王林軍

浙江石油化工有限公司

摘  要：分析了浙石化馬目油庫—魚山海底輸油管道泄漏溢油存在的風(fēng)險(xiǎn)，基于模型預(yù)測評估了管道潛在溢油事故的危害范圍，表明特定風(fēng)速、風(fēng)向以及泄漏時間會增加危害影響范圍。提出了海底管道選址及運(yùn)行中的安全保護(hù)建議，以保障海底管道安全平穩(wěn)運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：海底管道；泄漏；溢油；風(fēng)向；風(fēng)速；泄露時間

為滿足國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、提高國家原油戰(zhàn)略儲備能力和保障石油供應(yīng)安全，浙石化在浙江省舟山市建設(shè)綠色石化4 000萬噸/年煉油一體化項(xiàng)目，其中原油儲運(yùn)系統(tǒng)（一期）馬目油庫—魚山輸油管道工程起點(diǎn)為馬目油庫，馬目北端西側(cè)為入海點(diǎn)，終點(diǎn)在魚山島登陸，涉海管段長16.7 km，管道建設(shè)位置見圖 1。

馬目油庫—魚山輸油管道位于航道和錨地的集中區(qū)域，且周邊分布的海底管線多，易遭受外部因素如鋪管作業(yè)或拋錨、錨拖曳、錨鏈磨損管道、沉船等對管道造成損傷。管道登陸段南側(cè)區(qū)域距離沖刷槽很近，路由區(qū)最大沖刷幅度約1.0 m～2.5 m，存在懸空斷裂風(fēng)險(xiǎn)。管道一旦泄露溢油，在潮流及風(fēng)海流作用下，溢油范圍隨泄漏后時間增長而擴(kuò)大，將嚴(yán)重污染海域及周邊環(huán)境。

1 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)事故影響模型

1.1 溢油顆粒模型

溢油事故預(yù)測采用Johansen[1]等提出的“油顆粒”模型，即認(rèn)為海面上形成的油膜是由大量油粒子組成的“云團(tuán)”，每個油粒子代表一定的油量，油粒子之間彼此互相獨(dú)立、互不干擾，在潮流及風(fēng)海流的作用下各自平流、漂移，該過程具有拉格朗日性質(zhì)，可用確定性方法—拉格朗日方法模擬。同時，剪切和湍流等引起的油粒子擴(kuò)散過程屬于隨機(jī)走動，可用隨機(jī)走動法模擬，油粒子在湍流場的運(yùn)動類似分子的布朗運(yùn)動，每個油粒子的擴(kuò)散運(yùn)動從宏觀上反映了油膜的隨機(jī)擴(kuò)散運(yùn)動。因此，油粒子在△t 時間內(nèi)的運(yùn)動過程分為平流過程和擴(kuò)散過程。

“油顆粒”模型可以確切預(yù)報(bào)出較厚油層向油膜邊緣擴(kuò)展的過程以及油膜形狀在風(fēng)向方向明顯拉長的現(xiàn)象，對油膜斷裂和迎風(fēng)壓縮等預(yù)測評估也比傳統(tǒng)模式更具合理性，已成為近年來應(yīng)用較為廣泛的溢油預(yù)測模式。

在風(fēng)海流的共同作用下，油粒子群的每一個油粒子的運(yùn)動可用下式表示：

式中： X 、 Y 為油粒子經(jīng)過△t 后的位置， X0、 Y0為某質(zhì)點(diǎn)的初始坐標(biāo)； U 、 V 分別為X 、 Y 方向的流速分量，包括潮流和風(fēng)海流兩部分，流場由前述潮流模式計(jì)算得到； W10為海面上的風(fēng)速； A 為風(fēng)向； α 為風(fēng)拖曳系數(shù)； r 為隨機(jī)走動距離（擴(kuò)散項(xiàng)），是由水流的隨機(jī)性脈動所導(dǎo)致每個油粒子的空間位移， r ＝RE ， R 為0～1之間的隨機(jī)數(shù)， E 為擴(kuò)散系數(shù)； B 為隨機(jī)擴(kuò)散方向， B ＝2πR 。

1.2 風(fēng)拖拽系數(shù)選取

風(fēng)海流采用如下計(jì)算公式：

式中α 為風(fēng)拖曳系數(shù)， f(θ)為科氏力引起的偏轉(zhuǎn)角的函數(shù)， θ 為偏轉(zhuǎn)角。

風(fēng)拖曳系數(shù)是海洋大氣物理學(xué)中的重要參數(shù)，本次采用WuJin公式，即：

式中，在北半球，風(fēng)海流向右偏轉(zhuǎn)于風(fēng)向，本次偏轉(zhuǎn)角取15°， α 取0.03。

1.3 溢油點(diǎn)設(shè)置

本海底管道工程跨越長白西航道和規(guī)劃的大魚山10萬噸級航道，五峙山北錨地和大魚山東南錨地距離管道路由較近，船舶拋錨時會危及路由安全[2]。經(jīng)分析，設(shè)置兩個管道溢油點(diǎn)，分別位于管道與長白西航道的交界點(diǎn)（CB1）、大魚山10萬噸級航道（YS2），溢油位置見圖 2。管道管徑813 mm、運(yùn)行壓力0.98 MPa、輸送原油密度按0.88 g/cm3計(jì)。保守按輸油管道被鐵錨破壞、單管斷裂，泄漏速度為0.74 m3/s，發(fā)生泄漏時間按1 h計(jì)，泄漏量約2 664 m3。考察風(fēng)向、風(fēng)速、原油泄漏后時間長短對溢油范圍的影響。

1.4 溢油事故預(yù)測方案

根據(jù)氣象條件，海底管道所在海域附近夏季盛行SE向風(fēng)，冬季盛行NW向風(fēng)，年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镾E向。按《船舶污染海洋環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)技術(shù)規(guī)范（試行）》要求，選取對主要敏感目標(biāo)最不利的風(fēng)向?yàn)椴焕�風(fēng)向，風(fēng)速為相應(yīng)的年平均風(fēng)速。管道環(huán)境敏感區(qū)域位于管道北側(cè)、南側(cè)及東側(cè)，油污對周邊的海洋保護(hù)區(qū)造成危害為不利情況，故根據(jù)溢油點(diǎn)和環(huán)境敏感區(qū)域位置，試算后選擇不同的不利風(fēng)向分別為W、 SW、 S和N向風(fēng)[3]。故本次預(yù)測主要考慮SE向風(fēng)、 NW向風(fēng)，以及不利風(fēng)向W、 SW、 S和N向風(fēng)，風(fēng)速取多年平均風(fēng)速，不利風(fēng)向時取最大不利風(fēng)速10.8 m/s。選擇高平潮時刻進(jìn)行溢油預(yù)測，工況見表 1。

2 預(yù)測結(jié)果分析

預(yù)測結(jié)果表明，由于周邊海島的阻隔作用，不同 風(fēng)向時溢油影響的差別較大。 YS2發(fā)生溢油事故時，工況1（高平潮， SE風(fēng)向， 4.0 m/s風(fēng)速） 6 h掃海面積為63.0 km2， 72 h后掃海面積為3 582.3 km2（圖 3）；工況3（高平潮， W風(fēng)向， 10.8 m/s風(fēng)速） 6 h掃海面積為195.7 km2， 72 h后掃海面積為8 026.8 km2；工況4（高平潮， SW風(fēng)向， 10.8 m/s風(fēng)速） 6 h掃海面積為75.5 km2， 72 h后掃海面積最大，為12 983.2 km2（圖 4）。不同風(fēng)向?qū)Νh(huán)境敏感區(qū)域溢油響應(yīng)時間各不相同，最快2 h溢油到達(dá)環(huán)境敏感區(qū)域，岱山省級風(fēng)景名勝區(qū)受影響最嚴(yán)重。

CB1發(fā)生溢油事故后，工況1（高平潮， SE風(fēng)向， 4.0 m/s風(fēng)速） 6 h掃海面積61.2 km2， 72 h后掃海面積為3 525.5 km2；工況3（高平潮， W風(fēng)向，10.8 m/s風(fēng)速） 6 h掃海面積195.7 km2， 72 h后掃海面積為8 026.8 km2（圖 5）；工況4（高平潮， SW風(fēng)向， 10.8 m/s風(fēng)速） 6 h掃海面積93.8 km2， 72 h后掃海面積最大，為10 542.4 km2；工況6（高平潮， N風(fēng)向， 10.8 m/s風(fēng)速） 6 h掃海面積為8.2 km2， 72 h后掃海面積為759.5 km2（圖 6）。不同風(fēng)向?qū)Νh(huán)境敏感區(qū)域溢油的響應(yīng)時間各不相同，最快1 h溢油到達(dá)環(huán)境敏感目標(biāo)區(qū)域，主要敏感目標(biāo)中五峙山列島鳥類自然保護(hù)區(qū)受影響最嚴(yán)重。

3 結(jié)語

（1）模型分析結(jié)果表明，特定風(fēng)速、風(fēng)向以及原油泄漏后的時間決定泄漏危害影響范圍大小。

（2）在管道工程設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行中要統(tǒng)籌考慮各種影響因素。選址時盡量避開海底沖刷嚴(yán)重區(qū) 域，防止因海底管線覆土沖刷過快而導(dǎo)致海底管線裸管或者懸空；避開地震災(zāi)害頻發(fā)區(qū)域和深槽區(qū)。施工時加強(qiáng)船舶管理，準(zhǔn)確掌握周圍海域第三方建構(gòu)筑物位置，采用雷達(dá)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對管道附近海域船舶實(shí)時監(jiān)控，及時驅(qū)離停留在管道上方的船舶。采用聲吶和淺地層剖面儀，提高海底管道運(yùn)行過程中埋深和裸管調(diào)查頻率，及時掌握海床地形變化趨勢，提前采取預(yù)防措施，消減潛在風(fēng)險(xiǎn)。

（3）管道運(yùn)行單位和相關(guān)部門制定有針對性的應(yīng)急預(yù)案，并納入當(dāng)?shù)睾Ｊ鹿芾聿块T的溢油應(yīng)急響應(yīng)體系。落實(shí)各項(xiàng)應(yīng)急準(zhǔn)備工作，使事故可能造成的危害減少到最低程度，從而減少溢油風(fēng)險(xiǎn)事故對生態(tài)環(huán)境的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]  Johansen O.Development and verification of deep- water blowout models[J].Marine Pollution Bulletin，2003， 47(9/12)： 360-368.

[2] 李長印，祁志江. 杭州灣海底管線南岸施工的風(fēng)險(xiǎn)防范和應(yīng)急程序[J]. 石油化工建設(shè)， 2009(03)： 46-47.

[3] 宋金升，劉超，李長江，等. 海底輸氣管道泄漏擴(kuò)散可視化仿真軟件開發(fā)[J]. 西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)， 2019， 34(02)： 120-125+129.

作者簡介：王林軍， 2014年畢業(yè)于西安石油大學(xué)油氣儲運(yùn)工程專業(yè)，就職于浙江石油化工有限公司儲運(yùn)事業(yè)部，主要從事長輸管線陸管及海管管道運(yùn)維工作。聯(lián)系方式： 15168090938，zsh_wanglinj@rong-sheng.com。