（环境工程专业论文）感潮江段事故溢油二维数值模拟.pdf

摘要 一般来说，有大吨位船舶进出的水域都存在着大规模事故性溢油的风险。这 种风险的概率大小与船舶运输密度、水域情况、气候条件以及技术管理水平等诸 多因素有关。长江作为我国的第一大干流，在我国的社会经济发展过程中，起着 非常重要的作用。随着长江水运的发展，建立长江上事故溢油的突发应急系统显 得紧迫而必要。而利用数学模型模拟事故的发生和危害就是应急系统的核心组成 部分。 根据溢油进入水体后行为与性状的变化特性，主要模拟两个变化过程：溢油 发生初始阶段，油膜漂浮于水面，运用油膜扩延与漂移模型模拟出油膜的扩延范 围和行踪轨迹；溢油发生后期，在强烈的水力条件、外界因素的干扰下，油膜破 碎，形成含油污水并沿垂向扩散，运用水质模型模拟出油浓度的分布。 本文主要模拟长江常熟段煤码头前沿发生突发溢油事故，流场的计算采用二 维非恒定流浅水方程组模拟，垂线平均流速的数值求解采用无结构网格的有限体 积法，利用基于黎曼问题的o s h e r 高性能数值通量格式来计算通过各单元边上的 数值通量，从而模拟出水流过程。在溢油发生初期，扩展、漂移是其主要行为， 在建立的流场基础上采用溢油组合运动模型模拟油膜的扩延范围和漂移踪迹；在 溢油发生后期，采用二维对流一扩散方程模拟油浓度的分布。 本文首次对感潮江段发生突发溢油事故后，油膜在水面及向水下的扩散过程 加以模拟，并分析了风场和流场的关系。这为长江等入海江河，尤其是受潮汐影 响较大的浅水水体建立溢油动态数值模拟系统或突发性油污染事故的应急系统 都具有重要的意义。 关键词：感潮江段、常熟段、事故溢油、二维模型、油膜、o s h e r a b s t r a c t c u r r e n t l y , t h ew a t e ra r e aw h i c ht h el a r g et o n n a g ew a t e r c r a f tp a s si na n do u tw i l l h a v et h em o s tr i s ko fo i ls p i l la c c i d e n t s t h ep r o b a b i l i t yo ft h er i s kb e a r so nt h e d e n s i t yo ft h ec r a f tt r a f f i c ，t h es t a t u so ft h ew a t e ra r e a ，t h ec l i m a t ec o n d i t i o n ，t h el e v e l o ft h et e c h n o l o g ya n dm a l a g e ，a n ds oo n 。t h ey a h g t s er i v e r w h i c hi st h em o s t i m p o r t a n tr i v e ri no n rc o u n t r y a r o u s et l l er i g h te f f e c ti nt h ed e v e l o p m e n to fo u r c o m m u n i t ye c o n o m y w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft r a f f i ci nt h ef i v e r , s e t t i n gu pt h e e m e r g e n c ys y s t e ma b o u tt h eo i ls p i l la c c i d e n t si sp r e s s u r ea n dn e c e s s a r y t h e n n u m e r i c a lm o d e l ，t os i m u l a t et h eo e c u r a n c ea n dh a r mo ft h ea c c i d e n t ，i st h ec o r ep a r t o f i t d t i et ot h eb e h a v i o ra n dc h a r a c t e ro f t h eo i is p i l l i n gi n t ot h ew a t e r , t h es i m u l a t i o n m a i n l yi n c l u d e st w os e c t i o n s ：a tt h eb e g i n n i n g ，o i lf i l mm o v eo nt h es u r f a c eo ft h e w a t e r t h es p r e a d i n ga n de x c u r s i o nm o d e lw i l lb eu s e dt oe x p r e s st h eb o u n da n dl o c u s o fo 钉f i l m ；t h e n ，州t l ld i s t u r b i n go ft h es t r o n gh y d r a u l i c sa n do t h e rf a c t o r s ，o i lf i l m b r e a ku p ，a n df o r mo i l i n e s ss e w a g e ，d i s t r i b u t i n go nt h eyc o o r d i n a t e t h eq u m i t ym o d e l w i l lb eu s e dt os i m u l a t et h eo i ls t r e n g t he x t e n s i o n t h em o d e li su s e di 1 1f r o n to ft h ec o a ld o c ko ft h ec h a n g s h ui nt h ey a n g t s e r i v e r ad e p t h a v e r a g e dt w od i m e n s i o n a lu n s t e a d yf l o we q u a t i o ni sd e v e l o p e dt o d e s c f i b ew a t e rf l o w , a n dt w od i m e n s i o n a lc o n v e c t i o nd i f l u s i o ne q u a t i o nt od e s c r i b e t h ed i f l u s i o no fe m u l s i f t e do i l at w o d i m e n s i o n a lw a t e rq u a n t i t ya n dw a t e rq u a l i t y c o u p l i n gm o d e lu s i n gf i n i t ev o l u m em e t h o d ( f v m ) i se s t a b l i s h e dt os i m u l a t ew a t e r f l o wa n dt h ed i f f u s i o no fe m u l s i f i e do i l f 1 u ) ( d i f f e r e n c es p l i t t i n g ( o s h e r ) a l g o r i t h m ， a na p p r o x i m a t er i e m a r ms o l v e r , i se m p l o y e dt oe s t i m a t et h en o r m a lf l u x e sa c r o s st h e i n t e r f a c eo fc e l l s t h et w o d i m e n s i o ns i m u l a t i o ni st r a n s f e r r e di n t os o l v i n gas e r i e so f i o c a lo n e d i m e n s i o np r o b l e m w h i c hi su s e dt os i m u l a t et h eh y d r o d y n a m i cp r o c e s s a n do i lp o l l u t i o nd i f l u s i o n t h em o d e li sa p p l i e dt ot h es i m u l a t i o no f t h em o v e m e n to fw a t e rf l o wa n dt h e d i f f u s i o no fo i l i n e s sw a t e ro n1 m ey a n g t s er i v e r , a n a l y z i n gt h ec o n n e c t i o no ft h e s u r f a c ev e l o c i t ya n dt h ew i n dv e l o c i t y t h er e s u l tc a nb eu s e di np r e d i c t i n gt h e d i 陌j s i o no fo i l i n e s sw a s t e w a t e ro nt h ey a n g t s er i v e ra n do t h e rl a r g ew a t e rb o d y i t a l s op r o v i d e st h e o r e t i c a jb a s ea n dt e c h n i c a lm e t h o df o rt h ee s t a b l i s h m e n to ft h e m a t h e m a t i c sm o d e lo ns h a l l o ww a t e r s o rt h eo u t b u r s to ft h e0 i ls p i l le m e r g e n c y p r e d i c t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：t h et i d e s e c to ft h ey a n g t s er i v e r ；c h a n g s h u ；o i l s p i l le m e r g e n c y ； t w o d i m e n s i o ns i m u l a t i o nm o d e l ；o i lf i l m ；o s h e r 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) ：主边b5 童澌f 年6 月e l 论文作者( 签名) ： 垃i 蜘5 垒澌f 年6 月d 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( 光盘版) 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) ：五! 兰 加5 年月目 感潮江段事故溢油二维数值模拟 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 1 1 1 问题的提出 长江是我国的第一大干流，在我国的社会经济发展过程中，起着非常重要 的作用。长江干流的中下游航道水运条件极为优越，特别是武汉以下的1 1 0 0 公 里航线上，常年可以通行3 0 0 0 吨级的船舶，南京以下可以通行万吨级的船舶。 社会经济的发展，特别是近几年“长三角”的迅速腾飞，都对长江中下游地区的 物流效率提出挑战，在这种情况下，以“成本低运量大”为特点的船舶运输必然 大幅增长。很明显的例子是江苏沿江港口的迅速发展，尤其是进江海轮己成为江 苏沿江港口的运输主力。2 0 0 0 年，江苏的国际航行船舶进出口岸5 5 3 7 艘次，货 物吞吐量1 7 亿吨；2 0 0 1 年国际航行船舶进出口岸6 7 7 5 艘次，货物吞吐量1 9 亿吨，增长l i 8 ，日海轮流量最高达到2 0 0 艘次，海轮承担的货物运量超过1 亿吨，占货物总吞吐量的5 5 “1 。1 。 2 0 0 2 年在对于从重庆港向东2 4 个港口( 不包括上海) 1 8 种货类吞吐量的 统计来看，石油及其产品占3 0 ，煤占2 0 ，矿石占1 0 ，可见石油及其产品占 第一位。尤其是长江下游段，万吨油船和小驳船并行作业是非常普遍的现象。石 油运输的增长和船舶状况的复杂都对溢油事故的控制和避免提出了挑战。 在运量不断增加的同时，长江船舶污染状况日趋严重。2 0 0 0 年长江海事局 共查处船舶污染事件1 4 起；2 0 0 1 年增加到1 0 7 起；2 0 0 2 年仅上半年长江海事局 已查处1 1 7 起。船舶污染事故呈直线上升趋势。典型的事故有。1 ： ( 1 ) 、1 9 9 7 年1 0 月8 日，“赣抚州油0 0 5 ”轮载纯苯由南京开往重庆时发生 触礁，1 5 0 吨纯苯入江。 ( 2 ) 、1 9 9 7 年1 0 月2 0 日，“川南溪驳0 0 1 6 ”触礁，2 0 6 吨四氯化碳入水。 ( 3 ) 、2 0 0 0 年6 月8 日，“衡山机0 0 1 8 ”轮在江城陵矶水域翻覆，4 5 吨甲 胺磷入水。 ( 4 ) 、2 0 0 1 年3 月1 2 日，南京时顺油运公司“宁顺2 号”在安庆溢油2 0 0 感潮江段事故溢油二维数值模拟 一3 0 0 吨。 ( 5 ) 、2 0 0 1 年1 0 月2 0 臼“皖湾止货0 2 9 8 ”与一油轮相撞，造成溢油事故 污染。 ( 6 ) 、2 0 0 2 年7 月1 1 日，江西乐平航运公司“赣景货0 0 0 5 ”轮在武穴锚地 发生碰撞事故，纯碱2 4 0 吨入水。 尤其是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，这是长江历史上晟大的一次溢油。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苒发生。 根据统计，长江中下游1 9 8 5 - - 1 9 9 4 年，共发生事故1 5 1 0 起，由于航道条 件可靠性低，驾驶员不熟悉环境，在大密度交通流及航道受限的情况发生的有 7 0 1 起，占4 6 4 。1 9 9 7 年l o 月1 日长江海事局开始对进行装卸作业或修船等 可能造成污染的水上活动强制实施围栏的布设，此举大大降低了作业污染的危害 程度。通过以前的事故分析，可以明显的看出主要的船舶事故性溢油原因是油船 碰撞和搁浅以及各种原因造成的火灾爆炸。 一般来说，有大吨位船舶进出的水域都存在着大规模事故性溢油的风险。 这种风险的概率大小与船舶运输密度、水域情况、气候条件以及技术管理水平等 诸多因素有关。人们要有船舶溢油的风险意识才能更充分地认识引起事故的原 因，防患于未然，尽量减少发生事故的可能性，一旦事故发生，才能迅速有效地 进行反应，使损失降到最小程度。 i i 2 问题的研究意义1 随着国际贸易、旅游事业以及水产养殖业的发展，便利的水上交通越来越 体现出其重要性，船舶的数量和吨位也相应迅猛增长，而这些船舶所排放的含油 污水却严重破坏了水体的环境。因而研究油污在水体中的迁移变化成为目前的一 个热点问题。 长江作为我国的第一大干流，在社会经济发展过程中，起着非常重要的作用。 但是，随着流域资源的大规模开发和经济的快速增长，导致长江水质日益恶化。 近期首次向社会公布的长江水资源质量公报显示，长江流域废污水排放量逐 年增加，河流水质呈下滑趋势，大量湖泊富营养化，氏江水质正在恶化，已严重 感潮江段事故溢油二维数值模拟 影响流域的生态环境和生存物种。在长江流域的水环境污染形成过程中，由航运 引起的污染占很大的比重。长江总通航里程7 万公里，占全国7 0 以上。内河航 运作为一种传统的运输方式，长江干流主要承担水系内石油、化工、冶金、电力、 机械等大型企业国i 勾# l - 重点物资的运输任务。近年来，随着长江沿岸石油、化工 行业的快速增长以及油品销售市场不断扩大，从事油品运输的船舶也发展很快。 在长江航运对水质的污染中，油污染占据着非常大的比重。长江上突发油污染事 故己对经济的可持续发展产生了极为不利的影响，急需开展这方面的研究。 大规模事故溢油的特点具有偶发性和突然性，一旦发生即迅速扩展，波及面 广，损失巨大。因此，溢油事故发生后，如何快速有效地使油污染得到控制和清 除，降低其危害程度，引起了人们的广泛关注，成为了学术界研究的热点。2 0 0 5 年1 1 月发生在松花江上中国石化公司硝基苯和苯泄露的特大污染事故又一次向 人们敲响了警钟，对突发事故的应急预警处理非常重要。因此，在重要水域，尤 其是油轮主要出入通道、港湾、码头应浚建立完善的预报系统，并与后处理应急 救援系统一起协调工作。 1 2 石油的组成及其危害 1 2 1 石油的组分”1 石油是生物残体在地质沉积的长期过程中，逐渐转化为二氧化碳、甲烷和石 墨等多种碳氢化合物构成的混合物，埋藏于地层和海底。从地层和海底开采出来 的石油称为原油，加工后得到各种炼制产品。原油中含有数千种化合物，主要是 烃类，占总成份的( 5 0 9 8 ) ，其余是非烃类化合物。石油中的碳氢化合物一 般可分为以下四类： ( 1 ) 烷烃系碳氢化合物 在常温、常压下为链状碳氢化合物，少于4 个碳原子为气体，5 个以上则 变为液体，1 6 个以上变为固体。具有代表性的成份为甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、 戊烷和己烷。 ( 2 ) 烯烃系碳氢化合物 石油一经加热便产生有双键结构的易于反应的链状碳氢化合物，如乙烯和丙 感涮江段事敞溢油二维数值模拟 稀等。 ( 3 ) 环烷烃碳氢化合物 具有代表性的成份是苯、甲苯和二甲苯等，多数存在于原油中，经炼制后的 轻质成品油中含量不多。 ( 4 ) 芳香烃系碳氢化合物 在石油中含量较高且毒性大，尤其是高沸点芳烃含有长效毒性物，可以致癌。 石油中除了上述烃类碳氢化合物外，还含有非烃类组分，如硫化物、氧化物、氮 化物、无机化合物( 钠盐、镁盐和其它硫酸盐等) 和其它金属化合物( 钒、镍和 铁等化合物) 杂质以及痕量金属元素。 1 2 2 石油的主要物理特性 ( 1 ) 比重 比重是一定体积的试样油在1 5 时的质量与同体积的水在4 。c 时的质量之 比( 1 5 。c 4 。c 比重1 。原油比水轻，新鲜原油的比重约为8 2 9 8 9 6 。原油进入水中 后，其轻组分不断挥发，体积缩小，比重随之加大，一般可达9 2 1 ，9 7 5 。某些中 东原油，其高沸点残渣的比重可高达1 0 2 3 1 0 2 7 ，接近海水的比重。 在美国，通常把6 0 下( 1 5 6 。c ) 的一定体积的试样油的质量与同温同体积 的水的质量之比作为油品的比重。另外，美国石油协会( a p i ) 采用a p i 比重。 ( 2 ) 粘性 油附着在物体表面，可起滑润、密封和冷却作用，作用的大小与粘度有关。 粘度不仅影响油本身的运动特性，还直接影响油回收装置的性能。绝对粘度的量 纲为： 质量 长度 时间 其单位为牛顿秒米2 州s m 2 ) ，有时也可采用辅 助单位泊( p ) 和厘泊( c p ) 。力学计算时常使运动粘度( c s t ) ，其换算关系为： p = 0 1n ，s m 2 c p = 0 0 1 p c s t = c p 同温下的密度 c s t 常称厘沲。 石油的粘度一般随温度的升高而降低，随温度的降低而升高，且比重愈大， 沸点愈高，粘度亦愈高。石油在一定的温度下为遵守牛顿粘性法则的流动液体， 感潮江段事故溢油- l t 数值模拟 其粘度与切变速度、切变应力成正比。当温度较低或达到分解高温时，则不遵守 牛顿法则，变成非牛顿液体。当温度在一3 4 - - + 7 时，石油会凝固成块状。一般 含胳量高的原油凝固点较高，其粘性也较大。 ( 3 ) 流动性 石油与许多流体一样，有“易流动”的性质。度量石油流动性的标准是流动 点。把石油试样置于规定的容器中，不搅动试样，经一段时间冷却，测取试样可 能流动的最低温度( 一般比凝固点高2 5 。c ) 作为其流动点。粘度高和烷烃成分 多的石油，流动性偏低。石油的流动点是油储运过程中必须考虑的重要参数之一。 高粘度和高含腊量的重原油，因其流动点高于环境温度而失去流动性，从水上回 收时无法使用泵吸，须采用固体搬运方法。 ( 4 ) 溶解性 一般认为油不溶于水，实际上是溶解度极低而已。国外对石油烷烃类成份的 溶解度做过一些研究工作，发现其溶解度与烷烃的碳量有关。在2 06 c 时，c i o - - c 2 5 的烷烃在水中的溶解度为1 0 4 一l o 8 m 3 ，大于c 3 7 时，溶解度降为1 0 - - 1 4 9 m 3 。由于溶解度很低，一般情况下可不予考虑。 ( 5 ) 挥发性 石油的挥发性较强。据估计，海上溢油的1 3 2 3 通过挥发进入了大气。 油的低沸点组份比例越大，挥发越快，油的表面积越大，轻组份挥发越快。一般 较轻质油的起始挥发率较高，如煤油和汽油等炼制品溢出后，数小时内便可挥发 净尽；轻质原油溢出后第一天可能挥发4 0 。石油的挥发性取决于许多因素， 如油的组分，水温，风速与油的扩散特性。溢油后，由于油的挥发，除了损失油 量和污染大气外，还会引起两方面的消极影响，一是易挥发油溢于有限范围内时， 容易着火和爆炸，二是挥发后的残油密度和粘度将明显增大，给清除回收溢油造 成一定困难。 ( 6 ) 毒性 从原油挥发出来的石油气同汽油挥发出来的气体一样，对人体有害。 实验表明，在大多数情况下，石油产品的毒性与其所含可溶性芳烃衍生物的 数量呈正比关系。石油对生物的毒性影响可分为急性中毒和长期低浓度毒性效 应。目前尚难定量分析海洋溢油的毒性影响。 感潮江段事敞溢油一维数值模拟 ( 7 ) 表面张力 表面张力一般产生在两种介质的交界面。表面张力使液体表面拉紧收缩，从 而会对液体的运动状况产生影响。表面张力的大小可用液体表面上单位长度所受 的张力，即表面张力系数点来表示( i 、j 分别表示甲、乙两种介质) ，单位是n m 。 表面张力在海面溢油扩展后期是一种决定性的力。以上介绍的几个石油的主要 特性都与研究海上石油的扩展、扩散、离散、迁移和降解过程密切相关。 1 2 3 石油污染的危害 石油污染的危害主要是生态的危害。石油中碳氢化合物的污染带有全球性 质，水体中石油污染的危害主要有以下几方面“”1 ： ( 1 ) 影响光合作用 石油入水形成油膜，抑制水生生物( 浮游植物) 光合作用，从而破坏水体中 食物网中的中心环节浮游植物的光合作用，破坏食物链，导致生物死亡。 ( 2 ) 消耗水中溶解氧 油膜覆盖影响水体复氧，石油分解，消耗水中的溶解氧，造成水体缺氧，使 生物死亡。 ( 3 ) 毒化作用 石油中所含毒稠环芳烃和有毒重金属，可通过生物富集和食物链传递危害人 体健康。在含饮用水功能的水体中，油污染还会影响人们正常的生活，造成极大 的影响。 ( 4 ) 玷污水产品和滩涂 石油污染会玷污水产品，使之不能食用。其次，石油污染使水体近岸遭到生 态破坏，毁坏湿地、滩涂。 由此可见，石油污染日益严重且造成的危害影响深远。研究和治理石油污染 将是我国今后水环境工作的一项重要任务。 感涮江段事故溢油二维数值模拟 1 3 本文主要研究内容与方法 由于问题的复杂性，以及石油进入水体后行为与性状变化的实际情况，本 文把石油在水环境中混合输移基本问题分为两个步骤： 第一步，溢油发生初始阶段，由于油比水轻，当油泄入水体后，首先是漂 浮在水面。用经验公式模拟油膜自身的扩延和在水面的漂移行为，着重研究它的 扩延范围和行踪轨迹。在溢油发生初期，了解油膜行踪轨迹，可以采取有效的措 施加以控制和消减； 第二步，由于水体处在流动状态，并且在风和波浪作用下，水面的波动和 紊动都普遍存在，油膜终将逐渐被分散成油滴，扩散到水体内部，溢油的处理中 将会向水体投放乳化剂，加速油膜的分散。这样，在强烈水力条件的干扰和外界 因素的作用下，含油污水将沿垂向发生分布，可近似等同于浅水水体中一般污染 物的垂向均匀分布。研究其浓度分布范围可确定溢油事件对保护目标的危害程 度，从而可采取有效措施。 研究方法：流场的计算采用二维非恒定流浅水方程组模拟，垂线平均流速的 数值求解采用无结构网格下的有限体积法，利用基于黎曼问题的o s h e r 高性能数 值通量格式来计算通过各单元边上的数值通量，从而模拟出水流过程：在溢油初 期，扩展、漂移是其主要行为，在建立的流场基础上采用溢油组合运动模型模拟 油膜的扩延范围和漂移踪迹；在溢油发生后期应用二维对流一扩散方程模拟油浓 度场分布。整个事故溢油的发展过程模拟如图卜l 所示。 图卜1 事故溢油发展过程图 感潮江段事故溢油二维数值模拟 第二章浅水流数值模拟研究 2 1 浅水流动的力学定义 2 1 1 “浅水”的定义 严格来讲，水的流动均是三维流动。n a v i e 卜s t o k e s 方程是描述该运动的基 本方程。直接求解n a v i e r - s t o k e s 方程较困难，有些情况下甚至不可能。于是在 满足实际需要的情况下就有了由三维至二维甚至一维的简化。一维浅水方程又称 圣维南( s a i r l t - v c n a m ) 方程，由圣维南1 8 7 1 年首先提出。虽然严格意义的浅水 流动不存在，但它接近于某些实际流动。除深海外大部分的地表水在一定条件下 都可近似作为浅水体来处理。 应当指出，浅水流动并不体现该运动水体绝对水深的大小，浅水流动的特 征为“”1 ： ( 1 ) 主要受重力驱动，并具有自由表面； ( 2 ) 水平运动尺度远大于垂直运动尺度的运动； ( 3 ) 水平流速沿垂线近似均匀分布，可近似不考虑实际存在的对数或指数等 形状的垂线流速分布； ( 4 ) 垂向流速及垂向加速度可忽略，从而动水压力接近静压分布。 如已给定水底形状，在上述条件下，要完全描述水流，只要知道沿垂线平均 的水平流速的平面流场，以及水深( 或水位) 平面分布随时间的变化即可。因此， 用三维不可压流运动方程组沿垂向积分，并利用上述条件，所得的二维方程组就 可以完全描述浅水流动。 2 1 2 可看作浅水流动需满足的条件 能作为浅水流动处理的重力作用下的有自由表面的实际水流，通常出现在 下列情况： ( 1 ) 水深相对较浅。所研究的水体的深度远小于流场计算域长度，且考虑实 感潮江段事+ 溢油二维数值模拟 交盐线网格。f d m 通常在计算域概化及数值解精度方面存在困难。 2 2 2 特征法( m o c ) m o c ( m e t h o do f c h a r a c t e r i s t i c s ，一维情形亦称特征线法) 与f d m 的主 要不同在于利用沿特征成立的特征方程( 又称相容关系) ，而不是利用普通空间 坐标中的原始方程。特征方程反映了双曲问题中信息沿特征传播的性质，因而算 法符合水流的物理机制。可以说m o c 是一种更合理的逆风格式，具有优良的精 度。不足之处是，特征方程常为非散度形式( 非守恒形式) ，用差分法离散特征 方程时会带来守恒误差。当水流沿程变化较大( 如存在底坡) 时，非齐次项计算 较繁，可能带来很大误差。m o c 也不能直接计算间断解，在间断点需采用拟合 法使两侧衔接起来。 2 0 世纪5 0 年代初林秉南首先提出一维水流计算的特征法，迄今仍在应用与 不断改进。 2 2 3 有限元方法( f e m ) f e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 从7 0 年代起开始应用于计算水力学中。其 原理是分单元对解逼近，使微分方程空间积分的加权残差极小化。由此建立f e m 方程组，给出数值解。通常选择权函数和逼近用的形状函数相同，这就是g a r l e r k i n f e m 。显然，当权函数在某单元内恒等于l 时，加权残差即为守恒误差。如果把 f d m 理解为在各网格点邻域内逼近，则f e m 就是在整个计算域上的逼近。 f e m 用于水流计算问题时，对非恒定流每一时间步要求解一个大型线性方 程组( 标准f e m 是隐式的) ，消耗机时多。同时g a r l e r k i n f e m 在数学上适于求 解椭圆型方程的边值问题，不适于求解以对流为主的输运问题( 后来提出逆风、 最小二乘、特征耗散g a r l e r k i n 和t a y l o r g a r l e r k i nf e m 等方法以求解决，但未能 令人满意) 。其次，g a r l e r k i nf e m 的性能类似中心差分格式，缺乏足够耗散，不 适于计算间断，要加上人工粘性( 后提出p e t r o v g a l e r k i nf e m 等以求解决) 。因 此，f e m 迄今在流动计算中尚未得到广泛应用。 感潮江段事故溢 山i 二维数值模拟 s 。，：一孥，为工向的河底底坡 o x 鼢一等，为y 向的河底底坡 =pu仃瓦u2f+王v2=学,on2uxu2+v2， 为x 向的摩阻底坡 ：监：学，为y向摩阻底坡；h6 彦3 r e 2 2 1 矿为y l 口j 厚阻胝驳； = 以c d 阮卜吸。c o s t 2 ，为j 向的风应力 - = 以c o i 睨f 睨s i n a ，为y 向的风应力。 上述，式( 2 3 1 ) 还可表达为如下矢量形式： 塑o + 掣+ 趔：6 g )(23-2)to玉 y 。7 式中，q = 陋，h “，h v ， c 】7 为守恒物理量；( g ) = k 虬h “2 + g h z 2 ，h u v , 矗“c r 、 g q ) = h i t , h “v ，h v 2 + g h z 2 ，h v c r 分别为x 向通量：为j ，向通量； 6 ( g ) = 【0 ，g h ( s o ，一) + s 。，加p 。，一) + s 。，v 池v o c ) ) + s ，爿k h e 7 为源 汇项，v 为梯度算子，v v = v 2 是l a p l a c e 算子。 ( 2 ) 方程离散 本文主要采用守恒型f v m 。在任意形状的单元q ( 见图2 1 ) 积分方程( 2 3 ，2 ) ， 利用散度定理得到有限体积法( f v m ) 的基本方程： i 吼如= 一l n f - ) 胆d l + 肛6 q 。 ( 2 3 3 ) 式中，”为单元边界a q 的外法向单位向量：d o ) 和d l 为面积分和线积分微 元；心) n 为法向通量，记为0 ) 。对于一阶精度离散，在每单元中g 是以常 数近似( 即假设单元内的可为定值) ，因此利用散度定理，7 h - ；f 里( 2 3 3 ) 的中的左项 及右边第二项分别可写成爿q ，及a - 6 0 ) ，a 为单元q 的面积。这样方程( 2 3 3 ) 感涮江段事故溢汕维数值模拟 图2 1 有限体积q 几何形状示意图 可离散为： 爿老嵩彤q 矽+ a 6 0 ) ( 2 3 4 ) 式中，为单元边j 的长度，对于m 边形单元而言，右边第一项可写成m 项 之和，等于被积函数在单元各边上的法向通量只0 ) 与该边边长的乘积。对于控 制体f ，可写出显式f v m 方程为： 爿，( g ? “一g ? ) = ，( - l f ( g ) n 出+ 4 。以) ( 2 3 5 ) 式f 2 3 5 1 左边表示控制体内守恒变量在a f 内的变化，右边第一项表示沿各边 法向输出的通量之和，第二项表示控制体内源项( 入流及外力) 在出内的作用。 f 、r m 方程反映了守恒物理量的守恒原理：守恒物理量g = 陋，砌， v ， c r 在控 制体内随时间变化等于各边法向数值通量的和再加上源项。不含源汇项时，可以 用图2 2 来表示有限体积法中物理量的守恒： 畸 f n 斗 f n 一_ f n 图2 2 有限体积法的守恒原理 4 感潮江段啦救溢油二维数值模拟 单元边法向通量剧醣l 并辩嚣孺彩；j 蠢j 辉i 。c o s d ? 二萋封；rs i n 。g ( q 9 二踮鹫j 嘉鬈捌霪耋要n 婪x 羹醺霆辔j 博嚏馕嚼荤爹主管i 蛆耄漉l 准噍u 石”骚i 灌囊j 鲞i 一蚕霪篱s ( q ! if v m 峪墨 薯奠誊剥刚； 囊雾一量肇；鬟? s ( r s w 蠹擘霞 嚣；蠹 霉誊? 蠹薹j 叫霎耋i 。囊姜主羹骛萋三童冀毳鍪耋耋墓也 ! i_耋 誊霎薹薹 f 是r 的长度。由于特征向 量，：和以的线性退化，s p e k r e 日s e 证吲2 9 1 ： 。与r 2和f 3 的交点无关，由黎曼不 变量方程式可得： 呒+ 2 吒2 巩+ 2 死，吒。吒，吒= 瓦2 ， = ，以= ( 2 3 1 1 ) 酥一2 c一= 死一2 ，吒= 吒，c r = c 。 相应的状态变量g 。和g 。可根据方程( 2 - 3 1 1 ) 解得： 云。：五。：监坠 2 九：= ( 盟警) 2 ( 2 3 1 2 ) g 3 其 中h = ；c + 2 气，甲。= 磊。一2 。对于每一段l 而言，其黎曼近似解为( 2 3 9 ) 和( 2 3 1 0 ) 两式的结合，并根据特征值五。的符号分为四种情况： 厶 = ，( ；k _ 一，( ；i d + - 厂( ；【o b 五( ；【o d o ， ( ；k d o 勰揣端慧：眨，啪 感潮江段事敞浠油一维数值模拟 式中吼j 】代表临界流时的g 值，点j 即为临界点，在s 点上五( ；m ) = o ，经过临界 点五改变符号。临界点仅存在于r l 及r 4 ，分别代表不同变量z 、；：，其分量为： 甜：；咒：； jj 及凡1 = k ，吁居；t 4 ：k ：i 羹 j j 錾，；差； 鲁取盏i 0 枣二i ；| 祷强衙骄福满蔷z 糌露。i 耋。j i i ；：喾瑚目 能酾稽锱些! 荐譬l i ： 一1 ) 最后由( 2 3 1 0 ) 求出z ( g ) 。 与表2 1 中1 6 种数值通量公式相对应的流态见表22 。由表2 一l 可见，o s h e r 格式不但可以求解亚临界流及超临界流，还可求解连续水流或不连续水流。o s h e r 格式的数值通量虽有1 6 种，但由于利用了黎曼不变量的性质，从式( 2 3 一1 1 ) 到 ( 2 3 1 6 ) 推导中未作任何近似处理，计算中只用到通量厂而未用到j a c o b i a n 矩 阵，从而既保证守恒性，又减少矩阵运算，也不用对f进行微分解，计算快速又 准确。 表2 - 1 浅水方程o s h e r 黎曼近似解 袭中q 感剃江段事故溢油二维数值模拟 表2 2 给定水力条件估算黎曼问题o s h e r 格式通量兀。的对应流态 厶：! 兰：! 竺! ! ：!：! ：! c 。 “。 l 临界流 急流 一 o “ c 缓流 激波 一f 月 “ 0 缓流 一 激波 。 ! 。三二! 。塑墨塑：墨鎏： 2 3 3 边界条件 以上法向数值通量的计算方法只适用于计算域内部单元界面。当单元边为计 算域的边界时，数值通量计算就变成了边界黎曼问题。这种条件下，g 为计算 域内已知状态，而g 。是未知状态。一般可根据局部流态( 急流或缓流) 适当选 定法向输出特征的相容关系和指定的边界条件确定未知状态q 。有限体积法具 有两种不同形态的边界：开边界和陆地边界。具体如下： ( 1 ) 开边界 开边界可分为缓流开边界和急流开边界，其特征值符号、相容关系和边界条 件类型见表2 3 。 表2 3 有限体积法边界处理 注：表2 - 3 中缓流开边界相容关系是忽略非齐次项s 。和s r 的结果，如需计及这种影响， 需增加非齐次项沿特征线的积分项。此外，已有数值试验证明应用给定的精确物理边界条t 以取代某个相容关系也是可行的。 感潮江段事故溢油二维数值模拟 对于缓流开边界，未知状态的确定为： a 给定水位h r h 。为已知的水位值，根据“。+ 2 曲。= “。+ 2 g 得 “。= “。+ 2 后( 瓦一瓦) ，v 。= v 。 b 给定单宽流量q 。 求解方程组fq 。= h r “。 k = “。+ 2 拓( i 一i ) 得到相应的h 。和“。值，v 。= 叱。 c 给定边界处的水位流量关系 已知边界处的水位流量关系q r = f ( h 。) 求解方程组 fq 。= f ( h 。) k = “。+ 2 拓( 万一瓦) 得到相应的h 和“r 值，v r = v l 。 对于急流开边界，不论是水位、流量或水位流量关系，必须同时给定在入流边界 上。 ( 2 ) 陆地边界 单元体的交界面为陆地边界( 又称闭边界) ，表示边界处法向流速为0 。边 界状态可表示为： u r2 一“l。r = v lh r2 h l 2 3 4 定解条件 ( 1 ) 初始条件 “( f ，r ，0 ) = b o ( f ，r ) ，v ( f ，r ，o ) = ( f ，玎) ，z ( f ，r ，0 ) = z o ( f ，r ) ( 2 ) 边界条件 岸边界：“。= 0 ( 岸边界的法向流速为零) 上游边界：给定水位过程线z = z i ( ，) 。 感潮江段事故溢油二维数值模拟 4 长江常熟段水流数值模拟 2 4 1 感潮江段 感潮河段是指入海河流受潮汐作用影响的一段河流，又名河口。感潮段的 水流在月球引潮力作用下，发生涨、落潮周期性的变化。一般涨、落潮周期为 1 2 5 小时。在涨、落潮交替时会出现憩流，不论在落憩开始涨潮，或涨憩开始 落潮时，流速均几乎为零的状态，在很短的时间内剧烈增大，一直达到最大值， 然后下降。因此，感潮江段的瞬时流速随时间变化十分明显。同时潮汐又有大潮、 平潮干l l d , 潮之分，且又有日潮不等的现象。 水流特征与水质演化规律和内陆河流有明显的差别，表现在：既受上游内陆 河段来水的影响，又受河口潮汐周期性变化的作用，以致使河口段的水流流向和 流速、流量经常发生剧烈的变化，从而造成水质问题的复杂性。 2 4 2 研究区域概况 本文研究区域取长江江苏常熟段，该江段滩汉较多，江面宽阔，主流游荡。 野猫口一徐六泾河段处于上游南通河段与下游南支河段交接地段，河势突然转折， 平面呈藕节状。近百年来无论上游通州沙水道河势如何变迁，北岸边滩几经切割 淤积变化，但该处始终处于凹岸位置受主流顶冲，形成多年来深槽靠南岸的相对 稳定河势。尤其是1 9 5 8 年后北岸通海沙和江心沙相继围垦，江面从1 3 k m 柬狭 到5 k m 左右，主槽水深从约3 0 m 增深到4 0 m ，“节点”作用更为明显。 常熟煤码头。2 1 所在水域属长f f d 澄通河段徐六泾节点段，上接通州沙水道， 下接白茆沙水道。南通河段龙爪岩下河道走向为西北东南向，至徐六泾转为东西 向。历史上，徐六泾节点上游水道主流摆动频繁，沙洲变化剧烈。因此，上游河 势的变化是本河段河床演变的主要动力因素。 通州沙水道分东、西水道，东水道为主汉，近年来分流比达9 5 以上，河 道断面呈“v ”字形；西水道为支汉，分流比逐年减小，河床宽浅，槽线易变， 局部冲淤变化时有发生。长江主流出龙爪岩后，河势顺直，深泓线逐渐西偏，狼 d f 沙东侧受主流冲刷，沙头略有后退，沙尾由于徐六泾人工节点的作用，渐趋稳 感潮江段事故溢油_ 二维数值模拟 定。在狼山沙受水流动力轴线向西南偏转的同时，新开沙逐渐向外扩展并向下延 伸强刊鐾夙强磋笺舶影甄聚雩馐訇二黔篓耸饕曝驿i 蔫型旅曙爨 鍪囔羹蘸签议埔终珏；巍臻裂纂雾黍； 蒸惟型婺羹皤蜇蓼靶誊崭矧；e 剐烈。蝥裂嚣孤掣霪硪乐流移引荆；萤纠； 文谦，晁晓波，黄勤生泥沙吸附石油的数学模型与试验研究【j 】水利学报，1 9 9 3 ， 1 2 ( 1) ：5 0 5 7 【4 5 严志宁晦上溢油风化过程的研究及模拟大连海事火学博士学位论文，2 0 0 1 ：2 7 - 3 0 【4 6 1 m o d e 4 8 次国际会议情况介绍2 0 0 5 年2 月2 1 日2 月2 5 日，伦敦i m o 总部 4 7 1杨艳等浅水流动有限体积法o s h e r 格式的二维水流一水质模拟 j 1 农村生态环境，2 0 0 2 ， 1 8 ( 3) ：3 0 - 3 3 【4 8 谭维炎，胡四一浅水流动计算中一阶有限体积法o s h e r 格式的实现【j 1 水科学进展， 1 9 9 4 ，5 ( 4 ) ：2 6 2 2 7 0 4 9 赵东风，崔积山石油类污染物在水环境中的归宿 j 】油气田环境保护，2 0 0 0 ，1 0 ( 2 ) ：2 2 - 2 3 5 0 j a m e s a f a y 著，颜廷壮译平静海面上油膜的扩展【j 】海洋科学译报，1 9 8 8 ，n o 1 ：1 5 - 2 3 【5 1 娄安刚等海面溢油轨迹的分析与预报【j 】青岛海洋大学学报，1 9 9 4 ，2 4 ( 4 ) ：4 7 7 7 8 4 5 2 】张和庆近海海面油类漂流扩散的研究和预测实践 j 】热带气象学报，2 0 0 1 ，1 7 ( 1 ) ：8 4 8 9 【5 3 z h a n gh e q i n gl if u j i a o s t u d ya n dp r a c t i c e0 1 7