（轮机工程专业论文）海上溢油的归宿和形态研究.pdf

中文摘要 摘要 伴随海上航运业的迅速发展，海上溢油事故的频繁发生，为了减少事故对水 环境和人类生存的影响，对海上溢油归宿和形态的研究显得尤为重要。本文研究 的主要内容包括： 在查阅大量资料的基础上，建立了海上溢油归宿模型。海上溢油风化模型主 要考虑了四个过程：溢油的挥发、乳化、溶解和沉降。以求解对流扩散形式的水 面油膜动力方程为基础建立了海洋溢油形态模型，结合当地实际的潮流场和风场 条件，达到模拟水面油膜形态的目的。 基于算子分裂法，将c r a n k - n i c o l s o n 高精度格式应用于二维油膜动力方程， 该格式是在将二维油膜动力方程分裂为4 个纯一维方程的基础上再进行求解，数 值结果表明，c r a n k - n i c o l s o n 格式能够获得比较高的精度；用托马斯算法对离散 方程进行计算，托马斯算法在计算三对角线性方程组时，简单、方便。 将该模型应用于葫芦岛海域的溢油数值模拟，通过与“油粒子”模型比较， 可以看出本模型在模拟溢油量对溢油扩散面积的影响时，效果比较明显，模拟的 结果与实际溢油量对扩散面积的影响比较相符，从而验证了本模型的合理性。在 实际溢油事故中，油的扩散与油品和当时的风况条件有关，本模型中考虑了这两 方面因素的影响，且对不同油种和风况条件进行了数值模拟，并对这些影响因素 进行了简要的分析。 本文建立的溢油形态模型，应用于葫芦岛海域污染物扩散数值模拟，结果比 较合理，当溢油事故发生后，可以为决策层提供水面油膜厚度变化，油膜面积等 基础信息。 关键词：溢油归宿；形态；c r a n k - n i c o i s o n 格式；t h o m a s 算法；溢油量 英文摘要 a b s t r a c t w i 也t h er a p i dd e v e l o p m e n to fm a r i t i m es h i p p i n gi n d u s t r y , m a r i n eo i l s p i l l a c c i d e n t sh a v eo c c u r r e df r e q u e n t l y i no r d e rt or e d u c et h ei m p a c to fo i ls p i l la c c i d e n t s o nt h ew a t e re n v i r o n m e n ta n dh u m a ne x i s t e n c e ，s t u d y i n go nt h ef a t ea n dm o r p h o l o g yo f o i la p p e a r st ob ep a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t 1 1 1 em a i nc o n t e n t so ft h ep a p e ri n c l u d e ： b a s e do nal o to fi n f o r m a t i o n , t h eo i ls p i l lf a t em o d e li se s t a b l i s h e di nt h ep a p e r t h ew e a t h e r i n gm o d e lt a k e si n t oa c c o u n tf o u rm a i np r o c e s s e s ：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 na n ds e d i m e n t a t i o n o i lm o r p h o l o g ym o d e li sb a s e do nt h e c o m p u t a t i o n so nt h eo i ld y n a m i c se q u a t i o no nt h es u r f a c e c o m b i n i n g 丽廿1t h et i d ea n d 晰1 1 df i e l dc o n d i t i o n si n t ot h em o d e l ，t h ep u r p o s eo fm o d e l i n gt h eo i lf i l mm o r p h o l o g y o nt h es u r f a c ec a nb ea c h i e v e di nt h ep a p e r b a s e do nt h ei d e ao ft h eo p e r a t o ms p l i t t i n gm e t h o d ，t h eh i g h e r - o r d e rs p l i t t i n g s c h e m e ，c r a n k - n i c o l s o nf e mh a sb e e na p p l i e dt ot h et w o - d i m e n s i o n a lo i ld y n a m i c s e q u a t i o no nt h es u r f a c e ，n l es c h e m em a k e st h ee q u a t i o ns p l i ti n t o f o u ra b s o l u t e o n e - d i m e n s i o n a le q u a t i o n s ，a n dt h e nc o m p u t e so nt h ee q u a t i o n s ，n l em o d e li sa p p l i e dt ot h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fh u l u d a ow a t e r s c o m p a r e d 晰t 1 1t h e ”o i lp a r t i c l e s ”i d e ar e s u l t ，i ti sm o r eo b v i o u sw h e nu s e dt os i m u l a t ed i f f e r e n t v o l u m eo fs p i l l e do i l t h es i m u l a t i o nr e s u l ti sm o r ea g r e ew i t hr e a l i t yw h e ns i m u l a t i n g t h eo i lf i l ma r e a , w h i c hp r o v e st h er a t i o n a l i t yo ft h i sm o d e l i nt h ep a p e r , t w of a c t o r s ， t h en a t u r eo fo i la n dw i n dc o n d i t i o n s ，a r ec o n s i d e r e da n ds i m u l a t e di nt h em o d e l s p i l l e do i lm o r p h o l o g ym o d e lh a sb e e na p p l i e dt ot h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no f h u l u d a oa r e a , t h er e s u l ti sr e a s o n a b l e ，w h e nt h eo i ls p i l la c c i d e n th a p p e n e d ，t h em o d e l c a l lp r o v i d et h eo i lf i l mt h i c k n e s s ，o i lf i l ma r e aa n do t h e rb a s i ci n f o r m a t i o nt ot h e d e c i s i o nm a k i n gt e a m k e yw o r d s ：o i ls p i l lf a t e ；m o r p h o l o g y ；c r a n k - n i c o l s o ns c h e m e ；t h o m a s a l g o r i t h m ；o i lv o l u m e 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= = 渔上鲎油的归宿塑形态班窥：。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。 论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 d 年月乡日 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。 榭雠姗再篡“上；b - 框4 ，不保密囱( 请在以上框内打“ ) ：旁秆翩繇象精 日期：少加年多月t 徊 海上溢油的归宿和形态研究 1 1 研究背景 第1 章绪论 1 1 1 溢油概况 溢油是指排入海洋环境( 或河流) 的油。o p r c 公约定义的油，包括任何形式 的石油，如原油、燃料油、油泥、油渣和炼制产品。 随着海洋石油运输业的迅速发展，石油开采和水上运输量逐年增加，每年都 会发生多起海洋溢油事故，导致大量石油泄露到海洋中，对海洋环境和人类生存 造成极大的危害。石油对水环境的污染不仅范围大，而且持续时间长。世界各国 都对这一问题非常关注，国际上也已制定了许多公约、法规来降低这类事故发生 的可能性，但是，目前还没有一种有效地方法完全阻止溢油事故的发生【1 1 。 船舶事故性溢油已经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( i t o p f ) 统计，19 7 4 2 0 0 7 年世界范围内共发生各类溢油事故9 3 6 8 起，其中溢油量小于7 f 的占8 4 ，溢油量7 - 7 0 0 t 的溢油事故占1 2 ，溢油量大于 7 0 0 t 的占4 ，具体如表1 1 所示。 就中国而言，沿海地区及某些内河水域也遭到严重的石油污染1 2 训。据统计， 1 9 7 3 年到2 0 0 6 年3 0 余年间，我国沿海共发生大小船舶溢油事故2 6 3 5 起，其中溢 油5 0 吨以上的重大船舶溢油事故共6 9 起，总溢油量3 7 0 7 7 吨，平均每年会发生2 起重大溢油事故，平均每起重大溢油事故溢油量5 3 7 吨。特别是自2 0 0 5 年以来， 我国沿海和内河水域共发生船舶污染事故2 5 3 起，较大船舶溢油事故也时有发生， 其中溢油5 0 吨以上的事故就达到9 起。溢油对水环境和人类的生存构成了严重的 威胁，而每次重大溢油事故造成的影响以及环境治理的成本都是巨大的，每次损 失最高可达几千万元甚至上亿元。目前，我国近海海域平均浓度已达0 0 5 5 m g l 。 据全国海岸与滩涂资源综合调查，进入我国近岸海域的污染物总量为6 5 1 0 6 t a ， 其中石油为1 8x1 0 5 t a 5 1 。 2 0 0 2 年n 月2 3 日凌晨4 时8 分，渤海海域发生一起重大溢油事故，马其他 籍“塔斯曼海 轮与中国籍“顺凯一号 轮发生船舶碰撞导致2 0 0 吨原油泄漏， 对海洋环境构成了严重威胁，天津海洋局索赔9 6 0 0 万元；2 0 0 5 年4 月3 日载运 第1 章绪论 1 1 9 5 7 4 吨原油的葡萄牙籍油轮“阿提哥 轮在大连海域触礁搁浅，导致部分原油 泄漏，附近海域遭受严重污染。2 0 0 5 年8 月1 7 日1 3 时5 0 分左右，浙江省台州市 黄岩三江船务有限公司所属“永宁7 号 货轮，航行至渤海湾大连旅顺老铁山西 北海域时，海上风力突然增大导致溢油1 0 2 吨。2 0 0 6 年4 月2 2 日，英国籍集装箱 船“现代独立”轮在进驻永跃万邦船厂时，与船坞门发生擦碰，造成左舷破损， 并导致第三燃油舱4 7 7 吨燃油( 重油) 外溢，由于抢险及时，事故并未造成大面 积污染。2 0 1 0 年5 月2 5 日，一艘马来西亚籍油船与一艘圣文森特和格林纳丁籍货 船在新加坡海峡樟宜东1 3 公旱处海域相撞，事故造成油船泄漏约2 0 0 0 吨石油。 表1 11 9 7 4 - 2 0 0 7 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 sb e t w e e n19 7 4a n d2 0 0 7 1 1 2 溢油的危害 石油是一种很复杂的自然混合物，按其结构分类，它主要由低沸点饱和烃、 烯烃、高沸点芳香烃和非烃类化合物等组成的。其中以芳香烃的毒性较为明显， 低沸点的芳香族化合物( 苯、甲苯、二甲苯) 对人和动物也都是有害的。采用洗 涤剂和消油剂处理油污，能把原油中的芳香族化合物分离出来，但将毒害海洋生 物。低浓度的低沸点饱和烃具有麻醉作用，高浓度时则能损伤细胞和毒死低级动 物，特别是动物的幼体。高沸点饱和烃对海洋生物没有明显的毒害。而非烃类化 2 海上溢油的归宿和形态研究 合物( 如氮、硫和金属化合物) ，其毒性与芳香族化合物相当。因此，低分子的烃 类物质对生物机体有毒害，高分子烃类物质的毒性不明显。 溢油事故发生后，海洋生物所受到的影响程度的大小，取决于溢油的种类、 数量、地点、季节、气候、海况、生物种类和数量、渔业和养殖业以及油污的清 理等因素，而且这种影响的周期往往是很长的【6 1 。 1 ) 溢油对鸟类的危害 海面上的溢油对鸟类的危害最大，尤其是潜水摄食的鸟类。由于海上漂浮的 油斑的引诱，许多鸟类会落下来不是食物。这样，有的鸟由于不留意而游入水中， 当它们在潜水后出现在油面上时，羽毛上会沾上石油，部分组分的石油会破坏羽 毛的结构。还有一部分鸟类当羽毛接触到油膜后，它们的羽毛能浸吸油类，从而 失去防水能力和保温的机能。也有的被污染的鸟类，丧失了浮力而沉没。在溢油 事故发生时，从保护自然生态的角度急救鸟类的工作是非常重要的。 2 ) 溢油对海洋浮游生物的影响 石油进入海水后首先影响表层( o l c m ) 海洋生物，生活在这一薄水层中的“次 漂浮生物”，由于油膜覆盖在水表面上，会影响海水中氧的补充，并妨碍海洋中的 浮游植物的光合作用，降低海洋的原始生产力。 3 ) 溢油对渔业和水产养殖业的危害 溢油会对水产资源产生较大的危害。鱼卵、仔幼鱼或贝类的胚胎和幼体对水 产资源来说，是非常重要的部分，其成活数量的多少直接影响到水产资源的补充 量。有关研究表明，鱼卵、仔幼鱼或贝类的胚胎和幼体对石油是相当敏感的。如 果大型溢油事故发生在鱼虾类的产卵场、索饵场及幼体发育生长的水域，或者发 生在贝类栖息生活的浅海、潮问带区域，对其局部海域水产资源群体补充会产生 长期危害而导致渔业减产。如果发生在水产养殖区域，无疑会造成重大经济损失。 4 ) 溢油对海洋浮游植物的影响 溢油对海洋浮游植物的影响是很难被观察到的，因为海水处于不断运动状态， 而浮游植物繁殖又快，这将弥补或掩盖可能受到溢油影响所造成的在数量上或种 类组成上的变化。但对潮间带定生藻和沼泽植物的影响一般比较容易观察到。溢 油对红树林的影响，主要包括叶子脱落、变形，阻碍生长，种子畸变和死亡。 5 ) 溢油对海洋哺乳动物的危害 3 第1 章绪论 有皮毛覆盖的哺乳动物，诸如海狮和海豹比较容易受到伤害。因为油较易沾 在皮毛上，降低这些哺乳动物的保温特性，油还可能伤害表皮以及暴露在体外的 部位。调查结果表明，大量的油污能造成哺乳动物死亡或器官受伤害，有物理窒 息的作用，也有化学毒害作用。 6 ) 溢油对沿岸工业的影响 溢油事故发生后，依靠连续供应清洁海水进行正常作业的工业部f - j ，如制盐、 淡水制造等工业部门也会受到溢油的不利影响。发电站之类的单位，为了获得大 量的冷却水，往往坐落在海岸边。如果大量油从冷却水入口处抽入，将会导致冷 却装置被污染。 溢油事故的屡屡发生，严重威胁到我国水环境状况和人类生存，水产养殖业 和沿岸工业也受到很大的影响。面对海上石油运输量不断增长的趋势，溢油事故 的频繁发生，为了使海洋环境遭受到最小的破坏，人类生存得到最大的保障，必 须加强对溢油的科学研究。 1 2 研究的目的及意义 海上石油运输业迅速发展，伴随而来的海上溢油事故也频繁发生。海上石油 泄漏对海洋环境和人类生活带来了严重的影响，海洋溢油污染已经引起了全球的 广泛关注。因此，海上溢油的运动轨迹、归宿以及溢油形态和面积做出及时、可 靠地预报，可以帮助决策者真确采取溢油应急措施，尽量减轻溢油事故带来的危 害。本文研究的主要目的就是对海洋溢油事故发生后，水面油膜的归宿和溢油形 态进行研究，通过研究，实时的掌握溢油的归宿和扩散信息，为事故发生后的控 制和治理提供油膜漂移、油膜面积和油膜厚度变化等基础信息。 溢油归宿模型建立的目的是研究溢油事故发生后，油膜组成、性质的变化。 溢油初期，蒸发和乳化过程是决定油膜组成和性质的主要过程。针对“油粒子 模型的不足，本文选用对流扩散模式进行数值模拟，建立水面油膜形态模型。本 文溢油形态研究的目的和意义主要有三个方面：本文模型在计算大规模溢油时能 更直观的表现出溢油量对油膜扩散面积的影响，能更加准确的为决策者提供意见； 对流扩散模式还能更加直观的体现溢油量的不同对溢油扩散面积变化趋势的影 响，溢油量增大，本模型模拟的溢油面积变化趋势比“油粒子 模式更加明显： 4 海上溢油的归宿和形态研究 本文模型还能更好的体现油品性质对油膜扩散面积的影响，数值模拟的结果更加 符合现实、更加准确；可以为污染的治理提供油膜厚度变化、油膜面积等基础信 息。 1 3 本文主要工作 本文是在通过查阅大量资料，结合前人的研究成果基础之上，总结溢油研究 领域的最新成果，对溢油运动轨迹和归宿、溢油的形态进行了研究，重点是对海 洋溢油的归宿、形态以及影响溢油扩散的因素进行了研究。本文针对“油粒子” 模型存在的缺点，选取了求解对流扩散模式的方法，对溢油事故进行数值模拟和 研究。建立水面油膜动力方程，对方程进行离散差分和求解，结合葫芦岛海域的 潮流场、风场和实际地理信息进行数值模拟，及时掌握溢油的扩散、油膜形状变 化、油膜的面积和油膜厚度变化等基础信息，最后进行二维显示。本文数值模拟 结果与“油粒子 模型进行了数值比较，本文还分析了模型的主要影响因素对本 模型在数值模拟时的影响程度。 本文共分为六章，第一章为绪论，主要介绍本文研究工作的目的和意义，以 及对本文工作的总述。 第二章主要介绍了目前国内外的溢油追踪模型和溢油形态模型的研究现状。 第三章为溢油轨迹及归宿模型的建立，主要介绍了溢油漂移模型和建立溢油归 宿模型。 第四章为溢油形态模型的建立。 第五章为溢油形态预测模型在葫芦岛海域的应用，建立溢油形态数学模型， 对该模型进行求解，最后利用编程进行数值计算；本章还对风和油品等影响因素 进行了分析。 第六章为全文总结和今后工作展望。 第2 章海上溢油追踪和形态模型研究现状 第2 章海上溢油追踪和形态模型研究现状 近几十年来，伴随海上溢油事故频繁发生，人们对溢油行为的研究逐步加深， 海上溢油预测模型也得到了迅速的发展，溢油模型己从早期的现场简单监测和描 述向系统化、科学化数值模拟发展。用数学模型模拟、预测溢油在海面的漂移扩 散的方法已经在国内外得到了广泛的应用，数值模拟的实质是首先利用水动力模 型计算溢油海域的流场，并结合当时当地的风力条件、波浪、水温、盐度、热量 变化、气温、溢油量以及溢油品种等因素的影响，通过建立合理的数学模型，进 行模拟计算，最终给出溢油油膜在海面的漂移扩散情况。随着溢油预测模型计算 结果的日益精确，尤其是目前水动力模型能精确地预测海域潮流场随时间和空间 的变化，从而使我们能更加精确的模拟溢油的形态与轨迹，加上电子计算和信息 技术的快速发展，溢油预测模型已由单一计算过程开始步入与决策管理程序结合 的领域。 自2 0 世纪6 0 年代以来，欧美等国家已先后开始对海上溢油漂移轨迹和油膜 形态进行预测，并发展了许多模式。我国对海上溢油轨迹和油膜形态的研究始于 2 0 世纪8 0 年代，许多学者曾对溢油模式进行了研究，也取得较大的进展 7 1 。水面 油膜在海面上的运动及变化是一个极其复杂的运动过程，包括一系列的动力和非 动力过程，这些过程受其物理、化学和生物等因素的影响，而且与溢油的性质、 海洋水动力环境及海洋气象环境等因素密切相关。这些过程包括漂移、扩散、蒸 发、乳化、沉降以及浮油和海岸线的相互作用等；其中漂移、扩散等动力学过程 是国内外溢油研究的重点。 油轮触礁、损毁和海上油井喷发等造成的溢油不仅严重影响到海洋的生态环 境，还直接威胁到人居和生产环境。海上溢油预测研究能够定量地分析、评估溢 油的演变及其带来的环境和生态污染，为相关决策提供科学依据。 2 1 海上溢油追踪模型研究现状 溢油行为的数值模拟是一个相当复杂的问题，海域溢油的行为和归宿受风、 浪、流等动力学环境因素、非动力学环境因素和油品特性等多种因素的共同影响。 溢油漂移不仅受到表面流的影响，而且还与风，波浪、油品的性质等因素有关。 6 海上溢油的归宿和形态研究 海上溢油追踪模型根据数学计算理论的不同，可以将溢油追踪模型划分为两 种类型【8 】：一种是以欧拉一拉格朗日理论为基础建立的溢油追踪模型，以欧拉理论 为基础建立的流场和温盐场数值计算模型，利用拉格朗日理论体系建立的溢油漂 移扩散轨迹的数学模型；另外一种为以蒙特卡罗方法为基础建立的溢油漂移扩散 轨迹计算模型，它是在欧拉一拉格朗日追踪模型求得溢油漂移扩散的基础上增加 了溢油漂移扩散随机数的计算。 ( 1 ) 欧拉一拉格朗日追踪模型 欧拉一拉格朗日追踪模型包括两部分，第一部分是欧拉方法的数值模拟计算， 用来模拟计算潮流场，另一部分是拉格朗日方法的数值模拟计算，当海面发生溢 油后，油在表面流场和风的共同作用下发生平移运动，利用拉格朗日方法，可以 对水面溢油的运动轨迹进行模拟。 拉格朗日方法将水面溢油看作大量小的运动质点的集合体，可用来模拟溢油 全动力轨迹和溢油归宿。全动力轨迹计算方法是追踪每一个运动质点在动力因素 的影响下在流体中运动情况，这些动力因素包括潮流、湍流、风海流、重力沉降 等。拉格朗同方法模拟的溢油归宿包括溢油的重力扩展、蒸发、乳化、岸线吸附 和溢油沉降再悬浮等。 ( 2 ) 蒙特卡罗追踪模型 蒙特卡罗追踪模型是在欧拉一拉格朗日模型的基础之上添加了扩散随机数来 进行计算。蒙特卡罗追踪模型认为海上溢油的扩散过程实际上是湍流的一个弥散 过程，而湍流弥散的随机性，可用蒙特卡罗方法恰当地描述。蒙特卡罗方法，是 作为一种独立的方法于上世纪4 0 年代中期提出来的。在求解扩散问题时，利用扩 散现象的随机性，通过给定湍流强度、时间尺度和粒子数，添加随机数进行数值 计算，最终求得粒子的扩制9 1 。 2 2 溢油形态模型研究进展 水面油膜在海面上的运动及变化是一个极其复杂的过程，受多种动力因素和 非动力因素的影响，而且对于这些过程机理尚未明确，很多都是由经验公式获得。 要准确模拟溢油的形态变化，就必须全面考虑溢油在流场和风场共同作用下的各 种行为归宿，这就决定了溢油追踪模型的建立是一项庞大的工程。归纳前人的研 第2 章海上溢油追踪和形态模型研究现状 究成果，溢油形态学的数值模拟方法可以根据不同的数学模型计算理论分为油膜 扩展模式、对流扩散模式和“油粒子 模式三类。 2 2 1 油膜扩展模式 油膜扩展模式是将溢油形态等效为圆( 或者椭圆) ，建立油膜扩展经验公式， 溢油扩展的形态和面积用这个等效圆( 或椭圆) 大小变化来表示【l o 】。在该模式中， 通过追踪油膜质心的漂移轨迹来确定油膜运动的轨迹，对于油膜质心的漂移轨迹 的确定，国内外许多学者普遍都采用欧拉一拉格朗日追踪法，并考虑了风的影响， 油膜质心的漂移速度为表面海流和风所引起的流速的矢量之和【l 。通过对质心位 置的追踪和油膜自身扩展的计算，达到模拟漂移路径和油膜形态变化的目的。 在溢油扩展模型研究方面，b l o k k e r 只考虑了重力和溢油体积的影响，得到了 油膜扩展理论【1 2 】，但是该理论没有考虑粘性力和表面张力的影响；直到1 9 7 1 年f a y 提出了新的溢油预测理论，f a y 将溢油扩展分为三个阶段，认为油膜呈圆形扩展【1 3 】； f a y 理论的提出极大的推动了今后溢油扩展理论的研究工作，但f a y 理论以静水假 定为基础，没有考虑风和流的影响，仅被用于静水或恒流条件下的油膜扩展【l 4 1 ， 存在很大的局限性。 海上油膜扩展过程的一个明显的特征是它的各向异性，后来许多学者基于f a y 理论，建立了各种新的溢油扩展模式，这些模式中一般都考虑了风、波浪等因素 的影响。如m a c k a y 在f a y 理论的第二阶段扩展公式中加入风因素的影响，建立了 分别计算厚油膜和薄油膜的扩展计算公式【1 5 1 ；刘肖孔等综合考虑f a y 理论扩展三 阶段的扩展机理，建立了油膜扩展尺度随时间统一变化的公式【1 6 1 ；l e h r 等对f a y 理论进行了修正，建立了椭圆模型【17 1 ，它认为油膜将在风向上被拉长，该理论至 今被广泛应用；武周虎和赵文谦同时考虑了油膜扩展作用和油膜各扩散的向异性 作用，以及油膜边缘消失的过程，建立了扩散范围的数学模型f 阍。 f a y 理论的提出标志着溢油研究进入了一个新的阶段，早期得到了广泛的应 用，但由于该理论是基于静水假设，在实际案例计算中，计算结果不够精确。该 模式对溢油轨迹的计算比较准确，但对油膜扩散范围，油膜形态的模拟可靠性仍 不足。 8 海上溢油的归宿和形态研究 2 2 2 对流扩散模式 该模式基于建立的动量方程，将溢油事故的泄漏量或者经过风化过程后的溢 油量加入动量方程，然后对该对流扩散方程进行数值求解【1 9 。2 0 1 ，通过数值计算， 明确溢油归宿，获得油膜的浓度或者厚度分布情况，然后对计算结果进行分析， 从而模拟出溢油油膜的形状和归宿。s h e n 等建立了一个河流中表层油膜输移的数 学模型r o s s 2 1 1 ，在该模型中，油膜行为研究包括流动、扩展、紊动扩散、蒸发、 溶解和海岸吸附等动力或非动力过程。基于r o s s 模型，杨小庆，沈洪道【2 2 1 等建 立了溢油在河流中传输的双层数学模型r o s s 2 ，它将油的分布分为两层：表层和 悬浮层，认为离散迸水体的悬浮油珠为悬浮层，两层之间不断进行质量交换，该 模型己用于l a w r e n c e 河上游和o m a 河流系统；p a p a d i m i t r a k i s 2 3 】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。新加坡国立大学p t k a l i c h 等【2 4 】提出多相态归宿模型和水面油膜厚度的对流扩散模型，该模型考虑了较全面 的物理过程。金梅兵建立的近岸溢油全动力预测方法，初步讨论了油膜靠岸后的 处理方法以及质量守恒控制方法【2 5 】。 对流扩散方程求解过程中扩散项的计算比较简单，容易获得较高的精度，而对 流项的计算相对困难一些，容易产生数值弥散或者数值震荡。因此对流项的求解 技术具有非常重要的现实意义。 该模式可能会引进与物理扩散无关的数值扩散，数值扩散很大时，有可能完 全的掩盖溢油的实际物理扩散，使计算结果失真，不能真实的描述溢油形态。但 是该模式能较好的反应不同溢油量所引起的扩散面积的差异。准确选择对流项的 处理方法，可以确保结果的准确性。 2 2 3 油粒子模式 “油粒子 方法最早是由j o h a n s e n 和e l l i o t 等于上世纪八十年代提出的 z o - z j ， 并迅速在溢油预测模型中得到了广泛的应用，该方法通过把油膜分成许多离散的 小油滴来模拟溢油在海水中的漂移扩散过程，可以直接模拟出扩散方程的实际物 理现象。 “油粒子 模型的出现，标志着溢油模型研究进入一个新的阶段，该方法能 够比较准确的对重力扩展之后油膜的扩散现象进行模拟，突破了求解对流扩散方 9 第2 章海上溢油追踪和形态模型研究现状 程模拟溢油的传统方法，该方法能够描述各种海洋动力因素对溢油扩散的影响过 程，避免了对流扩散模式本身带来的数值扩散问题，能够比较准确地描述溢油的 真实扩散现象。 这种方法实际上是用确定性方法和随机性方法的结合来模拟油粒子的运动状 态，油粒子模式通过对每一个油粒子进行追踪，在每一个时间步长结束之后记录 油粒子的位置，然后通过绘制油膜厚度包络线的方法来模拟溢油油膜的形态。“油 粒子”模型厚度计算是根据统计计算网格内油粒子数目的方法来确定，网格点油 膜厚度可以表示为： 拈兹 ( 2 1 ) 式中，鲋为计算网格面积，矿为计算网格中的每个油粒子的体积。 2 3 油粒子模式的缺陷 虽然油粒子模型是当今流行的溢油模式，但是油粒子模型也存在很大的缺陷： 1 “油粒子 模式无法模拟油膜自身扩展过程 油粒子方法，是把溢油看作由大量的粒子组成的“云团，将湍流过程视为一 种随机流场。对于大规模溢油，如船舶折断，储运油品迅速泄露，溢油泄漏事件 很短的情况，油膜面积将在短时间内急剧扩大，随后扩延速度变慢；油膜初期的 自身扩展效应显著大于湍流扩散效应，因此对油膜初期的自身扩展过程忽略处理， 或者说用紊动扩散来模拟油膜的自身扩展过程就显的不够合理。 2 油粒子模式无法直观的体现溢油量的不同对溢油扩散面积的影响 “油粒子 模型在模拟溢油时，油粒子的数目受到了严格的限制，小油滴的 直径一般分布在1 0 - 1 0 0 0 朋，因此模拟溢油事故时油粒子数目非常大。例如假设 所有粒子的直径为1 0 0 0 朋，l m 3 的溢油就被划分成1 9 1 1 0 9 个油粒子，在计算 机中对每一个油粒子进行计算追踪是不切实际的。在用有限个油粒子来模拟不同 规模的溢油事故时，“油粒子 模型模拟结果是不直观的。在实际情况下，海面上 油膜的扩散面积将随溢油规模的不同而有比较大的差异。 3 “油粒子 模式无法准确的体现油品性质的不同对溢油面积的影响。 “油粒子 模式是将油膜看成是大量粒子的集合体，对每个粒子采用拉格朗 1 0 海上溢油的l 门宿和形态研究 日追踪，确定任意油质点在任意时刻的位置，对于不同的油品，油粒子的密度、 粘度都不同，在扩散过程中表现出来的性质也不同。而利用对流扩散模式数值模 拟，不仅能体现出溢油量不同对溢油面积的影响，而且还能体现出油品对溢油扩 散面积的影响。 2 4 本章总结 本章详述了国内外溢油追踪模型和形态模型的研究现状，主要详述了“油粒 子 模式的缺陷。通过对上述三种模式的总结、分析、比较可以看出每种模式都 存在优点和缺点，油膜扩展模式虽然至今还被广泛应用，但是却不能准确的模拟 出溢油形状和面积；对流扩散模式虽然是从水面油膜浓度或者厚度出发，模拟油 膜形状，可是在方程的离散差分过程中很容易导致数值弥散和数值震荡，因此对 流项的处理和差分格式的选取是非常重要的；“油粒子”模型是当代溢油数值模拟 最常用的模式，虽然能较准确的模拟紊动扩散和破碎过程，但是却不能直观体现 油膜自身扩展过程、溢油量不同对溢油面积的影响以及油品对溢油扩散面积的影 响。因此，在溢油预测模型中，应根据计算区域条件的不同，选择合适的模型进 行模拟。 第3 章溢油轨迹及溢油归宿模型 第3 章溢油轨迹及溢油归宿模型 水面油膜的形态和运动轨迹对于溢油预测是相当重要的。溢油事故造成大量 石油进入水体中，漂浮在海面上的油膜在表面海流和风的影响下发生漂移；同时 又在重力、惯性力、表面张力以及黏滞力等的作用下迅速的向四周产生各扩散而 变薄，在海面扩展成油膜状。 溢油发生后，油膜的成分和相态也随之改变。石油中一些低分子化合物经过 蒸发进入大气中，随着在大气中扩散的同时也逐渐被氧化：漂浮在海面的石油在 波浪和海洋湍流的作用下，可溶成分逐渐溶于水体中，而非溶解成分则会经过乳 化和扩散过程以微粒的形式存于水体中。 因此，要准确预测溢油事故，必须要完全掌握油膜的运动轨迹和溢油事故发 生后石油的归宿，建立科学的轨迹模型和归宿模型。准确模拟溢油的行为与归宿 对于溢油事故的预测和污染的控制是相当重要的。 3 1 油膜的扩展 假设溢油扩展为一均匀的薄油层，根据f a y 理论，油膜的自身扩展阶段即溢 油初期的重力惯性力平衡阶段，该阶段内重力一惯性力占主导地位，由于油 水密度差引起油膜快速塌落，形成油的初始运动。该扩散阶段时间较短，一般在 数十分钟内结束。 根据f a y 理论，油膜初始阶段的扩展直径为【2 8 】 三 ，( f ) = c ( a g l i t 2 ) 4( 3 1 ) 油膜自身扩展持续时间为： f ，= ( c 2 c 1 ) 4 v 1 乃p g ) 。1 仃 ( 3 2 ) 式中：v 为油膜体积( m 3 ) ；a g 为约化重力加速度( ，灯) ( a g = ( 1 一a 。a 。) g ； 其中a 。为海水密度；4 。为油膜密度) ；d 为运动粘性系数( 聊) ；q 、c 2 均为经验 常数；g = 2 2 8 ，岛= 2 9 0 ；f 为时间。 f a y 理论以静水假定为基础，认为油膜呈圆形扩展，而实际油膜扩展过程呈现 各向异性特征。l e h r 等考虑了流场和风场对油膜扩展的影响，对f a y 模型进行了 改进，认为油膜成椭圆形扩展，椭圆长轴在风和流的合成方向上。椭圆扩展模式 1 2 海上溢油的归宿和形态研究 正确地反应了油膜受风的作用的拉长现象，不少学者应用该方法得到了较为理想 的计算结果泅1 。本文采用椭圆扩展模型，将f a y 模式的扩展直径加以修正，修正 后的短轴仍按上式计算，长轴，修订为： j = r + c m f 矿 ( 3 3 ) 其中：c o 为风速( m s ) ；c 、6 、s 为经验常数，与油的种类、性质有关，一般 取c = 0 0 3 ；6 = 4 3 ；s = 3 4 。 假定油膜扩展重力一惯性力阶段作为本模型的第一阶段，油膜在重力一惯性 力作用下迅速扩展为一均匀薄油膜，即油膜初始阶段的初始油膜厚度在各节点处 是相等的，采用f a y 理论油膜扩展初始阶段，确定油膜初始时刻的油膜长轴和短 轴扩展半径，从而可以获得溢油初始分布的溢油面积，根据溢油量大小确定初始 油膜的厚度分布。 3 2 溢油漂移轨迹模型 油膜在水面的漂移过程主要受风力、潮汐、密度及压力梯度等因子的制约， 可以表示为这些因子的矢量和。其中，风海流是最重要的因素，它可以再溢油发 生2 4 h 内制约表面的油膜的漂移方向。处理风海流最简单的经验方法是，在数值 计算模拟中，风对油的影响按风速的3 q 计算，海流对油的影响按流速来计算， 如图3 1 所示。油膜漂移方向与风向成o o 4 0 0 区间内【3 0 】。如果溢油事故发生海域 受沿岸流和深海流的影响不大，该经验方法能获得比较满意的结果，至于波浪的 作用，我们可以忽略不计。要计算油膜的运动轨迹，首先就需要求得表面流场和 风场的数据。 本文采用追踪油膜质心的方法，来模拟油膜的运动轨迹。通过建立油膜质心 在表面流场和海面风场的作用下随时间的运动，来模拟油膜的运动轨迹。 3 2 1 潮流场 本文水动力模型数值模拟计算，选用实验室以前基于普林斯顿海洋模型 ( p o m ) 为基础，建立的三维水动力模型，通过数值求解来获得潮流流场数据资 料，建立潮流场数据库，在计算油膜质心运动轨迹时，调用该数据库表层流场的 数据。 1 3 第3 章溢油轨迹及溢油门宿模型 3 2 2 风场 风是影响水面油膜运动的重要因素，它不仅能改变油膜形态变化，而且能直 接作用于水面油膜，影响油膜运动。因此，不论采用何种方法模拟溢油形态和轨 迹变化，都应得到风场数据。本模型中我们根据葫芦岛海域的风力状况的分析， 选用夏季常见风的大小和方向作为本模型的风场数据。 3 2 3 水面油膜漂移计算过程 海上发生溢油，水面油膜扩散的同时，还受到海流和海面风力的推动作用， 其结果是油膜一方面向四周进一步扩散，一方面在风力和潮流共同作用下发生漂 移。 在环境动力因素模拟的基础之上，本文用欧拉一拉格朗日法追踪溢油的漂移 轨迹【3 l 】。假设潮流和风作用在油膜质心，油膜质心的漂移轨迹采用欧拉拉格朗日 追踪法，油膜中心初始位置s o 经时刻址后漂移到新的位置s ： s ：s o + 0 + 垃u l d t ( 3 4 ) 式中，矽，为油膜漂移速度。 初始位移& 不一定位于网格点上，其速度则用与其最近的四个网格点的速度 内插而得到，它以此速度经过一个时间步长后到新的位移s 处。以此类推，s 位移 处的速度则用下一时刻的潮流场内插得到新的速度，以此速度达到另一个新的位 置，这就是欧拉一拉格朗日追踪。 在风的影响下，油膜漂移速度的增加量为风速的3 - 4 ，漂移方向与风向成 0 0 - 4 0 0 夹角，如图3 1 所示。油膜质心的漂移速度和方向为： 风速 - - - - - 、i 0 0 一叮 、一】- 一 l 一u 1 。1 。b 图3 1 计算油膜轨迹示意图 f i g 3 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 1 4 海上溢油的归宿和形态研究 u l = a f u + 口，u ， ( 3 5 ) 其中：u ，为水体表面流速，m s ，由水动力模型计算提供；u 。为水面以上1 0 m 高处的风速，m s ，由风场数据库提供；a ，为水平水流影响系数，取1 0 1 3 2 1 ；口。为 风拖拽系数( 3 o ) 。 在潮流和风力共同作用下，油膜质心位置s o 经出时间后漂移到新的位置： x = x o + u a t + f ，u ，s i n 3 a t( 3 6 ) y = y o + v a t + f 。u 。c o s 3 a t ( 3 7 ) 式中： 而、一分别表示质心即时位置： 飘y 一分别表示质心经过f 时间后的位置； u 、v 一分别表示t 时n x 、y 方向的潮流速度值，m s ； 出一时间步长，s ； 口w 一风拖拽系数( 口，2 象) ，一般取为o 0 3 - 4 ) 0 4 ，本模型取3 1 5 ，其中成 为空气密度，成为油的密度； 乩一风速值( ，咒詹) ； p 一风向角度值，向北为0 。 3 3 海域溢油归宿模型 石油溢散到海面后其组成和性质会随着时间而变化，这是物理作用、化学作 用和生物降解等在自然状态下综合作用的结果，包括蒸发、乳化、溶解、分散、 沉降、光氧化和生物降解等过程【3 3 1 。从短期来看，蒸发和乳化过程是最重要的风 化过程，对溢油的残留量及其组成、性质、状态起决定作用，影响溢油应急响应 决策和经济损失评估。溢油风化过程在整个溢油运动中的发生的时间以及重要性 由图3 2 可知。本文数值计算模型主要考虑了蒸发、乳化、溶解和沉降过程，以及 引起的油膜密度变化。 第3 章溢油轨迹及溢油归宿模犁 扩展 漂移 蒸发 溶解 分散 乳化作用 沉积作用 生物降解 光氧化 一刚小时 d a y thl03101 0 0w e e km o n t h0 y e a r l 0 4 o l d a v c 6c 7c rg c i ic 1 2c i 3 c 1 4 c u v e r t t c a l h o n 7 0 n t a l 图3 2 溢油归宿示意图 f i g 3 2s c h e m a t i co fs p i l l e do i l sf a t e 3 3 1 海洋溢油蒸发模块 蒸发是石油碳氢化合物液一气相变过程中在油膜与空气之间产生的物质交 换。挥发量除与挥发组分有关外，还受到油膜的裸露表面积的影响。此外挥发速 度还与风有关，风速越小，挥发越慢。因此蒸发速率一般受油膜组分、物理特性、 表面积大小、也受风速、海况、温度等因素的影响，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3 伯5 1 。 当i i 国际采用的蒸发速率的计算方法主要有两种，一种是a u d u n s o n 及其同事 的准组分法，另外一种是m a c k a y 的解析法。在此模型中，我们用m a c k a y 3 6 】提出 的挥发组分的经验公式： f v i np o + i n ( c k f t + 膏1 b 8 ， 式中：f v 为挥发系数，与油品、油膜面积以及风速、气温等天气因素有关；t 为时间( s ) ；k f = 翰a v r t v o ，质量转换系数翰= 0 0 0 2 5 u w o 7 8 ，乩为水面以上 1 0 m 高处的风速( m s ) ；a 为溢油面积( m 2 ) ；，为油的克分子数，对于一般燃料 油可取值为2 0 0 x 1 0 - 6 m 3 t o o l ；r 为气体常数8 2 0 6 x 1 0 _ 6 a r m m 3 ( t 0 0 1 七) ；t 为油 表层温度( k ) ；v o 为初始溢油体积；在大气中温度为瓦时的初始挥发气压由下式 估算：i n p o = 1 0 6 ( 1 一挚) 。 1 6 海上溢油的! j 1 宿和形态研究 式中，瑶为大气环境温度( k ) ，t o 为起始沸点( k ) 。m a c k a y 认为，对于某 一确定的石油，瓦c 为一常数，还给出了t e = 2 8 3 k 时的c 值和起始沸点瓦值。根 据m a c k a y 提供的数据，燃f 3 7 1 提供了估算原油的c 值和瓦值计算式： c = l15 8 9 a p l 。1 _ 4 3 5 (