珠江口区域海上溢油应急预报信息系统的开发研究.doc

第 24 卷 第 2 期海 洋 环 境 科 学Vol . 2 4 , No . 22 0 0 5 年 5 月MA R IN E EN V IRON M ENAL SC I EN C EMay . 2 0 0 5【技术与方法】珠江口区域海上溢油应急预报信息系统的开发研究熊德琪1 , 杨建立2 , 严世强1( 1 . 大连海事大学 环境科学与工程学院 ,辽宁 大连 116026 ;2 . 广东海事局 危管防污处 ,广东 广州 510230)摘 要 : 为了对珠江口区域溢油应急计划提供决策技术支持 ,针对珠江口海域的环境特点研究开发了“珠江口区域海上 溢油应急预报信息系统”,综合有潮流快速预报模型、三维溢油行为模型、溢油风化模型、溢油应急反应模型、以及电子海图、 地理信息系统( GIS) 、数据库等关键技术 ,不但能够快速准确地预测模拟并可视化显示海上溢油的漂移扩散和性质变化过 程 , 还可以同时显示环境敏感区和应急人员设备分布等相关信息。经实际溢油案例应用表明 ,系统的数值模拟结果与现场 实际情况符合较好 ,可有效地提高海上溢油污染事故的应急反应效率。关键词 : 溢油 ;应急预报 ;数值模拟 ;地理信息系统 ;珠江口中图分类号 : x55 ; TP31 文献标识码 : A 文章编号 : 100726336 ( 2005) 0220063204R &D on oil spill cont ingency f oreca st inf ormat ion system f or Pearl River EstuaryXION G De2qi1 , L IAO Guo2xiang , YAN G J ian2li2 , YAN Shi2qiang1( 1 . College of Enviro nmental Science and Engineering , Dalian Maritime U niversit y , Dalian 116026 , China ; 2 . Depart ment of Dangero us Goo ds Management and Pollutio n Preventio n , Guangdo ng Maritime Administ ratio n , Guangzho u 510230 , China)Abstract : An advanced oil spill co ntingency fo recast info r matio n system , which co nsist s of a tidal current p redictio n mo del , a t hree2dimensio nal oil t rajecto ry and fate mo del , an oil weat hering mo del , an oil spill co mbat mo del , GIS and databases , was int ro duced to act as t he decisio n suppo rt and t raining system fo r ”The Oil Spill Co ntingency Planning fo r Pearl River Est uary”. The system cco uld simulate numerically t he t rajecto ry and weat hering behavio r of t he spilled oil at sea , and display t he info r matio n in t he enviro nmentalsensitive areas , respo nse equip ment and teams simultaneo usly. A case st udied shown t hat t he simulatio n result s of t he system are quite in acco rdance wit h t he field survey.Key words :oil spill ; co ntingency fo recast ; numerical simulatio n ; geological info r matio n system ; Pearl River Est uary为了履行国际海事组织1990 年国际油污防备 、反应和合作公约( O PRC1990) 的义务和贯彻 实施新修订的海洋环境保护法,对珠江口水域 所发生的重大船舶污染事故迅速做出应急反应 , 共同保护珠江口海域的渔业 、水产养殖业 、旅游业和环境资源 ,广东海事局 、深圳海事局 、香港海事 处和澳门港务局四方已于 2001 年联合制定发布 了珠江口区域溢油应急计划。为了对该计划提 供技术支持 ,提高溢油反应效率 ,本文在国内外相 关研究成果基础上1 3 ,针对珠江口水域的自然条件和环境特点研制开发了“珠江口区域海上溢油应急预报信息系统”,作为溢油应急指挥的决策 支持系统和培训演习的技术平台 。1 系统组成及主要功能系统由三维潮流预报 、三维溢油行为模拟 、溢 油风化 、溢油应急反应等数值计算模型和基于 Window s 操作系统的用户图形界面两大部分组 成 ,如图 1 所示 。 收稿日期 :2004204230 ; 修订日期 :2004208212基金项目 : 国家留学回国人员科研资助项目( 20010611)作者简介 : 熊德琪 ( 19672) , 男 , 辽宁大连市人 ,教授 ,博士 ,主要从事环境管理与评价研究 , E2mail : xio ngdq dlmu. edu. cn64海 洋 环 境 科 学 第 24 卷图 1 溢油应急预报信息系统的组成结构Fig. 1 Scheme of oil spill co ntingency forecast informatio n system1 . 1 数值计算模型潮流快速预报 : 潮流是油膜发生漂移运动的 主要驱动力之一 。为同时满足流场预报的时效和 精度要求 ,本文采用数值模拟与调和分析相结合的途径实现潮流快速预报4 。首先借助中山大学在汉堡陆架海 HAM SOM 三维斜压方程模式基 础上建立起来的珠江口潮流数值模拟模式5 ,获 得计算海域整个月份的连续水位和潮流信息 ,然 后据此进行调和分析 ,得到各计算网格结点的主 要分潮及其调和常数 ,并以数据文件形式加以保 存 。各个结点任意时刻的潮流流速可通过下式计 算获得 :u = U 0 + f i U i co s ( v i + i - i ) =iU 0 + f i U i co s (i t + ( v 0 i + i ) - i ) ,( 1)iv = V 0 + f i V i co s ( v i + i - i ) =iV 0 + f i V i co s (i t + ( v 0 i + i ) - i ) 。 ( 2)i式中 : u 、v 分别为 t 时刻某计算结点处潮流的北分量和东分量; U 0 、V 0 分别为计算结点处余流的 北分量和东分量 ; U i 、i 及 V i 、i 为第 i 个分潮北 分量及东分量的潮流调和常数;i 为各分潮的角 速度 ; V 0 i 为天文相角 ; f i 、i 分别为月球轨道 18 .61 a 周期变化引起的平均振幅和相角的订正值 。 将 u 、v 矢量合成后得到结点的潮流 , 预报结果供溢油行为模型实时调用 , 也可直接动态显示 。 溢油行为模型 : 采用目前在国际上一致认同的“油粒子”概念来模拟溢油在海面的漂移扩散行 为 , 将溢油用一定数量的粒子代表 , 表面油膜的大小为表面粒子的叠加 。各油粒子在海水表面在风 和流的共同作用下漂移运动 , 并伴有随机行为 ,因此可视作拉格朗日粒子 , 采用随机走动算法计 算各油粒子在水平方向漂移运动 6 , 公式为 :x i = x i0 + u it + Ei X , ( 3)y i = y i0 + v it + Ei Y 。( 4) 其中 : x i0 、y i0 是第 i 个油粒子原始位置 ; x i 、y i 分 别是第 i 个油粒子经过t 时间后的位置 ; u i 、v i 分别是第 i 个油粒子原始位置处 X 、Y 方向水平 流速 , 它是潮流 、风海流 、波余流等的合成流 ;t 为时间步长; Ei X 、Ei Y 分别是t 时间第 i 个油粒 子在 X 、Y 方向的随机走动距离 。溢油风化模型 : 溢油的风化过程是相当复杂 的 ,本模型主要以风化实验数据为基础考虑溢油 的蒸发 、分散 、溶解 、乳化等过程 ,对于光氧化等长 期过程等则可忽略 。溢油应急反应模型 : 通过该模型与溢油行为 和风化模型的联合使用 ,可模拟采取不同反应策 略(如机械回收 、使用分散剂等) 时的溢油清除效 果 ,为溢油应急反应决策提供参考 。1 . 2 图形界面 图形界面是为了方便用户输入上述数值计算所需要的参数 ,以及将预测计算结果进行可视化 输出 ,形象直观 ,主要包括 :(1) 任意比例缩放的珠江口海域大比例尺电子海图 ,根据用户指定的计算范围 ,系统能够自动 生成高精度的计算网格 ,这样可以提高计算准确性 。(2) 包括常见油品物化性质数据库 、水深地形 数据库 、水文气象数据文件库 、资源分布数据库 、 溢油人员设备数据库等 。用户既可以直接选用风 场和潮流场预报模型的计算结果 ,也可以根据观 测资料实时生成潮流场和风场 ,地形水深情况可 自动调用数据库 ,使应急预测准确而又迅速 。(3) 内置有简化的地理信息系统 ( GIS) 技术 ,可在电子海图上编辑添加显示资源保护区 、环境 敏感区 、应急人员设备分布 , 水深 、航道等信息 。 并具有开放性 ,允许用户编辑添加 。数据文件格 式采用与 ArcView 系统相互兼容的 shape 格式 ,提高了系统的实用性和扩充性 ;1 . 3 系统运行过程第 2 期 熊德琪等 :珠江口区域海上溢油应急预报信息系统的开发研究65系统运行过程由输入 、计算和输出三部分构 成 ,操作顺序为 : 输入溢油预测所必需的条件 ,包 括油种性质 、环境条件和模型控制参数 ,其中潮流 场数据由上述潮流快速预报模块产生 ,而海面风 场信息可根据海岸气象台站的观测预报数据 ,通 过统计经验公式近似推算获得 ; 计算部分是由三 维溢油行为模型和风化模型为主体 ,依据输入数 据计算未来时刻的溢油动态和行为 ; 预测计算结 果进行可视化输出 ,计算结果可直接输出至电子 海图上 ,动态显示溢油的漂移轨迹和性质变化 ,因 此特别适合溢油现场指挥使用 。同时 ,由于系统 运行过程采用逐步引导式输入 ,计算结果能够以 动画 、图形 、文本等多种形式详细输出 ,所以便于 非专业的管理人员操作使用 。还可通过一机多屏 技术实现不同内容在双屏或三屏上的分别显示 , 以便能够同时参考上述相关信息 ,提高应急反应 效率 。1 . 4 系统主要功能(1) 能够在 15 min 之内就可以将事故参数和 现场数据方便快速地输入并完成预测模拟计算 , 并在海域电子海图上可视化显示溢油可能的漂移轨迹 、扩散范围 、上岸时间地点等 ,有助于寻找确 定油膜位置和动态 ,并及时调集应急队伍和清除 设备到达适当的作业地点 ,同时向环境敏感区发 布污染预警 ,以便提前防范避免重大污染损失 。 (2) 能够根据气象海况条件计算预测海上溢 油在不同时刻的残余量 、油膜厚度 、密度 、粘度 、含 水率 、乳化率等溢油性质和状态变化情况 ,有助于选择有效的控制清除方式 。(3) 通过系统配备的地理信息系统 ( GIS) 功 能 ,可以在电子海图上生成并显示环境敏感区和 应急人员设备的地理分布信息 ,有助于提前发出 污染预警和进行应急部署 。(4) 具备模拟不同清除方案处理效果的功能 ,为应急反应处理提供必要信息和决策支持 。( 5) 具有文字 、图形 、图表的直接复制打印输 出功能 ,方便编辑迅速形成技术报告 。2 应用案例1999 年 3 月 24 日发生的珠海“3 . 24”溢油污 染事故是历年来发生在珠江口水域溢油量最大 、 损害最为严重的船舶溢油事故 。由于当时大雾能 见度不好 ,同时也没有能够准确预测溢油漂移轨 迹 ,搜寻船只未能发现海面油膜 ,所以没有能够在 溢油登陆之前就及时采取有效的应急措施 ,导致溢油事故造成珠江口部分近岸水域和海岸线的严 重污染 。由于在此次事故中没有能够实际观测到 溢油在上岸之前油膜在海中的具体漂移路线和过 程 ,本文应用上述“珠江口区域溢油应急预测信息 系统”进行事故模拟和回放分析 。2 . 1 事故模拟参数溢油时间 :1999203224202000400 ;溢油地 点 :2224. 718N , 11343. 583 E , 距淇澳岛约 10 km ;溢油种类 : 180 号重质燃料油 ; 溢油数量 : 约586 t 。气象条件 :根据珠海市气象站提供的 3 月 2430 日典型时段的资料 ,24 日和 25 日以偏东北 风为主 ,风速约 2 . 0 m/ s ; 26 日以偏南风为主 ,风 速较小 ,约 1 . 0 m/ s ;27 日下午以后风向增强至 45 m/ s ,以偏东风为主 ; 28 日以东北风为主 , 风速较大 ;2930 日 ,以东北风为主 ,风速亦较大 。 海况条件 :当天内伶仃站位的潮汐高潮时刻为 0455/ 1636 ,低潮时刻为 10 : 55/ 22 : 59 ,事故 发生地点当时处于涨潮状态 ,流速约为 0 . 4 m/ s , 轻浪 。潮流预报的计算结果如图 2 所示 。图 2 溢油地点附近水域的表层落急流态 ( = 0 . 5 m/s)Fig. 2 Simulated eddy2tide current field around spill site2 . 2 模拟结果与分析 溢油漂移轨迹的模拟计算结果如图 3 所示。下面结合模拟结果对实际污染过程进行初步分析。( 1) 故发生时海域正处于涨潮阶段 ,小潮 ,事 故发生地点附近海域的潮流流速不大 ,涨急时约66海 洋 环 境 科 学 第 24 卷图 3 “3 . 24”事故油膜漂移轨迹模拟结果Fig. 3 Visual display of“3 . 24”oil spill t rajectory hindcast result s为 0 . 5 m/ s , 吹轻微的东北风 。油膜漂移主要受北向涨潮流和南向落潮流的依次控制而作南北往 复运动 ,同时受约 2 m/ s 的东 东北风影响 ,使油 膜呈蛇形轨迹逐渐向淇澳岛方向靠近 ,平均漂移 速度 0 . 2 m/ s 。油膜厚度很快减少到小于 1 mm ,由于风浪不大 , 乳 化 程 度 低 , 但 随 着 重 油 中 约10 %轻组分的挥发 ,油膜的粘度增加很快 ,达到 5000 Cs 以上 。溢油于 25 日下午到达淇澳岛附近 海域 ,并有部分在淇澳岛南芒湾和唐家湾铜鼓角 一带登陆 ,这与溢油的实际上岸时间和地点是比较一致的 。这段时间内 ,溢油在偏东北风的作用 下缓慢向淇澳岛漂移 。这个时间段应是最好的围 堵回收溢油的时机 ,可惜由于当时海面雾气很大 , 加上搜寻船只的巡视路线比较盲目 ,所以未能迅 速发现溢油而及时把握机会 。(2) 26 日 ,由于风力变小且是南风 ,油膜在涨 落流的交替作用下 ,在铜鼓角附近海域徘徊 ,并有 部分溢油进入金星门。部分油膜漂向南芒湾及轮 渡码头等岸线。由于落潮流略大于涨潮流 ,大部分 油膜向东南漂移绕过铜鼓角后 ,于 27 日凌晨向南漂移至大坞湾和唐家湾海域 ,在大坞湾和唐家湾海 域作往复运动。这段时间的特点是 ,海面刮南风 , 风力较小 ,使溢油在唐家湾和淇澳岛南侧之间海域 主要随潮流作往复运动 ,有部分油膜飘上岸。(3) 随着 27 日下午开始风力增强 ,转为 4 级东风 ,导致大量溢油在唐家湾和银坑一带被吹上 岸 。剩余油膜于 28 日凌晨绕过银坑进入香洲湾 。28 日继续吹较大的东北风 ,油膜在香洲湾海域作 往复运动 ,大部分油膜在香洲港 、野狸岛及菱角咀 等处陆续抵岸 。少量破碎油膜则于 29 日到达九州列岛附近海域 ,最终被吹上海岸 。突然增强的 东北风将海面飘浮的剩余油膜陆续吹上岸是此次 溢油污染事故最后阶段的特点 。根据模拟结果 ,此次溢油事故污染比较严重 的海岸有 : 淇澳岛东侧与南侧一带 、铜鼓角 、唐家湾 、银坑 、香州湾 、九州港一带等 ,模拟结果与当时 实际监测和推断的情况是比较一致的7 。3 结 语本文介绍的溢油动态预测信息系统输入简便 快捷 、计算迅速 、结果详实 、可视化程度高 ,无论是 理论技术性还是实际应用性均是比较先进的 。不 但能够为各港口和水域的污染事故应急计划和部 署提供决策支持 ,提高应急反应效率 ,也可以广泛 应用于海上溢油与化学品污染事故防治的其它领 域 ,如污染事故风险与环境影响评价 、应急反应计 划的演习和人员培训 、污染损害评估与索赔等 。参考文献 :1 AND ERSON E L . The O IL MA PWin/ WOSM oil spill mo del : Applicatio n to hind