顧靖華, 朱建榮, 金智

河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華東師范大學(xué)), 上海 200241

碼頭、港口、航道和橋墩等鄰近水域是溢油事故多發(fā)之處。溢油事故發(fā)生后, 油膜的漂移擴(kuò)散會對周圍水域和敏感目標(biāo)造成污染。因此, 研究溢油事故后的油膜漂移擴(kuò)散, 可為溢油事故的處理提供油膜面積、到達(dá)敏感目標(biāo)時(shí)間和油膜厚度變化等數(shù)據(jù), 對于事故應(yīng)對和環(huán)境保護(hù)具有實(shí)際意義。

研究溢油事故發(fā)生后油膜運(yùn)動的主要方法有現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)、水槽試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬。溢油事故后油膜漂浮于水面, 其運(yùn)動主要是由水流的平流,以及風(fēng)引起的漂移和隨機(jī)擴(kuò)散決定, 還受蒸發(fā)、分散、乳化、沉降及生物降解等過程的影響。張和慶 等(2001)在珠江口通過現(xiàn)場溢油實(shí)驗(yàn), 分析了油類入海后漂流和擴(kuò)散過程。郭運(yùn)武 等(2008)通過水槽實(shí)驗(yàn), 分析了在不同風(fēng)速和水流速度條件下油膜的擴(kuò)展、漂移運(yùn)動狀況, 結(jié)果表明風(fēng)在溢油油膜擴(kuò)展、漂移中起著重要的作用。劉棟 等(2006)通過潮汐水槽模擬實(shí)驗(yàn), 觀察和記錄油膜在潮汐水流中兩個(gè)半日潮潮周期內(nèi)的擴(kuò)展、漂移情況, 分析了溢油油膜在潮汐水流中的擴(kuò)展、漂移過程。婁廈 等(2008)理論分析了油在水中的行為和歸宿, 概括了多個(gè)溢油模型的理論依據(jù)、基本假設(shè)和應(yīng)用范圍。Violeau 等(2007)通過室內(nèi)試驗(yàn)和應(yīng)用平滑粒子水動力拉格朗日方法模擬溢油的漂移擴(kuò)散。在溢油運(yùn)動的研究和預(yù)測中, 數(shù)值模擬是一種應(yīng)用最為廣泛的研究方法。較早的一些模式應(yīng)用垂向平均的二維模式較多,例如婁安剛 等(2001)建立了膠州灣內(nèi)的二維預(yù)報(bào)潮流場, 再考慮風(fēng)場對海面溢油的影響, 模擬了溢油事故后溢油的油膜漂移軌跡。孫長青 等(2003)建立渤海灣二維溢油飄移數(shù)值模型, 計(jì)算在不同風(fēng)場和潮流場的共同作用下, 溢油飄移的輸移軌跡、可能抵岸的時(shí)間、地點(diǎn)及殘留量等。李大鳴 等(2008)建立了在潮汐、風(fēng)浪作用下油膜運(yùn)動二維數(shù)學(xué)模型,對大亞灣海區(qū)油碼頭瞬時(shí)溢油事故后的影響范圍進(jìn)行了模擬。Periá?ez 等(2008)建立了二維水動力模式,模擬直布羅陀海峽潮流和余流, 并質(zhì)點(diǎn)跟蹤技術(shù)模擬潮流、混合和風(fēng)對溢油運(yùn)動的影響。垂向平均的二維數(shù)值模式不能真實(shí)反映風(fēng)生流和密度流等在垂向上的變化, 從而影響模擬油膜漂移擴(kuò)散的精度。因此, 將三維模式運(yùn)用到油膜漂移擴(kuò)散的模擬中,能較為真實(shí)地模擬風(fēng)生流和密度流等的垂向變化,并更為準(zhǔn)確地模擬表層流場對溢油漂移擴(kuò)散的作用。例如, Wang 等(2008)采用粒子方法在二維溢油模式的基礎(chǔ)上發(fā)展三維溢油模式, 應(yīng)用到渤海溢油事故的數(shù)值模擬。應(yīng)用三維數(shù)值模式, 陳義中 等(2006)模擬了渤海原油碼頭溢油漂移擴(kuò)散, 傅利輝等(2008)模擬了長江口北支崇啟大橋建成后流場變化及溢油漂移擴(kuò)散, 陳士謙 等(2012)模擬了鴨綠江公路大橋溢油的漂移擴(kuò)散。

長江口為三級分汊四口入海的大型潮汐河口,環(huán)境敏感保護(hù)目標(biāo)眾多(表1)。環(huán)境敏感保護(hù)目標(biāo)位于溢油事故發(fā)生點(diǎn)的不同方向, 不同的方向?qū)?yīng)不同的敏感目標(biāo)。數(shù)值預(yù)測油膜運(yùn)動需要考慮主導(dǎo)風(fēng)和不利風(fēng), 其對油膜的運(yùn)動起著十分重要的作用。對溢油事故附近氣象站實(shí)測風(fēng)作統(tǒng)計(jì)分析, 可得出各個(gè)方向的頻率和平均風(fēng)速, 第一頻率的風(fēng)取為主導(dǎo)風(fēng)。不利風(fēng)向取決于溢油事故發(fā)生點(diǎn)和敏感目標(biāo)的連線, 與指向敏感目標(biāo)最接近的風(fēng)向?yàn)椴焕L(fēng)向。主導(dǎo)風(fēng)和不利風(fēng)可從實(shí)測風(fēng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果給出。本文采用崇明東灘氣象站實(shí)測的風(fēng)資料(測站見圖1), 給出主導(dǎo)風(fēng)和不利風(fēng)向。在此基礎(chǔ)上, 應(yīng)用長期改進(jìn)和應(yīng)用的河口海岸水動力三維數(shù)值模式

表1 長江口環(huán)境敏感保護(hù)目標(biāo)Tab. 1 Environmental sensitive protection targets in the Changjiang Estuary

ECOM-si(semi-implicit estuarine, costal and ocean model), 耦合溢油漂移擴(kuò)散模塊, 模擬并分析上海港寶鋼原料區(qū)域碼頭船舶發(fā)生溢油事故后油膜的漂移擴(kuò)散(溢油事故點(diǎn)位置見圖1), 以及對環(huán)境敏感保護(hù)目標(biāo)(圖2)的影響。

圖1 長江口形-勢圖及上海港寶鋼原料區(qū)域碼頭溢油事故泄漏點(diǎn)Fig. 1 Sketch map of the Changjiang Estuary, and the site of oil leakage accident at the Baosteel raw material regional wharf of the Shanghai Port. The green dot marks the weather station at the Chongming eastern shoal; the red dot represents the oil leakage point, black dots stand for the water intakes of the reservoirs

圖2 長江口環(huán)境敏感保護(hù)目標(biāo)位置Fig. 2 Positions of the environmental sensitive protection targets in the Changjiang Estuary

1 數(shù)值模式設(shè)置

采用作者課題組長期改進(jìn)和應(yīng)用的河口海岸水動力三維數(shù)值模式ECOM-si, 該模式在長江口水動力過程和鹽水入侵等方面研究中經(jīng)過了大量的率定和驗(yàn)證, 得到了廣泛的應(yīng)用, 取得了大量研究成果

(Lyu et al, 2018; Chen et al, 2019; Zhu et al, 2020; Ma et al, 2022) 。在ECOM-si 的基礎(chǔ)上, 耦合油膜漂移擴(kuò)散模塊。該模塊將油分成有限個(gè)粒子, 每個(gè)粒子的位置按以下公式計(jì)算:

式中X0、Y0為某粒子的上一時(shí)刻坐標(biāo);X、Y為某質(zhì)點(diǎn)的下一時(shí)刻坐標(biāo);U、V分別為X、Y方向的流速分量, 由水動力數(shù)值模式計(jì)算得出;W10為海面上10m 處的風(fēng)速;A為風(fēng)向;α為風(fēng)漂移系數(shù)。在風(fēng)的影響下, 油膜漂移速度的增加量約為風(fēng)速的2%～3%,漂移方向與風(fēng)向成0°～40°夾角。由于油膜中心的漂移速度和方向是表面水流和風(fēng)所引起的流速矢量之和, 在模擬中使用風(fēng)漂移系數(shù)α為風(fēng)與海流的角度修正系數(shù), 一般在0.02～0.03 之間, 本文取0.03;r為隨機(jī)擴(kuò)散項(xiàng),r=RE,R為0～1 之間的隨機(jī)數(shù),E為擴(kuò)散系數(shù), 計(jì)算公式為E=, 其中Aα為水平擴(kuò)散系數(shù), 由水動力模型提供;B為隨機(jī)擴(kuò)散方向, 計(jì)算公式為B=2πR。

在油膜的漂移擴(kuò)散過程中, 還需考慮油膜的蒸發(fā)。油膜蒸發(fā)受溢油種類、氣溫、溢油面積、風(fēng)速、太陽輻射和油膜厚度等因素的影響。本模塊考慮溢油的蒸發(fā)公式為(Stiver et al,1984)

其中,Fv為溢油蒸發(fā)體積分?jǐn)?shù);T是環(huán)境溫度(空氣溫度), 本文長江口冬季取283K;θ為無因次時(shí)間(蒸發(fā)暴露時(shí)間);A1、B1、T0、TG為各種依賴于油品的常數(shù),A1=6.3,B1=10.3;T0為油在Fv=0 時(shí)的初始沸點(diǎn)溫度(單位: K);TG為蒸餾曲線的坡度(單位: K);T0、TG根據(jù)下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:

其中API 為比重指數(shù), 對重油、重油和輕油可分別取值為16.9162、26.8458 和36.1882。蒸發(fā)公式中的θ由下式計(jì)算:

其中K是空氣端傳質(zhì)系數(shù),A2是溢油面積,t是時(shí)間,V是溢油泄漏的體積。針對公式實(shí)際使用中蒸發(fā)過快的現(xiàn)象, Fingas(1995)對K值進(jìn)行了調(diào)整, 為了解決無風(fēng)速情況下傳質(zhì)系數(shù)公式無法計(jì)算的問題, 孫寶楠 等(2010)假設(shè)在傳質(zhì)系數(shù)上加一個(gè)小量R, 從而傳質(zhì)系數(shù)可以表示為

其中U10為海表面 10m 風(fēng)速。R1的范圍在(0.1～10)×10–4m·s–1的量級(本文K值取10–4),t為溢油發(fā)生后的時(shí)間, 單位為h。每個(gè)油粒子初始時(shí)刻的體積(總溢油體積/劃分總粒子數(shù))減去t時(shí)刻的溢油蒸發(fā)量, 即為t時(shí)刻每個(gè)油粒子的體積。

溢油事故發(fā)生點(diǎn)為上海港寶鋼原料區(qū)域碼頭石灰石及砂巖卸船碼頭, 坐標(biāo)31°28′6″N, 121°25′33″E,泄漏量1000t, 0#輕質(zhì)柴油。在徑流作用下, 油膜向海方向輸運(yùn), 落憩時(shí)刻之后為漲潮, 相對于漲憩時(shí)刻,油膜會有更長時(shí)間滯留在口門內(nèi), 為不利情況, 故假設(shè)溢油事故發(fā)生在大潮期間的落憩時(shí)刻。水動力模式先運(yùn)行10d, 水位和流場準(zhǔn)穩(wěn)定后, 再釋放油粒子。只要質(zhì)點(diǎn)數(shù)足夠多, 油膜漂移的模擬就越精確, 因此本文設(shè)置了一千萬個(gè)油膜質(zhì)點(diǎn)。每個(gè)質(zhì)點(diǎn)代表一個(gè)恒定的體積大小, 每步根據(jù)網(wǎng)格的水平面積大小和所含質(zhì)點(diǎn)數(shù), 可以求出油膜在該網(wǎng)格的厚度值: 厚度=質(zhì)點(diǎn)數(shù)×t時(shí)刻單個(gè)質(zhì)點(diǎn)代表的體積/網(wǎng)格的水平面積。

模型計(jì)算范圍包括整個(gè)長江河口、杭州灣和鄰近海域(圖3a), 東至125°E 附近, 北至接近34°N, 南至27°30′N 左右。模型水平方向上采用曲線非正交網(wǎng)格, 較好地?cái)M合了長江河口的岸線, 并對南北支分汊口、深水航道等區(qū)域加密(圖3b、c)。長江口內(nèi)網(wǎng)格分辨率最高可至約100m, 長江口外網(wǎng)格分辨率最高可至10km 左右。模型在垂直方向上采用σ坐標(biāo), 由表至底均勻分成10 層。計(jì)算時(shí)間步長取為60s。由于長江河口潮灘分布較廣, 模型采用干濕網(wǎng)格判斷實(shí)現(xiàn)潮灘動邊界, 最小臨界水深閾值設(shè)置為0.2m。岸線和水深數(shù)據(jù)為2017 年長江河口實(shí)測資料,水深數(shù)據(jù)以黃海85 高程為基面, 見圖1。

圖3 模型計(jì)算范圍和網(wǎng)格(a)以及局部放大的南北支分汊口附近網(wǎng)格(b)和南支口門附近網(wǎng)格(c)Fig. 3 Model calculation domain and grids (a), and the enlarged view of grids near the bifurcation between the South Branch and North Branch (b) and near the mouth of the South Branch. The red lines are the guide dikes and groins of the Deepwater Channel

本文模擬和分析冬季1 月徑流量和主導(dǎo)風(fēng)、不利風(fēng)作用下油膜的漂移擴(kuò)散。選取大通作為上游邊界, 模式的徑流邊界條件可直接采用大通水文站的月平均徑流量資料。1950—2020 年多年月平均長江入海徑流量1 月為11700m3·s–1。外海開邊界潮位考慮由16 個(gè)分潮(M2, S2, N2, K2, K1, O1, P1, Q1, MU2,NU2, T2, L2, 2N2, J1, M1和OO1) 的調(diào)和常數(shù)合成得到, 資料來自全球潮汐模式NAOTIDE(http://www.miz.nao.ac.jp)計(jì)算結(jié)果。

對主導(dǎo)風(fēng)和不利風(fēng)向, 本文采用長江口崇明東灘氣象站(測站位置見圖1)2007 年至2021 年14 年的實(shí)測風(fēng)速風(fēng)向資料, 統(tǒng)計(jì)1 月8 個(gè)羅盤方向風(fēng)的頻率和平均風(fēng)速。1 月第一至第八風(fēng)向頻率分別為26.9%、26.1%、16.5%、8.3%、7.7%、6.3%、5.4%、2.8%, 風(fēng)向分別是N、NW、NE、E、SE、W、S、SW, 風(fēng)速分別是5.6、4.8、5.0、4.1、4.1、3.6、4.0、3.4m·s–1。圖4 為1 月風(fēng)玫瑰圖, 形象給出了8 個(gè)方向風(fēng)的頻率和平均風(fēng)速, 以及各個(gè)方向上不同風(fēng)速(間隔2m·s–1)及其對應(yīng)的頻率。

圖4 崇明東灘氣象站2007—2021 年統(tǒng)計(jì)得出的1 月風(fēng)玫瑰圖Fig. 4 Wind roses in January calculated from 2007 to 2021 at weather station on Chongming eastern shoal

主導(dǎo)風(fēng)取為第一頻率的風(fēng)。1 月第一頻率(26.9%)風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng), 風(fēng)速5.6m·s–1。不利風(fēng)由溢油事故發(fā)生點(diǎn)和環(huán)境敏感保護(hù)目標(biāo)位置確定。由于長江口環(huán)境敏感保護(hù)目標(biāo)眾多(圖2), 需要給出多個(gè)不利風(fēng)向。上海港寶鋼原料區(qū)域碼頭船舶發(fā)生溢油事故發(fā)生點(diǎn)的上游敏感目標(biāo)為陳行水庫、太倉水庫、東風(fēng)西沙水庫、刀鱭核心區(qū)和實(shí)驗(yàn)區(qū), 不利風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng), 為第5 頻率(7.7%), 風(fēng)速4.0m·s–1。對下游東南向敏感目標(biāo)為青草沙水庫、刀鱭實(shí)驗(yàn)區(qū)、吳淞濕地和九段沙濕地, 不利風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng), 為第2 頻率(26.1%),風(fēng)速4.8m·s–1。對下游東北向敏感目標(biāo)為青草沙水庫、刀鱭實(shí)驗(yàn)區(qū)、崇明東灘保護(hù)區(qū)和中華鱘保護(hù)區(qū),不利風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng), 為第 8 頻率(2.8%), 風(fēng)速3.2m·s–1。

2 油膜漂移擴(kuò)散的數(shù)值模擬

本文模擬和分析上海港寶鋼原料區(qū)域碼頭綜合改造工程碼頭溢油事故發(fā)生后油膜的輸運(yùn)擴(kuò)散及其對敏感目標(biāo)的影響, 對模擬結(jié)果繪制油膜分布和水源地取水口油膜厚度隨時(shí)間變化過程圖進(jìn)行分析。

2.1 主導(dǎo)風(fēng)北風(fēng)5.6m·s–1 風(fēng)速

油膜的運(yùn)動主要受水流的平流、風(fēng)的漂移和隨機(jī)擴(kuò)散作用。本文假設(shè)寶鋼碼頭的溢油事故發(fā)生在大潮落憩時(shí)刻, 長江河口為半日潮, 事故發(fā)生后3h內(nèi)為漲潮流, 在潮流的平流作用下向上游運(yùn)動(圖5)。油膜中心位于陳行水庫水源地保護(hù)區(qū), 厚度超過2μm。之后在徑流的作用下, 油膜在隨漲落潮流上下移動過程中向下游輸運(yùn), 至12h 油膜已進(jìn)入南港,中心位于外高橋附近(圖6)。至72h, 油膜繼續(xù)向下游漂移擴(kuò)散, 大部分位于南港中下段和南槽中上段的南側(cè), 小部分進(jìn)入北槽南側(cè)(圖7)。在油膜的運(yùn)動過程中, 絕大部分位于長江口南岸, 在主導(dǎo)風(fēng)北風(fēng)的作用下向南漂移起著重要的作用。

圖5 溢油事故后3 小時(shí)油膜分布Fig. 5 Distribution of oil film thickness after 3 hours of the oil spill accident

圖6 溢油事故后24 小時(shí)油膜分布Fig. 6 Distribution of oil film thickness after 24 hours of the oil spill accident

圖7 溢油事故后72 小時(shí)油膜分布Fig. 7 Distribution of oil film thickness after 72 hours of the oil spill accident

從長江口水庫取水口油膜厚度隨時(shí)間變化過程看(圖 8), 因受徑流和北風(fēng)的作用, 溢油事故對南支上端北側(cè)的東風(fēng)西沙水庫取水口無影響。太倉水庫位置南支中段南側(cè), 離溢油事故發(fā)生點(diǎn)較遠(yuǎn), 同樣受徑流和北風(fēng)的作用, 油膜最大厚度小于 1μm, 影響微小。青草沙水庫取水口位于溢油點(diǎn)東北側(cè)不遠(yuǎn)處, 受北風(fēng)作用, 油膜最大厚度小于 1μm, 影響微小。陳行水庫取水口位于溢油點(diǎn)上游不遠(yuǎn)處, 油膜2h 隨漲潮流到達(dá)取水口, 之后隨著潮流周期性起伏, 最大厚度約為 68μm。31h后, 油膜的影響消除, 期間最長持續(xù)影響10h, 總影響時(shí)間為29h。

圖8 油膜厚度在東風(fēng)西沙水庫取水口(a)、太倉水庫取水口(b)、陳行水庫取水口(c)和青草沙水庫取水口(d)隨時(shí)間變化情況黑線: 主導(dǎo)風(fēng)(北風(fēng)); 紅線: 不利風(fēng)向(東南風(fēng)); 綠線: 不利風(fēng)向(西北風(fēng)); 紫線: 不利風(fēng)向(西南風(fēng))Fig. 8 Temporal variation of oil film thickness at the water intakes of the Dongfengxisha reservoir (a), Taicang reservoir (b),Chenhang reservoir (c) and Qingcaosha reservoir. Black line: prevailing wind (northerly wind); red line: unfavorable wind direction (southeasterly wind); green line: unfavorable wind direction (northwesterly wind); purple line: unfavorable wind direction (southwesterly wind)

對青草沙飲用水水源保護(hù)區(qū), 溢油事故發(fā)生后11h 油膜到達(dá), 36h 后離開, 持續(xù)影響25h, 期間最大厚度為1.42μm。對陳行飲用水水源保護(hù)區(qū), 溢油事故發(fā)生后 1.5h 油膜到達(dá), 53h 后離開, 持續(xù)影響51.5h, 期間最大厚度為151.31μm。對長江太倉瀏河飲用水水源保護(hù)區(qū), 溢油事故發(fā)生后3.5h 油膜到達(dá),5.5h 后離開, 持續(xù)影響 2h, 期間最大厚度為2.99μm。溢油事故對東風(fēng)西沙飲用水水源保護(hù)區(qū)都無影響。

對長江刀鱭國家級水產(chǎn)種質(zhì)資源核心保護(hù)區(qū),溢油事故發(fā)生后2.5h 油膜到達(dá), 29h 后離開, 持續(xù)影響26.5h, 期間最大厚度為47.84μm。對長江刀鱭國家級水產(chǎn)種質(zhì)資源實(shí)驗(yàn)保護(hù)區(qū), 溢油事故發(fā)生后0.5h 油膜到達(dá), 影響時(shí)間超過溢油發(fā)生后的72h, 期間最大厚度為52.99μm。對上海吳淞炮臺灣國家濕地公園, 溢油事故發(fā)生后8h 油膜到達(dá), 持續(xù)影響時(shí)間超過第72h, 期間最大厚度為32.70μm。對上海九段沙濕地國家級自然保護(hù)區(qū), 溢油事故發(fā)生后44.5h 油膜到達(dá), 影響時(shí)間超過溢油發(fā)生后的72h,期間最大厚度為1.47μm。溢油事故對上海崇明東灘鳥類國家級自然保護(hù)區(qū)、上海市長江口中華鱘省級自然保護(hù)區(qū)無影響, 緣于它們遠(yuǎn)離溢油點(diǎn), 位于東北的北港口門北側(cè)。

2.2 不利風(fēng)向東南風(fēng)4.0m·s–1 風(fēng)速

在不利風(fēng)向東南風(fēng)4.0m·s–1作用下, 油膜朝西北方向漂移, 聚集于南支北岸, 同時(shí)受徑流作用向下游輸運(yùn),在溢油事故后72h 油膜位于南支的上下段的中北側(cè)和北港上段的中北側(cè)(圖9)。這與主導(dǎo)風(fēng)北風(fēng)作用下油膜的分布十分不同, 表明風(fēng)在油膜漂移擴(kuò)散中起著十分重要的作用, 迫使油膜克服徑流朝風(fēng)向的方向漂移。

圖9 溢油事故后72h 油膜分布Fig. 9 Distribution of oil film thickness at 72 hours after the oil spill accident

從長江口水庫取水口油膜厚度隨時(shí)間變化過程看(圖8), 對東風(fēng)西沙水庫取水口, 溢油事故發(fā)生后16h 油膜到達(dá), 影響時(shí)間超過溢油發(fā)生后的72h, 期間最大厚度為10μm。與主導(dǎo)風(fēng)北風(fēng)結(jié)果相比, 東南風(fēng)使得油膜向西北漂移更遠(yuǎn)的距離。對太倉水庫取水口, 溢油事故發(fā)生后4h 油膜到達(dá), 8h 后離開, 持續(xù)影響4h, 期間最大厚度為1.8μm。對陳行水庫取水口, 溢油事故發(fā)生后2h 油膜到達(dá), 12h 后離開, 持續(xù)影響10h, 期間最大厚度為7μm。對青草沙水庫取水口, 溢油事故發(fā)生后10h 油膜到達(dá), 39h 后離開,持續(xù)影響29h, 期間最大厚度為2.3μm。

對青草沙飲用水水源保護(hù)區(qū), 溢油事故發(fā)生后9h 油膜到達(dá), 影響時(shí)間超過溢油發(fā)生后的72h, 期間最大厚度為10.45μm。對陳行飲用水水源保護(hù)區(qū),溢油事故發(fā)生后1h 油膜到達(dá), 影響時(shí)間超過溢油發(fā)生后的72h, 期間最大厚度為149.46μm。對長江太倉瀏河飲用水水源保護(hù)區(qū), 溢油事故發(fā)生后3h 油膜到達(dá), 55.5h 后離開, 持續(xù)影響52.5h, 期間最大厚度為52.27μm。對東風(fēng)西沙飲用水水源保護(hù)區(qū), 溢油事故發(fā)生后17.5h 油膜到達(dá), 影響時(shí)間超過溢油發(fā)生后的72h, 期間最大厚度為37.89μm。

對長江刀鱭國家級水產(chǎn)種質(zhì)資源核心保護(hù)區(qū),溢油事故發(fā)生后2h 油膜到達(dá), 影響時(shí)間超過溢油發(fā)生后的72h, 期間最大厚度為84.47μm。對長江刀鱭國家級水產(chǎn)種質(zhì)資源實(shí)驗(yàn)保護(hù)區(qū), 溢油事故發(fā)生后0.5h 油膜到達(dá), 影響時(shí)間超過溢油發(fā)生后的72h, 期間最大厚度為110.00μm。溢油事故對上海吳淞炮臺灣國家濕地公園、上海崇明東灘鳥類國家級自然保護(hù)區(qū)、上海九段沙濕地國家級自然保護(hù)區(qū)、上海市長江口中華鱘省級自然保護(hù)區(qū)均無影響。這與油膜的平面分布圖是一致的。

2.3 不利風(fēng)向西北風(fēng)4.8m·s–1 風(fēng)速

溢油事故后72h 油膜分布與主導(dǎo)風(fēng)北風(fēng)作用下的分布相似, 這里不再給出。

從長江口水庫取水口油膜厚度隨時(shí)間變化過程看(圖8), 西北風(fēng)阻止了油膜向上游漂移, 溢油事故對東風(fēng)西沙、太倉水庫取水口無影響, 對陳行水庫和青草沙水庫影響微小, 最大油膜厚度小于1μm。與主導(dǎo)風(fēng)北風(fēng)結(jié)果相比, 西北風(fēng)與北風(fēng)作用下陳行水庫取水口油膜厚度差別顯著。

對青草沙飲用水水源保護(hù)區(qū), 溢油事故發(fā)生后3h 油膜到達(dá), 23h 后離開, 持續(xù)影響20h, 期間最大厚度為5.12μm。對陳行飲用水水源保護(hù)區(qū), 溢油事故發(fā)生后10h 油膜到達(dá), 12.5h 后離開, 持續(xù)影響2.5h, 期間最大厚度為4.90μm。對長江太倉瀏河飲用水水源保護(hù)區(qū)和東風(fēng)西沙飲用水水源保護(hù)區(qū)無影響。

對于其他環(huán)境敏感保護(hù)目標(biāo), 西北風(fēng)減輕了溢油事故點(diǎn)上游和北港、崇明東灘外側(cè)敏感目標(biāo)的影響, 但加重了南港和南槽的環(huán)境敏感保護(hù)目標(biāo)的影響。

2.4 不利風(fēng)向西南風(fēng)3.2m·s–1 風(fēng)速

溢油事故發(fā)生后, 油膜受漲潮流的作用向上游運(yùn)動, 同時(shí)受西南風(fēng)的作用向東北漂移, 大部分油膜繞過青草沙水庫的西南角, 進(jìn)入北港。在溢油事故后72h(圖10), 油膜受向海的徑流和西南風(fēng)的作用, 大部分油膜在北港向下游漂移擴(kuò)散, 位于崇明島南岸的北港中段中北側(cè), 小部分油膜在北槽上端的中北側(cè)?？梢? 西南風(fēng)使油膜漂移至北港, 并和徑流一起作用向海輸運(yùn)。

圖10 溢油事故后72h 油膜分布Fig. 10 Distribution of oil film thickness at 72 hours after the oil spill accident

從長江口水庫取水口油膜厚度隨時(shí)間變化過程看(圖8), 溢油事故對東風(fēng)西沙水庫和太倉水庫取水口無影響。對陳行水庫取水口, 溢油事故發(fā)生后2h油膜到達(dá), 8h 后離開, 持續(xù)影響6h, 期間最大厚度為6.3μm。對青草沙水庫取水口, 溢油事故發(fā)生后9h 油膜到達(dá), 54h 后離開, 持續(xù)影響45h, 期間最大厚度為8.5μm。

對青草沙飲用水水源保護(hù)區(qū), 溢油事故發(fā)生后8h 油膜到達(dá), 67h 后離開, 持續(xù)影響59h, 期間最大厚度為17.79μm。對陳行飲用水水源保護(hù)區(qū), 溢油事故發(fā)生后1h 油膜到達(dá), 41h 后離開, 持續(xù)影響40h,期間最大厚度為122.60μm。對長江太倉瀏河飲用水水源保護(hù)區(qū), 溢油事故發(fā)生后3.5h 油膜到達(dá), 6.5h后離開, 持續(xù)影響3h, 期間最大厚度為15.02μm。溢油事故對東風(fēng)西沙飲用水水源保護(hù)區(qū)無影響。

對其他環(huán)境敏感保護(hù)目標(biāo)的影響, 西南風(fēng)減輕了溢油事故點(diǎn)上游和下游南港、南槽環(huán)境敏感目標(biāo)的影響, 但加重了北港和崇明東灘外側(cè)敏感目標(biāo)的影響。

3 結(jié)論

本文應(yīng)用河口海岸三維水動力模式ECOM-si,耦合溢油漂移擴(kuò)散模塊, 模擬和分析長江口寶鋼碼頭船舶發(fā)生溢油事故后油膜的漂移擴(kuò)散, 以及對環(huán)境敏感保護(hù)目標(biāo)的影響?；陂L江口崇明東灘氣象站2007—2021 共14 年的實(shí)測風(fēng)速風(fēng)向資料, 給出影響溢油漂移的主導(dǎo)風(fēng)和不利風(fēng)向。在冬季多年平均1月徑流量11700m3·s–1和主導(dǎo)風(fēng)、3 個(gè)不利風(fēng)作用下,數(shù)值模擬和詳細(xì)給出了上海港寶鋼原料區(qū)域碼頭溢油事故發(fā)生后油膜的平面分布、油膜到達(dá)和離開4個(gè)水庫取水口和飲用水水源保護(hù)區(qū)以及其他環(huán)境敏感保護(hù)區(qū)的時(shí)間、持續(xù)影響時(shí)間和最大油膜厚度。

長江口寶鋼碼頭溢油事故發(fā)生后, 油膜的運(yùn)動主要受水流的平流、風(fēng)的漂移和隨機(jī)擴(kuò)散作用。在1 月主導(dǎo)風(fēng)北風(fēng)5.6m·s–1風(fēng)速作用下, 油膜沿長江口南岸向下游漂移擴(kuò)散, 在溢油事故后第72h 大部分位于南港中下段和南槽中上段的南側(cè), 小部分進(jìn)入北槽南側(cè)。在油膜的運(yùn)動過程中, 絕大部分位于長江口南岸, 在主導(dǎo)風(fēng)北風(fēng)的作用下向南漂移起著重要的作用。在不利風(fēng)向東南風(fēng)4.0m·s–1風(fēng)速作用下,油膜西北方向漂移, 聚集于南支北岸, 同時(shí)受徑流作用向下游輸運(yùn), 在溢油事故后72h 油膜位于南支的上下段的中北側(cè)和北港上段的中北側(cè)。在不利風(fēng)向西北風(fēng)4.8m·s–1風(fēng)速作用下, 西北風(fēng)減輕了溢油事故點(diǎn)上游和北港、崇明東灘外側(cè)敏感目標(biāo)受到的影響, 加重了對南港和南槽的環(huán)境敏感保護(hù)目標(biāo)的影響。在不利風(fēng)向西南風(fēng)3.2m·s–1風(fēng)速作用下, 在溢油事故后72h 大部分油膜在北港向下游漂移擴(kuò)散,位于崇明島南岸的北港中段中北側(cè), 小部分油膜在北槽上端的中北側(cè)。西南風(fēng)減輕了溢油事故點(diǎn)上游和下游南港、南槽環(huán)境敏感目標(biāo)的影響, 加重了北港和崇明東灘外側(cè)敏感目標(biāo)的影響。油膜隨漲落潮流作上下游來回振蕩過程中, 徑流使油膜向海輸運(yùn),風(fēng)使油膜朝風(fēng)向方向漂移。不同風(fēng)向作用下油膜的分布和對環(huán)境敏感保護(hù)目標(biāo)影響顯著不同, 表明風(fēng)在油膜漂移擴(kuò)散中起著十分重要的作用。