基于SCHISM模型的三维石油泄漏轨迹及风化过程模拟

《Marine Policy》：Simulation of 3D oil spill trajectories and weathering processes based on the SCHISM

舟山海域基于SCHISM模型的三维油 spill 追踪与 weathering 模块开发及验证研究。通过耦合粒子追踪与四重天气化过程（机械扩散/蒸发/乳状化/离散），建立了高精度油 spill 模拟体系，并验证了模型对油粒迁移轨迹的准确性。模拟显示夏季西南风主导下油 spill 北移影响鼓山岛北部海域，冬季东北风则使污染扩散至南部海域。摘要长度：98字。

　　

余莉|冯周|鲍敏|毛慧媛|张倩江

浙江大学海洋学院，舟山，316021，中国

摘要

随着舟山市海洋资源及海上运输业的发展，石油产业已成为该市未来发展的主要驱动力。此外，发达的航运业以及众多的石油储备岛和原油精炼厂可能导致频繁的石油泄漏事故，这可能严重危害当地环境并阻碍经济发展。本研究基于半隐式跨尺度水科学集成系统模型（SCHISM），建立了舟山海域的三维斜压流体动力学模型并进行了验证。利用SCHISM的粒子追踪模块，开发了三维石油泄漏模型和石油泄漏风化模型。通过释放的油浮标验证了模型预测的油颗粒位置。风化模型主要模拟了石油泄漏的四种风化过程：机械扩散、蒸发、乳化和分散。与原始模型相比，加入风化模块显著提高了瞬时石油泄漏模拟的准确性。该模型应用于舟山海域，模拟了夏季和冬季石油泄漏后的扩散情况。夏季由于南风作用，石油泄漏主要影响玉山岛以北的海域；冬季由于北风作用，石油泄漏主要影响玉山岛以南的海域。

引言

舟山市（东经121°30′–123°25′，北纬29°32′–31°04′）位于浙江省东北部，长江入海口以南。舟山海域包含重要的渔业资源保护区，其中舟山渔业规模为中国最大。网箱养殖广泛分布于岛屿沿海地区。舟山海域东南部也是旅游和休闲区。舟山海域拥有众多港口和海湾，以及漫长的航道，使其成为中国领先的天然深水港之一。舟山港是中国主要的石油转运和储存基地，拥有80多个3000吨及以上的泊位，其中35个泊位用于石油产品，大部分位于舟山海域南部。位于玉山岛西北部的舟山绿色石化基地是中国首个、世界第二大的“离岸”石化基地。作为中国七个国家级石化基地的关键组成部分，该基地在产量规模上位居全国乃至全球首位，是全球最大的综合炼油和化工项目。发达的航运业加上众多的石油储存和精炼基地，增加了石油泄漏的风险。一旦发生泄漏，这些事件可能对舟山的渔业、旅游业和工业造成严重影响。

随着舟山海上运输业的发展及其石油精炼基地的扩张，石油运输总量持续增加，导致海洋石油泄漏事故的概率上升。石油泄漏是石油及相关精炼产品生产和运输不可避免的后果，不仅会造成巨大的经济损失，还会严重破坏海洋生态环境，扰乱沿海居民的生活和生计。2014年至2020年间，共发生了9起涉及超过10吨石油的泄漏事故（ZHANG等人，2023年）。其中，2018年1月6日，装载有凝析油的巴拿马油轮“桑奇”号与一艘香港注册的散货船在东海相撞。“桑奇”号起火后最终沉没，造成32人死亡（3人确认死亡，29人失踪），并对货船造成严重损坏。这一事件对东海这一全球航运最繁忙的水域造成了严重的生态破坏。该区域不仅是蓝蟹和毛虾等物种的产卵地，也是至少三种鲸类的迁徙路线（Nguyen等人，2024年）。另一起事故发生在青岛港附近，油轮“交响曲”号与普通货船“海洋正义”号相撞，导致约9400吨石油泄漏到海中，造成了严重的海洋污染。石油泄漏事故不仅严重污染海洋生态环境，还会对海洋生物、海洋养殖业乃至人类健康造成危害。

石油在海洋环境中的行为受一系列物理、化学和生物过程的影响。这些过程很大程度上取决于泄漏石油的性质、环境和气象水文条件（如波浪、风、水流和太阳辐射）以及排放特性（例如瞬时/连续排放、表面/深层水）。涉及的过程包括油膜扩散、蒸发、乳化、溶解、光氧化、生物降解和沉积。石油泄漏轨迹的数值预测研究始于20世纪70年代。石油泄漏模型是一种数值工具，能够预测石油泄漏的轨迹、估计石油到达特定区域所需的时间，并评估泄漏到达时的状态。前两项任务需要准确的环境数据，而第三项则需要可靠的石油风化算法（Keramea等人，2021年）。

早期的经典理论是静态或恒定流环境中油膜扩散的三阶段模型。该模型综合考虑了重力、惯性力、表面张力和油膜粘性的影响。通过提出基于扩散过程中不同作用力的油膜直径三阶段方程，增强了油膜扩展的理论（Fay，1969年）。Lehr等人（1984年）指出，基于Fay理论的大多数扩散解假设在开阔海域的泄漏是瞬时的，而实际的石油泄漏事件通常是连续的，持续数小时甚至数天。对于连续泄漏，油膜随风和水流移动，在距离泄漏源一定距离后，侧向扩散成为主导因素——这是Fay模型未考虑的。此外，对于海底或水下石油泄漏，浮力成为一个关键因素。许多关于水下石油泄漏的理论和实验研究表明，Fay模型不适合模拟此类情况（Swan和Moros，1993年）。

还有基于拉格朗日视角的“油颗粒”模型，最初由Johansen和Elliott提出（Elliott，1991年；Johansen，1984年），该模型将石油分解成“油颗粒”并混合到水中以模拟石油泄漏的命运。研究人员表明，拉格朗日模型更适合实时模拟石油泄漏的发生过程，因此比欧拉方法更简单、更高效、计算成本更低（Barker等人，2020年；Zafirakou，2019年）。基于欧拉-拉格朗日理论的油颗粒模型通过将环境动力场与石油泄漏模型耦合来模拟油颗粒的行为和命运。加入随机行走算法可以更准确地描述湍流条件下的油颗粒运动（Lou等人，1994年），这已成为石油泄漏模拟的主流方法。具有高模拟精度的常见石油泄漏模型包括：（1）GNOME（Beegle-Krause，2001年）是由美国国家海洋和大气管理局（NOAA）开发的石油泄漏系统，采用拉格朗日追踪方法和随机性原理，可实现假设石油泄漏场景的实时预测和分析。（2）OILTRANS是基于North等人（2011年）开发的LTRANS v.2粒子传输模型的粒子传输模型，包括扩散、平流、蒸发、乳化和分散等过程，可估计表面油膜的水平和垂直运动以及油的质量平衡（Berry等人，2012年）。（3）OILMAP是由ASA开发的三维（3D）石油泄漏模型，以及SIMAP，集成了石油泄漏预测、风险评估和应急响应功能（Spaulding等人，1992年）。（4）OSCAR（石油泄漏应急和响应模型）是由挪威科技研究所（SINTEF）开发的先进3D模型，用于石油泄漏规划和响应（Reed等人，2000年），包括扩展模型、风化模型和生物效应模型。通过模拟这些石油命运和传输过程——尽管存在特定模型局限性——石油泄漏模型可用于多种目的：支持海上石油泄漏的应急响应、协助规划和准备石油泄漏响应行动、进行（潜在）海洋泄漏的环境危害分析，以及评估泄漏事件对人类和野生动物的影响（Keramea等人，2021年）。

在本研究中，基于半隐式跨尺度水科学集成系统模型（SCHISM）的粒子追踪模块，我们开发了石油泄漏的风化模块，并建立了舟山海域的三维精细网格。该设置可以模拟石油泄漏的轨迹、受影响区域、海面上的残留油量、石油风化的程度以及吸附在海岸线上的油量。

章节摘录

流体动力学数学模型

SCHISM是一个斜压三维有限元模型，它在非结构化的水平和垂直网格上求解原始浅水方程（Zhang等人，2015年，Zhang等人，2016年）。它基于SELFE v3.1dc模型（Zhang和Baptista，2008年）。详细控制方程见补充材料中的Text S1。

拉格朗日粒子追踪模型

SCHISM包含两种石油泄漏模型：一种简单的拉格朗日粒子追踪方法和一种基于示踪剂传输的模型（VELA-OIL），由国家

模型的建立与验证

在本研究中，模型的计算域范围为东经120°至125.46°，北纬27.36°至34.05°。模型包含58,557个节点和110,164个非结构化三角形元素，覆盖了浙江省东南部海域、舟山海域、长江和钱塘江（图3）。垂直方向使用Zhang等人（2015年）开发的LSC²坐标。

结论

本研究基于SCHISM中的拉格朗日粒子追踪模块开发了石油泄漏风化模块，涵盖了机械扩散、蒸发、乳化和分散等过程。该模型使用定制的浮标进行了验证，并应用于舟山海域。通过将模拟结果与原始模型的结果进行比较，新模型能够更好地模拟瞬时石油泄漏场景。

CRediT作者贡献声明

余莉：撰写——初稿、验证、软件、方法论、正式分析。冯周：撰写——审稿与编辑、监督、资源、项目管理、方法论、资金获取、概念化。鲍敏：撰写——审稿与编辑、监督、资源、项目管理、方法论。毛慧媛：验证、资源、方法论、调查。张倩江：可视化、资源、方法论、调查。

资助

本工作得到了国家重点研发计划（项目编号：2023YFC3008100）、基于智能导航的宁波舟山港集装箱船舶安全关键技术研究与应用示范项目（项目编号：ZJHG-FW-2024-27）、浙江省重点研发计划（项目编号：2024C03034）以及国家重点研发计划（项目编号：2023YFC3107604）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。