（环境工程专业论文）基于pom的长江感潮河段溢油数值模拟研究.pdf

摘要 长期以来，海上溢油事故的频繁发生及其对海洋环境的严重影响己普遍受到 各国的重视。然而，近年来，随着社会经济和科技的快速发展，江河在航运中扮 演着r 益突出的角色。频繁发生的江河溢油事故及其严重后果使人们不得不开始 重新审视这个曾经被忽略的角落。 本文对长江南京段水域溢油行为进行了较为深入和全面的模拟。论文首先对 三维水流的数值模拟进行了一定的研究：以p o m 模型为基础，从笛卡尔坐标系 下的三维数学模型基本方程组出发，通过坐标变换导出了水平正交曲线坐标、垂 向仃坐标系下的三维数学模型基本方程组，采用分裂法对三维数学模型进行求 解，并将模型应用于长江南京段水流的数值模拟：其次，论文采用目前应用较为 广泛的“油粒子”模式，在潮流数值计算的基础上对长江南京段溢油进行动态模 拟：该法直接从模拟物理现象入手，将溢油视为许多离散的小油滴来模拟溢油在 水体中的输运扩散过程，不需要求解扩散方程，可以真实的重现许多实际观测到 的溢油扩散特征。其中，油膜的平流通过追踪粒子的轨迹来实现，剪切流和紊流 所引起的粒子扩散过程具有随机性，通过随机走动法来模拟，即认为粒子在紊流 场中的运动类似于分子的无规则运动，所有粒子的扩散运动从宏观上就反映了油 膜的随机扩散运动；油的蒸发、溶解等过程则由粒子的质量损失来体现。该法所 得结果合理可靠，对潮汐江段溢油突发事故的清理和决策等具有一定的理论价值 和现实意义。 关键词：溢油p o m 模型正交曲线网格随机扩散油粒子模式 a b s t r a c t t h ef r e q u e n to c c m t c n e e so fm a r i n eo i ls p i l l sw i t hg r e a ti m p a c t so nt h ei n a r i n e e n v i r o n m e n th a v eb e e ng r e a t l yc o n c e r n e di nt h ew o r l d w i d ef o ral o n gt i m e h o w e v e r , s h i p p i n gb yr i v e r sp l a y sap r o m i n e n tr o l ei n c r e a s i n g l yw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f s o e i o e c o n o m i e sa n dt e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r s ，f r e q u e n tr i v e ro i l s p i l l sw i t ht h e s e r i o u sc o n s e q u e n c e sd r i v ep e o p l er e e x a m i n et h eo n c e - n e g l e c t e dc o m e r a g a i n i nt h i sp a p e r , o i ls p i l lh a p p e n e di nn a r d i n gw a t e ra r e ao f y a n g t z er i v e rw a s s i m u l a t e dd e e p l ya n dc o m p r e h e n s i v e l y f i r s t l y , t h et h r e e - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a l s i m u l a t i o no fw a t e rf l o wi sd i s c u s s e d ：b a s e do np o m ，t h et u r b u l e n c ec o n t r o l e q u a t i o n si nb o d y - f i t t e dc o o r d i n a t ea n d 仃c o o r d i n a t ew e r ec o n s t r u c t e df i o m e q u a t i o n si nc a r t e s i a nc o o r d i n a t e ，t h e nt h r e e - d i m e n s i o n a lm a t h e m a t i c a lm o d e lw a s s o l v e d w i t hm o d e - s p l i t t i n gs o l u t i o nt e c h n i q u ea n dt h er e s u l t sw e r e a p p l i e dt o s i m u l a t i o no f w a t e rf l o wi nn a n j i n gw a t e ra r e ao fy a n g t z er i v e r s e c o n d l y ，t h ep a p e r a d o p t e do i lp a r t i c l em o d e lw h i c hw a sa p p l i e de x t e n s i v e l yt os i m u l a t et h eo i is p i l li n n a n j i n gw a t e ra r e ao f y a n g t z er i v e rb a s e do nt h en u m e r i c a lv a l u eo f t i d a lw a t e rf l o w ： t h i st e c h n i q u es t a r t sw i t hp h y s i c a lp h e n o m e n o nd i r e c t l y ，w h i c ht r e a t so i la sag r e a t d e a lo f l i t t l eo i ld r o p sw h e ns t i m u l a t i n gt h et r a n s p o r t a t i o na n dt h ed i f f u s i o no f o i ls p i h i nw a t e r , s oi td o e s u ts o l v ed i f f u s i o ne q u a t i o na n di tc a nr e c u rm a n yd i f f u s i v e c h a r a c t e r st r u l y i nt h i st e c h n i q u e ，t h ec o n v e c t i o no fo i lf i l mc a l lb eo b t a i n e db y t r a c k i n gt h el r a e eo ft h ep a r t i c l e s , w h i l et h ed i f f u s i v ep r o c e s sw h i c hp o s s e s s e s r a n d o m i c i t yc o u l db es i m u l a t e db yr a n d o mw a l kt e c h n i q u e ，t h a tm e a n so i lp a r t i c l e s m o v e m e n t sa r ev e r ys i m i l a rw i t hm o l e c u l e si r r e g u l a rl o c o m o t i o n ，a l l p a r t i c l e s d i f f u s i v em o v e m e n tr e f l e c t st h er a n d o md i f f u s i v em o v e m e n to fo i lf i l mi n m a c r o s c o p i cv i e w ；t h ee v a p o r a t i o n , d i s s o l u t i o ne t c c a nb ee x t e r n a l i z e db ym a s sl o s s o fp a r t i c l e s t h er e s u l t so b t a i n e db yt h i sm e t h o da r er a t i o n a la n dr e l i a b l e ，w h i c hi s s i g n i f i c a n ti nt h e o r ya n dp r a c t i c et ot h ec l e a n - u pa n dd e c i s i o n - m a k i n go ft h et i d a l r i v e ro i ls p i l le m e r g e n c y k e y w o r d s ：o i ls p i l l ，p o mm o d e l ，o r t h o g o n a le u r v i l i n e a rg d d , r a n d o md i f f u s i o n ，o i l 。p a r t i c l em o d e l i i 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) t 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘舨) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：主l 垒垦卅年z 月山日 ， 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及问题的提出 i 石油既是重要的能源，又是化工原料，随着世界各国经济和科技的发展， 工业化程度随之不断提高，石油开采、石油化工等也迅速得到发展，使用石油的 场所大量增加，尤其是石油的海上开采和运输不断增加，海上溢油事故的次数和 数量都日益增多。有关资料表明“1 ，每年全世界在海洋发生1 0 0 0 吨级以上的重大 溢油事故有4 4 次，百吨级事故约有近百次，而溢油量为几十吨的事故及工业生 产和生活中含油成分废水的排放量更难以确切统计。 长江是我国的第一大河，也是我国水能最富集的河流，千流全长六千三百 多公里，于流通航里程达二千八百多公里，万吨级轮船可达南京，三千吨级可抵 达汉口，一千吨级可至重庆，五百吨级可通宜宾，素有。黄金水道”之称。在我 国的社会经济发展过程中，起着非常重要的作用。据报道，目前长江水运承担了 沿江企业生产所需8 0 的铁矿石、- 7 2 的原油以及8 3 的电煤。近年来，随着社会 经济的迅速发展，以“成本低运量大”为特点的船舶运输大幅增长，因船舶事故 造成的污染状况日趋严重，仅中国长江船舶码头大小溢油事故就发生了4 3 起， 典型事故详见表卜l 所示”，其中1 9 9 7 年6 月3 日，。江油4 2 3 轮”在南京栖 霞静电爆炸，造成数千吨溢油，这是长江历史上最大的一次溢油事故。随着石油 类货物吞吐量的增加，很难保证类似或更大的事故不再发生。 r 表卜1 中国长江船舶码头典型溢油事故 基于p o m 的长江感潮河段溢油数值模拟研究 石油进入水体后，将从多方面对水生生态系统产生巨大的危害，主要表现 在以下几方面“： 砂消耗水中溶解氧：油膜覆盖水体表面，影响复氧；石油氧化和溶解消耗 大量氧气，水生生物大量死亡，尸体腐烂后产生有毒物质造成二次污染# 矽毒化作用：石油组分中芳香烃类有毒物质，可在水生生物体内富集并经 ，食物链循环传递，逐渐积累和浓缩，进入人体后，危害人体健康； 矽影响光合作用：油膜浮于水体表面，降低水体日光辐射量，妨碍水生植 物光合作用，危及水体生态系统的基础，导致整个水生生物群落的衰退。 砂影响海气交换，破坏c 如的平衡：石油污染破坏水体固有的c q 的吸收 机制，形成碳酸氧盐和碳酸盐，缓冲海洋p h 值的作用，从而破坏c o , 的循环和平衡。 溢油事故的频繁发生及其对水体环境的严重影响日益受到各国的重视，世 界上很多国家都制定了相应的政策、法规对海上石油的开采，输运等各个环节进 行综合管理并对溢油行为过程进行深入的研究；我国也投入大量的财力和人力进 行科学研究，努力探索溢油在水环境中的迁移，转化规律，并建立溢油事故应急 系统，为溢油污染的清理工作提供理论指导。 随着计算机的出现和迅速发展，水体溢油运动行为的研究无论在广度还是 在深度上都得到了长足发展，特别是溢油运动行为的动态数值模拟成为了学术界 研究的热点，因为与直接观测和其他监测方式相比，溢油的动态数值模拟所需的 人力、财力大为减少，预测周期长、范围大，方便灵活。预测结果较准确，因此 得到了学者们的青睐，但目前这些研究主要是针对海洋这种大范围领域的，而对 江河等溢油问题研究比较少，根据国家当前要求在小区域建立溢油应急计划的需 要，对江河等小区域开展溢油动态数值模拟的研究势在必行“。 根据溢油进入水体后的行为与性状变化的实际情况，可以把溢油在水环境 中混合输移基本问题分成两大类：第一类。是石油在水面的漂浮运动，它研究石 油进入水体开始阶段，以油膜形式在水面的漂移行为，着重研究它的行踪轨迹， 这主要针对大规模溢油后需要研究的重要问题。第二类，是研究水面浮油在漂移 的同时，还会向水下扩散，或者以含油废水的形式直接进入水体，而后在水域中 混合输移。现场观测和室内试验都已证明，向水体内部扩散输移的溢油，都只能 2 河海大学硕士学位论文 是首先被分散为油滴或形成乳化状态的油水混合物之后才有可能。在这种情况 下，可把它看成一种颗粒物质( 油滴) 来研究其混合输移规律。水面漂浮的油膜， 由于受到风、流、浪的强烈扰动作用。会不断被分散成油滴，其中绝大多数将与 水结合( 乳化) ，而后扩散至水体内部嘲。本论文即是围绕溢油进入水体后需要 研究的基本问题展开的。 1 2 溢油在水环境中的行为与性状概况 ? 。 溢油进入水体后，受风、浪、流，光照、气温、水温和生物活动等各种环境 因素作用下将经历十分复杂的物理、化学和生物变化过程，其行为通常分为三大 类；扩散、输运和风化。扩散过程是指海面油膜由于其自身的特性而导致的面积 增大的过程。输运过程是在水体环境动力因素作用下溢油的迁徙运动，包括水平 方向的漂移和扩散以及垂直方向的掺混、悬浮过程。而风化是指能够引起溢油组 + ，：丁。，：，；。：i ；f ：，咿- ：， 图卜1 溢油在水环境中的行为过程 成性质改变的所有过程，包括蒸发、乳化、溶解、破碎分散、颗粒物质的吸附沉 降、光化学氧化和微生物降解等“o j 。溢油在水环境中的这些行为过程可由图1 - 1 基于p o m 的长江感潮河段溢油数值模拟研究 来描述“o 。从短期来看，蒸发和乳化是重要的风化过程，影响溢油以及反应决策 和经济损害评估；从长期来看，光化学氧化和生物降解越来越重要，决定海上溢 油的最终归宿，但在溢油应急预报中考虑较少。 1 2 1 扩展、扩散、漂移与破碎分解 扩展、扩散、漂移与破碎分解，是溢油泻入水体后在水面上的表观形象随时 间推移的物理变化过程。溢油事故发生后，在重力作用下将向周围扩展开来，先 在水面形成较厚的油膜，而后油膜很快在海面扩散，形成较薄油膜，增大了溢油 的表面积，并影响了溢油的挥发和溶解过程。在平静的海况下，油膜厚度随溢油 面积扩大而减少，最终达到最小厚度1 0 4 1 0 m “4 ，这时油膜如再进步扩散， 或受到风力和水流的扰动，连续油膜就会被分散成碎片。在流体水中。油膜可随 表层水体流动而漂移，在比较平静的水域( 如水库库面) ，仅因风的作用亦可使 油膜漂移，风引起的漂移速度大约为风速( 指水面以上l o m 处的风速) 的2 5 “”“。在波浪运动较大时，强烈的机械运动使溢油形成油包水的乳化液，影响 溢油的粘度，并不同程度地减小扩散速率，这时，溢油油膜变厚，不易在水体内 分散，多在海洋表面漂移。漂移取决于溢油质量中心的运动轨迹，与扩散及溢油 量无关，其漂移速度、方向与表层水相同，受风速和海面流速的影响。 1 2 2 溶解与挥发 石油的构成组分主要是烃类，占总成份的5 8 9 8 ，因而有极微的溶解 于水的特性，含碳数大于3 7 的烃类( c 3 7 ) ，几乎不溶解于水，溢油的溶解对整 个溢油的质量平衡计算影响很小，在一般情况下可不考虑水中溶解石油的含量 嘲。石油的挥发性较强，是水面石油降解的主要途径。溢油发生后2 4 h 内，溢油 挥发占主导地位，大量低碳链的有毒组分逸入大气，其中溢油的组成和物理性质， 油膜表面积和厚度，风速和海况，气温和水温，光照强度等成为影响挥发的主要 因素。随着溢油轻组分的不断挥发，溢油体积不断缩小，密度和粘度随之增加。 有研究结果证明，溢油的密度和粘度与溢油的挥发量呈线性相关，并受控于大气 和海水的温度。这项研究成果有益于选择溢油的清除措麓0 4 。尽管一般认为原油 的蒸发量比溶解量相差2 3 个数量级o ”，但在一些情况下蒸发和溶解之间仍存 4 河海大学硕士学位论文 在明显的竞争，尤其对有生物毒性的芳烃。r y e 呻等将不含沥青烯的非乳化溢油 中的烃进行分类，根据h a r r i s o n 给出的蒸发和溶解的速率方程，考察了一定厚 度的不同类型的烃完全蒸发或溶解所需的时间，发现在破碎波的作用下，芳烃含 量高的小油滴溶解速率可能大于蒸发速率，这一结论对估计溢油对海洋生物带来 的可能后果很有意义“”。 1 2 3 乳化 当油和水相混，特别是经过扰动作用( 风，浪，流的扰动) ，油的颗粒不断 向水相分散，同时水的微粒也不断向油相逸散，向水相分散的油粒最终形成水包 油乳化液，类似牛奶一样，形成。巧克力奶油冻”式的溢油块；水的微粒分散至 油中，可形成油包水型乳化液，成为油性乳化液，从而形成乳化油的形态蜘：形 成油包水的乳化液时，表面活性物质起着十分重要的作用，它们包围着每个油粒， + ： 阻止油粒问的聚合，使油水分离；油包水的乳化液则可以改变溢油的粘度和表面 张力。随着分析手段的提高，人们不论在乳化物的形成机理还是其稳定性研究上 都有更深的认识。f i n g a s “”通过对油包水乳化物稳定性有关的文献查询，发现乳 化物的稳定性是由在油水界面处沥青烯和树脂形成的粘弹性膜产生的，其中沥青 烯能比树脂产生更硬的膜。所以可根据膜的粘弹性将乳化物进行分类，即稳定的 乳化物具有弹性，不稳定的则不，当然稳定的乳化物也表现出高的粘性。粘性的 增加来自油水界面的沥青烯的增加。水含量与稳定性之间并不存在好的相关性， 但非常低或非常高的水含量( 9 0 ) 通常认为不产生稳定的乳化物。水滴 的大小对稳定性的影响尚不清楚。 1 2 4 吸附与沉降 吸附沉降过程比上述三个过程要缓慢一些，水体中悬浮颗粒( 如泥沙) 可以 吸附石油或乳化油，当吸附达到饱和而水中含油浓度降低到一定程度时，颗粒上 所吸附的油又可以被解吸，重新回到水体中。被颗粒所吸附的石油，随颗粒的输 移而转移到另一地点被释放出来，也可以随颗粒沉降进入底泥。水中悬浮颗粒作 为石油的载体，它既可因吸附而使水体中石油含量降低，但也可将油污染转移或 者形成二次污染。吸附沉淀过程取决于颗粒物质的性质和油的种类，石油的部分 5 基于p o m 的长江感潮河段溢油数值模拟研究 重组份可自行沉降或粘附在海水中的悬浮固体颗粒上并随之下沉到海底。海水中 的悬浮颗粒主要是浮游生物残骸的碎片和粘土矿物。石油的沉降速度随水中的油 浓度和附着物( 悬浮颗粒) 的含量而变化一般在底质样品中可能检出c 2 5 以上 的石油烃类。因为吸附过程的沉降作用与作为核的颗粒物的性质有关。由于浅海 区涡动混合较甚，碎屑物质丰富，动力作用明显，可以在浅海区特别是在潮间带 区容易发生沉降。m e y e r s “”提出造成吸附沉淀的这些颗粒物质，直径一般小于 4 4 l m 。有粘土颗粒的，也有有机物质，当盐度增加时，吸附量也随之增加。温度 降低时吸附量也会增加。季节性的凝聚和周期性的侵蚀也可以促使溢油发生吸附 沉降。目前，定量的研究沉淀过程的工作还不多。大都是定性的描述或进行简单 规律性的实验。了解海洋沉积物对石油成分的吸附过程，对海洋环境的影响，特 别是探讨石油污染对底栖生物的影响是极其重要的。 1 2 5 生物化学降解 化学氧化作用和某些水下微生物可以摄取石油为营养物，都能起到降解石油 的作用。国外在4 0 年代就开始研究利用细菌降解海洋中的石油。美国从受石油 污染的海域中发现4 0 多种能降解石油的菌株，且大部分集中在底部软泥中。多 数菌类对石油的降解率为0 0 0 1 0 0 5 9 ( m 3 盯1 ) ，有些菌株的降解速率高达2 5 0 0 g ( m 3 d - 1 y “。生物降解速率除了与石油组分及分散程度有关外，还与微生物种 类和数日有关，而这些又与环境条件( 温度、盐度、p i l 值、营养盐) 有关实验 室里能获得这些因素对微生物的线性影响，却很难模拟实际中各种因素对微生物 种群和数目的非线性关系。我国关于这方面的研究开始于7 0 年代末期。在进行 生态学研究的基础上，在实验室内模拟研究了混合菌种和单一菌种细菌对单一 烃和混合烃及原油的降解作用，研究了天然微生物种群的自然降解率以及某些 环境因素与微生物降解石油的关系等”1 。1 9 8 9 年，国家海洋局海洋环境保护 研究所于占国等人。选择了渤海原油和在大连湾分步较广，且石油降解力较强 的黄杆菌为材料，在实验室模拟研究了海洋环境中石油微生物降解。观察了不同 ， 氧、磷浓度、不同培养温度等条件下黄杆菌降解渤海原油的情况。 6 河海大学硕士学位论文 1 2 6 光氧化化学反应 光氧化过程是溢油在阳光的照射下j 发生台自整链式前氧化反应，。镡虹生一些 极性的、水溶性的和氧化的碳氢化合物产物的过程。尽管光氧化产物浓度不高， 短期效应不太明显，但光氧化的长期效应日益明显，对溢油的物理过程影响很大， 并且对生物的毒性增大。石油受紫外光照射j 饿产生筅氧化效应亦可使石油发生 降解，但其降解总量较小“2 1 。徐学仁阱3 总结了到8 0 年代中期的研究成果。由于 风化过程战复众姓和测试手段的局限性，很难确定光氧化产物，对其机理及其对 溶解和乳化的作用的研究只停留在对推测的定性描述上。g a r r e t t 等用c c 淞 和x 一射线吸收光谱测试了紫外光对原油中不同组分的影响，发现饱和组分对光 氧化不敏感，而芳烃尤其是大的烷基取代芳烃则敏感，x o 射线吸收光谱显示脂 肪中的硫比噻吩中的硫更易氧化，硫以相等的量被氧化为亚砜、砜、磺酸盐和硫 酸盐，发现光氧化的影响明显与生物降解的不同，对生物降解来说芳烃有大的取 代基不利于降解。c ，a r r e t t 等的工作使人们在光氧化对油的影响方面的认识加 深，但在最近几年内还不可能对其进行数学模拟并用于预测模型中。， ， ；，溢油的风化过程主要是上述的6 个方面。在一个多种因素和复杂多变的水环 境中，要研究一个由上千种化合物组成的石油混合物在上述6 个方面的风化过程 是非常困难的。各风化过程几乎同时发生，但风化的速度差异很大，快到几个小 时，慢到一年甚至几年( 见图卜2 ) 。风化的特点也不一样，有物理变化，也有化 学变化。风化的因素难以掌握，不同海洋环境下生物的降解和各种光化学反应等 等均不相同。因此为了彻底弄清楚溢油在海上的归宿，了解石油对海洋生物的影 响，就必须从各个学科，多领域地加以实验和研究。 基于p o m 的长江感潮河段溢油数值模拟研究 时间( 小时) ， 0 11 0天 1 0 0 周、月1 0 3 “年1 0 扩展l 一 ，_ 羁l 移- = 一 蒸发_ - 一 溶解- 一 一 717 分散。_ _ _ - 一 。，、t 乳化一 沉降二l - - 二_ _ 二 生物降解1 。一，f ， ， _ 一 图1 - 2 溢油各种行为过程的发生、地位及其时间跨度 1 。3 溢油模型研究进展 。关于海上溢油预测工作始于二十世纪六十年代，但是直到f a y 伽把溢油扩展 过程划分成重力一惯性力扩展，重力一粘性力扩展和表面张力一粘性力三个阶 段，并且建立了现代经典的溢油扩展方程组后，才真正标志着溢油模型成为一个 独立的研究体系。 _ j 根据溢油发展阶段，可将它分为第一代、第二代、第三代模式。第一代基 本上是扩散模式，它主要分析溢油的有限寿命，虽然现在仍然使用这种模式，但 可靠性不足；第二代模式由二维有限流体动力学和油在溢出地的寿命分析组成； 第三代模式即综合溢油模式，由一套算法组成，它模拟溢油在三个方向的寿命和 扩散情况，包括平移、扩散、表面传播、垂直机械扩散、蒸发、乳化和搁浅。 根据溢油模型的数学计算理论不同，可以将溢油模型分为两种类型：一种为利用 欧拉一拉格朗日理论体系建立的溢油模型，用欧拉理论建立的流场和温盐场计算 模型，利用拉格朗日理论体系建立的溢油扩散漂移轨迹的计算模型；另一种为利 用蒙特卡罗啪1 方法建立的溢油扩散漂移轨迹计算方法，它是在欧拉一拉格朗日追 踪的方法求得溢油扩散漂移的基础上增加了溢油扩散漂移随机数的计算。 溢油模型的研究起步虽然比较晚，但随着计算机的出现和迅速发展，溢油 模型也在此基础上迅速发展起来。并在短短3 0 年里出现了多个成功的溢油模型， 溢油模型也由一维迅速的发展到三维。在国外较为著名的溢油模型例举如下洲： - i ) s i n t e f 溢油风化模型；该模型以来自实验室的大量数据为基础，其输 入部分包括试验数据和环境条件，前者包括油的蒸馏曲线、新鲜油的性 8 河海大学硕士学位论文 ，质、最大吸水能力及分散剂的粘性等。模型有一大型数据库作为支撑， 包括有2 0 0 多种油的性质、蒸发曲线和实验室风化数据。该模型反映了 目前建模的主流，其影响力很大，但以试验数据为主的经验预测方法虽 有很大的可靠性，却不利于模型的推广和发展： 力 d 1 0 s 模型：a d i o s 模型是美国n o a a h 墩a d 发展的新模型。它涉及三个 溢油性质( 密度、粘度和含水量) 四个物理过程( 扩散、蒸发、水包油 分散、油包水乳化) 。该模型以经验方程为主体，结合油性质数据库而 建立。采用的方程都是大多数建模者采用的公认的方程，但这些方程如 ，蒸发、乳化速率方程并未反映最新成果： 彩o s i s 模型：o s i s 模型是英国的w s l 和b m t 合作制造的溢油信息系统，一 。 其中对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。其中，蒸发分散等部分的计算与a d i o s 模型 ；基本相似，只是乳化过程是通过随机走动跟踪模型允许油滴垂直运动来 估算的。 国内溢油模型较国外起步较晚，但也取得了一些成果，如： + 1 一 ，l i 赵文谦对含油废水向水下扩散进行了实验研究，验证了水体的紊动作用 r 是油滴向水下扩散的主要动力，油滴紊动扩散系数与含油废水的油份浓 度呈指数分布衰减关系，而与紊动强度呈线性增加关系o “。另外，赵文 谦等人还建立了泥沙吸附石油的数学模型并进行了试验研究 一一 矽杨庆霄，徐俊英等研究了海上溢油的溶解过程嘲：认为某石油烃成份在 海水中的溶解量不仅取决于它的溶解度，也取决于该成份在石油中的百 1 分含量，该法实际上是通过组分分析法来研究溢油的溶解过程；”+ ，“ 圳杨小庆建立了模拟河流中漏油的两层数学模型r o s s 2 ，并把溢油分成表 层油膜和分布在整个水深中的悬浮油珠两层来考虑，油的输送过程包括 流动、扩散、紊动扩散核掺混、挥发、溶解、乳化，附着在岸边和沉积 到河底等过程，该模型可用于瞬时的和连续的漏油且油漏在水面和水中 的情况洲。 矽张存智，窦振兴等人基于“油粒子”概念建立了模拟海上溢油行为的三 维数值模型。模型运用确定性方法模拟平流过程，采用随机性方法模拟 9 基于p o m 的长江感潮河段溢油数值模拟研究 湍流扩散过程。粒子扩散”方法避开了。平流扩散”传统数值方法 所导致的伪扩散效应，同时将油由于自身特性的扩展与受环境动力作用 的被动扩展融为一体，较好地解决了油膜的扩散和破裂问题。 矽夏定武，许继祖提出了寒冷海域溢油运动短期数值模拟，该模式包括了 ! 连续冰盖及高、中、低密集冰场中溢油的漂移和扩展过程的预报。该模 型可用于事故溢油预报，为溢油的围收治理提供依据嘲。 总体而吉，以上大部分国内外溢油模型对风化过程的预测方式基本上是经验 性的，这是因为溢油风化过程是一个多组分、多过程、多影响因素的复杂过程， 而溢油行为的基础研究又十分薄弱的，故制约了模型的发展。另外，溢油风化过 程是包含蒸发、分散、乳化等的综合过程，它们同时发生，相互影响。由于研究 的需要，基本上所有的模型都是分别或部分联系的模拟这些过程的，这样势必影 响模型的准确性。因此，将来模型的发展应建立在大量的基础研究之上，寻找溢 油各风化过程的本质特征和微观机理，并弄清楚各过程相互影响的内在机制，使 其更真实而周全地反映实际情况，提高模型的准确性和实用性。 1 4 研究的主要内容与技术路线 ，溢油运动的数值模拟是一个非常复杂的问题，它不但包括溢油在自身重力、 惯性力和表面张力作用下的自身扩展运动，在流场及风场作用下的漂移、扩散运 动，而且在运动过程中，油膜本身的物理化学性质也不断发生变化。要准确模拟 溢油的运动，就必须全面考虑溢油的各种行为归宿，这决定了溢油数值模拟是一 个十分复杂的问题。本文基于p o m 模型，建立了感潮河段三维水动力模型，并将 “油粒子”模型嵌入水动力模型中，成功应用于南京澳通石油化工产品储运有限 公司油库码头水域水动力场和溢油风险事故的预测。 ：全文共分五章，第一章为绪论。介绍了溢油事故研究背景，提出了建立江河 等小区域范围内溢油模型的必要性和实际意义；第二章建立了三维水动力数学模 型：本文基于三维海洋温盐流预报模式p o m 模式，建立了感潮河段三维水动力模 型；第三章建立了三维溢油运动轨迹与归宿模型：在溢油轨迹模型中油粒子的平 流过程采用拉格朗日方法模拟，剪流和紊流引起的扩散过程具有随机属性，采用 随机走动法模拟；溢油归宿模型用于模拟溢油蒸发、乳化及由此引起的溢油密度、 粘性和残留体积的变化；第四章为三维水动力模型与溢油模型在感潮河段的应 1 0 河海大学硕士学位论文 用：本文将建立的三维水动力模型与溢油模型用二南京澳通石油化工产品储运有 限公司油库码头水域水动力场和溢油事故风险预a j ，旨在为溢油突发事故的决策 和清理提供理论基础，具有重要的现实意义l 第五章为本文的总结与今后工作展 望。论文技术路线见图1 - 3 j 图卜3 论文技术路线图 1 l 基于p o m 的长江感潮河段溢油数值模拟研究 第二章三维水动力数学模型 p o m 模式( p r i n c e t o no c e a nm o d e l ) 是一个三维斜压基本方程模式，由于 其具备很多优点而被广泛应用于海洋温盐流场的预报，主要特征如下：， ( 1 ) 垂向混合系数由二阶紊流闭合模型( m e l l o r - y a r 帆d a 模型) 确定，在 一定程度上摆脱了人为因素的干扰，对紊流的处理较为先进； ( 2 ) 垂向采用0 坐标系，使垂向沿水深的划分更趋合理； ( 3 ) 水平网格采用正交曲线网格，水平有限差分格式是交错的，即“a r a k a w a c ”型差分格式； ( 4 ) 水平时间差分是显式的，垂向时间差分是隐式的，而动量方程中的压 力梯度项和连续方程中的水平速度散度项均为隐式； ( 5 ) 模型中包含了干湿点的判断，并且紊动扩散系数与计算水域的流速梯 度和密度梯度等直接相关，可较全面地计算紊流。 本文基于p o m 模型基本理论并对该模型改进，建立了三维感潮河段水动力 模型，成功用于长江南京段水动力场的数值模拟。 三维水动力数学模型建立 2 1 1 笛卡尔坐标系下三维水动力模型 2 1 1 1 基本假定 对天然水体直接求解三维n - s 方程目前尚不可能，为此，p 伽中引入了一些 近似假定，使实际天然水体三维问题具有求解的可能性，常用的假定有： ( 1 ) b o s s i n e s q 假定：b o s s i n e s q 曾在1 8 7 7 年提出的关于水流紊动应力可 类比于层流粘性应力的假定，该假定被广泛用来处理时均运动方程中出现的的较 难处理的雷诺应力张量，即用层流粘性应力的类似形式对紊流应力进行参数化。 ( 2 ) b o s s i n e s q 近似：即认为水体是不可压缩的，在z 方向的动量方程中， 微小的密度扰动仅对浮力项有意义，而在其余方程中均不考虑密度的变化； ( 3 ) 静水压强假定：在天然河流中，垂向加速度远远小于重力加速度，因 河海大学硕士学位论文 而在垂向动量方程中忽略垂向加速度，即认为计算水域中任意点压强等于水体表 面大气压强与该点以上水柱重量之和。目前水流运动的三维数值模拟大多都采用 该假定。 2 1 1 2 基本控制方程 p 伽模式是原始方程模式，并且采用盯坐标系统，盯坐标与z 坐标的变换 。一 1 形式一般为( 如图2 - 1 、+ 2 - 2 所示) ： x 。却y 2 妇r 2 r o ，口；堡h + 丑q ，( 2 1 1 ) d - h + 牡( 2 ，1 2 ) j ) 查重 ! 匕j 。 二二r 二： j 二；，二， 7 百上_ 了山f - 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 劢叫 图2 - 19 坐标与z 坐标变换示意图 图2 - 2 变换后的坐标系示意图 这里，、风、气和气分别是笛卡尔坐标系下的空间自变量和时间自变量， 一- ，i ，。、 。 ，。 、 、 工、y 和f 分别是仃坐标系下的空间自变量和时间自变量。h ( x 。，y 。) 是底地形， 、 ：， ， ， 叩( 而，岛) 是海平面起伏，d 为总水深。这样，从底部气= 一h 到水面毛= ，7 ， 一一- ，r一， 7，r t ： ， 相应地盯从叮= 一1 变化到盯= o 。盯坐标系下考虑底地形和自由面起伏的三维原 一 j， i ， 一 。 始方程如下： 连续性方程： 警+ 詈+ 等+ 警= 。 亿h ， 缸却a 仃劣 一 动量方程： 基于p o m 的长江感潮河段溢油数值模拟研究 警+ 警竽+ 丝一佃+ 鲁f 匮一a o 缸d 纠o p j 1 d # 8 0 d 一妒警a知 匆 。 风七i 缸缸a j一苏 + 丢( ：厶。o u + 甜af 厶d 百a v + 割+ 石。百k ”a v ，皿l 一4 ) ， 丝+ 塑+ 警+ 业+ 仰+ 鲁广愕望望a ajat a x00-,la-d0 0 k ，一g d 塑a y a ! ， 。 风i 匆 一 + 号c z 厶。争+ 斟如。亏a u t 石o v ，l j t 石at 百盖：a v ( 2 1 - 5 ) 热传导方程： t 1 警+ 警+ 警+ 警= 昙。争+ 砉c 南d 当0 3 , + 昙犀d 罟 a l瓠 瓠 a o瓠缸j卸 。 a 口j a o j ( 2 1 6 ) 盐度扩散方程： 警+ 警+ 警+ 等= 丢c 4 。+ 言c 如d 马o y + 丢犀d a叙却 a 盯良、“缸。a ，。撕、a 盯4 7 ( 2 1 _ 7 ) 其中u 、矿和国分别是盯坐标系下的水平速度和垂向速度；p 为海水密度， 为时均值岛和脉动值之和，在z 方向的动量方程中，微小的密度扰动仅对 浮力项有意义，而在其余方程中均不考虑密度的变化；，7 为潮位，d 为总水深； t 是位势温度，s 是盐度；f 为柯氏系数( f = 2 t o s i n # ，q 为地球自转角速度， 为地理纬度) ：山、k m 分别为水平、垂向紊动粘性系数；4 。、k 。分别为物质 水平、垂向扩散系数。 垂向紊动粘性系数k m 与水平扩散系数采用系数由素流闭合模型确定； 水平紊动粘性系数4 l f 与水平扩散系数如均采用s m o g o r i n s k y m l 公式计算； 础= 三国蛳 ( 詈 2 + 三 ( 警) 2 + ( 考 2 + ( 羽2 r c 2 小s ， 1 4 河海大学硕士学位论文 a h 2 t p r n i a m ( 2 1 - 9 ) 一般情况下，参数c 的取值范围在o 1 与o 2 之间，厶的取值随着网格的 1 ， 分辨率的提高而减小，当网格尺度足够小时，如= o ot p i l n i 为无量纲参数， 海洋中一般取0 2 或更小一 2 1 1 3 紊流闭合模型方程 紊动能方程： ，t 警+ 警+ 雩- a 缸q w = 昙f l 兰d 望a o - j 1 - 2 k 。1 i f 衍a u ， = dt + ( 芸) 2 a i 瓠两8 口8 0d 、8 0 a ol 、 一+ ，2 岛g k 阳a # 一百2 d q + 鲁( 誓) + 昙( 五刳j ( 2 1 1 0 ) 混合长度方程： ，警? 警j 警j 警- 互悟 ( 封+ ( 酬他_ 岛g o p d) a苏 。勿，鼢lil a 仃，、勋川风i _ 鲁旷+ 昙b 警 + 昙b 等 + 昙浯期 ( 2 1 - 1 1 ) 其中：霹2 为紊动能。，为紊动的长度尺度；局为紊流动能的垂向扩散系数， 等南紊流动能消耗率，- 2 匕d - l t t 阳d d ) 丫+ ( 等) 2 为切变妄流项，署筹为浮 力紊流项，矿为壁面近似函数， 矿= 1 + 垦u + 础) 2 ，l - 1 _ ( r - z ) 一1 + ( h _ z ) 一 ( 2 卜1 2 ) 筹= 石o pc 。2 害，乏为声速一 一一1 m ， 联立方程( 2 11 0 ) 和( 2 1 - 1 1 ) 可解得k m 、k h 、k q ，在此基础上联立方程 ( 2 。1 3 ) ( 2 1 - 9 ) 即可解得u 、v 、执玑t 和s 六个变量。 基于p o m 的长江感潮河段溢油数值模拟研究 2 1 1 4 二维基本控制方程 p o l l 模式的基本方程中，包括快速移动的外重力波和慢速移动的内重力波。 从节约机时的角度考虑，可以将外部模态( 垂向积分方程) 7 从内部模态( 有垂向 结构的方程) 中分离出来，它的主要优点是以最小的机时代价，来确定运动引起 的体积输运和自由表面的起伏。 对基本控制方程中的连续性方程( 2 卜3 ) 、x 向动量方程( 2 1 - 4 ) 和y 向 动量方程( 2 卜5 ) ，从盯= 一l 到盯= 0 进行垂向积分，可以得到不含垂向流速结 构的外模式基本方程： 连续方程： 动量方程： 垒+ 婴+ 丝：o a缸 o y 警+ 譬+ 雩一肋+ 警e 陪一生d 塑o x 型o o 乙j 蚀 a 缸 砂 。 岛山b l 苏 唧鲁+ 斜劫警 + 昙降( 雾+ 孪剐1 1 - - t 州刑) 警+ 警+ 警+ 加，+ 鲁叫等一吾丝型a o - j a y a ya o - k 。盯 西彘 ， 。 ，岛“矗f 旁 d 秒瓣 劫井磊ol r - 厶a g + 讣州o ) ) 如i l ) ) 式中，( 删( o ) ) ，( w “( 一1 ) ) ) ，( ( 聊( o ) ) ，( 删( 一1 ) ) ) 分别代表水体表面及底部切 、 应力分量；毛为屯沿水深积分的平均值。上面基本方程中含有三个待解的基本 一 变量( 玩t 玎) ，未知量个数和方程个数相等，形成封闭的二维基本方程组。由于 方程中包含了表面和底面的边界条件，故二维问题的求解仅涉及到水平方向的边 界条件。 河海大学硕士学位论文 2 1 2 正交曲线网格及仃坐标下的三维水动力模型 目前，水流数值计算方法已在工程领域中占据越来越重要的地位，作为数值 计算技术之一的有限差分法，具有物理概念明确，构造格式简单，编制程序方便 的特点而被广泛采用。但传统差分方法大都基于矩形网格，其主要缺点是，对于 任意区域问题往往难于较精确地拟合边界形状或给出边界条件，特别是天然河 道，其边界条件复杂，长宽尺度相差悬殊，在通常的差分方法中，一般只能采用 ， 近似的阶梯化方法来处理不规则边界这种方法，l - 方面浪费了大量计算单元，另 方面对于数学模型中较精细计算( 如用较高阶的紊流闭合模式来模拟物质的紊 动输送过程) ，则显得过于粗糙，而建立在边界贴体坐标系下的正交曲线数值网 格方法，能够较容易较精确地描述复杂几何形状物体的边界，并使工程问题的数 “ 学模型控制方程变得较为简单。 2 1 ：2 1 正交曲线网格生成原理 同一几何形状或流动现象可以采用不同的坐标系来表达，坐标系之间可以有 f ( j i 一对应的关系相互转换，通常最基本的坐标系是笛卡尔直角坐标系似j ，) ，但对 于某些复杂几何形状或流动现象采用其它坐标系辑叩) 描述更为方便，因此需要 进行坐标变换。对于曲线坐标系( 善，7 ) ，j