海上溢油数值模型研究进展.pdf

3 0 第4 期海洋通报 V 0 1 3 0 ，N o 4 2 0 11 年0 8 月M A R I N ES C I E N C EB U L L E T I N A u g 2 0 11 海上溢油数值模型研究进展 牟林1 ，邹和平1 ，武双全1 ，宋军1 ，李欢1 ，徐玲玲2 ，赵如箱2 ( 1 国家海洋信息中心，天津3 0 0 1 7 1 ；2 山东海事局，山东青岛2 6 6 0 0 2 ) 摘要：中国是海洋大国，近年来，海上活动持续增多，发生海上溢油事故的风险随之加大，海上溢油污染事故一旦发牛，如不得 到及时控制，必将严重损害中国近海海洋环境。为了完善l l国海卜溢油麻急反应体系，提高l| I 国处理重大海I ：溢油事故的应急反应 能力，开展了海卜溢油污染应急技本研究。本文综述了溢油预测模型的发展过程以及相关的研究成果，包括：溢油扩展模犁、溢油 漂移模型、油粒子模型和溢油风化模，魁等。这为进一步开展溢油预测和溢油污染应急- T 作提供了理论依据和参考。 关键字：海卜溢油：溢油漂移模，鹎；溢油风化模型；油粒子模型；海洋环境 中图分类号：F 7 3 1 2文献标识码：A文章编号：1 0 0 1 - 6 9 3 2 ( 2 0 lI ) 0 4 - 0 4 7 3 - 0 8 N u m e r ica lm o d e lr e s e a r cho nt h eo ce a no ils p ill M UL in l，Z O UH e p in 9 1 ，W US h u a n g q u a n l，S O N GJ u n l，L IH u a n l，X UL in g lin 9 2 ， Z H A O R u x ia n 9 2 ( 1 N a t io n a lM a r in eD a t aa n dI n f o r m a t io nS e r v ice ，T ia n j in3 0 0 1 7 1 C h in a ；2 S h a n d o n gM a r it im eS a f e t yA d m in is t r a t io n ，Q in g d a o2 6 6 0 0 2 ，C h in a ) A b s t r a e t tR e ce n t ly , w it ht h ein cr e a s eo fo u ra ct iv eo ce a I lico p e r a t io n s t h er is k so fo ce a no ils p illa ccid e n t sa r e co n s id e r a b leinC h in a O ce a no il s p ill iso n ek in do fs e r io u sd is a s t e r sw h ichs e v e r e lyd a m a g et h em a r in ee n v ir o n m e n t A im in ga tim p r o v in gt h eco n t in g e n cyr e a ct io ns y s t e ma n dt h er e s o lv in ga b ilit yf o rt h eo ils p ill a ccid e n t ，t h er e la t iv e t e ch n o lo g ie so no ilp o llu t io n sr e s p o n s ea r er e s e a r ch e d T h isp a p e rb r ie f ly in t r o d u ce st h ed e v e lo p m e n tp r o ce s sa n d r e a ct io na ch ie v e m e n t so ft h eo ils p illp r e d ict in gm o d e ls ，in clu d in gt h eO ilS p illE x t e n s io nM o d e l，t h eO ilS p ill D r if t M o d e l，t h eO ilP a r t icleM o d e la n dt h eO ilS p illW e a t h e r in gM o d e l，w h ichp r o v id et h et h e o r e t iccr it e r io n sf o rt h ef u t u r e w o r ko no il s p illp r e d ict in ga n dr e a ct in g K e y w o r d s - o ils p ill：o ils p illd r if tm o d e l；o ils p illw e a t h e r in gm o d e l：o ilp a r t iclem o d e l：m a r in ee n v ir o n m e n t 1 引言 经济的迅猛发展使中国的能源需求与日俱增， 这加速了海洋石油运输业和石油开采业的发展；同 时也加大了海上溢油事故，尤其是重特大溢油事故 的风险。海上重大溢油事故旦发生，必将损害中 国近海海洋环境，影响人民的生活，阻碍国家经济 的发展。因此，了解海上溢油污染的成凶，开展海 上溢油应急关键技术的研究，建立、完善中国溢油 应急反应体系，为溢油事故应急反应处理提供决策 支持的技术平台。提高溢油应急反应能力和技术水 平刻不容缓，这不仅能为保护中国近海海域环境安 全提供技术支持，也能为中国石油运输业和开采业 等行业的发展提供必要的保障。 鉴于此，本文从溢油扩展模型、溢油漂移模璎、 油粒子模犁和溢油风化模型4 个方面入手，对海上 溢油行为与归宿的预测和应急处理技术进行了分 析，概括了溢油模犁的发展历史，总结了溢油模型 的成果。 2 溢油数值模型介绍 在特有的海洋环境条件下，溢油会在复杂的物 理、化学变化及牛物的作用下，最终从海洋环境中 消失。溢油在海洋中的行为和归宿可分为3 大类： ( 1 ) 扩展过程：指海面油膜由于其自身的特性而 导致面积增人的过程。( 2 ) 输移过程：指在海洋环 境动力要素的作用下溢油的迁移运动，包括水平方 向的漂移、扩散以及垂直方向的参混、悬浮过程。 收稿口期：2 0 1 1 - 0 1 0 9 ：修订日期：2 0 1 1 - 0 5 - 0 2 基金项目：国家发展与改革委员会商技术产业发展项目( 2 0 0 8 3 1 1 - 0 0 0 - 0 3 5 ) ；海洋公益性行业科研专项( 2 0 0 9 0 5 0 0 1 ) 作者简介：牟林( 1 9 r 7 7 一) ，男，博上，副研究员。电了邮箱：m o u lin l9 7 7 h o t m a ilt o m 。 4 7 4海洋通报3 0 卷 ( 3 ) 风化过程：指能够引起溢油组成性质改变的 所有过程，其主要包括：蒸发、溶解、乳化、光氧 化、生物降解、吸附沉降、水体的混合扩散以及生 物体内的代谢作用等【l】。从整个溢油的风化过程来 看，蒸发和乳化过程在短期内与溢油的应急反应和 经济损害评估息息相关，但是溢油的最终归宿取决 于光氧化和生物降解，这些过j ! i! 直接关系到对海洋 环境的影响评估1 2 1 。 2 1 溢油扩展模型 在有关溢油扩展的研究中，油膜的扩展范围和 厚度变化一直是研究者普遍关注的问题。早期， B lo k k e r T M 以自由平面上的油作为扩展前提，从油膜 的质量守恒 H 发，建立了扩展直径公式，该公式忽 略表面张力和粘性力，只考虑秀力和溢油体积，公 式如卜： ， 一， D = 哦3 + 兰兰笠( d 。一以) V 】1 7 3 ( 1 ) 乃 这里，D o 为初始时刻油膜直径( m ) ，d o 、d 。 分别为油和水的比霞，k ，为B lo k k e r 常数，y 为溢 油的总体积( m 3 ) 。从上式町以看出，该公式主要 反映的是油在重力作用下的惯性扩展。F a y l4 1 提出了 三阶段汕膜扩展理论，该理论假设在海而甲静的条 件下( 即不计风、流、浪等影响) ，大体积溢汕在 扩展过程中油的性质不变且在垂向受力平衡，油膜 扩展始终保持圆形，扩展范围町以用直径来衡量。 针对油在水面的实际受力情况，全面考虑了霞力、 表面张力、惯性力以及粘性力的作用，将油膜扩展 的过程根据各个力在不同阶段所起的作用不同划 分为三个阶段，即重力一惯性力阶段、雨力一粘性 力阶段以及表面张力一粘性力阶段。该理论在溢油 扩展模型的研究应用方面取得了开创性的成果。 三个阶段油膜直径的计算公式分别为： 惯性扩展阶段：D = 2 k ，( g f lv t2 ) u 4 ( 2 ) 粘性扩展阶段： D = 2 k 2 ( 2 1 ，。) 6 t 4 ( 3 ) 表面张力扩展阶段： D = 2 k 3 ( a lp 。v 。) 2 f 4 ( 4 ) 扩展结束后，油膜直径保持不变： D = 3 5 6 8 V 3 7 8 ( 5 ) 在式2 5 中，D 为油膜直径( m ) ；g 为霞力加 速度( m s 2 ) ；V 为溢油体积( m 3 ) ；t 为时问( s ) ； P 。为海水的密度( k g m 3 ) ；= 1 一风P 。，这里 风为油的密度( k g m 3 ) ；1 ，。为水的运动粘滞系数 ( m 2 s ) ；仃为，卒气一水表面张力系数与油一空气表 面张力系数以及油一水表面张力系数的差值 ( N m ) k 、k ，、k ，分别为惯性扩展阶段、粘性 扩展阶段以及表卣张力扩展阶段的经验系数。上述 各阶段的分界时间可根据两相邻阶段扩展直径相 等的条件来确定。 F a y 理论提H 之后，众多学者对其模型进行了 改进，并在其已有的基础上将溢油的自身扩展过程 与分散过程相结合建立了各种扩展模犁。例如： W a n g 等【5 】对F a y 的第二阶段即粘性扩展阶段的公 式进行了修I 三。M a ck a y t 6 , 7 j 在F a y 第二阶段公式中 考虑了风的影响，结合实际观测结果分别建立了厚 油膜和薄油膜的扩展模型；L e h r 等【8 J 对F a y 理论进 行丫修正，考虑了风场及流场对油膜非对称性扩展 的影响，认为油膜在海洋中以椭圆而： E 圆形的形式 向四周扩展，其长轴方向与风向一致。 除了F a y - _ 阶段油膜扩展理论模型及后来的改 进模型，O k u b o t g l等通过对大量观测资料的分析， 认为油膜质量的近似正态分布为扩展所致，且油膜 的直径与质量均方差成止比。在各项同性的条件 下，油膜周边界限保持圆形，可以通过直径度量油 膜范围。但是O k u b o 的经验模式只考虑了扩展作 用，因而得出的油膜直径仅与时间有关，存在较大 的缺陷。而元良则认为，溢油的扩展是油具有的位 能转变为粘性逸散能和表面张力能的结果【lo | 。黄礼 贤等根据实验中净水面点源瞬时溢油扩展尺度随 油品和溢油量的变化，分别得出油的扩展速度和扩 展半径与时问的关系。但该公式本身即为经验公 式，而其中表示油的性质和溢油量的函数值也都取 自实验系数。 随着溢油扩展模型的改进与发展，人们提出了 一种新的模犁一蒙特卡罗扩展模犁。该模型将油粒 子质点的扩散看作是在湍流作用下的随机扩散，表 现为质点群沿着复杂轨迹进行的混乱运动，如图1 所示，其运动方向在某一时刻是随机的，但这种随 机性受整个运动场的控制。可以在给予随机数的同 时，给定湍流强度、时问尺度和粒子数，从而求得 标识质点的运移距离引。 蒙特卡罗扩展模型利用扩散现象的随机性。产 生随机数有2 种方法，即均匀随机数和正规随机数 4 期牟林等：海上溢油数值模型研究进展4 7 5 方法。 图I 固定流体微团的湍流运动 F ig 1T u r b u le n tm o t io no fs o lidf lu idm icr og r o u p 若a ，b ，C 为一0 5 到0 5 之间的随机数，则： A ： 产 丝一，B ： 产：皇 ：一，口2 + 6 2 + c2日2 + 6 2 + c2 仁面寺i 表示的均值为0 ，具离散1 3 分布。离散方差盯2 和 扩散系数之间的关系：k = 仃2 2 A t ，则粒子在三 维方向上的扩展距离为： lx = A 4 6 A t k 。，z y = B 。4 6 A t k y ， z ：= C 4 6 A t k ： ( 7 ) 若a ，b ，C 为0 到1 之间的正态随机数，a ， b ，C 均值为零，取( O ，1 ) 正态分布，则粒子在 三维方向上的扩展距离为： lx = a 4 2 A t 。丸，z y = b 2 出 k y ， z ：= C 2 缸 k ： ( 8 ) 由此可以看出，用蒙特卡罗模型研究溢油是将 代表油粒子的质点的扩散看作是在海洋湍流作用 下的随机扩散，质点的输移是数学上的一个维纳过 程的模拟。 假设取样步长f 0 ，令X 。= X ( n A t ) ( 9 ) X 。= X 。一l+ o - , f - 瓦- W ( 仃 0 ) 0 0 ) 其中： 睨 为相瓦独立的N ( o ，1 ) 的随机 数。 增量X 。一X 枞只依赖于对应于( n k ，n ) 的k 个变量( W j 一川 ) ( k n ) ，故知 X 。一X 。一 有( o ，a 4 k t ) 分布。 基于上述数学过程，标识油粒子质点的输运距 离可表示为： X i= X f l+ U 出+ L ( 1 1 ) 这里：X = ( 互，Y ，z ) ，U = ( H ，y ，w ) ， L = ( Z 。，Z ：) 油粒子的水平输移速度( U ，v ) 包含了平流、 风生表而流以及风对油膜表面的作用速度；油粒子 垂直方向的输移速度W 包含了油粒子的卜浮、沉降 速度和海洋动力学的垂直流速；湍动扩散项Z 。、Z ， 和Z ，根据式( 7 ) 或( 8 ) 求得；湍动扩散系数同三维流场 相对应。由此，根据式( 1 1 ) 可计算任一油粒子质点 的输移位置，大量的油粒子质点即可表述溢油的行 为过程。通过计算大量任意质点的位置，就可以描 述溢油的行为过程。 综卜所述，研究溢油的扩展过程，不得不考虑 海洋环境动力要素的影响。溢油入水初期首先经历 重力扩展阶段，在此阶段海流和风对油膜扩展的影 响较小；随着重力扩展减弱、溢油厚度减小，油膜 过渡到剪切扩展阶段，该阶段受海流和风的影响显 著，油膜扩展主要由汕膜底部与水、油膜上部与风 之间的粘滞力驱动，流场和风场的变化起着最要作 用；无风情况下，潮汐的周期性变化对油膜的扩展 产生决定影响，涨潮时油膜常被压缩，落潮时油膜 却常被拉伸；有风情况下，油膜的扩展除受海流和 风的影响，两者同向时油膜扩展减缓，但漂移速度 加快，相反时，油膜扩展加剧但漂移速度减缓。随 着剪切扩展的衰弱、油膜厚度的减小，油膜最终过 渡到随流漂移阶段。 2 2 溢油漂移模型 油膜在海面的漂移主要受制十表层流的驱动， 而其一卜边界直接受到风应力的作用。漂移在整个溢 油动态模拟中占有最重要的地位，越靠近海岸，预 测越苇要。漂移运动取决于半流条件，油水界面切 应力与海水运动密切相关。海面某水体微团，其水 体运动受风生流、非风生流和波余流的作用I l引。风 生流与非风生流是在远大于油膜尺度的驱动力如 引潮力、压强梯度力和风应力等作用下形成的海水 运动，它们并不会凶油膜的存在而产生较大的变 4 7 6海洋通报3 0 卷 化。波余流则不同，根据S t o k e s 理论，波余流的量 值可以达到风速的2 。但是油膜的存在使得表面 张力增加，海面趋于平坦，波浪的非线性作用大为 削弱，因此，事实上波余流是可以忽略的。由此可 见，油膜平流运动的实质就是油膜在卜述驱动力作 用下的拉格朗口漂移过程，其主要依赖于海面风场 和流场。流场可认为是由密度流、风生流、潮流、 梯度流等合成的矢量场。在近海海域，潮流和风生 流是决定溢油漂移的最苇要的凶素。实际观测表 明，在开阔海域，溢油的漂移速度丰要由风的作用 决定；I 叮在近海或沿岸时，潮流的作用就不可忽视； 尤其在港湾或码头，潮流的作用更加重要。在模犁 中，风对油膜的影响一般按风速的3 - - - 4 计算， 海流对油膜的影响按流速来计算。如果溢油事故发 生海域受沿岸流和深海流的影响不大，用上述计算 方法可获得较好的结果。总之，计算油膜的漂移轨 迹必须首先要获得表层流场和风场的数据。 2 2 1 影响溢油漂移的海洋动力环境要素主 要海洋动力环境要素包括海面风场、风生流、潮流 和波浪等。 ( 1 ) 海面风场 海面风场在溢油漂移中起着重要的作用，表现 在：风作用下产生的风生流是影响油膜漂移的最 重要因素之一；风本身可以直接作用于油膜，驱 动油膜运动，同时还能够改变油膜扩展的形态和面 积。除此之外，风的大小也会影响溢油的风化过程。 ( 2 ) 风生流 风生流为海面上风的作用引起的海水流动，是 溢油漂移过程中最重要的影响凶素之一。在风生流 中，定常风持续地作用于海面时，产生定常的海水 流动，而当非均匀分布的定常风力作用于海面时， 由于体积输送小均匀，会形成海而起伏，从而产生 压强梯度力，这种风生流便包括了漂流和倾斜流两 个部分14 1 。 ( 3 ) 潮流 潮流是河口海岸地区最常见的水文现象，泥 沙、盐分、包括溢油在内的各类污染物以及热量的 输运过程，均与潮流运动息息相关。对于海面油膜 而言，其漂移轨迹受潮流的影响除了风生流之外也 是最重要的。 ( 4 ) 波浪 波浪对溢油的影响主要表现在以下几个方面： 波浪扰动，会影响溢油的破碎、分散和乳化( 影 响油滴的入水率) 过程。风浪、涌浪等非线性波 产生的波余流，会影响溢油的漂移过程。 2 2 2 溢油漂移模型海卜溢油漂移轨迹的数 值预测研究起始于2 0 世纪6 0 年代，众多学者提出 了各种漂移模型，绝大多数结合了溢油的扩展与扩 散过程，以下列举几个具有代表性的模犁进行概 述： ( 1 ) C o a s t G u a r d ( I I ) 模型 该模型山M ille r 等建立【l5 1 ，利用流体动力学模 型和风模型联合求解海流速度和预测汕膜运动轨 迹。风模犁由风应力压强梯度力和科氏力平衡而建 立，并考虑了水面附近风应力摩擦的影响，流体动 力学模型则考虑了污染物离散的垂向平均二维模 型，风模型计算的风速输入动力学模型，从而预测 油膜的运动轨迹I l6 | 。本模型着重考虑了风的动力作 用。 ( 2 ) S E A D O C K 模犁 该模型由W illia m s 等建立【 l，模犁将近海、外 海的风速矢量通过权重系数协调，再通过与表面海 流矢量的叠加，进而预测油膜在风、海流作用下的 漂移运动，得m 油膜质心位移。该模型在计算油膜 漂移时，认为整个油膜在质心周围按圆形均匀的分 布，每计算一步，都采用F a y 扩展公式计算的扩展 直径作为此时油膜扩延范围，1 4 考虑了蒸发和溶解 引起的一阶衰减，沉淀晕按油层体积的l考虑， 风场通过马尔科大模型编制，但没有考虑科氏力对 风和流的影响。 ( 3 ) N a v y 模犁 南W e b b 等【l8 】建立的美围海军N a v y 模型主要 用于预测油轮和溢油的漂移运动，模型。 I 考虑了潮 流、河流入流、地转流以及风生流的作用，建立了 油膜质心的位移公式。不考虑油膜自身的扩展是该 模式的一个缺点。 ( 4 ) 其它模型 在国内，黄礼贤等【ll】存实验中通过将海流流速 矢量、风速矢章和油膜扩展的速度矢量进行合成， 建立了一种扩散模型，得到了油膜边缘任意点不同 时刻不同方向上的漂移速度，并由此计算出相应点 在该时刻的位移，达到了预报油膜的漂移轨迹的效 果。武剧虎和赵文谦【l9 1 建立了一种瞬时溢油模型， 模型中考虑油膜在质心周围的分布近似于椭圆，长 轴与每时刻的漂移方向一致，采用欧拉一拉格朗臼 方法先求得了油膜质心运动轨迹，再求得油膜扩展 尺度。此外，通过计算漂移过程中边缘质点的轨迹， 则可以刻画油膜的不规则形状和发展过程。 4 期牟林等：海上溢油数值模犁研究进展4 7 7 2 3 油粒子模型 2 3 1 油粒子的概念 最早提出油粒子模型的 J o h a n s e n 对油粒子的概念进行了阐述：油膜在水体 中被视为众多离散油粒子的组合，“粒子扩散”就 是将浓度场模拟为由大量粒子组成的“云团”，其 中的每一个粒子表征一定数量的示踪物质。这些小 油粒在表面流的影响下，便会随海流移动和分散。 模型粒子的平流过程具有拉格朗口性质，可用拉格 朗H 方法模拟，而剪切流和湍流引起的湍流扩散过 程属于随机运动，可用随机走动法来模拟，也就是 将湍流视为一种随机流场，瓶每个模型粒子在湍流 场l J 的运动则类似于流体分子的布朗运动，由于每 个粒子的随机运动而导致整个粒子“云团”在水体 中的扩散1 2 0 , 2 1 1 。当粒子在表面时表现为油膜，在水 体中时粒子则表现为油滴，表而油膜的大小为表面 粒子的替加。溢油在水表面的漂移和风化过程采用 表面扩散、平移、输送、乳化和蒸发的算法来模拟 计算。凶此，油膜的运动取决于周围水体的平流和 湍流扩散运动。 2 3 2 汕粒子追踪模型采用拉格朗同粒子追 踪模型可以对溢油的迁移轨迹进行描述。由十油粒 子是具有一定体积和一定质量的微团，结合溢油在 海上的扩展、漂移、湍流扩散、蒸发和溶解等过程， 可以计算溢油的运动轨迹和归宿。为了模拟溢油轨 迹，将溢油离散为大量的油粒子，每个油粒子代 表一定的油量，在表层流和风的共同作用下漂移 扩散”1 。 油粒子在一段时间内的运动过程分为：扩展过 程，平流过群和扩散过程。用确定性方法模拟油粒 子的平流过程，用随机走动法米模拟湍流扩散过 程，扩展过程仍采用F a y 三阶段扩展公式来计算。 拉格朗H 粒子追踪轨迹用下式表示： d r 二= V ( r ，f ) + V ( r ，f ) ( 1 2 ) d t 式中，r = x i+ Y J ( m ) ；V ( r ，f ) 为平移速度( I I 以) ； y ( r ，f ) 为油膜水平湍流扩散速度( m s ) ；分别由 下式表示： V ( r ，f ) = t z D W + U w( 1 3 ) 式中，W 为海面1 0m 处的风速( n t is ) ；U w 为表 层水流速度( m s ) ，通过一维或三维水动力学方程 求得；口为风力冈子，一般取3 - - 一4 ；为由于 水流的作用使油膜在水而漂移的影响冈子，一般可 取1 1 ；D 为考虑风向偏转角的转换矩阵： fC O S 0s in0 、 D = l I L s in o co s 0 ) ( 1 4 ) 一，= 当0 W 2 5m s 时，口= 4 0 0 一8 、w ；当 W 2 5m s 时0 - - o 。 油膜水平湍流扩散速度的研究有不同的计算 表达式，如F ： y ( ，f ) = V R 。e 珊。 ( 1 5 ) 式中，V = ( 4 E 舀) 1 佗 ， = 1 7 2 5 7 6 r ( m s ) E r0 4 n h V h 为湍流扩散率；h 为水深( m ) ；8 t 为时问步长( S ) ； 尺。为0 l之间的随机数；假设方向角眇为均匀分 布在O 之间的随机数。关于湍流扩散速度的“随 机走动方法”描述有不同的形式。 由式( 1 2 ) 可得油粒子质点坐标为： x = x 。+ ( K + K ) 垃 ( 1 6 ) Y = r o + ( V x + K ) a z 式中，X 。，K 为某质点的初始坐标。 模型的扩展过程仍采用F a y 三阶段扩展公式计 算出油膜的扩展速度。根据大胃= 现场观察，F a y 提 出扩散终止时的溢油面积和体积之间的关系 A = 1 0 5 V 3 7 4( 1 7 ) 式中，y 为溢油体积( m 3 ) 。 根据式( 1 7 ) 可知，扩展终了的油膜厚度为 1 0 _ ) y 4 ( m ) 。 通过油粒子质点坐标的追踪即可计算溢油扩 展漂移轨迹和影响区域。溢油污染影响面积一般是 指油膜的扫海面积，即汕膜在一定时间内经过的海 域面积。计算时取一定时间内所有粒子经过的海域 的面积。 2 4 溢油风化过程及模型 2 4 1 溢油的风化过程 溢油的风化过程包含了蒸发、溶解、乳化、分 散、吸附沉降、光氧化及生物降解多个过程。有关 溢油的风化过程，国内众多学者进行了相关研究。 杨庆霄等【2 2 】研究了中国几种油蒸发过程中表面张 力、密度、粘度的变化，并建屯了相应的风化公式。 严志宇【2 】应用浅盘蒸发法对原油及其乳化物的蒸发 进行了模拟，考察了不同原油在不同阶段和乳化状 4 7 8海洋通报3 0 卷 态下的蒸发特征，得出了蒸发速率方程及乳化对蒸 发抑制作用冈子；此外，其通过对油水运动规律的 观测和分析，分析了乳化动力学过程，并以组成和 状态是决定风化特征的主要因素和联系各风化过 程的纽带的思想为前提建立了溢油风化预测模型。 李琼【2 驯通过分析海洋溢油风化特点，在参考已有风 化预测模型的基础上，将挪威S I N T E F 风化模型与 美国A D I O S 风化模型结合在一起，研发了溢油风 化预测系统软件。溢汕的风化包括：溢油的蒸发、 溢油的溶解、溢油的分散、溢汕的乳化、溢油的吸 附和沉降以及溢油的光氧化与生物降解。 2 4 2 溢油风化模犁 目前，风化的研究逐步转入机理性研究阶段， 凭借现代化的分析手段，深入定鼍地考察风化过程 中油的组成、性质变化及风化过程内部机理，主要 有以F J L 种模型： ( 1 ) I K U 模颦 I K U 模型I l挪威科技T 业研究院( S I N T E F ) 研 发。该模型以实验室的人量数据为基础，其输入部 分包括实验数据和环境条件，前者包括油的蒸馏曲 线、新鲜汕的性质、最大吸水能力及分散剂的粘性 限制等，模型的输出有蒸发损失、油的总质量平衡、 物性变化、水含量、分散量及使用分散剂和现场焚 烧的时间预测。 新鲜油组分信息由蒸馏曲线给出，蒸发过程采 用准组分法，计算公式为： D Q f ( t ) d t = 一a ( t ) Q i( t ) M ( t ) P f ( t ) p ( t ) h ( t ) R T ( 1 8 ) 这里，Q ( f ) 为单位残留面积中组分f 的重量 ( k g m 2 ) ；口( f ) 为与风速有关的质量迁移系数 ( m s ) ；M ( f ) 为液体混合物的摩尔质量 ( k g k m 0 1 ) ；P i( t ) 为组分i的蒸气压( N m 2 ) ；p ( f ) 为液体混合物的密度( k g m 3 ) ；办( f ) 为油膜厚度 ( m ) ；R 为气体常数( J m o l K ) ；T 为绝对温度 ( K ) 。 分散过程用D e lv ig n ea n dS w e e n e y t 驯提出的经 验方程计算： a ，( d 。) = C ( o ) D 6 0 0 5 7 S F d o o 7 A d ( 1 9 ) 这里，O r 为每单位表面面积在附近问隔为A d 的不同液滴大小的油液滴进入速率( k g m 2 s ) ； C ( D ) 依赖于油种类和风化状态的经验进入常数； 为单位表面面积分散的破碎波的能量( J r n 2 ) ； S 为油在海表面的覆盖率( 0 S 1 ) ；F 为海面 单位时间遭遇破碎波的份数；d o 为油颗粒直径 ( m ) ；A d 为油颗粒直径间隔( m ) 。其中分散的破 碎波能量由半经验关系给出： = O 0 0 3 4 p 。彬。2 ( 2 0 ) 这里，H 。为波场内波高的r m s 值；P w 为 海水密度( k g m 3 ) ；g 为重力加速度( m s 2 ) 。D e lv ig n e a n dS w e e n e y ( 1 9 8 8 ) 提出的经验方程是结合理论分 析与实验结果建立的，为目前计算分散过程中值得 借鉴的方程。油的倾点、闪点和纯油粘度及吸水速 率是以实验数据为基础，用非线性曲线拟合建立方 程Y = f ( x ) 来描述，其中Y 是性质，z 是蒸发百分 数，w 1 0 乳化物的粘度用M a ck a y ( 1 9 8 3 ) 提出的 公式进行计算： = e x p 2 5 w ( 1 0 6 5 4 们】 ( 2 1 ) 这里，风分别为风化油和初始油的粘度 ( 厘泊) ；W 为含水率。 模犁有大型的数据库作为支撑，包括有2 0 0 多 种油品的性质、蒸馏曲线和实验窜风化数据。该模 型通过对原油性质的预测呵估计如机械同收、用分 散剂或破乳剂的化学处理及现场燃烧的有效时间， 模型还可与漂移模型结合，I 一时跟踪几个油膜的性 质。 ( 2 ) A D I O S 模犁 A D I O S 是美国N O A A ，H M R A D 发展的新型风 化模型，其涉及到了三个油的性质( 密度、粘性和 含水革) 和网个物理过程( 扩展、蒸发、水包油分 散、油包水乳化) 。 模型计算时，油膜的扩展过程采用修正的F a y 公式计算，蒸发过程用S t iv e ra n dM a ck a y ( 1 9 8 4 ) 的公式计算： d F d t = ( K E h ) e x p 6 3 1 0 3 ( q c2 F ) T 】 ( 2 2 ) 分散过程用经过修正的D e lv ig n ea n d S w e e n e y 2 4 1 的公式计算。 乳化含水率用M a ck a y 首次提 n 的雾化公式计 算，即： d 】，d t = k U 2 ( 1 一y y ，)( 2 3 ) 式中，y 是水同乳化物的体积比；y ，是完全乳化之 后水同乳化物的体积比；常数k 在未发生乳化的情 况下为O ，一般情况下，k = 1 6 1 0 - 6S ，m 2 。 4 期牟林等：海上溢油数值模型研究进展4 7 9 密度的计算是根据M a ck a y 等运用的模犁中假 设密度与蒸发分数及温度的变化成线性关系来计 算的： 几= r p w ，+ ( 1 一y ) P o 【l cI ( T 一互) 】( 1 + Q 厂) ( 2 4 ) 这里，成为混合物的密度( k g m 3 ) ；P o 为参 考密度( k g m 3 ) ；r o 为参考温度( K ) ；f 为汕蒸 发掉的部分；q 和C ：为在溢油性质基础卜的试验参 数。 粘度用M o o n e y 公式计算： = V o e X p ( 等) e X 毗( 专一挚e x 如s 厂) ( 2 5 ) 式中c3 = 2 5 ，C 4 = 0 6 5 ，c5 = 5 0 ，C 6 是用一条曲线 表示的。 ( 3 ) O S I S O S I S 是英国的W a r r e nS p r in gL a b o r a t o r y ( W S L ) 和B M TC e e m a idL t d ( B M T ) 联合研制的 溢油模型系统，系统中对溢油风化过程的模拟包括 蒸发、乳化和分散对油残余量的影响及密度、粘度 和闪点的变化【2 引。 模型中，蒸发过程亦采用S t iv e r 和M a ck a y 的 公式计算。乳化过程通过随机走动跟踪模型允许油 滴垂直移估计。蒸发过程中油街度和粘度的变化用 与蒸发体积分数成线性关系的公式来计算。乳化物 的粘度用M a ck a y 等提出的公式计算，由于实验表 明不同油的参数不同，故式中的该值用实际测试结 果，而沥青烯含量的平均值用于缺省的情况。可见， 除乳化过程外，O S I S 采用的方程和A D I O S 基本相 似，只是对方程的一些参数作了修正。 ( 4 ) S e b a s t ia o & G u e d e s - S o a r e s 模型 该模犁分别采用和O S I S 相同的公式模拟溢油 蒸发、乳化及粘度的变化等，用R e e d t 2 5 j 提出的公式 计算分散过程： D = 0 1 I ( U + 1 ) 2 ( 1 + 5 0 9 m 戤) 一 ( 2 6 ) D 为由分散l叮使海面每小时损失的分数；万为 膜厚( cm ) ；S t 为油一水界面张力( 达凶厘米) ；U 为风速( m s ) ；为粘度( 厘泊) 。 该模型最大的改进是司时计算风化各过程，即 将各方程联立成微分方程组来反映风化中各过程 同时发生，月相互影响这一实际情况，但这种影响 只表现在残留油体积同时受蒸发、分散、乳化等的 影响，并未反映通过组分和状态的改变对内部的影 响，这些需通过风化机理的研究找出其内在联系， 而不能用数学方法简单地解决。 2 4 3 小结 有关溢油风化模犁的缺陷，可做出如下归纳： 实验数据的缺乏，使得大多数溢油风化模犁借助 了经验方程。经验方程很少建立在大量研究的基础 上，会影响预测的准确性。虽然一些模型通过实验 数据校正了方程的参数以增强模拟的准确件，但是 由于不同种类的油和风化过程的复杂性使得一套 参数不一定适用十每种油，从而模型的普适性和实 际性会受到影响。溢油的风化过程是相当复杂 的，各个过程之间相互影响和制约，但是目前模犁 对于风化过程的研究基本上都是将各过程分离m 来单独研究，很难将所有的过程融合在一起。对于 溢油风化各过程的联系应建立在内因，即溢油的组 成和状态卜，某一过程会通过改变油的组成和状态 而影响其它过程，这种影响应建立在风化机理的研 究基础之上，只通过数学方程是无法解决的。溢 油事件中有许多内在的( 如油本身的风化引起的组 成变化) 和外界的( 如地理环境的变化、人为干预 等) 因素会影响溢油的质量平衡。传统模型中由于 各风化过程的独立计算，很少有反映出内因导致的 溢油在垂直方向的分布的不同。为使模犁更实用， 地理环境的改变( 如近岸搁浅) 和人为干预( 如各 种清除操作) 等因素也应在质量平衡预测中反映出 来，但在大多数模犁中未曾见到。 将来风化模型的发展应建市在大量的摹础研 究之上，寻找溢油各风化过程的本质特征和微观机 理，并揭示各过程相瓦影响的内存机制，使其更真 实而刷全地反映实际情况，提高模犁的准确性和实 _ H j 性。 3 结语 本文综述了溢油预测模型发展过程中的研究 成果，从溢油扩展模型、溢油漂移模型、油粒于模 型和溢油风化模犁4 个方面对海上溢油预测模型进 行了系统的介绍和分析。在溢油扩展模型方面，对 溢油扩展范围和厚度随海洋动力要素的变化进行 了分析、推算，确定了扩展半径的讨算依据；在溢 油漂移模型方面，通过分析表层流和风对溢油的影 响，确定了溢油漂移路径的计算方法：在油粒子模 型方面，根据已有的油粒子概念，分析了其运动方 式；在溢油风化模型方而，深入分析了风化过程中 的内部机理。这为业务化海卜溢油预报预警系统的 4 8 0海洋通报3 0 卷 研制提供了依据和参考。 参考文献： 【1 】徐艳东海上溢油风化过程及其预测模型研究f D 】青岛：中国 海洋人学。2 0 0 6 【2 】严恚宇海上溢油风化过程的研究及模拟【D 1 人连：大连海事 人学，2 0 0 1 【3 l B lo k k e rPC S p r e a d in ga n de v a p o r a t io no fp e t r o le u mp r o d u ct so ll w a t e rf M lP r o c，4 t hI n t e r n a t io n a la a lb o u rC o n g r e s s ，A n t w e r p ，t h e N e t h e r la n d s ，1 9 6 4 ，9 11 - 9 1 9 【4 1F a yJA O ilo nt h eS e a 【M 1 N e wY o r k ：P le n u mP r e s s ，1 9 6 9 ：5 3 6 3 【5 】W a n gH ，C a m p b e ll JR ，D it m a r sJD C o m p u t e rM o d e lin go fO il D r if ta n dS p r e a d in ginD e la w a r eB a y 【D 】O ce a nE n g in e e r in g ， U n iv e r s it yo fD e la w a r e ，1 9 7 5 ：11 - 3 0 【6 1 M a ck a yD ，P a t e 舢S ，T r u d e lkA m a t h e m a t ica lm o d e lo fo il s p ill b e h a v io rf R I C a n a d a ：E n v ir o n m e n tC a n a d aR e p o r t ，1 9 8 0 【7 】 M a ck a yD ，B u is tI ，M a s ca r e n h a sR ，e ta 1 O ils p illp r o ce s s e sa n d m o d e ls 【R 】C a n a d a ：E n v ir o n m e n tC a n a d aR e p o r t ，1 9 8 0 【8 1 L e h rW J ，C e k ir g eHM ，F r a g aRJ ，e ta 1 E m p ir ica l s t u d ie so ft h e s p r e a d in go fo ns p ills 【J 1 O il a n dP e t r o ch e m ica lP o llu t io n ，1 9 8 4 ， 2 ( 1 ) ：7 1 1 【9 】 O k u b oA S o m eS p e cu la t io no nO ce a n icK if f u s io nD ia g r a m s 【J 】I n K u lle n b e r g ，GA n dT a lb o t ，J P h y s ica l P r o ce s s e sR e s p o n s ib lef o r D is p e r s a lo fP