（环境科学专业论文）大连湾海域溢油漂移动态应急预测系统研究.pdfVIP

英文摘要 s t u d y o ns p i l l e do i lt r a j e c t o r yc o n t i n g e n c yf o r e c a s ts y s t e mf o r d a l i a nb a y a b s t r a c t d a l i a np 硼i so n eo ft h ei n o s ti m p o r t a ms h i p p i n gc e n t c r si nn o “he a s tc i l i l 诅m r e c e my e a r s ，m 姐yl a 唱eo i ls p i l ia c c i d e n t sh 印p e n e di nd a l i a nb a yw 砷e r ，w h i c h r e s l l l t e di ng r e a te c o n o m i ci o s s e si nn 砷m i 丘s h e r y ，卸弭a c u i t u r e 姐dt 0 血s m ，甜l da i s o b r o u g h t 辨a tk m 【nt ot l l eo c e a ne c o l o g ye n v i r o 姗e n t t h e r e f o 咒，i t sn e c e s s a r yt o e s t a _ b l i s ha n dp e r f 色c tt l l eo i ls p i ue m e 唱e n c yr e s p o n s em e c h a m s m ，a n dd e v e l o pt h eo i l s p i l l 蛔j e c t o r yf o r e c a s tm o d e la n ds o f t 、v a r cs y s t e m ，t op r o v i d ea c c l l r a t ea n d 鲫p h j c a l d c c i s i o n - m 越n gs u p p o r tt om ee m e 玛e n c yr c s p o n d e rt om i n i m i z et h ed 锄矩e 趾d1 0 s s c a ：i l s e db yt h eo i ls p i l la c c i d e n 乜 i n 也i sp a p e r ，山ed 撕a g ee 仃c c t so nb o t ht l l eo c e a ne c o l o g ) re n v i r o 】蛐e n t 柚dt h e s o c i a le c o n o m yr e s u l t i n g 矗d mm a r i n eo i ls p i l la c c i d e n t sw e r ei n 仃o d u c e di nd e t a i l b 私e do n 也e 孤a l ”i so ft l 他b e h a 昕o ro fs p i l l e do i la ts e a ，也ee n v i r o 慨e n t a ld y n a 玎：l i c f h c t o r ss u c ha s 、i n d ，廿d a lc u n _ e ma n d 、i n d - i r i v e nc u i t c n tw e r es 砌i e d b a s e do n1 h e r e a r c ho ft h en u m e r i c a im o d e l i n gm e o r i e s 觚dm e t h o d so nt h es p m e do i la ts e a ，a l a 咿n g eo i l - p a n i c i ec o n c 印tb a do i ls p i u 订萄e c t o r yn u m c r i c a lm o d c l ，w t l i c hc 龃 s i m u l a t es e v e r a l 椭p o r t a n t 仃a n s p o r t a t i o na n dw e “h e r i i l gp r o c e s s e ss u c h 嬲a d v e c t i o 玛 s p 蒯执g ，e v a p o r a 越o na n de m u l s i f i c 砒i o n ，e t c ，w a sb u n t b e s i d e s ，b o mt h en a t u r ea n d s h j p p m gc o n d i t i o l l so fd a l i 锄b a y 、e r ep r e s e n t e d ，a n dn 圮r i s k so fo i ls p i l l si nm e s e n s 缅v er c s o u r c ea r e 酆w e r ea l s oa n a l y z e d a tt h ee n d ，a no i ls p i l l 臼匈e c t o r yf o r e c a s ti n f o m a t i o ns y s t e mf o rt 1 1 ed a l i a nb a y w 嬲d e v e l o p e d t h es y s t e mh 嬲m 蛆yf h c t i o n ss c h 船t h eg e o 蓼印l l i ci n f o m a t i o n s y s t e m ( g i s ) ，o i ls p i l le m e r g e n c yr e s p o n s ei n f o 衄a t i o ni n q u i r i i l g ，a r l dn u m e r i c a l p r e d i c t i o no f t h eo i ls p i l l 仕a j e c t o ma i l dd y n 锄i c 笋a p h i c a ld i s p l a yo fs i 舢1 a t i o nr e s u l t s 1 1 l cs y s t e mw 印p i i e dt os i m u i a t et h e 彳，招口罟霹o i ls p i i la c c i d e n th a p p e n e di nd a l i 锄 b a 弘i ts h o w s t h a tt h es i m u i a t i o nr e s u l t sa r ew e ua g r e e dw i 也t h ef i e l di n v e s t i g a t i o n 英文摘要 r 印o r t ，a n d “sf c 部i b l em a tt l l es y s t e mc 趾b el l s e di n a c t i l a l o i ls p i l la c c i d e m e m e r g e n c yr e s p o n s et op r o v i d et h ee 丘色c t i v ed e c i s i o n m a k i l l gs u p p o n s k e yw o r d s ：d a l i a nb a y ；o i ls p i l l ；t r a j e c t o r y ；f o r e c a s t 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文 ：太蓬翌星缝鲎迪逶鳌塾查廑鱼亟型丕统硒塞：。除论文 中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公 开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 z 2 ：反 学位论文版权使用授权书 年月日 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名： i i w r导师签名 日期：年月 日 大连湾海域溢油漂移动态应急预测系统研究 1 1 本文研究的意义 第1 章绪论 1 1 1 海洋溢油污染现状与危害 随着中国经济的持续高速发展，我国海上原油运输量不断增加。2 0 0 6 年我国 原油进口1 4 5 1 8 亿吨，创历史新高，成品油进口3 6 3 8 万吨，而海上运输石油占 全国石油进口量的9 0 9 6 以上【l 】。与此同时，海上运输石油的油轮及其他载运工具遭 遇海难受损导致海上溢油事故也频频发生，严重破坏海域环境和海洋生态。 据统计，从1 9 6 5 年至1 9 9 7 年，全世界船舶溢油事故中，溢油量在万吨以上 的共有7 9 起，总溢油量为4 1 4 6 万吨，其中最严重的一次溢油量达2 6 7 万吨。在 我国，从1 9 7 3 年到1 9 9 9 年3 月，溢油5 0 吨以上的重大事故有5 3 起，总溢油量 2 9 万吨，其中最大一次溢油量为8 0 0 0 吨【2 】。 油类污染物质进入海洋后造成的污染对海洋环境和海洋生物资源的危害是相 当严重的，一起大规模溢油污染事故能引起大面积海域严重缺氧，使大量鱼虾、 海鸟死亡：浮油被海浪冲到海岸，污染海滩，造成海滩荒芜，破坏海产养殖和盐 田生产，污染、毁坏滨海旅游区；若清理不及时，还易发生爆炸和火灾，酿成更 严重的经济损失和人员伤亡，这些都是海上溢油产生的直接危害。海上溢油的油 膜会大大降低海水与大气的氧气交换速度，从而降低海洋生产力，破坏海洋的生 态平衡；石油中的芳香烃化合物极易进入水中并且停留很长时间，在生物体内长 期积累，最终必将危害人体健康i 那；溢油沉降到海底后，会危及底栖生物和甲壳类 生物的正常发育：而且沉降到海底的石油经微生物分解后，密度变小，会重新浮 到海面，次大的溢油事故造成的影响会延续十年甚至更长的时间。 为了对海上船舶污染事故做出迅速有效的应急反应，最大限度地减轻污染损 害，国际海事组织( i m 0 ) 在1 9 9 0 年制定了国际油污防备、反应与合作公约 ( o p r c ) ，并从1 9 9 5 年开始生效实施。我国已于1 9 9 8 年正式加入了这个国际公 约，为此要求各级海事管理部门和港口都要尽快制定本海域和港区的污染应急计 第1 章绪论 划。其中海上溢油信息系统作为应急指挥的辅助决策和技术支持系统，是污染应 急计划的重要组成部分和关键技术。 1 1 2 大连湾海域溢油污染状况 根据中国交通部公布的2 0 0 6 年公路水路交通行业发展统计公报，大连港口货 物吞吐量达到2 亿吨，而集装箱吞吐量达到3 2 l 万标准箱【4 】。港口吞吐量的不断增 加，也意味着港口船舶的交通运输也日益繁忙，船舶溢油风险也不断增高。 在港口航运蓬勃发展以及社会经济的高速发展的同时，大连湾海域海洋环境己 不断受到损害。根据2 0 0 6 年大连市环境公报【5 】：“大连市近岸海域水质中主要污染 物为无机氮和活性磷酸盐，主要污染海域为大连湾。大连湾海域，无机氮年均值 为0 3 9 8 毫克升，超过国家二类海水水质标准o 3 倍，活性磷酸盐年均值为0 0 3 3 1 毫克升，超过国家二类海水水质标准o 1 倍。与上年相比，无机氮、石油类不同 程度下降，活性磷酸盐有所上升，其它监测指标基本持平。大连市区南部沿海、 大窑湾、小窑湾、营城子湾、金州湾及旅顺、瓦房店、普兰店、庄河、长海海域 水质良好，各项监测指标年均值符合国家二类海水水质标准。各海域水质状况由 好到差依次为：长海海域、旅顺海域、金州湾、小窑湾、市区南部沿海、庄河海 域、大窑湾、营城子湾、瓦房店海域、普兰店海域、大连湾。” 虽然大连湾近岸海域污染源主要来自陆地的工业污水及生活污水的大量排放， 但是在大连湾海域因船舶碰撞沉没、搁浅等原因造成重大溢油事故的也频繁发生。 与陆地污染源的逐步污染不同，突发性的重大溢油事故往往不但造成天然渔业、 水产养殖业、旅游业等的巨大经济损失，而且严重破坏海洋生态环境。据专家估 计，如果2 0 0 5 年在大连湾海域搁浅的“阿提哥”油轮所载的1 2 万吨原油全部泄 漏，单纯靠海水自身的水体置换，消除这次大面积污染至少需要3 5 年时间，大连 湾和整个渤海将变成寸草不生的死海 6 i 。 本文总结了自1 9 9 0 年以来发生在大连湾海域的重大溢油污染事故列表( 见表 1 1 ) 。 大连湾海域溢油漂移动态应急预测系统研究 表1 1 1 9 9 0 年以来大连湾海域重大溢油污染事故汇总 t a b 1 1s t a t i s t i c so f o i ls p ma c c i d e n t sh 印p e n e di nd a l i 吼b a ys m c e1 9 9 0 此外，随着大连港口化学品和油码头的不断建设( 如大连新港建成的3 0 万吨 油码头，在大连湾岸线仍在建设中的中小型油品、化学品码头) ，因意外导致的大 规模突发性溢油泄漏事故的风险非常高。 针对大连湾海域溢油污染的严峻形势，国家和地方政府已经建立了海上溢油事 故应急计划，如北方海区溢油应急计划【“、辽宁海域船舶污染事故应急预案 以及大连海区水污染应急计划阿，以防止和减少突发性溢油事故对大连湾海域 的生态环境和社会经济的损失。 在加强对大连湾海域石油海上运输监管力度的同时，必须建立完善的溢油污染 事故应急反应体系【9 】，以迅速、及时、有效地应对可能的事故进行处理，切实保护 海洋环境。在溢油事故应急反应中，最需要考虑的是对泄漏原油的漂移动态的模 拟预测。因此，通过针对大连湾海域环境特点，开发出大连湾海域溢油漂移动态 第1 章绪论 预测系统，可以为应急指挥者提供准确、直观图形显示的辅助决策支持，有利于 保护海洋生态环境和岸线，以及减少溢油事故对大连湾海域的损害影响，这有着 重要的现实意义。 1 2 本文主要研究内容 本论文针对大连湾海域的溢油事故频频发生的事实，在分析海洋溢油事故对 海洋生态环境和社会生产、经济的损害影响，以及大连湾海域的港口航运环境和 自然条件的基础上，研究通过数值方法模拟溢油造成海洋污染的过程及归宿，并 对海上溢油漂移动态预测信息系统的建立及实际应用进行研究。论文的主要研究 内容包括： ( 1 ) 海上溢油行为动态数值模拟研究 当石油溢油进入海洋，在环境动力因素和非环境动力因素以及油品自身特性 作用下，主要表现为漂移、扩散、蒸发和乳化4 个过程。本文在对海上溢油行为 动态的分析基础上，对海洋环境动力因素如海面风、潮流场、风海流进行研究， 并基于拉格朗日“油粒子”概念建立可以模拟溢油的漂移、扩散、蒸发和乳化等 主要行为过程的溢油动态数值模型。 ( 2 ) 大连湾海域溢油动态预测信息系统研究 在建立的溢油动态数值模型基础上，针对大连湾海域特点开发出大连湾海域 溢油动态预测信息系统，该系统含有地理信息系统( g i s ) 功能、溢油事故应急反 应信息查询、溢油漂移动态预测模拟以及结果动态图形显示等功能。为检验模型 和系统的实际应用能力，本文结合发生大连湾海域的实际溢油事故进行应用研究。 大连湾海域溢油漂移动态应急预测系统研究 第2 章海洋溢油事故损害影响 2 1 溢油事故对海洋生态环境的影响 2 1 1 石油的毒性分析 原油是一个很复杂的自然混合物，按其结构分析，它主要是由低沸点饱和烃、 烯烃、低沸点芳香烃、高沸点芳香烃和非烃类化合物等所组成。其中以芳香烃的 毒性较为明显，低沸点的芳香族化合物( 苯、甲苯、二甲苯) 对人和动物也都是 有害的。采用洗涤剂和消油剂处理油污，能把原油中的芳香族化合物分离出来， 但也会毒害海洋生物。高沸点芳香烃可能有长效的毒性。石油的残留物中含有致 癌物质3 、4 一苯并芘成分。低浓度的低沸点饱和烃具有麻醉作用，高浓度的能损 伤细脆和毒死低级动物，特别是动物的幼体。高沸点饱和烃对海洋生物没有明显 的毒害。而非烃类化合物( 如氮、硫和金属化合物) 其毒性与芳香族化合物相当。 因此，低分子的烃对生物机体有毒害，高分子的烃毒性不明显。在各类烃的毒性 比较中，以芳香烃最毒，烯烃、环烃、链烃毒性依次减少【1 0 1 。 2 1 2 油污对海洋生物的影响 ( 1 ) 对海洋表层生物的影响 石油入海后首先影响表层( 0 1 m ) 海洋生物，这一薄水层中有一类特别的海 洋生物群落，即所谓“次浮游生物”，主要是许多浮游生物和底栖生物的幼虫，以 及一些经济鱼类的浮性卵和孵化的早期仔鱼。由于油膜覆盖在海洋表面上。影响 海水中氧的补充，并妨碍了海洋中浮游植物的光合作用，降低海洋的原始生产力。 ( 2 ) 对海洋深层以及海底生物的危害 石油是一种复杂的混合物，海洋生物会因陷于石油挥发性毒物( 如低沸点的饱 和碳氢化合物) 或可溶性毒物( 如一些非碳氢化合物和芳香族碳氢化物) 的包围 之中而死亡。在海浪等因素的作用下形成的乳化油比水面上的油膜具有更大的伤 害能力，大量的水生物会因为接触乳化油而中毒死亡。当水中的石油浓度达到0 0 0 1m g ，l 时，低级微生物的有机体组织就会遭到破坏。当含量达到0 0 1 m g ，l 时， 第2 章海洋溢油事故损害影响 就可使鱼类受到致命伤害。即使剂量不足以致命，石油中的毒性物质也能聚集于 生物体内，使其对污染物和外界刺激的抵抗能力下降，也会使海洋食物链和人类 食物来源中混入致癌物质( 如芳香族碳氢化合物) 。油臭味还会降低鱼、贝、藻等 食用价值。一些下沉的油块可以闷死固着在海底的贝类如牡蛎。海水中含有0 1 1 0 的柴油对牡蛎就可观察到影响。海水中含有o 8 4 的柴油，就可使牡蛎在一 周内死亡。在天然条件下或人工养殖的贝类受到油污( 特别是重油) 影响后，其 产量将大量减少，甚至于绝迹。有一部分游泳生物，特别是成鱼能够逃避油污的 影响，但它们因此改变了洄游路线。因此溢油事故对鱼类、贝类、藻类等海洋生 物的短期危害和长期影响是显著的。 ( 3 ) 对无脊椎动物的影响 在近海发生溢油事故，大量溢油往往很快随着潮汐和海浪被带到潮问带区域， 在有的沿岸低洼处积油可达1 2 米厚。许多生活在潮间带的无脊椎动物受到伤害， 主要是被油覆盖窒息而死。而且潮间带及近海水域生物，当受到严重的溢油伤害 后不易恢复，往往要经过较长的时间。许多调查结果表明，生物受溢油的影响， 经过5 年仍可觉察出来，有些影响的消除甚至要长达l o 年之久。 油污对海洋无脊椎动物的影响，还表现在胚胎发育异常、组织畸变和形成恶性 肿瘤、氨基酸组分的变化以及寄生虫和病害的增加等。有些生物被伤害，主要不 是油污直接伤害所致，而是为清除溢油大量喷洒的溢油分散剂对生物产生的毒害 作用所致。 ( 4 ) 对浮游植物的影响 溢油对海洋浮游植物的影响很难被观察到，因为海水不断处于运动状态，而 浮游植物繁殖又快，这将弥补或掩盖可能受到溢油影响所造成的在数量上或种类 组成上的变化。但对潮间带定生藻和沼泽植物的影响一般比较容易观察到。大型 海藻比较耐油污，尤其是不少种类的褐藻，表面能分泌粘液，油不容易沾上，即 使有些油沾上，也不紧贴粘，当潮水来后，即被冲洗掉。但不同种类的海藻对油 污染的敏感性有差异。 沼泽植物不仅是滩涂的重要覆盖物，而且是许多种鸟、鱼、贝和虾的重要饵 大连湾海域溢油漂移动态应急预测系统研究 料，是构成河口和近岸生物食物链的重要环节。油污染对沼泽植物的影响大多比 较严重。 溢油对红树林的影响，主要包括叶子脱落、变形、阻碍生长，种子畸变和死 亡，植物和动物生长密度的变化等。这种影响也因地理位置( 流、浪、地形等) 和红树林的种类有较大的差异。 ( 5 ) 对海滩的影响 受高潮和低潮影响的海滩上，由于油污，贻贝、蛤、扇贝和其它经济价值较 大的贝类，将受到严重的影响，贝类的气味或味道被破坏，因而失去了食用的价 值。 ( 6 ) 对海鸟的影响 由于海上漂浮的油斑的引诱，许多鸟类会飞落下来搜寻食物，这样有些鸟由 于不留意而游入水中，当它们在潜水后出现在油面上时，羽毛被油污秽了，一些 污油也可能透过羽毛触及皮肤，这样就会将海鸟羽毛上的油脂溶解掉，破坏羽毛 的结构。被海水浸透了的羽毛，会使海鸟失去飞翔能力和保温的机能。其结果将 会造成大量的鸟在冬季时被冻死。更多的被污染严重的鸟将难以腾空飞翔，飞不 回陆地而饿死，生病或被捉住。也有的被油污染的鸟，丧失了浮力而沉没。油污 对鸟蛋的孵化率也有恶劣的影响。那些种群小，繁殖力弱的罕见鸟种，象海鸥和 海鸠等，因而面l 临着绝种的危险。 ( 7 ) 对海兽的影响 有皮毛覆盖的哺乳动物，诸如海狮和海豹比较容易受到伤害。因为油较易沾 在皮毛上，降低这些海兽的保温特性，油还可能伤害表皮以及暴露在体外的部位。 关于油污染对海兽的伤害，现场调查和试验都表明，大量的油污能造成海兽死亡 或器官受伤害。有物理窒息的作用，也有化学毒害作用。 2 。2 溢油事故对社会经济的损害 2 2 。1 对渔业和水产养殖业的损害 对水产资源的损害主要是对鱼卵、仔幼鱼成贝类的胚胎、幼体的危害，这些幼 第2 章海洋溢油事故损害影响 体对水产资源来说，是非常重要的部分，其成活数量的多少直接影响到水产资源 的补充量。有关研究结果表明，鱼卵、仔幼鱼或贝类的胚胎幼体对石油是相当敏 感的【i 。仔鱼的孵化率下降，初孵仔鱼的畸形率和死亡率显著增加，而且存活仔 鱼的健康状况很差。显著抑制其生长，只有少数幼体发育到壳顶期，大多数停留 在直线交会期而不能生长发育变态。如果大型溢油事故发生在鱼虾类的产卵场、 索饵场及幼体发育生长的水域，或者发生在贝类栖息生活的浅海、潮间带区域， 其对局部海域水产资源群体补充产生长期危害而导致渔业减产。如果发生在水产 养殖区域，无疑会造成重大经济损失。 2 2 2 对正常捕捞生产的影响 溢油事故发生后，大量溢油进入海域而导致出事海域水体石油浓度增加，亦 往往有大量油污持续漂浮于海面。这样，一方面使到成体鱼类产生回避反应而逃 离出事海域，导致渔获量减少。另一方面亦使捕捞作业渔船在事故发生后的一段 时间内无法进入渔场进行正常的生产活动，从而造成经济上的损失。例如，在1 9 8 3 年1 0 月1 1 日发生在珠江口的“大庆2 3 6 ”轮溢油事故，在事故发生后的前几天， 曾使多数作业渔船的底拖网或底层流刺网不同程度地粘上油污而无法进行生产， 而且造成出事海域渔场不能形成渔汛，出事后的渔获量仅是正常产量的1 5 。事故 发生后起码有2 个月的时间渔民无法在该渔场进行正常的作业生产，造成渔业生 产的直接经济损失达数百万元 1 们。由此可见，溢油事故如果发生在中心渔场或近 海海域，而且发生时正值渔汛期，其对渔业生产的影响是不能忽视的。 对水产品质量的影响：鱼、虾、贝类具有从海洋环境中积累石油烃的能力。 一般地，鱼类和虾类对水体石油烃的富集系数可达几十到几百倍，贝类可达几百 到几千倍，甚至更高。当鱼、虾、贝类体内的石油烃积累到一定程度时即有异臭 出现，变成“油味生物”。据报道，海水中的石油浓度达到o 1m g ，l 时可在2 4 h 内 使鱼类致嗅。由此可见，溢油事故发生后，大量油污进入海域以后难免会沾染栖 息其间的水产种类，使其出现油嗅而质量降低，甚至丧失经济价值，使渔业生产 蒙受损失。 大连湾海域溢油漂移动态应急预测系统研究 2 2 3 其他的影响 公园、浴场、风景区、名胜古迹等有商业价值的观赏、游乐地带，会由于污 染而导致游客减少。游客的减少使他们的门票、餐饮、娱乐、摄影、导游等各方 面的收入下降。一些娱乐设施受到污染需要清洗而花费资金。 溢油事故后，依靠连续供应清洁海水进行正常作业的如制盐、淡水制造等工 业部门可能会受到溢油的不利影响。发电站之类的单位，为了获得大量的冷却水， 电站往往坐落在海岸边。如果大量油从冷却水入口处抽入，将会导致冷却装置的 污染。一旦发生这种情况，在进行油污清除作业时，有可能使得电量输出减少或 整台发电机停机。 有滑道和干船坞的修、造船厂也可能受到溢油的影响。溢油可破坏未油漆或 近期油漆的表面，并产生有害的工作条件。当溢油含挥发性成分较高时，将使空 气中含烃量很大，有产生火灾的危险，这种情况下，将导致有明火或高温作业的 部门停工。 用海洋可食用生物作为原料的食品加工厂，可能会因为原料锐减而降低生产 速度，减少赢利。 当溢油发生在港口或主航道时，或溢油漂移到这些地区时，也会产生一些经 济损失。当港口采取清污作业时，可能会延误来船靠泊和在泊的船舶出港，停泊 在这些地区的船舶可能会由于妨碍清污作业而移动。从而耽误了时间，消耗了不 包括清污活动在内的人力和物力。对港口和船方都可能造成损失。当在主航道采 取清污作业时，可能会有船舶被迫改变航道或停止，这对船舶会造成很大的损失， 港口可能也会因为泊位的计划分配被更改而造成损失。 上述项目所包含的或未包含的个人健康、私有或集体所有财产的损失。比如 对渔具、渔船的污染损失，清污过程中被粘污的衣服损失等【9 1 。 2 3 本章小结 本章分析了石油的毒性以及石油对海洋生物( 海洋表层、深层和海底生物，无 脊椎动物，浮游植物、海鸟以及海兽) 的影响，也分析了溢油事故对渔业和水产 第2 章海洋溢油事故损害影响 养殖业的损害以及对正常捕捞生产的影响。此外，也介绍了溢油事故对旅游景点、 工业生产、食品加工以及码头设施的损害影响。通过以上分析研究，我们更深刻 地认识溢油事故给人类生活带来的巨大危害，因此必须采取有效的先进科学技术 来防治溢油污染。 大连湾海域溢油漂移动态应急预测系统研究 第3 章溢油行为动态数值模型 海上溢油的频频发生，对海洋生态环境和国民经济都造成较大的影响。世界各 国对这一问题非常重视，国际上已制定了许多条约、法规来约束航运、造船、海 洋工程及近岸工程，使得造成这类事故发生的可能性下降到最低限度，但是，目 前还没有一种有效的方法完全阻止其发生。由于海上溢油事故多数都是突发性事 故，而且多发生在恶劣天气，因此，溢油事故发生后，需要迅速准确地预测溢油 几小时后、几天后甚至更长时间的漂移扩散的路径、形态及可能造成的影响，为 抗溢油应急指挥提供决策依据，迅速而有效地进行应急处理，从而达到控制溢油 污染、减少污染损失到最低程度的目的。 3 1 环境动力模型 溢油在各种环境因素作用下，经历着漂移、扩展、蒸发、分散、乳化、溶解、 光氧化、生物降解及其相互作用的复杂过程。其中，环境动力因素一诸如海面风、 海流是制约溢油行为变化的主要因素。准确预报这些环境动力因素成为溢油动态 预报的基础。 3 1 1 风场 海面风场编制采用统计方法，即通过海岸上观测风与海上风关系的统计分析， 通过海岸指标站的观测风预测海面风。这种方法在陆、海相间的有限海域使用特 别有效，象深入内陆的渤海便属于此种类型。考虑到预测海区海陆分布和地形的 特点，采用岸边台站的观测风推算海面风场是实用和有效的【9 】。 3 1 2 潮流场 3 1 2 1 控制方程 潮流场是溢油漂移扩散的主要动力条件。事先对溢油事故可能发生地区用欧拉 法建立海面二维潮流场 1 3 - 1 6 1 。连续方程和动量方程如下： 第3 章溢油行为动态数值模型 塑+ 丛坐+ 曼盟：o( 3 1 ) 耐缸 砂 詈+ “罢+ v 等一声+ g 署+ g 型嘉# = o c s 百栅瓦+ v 面一声+ g 茜+ g 矿= o _ 害+ “害+ v 考+ 弦+ g 考+ g 型嘉# = 。 c s s ， 瓦栅瓦蜘瓦+ 弦+ g 苗+ g 矿= o 其中：g 为重力加速度；产2 臼s i n 妒为柯氏参数，口为地转角速度，妒为地理纬 度：露为自静止水面算起的水位高度；h 为自静止水面算起的水深；日勘+ 蠡“、v 为x 向、y 向流速。c 为c h e r y 系数，可以用下式计算：c = 二( 霄) “6 ，n 为m a n n i n g 系数，露为计算点周围四点的水深平均。 3 1 2 2 求解条件 求解方程( 3 。l 3 3 ) 的边界条件是：在海岸边界上，取向岸的流速为0 ，即 ；磊：o ，在开边界上采用水位控制，即开边界的水位为时间的函数( 调和常数输 入) 。 求解方程( 3 1 3 3 ) 的初始条件是：o ，y ，) = z f ( x ，弘f o ) = v ( x ，弘f o ) 2 0 。 3 1 2 3 数值方法 本文采用交错式矩形网格( 如图3 1 所示) 对方程进行离散，在离散过程中采 用隐式方向交替差分格式( a d i 法) ，对各个主要分潮分别进行计算，然后将计算 稳定的结果存储成文件作为预报计算的初始条件，并用高潮时进行校正，实现海 域潮流的快速预报，预报结果供溢油漂移模型实时调用。 大连湾海域溢油漂移动态应急预测系统研究 奉 吖q i _ ； ，m。仇， 一7 咖i 铂- 姚， 图3 1 交错式矩形网格配置图 f i g 3 11 h es c h m a t i cd i a g r o fa l t e m a t i v er c t 锄g i l l 孤鲥d s 3 1 3 风海流 采用n a v i e r - s t o k e s 方程来计算风海流，忽略表面倾斜度和陆地界线，并且运 用一个常量( 值) 来代表c o r i o l i s ( 柯氏) 系数。当混合层高度为日时，运动方程 如下： 坐：疗+ ! 型一工盟( 3 4 ) dlpwhp h 和 生：觑+ 二竖一二丛( 3 5 ) dpwhp w h 海表面的应力与风速u 和矿的平方成正比，方程式为： f 淞= p 口c d u ( u 2 + y 2 ) 工 ( 3 6 ) f ，= 即。矿0 ：+ y ：芦 ( 3 7 ) 而在风海流层的底部的应力计算式为： f 婀= p w r 月u ( 3 8 ) f y h = p w r h v t 3 9 1 其中，u 和y 分别代表风海流平均速度的东分量和北分量，是柯氏系数，贝圩 是线性应力系数，p 口是空气密度，夕w 是海水密度。 第3 章溢油行为动态数值模型 表面应力系数c 。是通过下式计算的： c d = o 8 0 。1 0 一3 + 0 6 5 1 0 一4 ( u 2 + y 2 ) 上 ( 3 1 0 ) 3 2 溢油行为动态模型 海上溢油轨迹的分析与预测是海上溢油事故应急处理和决策的基础和依据。当 石油溢油进入海洋，在环境动力因素和非环境动力因素以及油品自身特性作用下， 主要表现为漂移、扩散、蒸发和乳化4 个过程。此外，溢油在海水中还有溶解、 分散、沉降和生物降解等行为( 图3 2 ) 。但在实际溢油事故中，决策者更需要知 道溢油的去向和油膜面积的变化而采取不同的措施，因而可以主要以溢油的漂移、 扩散、蒸发和乳化作为主要研究对象【3 5 】。 b e d s c d i m 曲在= m s p o r c 图3 2 海上溢油迁移变化过程示意图 f 唔3 2t h et r 孤s p o r t d 伽eo f s p i l l e do i la ts e a 3 2 1 “油粒子”模型 “粒子扩散”概念【2 0 1 ，是把浓度场模拟为由大量的粒子组成的“云团”，其中 每一个粒子携带一定数量的示踪物质。每一个模型粒子在特定的流场条件下发生 平移，在重力和浮力的作用下发生垂直方向上的位移( 涌升或者沉降) ，即所谓的 平流( 或称对流) ，适宜用拉格朗日法模拟。模型粒子的扩散过程是由于剪流和湍 流而引起，适宜采用随机走动法来模拟粒子云团的扩散过程。湍流可视为随机流 场。而每个模型粒子在湍流场中的运动则类似于流体分子的布朗运动。由于每个 大连湾海域溢油漂移动态应急预测系统研究 粒子的随机运动而导致整个云团在水体中的扩散过程。这种方法实际上是确定性 方法和随机方法的结合，即采用确定性方法模拟平流过程，采用随机性方法模拟 扩散过程。 油粒子定义为一些很小的圆球、直径在1 0 l o o o u m 之间。考虑到油滴直径的 变化范围，要精确地表示一个溢油膜所需要的实际粒子数应是相当大的( 如取直 径等于1 0 她n ，则1 掰3 的油相当于1 9 1 0 ”个油粒子) 。因此，要在计算机中同 步地堆栈这样多的坐标点和特性参数是不可能的。因此，我们根据计算机的容量 和运行时间的长短来确定最大可能的粒子数目，而用附加体积参数的方法来实现 对油粒子特性的模拟。这些体积参考定义为：考虑特定粒子，其直径为西则这个 粒子的真正体积为： k = 詈( 一) 3 ( 3 1 3 ) 它所占油膜总体积的百分比为： z ：掣 ( 3 “) 吾( 以) 3 ，- l 其中：打为油粒子的总数。由此定义每个油粒子的特征体积为： k = z ( 3 1 5 ) 其中：为溢油的初始体积。这样，每个油粒子就代表溢油体积的一部分，这 部分体积与总粒子群中它所代表的那部分体积成比例。 由于模拟油滴的几种行为( 如上浮和混合等) 都要考虑油膜的尺寸和密度，因 此，油粒子的尺寸谱应尽可能地反映真实情况。现场观测表明，油滴尺寸在1 0 1 0 0 0 m 之间变化( f o i r e s t e r ，1 9 7 1 ) 。混合在水体中的油滴的最可能的分布是对数 正态分布( j o h a n s e n ，1 9 8 5 ) 。标准的对数正态分布是： 1 o ( x ) = 亡p 2 ( 3 ，1 6 ) z 石 其中：( x ) 出= 1 ，西( x ) 为标准化分布函数，x = ( d 一心) ，盯d ，d 为粒子直 第3 章溢油行为动态数值模型 径的l o g l o ，盯。为油滴直径的标准差的l o g 。某些学者建议将油滴的平均尺寸取为 1 0 0 u m ( 仃f = 2 ) ，标准差为3 1 6 ( = o 5 ) ，这相当于9 5 的油滴分布在1 0 1 0 0 啪 之间的对数正态谱。 3 2 2 漂移模型 粒子模型方法将运动过程分成两个主要的部分，即平流过程和扩散过程。采用 确定性方法模拟溢油( 粒子云团) 的输移过程。溢油在每一瞬时的三维空间位置 和分布状态则是各种运动过程的综合作用的结果。 根据拉格朗日观点，单个粒子在缸时间内的空间位移可以表达为： 以= r + 形址+ y ： ( 3 1 7 ) 其中：向量，代表第f 个粒子的位置，向量以代表在该时间步长的开始时的质 点位置处的平流速度。向量代表形垂直沉降速度。随机变量y ：称为随机走动距离。 粒子的平流是潮流和风海流的合成流。平流所引起的每个油粒子的位移容易求 得： 见= “肼 ( 3 1 8 ) q = v ，历 ( 3 1 9 ) 其中，“为x 方向的水平速度，v 为y 方向的水平速度，d r 为时间步长。流速 值通过潮流模型计算得到。 风导输移是引起平流输移的另一重要因素。风对海面上的油层的作用过程是非 常复杂的。其中主要表现为两个方面，一方面是上述风海流的作用，另一部分则 是风应力直接作用在油膜上。风对油膜输移的直接作用为； 【，。= 厂 ( 3 2 0 ) 其中：矿为风速向量，为风因子矩阵。风导速度一般取风速的o 8 至5 8 ， 偏角在o o 到4 5 。之间。 在风浪不大时非线性波浪产生的波余流对油粒子平移的贡献一般较小，可忽 1 6 大连湾海域溢油漂移动态应急预测系统研究 略。 3 2 3 扩散模型 ( 1 ) 水平扩散 静水中厚度均匀圆形油膜的扩展过程可分为重力一惯性力、重力一粘性力和表 面张力一粘性力相平衡的三个阶段( f a y1 9 7 1 ) 【用。这一理论揭示了油膜自身的扩 展机制，但在海洋环境应用上有一定的局限性。近年来，许多学者采用随机走动 法来模拟湍流扩散过程。这种方法将某一油粒子在某时段内的行程视为平流漂移 和湍流漂移的迭加。乎流漂移便是由各种类型的平均流动所形成的溢油云团的整 体输移，已在前文说明。湍流漂移则是由于水流的随机性脉动所导致的油粒子的 空间位移。 油粒子的随机走动导致模型粒子云团的尺度随时间增大。湍流扩散的理论研 究指出，粒子云团随机走动的“方差”等于粒子云团的方差的时间变化，即有： y 2 批盯2 0 + ) 一仃2 ( d & 9 1 2 时 的扩散称为非f i c k 型扩散。对于x 方向，非f i c k 型扩散随机走动距离可以表达为： 如f 厮 ( 3 3 。) 与f i c k 扩散不同的是，随机走动的距离是扩散时间的升函数。非f i c k 扩散也 大连湾海域溢油漂移动态应急预测系统研究 司以看成是扩散系数为时i 司的函数的扩散。根据上回的定义， 数硌改写为： 酬r ) - 蜀寺2 肛i 置：日堕 1 f 而非f i c k 型扩散随机走动距离也成为： 拈f 厕寺 不难看出，当舻= 1 2 时，匕式即转化为f i c k 犁扩散。 可以将水平扩散系 ( 3 3 1 ) ( 3 3 2 ) ( 3 _ 3 3 ) ( 3 ) 垂直扩散过程 处在水体内部共深度处的油滴在湍流的作用下做铅直向的随机走动。随机走动 的距离表示为： a z = f 6 k 乜) r ( 3 3 4 ) 其中，置) 为垂向扩散系数，f 为 一1 ，1 之间的均匀分布的随机数。 垂向涡动系数采用l c l l i y e 的公式，即 k 一( z ) = o 0 2 8 粤) e 2 虹 ( 3 3 5 ) 玎 式中，h ；是有效波高；七是波数；丁是波周期：z 是深度。 3 3 4 海岸边界 油粒子云团的运动是三维的，在运动过程中，可能到达海底、陆地边界和浮出 海面。油粒子在漂移的过程中可能到达陆地边界，这时，也认为这些粒子粘着在 陆地上，在计算中也声明该粒子“死掉”，不再参与计算。 3 2 - 5 蒸发模型 溢油蒸发过程受油性质、油厚度、风及油组分控制。本文采用了s t i v e r 和m a c k a y ( 1 9 8 5 ) 提出的参数化公式1 8 1 。 第3 章溢油行为动态数值模型 蒸发系数定义为： 口= 等= 譬 ，s ， 矿。 万 rr o7 8 其中，七：2 5 1 0 4u w ；“。为海面以上1 0 m 处的风速，a 为油膜面积；为 溢油的初始体积；t 为时间。 蒸发率则由下式给定： 驯n 卜时e 卜+ 知矗 ， 其中，e 为蒸发率：4 1 = 6 3 ：b = 1 0 3 ：为沸点曲线的梯度：t 为油温度；瓦 为油( 在只= o 时) 的初始沸点温度。 3 2 6 乳化模型 乳化过程受风速、波浪、油的厚度、环境温度、油风化程度等因素的影响，一 般用含水率l 来表示乳化程度。计算乳化物含水量的公式( m a c k a y 等( 1 9 8 0 ) ) 为【1 9 】： 匕= 击b 棚以九】 s s ， 其中，匕为乳化物含水量( ) ；k 。= 4 5 1 酽，玑为风速；k 。= 专z 1 2 5 ； 庀为最终含水量；t 为时间。 3 3 本章小结 海上溢油的行为和归宿受油品特性和多种环境因素支配，经历着漂移、扩展、 蒸发、分散、乳化、溶解、光氧化、生物降解及其相互作用的复杂过程。在实际 溢油事故中，决策者更需要知道溢油的去向和油膜面积的变化而采取不同的措施， 因此，本文分别对环境动力因素如风场、潮流、风海流和溢油的主要行为如漂移、 大连湾海域溢油漂移动态应急预测系统研究 扩散、蒸发和乳化进行分析研究并建立数学模型，为本研究的溢油动态模拟模块 开发提供理论依据。 第4 章大连湾海域航运环境及自然条件 第4 章大连湾海域航运环境及自然条件 4 1 港区及海域概况 大连港( 东经1 2 1 0 3 9 i ，北纬3 8 。5 6 1 ) 位于辽东半岛南端，濒临黄海，与山 东半岛隔海相望。该港西近旅顺，东邻里、外长山群岛，南与威海港、烟台港隔 海相对。港口沿岸为丘陵地带，陆上有山陵环绕，港口有大、小三山岛，为良好 的天然屏障。港内水域宽阔，航道水深，终年不淤，进出方便；港口靠泊条件良 好，是我国东北沿海的主要交通枢纽，是中国北方最大的国际贸易港之一。 港口水域范围自黄白咀灯塔经大