（轮机工程专业论文）海上溢油物理清污方法的评估、优化及快速决策.pdf

一 0， t h e a s s e s s m e n t ，o p t i m i z a t i o na n dq u i c k l yd e c i s i o n - m a k i n go f p h y s i c a lm e t h o dt oc l e a nt h eo i la ts e a at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y l i uj i a n ( m a r i n ee n g i n e e r i n g ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw u w a n q i n g j u n e2 0 1 1 一、t鼍 ) l i j 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文：篷土鲎澶塑堡适透友洼鲍透值! 笾丝拯迭逵迭筮：。除论 文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经 公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：盔灶 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“大连海事大学研究生学位论文提交、版 权使用管理办法”，同意大连海事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。本人授权大连海事大学可以将本学 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。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密( 请在以上方框内打“寸) j 论文作者签名：女心钆导师签名：袭；角 日期：知，年月2 7 日 一、鼍一 l 一 中文摘要 摘要 随着海上运输业的高速发展和海洋石油开采技术的普及，海上溢油事故也频 频发生，造成了严重的海洋环境污染和巨大的经济损失。但是，由于海上溢油清 污方法的多样性和海上溢油事故的特殊性，清污决策者很难在最短的时间内选取 最佳的清污方法清除海上溢油，这对海洋环境的保护十分不利。 本文通过查阅大量材料文献，在前人研究的基础上，详细阐述了海上溢油的 动态( 如海上溢油的漂移、扩散和风化等) ，充分了解海上溢油残余量、面积、性 质随时间的变化。此外，本文还对现有海上溢油清污方法进行了归纳总结，充分 了解其对海上溢油的适用性，建立海上溢油清污设备基础信息库。 在此基础上，本文建立了海上溢油事故污染等级综合评定模型，运用模糊综 合评价对海上溢油事故污染等级进行综合评定，建立了五级海上溢油事故污染等 级评价体系。之后，本文建立了海上溢油机械回收设备选型模型，同样运用模糊 综合评价对某一具体溢油事故中机械回收设备的适用性进行综合评定，从而达到 设备优化选型的目的。 此外，本文还对大连新港附近海域进行了一次溢油事故模拟预测，得到此次 溢油事故的漂移轨迹预测图及海上溢油残余量、面积随时间变化曲线。并结合此 次预测结果提出一种清污设备定量化研究方法，为今后海上溢油清污设备设备量 的确定及海上溢油应急设备库的建立提供参考。 最后，对本文的研究成果和不足之处进行了归纳总结，并展望今后的研究方 向，以期在不久的将来找到最佳的海上溢油处置方案，为清污决策者提供科学的 理论依据，从而更好的保护海洋环境。 关键词：溢油；清污方法；污染识别；设备选型；设备定量 吒k 甏零j i i i 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm a r i t i m et r a n s p o r t a t i o ni n d u s t r ya n dt h ep o p u l a r i t y o fo f f s h o r eo i ld r i l l i n gt e c h n o l o g y , m a r i n eo i ls p i l la c c i d e n t sh a v eo c c u r r e dm o r ea n d m o r ef r e q u e n t l y a n di th a sc a u s e ds e r i o u sm a r i n ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n dh u g e e c o n o m i cl o s s e s h o w e v e r , b e c a u s eo ft h ed i v e r s i 锣o ft h em e t h o d sa n dt h ep a r t i c u l a r i t y o ft h em a r i n eo i ls p i l l ，i ti sd i f f i c u l tf o rt h ec o n c e r n e dp o l i c y m a k e r st os e l e c tt h eb e s t m e t h o di nas h o r t e s tt i m et oc l e a nt h eo i la ts e a i tp o s e san e g a t i v ef a c t o rf o rt h e p r o t e c t i o no f t h em a r i n ee n v i r o n m e n t b yc o n s u l t i n gal a r g eq u a n t i t yo fd o c u m e n t sb a s e do nt h ef o r m e rr e s e a r c h e s ，t h e d y n a m i co fm a r i n eo i ls p i l li se x p o u n d e d ，s u c ha st h ed r i f t ，d i f f u s i o n ，a n dw e a t h e r i n go f m a r i n eo i ls p i l l ，e t c i na d d i t i o n ，t h ee x i s t i n gm e t h o d so fo i l - c l e a n i n ga ts e ah a v ea l s o b e e ns u m m a r i z e d ，a n dab a s i ci n f o r m a t i o nd a t a b a s eo ft h e s em e t h o d si se s t a b l i s h e d b a s e do nt h ew o r km e n t i o n e da b o v e ，a ni d e n t i f i c a t i o nm o d e lf o rm a r i n eo i ls p i l l p o l l u t i o n i se s t a b l i s h e dt oa s s e s st h ep o l l u t i o nl e v e lo fo i l s p i l l a ts e ab yf u z z y c o m p r e h e n s i v ej u d g m e n t ，a n dg e t saf i v e - l e v e lp o l l u t i o ns y s t e m i no r d e rt os e l e c tt h e s u i t a b l ee q u i p m e r i tt oc l e a nt h eo i l a ts e a ，ap l a n ts e l e c t i o nm o d e lh a sa l s ob e e n e s t a b l i s h e d ，a s s e s s i n gt h ea p p l i c a b i l i t yo ft h ee q u i p m e n ta l s ob yf u z z yc o m p r e h e n s i v e j u d g m e n t i na d d i t i o n ，a no i ls p i l la c c i d e n tw h i c ho c c u r sa tt h es e an e a r b yd a l i a nn e w p o r ti s s i m u l a t e d ，g e t st h ep r e d i c t i o nr e s u l t s ，s u c ha st h ed r i f tn - a c ko fo i l ，t h eq u a n t i t ya n da r e a o fo i lv a r i a t i o nc u l v eo v e rt i m e m e a n w h i l eaq u a n t i t a t i v er e s e a r c hm e t h o df o rt h e c l e a n - u pe q u i p m e n t si sa l s op r o v i d e ds oa st oo f f e rar e f e r e n c ef o rd e t e r m i n i n gt h e a m o u n to fc l e a n - u p e q u i p m e n t s a n de s t a b l i s h i n go fm a r i n eo i l s p i l le m e r g e n c y e q u i p m e n tl i b r a r y i nt h ee n d ，b ys u m m a r i z i n gt h er e s e a r c hr e s u l t sa n dd e f i c i e n c i e s ，t h i se s s a yo f f e r sa p r o s p e c to ft h er e s e a r c hd i r e c t i o ni nt h ef u t u r es oa st of m dt h em a x - o p t i m i z e ds o l u t i o n t oc l e a nt h eo i la ts e a ，a tt h es a m et i m ea i m i n gt op r o v i d eat h e o r yb a s i sf o rt h ed e c i s i o n m a k e r sa n d p r o t e c tt h em a r i n ee n v i r o n m e n tb e t t e r k e yw o r d s - o i ls p i l l ；c l e a no i lm e t h o d s ；p o l l u t i o nr e c o g n i t i o n ；e q u i p m e n t s e l e c t i o n ；e q u i p m e n tq u a n t i t a t i v e ，气l童r j 。| ：f p y 目录 目录 第l 章绪论l 1 1 研究背景1 1 1 1 - 海上溢油的概况l 1 1 2 海上溢油的危害3 1 1 3 现阶段海上溢油清污概况4 1 2 研究目的和意义4 1 3 本文主要工作5 第2 章海上溢油行为6 2 1 溢油扩散6 2 2 溢油漂移6 2 3 溢油风化7 2 3 1 蒸发8 2 3 2 乳化8 2 3 3 溶解l o 2 3 4 分散1 2 2 3 5 沉降一1 2 2 3 6 光氧化。j ：1 3 2 3 7 生物降解1 3 2 4 风化对溢油油品特性的影响1 4 第3 章海上溢油清污方法1 6 3 1 物理方法16 1 1 围油栏16 3 1 2 吸附法2 l 3 1 3 撇油器2 2 3 1 4 油拖网2 9 3 1 5 液压式油抓斗3 0 3 1 6 抽油泵系统3 0 3 1 7 溢油储存设备3 0 3 1 8 溢油蚓收船3 l 3 2 化学方法一3 2 3 2 1 分散剂3 2 3 2 2 集油剂3 4 3 2 3 凝油剂3 4 3 2 4 沉降剂3 4 3 2 5 燃烧法3 5 3 3 生物方法3 5 第4 章海上溢油事故污染等级综合评定3 6 4 1 模型的建立3 6 4 1 1 模糊综合评价3 6 4 1 2 因素集的建立3 9 目录 4 1 3 因素重要程度集的确定4 5 4 1 4 评价集的建立：4 6 4 1 5 评价矩阵的确定：。4 6 4 2 模型的应用_ 4 7 4 2 1 对二级因素进行综合评价4 7 4 2 2 对一级因素进行综合评价4 9 4 3 评价结果分析与讨论。51 第5 卓清污设备选型5 2 5 1 模型的建立5 2 5 1 1 因素集的建立5 2 5 1 2 评价集的建立5 4 5 1 3 因素重要程度集的确定。5 5 5 1 4 评价矩阵的建立5 6 5 2 模型的应用5 6 5 2 1 对二级因素进行综合评价5 6 5 2 2 对一级因素进行综合评价5 8 5 - 3 清污设备的优化选型5 9 第6 誊清污设备定量化研究6 l 6 1 大连海域溢油信息预报：6 1 6 2 清污设备定量化研究- 6 4 6 2 1 围油栏定量化研究“ 6 2 2 收油机定量化研究6 9 6 3 量化结果对比7 0 第7 帝总结与展望_ 7 2 7 1 总 ；7 2 7 2 展望7 2 参考文献7 4 附录海上溢油事故污染等级综合评定及清污设备选型影响因素重要程度调查表 7 8 j ! 定调j 8 0 研究生腥历。8 1 f 一 ； 1 幺 ； k l 海上溢油物理清污方法的评估、优化及快速决策 1 1 研究背景 第1 章绪论 1 1 1 海上溢油的概况 海上石油污染按照石油的来源，大致可分为陆上石油泄漏( 如大连“7 1 6 ”海上 溢油事故) 和海上石油泄漏两类。而海上石油泄漏又主要包括船舶操作性溢油、 船舶海损性溢油以及海上石油开采的泄漏。 随着世界各国对石油需求的日益增长，石油类产品的贸易量也节节上升，从 而导致石油运输业迅速壮大，特别是船舶运输的石油量占全球石油运输量的6 0 以上。海上石油运输业的发展，也使得海洋石油污染日益严重，严重威胁了人类 的生命财产安全，近年来已引起了公众的广泛关注。 海上油污染作为全球性的污染物，正以大大超过其他污染物的量进入海洋。 据统计，全球每年生产的3 2 亿吨石油中，大约有千分之一即约有3 2 0 万吨进入海 洋。 表1 11 9 7 0 - - - 2 0 1 0 年船舶溢油事故统计表 t a b 1 1o i ls p i l la c c i d e n ts t a t i s t i c so f s h i p sf r o m1 9 7 0t o2 0 1 0 第1 章绪论 在各类海上溢油事故中，船舶事故性溢油占相当大的比重，已逐步成为全球 关注的环境问题和社会问题。据国际油轮船东防污染联合会( t h ei n t e r n a t i o n a l t a n k e ro w n e r sp o l l u t i o nf e d e r a t i o n ，i t o p f ) 统计，1 9 7 0 年至2 0 1 0 年间全世界范围 内共发生9 6 4 0 起溢油事故。其中溢油量小于7 t 共7 8 4 5 起，占总事故的8 1 4 ， 溢油量为7 - - 一7 0 0 t 共1 3 3 5 起，占总事故的1 3 8 ，溢油量大于7 0 0 t 的共4 6 0 起， 占总事故的4 8 ，具体情况如表1 1 所示俭1 。 为了防止海洋石油污染，更好的保护海洋环境，国际社会进行了长期不懈的 努力。继1 9 2 4 年美国制订了油污染防止法之后，英国于1 9 5 4 年提出国际 防止海洋油污染公约，它是第一个防止船舶造成油类污染的国际公约。2 0 世纪 6 0 - - 7 0 年代末，i m o 先后通过1 9 6 9 年国际油污损害民事责任公约、1 9 6 9 年 国际干预公海油污事故公约、1 9 7 1 年关于设立国际油污污损害赔偿基金公约、 1 9 7 3 年国际防止船舶造成污染公约及1 9 7 8 年议定书( m 憎o l 7 3 7 8 公约) 等一系列公约和大量有关这些公约的议定书及修正案等。但人类真正认识到油污 染的严重性，是在1 9 6 7 年“t o 王汛e y c 趟吖o n ，和 a m o c o c a d i z ”、“e x x o n v a l d e z ”油轮的油污事件之后，几万吨乃至几十万吨原油流入海洋，使英吉利海 峡两岸和美国阿拉斯加海湾的西部海岸造成重大油污染。为此，美国从1 9 6 9 年开 始，举办两年一次的国际溢油会议，研讨防治油污染科技的应用与发展。1 9 9 0 年 1 1 月1 9 日到3 0 日在伦敦召开的外交大会通过了国际油污防备、反应和合作公 约( i n t e r n a t i o n a lc o n v e n t i o no no i lp o l l u t i o np r e p a r e d n e s s ，r e s p o n s ea n dc o - o p e r a t i o n 。o p r c ) 。o p r c 公约的宗旨在于根据潜在的溢油风险指定一系列的防备 和反应措施，一旦发生重大溢油事故以便进行区域性、国际性合作，通过采取迅 速有效的行动来减轻油污造成的损害。 人类所做出的这一切努力已经取得了很大成效，根据i t o p f 的统计数据，如 图1 1 所示阮3 ，近年来船舶发生的事故性溢油次数呈递减趋势。尽管如此，海上溢 油对海洋环境造成的污染仍不容忽视。中国作为第二大能源消耗国，2 0 1 0 年石油 进口量达到了创纪录的2 3 9 3 亿吨，比2 0 0 9 年增加了1 7 5 。而这些石油有相当 一部分是通过船舶在海上运输的，因此我国发生海上石油污染的潜在风险很大， 更应重视海上石油污染的防治。 2 海上溢油物理清污方法的评估、优化及快速决策 图1 11 9 7 0 - - 一2 0 1 0 年船舶溢油事故统计 f i g 1 1o i ls p i l la c c i d e n ts t a t i s t i c so fs h i p sf r o m19 7 0t o2 010 1 1 2 海上溢油的危害 石油是一种复杂的混合物，它主要是由低沸点饱和烃、低沸点芳香烃、高沸 点芳香烃、烯烃和非烃类等物质组成。在石油的各组分中，其毒性以芳香烃最为 明显，低沸点的芳香族化合物( 如苯、甲苯、二甲苯等) 对人和动物都是有害的。 此外，高沸点芳香烃还可能具有长效毒性。低沸点饱和烃在浓度较低时具有麻醉 作用，在浓度较高时则会损伤细胞和毒死低级动物，尤其是动物幼体。高沸点饱 和烃对海洋生物没有明显的毒性，非烃类物质( 如硫、氮、金属化合物等) 毒性 与芳香族化合物相当。总的来说，低分子烃的毒性较明显，高分子烃毒性不明显。 在各类烃毒性比较中，以芳香烃毒性最大，其次是烯烃、环烃、链烃陋。 海上溢油的危害大致可分为两类，即对自然环境的危害和对社会环境的危害。 海上溢油对自然环境的危害主要是对海洋生物的危害，如海洋中的鱼类、贝类、 浮油生物等。此外，海上溢油对于鸟类的影响也不容忽视，很多鸟类在海上溢油 的影响下而丧失生命，种群小、繁殖力弱的罕见鸟种还可能因此而面临绝种的危 险。海上溢油对社会环境的危害主要涉及到渔业、养殖业、旅游业等人为的社会 活动。海上溢油会给人类带来巨大的经济损失，如1 9 9 9 年的“闽燃供2 号”油船溢 蛳 姗 瑚 啪 蛐 枷 瑚 瑚 瑚 。 第l 章绪论 油事故，此次溢油事故致使香洲、淇澳岛1 2 4 平方千米的养殖场、淇澳头至九洲 的白观护养增值区1 1 3 3 9 平方千米受到污染，大量鲈鱼、牡蛎、虾、蟹、白叽文 蛤等海水养殖产品因溢油污染而死亡，给人类造成直接经济损失9 6 4 8 万元人民币， 珠江口海域是中国南海重要的鱼虾繁殖基地，此次溢油事故对渔业资源和海洋环 境造成严重损害。 1 1 3 现阶段海上溢油清污概况 现阶段海上溢油清污方法各异、种类繁多，大致可分为机械清除、化学分散、 生物降解以及人工清除几类。据以往的清污经验表明人工清除在海上溢油清污中 占着举足轻重的地位，但是海上溢油对于人体的危害性也是十分严重，所以我们 应该尽量避免人体与海上溢油的直接接触。目前，在发生海上溢油事故后，由于 事故的突发性、清污方法的多样性，人们往往不考虑清污方法的独特性及有效性， 把能够调用的应急资源不管其是否适用全部用上，对于不适用的清污设备，这显 然是一种资源浪费，在很大程度上降低了海上溢油的清污效率，对海洋自然资源 的保护不利。 此外，溢油清污设备配备量的确定一直与海上溢油事故污染等级脱节。目前， 国内溢油清污设备配备量的确定只是简单的与溢油量相对应，而溢油量只是海上 溢油事故污染等级评判的一个因素，不能完全以溢油量的大小来确定海上溢油事 故等级，对于同一溢油量不同污染等级的海上溢油事故配备相同量的清污设备， 这显然是不科学的。 1 2 研究目的和意义 在通航环境日益复杂，油船大型化的前提下，大规模溢油的风险也随之上升。 有专家认为，我国海域可能是未来传播溢油事故的多发区和重灾区。在发生海上 溢油后，如何采取行之有效的措施来快速回收、清除海上溢油，尽量避免海洋环 境污染，是我们必须思考的。而现阶段我国海上溢油清污尚未形成完整体系，各 种清污方法的使用多呈无序状态，大大影响了海上溢油清污的效率。 本文研究目的是在发生海上溢油事故后( 或预测的即将发生的海上溢油事故) ， 帮助清污决策者在最短的时间内掌握此次溢油事故的污染等级，然后根据溢油事 故的具体情况( 如溢油量、油种等) 选用合适的清污设备进行清污，此外，本文 4 海上溢油物理清污方法的评估、优化及快速决策 还提出了一种清污设备的量化方法，为海上溢油应急清污设备配备量的确定和海 上溢油应急设备库的建立提供科学依据。 1 3 本文主要工作嗡 本文通过阅读大量的资料文献，建立在前人研究的基础上，充分了解海上溢 油的动态( 包括海上溢油的扩散、漂移以及其归宿) 和现有海上溢油清污方法的 特性，建立海上溢油事故污染等级综合评定模型、设备优化选型模型，并结合具 体海上模拟溢油事故提出海上溢油清污设备定量化研究方法，为今后海上溢油预 防、治理提供理论依据。 本文共分七章，其中： 第一章为绪论，主要介绍本文的研究背景、研究目的和意义，以及本文的主 要工作介绍。 第二章建立在前人研究的基础上，主要介绍海上溢油的动态，如海上溢油的 扩展、漂移、风化等，选定本文所用计算模型，为后文海上溢油漂移轨迹的预测奠 定基础。 第三章在阅读大量文献的基础上，主要介绍了海上溢油清污方法，对现有溢 油清污方法进行归类统计，为后文清污设备的选型做铺垫。 第四章为海上溢油事故污染等级综合评定模型的建立，综合考虑各方面因素， 对海上溢油事故污染等级进行综合评价，方便清污决策者根据海上溢油事故污染 等级采取相应应急措施。 第五章为海上溢油清污设备选型模型的建立，对海上溢油收油设备的适应性 进行综合评价，通过比较，从而达到优化选型的目的。 第六章为海上溢油事故预测及清污设备定量化研究，结合具体溢油事故提出 清污设备定量化研究方法，为今后的清污工作提供科学依据。 第七章为全文的总结以及今后的工作展望。 第2 章海上溢油行为 第2 章海上溢油行为 在发生海上溢油事故后，海面上的油并不是成不变的，而是随着时间的推 鹜移不断地扩散、漂移、风化。所以在发生海上溢油后，准确确定海上溢油的状态 对于溢油的清除十分重要，下面简单介绍海上溢油的扩散、漂移和风化。 2 1 溢油扩散 扩散是海上溢油在某些海洋环境影响下的水平扩展过程。它一方面决定了溢 1 油扩展面积的大小，另一方面也影响溢油的蒸发、溶解、分散和光氧化等过程b 1 。 研究表明，海上溢油的扩散受重力、表面张力、惯性力和粘性力的作用。许 多研究人员致力于这方面研究，其中最常用的便是f a y 提出的三阶段扩展模式h 3 。 后人根据f a y 提出的原理，又对其进行改进，如l e h r e t a l 考虑了风对溢油的影响， 对f a y 的原有模式进行了修正肺3 ，得到了溢油面积推算方程( 2 1 ) ，解决了溢油面 积推算问题。方程( 2 2 ) 为溢油扩展到极限时的油膜面积。 7 。眦2 1 憎p oj 赫 ，) k = 1 0 5 y i ( 2 2 ) 其中，s 为油膜面积，m 2 ；s m 戤为最终油膜面积，m 2 ；t 为时间，m i n ；u 为 风速，k n o t ；v 为溢油总量，b a r r e l ；p = p w 一风，风、成分别是水和油的密度， k g m 3 ： 2 2 溢油漂移 海上溢油在扩散的同时还会发生漂移。溢油漂移受到多方面因素的制约，包 j 括风力、潮汐、密度及压力梯度等。在以往的溢油漂移模型中，风速对油膜漂移 ! 的影响按风速的3 - - 4 计算，漂移方向与风向成0 。 - 4 0 。夹角旧。水流对油膜漂 ； 移的直接影响按流速计算n 3 ，有如下油膜漂移速度计算公式： = a + b v o ( 2 3 ) 其中，v o 为油膜漂移速度，l 眺；v w 为水流流速，m s ；v l 为风速，m s ；a 为水流影响系数，一般取1 n 3 ；b 为风影响系数，为3 4 ，一般取3 1 5 t 引。 6 海上溢油物理清污方法的评估、优化及快速决策 根据前人研究，油膜质心的漂移轨迹采用欧拉啦格朗日法计算呻1 。假设潮 流和风流都作用在油膜质心，油膜质心由初始位置a 经过t 时间后运动到新位置 b ，即： 曰= a + r v o d t ( 2 - 4 ) 风速 _ - _ - - l _ _ _ _ _ _ _ _ 图2 1 计算油膜轨迹示意图 f i g 2 1s c h e m a t i cc o m p u t e do i ls p i l lt r a j e c t o r y 也就是当初始位置坐标为a ( x o ，y 0 ) 时，经过t 时间后，油膜质心移动到 新的位置b ( x ，y ) ，则： x = x o + u t + b k s i n 0 a t ( 2 5 ) y = y o + v t + b k c o s 0 a t ( 2 6 ) 其中，u 、v 分别为x 、y 方向的潮流速度值，m s ；t 为时间步长，s ；b 为风 影响系数，一般取3 1 5 ；v a 为风速，m s ：9 为风向角度值，向北为0 。 2 3 溢油风化 时间( 小时) 0i 1 0 天1 0 0 周月1 一躺矿 gc 7g 【g j c 1 1c 1 2c i3 c 1 4 c 1 5 血 水平 图2 2 溢油归宿示意图 f i g 2 2s c h e m a t i co fs p i l l e do i l sf a t e 7 第2 章海上溢油行为 石油或烃类溢散到海上后其组分和性质随时间变化，最后从海上消失的过程 即为溢油风化，溢油的风化主要包括蒸发、乳化、溶解、分散、沉降、光氧化和生 物降解等过程1 。溢油的风化过程在整个溢油运动过程中的发生时间可由图2 2 可 知。 。 2 3 1 蒸发 蒸发是海上溢油中的石油烃中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组成部分，特别是轻质原油或成品油( 如 汽油、柴油等) ，其蒸发损失有的可能达到溢油总量的一半以上1 。通过组份的改 变，蒸发严重影响着油的性质，如使油密度、粘度、表面张力等增加，倾点上升 等，还影响着其它风化过程，如扩散、乳化、溶解等。 前人对于蒸发有过很多研究，总结出多种经验公式n 们。总的来说可大致分为 两类：准组分法n 卜3 和分析法n 眈。历史上，两种方法交替发展，一般准组分法准 确性较高，但是所需参数较多，不利于使用，而分析法恰恰相反，其所需参数较 少，便于使用。目前溢油模型中用的较多的是m a c k a y 和m a t s u g u 提出的方程，但 是此方程的提出是基于水蒸发的方程，f i n g a s 通过大量实验证明，油蒸发与水蒸发 不同，其不严格受边界条件控制。这就意味着对油蒸发过程的描述不需要考虑风 速、湍流程度、蒸发面积和体积的影响，重要的是时间和温度。本文便是采用此 方程，如下所示： b - - o 1 6 5 ( d ) + 0 0 4 5 ( t 一1 5 ) i n t ( 2 7 ) 对于柴油、b u n k e rcl i g h t 、f c ch e a v yc y c l e 等少数油种采用t 为平方根型式的 方程，即： b = o 2 5 4 ( d ) + o 0 1 p 1 5 冰厅 ( 2 8 ) ? 其中，b 是溢油蒸发百分比；d 为1 8 0 。c 蒸馏的重量百分比；t 是时间，s ；t 、 1 是温度，。 2 3 2 乳化 乳化是指使原来不能混合的两种液体混合起来，把其中一种液体变成微小的 颗粒分散在另一种液体中。溢油的乳化过程，是指石油进入海洋后，石油和海水 海上溢油物理清污方法的评估、优化及快速决策 混合在一起形成油水乳化液的过程。这种乳化液以两种形态存在：一种是油分散 成很小的油滴分散在水中，形成水包油乳化液，这也是化学分散剂分散溢油的情 况；另一种则恰恰相反，是水以极小的水滴形式分散在油中，形成油包水乳化液。 乳化是一个极其复杂的过程，它是影响水面溢油归宿和清除的主要因素1 。 海上溢油的乳化通常是指第二方面。这种“巧克力奶油冻”的含量越大，溢油分 散剂的作用越小，当乳化液含水率达5 0 - - - 6 0 时，分散剂将失去作用1 。 本文通过计算单位面积油的入水通量，然后乘以油膜面积得溢油乳化量，再 结合含水率表示乳化过程。假设海面上的油进入水中的速度可用湍流能量和铅直 方向浓度梯度表示，引入混合长度理论，则油的入水通量可表示为： ，咆篆 ( 2 9 ) 其中：f 为油的入水通量，即油的乳化速度，g ( c m 2 - s ) ；k z 为铅直湍流扩散 系数，c m z s ：c 为油滴浓度，g c m 3 ；z 为水深( 向下为正) ，c m 。 根据混合长度理论，铅直扩散系数为： k z = 膨差 ( 2 1 0 ) 其中：l 为混合长度，c m ；p 为比例系数；笔为流速的剪切，i s ； d 厶 将海面波浪假想为深水波，则依小振幅波理论，其混合长度l 可用波的振幅 h 表示，且有： 三：i h ( 2 1 1 ) a = e x p 孚 l ：g t 2( 1 3 ) 21 3 = ( 2 刀 其中，h 为深水波振幅，c m ；p 为水平速度分量之最大振幅，c m s ；t 为波的 周期，s ；l 为波长，c m 。 由式( 2 1 2 ) 得： 塑：一2 h ：r 2e 印丝 ( 2 1 4 ) 一= 一e x n 一 上 貌死1 三 9 第2 章海上溢油行为 将上式代入式( 2 1 0 ) ，整理得： f = 譬e 文孚) 篆 亿 2 死 1 三，a z 由上式可以看出，油的入水通量与波高的三次方成正比。对于式中焉o c 我们可 d z 以根据经验取近似值，a p o c 彪垒d ，其中q 为单位面积溢油量，c m 2 ，d 为油膜 厚度。波高可以根据平均波高与风速的关系算出，即h = 1 3 3 1 0 - 2 u 2 。波长l 、 周期t 可分别由工= 等，r = 警得出。水深可以从海图中查出。则油的入水通量 可得。 本文采取m a c k a y 等总结的计算乳化物含水量的公式1 ，即： 昂= 廿e 吨蹦吣丹) 其中：y w 为乳化物含水量；= 万1 1 2 5 ，彬为最终含水量，通常取o 8 ； k a 为风速影响系数，通常取4 5 x 1 0 一；u w 为风速。 2 3 3 溶解 当石油进入海洋后，在不断蒸发、乳化的同时，也有一部分溶解到海洋中。 溶解是指溢油在波浪等的搅拌下，以极小的油粒子形式均匀溶于海洋的过程，这 是海上溢油进入水体的质量传输过程。相对于蒸发量，溢油的溶解量要小得多。 之前有很多学者从不同方面对溢油的溶解过程进行了研究。m c a u l i f f e ( 1 9 6 3 ) 指出正烷烃水中溶解度的对数随着烷烃中碳原子数的增加而下降，对同一系烃， d 其在水中的溶解度的对数是其摩尔体积的线性函数，且环、支链等因素都会提高 溶解度，不同系烃之间溶解度的大小关系是芳烃 环烷烃 链烷烃 2 2 o b l u m e r ( 1 9 7 0 ) j 对易溶于水体的油品组分进行了研究，指出同一系列化合物中分子量低的化合物 其溶解量大于分子量高的化合物，同样碳数的烃类，烷烃的溶解速度和溶解度都 远小于芳烃。b o b r a ( 1 9 8 9 ) 对几种石油烃类混合物的水溶性进行了研究，发现其 溶解细分和溶解浓度都十分相近，但是溶解性强的可溶组分中苯、甲苯、二甲苯、 1 0 海上溢油物理清污方法的评估、优化及快速决策 乙苯的含量相对较高，而成品油中的可溶组分则主要由三甲基苯、萘、烷基化萘 等组成。杨庆霄等( 1 9 9 2 ) 在大连附近海域进行了实验，对石油烃在不同条件下 的溶解度进行了研究，并给出了计算公式，本文就是采用此方法对海上溢油的溶 解量进行预报计算。 海水中的溢油浓度垂直分布可近似表示为乜射： 1 1 ，= 1 1 i e 一勖z ( 2 1 7 ) 其中，i l v 为某一深度海水中油的浓度，t g d m 3 ；n s 为表层海水中油的浓度， , g d m 3 ；k v 为溢油垂直分布常数，由实验得到，为1 0 8 2 ；z 为水深值，m 。 海上溢油从海面向海底垂直扩散的方式有两种：其一是分子扩散；其二是在 湍流作用下的垂直扩散，其垂直扩散方程为： 粤= 矗( n o _ n i ) 出 4 、” ” 对上式进行积分，可得： 1 1 。= n o ( 1 一e - r s t ) ( 2 1 8 ) 其中，n s 为某烃化合物在表层海水中的浓度，, u g d m 3 ；n o 为某烃化合物在海 水中的饱和溶解度，a g d m 3 ；k s 为溢油垂直扩散系数，由实验得到，为0 1 4 6 4 h 一m - 2 ：t 为时间，h ：s 为海上油膜与海水的接触面积，m 2 。 在发生某一海水溢油事故后，我们便可根据式2 1 8 计算出某一时刻表层( 实 际为0 1 m ) 海水中的溢油浓度，之后根据式2 1 7 便可计算出某一时刻某一深度海 水的溢油浓度。 同样，我们还可以根据下式计算出某一时刻溶解于海水中的溢油量： d n = - d s 粤d t ( 2 1 9 ) 其中，d 为某烃类化合物在海水中的扩散系数，由实验得到，为0 1 4 6 2 m 2 h ； s 为海上油膜与海上的接触面积，以单位面积表示，m 2 ；孚为海水中油浓度梯度， 由实验得到，为3 0 9 6 4 b t g d m - 3 m 一：“，表示油浓度增加的方向与扩散的方向相 反。 第2 章海上溢油行为 2 3 4 分散 分散是指海上溢油形成小油滴进入水体的过程。它是导致溢油从海上移去的 重要过程，一般分三步：( 1 ) 在破碎波的作用下，溢油从油膜形成油滴的成球过 程；( 2 ) 在破碎波和上升力的净作用下，油滴进入水体的分散过程；( 3 ) 部分油 滴和油膜的再聚合过程。这种分散过程造成了油的表面积增大，能够促进溢油的 生物降解和沉降过程。 影响海上溢油分散程度的参数主要有油本身的特性( 粘度、密度等) 、油膜厚 度、油水界面的张力以及海况等。油的密度越大，则油水之间的密度差越小，小 油滴则越易形成，分散程度越大；油的粘度越小，则油膜形成小油滴的能力越好， 分散程度越大；油膜厚度越小，油膜则越易形成小油滴；油水界面的张力越小， 越容易形成小油滴：海况越恶劣，海浪越大，小油滴越易形成。 小油滴的形成和分散增加了油的总体面积，易于低分子量的芳香烃化合物溶 解，使得这些油滴或被生物降解，或依附在其他悬浮体上沉入海底。自然分散可 以减少海上溢油的残余量，减少蒸发损失，但不会对溢油的物理化学性质有所影 响翱。 目前，人们对于海上溢油分散过程的认识还具有一定的局限性，对于分散过 程的数学描述还处于起步阶段。a n d u n s o n 、r e e d 、m a c k a y 、s p a u l d i n g 等在这方面 都提出了自己的见解，目前被一些溢油预测模型广泛采用的是r e e d ( 1 9 8 9 ) 基于 m a c k a y ( 1 9 8 0 ) 的公式提出的经验公式，该公式为： 1 d ：0 1 l ( u + i ) 2 ( 1 + 5 0 t i 万& ) q ( 2 2 0 ) 其中，d 为海上溢油因分散而致使的每小时损失百分数：u 为风速，m s ； 为溢油粘度，c p ：占为油膜厚度，c m ：最为油水界面张力，d y n e c