）；—初始油粘度（cP）；：油膜蒸发系数。
（6）岸線沉积模型
岸线沉积模型基于Reedetal提出的计算方法，计算不同类型岸线的吸附能力和清除率指数。吸附能力和清除率指数依赖于溢油的粘性。到达岸线边的溢油其归宿依赖于溢出油品的特性、岸线的类型和环境动能。
对不同类型的岸线（m），定义相应的最大吸附容量和吸附泄露物速率，泄露物被岸线吸附的动力性由公式确定：
式中：为m类岸线的泄漏物吸附量。
2 溢油事故模拟仿真
2.1溢油事故情景设定
在模拟仿真模型建立好的基础上，论文对码头操作性船舶溢油事故进行模拟仿真。首先需要设定仿真情境：5、6号泊位码头为15万吨级散货船泊位，故本文仿真船型为15万吨级散货船；考虑到北海铁山港西港区海域常年风向为N风，同时SW向风也是对周边环境敏感区构成威胁的风向，故选取N、SW两个不利风向进行模拟仿真，N、SW 风速取年均风速，分别为4.6m/s和2.8m/s。本文文选取溢油事故情景详见表1。
2.2 溢油事故模拟仿真结果
根据上述假定的溢油事故情景，对15万吨级散货船10t燃料油N风和SW风特定情境下码头溢油事故进行模拟仿真，在溢油泄漏后不同时间段的仿真结果如图3至10所示，溢油72h后的预测结果如表2所示，
（1）N风向溢油事故模拟仿真结果
（2）SW风向溢油事故模拟仿真结果
3 结论及建议
3.1 结论
由于北海铁山港西港区5#、6#泊位码头距离自然保护区、种质资源保护区等环境敏感目标较近，在不利风向条件下溢油在短时间内就会漂移到环境敏感目标。从仿真结果可以看出：N风向下主要对西南侧的北部湾二长棘鲷长毛对虾国家级水产种质资源保护区造成影响；SW风向下可对海草、东南侧的合浦国家级儒艮自然保护区、北侧的山口国家级红树林生态自然保护区等敏感保护目标及其附近岸线造成污染。因此，码头必须加强安全营运与防污染管理，降低污染事故发生概率，同时应加强应急防备能力，加强区域应急合作，提供应急反应效率，有效保护周边环境敏感目标，减轻污染事故后果。
3.2 建议
根据码头特点和区域环境敏感资源的特征，同时结合模拟仿真结果，论文从降低风险事故概率和减轻风险事故后果两个方面对码头建设提出对应建议：
（1）降低事故概率：建立健全码头安全与防污染管理体系、海难性事故防范对策、操作性事故防范对策和通航安全保障措施。
（2）减轻风险事故后果：配备防污应急设备和器材、制定和完善应急预案、溢油应急措施和环境敏感资源保护对策。
参考文献：
[1]韩亮. 二维潮流波浪数学模型及工程应用[D]. 天津大学， 2010.
[2]李彤， 谢志宜. 水上事故溢油漂移轨迹预测模型研究与应用[J]. 环境科学与管理， 2013， 38（7）：56-61.
[3]张亚东， 王祥， 岳俊飞. 溢油扩展模型评述[J]. 中国水运（下半月）， 2008， 8（4）：9-10.
[4]孙宝楠， 杨永增， 于顺， 等. 基于分析法经典溢油蒸发模型的改进[J]. 海洋科学进展， 2010， 28（3）：364-371.
[5]徐艳东. 海上溢油风化过程及其预测模型研究[D]. 中国海洋大学， 2006.
[6]李大鸣， 陈海舟， 付庆军. 海上溢油数学模型的研究与应用[J]. 哈尔滨工程大学学报， 2008， 29（12）：1291-1297.
