（环境科学专业论文）东海西湖凹陷区溢油行为与归宿数值模拟.pdf

上海海洋大学硕士学位论文 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fo i l - - s p i l li nt h ex i h ut r o u g h o f t h ee a s tc h i n as e a a b s t r a c t a no i lp a r t i c l e - t r a c i n gm o d e lw a sb u i l tt os i m u l a t et h ep o l l u t i o no fo i ls p i l li ne a s t c h i n as e a b a s e do nt h et i d a l - c u r r e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , o i l s p i l ld r i f t i n gw a s s i m u l a t e d t h em o d e ld i s p e r s e dt h eo i ls l i c ki n t oal o to fo i lp a r t i c l e s ，a n de a c ho ft h e m r e p r e s e n t e dc e r t a i nq u a n t i t yo fo i l 1 1 1 et r a n s p o r tw a sd r i v e nb yt h es u r f a c e l a y e rc u r r e n t a n dw i n d a n dt h es p r e a d i n go ft h es l i c kc a nb es i m u l a t e dt h r o u g ht h er a n d o m - w a l k i n g o fo i lp a r t i c l e s i no r d e rt os i m u l a t et h eo i ls l i c k 荫衔n gt r a c ka n ds w e e p i n gr a n g e ，t h e c r u d eo i lf r o mx i h ut r o u g hi sc h o s e na so i l - s p i l lk i n du n d e rd i f f e r e n tw i n ds i t u a t i o ni n d i f f e r e n ts e a s o n s m y r e s e a r c hc o n t e n ta n dr e s u l tf o rd e t a i l ： 1 b yc o l l e c t i n gt h es a t e l l i t es e as u r f a c ew i n df i e l dd a t ao fe a s tc h i n as e a , g i v e n s e a s o n a lt i m ep e r i o do ft h ed o m i n a n tw i n dd i r e c t i o na n dw i n ds p e e di nt h es i m u l a t e d a r e a 。 2 s i m u l a t e dt h ec u r r e n to fe a s tc h i n as e ai no u ra i m e dt i m ep e r i o d ，u s i n g f v c o m v e r i f i e dt h es i m u l a t i o nb yc o m p a r i n gw i t ht h es u r v e y i n gc u r r e n td a t eo fe a s t c h i n as e a 3 b yc o l l e c t i n gs o m er e l a t e dd a t aa n dd o c u m e n t s ，w ed os o m ei m p r o v e m e n to n t h eo i l p a r t i c l em e t h o d w ea d d e dw i n d - s t r e t c h i n ge f f e c ti n t ot h ef i r s tp e r i o do fo i l s l i c k e x p e n d i n gi n s t e a do fu s i n gt o t a lt u r b u l e n c et r e a t m e n t 4 s i m u l a t e do i l s p i l l si n2 0 0 6a n d2 0 0 7s e a s o n su n d e rd i f f e r e n tw i n dc o n d i t i o n s a n dd i f f e r e n to i lv o l u m e ；o i ls l i c ka r e a 、r e s i d u a lv o l u m ea n do i l - d i s s o l v e dw e r e c a l c u l a t e d a n a l y z e dt h ep o s s i b l ep o i n ta n dt i m eo fo i ls l i c kl a n d i n g 5 m a k ea na n a l y s i so ft h ef i s h e r yr e s o u r c ed e n s i t yi nd i f f e r e n ts e a s o no ft h ee a s t c h i n as e af r o m2 0 0 0t o2 0 0 2a n dh o wt h eo i ls p i l le f f e c tt h ef i s h e r yr e s o u r c e t h i s n 圭塑塑鲎盔堂堡主堂堡垒奎 一- i _ - i _ - _ _ _ _ - _ - - - - _ _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ - _ _ - _ _ - 一。 a n a l y s i sm a yg i v es o m es u p p o r t t ot h ea s s e s s m e n to fo i ls p i l ld a m a g e 6 b ys u m m a r i z i n gt h ed e v e l o p m e n to f o i ls p i l lm o d e l 、w e a t h e r f o r e c a s tm o d e la n d o c e a nm o d e li nt h ep a s tf e wd e c a d e s ，w em a d eaf o r e c a s to fo i lf o r e c a s tm o d a li nt h e n e a rf u t u r e k e y w o r d s ：e a s tc h i n as e a ；o i ls p i l l ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；s w e e p i n gr a n g e ；f a t e i l l 渔渔注太堂博硕士学位论文 答辩委员会成员名单 姓名工作单位职称备注 沈新强东海水产研究所研究员主席 印春生上海海洋大学教授委员 刘洪生上海海洋大学副教授委员 委员 委员 委员 委员 王春峰上海海洋大学助理实验师秘书 答辩地点海洋科学学院答辩日期 2 0 11 6 11 上海海洋大学硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论 2 0 1 0 年5 月5r ，美国墨西哥湾原油泄漏事件引起了国际社会的震惊和严重 关注，海底油井的漏油量从一开始的每天5 0 0 0 桶，到后来的2 万5 千至3 万桶， 数量惊人，并形成了长2 0 0 公里，宽1 0 0 公里的原油漂浮带，演变成美国有史以 来最严重的海上开发溢油事故。2 0 1 0 年6 月2 3 日墨西哥湾原油泄漏事故再次复发， 用于控制漏油点的水下防漏油装置因发生故障而不得不拆下来进行修理，使得大 量原油在被压制了数周后，再次喷涌而出，又一次进去了被污染过的墨西哥湾广 袤海域。油污形成的2 0 0 0 平方英里的污染带，将使得墨西哥湾在长达1 0 年的时 问里将成为一片废海，并造成多大千亿美元的经济损失。 随着我国的国力得不断增强和资源需求的不断增加，对海洋资源的开发也在 不断加大步伐，尤其是对海洋石油资源的开发，进行的如火如茶。东海西湖凹陷 区，作用已探明的优质轻质油藏油区，必将不断被开发，在这过程中也必然伴随 ，着如墨西哥溢油事故类似的生态风险。如何吸取墨西哥湾时间的教训，更好地防 范和处理潜在的溢油风险，是我们必须妥善解决的问题，由于溢油事故突发和不 可重现，因而研究问题解决方法时，多采用数学模型的方法来模拟分析溢油的行 为和归宿。 1 2 研究现状和趋势 国外对于溢油模型的研究始于1 9 6 9 年，经过几十年的发展，溢油模型无论在 动力过程模拟还是非动力过程模拟方面都已经比较成熟，和国内的研究相比较， 国外在非动力过程、g i s 应用和数据库等方面比国内有明显的领先，出现了i k u 、 a d i o s 以及o i l m a p 等比较成熟软件。 i k u 模型是挪威i k u 石油研究部以实验数据为基本资料，通过拟合经验方程的 方法建立的。i k u 的数据库中包含了2 0 0 多种油品的特性参数、蒸馏曲线、风化数 据。蒸发过程采用准组分法，各个油品的闪点和粘度及吸水率等参数可以通过非线 性曲线拟合建立方程来模拟1 2 】。 上海海洋大学硕士学位论文 a d i o s ( a u t o m a t e dd a t ah a q u i r yf o ro i ls p i l l s ) 模型是美国n o a a 建立的风化模 型，包括密度、粘性、含水量三个特性和扩展、蒸发、乳化等物理过程，采用了包 括修正的f a y 公式、s t i v e r m a c k a y 公式、修正的d e l v i g n eg z s w e e n e y 公式、 m o o n e y 公式等进行模拟计算。该模型的数据库中储存了数百种油品的特性参数， 其中很多是实际的测量结果，也有部分通过实验为公式提供参数。和i k u 相 比，a d i o s 多采用的是为大部分建模者所公认的经验方程，并且结合了油品参数的 数据库，更具有真实性，但是所涵盖的方程没有能够更新或采用最新的研究成果【3 1 。 对于溢油扩展过程，一般学者都把它分为三个阶段进行研究，即惯性力扩展 阶段、粘性力扩展阶段和表面张力扩展阶段。这当中比较有代表性的是：f a y 公式、 元良公式、0 k u b 公式、刘肖孔公式等，其中f a y 的三阶段理论是描述扩展理论的 经典理论，并得到了广泛应用。由于这一理论是基于实验室静水中的实验，并假 定油膜形状始终是圆形的，当用来计算油膜在海面的覆盖面积和形状分布时，与 实际的观测结果差异很大。因此，后来许多学者提出了改进的方法，例如考虑了 风影响的厚油膜、薄油膜扩散的计算公式，考虑了动力扩散作用的油膜的自身扩 展，结合将要提到的“油粒子模式来计算水环境动力作用下的油膜被动扩展， 可以得到更为真实的预报结果。 2 0 世纪8 0 年代后期，由j o h a n s e n 和e 1 1 l o t 等人提出“油粒子”概念并运用 到溢油模型，使溢油输运过程的预报进入了一个崭新的发展时期，“油粒子 模型 打破了采用对流扩散方程模拟溢油的传统方法，在溢油模型发展中具有划时代的 意义。到了9 0 年代，许多学者采用“油粒子”模型在油的物理特性、油与海水相 互作用等方面作了深入细致的理论和实验工作，并建立了经验公式以预报溢油路 径、面积和剩余量等。有关这方面的工作有s h e n ( 1 9 8 7 ，1 9 8 8 ) 、杨小庆( 1 9 9 6 ) 均 建立了河流溢油传输数学模型，但其基于的水动力模型较差：z h a n g 等建立了海上 溢油行为预报模式( s u r f 模式) ，考虑了油膜的输运和风化过程：张存智等( 1 9 9 7 ) 建立了三维溢油动态预报模型并应用于渤海湾，模型结果与卫星资料较吻合：娄安 刚等( 2 0 0 1 ) 对三维溢油的扩散过程做了理论推导。国内这方面的研究还有刘文通 等( 1 9 9 2 ) 在实验室中研究了风与流运动方向在相同情况下胜利油阳液态原油的漂 移模式：季荣等( 1 9 9 6 ) 在实验室研究了流一风一波共存下溢油漂移的模拟等：赵文 谦、江消等( 1 9 9 0 ) 从油滴的成因及扩散机理出发，建立了油滴的紊动扩散方程并 对海面发生事故溢油后的油浓度进行了求解：沈永明、倪浩清和赵文谦( 1 9 9 2 ) 基于 k - e 紊流模型，建立了油一水两相双流体模型，用于计算水下石油浓度分布：徐洪磊 ( 2 0 0 0 ) 、李冰排( 2 0 0 3 ) 、于海亮( 2 0 0 7 ) 、刘晓东( 2 0 0 7 ) 均运用“油粒子 方法实 现了对溢油飘移扩散过程的数值模拟，但都忽略了溢油的风化过程。严志宇( 2 0 0 1 ) 上海海洋大学硕+ 学位论文 对溢油风化过程做了深入研究，建立了相应的风化预测模型，但没有建立溢油迁 移扩散轨迹预报模型。 国内溢油模型的研究大多以二维为主，三维溢油模型尚不太成熟。三维溢油 动态模型主要以油粒子f l 】模式为主，该模式运用确定性方法模拟平流过程，采用随 机性方法模拟湍流扩散过程，可以较好地解决传统油膜的扩散和破裂问题。三维溢 油预测模型综合考虑了流场、平流剪切、湍流扩散、风摩擦应力和波浪等现象对 海上溢油行为的影响，通过拉格朗日追踪将油膜中心的漂移轨迹和各个时刻的油 膜的扩展扩散情况进行可视化。 1 3 研究区域环境概况 ，1 嚣 ：! 勰1 糟 。靳1 3 t _ 屯， 图1 - 1 研究海域概况 f i g 1 - 1b a s i cs i t u a t i o no fe a s tc h i n as e a 东中国海( 图1 1 ) 以长江口北角一济州岛西南角连线为界，北连黄海，以福 建东山岛一台湾鹅銮鼻连线为界，南接南海，东至日本九洲和琉球群岛，面积约 7 7 1 0 k i n 2 。流入东海的地面径流有长江、钱塘江、瓯江、闽江以及台湾的独水溪 等，年入海径流量近1 2x1 0 1 2 m 3 ，入海的泥沙量约6 x1 0 8 t ，其中大部分堆积于河 口以外，形成大面积的冲积三角。东海海域水动力条件复杂，近岸的低温低盐沿 岸流由北往南主导着着内陆架和近岸的沉积。黑潮和它的分支台湾暖流及对马暖 流自东南向北贯通东中国海，比较规律性的潮流和具有突发性的风暴潮，也时常 3 上海海洋人学硕十学位论文 显出十分显著的作用。 东中国海常年处在上升流，具有“夏强冬弱”之特征，冬季沿岸上升流平均 速3 1 0 4 c m s ，夏季上升流平均流速4 x1 0 3 c l n s 。东海黑潮表层水位于东海黑潮 区的最上层，其垂直厚度大致是：春、夏季0 7 5 m ，秋季o - l o o m ，冬季o 2 0 0 m 。 冬季温、盐度分别为1 8 0 - 2 5 o c 、3 4 5 3 4 8 ；夏季温、盐度分别为2 8 - 2 9 c 、 3 4 0 3 4 5 。东海次表层水潜于东海表层水之下，其垂直厚度大致是：春、夏季 7 5 4 0 0 m ，秋季2 0 0 - - 4 0 0 m ，冬季2 0 0 5 0 0 m 。年平均温、盐度分别为1 5 肛2 1 5 、 3 4 4 3 4 9 。 西湖凹陷位于东海陆架瓮地东部坳陷的北部，面积约4 6 万k m 2 ，系东海海域 油气勘探的重点凹陷。该凹陷形成于晚白垩世，经历了断陷一拗陷一区域沉降3 个演化阶段新生界碎屑岩系最大厚度达15 k m 。 目前西湖凹陷内已钻探井、评价井2 9 口，发现平湖、春晓、天外天等一批油 气田，获天然气储量约2 0 0 0 x1 0 8 m 3 。平湖气田已投入开发，具有年产6 0 x1 0 4 t 原油和4 x1 0 8 m 3 天然气的能力。 钻井揭示的烃源岩系有中一上始新统平湖组、渐新统花港组和中新统。平湖 组为海陆过渡相沉积，是主要烃源岩系，暗色泥岩厚度大、分布广、煤层发育， 有机质丰度普遍为中等一高，类型主要为含腐泥的腐殖型o i l 型) ，显微组分以镜质组 为主，含类脂组，生烃潜力较高，目前大部分处于生油窗和湿气带内。据地震地 层学分析，尚未钻及的下始新统烃源岩系是海相沉积，推测其有机质丰度较高， 类型较好【4 】。 1 4 主要研究内容和工作 东海油气田是我国正在重点开采的油气田，也是我国和周边国家的交界区油 田，一旦发生溢油事故对于我国和周边国家都有可能造成严重生态破坏和环境污 染。墨西哥湾漏油事件的发生，使得我们对于石油开采可能造成溢油事故，有了 更加深刻的警惕。 溢油事故多为突发性事件，事故发生后能否迅速而有效地做出溢油事故应急 反应并采取应急措施，对控制污染、减少污染损失以及清除污染等都起着关键作 用。随着东海海域石油丌发力度的不断加大，尤其是对东海油气田的开发，有必 要建立相应的溢油行为与归宿数学模型来对溢油事故进行模拟预测。 海上溢油行为与归宿数学模型是突发性溢油事故处理系统的核心部分。通过 4 上海海洋大学硕十学位论文 建立东中国海海域溢油行为与归宿数学模型，模拟溢油事故发生后油膜的漂移、 扩散、蒸发和溶解等过程，为中日共同开发区综合开发及生态环境保护提供对策， 为海洋主管部门采取相应的预防措施和应急行动提供科学决策依据。 本文分析了模拟区域的风场、流场和气候等基本情况；介绍了东海西湖凹陷 区的基本状况，结合研究海域的石油烃的本底浓度综合计算出表层海水中石油烃 的含量。同时，本文在收集相关的卫星风场资料，以模拟水动力场场为基础，并 与实测流场进行对比验证，采用改进的油粒子模式，对发生在东海油气田附近区 域的假想溢油事故进行模拟，模拟了2 0 0 6 年夏季和2 0 0 7 年冬季两个季节不同风 速风向和不同溢油量下的溢油漂移扩散轨迹以及蒸发溶解的情况，得到溢油发生 后的漂移路径、扫海面积、经过海域的表层溶解石油烃的浓度，为生态风险区划 和生态资源损害评估提供了重要参考。 5 上海海洋大学硕士学位论文 第二章溢油污染数值模拟方法 溢油动力行为的模拟，其过程可以分为两个步骤：第个是油膜的非湍流重力 扩展过程，是油膜在重力和惯性力的作用下向四周扩延，同时还受海流的携带作 用和海面风力的推动作用，其结果是油膜在风力和潮流共同作用下漂移的同时， 还在不断向四周进行扩延；第二个步骤是湍流扩散过程，实现的方法是将油膜划 分为若干个油粒子，通过模拟油粒子的运动来模拟油膜的运动，这个实际过程又 可通过两个分解化的子过程进行模拟，平流和湍流扩散。这种模拟方法本质上是 将确定性和不确定性的两种方法结合，也就是采用确定性方法模拟平流过程，采 用随机性方法进行扩散过程的模拟。平流过程的模拟可以采用拉格朗日质点追踪 法进行模拟。湍流扩散引起的油膜扩展和破裂过程通过随机运动也就是所谓的 r a n d o m w a l k 来实现。 由湍流扩敖系数的定义，物质在湍流作用下的的扩散情况，是湍流脉动值和浓 度脉动乘积的时均值决定的。可见，湍流扩散系数的大小直接由湍流的流速所决 定。怎样对海流中的湍流部分进行定量便成为一个非常关键的问题。事实上，海 洋环流是由各种不同尺度的湍涡叠加而成，判别一种尺度的涡旋运动是平流还是 湍流，主要看它对研究对象( 比如油膜) 的作用方式，时空尺度相比于研究对象来说 比较小或者接近的运动是湍流运动，而时空尺度比研究对象大的大涡旋运动则应 该被认为是平流运动。换言之，湍流涡旋尺度的选取主要取决于研究对象的尺度。 这样，随着研究对象尺度的不断增大，先前认为是平流运动的涡旋运动将被看成 是湍流运动，因而扩散系数将随之变化。即对一特定海区，扩散系数不是一个绝 对常量，而是一个随研究对象尺度而变化的量。因此，确定海域湍流扩散系数， 对确定油膜在海域中的扩散分布情况很重要p j 。 溢油发生后，油膜由于自身扩展作用，迅速向四周扩散开，一般油膜自身扩展 持续时间较短，一般为数十分钟到数小时。 由于溢油初期的油膜较厚，尤其是较大规模的溢油，油膜自身非湍流扩展效应 远大于湍流扩散的作用，剪切流、湍流扩散的作用还不能够油膜的连续性，而溢 油在一段时间后，随着油膜自身扩展的进行，油膜越来越薄，湍流作用越来越明 显。湍流扩散占据主要地位，其量级大大高于自身扩展，这时候的扩散可以认为 是真正的随机扩散。 因此在溢油模型的湍流扩散系数初设时，应该考虑扩散系数的适用性，以往的 模型多采用固定数值或者由水动力模型输出得出，实际上流场的扩散系数应用到 6 上海海洋大学硕士学位论文 油粒子的随机扩散过程中，需要给以适当的修正。 图2 - 1 溢油模型构架 f i g 2 1c o m p o n e n t so fo i l - s p i l lm o d e l 对于轻质原油的风化，国内已有不少专家和学者在这方面做了大量的研究工 作f 】，本文所研究的东海西湖凹陷区的原油亦属于轻质原油，在模拟风化过程时 参考了其研究成果。 本文为模拟溢油行为归宿所建立的模拟方法主要是通过水动力模型( f v c o m ) 模拟并输出研究区域的流场数据，然后通过油粒子法模拟油膜的行为归宿( 通过读 入f v c o m 模拟的流场数据和进行情景设置由程序生成初始油膜以及环境条件等等， 用反距离加权法将流场数据插值到每个油粒子所在位置，用四阶龙格库塔法计算 每个油粒子的平移运动) ，最后将模拟计算结果( 油粒子的坐标位置、溶解量、蒸 发量等数据) 以文本文件的形式输出，模拟平移运动和随机运动的时间步长和文 本文件的输出时间间隔都可以自行设定，本模型所采用的程序算法详见附件。 2 1 油膜粒子化 图2 - 2 初始油膜的油粒子 f i g 2 - 2o i lp a r t i c l e so f i n i t i a lo i ls l i c k 7 上海海洋大学硕+ 学位论文 油粒子被定义为一些非常小的圆球，半径一般为5 5 0 0 岬，因为油粒子的体 积很小，因而如果依次来剖分油粒子，那么模拟某个溢油行为时所需的油粒子数 就会是一个天文数字。在实际的应用中，我们一般通过附加特性参数的方法来实 现对油粒子特性的模拟，从而降低了对计算机硬件的要求。粒子i 的特性参数可定 义为： = 弘) 3 其中，v i 为特征油粒子的体积； d i 为特征油粒子的直径。 所占油膜总体积的百分比i 为： f ：皇生 山喜3 其中，n 是油粒子的总量。 单个油粒子的特征体积定义为： l = f i v o 其中，v n 为溢油发生时的初始溢油体积。 2 2 油膜漂移扩散 2 2 1 平流运动 凡 图2 - 3 油膜的漂移扩散 f i g 2 3d r i f ta n dd i f f u s i o no fo i ls l i c k ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 震麟 上海海洋大学硕十学位论文 在潮流的作用下，油膳中心初始位置s o 经时刻a t 后漂移到了新的位置s ： 蜃= 瓦+ r 瞅f 。) ，y ( t o ) , t o ) d r ( 2 - 4 ) 式中，旷为拉格朗日速度。 在风的影响下，油膜漂移速度的变化率为风速的2 3 ，漂移方向和风之间 般为0 0 4 0 0 的偏角，实际上，油膜中心的漂移速度就是表面海流和表面风场所 引起的流速之矢量和，即： v = + 口圪 ( 2 5 ) 其中：旷为油膜质心的漂移速度； 露为海表流速； 瓦为海面1 0 米处风速； a 为风漂流因子，一般取为0 0 2 - 4 ) 0 3 。 在流场和风场共同的作用下，油膜的质心位置s o 经at 时间后漂移到下一个方 位s ，即： x = x o + u a t + a v e o s 8 a t ( 2 6 ) y = r o + v a t + a v 。s i n o a t ( 2 7 ) 式中：u ，v 为t 时刻的流场流速； o 为t 时刻的风向。 2 2 2 随机扩散 油粒子在各种作用力的共同驱使下，产生随机走动 9 1 0 1 导致整个油膜的大小和 形状不断发生变化，油粒子的随机走动可通过下式来计算： 口= r 、6 k a a t ( 2 - 8 ) 其中：a 为a 方向上的湍动扩散引起的位移量 代表x 和y 的方向) ； r 为【一l ，l 】之间的随机数； k 旺为仅方向上的湍流扩散系数； t 为时间步长。 9 上海海洋大学硕士学位论文 2 3 风化过程 2 3 1 蒸发 蒸发受原油中的轻组分( 低碳) 含量的影响，轻质组分含量越高，越易蒸发， 大多数原油及其轻质炼制品的轻组分含量较高，此类油品溢到海面后，蒸发的速 度较快，蒸发总量亦比较大。海水中轻质原油经过一天蒸发，碳小于n - c 1 2 的正构烷 烃、甲苯和l ，3 2 - - 甲基苯组分丢失：经过五天的蒸发，蒸发掉的主要组分是n c 1 3 和 n - 二c 1 4 、萘和甲基萘，芳香族化合物的质量分数变化不大：风化一周之后，芳香族化合 物的质量分数表现迅速增加，蒸发到第三周之后，烷烃基本上已经蒸发殆尽，芳香 族化合物的组成比例达到最大，此时可以认为原油的蒸发过程已经结束1 6 】。 研究发现沸点低于3 7 0 。c 的石油分馏物几天之内就可能蒸发，石油中难挥发的 高沸点组份则会残留在海上，这些细小的残油颗粒互相凝集，最后形成被称为沥 青球的焦油颗粒。s t i v e r m a c k a y 提出i t 算【l l 】方程，该方程基于m a c k a y 和m a t s u g u 早期工作，另外根据s t i v e r 的理论，增加了第二个方程，这个方程是基于某一液 体的蒸发为假设条件，如某一液体的蒸发率为方程： n = k m a p ( r t ) ( 2 9 ) 式中：n 是蒸发的摩尔通量( m o y s ) ； k m 是在盛行风向的质量输运系数( m s ) ； a 是面积( m 2 ) ； p 是液体的蒸发压( p a ) ： r = 8 3 1 4 j ( m o l k ) 是气体常数； t 是温度( k ) 。 2 3 2 溶解 油膜进人海洋环境后，在不断蒸发的同时，油膜的溶解过程也开始进行。油 膜在海水中的溶解过程对于海洋生物来说非常重要，因为它直接影响到海洋生物 的生活环境。在小时间尺度的油膜扩散过程中，可溶性组份将不断地溶于海水中。 主要是低碳的石油烃，芳烃相对溶解度较大。其它组份在水中的溶解度一般都很 低，溶解量随油的成分和种类而不同。链烷烃在水中的溶解度因水的离子强度不 1 0 上海海洋大学硕士学位论文 同而有差异，在海水中的溶解度比淡水低，随碳数增加而下降，而随着时间推移， 其溶解量不断增加。油的溶解速率和程度与海水温度、水流状态及扩散系数等作 用因子密切相关。本文采用m a c k a y 【1 2 1 改进的一种多组分理论来计算油溶解的速 率，组分珀勺溶解量由下式计算： m 讲= 嘭a t x f 墨 ( 2 1 0 ) 式中：m a i 是组分璐解掉的摩尔量； k 提溶解质量输运系数( 3 o x l o r 6 ) ； x 是组分摩尔体积； 4 是油膜面积( m 2 ) ； 堤时间； 研是溶解能力。 上海海洋大学硕+ 学位论文 第三章研究海域风场分析与模拟改进 风场作为驱动油膜扩散和漂移的重要动力，往往占据着主导地位。由于海面 上实测风场资料的极度稀缺，以往的模拟往往采用统计风场，因而不具备实时的预 报能力。如今的卫星遥感技术的发展和气象模型的发展，使得利用卫星风场驱动 气象模型来获得更好的风场预报能力变成可行的做法。本文的风场资料采用 q u i k s c a tl e v e r 3 卫星风场，选取东经1 1 0 度至1 j 1 3 0 度，北纬1 0 度到4 0 度区块的数据 作为研究分析的对象，对研究区域和时段的风场进行了针对性分析。 3 1 研究海域背景风况 东中国海纵跨温带和副热带，海面风场季节变化明显，冬季受亚洲高压影响， 以偏北风为主，平均风速为6 1 0m s ，东海南部海区以东北风为主，特别是台湾 海峡，风向较稳定，风速也较大，伴随强偏北大风，冬季常有寒潮南下；夏季东 中国海以偏南风为主，平均风速5 - - 6m s 【l 引。 在大陆、大洋、大气三方面的作用下，使得研究海区的气候更趋复杂。总体 来看影响海区的主要天气系统有：热带气旋、寒潮和冷空气等。其中的热带气旋 是发生在热带海面上气旋性涡旋，是由高温度和高湿度以及巨大气流共同产生的 辐合上升运动，依靠水汽凝结释放出的潜热作为其维持和发展的主要能源。它的 来临，常会造成狂风、暴雨、巨浪及风暴潮，是海上破坏力巨大的一种气象灾害。 根据1 9 4 9 1 9 8 8 年4 0 年的统计，太平洋西北区的海面上共出现1 4 3 2 个热带 气旋，平均每年3 5 8 个。在这当中，风速超过1 7 2m s 的热带风暴有1 1 2 1 个，每 年平均为2 8 个。太平洋西北区各月发生热带气旋的可能性都存在，不过以6 - 1 1 月间最为集中，其中又以以7 l o 月可能性最大，8 月为发生频率的最高峰( 高达一 8 1 ) 。影响西湖凹陷区海域的热带气旋，一般开始于5 月，结束于1 2 月；7 9 月， 热带气旋对此区域的影响最频繁，约占总数的8 0 ；这当中8 月份为最高峰，占 总数的3 0 。对于西湖凹陷区的开采平台周围的海域的影响还和热带气旋的强度 和移动路径相关。 1 2 上海海洋人学硕士学位论文 3 2 卫星风场分析 国内外大量研究主要考虑海洋流场，对于风环境要素采用简单的参数化方法 计算，使得风场在时间( 通常采用一常量或几小时一次) 和空间( 通常全场采用 均一的数值) 的分辨率不够，影响预测效果，特别是当溢油事故发生在恶劣的天 气条件下，其预测效果更得不到保证。因而本文尝试采用卫星风场进行模拟。 本文采用的q u i k s c a t 卫星是n a s a ( 美国航天航空局) 1 9 9 9 年发射的一颗气象 应用卫星，它上面所携带的s e a w i n d s ( 洋面风场散射探测仪) 主要通过探测海洋表 面的起伏状况，得到洋面1 0 米的风场数据水平分辨率达2 5 k m ，风速测量范围是 3 - 2 0 m s ，精确度是2 m s ，风向精度为2 0 。s e a w i n d s 是一种特殊的微波雷达， 它可以穿透大部分的天气系统和云探测近海平面的风速和风向。它具有高时空分 辨率的特点，回归周期为4 天( 绕地球旋转5 7 圈) ，轨道周期为1 0 1 分钟，轨道高 度为8 0 3 公里，轨道宽度达1 8 0 0 公里，每天能够覆盖全球海洋9 0 以上的面积， 因此，利用它得到的洋面风场资料，可以很好地弥补海洋中气象资料的缺乏。 q u i k s c a tl 3 的数据，是距海面1 0 m 高处，分辨率为o 2 5 0 0 2 5 0 的网格化数据。、 其时间为2 0 0 6 年夏季，以及2 0 0 7 年冬季。把各个季度的风向的数据进行统计， 分1 6 个方向，计算出每个方向出现的次数，出现次数除以总的风向数量，得出各 个风向出现的频率。2 0 0 6 年夏季分析的数据时间段内( 7 月1 日到8 月1 5 日) ，西 南风出现的概率比较多，其次是东南风；2 0 0 7 年冬季分析的数据时间段内( 1 月3 日到2 月1 5 日) ，以偏北风为主，其他风向较少；两季的一般风速范围在4 8 m s 左右。 o t s u n u e r n 悉翳 蝣裂 0 7 w i n t e r n 惩 入 赫 踺裂 0 t h e n s i = s l + i s o * d h o r l - d t r m * p i d d - ( s q r t ( 【1 1 + p ) - - 2 o * 1 6 - d h o r l g d t r h ) 一1 1 + p ) 2 1 2 = 1 1 * d d d 2 - p + d d d oi p - 1 n o d e h d i f f x ( i p ) iu n u c d t r l 一- ( l n v e r ( i p ) 一1 口) ，( r e a l ( l 日v ) 一1 一 h d i f f y ( i p ) tu n u c - d t r u - ( l n v e r 【i p ) 一1 ) ，t r e a l ( l n v ) - 1 - ， e h d 0 0 te n di f i o x t - i o x h + h 9 i f f x i o y t - i o y h + h d i f f y ! 一一u p d a t e0 n l up a r t i c l es t i l li nw a t e r i o x hii o x t i o y hii o y t d l = d 2 1 1 - 1 2 i 眶1 1 - 蚝1 2 - s l s 2 f f - k 眶1 1 * r e a l l a y ) w t t e ( * - ) e a c hu p l a g e r - ，w e l l 。o i lt h i c k 一，f f - 。- w i r e ( * - ) s h o r tr m ，d 1 。l o n gr - 。，1 1 e n dd o r e t u r h e n ds u b r o u t l h er a n dw a l k 5 反距离权重流场插值子程序： s u b r o u t i h ei h t e r p l o u u ( n o d e p d x x p d y y x p y p 0 1 u 1 u u f l o ) i m p l i c i tn o n e e x t e r h a lq s o r t 。s u b s o r t i h t e c e r：s u b s o r t i n t e g e r i h t e h t i h ) ：n o d e i n t e g e r 。i x t e x t ( i h ) ：f l o r e a l i h t e h t ( i h ) ：p d x x ( f l u ) r e a l i h t e h t ( i h ) ：p d y y f l u ， r e a l 。i h t e h t ( i h ) ：x p ( n o d e ) y p ( n o d e ) r e a l d i m e n s i o n ( ：) ：- ( 5 ) r e a l d i m e n s i o n ( ：) ：u w ( 5 3 ) r e a l d i m e n s i o n ( ：) ：p t i h ( f l o ) ，l i s t ( f l o ) i n t e g e r ：1 j k r e a l 。i h t e h t i h ) ：u l ( f l u ) u 1 ( f l u ) r e a l i h t e h t ( o u t ) ：o ( n o d e ) 。u ( n o d e ) r e a l ：s u m d ok 1 n o d e d oi - 1 f l o p t x ( t ) t ( x p ( k ) - p d x x ( 1 ) ) - 2 卜( v p k ，一p d y y ( t ) ) - - 2 l i s t ( i ) - p t i h ( i ) e n dd o c a l lq s o r t ( p t i h f l o s u b s o r t ) s u m o b d ot 1 5 _ w 1 1 ) = p t i h ( t ， v ( i ) - 1 o p t i h ( i ) s u _ 一s u _ + - i ) e n dd o d o1 = 1 5 d o1 - 1 f l o i f ( l i s t ( j ) 一- - i 1 ) ) t h e n _ ( i 。2 ) - u 1 ( j ) w ( t 3 ) = u 1 j ， e n di f e n dd o 4 3 6 油膜蒸发子程序： f ? t t f ，! ! ，! ? ? ? t ? ! ? ! ! ! ! t l t ? ! ? ? ! ，? f f ! ! t ? t ! f t ? t t ? ，? ，t f t t l t ! t ! f ，t f t s u b r o u t i n ee u p ( 1 d u w i h d t e m p i i h i - d t u ，e u p l ) i t 叩l i c i tn o n e r e a l i n t e h t i h ) ：u r e a l 。i n t e n t ( i h ) ：1 ，d ，u m i h d r e a l i h t e h t ( i i t ) ：t e m p i h t e g e r i h t e h t x h ) ：1 i h t r e a l 。i n t e h t ( i h ) ：d t l r e a l ：b = 1 0 3 r e a l ：a = 6 3 r e a l 1 1 4 t e n t ( i h o u t ) ：e v p l r e a l ：t i m o k n s c t g ，a r e a ，t o 。u t i m e l ，t l n e 1 h t e g e r ：i a r e a = 9 1 4 1 5 6 - 1 d t i m e o ；i i h t - d t i t i m e l = i i h t 一1 ) * d t l t i m e - ( t i m e o + t i n e l ) 1 2 ! r p i ；4 5 3 7 5 t g = 9 8 5 6 2 - ( 1 3 5 7 9 - 4 5 3 7 5 ) t 0 = 5 3 2 9 8 - 8 1 2 9 5 4 5 s t s ) s c = 2 7 u _ - 日0 0 0 2 5 k h = 0 0 2 9 2 * ( u m i h d * o 7 8 ) - ( a r e a h - e 1 1 ) t ( s c - 一6 7 ) e u p 2 - ( t e m p l ( b * t g ) ) * l o g ( i + ( b * t g t e m p ) * ( k m * a * ! i h t * d t i i u i ) * e x p ( a b * t o l t e m p ) e u p 3 = ( t e m p i ( o * t g ) ) * 4 _ o g ( i + ( b * t g t e m p ) * ( k h * a * ( i i n t 1 ) * p t l u o ) * e x p ( a b 。t o t e n p ) ) t f u ；p * u 叠量k h n r e a ，a 3 1 4 * t e m p ) - t i m e w i t e ( ，) a r e a e u p l ，t i m o e n ds u b r o u t i n ee u p 7 初始油膜生成子程序： t 霹# 嚣# 黼毳重量羹誊# 曩l 鼍羹羹燃嚣# i i 馨嚣尊i i 羹尊量曩露鼻簟嚣重# t 霉# 嚣嚣# 曩# 霉簟张羹i i t # 簟制l s u b r o u t i n eo i l m e s h ( t r 1 1 1 a y e r h f t h i c k ，h o ) i m p l i c i tn o n e r e a l * 4 ：d e n m i ，0 0 1 d e n s e a ，q q r e a l 4 ：a r e a ，r e 。k ，d e n a i r 。m a r e a l * q p a r a m e t e r ：p i = 3 1 4 1 5 9 r e a l * 4 。p a r a m e t e r ：g = 9 8 r e a l * 4 p a r a m e t e r ：c l 1 - 1 4 r e a l * 4 ：x o ，9 0 ，1 ，t i m i n t e g e r ：n ，n n 。n n o n o d e i n t e g e r a l l o c a t a b l e ：n u m b e r ( ：， r e a l - 4 。a l l o c a t a b l e ：x ( ：) ，：) 。f f ( ： r e a l * h 。a l l o c a t