（环境工程专业论文）胶州湾及其邻近海域溢油应急预报系统研究.pdf

胶州湾及其邻近海域溢油应急预报系统研究 摘要 随着海洋石油工业和海上石油运输业的蓬勃发展，海上溢油事故也频频发生，造成的 行油污染日趋严重，严重破坏了每域环境、海洋生态和当地经济。如何在溢油发生后迅速 准确地预报出溢油的行为动态、使其得到及时的控制和清除，成为了当前科学工作者的研 。究热点 1 、 本文结合青岛市近岸海域海洋环境保护规划课题，对胶州湾及其邻近海域溢油应急预 报系统的建立进行了初步研究，建立了胶州湾及其邻近海域的潮流预报模型和溢油模型。 迅速准确地预测出溢油发生时的潮流情况是溢油环境预测的根本保证，因此文中根据灵山 岛、崂山头和朝连岛三处m 2 ，s 2 ，、o l 和k i 四个主要分潮的调和常数资料，采用调和的方 法进行单点的潮流预报，进而建立了胶；h - 【湾及邻近海域的预报潮流场：该方法的潮流预报 结果与实际情况吻合良好，且因避开了数值计算过程而大大减少了流场实时预报的机时， 符合溢油应急预报系统所要求的准确与快速为合理地预测模拟溢油的行为动态，本文在 “油粒子”模式的基础上提出了溢油运动的分阶段模拟法，即将溢油运动过程分为自身扩 展和湍流扩散两个阶段，分别用不同的数值方法进行模拟预测。该方法充分考虑了油膜的 自身扩展过程，弥补了“油粒子”模式在溢油初始阶段的不足。在此基础上，初步建立了 胶州湾及其邻近海域溢油应急预报系统；在预报出溢油发生时的潮流场的基础上，对海上 溢油的行为动态进行了模拟预测，展示了溢油应急预报系统的功能。 理论分析和模拟结果表明本文建立的模型的计算结果是可靠的，对溢油预报模式的发 展和胶州湾及其邻近海域的溢油应急计划的制定具有理论价值和实际意义。 关键词：海上溢油；预报系统；潮流预报；油粒子；胶州湾 as t u d yo nf o r e c a s ts y s t e mo f0 iis p ii l i nt h ed i a o z h o ub a ya n di t sa d j a c e n ts e a s 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 t o f p e t r o l e u mi n d u s t r ya n ds h i pt r a n s p o r t a t i o no f p e t r o l e u m ，as e r i e s o fo i ls p i l la c c i d e n t sh a so c c u r r e df r e q u e n t l y , w h i c hl e a dt os c r i o a so i lp o l l u t i o n t h eo c e a n e n v i r o n m e n t , m a r i n ee c o l o g ya n dl o c a le c o n o m ya r ed e s t r o y e da c c o r d i n g l y h o wt of o r e c a s t c o r r e c t l ya n dq u i c k l yt h eb e h a v i o ro fs p i l l e do i la f t e r0 1 1s p i l la c c i d e n ti no r d e rt oc o n t r o la n d c l e a rt h eo i ls p i l lt i m e l yi sa ni s s u et h a tr e s e a r c h e r sa r ef o c u s i n go n c o m b i n i n gw i t ht h ek e yp r o j e c t - - e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o np r o g r a mi nt h eo f f s h o r ea r e ao f q i n g d a o ，t h et h e s i ss t u d i e st h eo i ls p i l lf o r e c a s ts y s t e mi nt h ej i a o z h o ub a ya n di t sa d j a c e n t d o m a i n an u m e r i c a lc u r r e n tf o r e c a s tm o d e la n da no i ls p i l lm o d e la r eb u i l tu p a q u i c ka n d c o r r e c tf o r e c a s to ft i d a lc u r r e n tw h e no i ls p i l lo c c u r si sak e ys t e pi nt h ef o r e c a s to fo i ls p i l l b a s e do nt h eh a r m o n i cc o n s t a n to ft i d a lc o m p o n e n to fm 2 , s 2 ，o ta n dk li nl i n g s h a ni s l a n d ， l a o s h a n t o ua n dc h a o l i a ni s l a n d ，a n db yu s i n gh a r m o n i cm e t h o d ，t h et h e s i sf i r s tc o n d u c t sa c u r r e n tf o r e c a s ti nas i n g l ep o i n t , a n dt h e nb u i l d su pac u r r e n tf i e l df o r e c a s ti nj i a o z h o ub a ya n d i t sa d j a c e n ts e a s t h ec o m p u t e dr e s u l t sm a t c hw e l lw i 山t h ea c m a ls i t u a t i o n t h em e t h o dr e d u c e s g r e a t l yt h et i m eo fr e a lt i m ec u r r e n tf o r e e a s tb yn o tu s i n gn u m e r i c a ls t i m u l a t i o n ，s oi tf i tt ot h e t w or e q u i r e m e n t so fq u i c k n e s sa n dc o r r e c t o e 豁i no i ls p i l lf o r e c a s ts y s t e m i no r d e rt of o r e c a s t a n ds i m u l a t er e a s o n a b l yt h eb e h a v i o ro fo i ls p i l l ，t h et h e s i sp r e s e n t sap r o g r e s s i v es i m u l a t i o n m e t h o db a s e do n “o i lp a r t i c l e ”m e t h o d n a m e l y , d i v i d i n gt h eo i l s p i l l b e h a v i o ri n t o s e l f - e x p a n s i o na n dt u r b u l e n tc u r r e n te x p a n s i o n ，t h e nu s i n gd i f f e r e n tn u m e r i c a lm e t h o d st o s i m u l a t ea n df o r e c a s t t h em e t h o dt a k e st h es e l f - e x p a n s i o np r o c e s so fo i l i n t oa c c o u n t t h u s m a k e su pt h es h o r t c o m i n go f o i lp a r t i c l e m e t h o di nt h ei n i t i a ls t e po fo i ls p i l l b a s eo nt h e s e a c h i e v e m e n t s ，t h ef o r e c a s ts y s t e mo fo i ls p i l li nt h ej i a o z h o ub a ya n di t sa d j a c e n ts e a si sb u i l t u p t h e no nt h eb a s i so fc u r r e n tf i e l df o r c c a s t e da tt h et i m eo i ls p i l l ，t h eb e h a v i o ro fo i ls p i l li s s t i m u l a t e da n df o r e c a s t e da n dt h ef u n c t i o n so f f o r e c a s ts y s t e ma r es h o w t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec o m p u t e dr e s u l t so ft h em o d e lt h a t t h et h e s i sb u i l d si sb e l i e v a b l e ，w h i c hw i l lb e n e f i tt h e o r e t i c a l l ya n dp r a c t i c a l l yt ot h ed e v e l o p m e n t o fo i ls p i l lf o r e c a s tm o d e la n dt h em a k i n go fo i ls p i l le m e r g e n c yp l a ni nj i a o z h o ub a ya n di t s a d j a c e n ta r e a k e yw o r d s ：o i ls p i l l ，f o r e c a s ts y s t e m ，t i d ec u r r e n tf o r e c a s t , o i lp a r t i c l e , j i a o z h o ub a y 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，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，也不包含未获得或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工 作的同志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谢意。 ，、学位论文作者签名：五i 劾。爷 签字日期： ，缉莎月- j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者躲函h 峰 导师擗 签字日期：y ，每年，月，；日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 签字日期：d f 年月f 够日 电话： 邮编： 胶州湾及其邻近海域溢油应急预报系统研究 1绪论 1 1 研究的目的意义 随着陆地资源的日趋匮乏和人类对能源需求的迅速增长，海洋石油工业和海上石油运 输业正蓬勃发展。目前，进入生产性海上石油钻探的国家已达1 0 0 多个，全世界每年油轮 运输量已超过2 0 亿吨。随之，海上油井井喷事故和油轮及其他载运工具遭遇海难受损导 之原油泄漏的事故频频发生，造成的石油污染也日趋严重，严重破坏了海域环境、海洋生 态和当地经济。 据联合国有关组织统计，每年由于人类活动而流入海洋的石油约1 0 0 0 万吨，其中海 上油井井喷事故和油轮事故造成的溢油高达2 2 0 万吨。全球发生过多起较大规模的溢油事 故，例如1 9 8 9 年“瓦尔迪斯”号巨型油轮在阿拉斯加海域触礁搁浅，大约有3 万多吨原 油流入威廉王子湾，导致海湾生态系统破坏，野生动植物及富饶的渔业资源受到危害，污 染对环境的影响将持续几十年；1 9 7 9 年6 月发生的墨西哥石油公司伊斯塔克l 号井井喷 事故，仅直接经济损失就达6 3 亿美元，其导致的海洋环境污染后果更是难以估计，对临 近海域水产业，生态环境，旅游经济造成长期的巨大损害【” 近年来，油船的数量和吨位越来越大，油轮进出港口次数日渐增加，船舶发生海损事 故的几率也随之增加。据不完全资料统计，9 0 年代初我国每年由于油轮事故造成的溢油 在2 0 0 0 多吨以上，而我国沿海生活和工业污水每年排入海的石油量更是高达1 7 0 0 0 多吨，： 其中仅渤海就有7 0 0 0 多吨。我国海域也发生过许多恶性溢油事故，给l i 蠡近海域和沿岸陆 域造成严重的环境污染其中在大连老铁山附近海域发生的一起货船沉没事故，其油舱破 损导致1 0 0 多吨燃油溢出，造成海域的严重污染；在青岛胶州湾发生的两起外轮溢油事故， 共溢出原油4 0 0 0 多吨，使2 0 0 多公里海岸及l o 余万亩滩涂受到石油污染，水产资源遭到 严重破坏，沿海风景区及港口均受到不同程度污染，所造成的直接经济损失达千万元【2 j 1 。 石油进入水体后，对水环境和生物资源的危害是相当严重的。石油中的不同馏分对动 植物的影响有所不同，低沸点饱和烃易引起动物麻醉、昏迷，高浓度时能破坏细胞导致动 物死亡低分子烃对植物的危害比高分子烃更严重，它能穿透到植物区组织内部，破坏正 常的生理机能。大规模的溢油事故能引起大面积海域严重缺氧，使大量鱼虾、海鸟死亡或 降低经济鱼虾、贝类的食用价值；浮油被海浪冲到海岸，玷污海滩，造成海滩荒芜，破坏 海产养殖和盐田生产，污染、毁坏海滨旅游区；油污若不及时清理，还易发生爆炸和火灾， 酿成更严重的经济损失和人员伤亡m 腔州湾及其邻近海域溢油应急预报系统研究 大规模溢油事故的频繁发生，严重破坏了海洋生态环境，极大地影响了沿海地区经济 发展，给世界人民敲响了警钟。如何最大限度的减少海上溢油造成的污染，已成为一个日 益迫切的社会问题，为此，世界各国政府都高度重视，制定了相应的政策、法规来管理海 上石油的运输，最大限度地减少溢油事故的发生。同时各国政府加大了科学研究的力度， 探索溢油在水环境中的运动规律，以便更好地预测溢油的行为动态，为溢油污染的清理提 供强有力的指导【l 】由于海上溢油事故都是突发性事故，而且多发生在恶劣天气，因此， 溢油事故发生后，能否迅速而有效地做出溢油应急反应，对控制污染、减少污染损失、及 时清除污染等都起着关键性的作用。因此，一个国家或地区( 港口) ，必须要有一套先进的 溢油事故应急系统预测溢油的行为动态，评估其对环境的影响，以便制定相应措施，使溢 油得到及时处理，从而使水环境受到的影响范围及程度降到最低。 作为溢油应急系统的关键技术之一，正确地预测和掌握海上溢油的动态行为就显得尤 为重要。海上溢油的运动变化是一个由物理、化学、生物等多种机制共同作用的复杂过程。 只有准确的预测出溢油的运动变化趋势，才能为迅速反应，科学决策提供依据。由于溢油 事故的突发性、紧急性和现有观测条件的限制，目前还无法仅依靠实时观测提供溢油应急 反应所需的全部数据。随着计算机技术的飞速发展，溢油的动态数值模拟成为现今溢油研 究的主流。囚其具有较准确的预测性能和强大的数据处理、数值计算、决策支持功能而被 人们所接受。近年来，世界各海洋国家相继开发出了一些具有很大实用价值溢油预报系统， 对有效的防止石油污染，保护海洋环境和今后海上溢油研究工作都起到了巨大的推动作 用。随着步入2 l 世纪，环境问题和可持续发展战略已日渐引起关注，对于海上溢油污染 的研究也上e 迎来新的热潮【1 1 。 青岛胶州湾自1 9 7 9 年以来，共发生事故溢油2 0 0 多起，严重地破坏了胶州湾及邻近 海域的水产资源和滨海旅游资源，给青岛市造成了重大经济损失。随着青岛市航运业的发 展，胶州湾内各港口的吞吐量逐年增加，进出胶州湾的船只数量也不断增加，且日趋大型 化，海损溢油事故的潜在危险也有所增加。因此建立胶州湾的溢油应急预报系统，为胶州 湾的溢油应急决策做出科学的指导，具有重要意义。 1 2 海上溢油的行为归宿 为准确地模拟溢油在水体中的运动规律，以及建立科学而精准的溢油模型，了解溢油 在水环境中的行为归宿是首要条件。 一2 一 胶州湾及其邻近海域溢油应急预报系统研究 r 展 群 时同巾时， 0t0武i 0 0 圈厅1 0 * 年i o 厂1 r 一t _ _ 一- f r 一r r 。 蠢麓_ _ 一 露_ - 一 纾缸 - - 一 乱化- 一 诳辟_ - 一 生物降_ _ - _ - 图1 2 1溢油在水环境中各变化过程的时间跨度及地位m 海上溢油的运动及变化受其物理、化学和生物等过程的影响，而这些过程又与石油的 性质、海洋水动力环境及海洋气象环境等密切相关。这些过程包括：水平对流、湍流扩散、 表面扩展、蒸发、溶解、乳化、沉降以及浮油和海岸线的相互作用等这些过程在整个溢 油运动中的发生时间及重要性【1 由图1 2 i 可知。 1 2 1 动力学过程 ， 1 扩展 溢油进入水体后，由于油膜很厚，会迅速向四周扩展。对实际溢油事件的观测发现， 在溢油的最初数十小时里，扩展过程占支配地位。这种支配地位显然随时间而逐渐变弱。 。 该过程的长短与油自身性质密切相关。同时溢油量越大持续时间也越长 f a y ( 1 9 6 9 ) 首先研究了油膜在平静海面上的扩展过程，认为扩展作用主要受惯性力、 重力、粘性力和表面张力控制，它们两两平衡，形成扩展过程的三个阶段嘲f a y 理论仅 适用于静水或恒流条件下的油膜扩展。在实际海况下，海表油层的运动在脉动风和波浪的 作用下，具有明显的湍流特征。扩展的另一个明显特征是它的各向异性，如在主风向上油 膜被拉艮，在油膜的迎风面上形成堆积等等。这些特性是油膜扩展与周围动力环境相互作 用的结果m 。 2 漂移 漂移过程即平流、对流过程，是油膜在外界动力场( 如风应力、油水晃面切应力等) 驱 动下的整体运动。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d a - - 部分组成( 如果不计它们的相且作用的话) ，一是风生流， 胶州湾及其邻近海域溢油心急预报系统研究 - 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 强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阻1 0 1 。 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，主要依赖于海面风 场和流场。流场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 蒸发是石油碳氢化合物液气相变过程中在油膜与空气之间的物质交换。蒸发既与 油膜组分、物理性质、表面积大小有关，也受风速、海况、海气温差以及太阳辐射强 度有关。它是溢油质最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， 其蒸发鼍可达溢油总量的5 0 0 - - 0 0 ，甚至全部蒸发【“1 。 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。此外，蒸发还影响着 其他风化过程，如扩散、乳化、溶解等。蒸发是溢油质量损失的一个重要过程，了解蒸发 过程有助于海上溢油残留奄的预报，油污染的清除以及环境损害的评估等埔1 。 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，挥发速 度越慢”2 1 。以风为主的环境条件是蒸发过程的最主要控制因素。溢油作为多种烃类的复 杂混合物，各组分的蒸气压也互不相同。初期分子量较小的组分先行蒸发，依次剩下分f 量较大的组分。各种烃类的蒸气压随分子量增大而减少。实测表明，含量占0 - 4 0 的低 烃类在溢油后2 4 h 内就会蒸发掉【1 3 1 。 2 溶解 油中一些可蒸发组分也能溶入水体。溶解对溢油动态模拟的平衡计算影响甚微，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，其对环境影响是巨大的，因此模拟溢油的溶解、预测其在水体中的浓度有很大 一一 胶州湾及其邻近海域溢油成急预撤系统研究 的生物学意义，对溢油危险的预报有重要作用。 油的溶解量和速率取决于其组成和物理性质、油膜扩展度、水温和水的湍流度以及油 的乳化和分散程度。在影响溶解的环境因素中，风速和海况显得尤为重要。溢油中单个组 分的溶解受控于油，水分派系数m 值，而不单受纯组分溶解度的制约。另外，溶解和时间 也有一定的规律可循，溢油最大溶解度发生在事故后8 1 2 h 内，然后溶解呈指数直线下 降，这表明挥发和水体运动影响了溶解过程。以总芳烃为例，在开阔海域发生溢油几小时 内，水中芳烃浓度可达0 0 1 - 4 ) 1 m g l ，由于水体的运动和扩散，浓度很快降低【“卅2 1 。 3 分散 分散是小得多的油滴渗混于水中的现象。这时油滴的粒度范围可以是u m 叫n m 量级。 自然分散包括3 个过程：( 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 种相关物理化学参数和以上过程的关系， 溢油发生后l o b 左右分散作用最大，可持续到1 0 3 l l 以后。溢油中所含的表面溶化剂 。 助长了分散过程，破碎波形成的湍流在分散过程中起着最主要的作用。自然分散能够减少 漂移在水面的残留油膜的量。油水界面的表面张力是影响分散的重要因素。油的粘度也能i 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 9 1 。 k 4 乳化 溢油的乳化是指石油和水混合在一起，经过扰动作用( 人工搅动或自然环境中风、流、 浪的扰动) ，油粒子不断向水相分散，同时水的微粒也不断向油相逸散，形成的油包水或 水包油的油水乳化物的过程。油包水乳化物是水滴被分散到油滴里，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【4 1 由于吸 收大量的水( 稳定的油水乳引液一般含水量在5 0 - - - 6 0 以上，体积比原来增长5 “倍【1 5 1 ， 比重和粘度也比原来大得多，乳化物体积、密度、粘度有不同程度的增加，致使蒸发和乳 化受到极大的影响，严重妨碍溢油的清除工作【l 7 】 乳化一般发生在溢油后数小时，因为在溢油之初，油膜较厚，水动力条件和外界其他 条件不足以破坏油膜的整体性，油膜不能被分散形成油粒子，从而不具备乳化的先决条件， 随着油膜的不断扩展，油膜面积逐渐增大，厚度不断减小，在风切应力、湍流、波浪作用 下被分散。此时乳化开始发生影响乳化的因素包括油的组成成分、油膜厚度以及水体紊 一5 一 胶州湾及其邻近海域溢油j 、- y ，急预报系统研究 动程度、波浪、温度等环境条件，试验表明，乳化部分的油在水体中垂直分布主要取决于 波浪的作用。 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。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。油的密度随风化、乳化过程而增大，当油滴的密度变得大 于海水时，就会下降，这种过程即为沉降。 6 生物降解 石油进入海中，经过上述各过程仍有很多残留，一些有害物质也是仅被稀释而并没有 被清除。而海洋中到处存在着分解烃类的微生物，多达上百种。它们通过对石油的吸收、 同化来摄取碳素。生物降解过程是起作用较晚的过程，使海洋环境中的烃类残留物不至于 大量累积。 生物降解的过程不仅对漂浮的油起作用，对沉淀的油也同样起作用。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。 1 3 海上溢油的研究进展 1 3 1 溢油数值模拟的研究进展 天于海上溢油研究，欧美等国从2 0 世纪6 0 年代就开始进行研究吲。我国对海上溢 油的研究虽然起步较晚，但八十年代起，国家海洋局海洋环境保护研究所、国家海洋局第 一海洋研究所、中国科学院海洋研究所、大连海事大学，中国海洋大学等都曾对溢油摸式 进行了研究并取得较大进展。以下我们对部分已有关于溢油行为动态的研究成果和模式进 行介绍。 1 扩展 经典的f a y 理论认为扩展作用主要受惯性力、重力、粘性力和表面张力控制，扩展过 程分为二个阶段。对于瞬时溢油，经典f a y 扩展模型能够预测油中较稠部分的油膜厚度， 而较稠的则占油体积的大部分。这种模型至少适用于溢油的初期阶段，考虑到将来的发展， 对f a y 模型修正要加入油粘性和扩展终止的影响。 油膜扩展过程的一个明显特征是它的各向异性。在主风向上，油膜将被拉长因此， 一6 一 胶州湾及其邻近海域溢油心急颓撒系统研究 l e l l r 等( 1 9 8 4 ) 提出了一个修正模型：假定随着时间延长，风向上浮油的面积与风速成正比， 油膜将是拉长成椭圆。在实际海况下，海表油层的运动在脉动风和波浪的作用下，具有明 显的湍流特征。后来的许多学者考虑了海上的环境动力因素，将油自身的扩展过程与海水 扰动因素作用下的分散过程结合起来，建立了各自的溢油扩展模式，如m a c k a y 模式、 w a n g 模式等。m i t 模式则突破了f a y 的传统模式，将油膜自身特性所致的扩展与环境动 力形成的油膜分散一并考虑，建立了油膜扩展分散微分方程。在国内，也有一些学者 提山了油膜扩展的数学模犁，例如刘肖孑l ( 1 9 8 1 ) 等综合溢油三个阶段的扩展机理，提出了 扩展尺度随时间变化的统一公式，赵文谦，武周虎( 1 9 8 8 ，1 9 9 2 ) 提出了同时考虑油膜扩展 和各向异性扩散作用，以及油膜边缘的消失过程，建立了扩展范围的数学模型【1 9 】 油膜扩展模式一个重要的新发展就是j o h a n s e n ( 1 9 8 4 ) 和e l l i o t ( 1 9 8 6 ) 等提出剪切扩展的 概念及“油粒子”模式( o i lp a r c e lm o d e l ) 。最近很多室内和现场实验都支持该方法，因为 该方法正确解释了重力扩展停止以后的扩展现象物理学问题，所以被广泛接受。国内外众 多学者应用和发展。油粒子”模式，得到了较理想的结果。 o 2 漂移 海上溢油的漂移主要取决于风场和流场。早期的- 二维表面模型，一般用常量或变景把。 风和流的速率和油的表面速率联系起来。溢油模拟中平流项口丁能采用c u r r e n ta t l a s e s 或其 他近似数。与动力学模型之间直接或间接的联系越来越普遍，后者应用更，“泛、容易。 表面风场是决定溢油漂移运动的重要因素，溢油数值模拟中很少采用空气动力学基本 方程求解风场，因为该法对水域局部地区地面风的计算并不可靠。现阶段，溢油漂移模拟 中几种常用的风场编制模式如下；( 1 ) 常风场模式，这是简单的风场处理方法，该法适用 于小范围，短时值的溢油漂移扩散。( 2 ) 随机游动风场模式，该法把风要素看作非恒定的、 相互独立的随机函数，以得到风场的计算模式该法主要不足之处在于：没有考虑风要素 的自、互相关性以及周期性变化规律。( 3 ) 马尔科夫模型，由s h u k a 和s f a r k 建立，其实质 是一种改进的随机游动模型。( 4 ) 回归模型，t a y f u n 和w a n g 建立了双变最的四阶自同归 模型，该模型较好地考虑了风要素的自相关特性，但未考虑风要素的周期性。另外，国内 赵文谦等( 1 9 9 0 ) 通过全面系统的地分析气象站多年的风场资料，提出了改进的四阶自回归 模型，能够用于各类溢油风险预报嗍。 在流场对漂移的影响中，近海主要是潮流和风海流。对于潮流的数值预报，现今在理 论和方法上都已比较成熟，将在下一章中详细论述风海流则可由经验公式求得另外波 一1 一 胶州湾及其邻近海域溢油 血：每须撒系统研究 浪余流对溢油漂移也有影响，一则因其作用不大( 相对于潮流和风海流) ，二则由于现有理 论和模式的限制，尚难以较好的应用于模拟预测中【l 】 3 蒸发 现有蒸发模式大体上可分为两类：准组分法( p s e u d o c o m p o n e n t ) 和分析法( a n a l y t i c a p p r o a c h ) 【耵前者是把油视为一系列分子量不同的烃类组成，总蒸发量是各组分蒸发量的 和，模式中不同组分以不同速率蒸发，且油膜的密度作为一个时间的函数，这类模式可以 计算残留量及其化学组成与物理性质，如y a n g 、w a n g 和t k a l i n 等提出的方程【2 0 l ；后者 是将溢油视为混合类基质，又称特定组分模式，即用一种特定的混合烃类基质代表实际溢 油，建立基质的蒸发速度与风速、蒸气压和油膜面积等因素的经验关系，如b l o k k e r 、 m a c k a y 、m a t s u g u ，d r i v a s 、s t i v e r 、f i n g a 等提出的方程【2 。两种方法交替发展，一般来 说，准组分法准确性高些，但分析法所需参数较少，便于使用。两种方法大多用了迁移系 数法，蒸发为一级衰减过程。在准组分法中都结合了r a o u l t 定律【2 ”，但分析法如s t i v e r 和m a c k a y 、f i n g 髂等提出的方程用蒸馏曲线参数来表征油的整体挥发特性。另外，对所 提出的方程中的参数，研究者根据实验数据也提出相应计算方法。总的来说，方程大多是 以实验为基础的经验方程。 4 溶解 溶解与蒸发同样属于自限制过程，但其作用却远小于蒸发。p a y n e ( 1 9 8 4 ) 使用与溢油 蒸发相同的方法模拟了溶解过程。鉴于溶解与蒸发有相似的物理机制，故许多学者将溶解 和蒸发结合起来，用一阶运动学过程表示油的质量损失率。a u d u n s o n ( 1 9 7 9 ) 和 s p a u l d i n g ( 1 9 8 2 ) 也将溶解溢油视为进入水体的粒子加以处型2 ”该方法有其可取性，因 为溢油现场难以区别溶解和分散。m a c k a y ( 1 9 8 0 ) 、a u d u n s o n ( 1 9 8 1 ) 、h u a n g & m o n a s t e r o ( 1 9 8 2 ) 和s p a u l d i n g ( 1 9 8 2 ) 等人的研究结果表明：这两个过程进入水体的溢油量可占到溢油总量 1 - 1 0 。 5 分散 目前人们对这方面的研究还比较少，研究成果非常有限，已经建立的模式都是一些简 单化、初级性的描述。溢油分散量最简单的计算公式是把分散量作为溢油经历时间和海况 的函数编制成表，以便查算。a u d u n s o n ( 1 9 7 9 ) 基于风速理论并考虑到油粒子驱赶到水中去 的反射能量，建立了计算分散量的经验公式【l “m r e e d ( 1 9 8 0 ) 和s p a u l d i n 甙1 9 8 2 ) 改进了 a u d u n s o n 的方法，将指数衰减函数表示的风化和乳化计算量也包含到了公式中按照该 一8 一 胶州湾及其邻近海域溢油应急预撤系统研究 计算公式，溢油发生的前几天溶解和分散过程便己完成9 9 。早期m a c k a y ( 1 9 8 0 ) 建立的 二段模式分别描述厚油膜和薄油膜的分散过程，计算结果与定量测定结果相当接近。 d e l v i g n e ( 1 9 8 3 ，1 9 8 4 ) 依据一系列的分散测量建立了分散理论模式，并给出了油和含油悬 浮颗粒物的垂直分散系数。鉴于垂直分散主要源于破碎波引起的湍流作用，窦振兴( 1 9 9 5 ) 、 方国洪( 1 9 9 7 ) 等采用随机走动法模拟分散过程，并按j o n sw a p 谱和p e r s o n m o s c o w i t z 推算波浪要素，以半经验公式计算垂直涡动分散系数，取得了令人满意的结果。 6 乳化 目前，关于乳化的数学描述还处于粗糙发展阶段，已建立的大部分乳化数学模型大都 以m a c k a y ( 1 9 8 0 ) 提出的乳化方程为基础比如美国的a d i o s 、英国的o s l s ， s e b a s t i a o & g u e d e s - s o a r e s 提出的模型，国内张存智等的溢油动态预报模式都采用m a c k a y 提出的方科7 l 。f i n g a s 提出了近似简化计算：化学条件和最小能量满足后，乳化物迅速形成， 据此提出了数学方程另外一个较好的乳化模式由r a s m u s s e n 建立种云宵川等通过试验 研究了破碎波下溢油的乳化作用 7 吸附与沉降 m e y e r s 提出造成吸附的沉淀的颗粒物质，直径一般小于“微米。李崇明、赵文谦、 晃晓波等研究了泥沙对石油的吸附问题，并提出了相关数学模型。现阶段，沉降过程的模 拟研究工作不多，一般只停留在定性的描述和一些简单的规律试验方面 8 生物降解 。 生物降解消除石油污染将是一个很具备前景的研究课题。目前，有许多学者在石油污 染的生态修复法方面做了先期的探讨，但仍处于对其机制的实验室研究阶段，少有可供实 用的模式 1 3 2 溢油动态数值模型的研究进展 溢油的动态模拟预测是溢油应急系统的核心内容，准确与快速地模拟溢油的行为动态 对油污染的及时清除、减轻污染程度、溢油损害程度的评估、索赔评估等各方面起着举足 轻重的作用。近几十年来，世界各国的许多机构和学者在这方面做了深入的研究，各种理 论相继提出，取得了丰硕的成果1 2 叼 如前所述，海上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，发生复杂的变化。但对溢油所导致的短期环境影响而言， 溢油的漂移、扩展、蒸发、分散作用占有主要地位。 - 9 胶州湾及其邻近海域溢油应急预撒系统研究 海上溢油的漂移与扩展主要取决于海表面风场、流场以及波浪和湍流的综合作用。在 近海，风海流和潮流是决定溢油漂移轨迹最重要的因素。波浪对溢油的影响主要体现在水 面的搅动和波浪破碎而引起的溢油入水。风的作用与油品的不同特性，则决定了海面原油 的挥发和乳化，进而影响溢油的密度和粘性变化。因此，合理地预测海上溢油环境影响的 首要任务是建立一个具有高精度、高效率和良好稳定性的风海流、潮流耦合模式众所周 知，风海流、潮流具有复杂的垂直结构，在垂直方向流速分布是不均匀的，对溢油起作用 的主要是表层海流，从而建立三维模式必不可少。再者，由于海岸形状，海洋水深分布的 不同，即使在均匀风的情况下，风海流亦会有迥然不同的量值，甚至不同的方向。若不采 用三维海洋动力数值模型进行计算，则无法获得表层海流的准确流速。合理的有效的三维 海流模式是溢油环境预测的根本保证。在此方面目前国内外学者发展了众多有效的模式， 技术已基本成熟。但在如何做到既保证结果精确度又简便快速时仍需探讨。对于潮流场数 值模拟技术的研究现状我们将在后续章节详细介绍并加以讨论。 为合理模拟溢油的漂移、扩散、蒸发等行为，还必须建立一个合理的溢油模型。早期 多采用油膜质心轨迹结合油膜扩展经验公式方法，由于其多方面的局限性，现已很少应用。 而计算溢油漂移的另一类模式油膜动力学模式【 l ，在一定程度上有其优越性和实用 性，但也有其不足。例如：该模型的前提是假定油膜的变化和运动都是连续的，因而它不 能考虑到油膜的破裂：该模式的另一基本假定便是对于油膜内的水平动量交换过程采用 b o u s s i n e s q 近似，在实际情况中，该假定有很大的局限性。若因某一油种溢油的凝固点低 于海水温度而使溢油发生凝固时，也就破坏了该方法的前提假设而无法适用。 近年来在国际上得到广泛应用的是“油粒子”模型，它代表了当前溢油预测技术的发 展趋势。“油粒子”概念打破了采用对流扩散方程模拟溢油的传统方法，直接模拟导出扩 散方程的实际物理现象，可以更确切地表述溢油对各种海洋动力因素的响应过程，油粒子 模型在溢油模拟发展过程中具有划时代的意义。这类模式不仅避免了上述数值方法本身带 来的数值扩散问题，同时还可以正确重现海上油膜的破碎分离现象，能准确地描述溢油的 真实扩散过程。经国内外众多致力于溢油研究学者的应用与观测验证，证实该模式更为合 理和精确。 1 3 3 溢油应急预报系统的研究进展 溢油应急预报系统作为溢油事故发生时的指挥决策保证系统和技术咨询系统，已成为 海上溢油应急对策及计划的最重要组成部分之一，同时更是其核心技术。准确的预测海上 胶州湾及其邻近海域溢油应急预报系统研究 溢油的行为动态和科学的采取应急措施，是这类系统的主要和基本要求。它是对海上溢油 事故做出迅速有效的应急反应的重要依据，是有效预防和控制海上溢油事故，提高清除、 回收效率，减轻环境污染损害，充分利用现有人力物力资源的基础和前提。 西方发达国家在60 年代就相继开展了溢油动态预测系统研究，像美国的o i l m a p 系统、英国的o s i s 系统、荷兰的m s 4 系统、挪威的o i l s p i l l s t a t 系统、比利时的 m u s l i c k 系统以及日本的溢油灾害对策系统等。我国有关溢油模型的研究是在八十年 代中期起步的，从九十年代开始逐步上升到溢油动态预测系统方面的研究，目前已取得一 定的成果。如国家海洋局海洋环境保护研究所与比利时北海数学模犁管理研究所合作开发 的o p e r a 系统、大连海事大学殷佩海教授等开发的海上溢油应急反应专家系统等。但由 于我国研究时间短、人力物力资源投入有限等原因，从具体应用效果来看，还没有从总体 上完善成为先进的应急信息系统，与国际上相关先进成果相比理论和实用性均尚有一定的 差距【掘。 综观目前的发展趋势，除了在输入简便快捷、计算迅速准确、结果可视化，模型结合译 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、图形技术、通讯技术的 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 本文研究内容 在海洋科技工作者的努力下，海上溢油的数值研究取得了丰硕的成果。特别是近几年， f 随着计算机的发展，复杂精细的数值模式开始出现，为海上溢油应急反应决策提供了有力 的指导。本文针对胶州湾及邻近海域的环境现状，结合溢油造成海洋污染的过程及归宿， 对胶州湾及其邻近海域溢油应急预报系统的建立进行了初步研究；建立了包括潮流预报模 型和溢油模型两个主要组成部分的胶州湾及其邻近海域溢油应急预报系统。 实时潮流场的预报是准确预测出海上溢油环境影响的首要任务。文中根据灵山岛、崂 山头和朝连岛三处的潮汐调和常数，计算出研究海域各节点处的m 2 、s 2 、o i 和k i 四个 分潮的潮流调和常数，采用调和的方法进行单点的潮流预报。进而建立了胶州湾及邻近海 域的预报潮流场。 溢油模型选用近年来得到广泛应用的“油粒子”模式，并针对“油粒子”模式在溢油 初期的不足，提出了溢油运动的分阶段模拟法，充分考虑了溢油初始阶段的自身扩展过程 该方法将溢油运动过程分为自身扩展和湍流扩散两个阶段，分别用不同的数值方法对两个 阶段内溢油的行为动态进行模拟预测。 胶州湾及其邻近海域溢油应急颅报系统研究 最后，在预报出溢油发生时的潮流场的基础上，对胶州湾海上溢油的运动行为进行了 动态模拟和环境影响预测，对溢油应急预报系统的功能特点进行初步展示。理论分析和模 拟结果表明本文建立的模型的计算结果是可靠的，所做工作具有理论和实用价值。 胶州湾及其邻近海域溢油应急预报系统研究 2 潮流场的数值预报 2 1潮流数值计算的研究现状 海流数值计算指从海流动力学方程组( 一般说来包括流体力学方程组，热力学方程、 盐量扩散方程、质量守恒方程及状态方程) 出发，根据一定的定解条件( 即初始、边界) 条件， 将方程及边界条件离散化，使其转化为一个代数方程组，利用计算机来求解该代数方程， 从而得出流场【5 5 1 。严格来讲，海流数值计算可划分为以下三类口7 1 ：( 1 ) 海流数值分析：不 以真实地、客观地再现某一具体海域内的海流状况为目的，而是抓住现象的本质进行抽象 概括和简化，孤立出实质性的因素，借助计算机进行数值计算，从而对某一物