近年来，海洋溢油事故频发，已对渔业资源和生态环境产生严重危害。准确界定溢油事故影响范围，是合理开展渔业资源损失评估、科学制定渔业资源养护措施、有效保护海洋渔业环境的前提。目前，确定溢油影响范围的方法可归纳为现场观测技术、遥感观测技术和数值模型技术，但是只有现场观测结果可作为司法鉴定的依据。遥感观测技术可分为卫星遥感、航空遥感、船舶遥感和闭路电视(Closed-Circuit Television，CCTV)监视系统。其中，卫星遥感在实际使用中受到其空间分辨率的限制，航空遥感和船舶遥感均受气候条件限制，而CCTV监视系统只能用于特殊管控区，如钻井平台附近的溢油观测。而数值模型技术在环境影响评价中却已广泛使用。

数值模型技术已成为解决海洋环境中各种复杂问题的有效手段。溢油数值模型常用于事故发生后的油膜漂移轨迹、油膜扫海面积预报或事故现场还原(张珞平等，1988; 娄安刚等，1994; 张存智等，1997; 余加艾等，1999; 刘钦政等，2005; 龙绍桥等，2006; Azevedo et al，2009; Badri et al，2010; 廖国祥等，2010; Berry et al，2012; 黄成等，2013; 宋泽坤等，2013)。

现有模型对海洋中石油迁移转化过程关注的侧重点为油膜漂移扩散(Berry et al，2012; Deng et al，2013; Li et al，2013)和水体中石油烃迁移转化(Nepstad et al，2015;李克强，2003、2007¹⁾、2009; 郭良波等，2005¹⁾、2007; 王修林等，2006)。溢油模型重点关注前者且相关研究已较为成熟，甚至已开始与GIS或Google Earth等结合进行业务化应用相关研究(Nelson et al，2015; Helle et al，2015; Chen et al，2004; 牟林等，2011; 焦俊超等，2011; 刘文全等，2011)，但甚少关注油膜破碎后的相关迁移转化过程。

1) 李克强. 胶州湾主要化学污染物海洋环境容量研究. 中国海洋大学博士研究生学位论文, 2007

1) 郭良波. 渤海环境动力学数值模拟及环境容量研究. 中国海洋大学博士研究生学位论文, 2005

实际溢油事故发生后，在岸滩、潮间带等区域常见到块状石油。这些凝聚态石油通常是在岸滩、地形等因素共同作用下，由随水体迁移至近岸的乳化态和悬浮颗粒态石油凝聚形成。此种情况下，水体中石油烃浓度一般都符合水质标准，这也是溢油模型甚少关注该过程的原因。考虑到此类凝聚态石油对潮间带生物的损害，在天然渔业资源损失评估中有必要同时掌握油膜扫海面积以及溶解态向岸分布趋势。

本研究针对渤海中部的某船舶碰撞漏油事故，采用欧拉-拉格朗日方法，对事故溢油的油膜漂移轨迹、扩散面积以及溶解态溢油影响范围，进行了数值模拟，核定了事故影响范围，进而评估了天然渔业资源损失。

1 溢油轨迹与溶解态向岸分布趋势模拟

2012年两艘轮船在渤海中部海域(图 1)发生碰撞。事故造成其中一艘船舶燃油舱破损，约13 m³船用重质燃料油(180CST)泄漏(简称“溢油事故”)。

1.1 水动力模式

水动力模式为汉堡陆架海模式(Hamburg shelf ocean model，HAMSOM)，是由德国汉堡大学海洋研究所Backhaus等(1983、1985)及其同事构建的1种三维分层平均的半隐式数值模式。

1.2 油膜扩散模型

溢油入海后在海面形成油膜，并不断扩散，其扩展半径由PC Blokker公式计算(许文彬，2011; 娄厦等，2008)：

$D_{t}^{3}=D_{0}^{3}+\frac{24}{\pi }k\left( {{r}_{w}}-{{r}_{0}} \right)\frac{{{r}_{0}}}{{{r}_{w}}}{{V}_{0}}t$

(1)

式中，D_t，D₀分别为t时和初始油膜的直径(m)。根据事故漏油实际情况，燃油舱破损且破口较小，为计算方便，D₀初始值取1 m；r_w，r₀为水和油的密度，前者取1.025(许文彬，2011)，后者为180CST的实测数据，为0.987；V₀为溢油量(m³)，取13 m³；k为系数，根据胜利原油与180CST现场实验模拟结果(尚未发表)并参照文献(许文彬，2011)，取3000；π为圆周率；t为时间。

1.3 油膜漂移模型

在潮流场计算的基础上，用欧拉-拉格朗日方法，对溢油油膜漂移轨迹进行跟踪模拟。投放初始，即t=t₀时，标识质点的初始位置为x₀，其拉格朗日速度与欧拉速度的关系为：

$\left( {{{\vec{U}}}_{1}} \right)\left( {{{\vec{x}}}_{0}},t \right)=\vec{U}\left[ \vec{y}\left( {{{\vec{x}}}_{0}},t \right),t \right]$

(2)

式中，$\vec{y}\left( {{{\vec{x}}}_{0}},t \right)$是水质点的运动轨迹。(2)式表明，只有在质点运动的轨迹$\vec{y}\left( {{{\vec{x}}}_{0}},t \right)$上，拉格朗日速度${{\vec{U}}_{1}}$才能与欧拉速度$\vec{U}$相等。$\vec{y}$可由下式确定：

$\bar{y}\left( {{{\bar{x}}}_{0}},t \right)={{\bar{x}}_{0}}+\int_{{{t}_{0}}}^{t}{{\vec{U}}}[\bar{y}\left( {{{\bar{x}}}_{0}},{t}' \right)d{t}'$

(3)

$\bar{y}\left( {{{\bar{x}}}_{0}},t \right)={{\bar{x}}_{0}}+\mathop{\oint }^{}\vec{U}\left( {{{\bar{x}}}_{0}},t \right)d{t}'$

(4)

拉格朗日平均余流是水质点在1个潮周期T内的漂移距离与潮周期T之商：

$\overrightarrow{{{U}_{lr}}}\left( {{{\bar{x}}}_{0}},t \right)=\frac{1}{T}\left[ \bar{y}\left( {{{\bar{x}}}_{0}},t+T \right)-\bar{y}\left( {{{\bar{x}}}_{0}},t \right) \right]=\frac{1}{T}\mathop{\oint }^{}\vec{U}\left( \bar{x},t \right)d{t}'$

(5)

拉格朗日的平均余流为：

${{\vec{U}}_{lr}}\left( {{{\bar{x}}}_{0}},t \right)=\frac{{{{\bar{y}}}_{n}}-{{{\bar{y}}}_{0}}}{nt}$

(6)

在拉格朗日余流基础上，同时考虑实时风场对油膜漂移轨迹的影响。油膜漂移模型实时风场采用的风力、风向由历史天气网查询得到。事故当日，风力为5级，风向为东北风；次日，风力为4级，风向为东南-西北风各12 h；第3天，风力为6级，风向为北风。

1.4 溶解态迁移转化模型

模型为基于HAMSOM原始方程构建的三维斜压模式，垂向采用Z坐标，水平方向采用平面直角坐标，以Arakawa C网格进行离散，水平网格分辨率为2'×2'(图 2)，垂向分20层，层厚分别为4 m×1、2 m× 13、3 m×1、4 m×1、5 m×1、6 m×1、7 m×1和15 m×1，为防止计算时“露底”溢出，表层取4 m(王强，2004)¹⁾。

为了使目标海域流场计算准确，水动力模型计算范围比目标海域范围略大(图 3)，其开边界设于122°30'E。

模型初始条件，如温度、盐度、流场、云层初始值(王强，2004¹⁾; 王修林等，2006; Zhao et al，2011)和水动力参数(赵亮等，2002;王强，2004¹⁾)主要参考文献中的值。

1) 王强. 渤海环流的季节变化及浮游生态动力学模拟. 中国海洋大学硕士研究生学位论文, 2004

溶解态输入通量为动态，输入网格随着油膜漂移轨迹及油膜实时面积变动，输入通量取13 m³，为获取溶解态溢油最大影响范围，模拟时将其视为保守物质，随着油膜减少而同步输入模型进行模拟运算。

2 模拟结果与分析 2.1 油膜漂移轨迹 2.1.1 油膜扩散面积

180CST油膜各时间点扩散半径及面积见表 1。

2.1.2 油膜漂移距离

根据拉格朗日余流场与实时风生流场叠加结果，180CST油膜漂移距离见表 2，油膜漂移轨迹见图 4。

因现场实时风力、风向无直接观测值，为求风力、风向更接近实际，本研究取目标海域周边陆域山东东营市、莱州市和长岛县的实时风场数据，对此次溢油事故海域实时风力、风向参数取值予以矫正。其中，东营市位于目标海域西南方向，长岛县位于目标海域东方，莱州市位于目标海域东南方向。

油膜漂移轨迹主要受溢油区海面实时风场和潮流场影响，本案例中因风力较强，实时风生流场的驱动贡献更大。

2.1.3 油膜扫海面积

以13 m³溢油量计算，模拟得到累加扫海面积共计69.19 km²(表 3)。

2.2 溶解态向岸分布

室内试验测得180CST极限饱和浓度为100000- 150000 mg/L，油膜在海上存在时间≤72 h，但事故溢油仍会以溶解态在海水中扩散，向岸分布情况见图 5。由图 5可知，溶解态溢油在第11天11:00即可抵岸，随着时间的推移其溶解态油品主体将逐渐抵岸，溶解态覆盖区域石油含量均未超过《渔业水质标准》(GB11607-89)(0.05 mg/L)。

3 损失评估 3.1 海洋生物资源受损面积

油膜扫海区域的污染水平达到《海水水质标准》规定的四类或超四类水平，远超《渔业水质标准》，会损害海洋生物资源。溶解态向岸分布趋势模拟结果显示事故溢油潜在的影响范围，虽然该区域石油烃含量均未超过《渔业水质标准》，但乳化态和悬浮颗粒态石油抵岸后会在地形等影响下凝聚成团，从而对潮间带生物造成不良影响。

油膜扫海面积69.19 km²需全部评估。潮间带受损面积核定过程如下：根据溶解态向岸分布模拟结果，该事故潜在潮间带影响范围为山东龙口和蓬莱两市。根据海岸线长度，两市潮间带面积约为193 km²，扣除海岸防护工程用海、港口建设工程用海、船舶工业用海、旅游娱乐用海、造地工程用海以及渔业基础设施用海与围海养殖用海等，天然潮间带剩余20%左右，按20%计算，为38.6 km²；根据两市近岸块状油污油指纹比对结果(占比37.8%)折算，受影响潮间带面积约为14.6 km²。

3.2 渔业资源损失评估方法及参数

由于溢油污染发生于渤海中部，影响区域为山东省的烟台沿海，故采用《山东省海洋生态损害赔偿和损失补偿评估方法》，损失评估参数见表 4。

根据《山东省海洋生态损害赔偿和损失补偿评估方法》(DB37/T1448-2009)，在渔业资源损失评估工作中，油膜扫海区域属严重污染。故鱼类、无脊椎动物和浮游动物的损害系数均取上限值，分别为0.4、0.6和0.8；仔稚鱼的损害系数取1.0；潮间带生物损害系数取中值，为0.5。生物量按照“我国近海海洋综合调查和评价专项”冬季调查结果换算得到。海洋生物价格采用“烟台市价格认证中心出具的《山东省价格认证结论书》(烟价认字【2011】6号)”中所列各种近海水产品价格，将价格在20元/kg以上的种类定为优质经济类，价格在20元/kg以下的种类定为低值小型类。其中，优质经济类为12种。优质经济类价格确定为44.25元/kg，低值小型类价格确定为 11.25元/kg。仔稚鱼换算为商品苗种，按平均价格 1.0元/尾计算；浮游动物转化为低级游泳动物生物量，其价格取低值小型类价格11.25元/kg；潮间带底栖生物主要由多毛类、软体动物、甲壳动物和棘皮动物组成，其经济价值较低，经综合考虑，按0.8万元/t计算，即8元/kg。

3.3 渔业资源损失评估结果

经评估，油膜扫海区域内渔业资源损失额为137.0万元，潮间带生物损失额为73.7万元，一次性损失额共计210.6万元(表 4)。

根据《山东省海洋生态损害赔偿和损失补偿评估方法》，生物资源的损害赔偿为一次性损害额的3倍，据此，该事故生物资源的损害赔偿额共计631.9万元。

据《蓬莱19-3油田溢油事故联合调查组关于事故调查处理报告》，蓬莱19-3溢油事故造成油田周边及其西北部面积约6200 km²的海域污染，溢油事故造成的海洋生态损害补偿额为10.9亿元人民币。仅根据污染水体面积及海洋生态补偿金额估算单位面积补偿金额，蓬莱19-3油田溢油事故为17.6万元/km²，本研究所选案例为9.1万元/km²，前者要高于后者，但考虑到前者持续污染时间要远高于后者，本研究的评估结果可信度较高。

4 结论

(1) 以13 m³溢油量计算，油膜存在期约为72 h，模拟得到累加扫海面积共计69.19 km²；油膜消失后，事故溢油仍会以溶解态、乳化态或悬浮颗粒态在海水中扩散，溶解态溢油在第11天的11:00即可抵岸，随着时间的推移其溶解态溢油主体将逐渐抵岸，溶解态覆盖区域石油含量均未超过《渔业水质标准》(0.05 mg/L)。

(2) 油膜会造成渔业资源损失，油膜消失后，悬浮颗粒态和乳化态石油在岸滩等因素影响下会形成凝聚态石油，并对潮间带生物造成影响。根据《山东省海洋生态损害赔偿和损失补偿评估方法》(DB37/ T1448-2009)，经评估，在油膜扫海区域及受影响潮间带范围内，事故经济损失额合计为631.9万元。本研究对数值模型方法在溢油事故天然渔业资源损失评估中的应用方面做了有益尝试，为评估无现场观测数据支撑的海洋溢油事故所造成的天然渔业资源损失，提供了一个可行的方法。