基于随机情景模拟统计的海洋溢油污染风险分析——以滨州贝壳堤岛与湿地国家级自然保护区为例

定量分析敏感资源环境遭受突发性溢油事故的污染风险,对加强海洋溢油风险管理和应急响应具有现实意义。通过参考国内外现有研究成果,构建了溢油随机情景模拟统计方法,并利用GIS技术实现数据管理及可视化分析。考虑到海洋保护区是典型生物多样性和生态环境保护的敏感区域,以滨州贝壳堤岛与湿地国家级自然保护区为例进行案例研究。首先根据对保护区附近的黄骅港、滨州港海港码头、进港航道、锚地及埕北油田石油平台等溢油风险源的分析,选取3个代表性泄漏地点。然后在经验证的潮流场模拟数据和2004-2005年风玫瑰图数据基础上,对每个地点分别进行450次随机溢油事故情景(即不同泄漏时间、风速风向、潮流场等)的模拟计算。统计结果显示,全年所有风向条件下保护区遭受以上泄漏地点的最大溢油污染概率分别为22.9%、9.7%、3.0%,海面油膜最快到达时间分别为2 h、5 h、40 h。与典型情景模拟法的比较可知,随机情景模拟法是前者的重要补充,能够弥补大量遗漏的事故情景,有助于更客观全面地分析与评价海洋保护区遭受溢油事故的污染风险。     

福宁湾海域溢油扩散影响的数值模拟研究

应用非结构化网格形式的MIKE 21水动力模型及溢油模块建立福宁湾海域海工工程施工期溢油扩散的数学模型,对在静风、全年主导风及不利风等3种不同风况条件下,一个潮周期内包括涨憩、落急、落憩、涨急等4个典型潮时分别发生100 t燃料油持续泄露30 min的事故溢油工况进行溢油扩散数值模拟.分析显示,事故溢油在福宁湾海域的扩散过程主要受潮流和风的影响.计算结果给出了事故溢油发生后24 h内的影响范围及0. 05 mg/dm3油浓度(一类或二类水质标准)溢油最快到达福宁湾内主要敏感目标的时间,为海洋环境影响评价和溢油事故应急措施的制定提供了科学依据.     

江苏滨海北区风电场溢油风险数值模拟

利用MIKE21_FM HD模块搭建基于非结构网格形式的滨海北区二维潮流动力模型,并根据工程区实测水文数据对模型进行验证。结果显示,模拟结果与实测值吻合度良好,工程海域的水动力特性能够得到准确的反映,且可为溢油模块提供可靠的水动力基础数据。采用MIKE 21/3SA溢油分析模块搭建溢油风险预测模型,针对8种特定溢油情景下的油膜扫海面积、典型油粒子运动轨迹以及残油量变化等进行了预测分析。预测结果显示,不同情景下的油膜扫海范围和油粒子运动轨迹具有较明显的差异性;风场对油膜运动轨迹和扫海范围起决定性作用,潮流场次之;油膜扫海面积随溢油时间逐渐增大,在夏季主导风落潮时刻达到最大的626.89km2;盐城自然保护区北区最早受溢油影响的时间为第29.5h,南区最早受溢油影响的时间为第54h。     

基于VOF方法的海底管道溢油扩散数值模拟研究

在海底输油管道运行过程中,管道渗漏、穿孔及破碎都会导致原油泄漏。对溢油运动的轨迹及其扩散范围作出预报可为溢油事故的处理提供及时、准确的信息,指导应急处理的正确实施。基于工程实际需求,采用有限体积法,结合k-ε紊流模型,建立了海流作用下海底输油管道溢油扩散数值模型。采用VOF方法(volume of fluid method)追踪多相流界面。首先,将数值模拟结果与Fan的实验值及Zheng和Yapa的数值结果进行了对比,验证数值模型的可靠性;其次,研究了不同原油溢出速度与环境水深对不同时刻溢油轨迹、到达海面时间、横向漂移距离与海面扩散范围的影响。研究表明:随原油溢出速度增大,溢油到达海面时间逐渐减小,溢油横向漂移距离与海面扩散范围则逐渐增大;随环境水深增大,溢油到达海面时间逐渐增大,且其变化接近线性分布。     

天津大港滨海湿地溢油漂移扩散数值模拟研究

利用MIKE-HD建立二维水动力模型,模拟分析夏季天津大港滨海湿地附近海域水动力特性,采用实测潮位、潮流数据对模拟计算结果进行验证。在获得水动力数据的基础上,针对南港工业区船舶通航量加大的趋势,利用MIKE-SA模块建立溢油扩散模型,对溢油事故进行预测。结果表明,在风、潮的综合影响下,低潮时刻溢油24 h后的扩散面积比高潮时刻大,其中SW常风情况下其扩散面积最大,达72.04 km2;当风向与潮流方向一致时,即本文中低潮时刻溢油,油膜中心运动速度最大,扩散面积也最大。     

长江口宝钢码头溢油事故油膜漂移扩散数值模拟

溢油事故发生后, 油膜的漂移扩散会对周围水域和环境敏感目标造成污染。研究溢油事故后油膜漂移扩散, 可为溢油事故的处理提供理论指导。本文应用河口海岸三维水动力模式ECOM-si(semi-implicit estuarine, costal and ocean model), 耦合溢油漂移扩散模块, 模拟和分析长江口宝钢码头发生溢油事故后油膜的漂移扩散, 以及对环境敏感保护目标的影响。基于长江口崇明东滩气象站实测风速风向资料, 给出影响溢油漂移的主导风和不利风向。在冬季多年平均1月径流量11700m³·s^-1、主导风、3个不利风和潮汐作用下, 数值模拟并详细给出了宝钢码头溢油事故发生后油膜的平面分布、油膜到达和离开4个水库取水口和饮用水水源保护区以及其他环境敏感保护区的时间、持续影响时间和最大油膜厚度。长江口宝钢码头溢油事故发生后, 油膜随涨落潮流作上下游来回振荡, 径流使油膜向海输运, 风使油膜朝风向方向漂移。在主导风北风5.6m³·s^-1风速下, 油膜沿长江口南岸向下游漂移扩散, 小部分进入北槽南侧。在不利风向东南风4.0m³·s^-1风速下, 油膜西北方向漂移, 聚集于南支北岸, 受径流作用沿南支和北港的中北侧向下游输运。在不利风向西北风4.8m³·s^-1风速下, 西北风减轻了溢油事故点上游和北港、崇明东滩外侧敏感目标的影响, 加重了南港和南槽的环境敏感保护目标的影响。在不利风向西南风3.2m³·s^-1风速下, 大部分油膜在北港中北侧向下游漂移扩散, 小部分油膜聚集在北槽的中北侧。西南风减轻了溢油事故点上游和下游南港、南槽环境敏感目标受到的影响, 加重了对北港和崇明东滩外侧敏感目标的影响。不同风向作用下油膜的分布和对环境敏感保护目标影响显著不同, 风在油膜漂移扩散中起着十分重要的作用。     

溢油模型与SSD曲线法评估渤海溢油事件的海洋生态风险

海上溢油事故不仅会造成大面积的海水污染,还会对海洋生态系统造成严重破坏。为此,采用有效的方法评估溢油事件引起的生态风险,对防灾减灾工作具有重要意义。本文以发生于2011年6月的渤海蓬莱19-3溢油事故为例,使用两种溢油模型(GNOME轨迹模型与ADIOS风化模型)模拟了事故初期油膜的运动轨迹与风化过程。基于模拟结果,利用CAFE模型(Chemical Aquatic Fate and Effect)拟合了相应的物种敏感度分布(species sensitivity distribution,SSD)曲线,首次结合三种模型工具对渤海进行了生态风险评估研究。结果显示,随着原油的持续泄漏,其主要有毒物质(苯系物)浓度达到了1 300μg/L,超过了1%危害浓度值(Hazard Concentration 1%,HC1)。结果表明,在事故初期所产生的生态风险不可忽视,并且风险(多个物种的潜在影响分数)会在96 h内以每日约1%的趋势增长。本文结合溢油运动轨迹和SSD曲线,绘制出了事故期间的生态风险时空分布图。经过定量化的评估,首次发现事故的整体生态风险随时间呈近似二次函数增长,同溢油轨迹一样,向西北方向扩散,越靠近溢油源的海域生态风险概率越高。     

大亚湾芒洲岛海域移动溢油数值模拟研究

采用平面二维潮流、溢油数学模型,以大亚湾芒洲岛附近海域为例进行溢油事故模拟研究。重点将移动源和固定点源的模拟结果进行对比,可以得出,相同工况下,移动源在瞬时油污面积和扫海面积方面均远远大于固定点源,并且两者的比值,随时间的增加而逐渐减小,直到趋向一个稳定值。在乳化量方面,风是主要影响因素,而移动源和固定点源之间的差别不大。由于溢油点源离水产资源保护区比较近,溢油事故如果发生,油污可能在24 h之内进入保护区,造成污染。     

围头湾海域溢油风险模拟及对周围环境敏感区的影响研究

基于MIKE21水动力模型对围头湾海域进行潮流数值模拟,对比实测数据来验证模型模拟的潮位、流速及流向的可靠性。基于拉格朗日“油粒子”理论考虑油膜运动过程风化行为,建立了围头湾海域二维溢油扩散模型,模拟预测4个不同条件下油膜扫海面积及油膜对环境敏感区的污染情况。结果表明：溢油事故会对围头湾内环境敏感区均造成严重污染。夏季常风向（最不利风向）条件下油膜抵岸污染严重,72 h残油量高达46.7%,油膜漂移距离短,扫海面积小于60 km2;冬季常风向条件下油膜漂移距离远,扫海面积大于228 km2,但72 h残油量较低,为37.1%。     

NOAA的GNOME溢油模型在湄洲湾的应用

在湄洲湾试用GNOME溢油模型模拟溢油扩散．先用EFDC建立潮流场,并选用主导风形成常风场,一并输入GNOME建立起溢油模型,模拟涨、落潮过程叠加不同风况下敏感海域的溢油扩散．模拟结果：初始溢油量为100t,扩散到第6小时,8种不同条件下挥发油量都为7．7t,附岸和漂浮油量和为92．3t,其中漂浮油量为6．4～92．0t,相应附岸油量为85．9～0．3t;溢油扩散最大范围为1．3～30．0km。,90％置信区间为2．0～56．0km。,最大距离为1．2～14．6km;与前人模拟溢油扩散结果相比基本一致．经分析,溢油扩散主要受3个方面影响：（1）岸线走向：当岸线靠近油膜漂移的路线时,大量油膜附着在岸上,扩散范围较小;（2）风况与流场关系：如果两者方向一致,油膜会扩散较远;（3）风区长度：风区越长,油膜扩散范围越大．总之,建立GNOME溢油模型较好地模拟了溢油扩散趋势,对溢油应急响应具有参考作用．     

乐清湾北港区溢油轨迹的分形模拟

在验证良好的区域二维潮流数学模型基础上,建立采用“油粒子”方法的溢油模型,包含油膜的拓展、漂移和扩 散等过程。模型采用四阶龙格库塔法求解粒子的平流过程,采用分数布朗运动产生non-Fickian 扩散来模拟油膜拓延。在 此基础上,对乐清湾北港区溢油风险进行预测模拟,分析在潮流和风不同作用情况下油膜的漂移轨迹和对周围敏感区的影 响。     

海面溢油轨迹的分析与预报

考虑主要分期（Ｍ２，Ｓ２，Ｋ１，Ｏ１，Ｍ４，ＭＳ４）的潮流以及Ｍ２分期的潮汐余流，建立预报潮流场，并考虑海面风力的作用以及油的蒸发和乳化，利用欧拉－拉格朗日方法跟踪油膜的中心点，提出预报油膜的轨迹及其扩散范围。该模型适用于近岸事故溢油的快速预报．     

徐圩港区邻近海域溢油模拟分析

利用MIKE21水动力模型对徐圩港区附近海域进行潮流数值模拟,并利用实测资料对模型计算的潮位、流速及流向进行验证。验证结果显示:数模结果与实测值吻合较好。该潮流数学模型可以反映研究海域水动力特性,并作为溢油模块的水动力基础数据。基于欧拉-拉格朗日"油粒子"理论考虑油膜运动过程中扩散、蒸发、乳化等过程,建立了徐圩港区邻近海域二维溢油扩散模型,模拟不同潮时情况下发生溢油,考虑不同风况(夏季常风向、冬季常风向和最不利风向),分析不同情况下的溢油油膜漂移路径、漂移路程及扫海面积。结果表明:72 h内油膜最大扫海面积及漂移路程均出现在落潮期最不利风时溢油,分别为28.2 km2和25.8 km。在夏季常风和最不利风的落潮期发生溢油,油膜会经过口门飘向西北侧海域,对该区域生态环境会造成一定影响。     

基于热红外视频图像监测的海面溢油识别技术研究

针对现有海面溢油检测技术难以在石油泄漏初期（尚未形成海面大规模油膜覆盖）及时发现油膜的难题,本文在前期基于热红外图像测算海面油膜面积方法研究的基础上,结合油泄漏至海面后油膜的扩散特征,提出了一种基于热红外视频图像监测油膜面积变化以及时识别海面溢油的方法。首先,基于单帧热红外图像处理算法提取海面前景区域（包含油膜区域与相似物干扰区域）并计算各区域所代表的实际物理面积。基于视频图像处理技术跟踪测算前景区域中各连通区域的实际物理面积变化情况,根据各连通区域的面积变化率识别前景区域中是否存在油膜,从而判断海面是否发生溢油。实验结果表明:所提出的方法能有效识别不同黏度的石油泄漏至海面形成的扩散油膜,在水面包含波浪与相似物干扰时也具有良好的识别精度。该方法适用于特定场景下（如码头、船舶等）的溢油事故的鉴别,能为溢油事故的及时发现和预警提供技术支持。     

董家口尾水排海环境影响数值预测及排放口比选研究

采用二维平面潮流数值模拟的方法对董家口港区尾水排放口位置进行比选研究,预测4个拟选排污口分别在尾水正常排放和事故排放两种工况下各水质污染因子的环境影响范围,并结合水深、动力条件等因素最终选定最优排污口.结果表明:研究海区海流以潮流为主,潮流性质为半日潮流,潮流运动形式以往复流为主,旋转为辅,海域涨落急流向为SW—NE向,整体上西防波堤—LNG码头连线南侧海域的水动力条件较好.经数值模拟预测研究,位于西防波堤南侧的P4排污口所在海域水动力条件活跃,水深条件适宜,有利于物质扩散,且事故条件下对日照海域和日照西施舌种质资源保护区影响小,为较优尾水排放点.同时P4排污口所在海域执行三类水质标准,污水数值模拟结果显示该排污口各污染因子超三类水质标准的面积均小于0.742 km2,NS向扩散距离均小于0.34km,扩散趋势与潮流方向一致,有利于其污染物稀释扩散.本次模拟预测客观地反映了污染物排海后的浓度变化和运动规律,为尾水排海污染物进行总量控制及海洋环境开发管理规划提供了科学依据和技术保障.     

大亚湾海水、表层沉积物中重金属含量及其分布特征

2014年8月和2019年8月分别对大亚湾海水以及表层沉积物中Cu、Pb、Zn、Cd、Cr的含量进行了两次调查,分析了各重金属元素的含量分布特征、超标情况及其变化趋势。结果表明,海水中Cu、Pb、Zn、Cd、Cr在2019年的平均含量分别为0.9、0.8、4.2、0.01、0.33 μg/L,与2014年相比,各重金属元素在大亚湾湾内的含量明显下降。2014年,大亚湾海水中Cu、Pb、Zn、Cr的高值区靠近石化区第1条排污管线排污口所在海域。受石化区第2条排污管线投入使用的影响,2019年海水中Pb、Zn、Cr含量的高值区均位于大亚湾湾口附近,呈现出湾口含量高于湾内的分布特征。表层沉积物中Cu、Pb、Zn、Cd、Cr在2019年的平均含量分别为14.3、31.6、74.4、0.07、27.1 μg/g,与2014年相比,Cd的平均含量明显下降,Cu、Pb、Zn的平均含量出现小幅上升。表层沉积物中重金属的分布特征在两次调查中基本相似,各重金属元素含量均在湾顶的石化区南侧海域较高,这与大亚湾的水动力特征以及陆源输入等因素有关。根据2019年的调查结果,海水中Pb的含量在大亚湾湾口和大鹏澳湾口附近超过第一类海水水质标准,其他元素未出现超标现象。表层沉积物中各重金属元素含量全部符合第一类海洋沉积物标准。     

溢油模拟预测系统在胶州湾溢油事故中的应用

基于FVCOM建立胶州湾的三维水动力模型,考虑风场作用构建一套FVCOM-GNOME-ADIOS相耦合的溢油模拟预测系统,利用此系统对黄岛"11.22"管道泄漏爆炸事故引发的溢油情境进行数值模拟,得到真实环境中溢油漂移路径、扫海范围和风化过程,并对模拟结果了进行验证。结果表明,该预报方法可以较好地进行溢油事故反演。溢油3天后的主要风险海域为跨海大桥以南胶州湾海域和薛家岛海域,对大石头西岸侧、团岛东岸侧及薛家岛南岸侧3条岸线污染最严重,扫海面积达73.24km2。为期5天的溢油风化损失量约为26.76%,其中蒸发量占25.4%。溢油发生后第一个小时是进行溢油应急处理的关键时间,可以有效阻止溢油扩散面积增大,减小污染海域范围。     

董家口港溢油漂移数值模拟

采用油粒子模式,以原油为溢油油种,在模拟潮流的基础上分别预测了董家口30万t码头航道溢油油膜在静风、西北风和不利风向3种情况下的油膜动态漂移过程。对溢油油膜漂移路径及扫海范围的模拟,可为码头溢油应急计划的制定提供一定的导向作用。     

苏北辐射沙洲海域水文特征与COD潮扩散计算分析

采用平面二维水动力及污染物输运模型.针对研究海域的水动力特性.应用潮流场作为背景场驱动控制污染物浓度的对流扩散方程,利用有限元方法对苏北辐射沙洲海域大、中、小潮水动力特征及如东洋口港附近污染物输运进行了计算分析。计算结果与实测结果比较表明:计算所得潮流场合理.辐射沙洲区部分潮流脊间水道的潮流运动具有明显的定向往复流形式,潮流强,潮差大.且形成了辐射状潮流流炀;排污口排放的污染物的扩散影响范围不大,不利潮型为小湖,大潮和中潮情况下,污染面积有所减小。     

海口港新海港区配套用地施工溢油漂移扩散研究

填海造陆施工溢油问题是海洋工程环境影响评价内容之一,海口港新海港区配套用地位于琼州海峡澄迈湾东海岸。研究首先采用DELFT3D软件技术建立了工程海区水动力数学模型,在模拟验证成果与天然实测资料达到精度要求后,对琼州海峡及工程近区潮流特征进行了模拟分析。然后基于"拉格朗日"水流运动理论,建立了"油粒子"溢油漂移扩散模型。依据海洋工程环境影响评价技术导则要求,对海区夏季主导风、冬季主导风作用下和溢油点位置潮流东流、西流初始时刻组成的四工况进行溢油漂移扩散模拟,给出溢油扩散轨迹和扫海面积,为项目建设海洋环境影响评价及溢油事故应急治理提供了技术支撑。