（环境工程专业论文）基于pom的溢油数值模拟研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 海洋石油开发和运输过程中事故溢油造成的海洋污染，是海洋环境科学家急需解决 的重要问题。溢油不仅严重破坏了水体生态环境，而且危害人们的健康，造成巨大的经 济损失。如何在溢油发生后迅速使其得到控制及清除并准确估算出其对环境造成的影响 成为了当前海洋环境科学工作者的研究热点。随着微型计算机的迅速普及，数值模拟则 为了解海上溢油行为提供了一种有效的手段。 海上溢油行为受风、波浪和潮流等环境动力因素影响，因此首先要精确模拟出这些 动力因素。溢油在海上经历着漂移、扩展、蒸发、分散、乳化、溶解、光降解、生物降 解、吸附沉降及其相互作用的复杂过程，这些过程可以简略地概括为输运、扩展和风化 过程。油膜的覆盖范围和分布特征与其迁移路径、残余量等共同构成了溢油模型的输出 结果。 本文的主要工作包括以下几个方面： ( i ) 在查阅大量三维水动力水质数值模拟文献的基础上，深入了解海洋数学模型的 研究进展，选择美国普林斯顿大学海洋模型( p r i n c e t o no c e a nm o d e l ，p o m ) 作为研究对 象。p o m 垂向采用。坐标系，在近海潮流数值模拟中已得到广泛应用。将p o m 模型用 于大连湾的潮流场模拟，得到了m 2 分潮下三维潮流场的分布。 ( 2 ) 在总结近年来国内夕 溢油数学模型发展的基础上，提出了垂向分层的三维溢油 模型。根据有所处水深的不同，采用不同的数学方法对其进行描述：表层附近使用“油 粒子”模型：海水较深处油浓度通过求解对流扩散方程进行模拟。同时，考虑了蒸发和 乳化两个最重要的风化过程。 f 3 ) 最后用v i s u a lf o r t r a n 将上述原理用计算机语言进行编程，并通过t e c p l o t 后处 理软件将计算结果动态可视化，演示结果良好。通过进一步完善和验证，可将用于预测 和环境评价中。 关键词：数值模拟；溢油；p o u ；油粒子；分层 大连理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t o c e a np o l l u t i o nr e s u l t i n gf r o mo i ls p i l la c c i d e n t s ，w h i c ho c c u rd u r i n gt h ee x p l o i t a t i o n a n ds h i pt r a n s p o r t a t i o n ，i sa l li s s u et os o l v eu r g e n t l yf o rs e ae n v i r o n m e n ts c i e n t i s t s o i is p i l l n o to n l yd e s t r o y st h ew a t e re n v i r o n m e n ts e r i o u s l y ，b u ta l s oa f f e c t st h eh u m a nh e a l t ha n d c a u s e sh u g ee c o n o m i cl o s s e s h o wt oc o n t r o la n dc l e a rf a s ta f t e rt h eo i ls p i l la n de s t i m a t ei t s e n v i r o n m e n t a l i m p a c t h a sa r o u s e d g r e a t r e s e a r c h w i mt h e r 印i dp o p u l a r i z a t i o n o f m i c r o c o m p u t e r ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nh a sb e c o m ea ne f f e c t i v em e a n s 1 1 1 eb e h a v i o ro fo i la ts e ai sd e t e r m i n e db yt h ee n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n si n v o l v i n gs e a w i n d s w a v e sa n dw a t e rc u r r e n t s t h em a i nm e c h a n i s m sw h i c hg o v e r nt h ef a t eo fa no i ls l i c k a r ea d v e c t i o n ，s p r e a d i n g ，d i f f u s i o n ，e v a p o r a t i o n ，e m u l s i f i c a t i o n ，d i s s o l u t i o n ，p h o t o l y s i s ， b i o d e g r a d a t i o n ，a d s o r p t i o ns e d i m e n t a t i o na n dt h ei n t e r a c t i o n so ft h e s ep r o c e s s e s ，w h i c hc a n a l s oc u r t l yr e c a p i t u l a t et h r e em o d u l e s - t r a n s p o r t s p r e a d i n ga n dw e a t h e r i n g 1 1 1 ec o v e r a g eo f s l i c k ，d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，t h et r a n s p o r tt r a j e c t o r ya n dr e m a i n d e rc o n s t i t u t et h em a i n o u t p u to f t h eo i ls p i l lm o d e l t h e m a i nt a s ko f t h i ss t u d yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gt h r e ea s p e c t s ： ( 1 ) a f t e rc o n s u l t i n gp l e n t yo fl i t e r a t u r e sa b o u t3 dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，p r i n c e t o no c e a n m o d e l ( p o m ) i n c l u d i n g 盯c o o r d i n a t es y s t e m ，w h i c hh a sb e e nw i d e l ya p p l i e d ，i ss e l e c t e da sa t o o lo fs t u d y i n go f f s h o r ec u r r e n t p o mi sa p p l i e do nd a l i a nb a y ，a n dat h r e e - d i m e n s i o n a l h y d r o d y n a m i cm o d e li se s t a b l i s h e dt os i m u l a t et h et i d a lf l o wf i l e du n d e rt h ee f f e c t so f 必 t i d e f 2 1b a s e do nt h ed e t a i l e di n v e s t i g a t i o no ft h ei n l a n da n do v e r s e a s1 i t e r a t u r e so fo i ls p i l l m a t h e m a t i c a lm o d e li nr e c e n ty e a r s ，am u l t i p l e l a y e ro i ls p i l lm o d e li sp r o p o s e d f o rt h eo i l n e a rt h es e as u r n c e ，t h eo i lp a r t i c l em o d e l i su s e dt od e s c r i b ei t sm o v e m e n t s ，w h i l et h eo i l c o n c e n t r a t i o ni nt h e d e e p e r w a t e ri sr e s u l t e df r o mt h en u m e r i c a ls o l u t i o no ft h e a d v e c t i o n d i f f u s i o ne q u a t i o n m e a n w h i l e ，t w om o s ti m p o r t a n tw e a t h e r i n gp r o c e s s e si n c l u d i n g e v a p o r a t i o na n de m u l s i f i c a t i o na r et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n ( 3 ) a tl a s t ，m a k eap r o g r a m 讯t ht h ea f o r e m e n t i o n e dp r i n c i p l eb yu s i n gv i s u a lf o r t r a n p o s t - p r o c e s ss o f t w a r et e c p l o ti su s e dt od r a wa n dd y n a m i c a l l yd e m o n s t r a t et h en u m e r i c a l d a t a t h er e s u l t sa r er e l i a b l e ，s ot h a tt h em a t h e m a t i c a lm o d e lp r o v i d e dc o n s u m m a t e dn d v a l i d a t e da f t e rf u r t h e rd e v e l o p i n g ，c o u l db ea p p l i e di na c t u a lf o r e c a s ta n de n v i r o n m e n t a l a s s e s s m e mi nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；o f fs p i l l ；p o m ；o i lp a r t i c l e ；l a y e r e d i 工工 奎堕堡三盔堂堡主堑圣生兰垡堡塞 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名 堑塑聋 竺立年上月上日型年月上日 大连理工大学硕士学位论文 引言 海洋是孕育生命的伟大母亲，在人类社会发展史中占有非常重要的位置，海洋也是 人类赖以生存和发展的物质基础，海洋资源极为丰富。而如今，随着人类开发地球资源 的加剧和海上交通运输业的发展，海洋正承担着巨大的环境污染损害，面临着巨大的威 胁。在众多的污染物中，石油是近海的主要污染物。据统计，近年来我国每年排入大海 的石油约1 2 1 0 5 吨，而且由于多方面的原因，污染正日趋加剧。 海洋溢油石油污染是海洋污染中最严重，最复杂的污染问题之一。石油对海洋生物 具有很强的杀伤力，石油污染已经成为海洋生物的超级杀手。严重的海洋石油污染对一 个国家生态环境、经济发展、政治影响有着不可估量的影响。防治海洋石油污染，保护 海洋环境及资源已成为当务之急。随着计算机技术的发展，溢油数学模型在溢油事故中 所起的作用日益突出。近2 0 年来，人们发展了5 0 多种模型来预测溢油的行为与归宿。 溢油在海洋环境中经历这十分复杂的物理、化学和生物过程。为了便于研究，通常 将它们分为输运、扩展和风化三大类。这些过程不仅与油的种类密切相关，而且受到自 然环境状况的制约。所以，要想提高模型的精确度，环境动力因素的准确预报是首先要 解决的问题。石油化学组成的复杂性，也加大了数学模拟的难度。因此，对溢油数学模 型的研究，一方面既要加强基础性研究提高模型的实用性；另一方面又要集成模型的软 件包以推广其通用性型。 本次研究选用普林斯顿大学海洋模型来求解大连湾流场的分布，并将它用作溢油模 型的背景流场。总结近年来国内外溢油模型发展的最新成果，提出了垂向分层的三维溢 油模型，针对不同水深处的油滴采用不同的模拟方法，全面考虑了扩展、分散、蒸发、 乳化等过程，并运用v i s u a lf o r t r a n 程序设计语言编制程序。最后通过t e c p l o t 软件将模 拟结果动态可视化，以达到对溢油行为的直观认识。 基于p o m 的溢油数值模拟研究 1 绪论 1 1 海上溢油概况 溢油是指排入海洋环境( 或河流) 的油。o p r c 公约对油的定义是指任何形式的石油， 包括原油、燃料油、油泥、油渣和炼制产品。海洋环境中的溢油来源是多方面的，主要 有陆源污染、海运污染、大气污染、自然界污染和近岸生产装置污染等。按照国际海事 组织的统计，陆源油量占海洋油污染总量的5 1 ，船舶排放油量( 包括事故) 占海洋油污 染中总量的2 3 。 1 1 1 日益严重的海上溢油事故 随着石油工业、交通运输业的发展，石油开采、炼制和水上运输量逐年增加，每年 都有相当数量的石油由于突发事件进入海洋、河流和其它水域，造成极其严重的石油污 染。石油对水域的污染不仅范围广，而且对水生物资源、渔业、海岸环境和人类自身都 会造成危害。世界各国对这一问题非常重视，国际上已制定了许多条约、法规来约束航 运、造船、海洋工程及近岸工程，使得造成这类事故发生的可能性下降到最低程度，但 是，目前还没有一种有效的方法完全阻止其发生i l j 。 船舶油污事故已成为全球重大的环境问题和社会问题。有关资料表明，世界上每年 约有6 0 0 万吨石油泄入海洋，从1 9 7 4 年到1 9 7 9 年，全世界发生了4 0 0 0 多起溢油事故， 1 9 6 7 年到1 9 9 1 年，溢油量大于一万吨的重大溢油事故就达5 4 起1 2 j 。1 9 8 3 年8 月，西班 牙油轮“卡斯特罗”号在非洲南部穿越好望角附近海域时，突然起火引起爆炸，近l o 万吨原油泻入大海。1 9 8 9 年3 月，美国油轮“埃克森瓦尔迪兹”号在阿拉斯加威廉王 子湾触礁，溢油近4 万吨。数千公里海岸线布满石油，造成直接、间接生态破坏，1 0 3 0 万只海鸟死亡，约4 0 0 0 头海獭死亡，恢复生态系统需要5 2 5 年。2 0 0 1 年底发生在 西班牙海域的“威望”号油轮断裂事件是迄今全世界最严重的漏油事件。泄漏燃油总共 近l 万吨，另有6 万吨燃油沉于海底。西班牙西北部5 0 0 公里长海岸形成“黑色海浪”， 1 3 5 个海滩上布满了油污。专家认为一些珍贵物种可能会从此不复存在，生态环境至少 要1 0 年才会恢复正常。图1 1 为某处由于船舶碰撞引起原油泄漏后的污染情况。 大连理工大学硕士学位论文 图1 1 船舶碰撞引起原油泄漏后的污染情况 f i g 1 1o i ls p i l lp o l l u t i o n sa i d e rs h i pc r a s h 我国沿海自1 9 7 6 年至1 9 9 9 年，共发生船舶溢油事故2 2 5 7 起，其中危害较大的重 大溢油事故5 1 起，平均每年超过2 起。自1 9 9 4 年以来，重大溢油事故每年增至5 7 起。每次重大事故造成的直接经济损失达几百万至上千万元，导致一些以养殖业为生的 渔民破产，沿海旅游胜地( 北戴河等) 受到威胁。我国自1 9 8 8 年开始实行海上散装液化气 运输。1 5 年来，液化气船运输的发展，有效地支持了国民经济的迅猛发展。但近年来， 海上液化气运输的不规范造成了多起搁浅、翻沉、爆炸事故，虽然没有发生过类似“威 望”号的重大溢油污染事故，但是也发生了多起溢油量5 0 吨以上的重大船舶污染事故 1 3 - 4 1 。 近几年来，重大船舶油污事故屡屡发生。2 0 0 2 年1 1 月2 3 日，马耳他籍“塔斯曼海” 轮与中国籍“顺凯1 ”轮在天津海域发生碰撞导致近2 0 0 吨原油泄漏；2 0 0 3 年8 月5 日， 在上海黄浦江准水源保护区发生的“8 5 ”污染事故，导致约8 5 吨燃油泄漏；2 0 0 4 年 1 2 月7 日，巴拿马籍“现代促进”轮与德国籍“m s c 伊伦娜”轮在珠江口海域发生碰 撞，导致后者1 2 0 0 多吨燃油泄漏；2 0 0 5 年4 月3 日载运近1 2 万吨原油的葡萄牙籍油轮 “阿提哥”轮在大连海域触礁，右舷第三舱破损，造成附近海域受到污染。 这些事故的发生，给我国的海洋环境、财产和人身健康带来损害，同时也给我们敲 响了警钟。面对海上石油运输量不断增长这一形势，为保护海洋环境，防治船舶污染， 必须加强对溢油的科学研究。 1 1 2 海上溢油的危害 石油及其炼制品是复杂的化学混合物，它不仅具有火灾和爆炸危险，而且还对人体 有害，当漏到海面上或河流中会造成水体污染，还会对水生物带来危害。 基于p o m 的溢油数值模拟研究 危害可分为健康危害、安全危害和环境危害。本文主要考虑生态环境危害。海洋石 油污染的生态环境危害主要有以下几方面垆】： ( 1 ) 影响海气交换的吸收机制，破坏c 0 2 的平衡。石油污染破坏海洋固有的c 0 2 ， 形成碳酸氢盐和碳酸盐，缓冲海洋p h 值的作用，从而破坏c 0 2 的循环和平衡。 ( 2 ) 消耗海水溶解氧水中的溶解氧，油膜覆盖影响海水复氧，石油分解，消耗造成 海水缺氧，使生物死亡。 ( 3 ) 影响光合作用石油入海形成油膜，抑制海洋生物( 浮游植物) 光合作用，从而破 坏浮游植物的光合作用，破坏食物链，导致生物死亡。同时，油阻碍阳光射入海洋，使 水温下降，破坏了海洋中0 2 和c c h 的平衡，这也就破坏了光合作用的客观条件。 ( 4 ) 石油中所含稠环芳香烃和重金属具有生物毒性。某些多环芳烃的致突变作用已 经微生物中得到证明。石油烃类和重金属通过生物富集和食物链传递给海洋哺乳类和鸟 类动物。由于石油污染，人类自海洋环境中摄入致癌成分，从而危害人体健康。 ( 5 ) 经多学科综合性研究石油烃类污染对海洋生态学效应的影响，产生共识，不同 种类的生物和生物所处生长阶段对不同烃类的敏感和反应变化很大，生态系中存在着对 烃类敏感或脆弱的环节；受损的生态系可以缓慢恢复，但需数年或数十年时间。 1 1 3 海上溢油的环境风险评价 在过去的数十年间海域环境受到了各种化学物质的污染，如综合性有机物、重金属 污染和淡水及海域的富营养化等，因此，评估海域环境的生态状况成为人们十分关注的 问题之一。由于风险性事故的发生常常难以预料且破坏性严重，因而日益成为环境保护 和经济发展中一个不可忽视的问题，而环境系统中有关风险评价的工作也开始逐渐得到 了环境专家、学者的广泛重视。 环境风险评价是环境影响评价的重要组成部分。随着环境影响评价工作的深入开 展，人们己经从正常事件逐渐转移到对偶然事件可能性发生的环境影响进行风险研究。 风险评价研究的重点是工程项目在非正常情况下，受自然或人为因素所致，发生污染物 异常排放，从而造成较大范围或较长时间的程度严重的环境污染。这种污染远远超过工 程项目在正常情况下对环境的危害。环境风险评价是当前环境保护工作中的一个新兴领 域，它的出现，一方面是环境保护的迫切需要，另一方面也是环境科学发展的必然结果， 标志着环境保护的一次重要战略转折，即由原先污染后治理转变为污染前的预测和实行 有效管理。因此，越来越受到许多国家的环保机构和国际有关组织的重视【6 】。 溢油事故频繁发生，给渔业、养殖业、旅游业等海洋经济业带来巨大损失，同时也 使海洋环境、岸线受到严重污染，给海洋生态资源造成巨大损失。针对突发性海域环境 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 风险分析的理论和方法的研究，其理论意义在于能够系统、深入地提出相关的海域环境 质量超标的风险计算理论和方法，以及相关的控制管理理论和方法，有助于发展一套较 完整的针对突发性污染的环境灾害学理论和方法。而实际意义则是把对风险研究的理论 和方法有效地运用到实际的风险评价工作中去，能够预测和防止有关的海域环境灾害的 发生、发展，模拟其影响范围与历时，采取措施减轻相关影响，评估有关环境灾害所造 成的损失等【7 】。因而，开展对溢油事故的研究十分迫切。 1 2 海上溢油行为和归宿 对于进入水的油，只有充分了解其在水体中的动力学和非动力学过程，才能合理地 模拟其轨迹和归宿，其过程如图1 2 所示田。海上油的轨迹和归宿的物理化学性质和环 境条件所决定。后者是依赖与地点和时间，而前者基本依赖与原油的化学性质。 图1 2 溢油变化过程 f i g 1 2p r o c e s sa f f e c t i n gt h es p i l l a g eo 豇 基于p o m 的溢油数值模拟研究 1 2 1 动力学过程 ( 1 ) 表面扩展 释放到水上的油的扩展可能是在溢油最初阶段最占优势的过程。因为扩展强烈影响 后面的过程，如蒸发和分散等。 溢漏到平静水面的油由于重力和纯表面张力的作用将以连续的圆形薄层形式扩展。 扩展系数是气水表面张力和气油表面张力的总和与油水界面张力的差【9 j 。此外，粘度、 溢漏体积、倾点等也影响扩展系数。 ( 2 ) 漂移过程 油膜在海面的漂移运动主要受制于表面流驱动，而油膜的上边界直接受风的切应力 作用而影响着油膜对流。漂移运动仅决定于平流条件。油水界面切应力是与海水运动密 切相关的。海面某水体微团，其水体运动由三部分组成( 如果不计它们的相互作用的话) ， 一是风生流，二是非风生流，三是风浪余流。前二者是在远大于油膜尺度的驱动力如引 潮力、密度场压力梯度力和风场海面切应力等作用下形成的海水运动，它们并不会因油 膜的存在而有较大的变化。而后者风浪余流则不同，按s t o k e s 理论，风浪余流的量值可 以达到风速的2 。但是由于油膜的存在，表面张力增加，使得海面趋于平坦海浪的非 线形作用大为削弱，因此，实际上风浪余流是可以忽略的【l0 1 。 由此可见，油膜平流实质就是油膜在上述驱动力作用下的拉格朗日漂移过程，其主 要依赖于海面风场和流场。流场便可认为是由风生海流、潮流、密度流、压力梯度流以 及冲淡水流的合成矢量场。在近海海域，潮流和风生海流是决定溢油漂移的最重要的因 素。实际观测表明：溢油若发生在开阔海域，溢油的漂移速度主要取决于风的作用；而 在近海或沿岸时，潮流的作用就不可忽视；特别在港湾或码头，潮流的作用更为重要。 1 2 2 非动力学过程 ( 1 ) 蒸发 蒸发是海面溢油中的石油烃的较轻组分从液态变为气态向大气进行质量传输的过 程。它是溢油质量传输过程的主要部分，特别是轻质原油或成品油如汽油、柴油等，蒸 发损失有的可达溢油总量的一半以上。蒸发在改变溢油总量、影响油组成的同时，也改 变着油的性质，使油密度、粘度、表面张力等增加，倾点上升。此外，蒸发还影响着其 它风化过程，如扩散、乳化、溶解等【l l 】。 溢油的蒸发速率受油的组分、饱和蒸汽压、空气和海面温度、溢油面积、风速、太 阳辐射和油膜厚度等因素的影响，另外蒸发速率也受到溢油量的影响，溢油量越大，蒸 发速度越慢。 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 乳化 溢油的乳化是指海上溢油风化过程中石油和海水混合在一起形成油水乳化物的过 程。油包水乳化物是水滴被分散到油里，呈黑褐色粘性泡沫状，它可长期漂浮于海面， 并包裹海洋生物的分泌物及其残骸，最终形成沥青球。乳化物的含水率高达7 5 8 0 ， 被称之为“巧克力奶油冻”。 一般来说，乳化作用在溢油后几个小时开始。因为刚发生溢油时油膜较厚，一般水 动力条件破坏不了油膜。只有当油膜扩展到一定程度，风浪的能量足以打碎油膜时才开 始形成乳化物。这主要取决于油膜的厚度，溢油本身密度和粘度的特性以及风浪大小等 因素。另外，乳化过程也影响其它风化过程。乳化物形成后，不仅增加了原来油的体积 ( 有时达3 4 倍) ，而且明显升高油的密度和粘度。接着对溢油进一步的扩散起阻碍 作用，蒸发量相对下降，有一部分乳化物进入更深的水深，从而改变溢油后来的行为及 可能带来的后果，因此需要揭示溢油乳化的机制，对溢油归宿的预测、制定有效的溢油 应急计划、决定和优化清除操作的决策都有重要意义【l “。 ( 3 ) 分散 分散是溢油形成颗粒进入水体的过程。自然分散包括3 个过程【1 3 】：( 1 ) 成粒过程， 在波浪作用下油膜破碎后形成油粒子的过程；( 2 ) 分散过程，油粒子在波浪的作用下进入 水体的过程；( 3 ) 油粒子在油膜内的聚合过程，多种相关物理一化学参数和以上过程的关 系。 自然分散能够减少漂移在水面的残留油膜的量，减少蒸发损失，但不会导致如蒸发 过程那样对溢油的物理化学性质的改变。油水界面的表面张力是影响分散的重要因素， 它只影响第一和第三步，即成粒过程和结合过程，而不影响液滴进入水体的运动过程。 油的粘度也能影响分散，粘度越大，分散能力越差，另外溢油的密度越大，油水之间的 差异越小，小油粒越容易形成，分散程度越高。 ( 4 ) 溶解 当石油进入海洋后，在不断蒸发的同时，石油的溶解过程也开始进行。在短时间内， 石油在扩散过程中，可溶性组分不断地溶于海水中。溶解量根据油的成分和种类而不同， 主要是低碳的石油烃，其中芳烃相对溶解度最大，其它组分在水中的溶解度一般都很低。 润滑油及高沸点馏分的溶解度非常小。链烷烃在水中的溶解度因水的离子强度不同而有 差异，在海水中溶解度比淡水低，且随碳数增加而下降，同系列烃的化合物每增加两个 碳原子则溶解度降低一个数量级，溶解度随着溢油漂浮在海上的时间的增加而增加，因 为光化学作用可加强其油的溶解过程，但这一影响也会因乳化物的形成而延迟。 基于p o m 的溢油数值模拟研究 扩散过程中，石油中的可溶解组分不断溶解于水体中。溢油的溶解度取决于溢油排 放源的位置，如海上平台油井发生溢油，溢油在上浮过程中，大部分低分子芳香烃组分 溶解在水中，其中尤其以苯类烃最明显，溢油层下水中的苯含量一般大于l o o m g l 。 尽管石油有极微弱的溶解于水的特性，溶解对溢油动态模拟的平衡计算影响甚小， 大多数情况下可以忽略，但由于进入海水中的石油烃无论是烷烃还是芳烃对海洋生物都 有一定的毒性，溶解于海水中的脂肪烃和芳烃对于海洋生物的亚致死浓度为o 0 1 o 1 i n g d i n 3 ，对于大多数生物幼体来说是o 1 一1 o m g d m 3 ，而对大多数成体生物为1 l o o m g d m 3 。因此模拟溢油的溶解、预测其在水体中的浓度有很大的生物学意义，对溢 油危险的预报有重要作用【l ”。 ( 5 ) 吸附与沉降 石油进入水体后，少部分油粒子会与水体中的泥沙等颗粒以及浮游生物、微生物、 细菌等发生吸附作用，吸附在载体上的油粒子会随载体一起运动，部分粘附在泥沙颗粒 及其他悬浮颗粒上的油分会与之一起沉降【1 5 1 。吸附过程取决于颗粒物质的性质和油的种 类，同时也受温度，水流等情况的影响。另外由于蒸发、乳化等风化过程的影响，溢油 块的密度会不断增大，当密度增大到高于水的密度时，就会产生沉降。虽然油附着于颗 粒物的研究有不少成果，但还不能定量表达其动力学过程。目前对于油的吸附沉降过程 尚不能准确预测，在溢油行为应急预测中，通常不予考虑。 ( 6 ) 光氧化与生物降解 光氧化过程是溢油在阳光的照射下，发生自由基链式的氧化反应，产生一些极性的、 水溶性的和氧化的碳氢化合物产物的过程。溢油在海洋环境中的氧化，主要受阳光和温 度的控制，其氧化速度随溢油的品种、照射光的强度、海水温度的不同而异。一般轻质 油氧化速度快，在含有紫外光的照射下( 3 0 0 3 5 0 n m ) ，其光源越强，温度越高，氧化 速度越快。经氧化后的溢油，由于新物质的不断生成，其物理性质，如颜色、粘度、比 重和表面张力也在改变【1 6 】。氧化过程中产生许多具有表面活性的物质，受这些表面活性 的物质的作用和海浪的搅动，经氧化后的溢油最终一般都形成所谓的“巧克力奶油冻”。 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。由于风化过程的复杂性和测试手段 的局限性，很难确定光氧化产物，对其形成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。 水体中的某些微生物对石油有较强的分解能力，分解后的部分石油组分可以成为微 生物的食物和能量来源，从而起到降解石油的作用。生物降解速率除了与石油组分及分 大连理工大学硕士学位论文 散程度有关外，还与微生物的种类和数目有关，而这些又与环境条件包括温度、盐度、 p h 值、营养盐等相关【”。 生物降解决定海上石油最终归宿，和光氧化过程一样，生物降解在长期风化过程( 几 个月到几年) 中是非常重要的。 1 3 溢油数值模拟的研究进展及发展趋势 溢油运动的数值模拟是一个非常复杂的问题，溢油的行为和归宿受风、浪、流等动 力环境因素、其它非动力环境因素和油品特性等多种因素的支配。溢油运动不但包括油 膜在自身重力、表面张力和惯性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，比如溢油的 蒸发、溶解、乳化、生物降解会引起溢油的组成、密度、粘性等发生变化。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项庞大 而复杂的工程。 过去4 0 多年中已建立了不少溢油模型，但在早期，研究者们大多采用基于对流扩 散方程的各种数值方法来模拟溢油运动。s h e n 和y a p a 建立了一个河流中表层油膜输移 的数学模型r o s s 切，在该模型中，油膜输送过程包括流动、扩散、紊动扩散、蒸发、 溶解和附着在岸边等。在此基础上，杨小庆，沈洪道i l8 】等建立了油在河流中传输的双层 数学模型( r o s s 2 ) ，它考虑离散进水体的悬浮油珠为悬浮层，表层和悬浮层之间不断有 质量交换，该模型已用于l a w r e n c e 河上游和o m a 河流系统；李炜【19 】基于对流扩散方 程，加上一项油滴上浮引起的扩散项来描述油滴的运动。但结果并不令人满意，因为溢 油不同于其他污染物质( 如n ，p 等含量过高造成的水体富营养化问题) ，它比水轻， 几乎不容易水，采用这类方法可能会引进与物理扩散无关的数值扩散，数值扩散很大时， 会完全掩盖溢油的实际物理扩散，使计算结果失真，不能描述真实的溢油运动行为。 p a 口a d i m j 仃a k i s 【2 0 】等用两相流的方程来模拟动力学过程，并且在模型中也考虑了风化过 程。 8 0 年代中期，j o h a n s e n ，e l l i o t ，h u r f o r d 等开发“油粒子”模型【2 ”，该法在模拟溢 油时获得了巨大成功，它能准确地再现溢油的真实扩散过程。在该模式中，溢油被看成 是由大量油粒子组成的，每个油粒子代表一定的油量，在表面流场及风场的作用下漂移， 剪切流和湍流对溢油运动产生的作用通过油粒子的随机运动来实现。油的蒸发，消散等 过程由油粒子的质量损失来体现。油膜的厚度可以通过一定面积中油粒子的数目、质量、 体积计算得到。油粒子模式能够很好的模拟溢油在水体中的实际运动情况但在水体中时 粒子则表现为油滴，表面油膜的大小为表面粒子的叠加。溢油在海水表面的漂移和风化 基于p o m 的溢油数值模拟研究 过程采用表面扩散、平移、输送、乳化和蒸发算法来模拟计算；而水体中油粒子与同水 体一起运动，并伴有随机行为，因此可视作拉格朗日粒子，则采用随机走动算法模拟水 平和垂直方向的平移以及湍流扩散。与过去的求解对流扩散方程的算法相比，应用油粒 子概念不但较好地解决了油膜在环境动力作用下的变形和破碎过程，并能确切预报油膜 边缘的扩展过程和油膜形状在风向上的明显拉伸现象，可以切和实际地模拟油膜的不规 则形状和漂移轨迹，而且可以有效地消除数值发散问题。国内外的研究者都广泛使用了 该模型【2 1 2 7 】，打破了采用对流扩散方程模拟溢油的传统方法。 从本世纪八十年代初开始，为了适应溢油应急决策支持的需要，利用计算机技术和 地理信息系统技术，各发达国家相继开展了溢油动态预测系统研究，比如美国的 o i l m a p 系统、英国的o s i s 系统、挪威的o s c a r 系统等 2 s 】。综观目前的发展趋势， 除了在输入简便快捷、计算迅速准确、系统维护稳定、结果可视化、模型结合实验数据 和通过实际校验等方面不断完善之外，与地理信息技术、遥感技术、数据库技术的结合 越来越紧密，逐渐向综合性的溢油污染应急信息管理系统方向发展。 1 4 本文主要内容 ( 1 ) 对大连湾的水文地质、气象资料进行收集和分析整理，利用国际上流行的普林 斯顿海洋模型( p o m ) ，模拟出大连湾三维潮流场的分布，用潮位调和分析值与计算结果 进行比较，来验证模拟结果的合理性，并将模拟结果可视化。 ( 2 ) 纵观国内外海上溢油数学模型的发展现状，在p o m 的基础上，建立大连湾溢 油动态模拟模型，并考虑蒸发和乳化等风化过程，模拟出大连湾中发生溢油后对海域环 境造成的影响，给环境风险评价提供科学依据。 大连理工大学硕士学位论文 2 水动力模型 对于海洋环境研究来说，水动力学特性是重要的研究内容。只有掌握了水动力学过 程，才有可能揭示水质等环境问题的发生和扩展机制，才有可能进一步解决生态学问题。 严格来说，水动力学模型包括物理模型和数学模型两大类。物理模型即常用的比尺 模型，最初人们在研究海岸河1 ：3 等问题时常采用物理模型，但因其造价高、建造时间长、 方案更改周期长，尤其是对复杂自然环境不易模拟、受时间和空间尺度限制较大等固有 缺陷，其发展和应用受到了限制。数学模型是将所研究的现实世界中物质运动的物理机 理进行抽象，而建立数学物理方程，称之为控制运动的基本方程。对数学模型进行求解， 就是预先将运动的时间和空间离散，再将数理方程在某离散时空点上离散为与其相邻点 相关的代数关系式，选择有效的数值方法( 或计算格式) ，求得该时空点上相关物理量 的值。这样随着时间的推进和空间的扫描，就可获得物理量的时空分布。数学模型具有 受限制少、数据庞大、计算精度高、建造容易、验证后易保存等许多优点。因此，数学 模型在海岸水动力学研究中己成为不断发展的主流。本文下述的水动力学模型，就是指 数学模型。 基于对于海水运动其支配作用的基本物理定律，可以建立连续方程、动量方程、物 料守恒方程和能量守恒方程，以及海水状态方程，共七个方程式。这七个方程式包含着 速度( 3 个分量) 、压强、物质浓度、密度和温度共七个变量，因此构成了一个封闭的方 程组。但是在实际中求解这七个方程是相当困难的。现在的研究总是在特定环境条件下 通过尺度分析，确定主要影响因素，提出一些假设或近似给方程以简化。本文主要研究 海湾中的海水运动，而潮流是海岸河口地区的主要水动力条件之一，因此控制方程就使 用潮流控制方程。 2 1 潮流基本理论及基本方程 潮汐现象是在月球和太阳引潮力作用下海水的周期性运动，包括海面周期性升降和 海水周期性流动。前者称为潮汐，后者称为潮流。月球和太阳的引潮力使海洋中产生一 种长周期波，成为潮波。当潮波波峰到来时，发生高潮；到潮波波谷到来时，发生低潮。 月球、太阳和地球的相对位置不断变化，因而使潮汐产生周期性变化。潮汐与地理纬度 有关。在近岸区，还受当地地形、底部摩擦以及淡水径流的影响。 2 1 1 潮流基本理论 潮流，又称非恒定流，为周期性运动。潮流是海岸河口地区最基本的物质运动，其 他物质如泥沙、盐分、各类污染物以及热量的输运过程，均伴随着潮流而运动。在海湾 基于p o m 的溢油数值模拟研究 河口等狭窄地带，一般存在往复式潮流，涨潮落潮方向几乎完全相反，在变向之前，发 生憩流。在开阔海域，一般存在旋转式潮流。潮流方向旋转变化，每个周期大约旋转一 周。 潮汐理论有两种：一种是平衡潮理论，另一种是潮汐动力学理论。1 6 8 7 年，牛顿提 出了万有引力，解决了产生潮波运动的原动力引潮力的问题，但是牛顿却把原属于 动力学的问题潮波运动当成静力学问题来处理，建立了平衡潮理论。但是，平衡潮理论 中的许多概念如潮汐椭圆、分潮、调和常数等现在仍经常使用。直到1 7 7 5 年，l a p l a c e 才提出潮汐动力学理论，他将潮波看成是在月球和太阳引潮力作用下的强迫运动。到目 前为止，求解潮流运动的解析解，还只限于某些简单几何形状的理想海域，并且只能定 性地说明一些实际现象，还不能给出实际海洋中的潮汐分布规律。为得到具体海域中的 潮流运动特征，只能借助于数值方法。 潮汐现象不是到处都是一样的。根据潮汐涨落的周期和潮差的情况，可以大致分为 正规半日潮、不正规半日潮、正规全日潮和不正规全日潮四种类型。 人们把具有复杂周期的潮汐看作是许多周期各异的潮汐叠加而成的，而且假设每个 这样周期的潮汐对对应着一个天体，这些假想天体对海水所引起的潮汐称为分潮。其中， 半日潮周期中尬、& 和全日潮周期中蜀、0 j 为四个主要分潮。 2 1 2 潮流控制方程 连续方程： 丝+ 宴+ 坐：o( 2 1 ) 融砂勿 动量方程： 詈+ 甜罢+ v 等+ w 謇一，t v = 一三罢+ 昙c 4 罢，+ 品c 4 参+ 昙c a ：暑，c z 2 p 一， 一+ 甜+ v + w 一= 一一= 一+ 一1 4 。1 + ( 4 ) + 一1 ) t z ) 劈锄却易缸彘、1 苏7 加、，却7 瑟、2 如 娶+ “宴+ 妻+ w 妻+ f u v：一土罢+ 昙( 4 尝) + 晏( a ，妻) + 昙( 4 妻) ( 2 3 )一+ “+ + w 一+ = 一一- ：一+ 一f 4 一) + 一i ) + ( 以il z 3 ) 西缸 咖出p 却苏、1 融7 勿、却7 如、2 瑟 等+ “芸+ v 考+ w 老一吉鲁+ 昙c 以宝，+ 言c 4 旁+ 昙c 4 老卜g c z 棚 百+ “西+ v 面+ w 瓦一石言+ 瓦( 4 瓦) + 瓦矽+ 瓦【以夏) 一 l 乙刨 式中，为时间；x 、y 和z 为x o y 面置于未扰动静止海面、z 轴铅直向上的直角坐标 系坐标；“、v 和w 分别为流速沿x 、y 、z 轴方向的分量；p 为海水密度，取作常数；p 大连理工大学硕士学位论文 为海水压强；以为垂向涡动粘性系数；a ，和4 分别为沿x 、y 方向的水平涡动粘性系数， g 为重力加速度，厂为柯氏力参量。 2 2 海洋动力学数值模拟研究进展 潮流数值模拟始于6 0 年代，在国内始于7 0 年代，并于近二十多年来有大量的研究 成果问世。由于近海海域多为宽浅型海域，水平尺度远大于垂直尺度。因此，由三维模 型简化得到的二维模型能在一定程度上较为准确的给出所要研究海域的潮流特征，得到 了广泛的应用。随着计算机技术和计算方法的高速发展以及实际需要的提出，模拟三维 潮流已成为近来潮流数值模拟的主流。 在已有的数值模型中，按空间离散方法可分为有限元，有限差分，有限体积等；按 差分网格形状又可分为三角形、矩形、四边形、多边形、曲线坐标网格和无网格等，按 时间离散格式还可分为显式、隐式、半隐半显式等。对于三维的数值模拟，从处理方法 上又可分为分层二维法，谱方法，流速分解法，坐标变换法等。以下简要介绍潮流数值 模拟部分常见方法。 2 2 1 常用时问离散方法 时间离散基本上都采用差分方法，有全隐式、全显式及其它多种经典格式。全隐式 具有无条件稳定性，但计算复杂；全显式离散简单，易于编程实现，但稳定性较差，因 此，单独运用这两种格式的情况较少。目前常用的差分方法综合了显式法和隐式法的优 点，它来源于p e a c e m a n 、r a c h f o r d 和d o u g l a s 于1 9 5 5 年提出了a d i 法( 显隐交替法) ， 该方法既不像全隐式那样每一步都要解全计算域上的大型方程组，在机时上比较经济； 同时，它在计算过程中也没有显格式常常出现的不稳定波动现象，因此，该方法在提出 之后很快得到了推广和应用。在此基础上，后来又发展了一系列新方法，如：m a d i 法 ( m o v i n ga d i m e t h o d 卜一比a d i 法有更好的稳定性、收敛性和精度：迎风a d i 法一 可用于解决极浅水域计算稳定性问题；a d e 法一比a d i 方法更便于可动边界的计算； a d i - q u i c k 法兼备a d i 法和q u i c k 法的优点，精度高，不呈现短波振荡和人工 数值耗散，运算简便，比常用方法具有明显的优越性【2 9 】。 2 2 2 常用空间离散方法 有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，f d m ) 是将微分方程中的微分项以差商代替， 通过求解差分方程组得到网格点上的近似解。差分方法理论简单易懂，便于编程，是发 展较为成熟的方法，在计算流体力学方面获得了广泛的应用。有限差分法的主要缺点是 对复杂区域的适应性较差及数值解的守恒性难以保证1 3 0 1 ，为克服传统差分法的这些缺 基于p o m 的溢油数值模拟研究 陷，t h o m p s o n 等人最早提出了利用贴体坐