（环境工程专业论文）镇江长江感潮段危险化学品泄漏模型及应急反应的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e y a n g t s e r i v e ri st h e k e yh i n g e o fi n l a n dw a t e r t r a n s p o r t a t i o n i n c h i n a a l t h o u g hc o m p a r e d 、析t l lt h ep r o s p e r i t yo ft h eh i g h w a yt r a n s p o r t a t i o n i n l a n d w a t e rt r a n s p o r t a t i o ns e e m st ob ea n t i q u a t e da n ds l o w l yd e v e l o p e d ，i th a si t so w n a d v a n t a g e s ，s u c ha sl o w e rt r a n s p o r t a t i o nc o s ta n dl a r g e rc a r g oq u a n t i t y i no r d e rt o r e d u c et h el o g i s t i cc o s tg r e a t l y , m a n ye n t e r p r i s e sa l o n gt h ey a n g t s er i v e rb u i l dt h e i r o w nd o c kt ol o a da n dd i s c h a r g ec a r g o s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fo u rn a t i o n a l e c o n o m ya n df o r e i g nt r a d e ，t h en e wc h e m i c a lp r o d u c t se m e r g ei nal a r g ea m o u n t ，m o r e a n dm o r ep e o p l ea t t a c hg r e a ti m p o r t a n c et ot h ep o l l u t i o nc a u s e db yd a n g e r o u sc h e m i c a l l e a k a g ea c c i d e n tt a k i n gp l a c ei n t h ec o u r s eo fi n l a n dw a t e rt r a n s p o r t a t i o no r p o r t h a n d l i n go p e r a t i o n s o no n eh a n dp e o p l es t u d yh o wt oa v o i da c c i d e n t s ，i n c l u d i n gh o w t oi m p r o v et h ew a t e rc h a n n e le n v i r o n m e n ta n dt h es t r u c t u r eo fc h e m i c a ls h i p ，o nt h e o t h e rh a n dp e o p l ed or e s e a r c ho nh o wt od e p l o yr e s o u r c e st oh a n d l et h ea c c i d e n t a c c o r d i n gt ot h ed i s p e r s i o nm o d e l so ft h es p i l l e dc h e m i c a l i no r d e rt om i n i s ht h e p o l l u t i o na n ds a v et h ea c c i d e n th a n d l i n ge x p e n s e a n da sy o uw i l ls e e ，m yp a p e ri s c o n c e r n e do nt h es e c o n da s p e c t o nt h eb a s e so fm a n yr e l a t e dl i t e r a t u r e s ，t h i sa r t i c l ef i r s t l yb u i l dd i f f u s i o nm o d e l s o fd a n g e r o u sc h e m i c a l s s p i l l i n g i n t ow a t e r , m a i n l yf l o a t e da n dd i s s o l v e dl i q u i l d c h e m i c a l sf o rz h e n j i a n gt i d er i v e rs e c t i o no fy a n g t z er i v e r ；s e c o n d l yr a n kt h ea c c i d e n t b yf u z z ye v a l u a t i o nm e t h o da n ds e tu paf u n d a m e n t a l l yf r a mf o re m e r g e n c yr e s p o n s e ； t h i r d l yw r i t eap r o g r a mu s i n gp 珊a n dm y s q la c c o r d i n gt ot h em o d e l sw h i c hh a v e b e e nb u i l ta l r e a d y ；f i n a l l yt e s tt h e s em o d e l sb yh y p o t h e t i c a la c c i d e n t ，a n dc o m et oa n c o n c l u t i o nt h a tt h e s em o d e l sa r ef e a s i b l e k e yw o r d s ：h a z a r d o u sc h e m i c a l s ，s p i l lm o d e l ，t i d a lr i v e r ，a c c i d e n te v a l u a t i o n ， e m e r g e n tr e a c t i o n ，w e ba p p l i c a t i o n s i i 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，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或 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 手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 学位论文作者签名：马南清 年月牛日 铲埝 乡吃年加舌日 独创性声明 y - 1 0 1 3 9 2 0 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：弓幽湾 日期：( 年6 月垆日 江苏大学硕士学位论文 1 1引言 第一章概述 随着我国经济的迅速发展，国民经济结构的调整和优化为我国内河港口带来 了机遇，国内市场发展形势良好，结束了近年来停滞不前的局面，内河运输的重 要性正日益呈现，内河主要港口货物吞吐量不断增长，取得了可喜的成绩 “，增长 速度处于1 0 以上，见图卜1 。经济和对外贸易的迅速发展，必然会涌现大量新的 化工产品，水路危险货物种类也日益增多。内河交通运输和港口装卸作业过程中 发生的危险化学品泄漏事故已越来越受到人们的重视。许多内河是直接作为重要 的引水源的，危险化学品的污染直接或间接的破坏了该地区的生态平衡，因此这 不仅关系到人们的饮水安全，还可能引发更大的生态危机。为了最大程度的减小 事故对生态、水源的影响，研究危险化学品泄漏的扩散模型，同时建立有效的应 急机制是十分必要的。 图1 - 12 0 0 5 年前三季度水路货运量同比增速 f i g u r e1 - 1c a r g oq u a t i t yi nw a t e r w a yt r a n s p o r t a t i o na c c e l e r a t i o nr a t ei nt h ef i r s tt h r e e q u a r t e r so f f 2 0 0 5c o m p a r e dw i t ht h es a m ep e r i o do f l a s ty e a r 1 1 1 长江危险化学品运输现状 长江是横贯中国东西水上运输的大动脉，其航运业十分发达。长江干线拥有 港口2 2 1 个，水运企业2 5 0 0 余家，船舶1 l 万艘，载重1 3 0 0 多万吨，2 0 0 0 年长江 干线2 5 个主要港口货物吞吐量完成2 3 4 亿吨，同比上升1 7 ，全流域运量占中国 内河水运量的7 0 以上。以下是国家交通部的统计资料，显示的是2 0 0 0 年我国各 江苏大学硕士学位论文 省内河港口货物吞吐量的比重图，见图1 - 2 ，此图表明江苏省所占比例最大，达到 4 1 8 ，而长江是江苏省内最大的内河交通枢纽，这说明长江江苏段运输在全国内 河运输中处于举足轻重的地位。 图1 - 22 0 0 0 年中国各省内河港口货物吞吐量比重 f i g u r e1 - 2 t h ep r o p o r t i o no f g o o d st h r o u g h p u to f i n l a n dp o r t i ne v e r yp r o v i n c eo fc h i n ai n2 0 0 0 然而长江发达的航运业促进了中国国民经济发展的同时，也给长江水域和周 围环境造成了污染和破坏。目前长江干线每年有毒危险化学品吞吐量已近5 0 0 万 吨，2 0 0 0 年通过长江干线运输的危险化学品已接近6 0 0 0 万吨。水路运输易燃、易 爆、氧化、毒害、腐蚀等9 大类危险货物已达上千个品种，包括散装和包装危险货 物运输量已占水路总运量的2 0 以上1 2 。这些危险物质在运输或者装卸过程中一旦 发生突发性事故，极易造成危险化学品泄漏，溢流到长江岸边或江水之中，对船 员和事发江段居民健康与生命以及水域、大气环境产生严重威胁，蒙受巨大经济 损失，甚至产生更坏的社会影响。而水上运输事故的处理难度远远高于陆上同类 事故，因此这类事故不容忽视。 1 1 2 长江镇江段概况 镇江港位于京杭大运河与长江十字交汇处。上距南京8 7 公里，下距长江入海 口2 7 9 公里，拥有长江丹徒直水道，常年通行2 5 万吨级船舶。此外，还有7 个锚 地，4 个规划锚地，高资、龙门、镇江、谏壁、大港、高桥、扬中7 大港区。是长 江流域主要对外贸易口岸、主要的海、江、河联运，水陆联运港，也是临江工业 2 江苏大学硕士学位论文 带和经济开发区的重要依托，为镇江的经济做出了巨大贡献。 然而随着沿江经济的发展，一批危险化学品生产、加工、仓储企业落户长江 两岸，近年来每年都有6 0 0 0 多万吨危险化学品和石油产品在长江江苏段运输。一 旦发生危险化学品泄漏事故，在处理事故的同时，必须做好预测工作，及时预测 出污染扩散的范围和污染物浓度，以便通知相关部门做好部署，防止污染的进一 步扩散。研究危险化学品在长江中的扩散模型，必定要考虑到水文，潮流，天气 对扩散的影响。以下是长江镇江段的相关资料： 水流速：历年流速资料显示长江镇江段断面平均最大流速2 ，o r r g s ( 洪水) ， 断面平均最小流速0 5 m s ( 枯水) ，平均流速：1 o r r g s ( 中水) 。 风：镇江市盛行为东北到东偏南向风，其平均风速偏大，常年平均风速 3 4 m s ，上半年风速比下半年大，冬末春初( 2 4 月) 为全年最大。1 0 月份风速 最小，平均为2 8 3 3 n g s 。台风为影响全市的灾害性天气，一般发生在夏末秋初， 7 月下旬至9 月上旬为易发时段，而根据图1 - 1 ，此时期为第三季度，货运量大， 而天气情况恶劣，因此发生事故的可能性校大。 潮：河川兼受径流和潮汐动力作用的河段称感潮河段。镇江段属于感潮河 段，潮汐情况是每日涨落潮两次，涨潮平均历时3 小时2 5 分，落潮平均历时9 小 时，最大潮差2 3 2 米，枯水期涨潮时有明显逆江流，流速o 5 l n g s 。由于潮汐具 有周期性的变化，在涨潮、落潮更替阶段，流向也随之朝相反的方向改变，流速 和流量亦随潮位的不同而变化，同一断面流向也很复杂。 1 1 3 事故案例 长江上曾经发生过数百吨柴油，百余吨烧碱、硫酸、苯酚、黄磷入江的重大 污染事故，这些污染在社会上产生了较为广泛的影响。1 9 9 1 年1 9 9 8 年期间，长 江干线共发生此类事故2 1 起，1 9 9 5 年至1 9 9 9 年的5 年间，长江干线从事危险化 学品运输的船舶发生水上交通重大事故2 5 起，造成沉船1 9 艘，死亡1 1 人，直接 经济损失2 1 0 0 余万元。 1 9 9 8 年发生在吴淞口外长江航道上的“东涛”轮因碰撞致使5 0 0 余吨凝析油 溢漏至江中的事故，以及2 0 0 1 年4 月1 7 日在长江口发生的”大勇”轮和”大望”轮 碰撞致使”大勇轮7 0 0 吨苯乙烯溢漏的事故都为我们敲响警钟，散装液态危险货物 船舶碰撞、搁浅事故不容忽视，其污染和安全危害风险巨大。以下是镇江段近年 来发生的一些事故案例： 2 0 0 2 年4 月2 2 目1 2 时3 0 分，巴拿马籍“雾瑟”轮在镇江奇美油仓有限公司 江苏大学硕士学位论文 码头因船舶左舷第一舱损坏发生泄漏，致使所载部分剧毒化工品苯乙烯泄漏入江。 2 0 0 5 年2 月6 日午时，皖东方7 3 号船装载2 0 0 多吨一类易燃易爆货物二甲苯， 途径苏南运河镇江段1 7 公里处丹阳水域，与鲁枣拖3 5 9 轮队发生擦碰，导致搁浅 进水，出现危急局面。 2 0 0 5 年2 月2 1 日上午，通过扬州、镇江两市海事部门的联合行动，南水北调 东线工程的重要取水口长江扬州段江都三江营水域一艘满载2 0 0 吨浓硫酸的 船舶在船体倾斜、部分硫酸漏进隔离空舱的危急情况下，最终化险为夷，避免了 一起重大水源污染事故的发生。 镇江段长江航道弯曲，河面宽度变化较大，因此地理特征上容易发生事故； 而镇江沿江段的企业较多，危险化学品物质运输量大，因此发生事故的概率也相 对较大。在对问题的研究过程中，我们不篦忘记前车之鉴，这些惨痛的教训敦促 我们更好的采取措施保护长江。 1 2 课题研究的目的和内容 本文研究的目的是为了给应急部门提供污染物泄漏信息，建立合理的应急反 应机制，在第一时间内对事故进行处理，减小其对长江及周边地区的影响，保护 人民生命和财产。 本文研究的主要内容是建立长江镇江段危险化学品泄漏模型，并对事故进行 模糊综合评价，构建应急反应框架。当事故发生后，算出化学品扩散影响的范围， 评价事故等级及其对周边环境的危害，为应急部门提供正确快速的信息，预测事 故扩散的趋势，最大程度的减少事故损失和人员伤亡。为达到这个目的，本文主 要做了以下几个方面的工作： ( 1 ) 建立石油类化学品污染物质在感潮河流中的二维泄漏扩散模型； ( 2 ) 建立可溶于水的液态化学品( 不降解) 在河流中的二维扩散模型； ( 3 ) 对事故进行模糊综合评判，划分事故等级，建立应急反应框架； ( 4 ) 建立基于w e b 的扩散模型和事故等级评判程序( 用p h p 语言和m y s q l 数据库实现) 。 1 ，3 国内外研究进展 建立长江镇江段危险化学品泄漏模型与应急反应体系，可分为二个部分来解 决，即建立危险化学品在长江镇江段中的扩散模型和依此为据建立合理的应急机 4 江苏大学硕士学位论文 制。 13 1 国内外扩散模型的研究 国内外对污染物扩散模型的研究主要通过环境流体力学结合c f d 计算流体力 学的方法。 环境流体力学这种方法的目的就是要探求当污染物投放于水体后，由于扩散、 输移所造成的污染物浓度随时间和空间的变化关系，可以分为两个方面：解算流 场和污染物在流体中的输移问题。两者相互关联、应同时进行解算。但可以把两 个问题分开处理，先解算流场，再解算污染物质的输移问题。解算流场则需要用 到c f d 的方法，这种方法建立的模型准确，应用广泛，但是需要较多的水文、天 气、河床等参数，对计算机配置要求高，计算量大，而且如果划分的计算网格不 正确，会导致计算的结果与实际相差很大。因此，本文尝试从宏观角度来分析感 潮河流的特征，将河流速度看作径流速度和潮流速度的合成，这样能够减少计算 量，而且使用方便快捷。以下是国内学者应用环境流体力学与c f d 方法的研究成 果： 对于有潮流影响的扩散模型，很多学者主要致力于河口与海湾中污染物扩散 模型，研究溢油扩散模型，其研究方法都是先用c f d 方法建立流场模型，用有限 元、有限差分或者有限容积法计算流场，然后在流场的基础上建立污染物扩散模 型：彭静等人【3 】综合分析珠江河口水环境的构成、特征、功能以及水环境现存主要 问题的基础上，提出了河口水环境系统四场( 水、沙、污染物、成潮) 混合模拟 技术为核心的集成研究内容。王长海( 2 0 0 0 ) 4 提出了一种溢油漂移扩散模式的计 算方法，并应用到宁波北仑港的环境评价中。罗家海( 1 9 9 7 ) 5 1 等人在对汕头港湾 附近水域的潮流特征进行数值模拟并获得了潮流和余流场分布信息的基础上，通 过特定排放源的数值模拟，研究了该水域污染扩散条件及输运规律。黄小平( 1 9 9 8 ) 6 】，利用扩散漂移模型和对流扩散模型，模拟丙烯腈事故泄漏后在水域中的变化过 程，以及对大亚湾水质的影响范围和程度。江毓武( 1 9 9 7 ) 【_ ”等人建立了闽江口二 维水动力、污染扩散数值模型，模型采用a d i 双向隐式求解，在污染扩散模型中， 用动态拟合的方法对浓度水边界进行了较为合理的改进。许金电，江毓武( 2 0 0 3 ) 8 埂出一种浅海三维污染物扩散数值模拟方法，使用差分方法应用于厦门海域水质 进行了预测。侯国祥( 2 0 0 0 ) 【9 建立了污染物在河流中扩散的一种远区模型，但他 研究的是只受径流影响的河流污染物扩散模型。 长江镇江段是属于河流感潮段。所查文献资料可知，研究内容大多是应用于 江苏大学硕士学位论文 海洋或者近海河口地区的污染物扩散模型，也有应用于内河径流段的，但主要研 究污水排放引起的水质变化，而研究危险化学品在感潮河流发生事故泄漏的模型 却很少见。 从软件应用方面来说，国外开发了很多相关的软件，解决河流污染排放、河 流水动力学等问题。现介绍如下： ( 1 ) s m s 地表水污染模拟软件1 0 1 s m s 是综合一维，二维，三维地表水环境下的水力模拟软件，为地表水模拟 和设计提供前后处理，还包括2 d 有限元，2 d 有限差分，3 d 有限元和1 d 死水模 拟工具等。 ( 2 ) m i k e 水动力软件【1 1 m i k e 2 1 是专业的二维自由水面流动模拟系统工程软件包，适用于湖泊、河口、 海湾和海岸地区的水力及其相关现象的平面二维仿真模拟。采用标准的二维模拟 技术为设计工程师提供独特灵活的仿真模拟环境。其用户界面友好，对数据前处 理、计算结果分析及图表后处理提供强大的支持。主要有如下的四个主要应用领 域：海岸水力学及海洋学，环境水力学，泥沙运动，波浪。因此m i k e 2 1 推荐为 河流、河口和海岸水流的二维仿真模拟工具。 ( 3 ) w a s p 水质模型软件 1 2 1 在水质模型方面，国外开发了很多软件，如美国国家环境署开发的，a s p 软件。 w a s p 是由两个独立的程序组成：水动力模型程序d y n h y d 和水质模型程序 w a s p ，它们既能联合运行也能单独计算。而水质运行程序w a s p 又由两个模块组 成：模拟有毒物质污染的t o x i 和模拟常规水质的e u t r o 。w a s p 是按照软件工 程的思想来开发的，提供了所有的程序源代码，用户可以对其进行二次开发，内 容非常全面，包含了复杂感潮河流水质分析的所有组分。 ( 4 ) g e n e r a ln o a a n a t i o n a lo c e a n i ca n da t m o s p h e r i ca d m i n i s t r a t i o n ) o i l m o d e l i n ge n v i r o n m e n t ( g n o m e ) 1 3 1 g n o m e 是一个溢油轨迹模型的面向对象的应用软件，能够模拟由风，流，潮 和紊流混合引起的的油膜运动。g n o m e 能够根据相关海洋、大气和溢油信息来 预测溢油的位置。当发生溢油事件进行应急反应的时候，输入相关信息，用此软 件来计算溢油的准确轨迹以及评价影响大小。 ( 5 ) 化学品泄漏模型( c i - m m m a p ) 1 4 1 c h e m m a p 能预测不同性质的化学物或混合物，在飘浮、沉降、可溶以及不 6 江苏大学硕士学位论文 溶情况下的轨迹和风险大小。这个模型是使用了物理化学性质来预测化学品泄漏 的风险大小。包括以下几个方面： 油膜扩散、传输以及飘浮物质的进入； 模拟三维可溶物和微粒的传输； 蒸发和挥法； 分散和吸附； 沉降和悬浮： 降解。 这些软件功能强大，可以应用于大部分环境流体力学方面的问题，然而对于 感潮河流中的化学品泄漏，似乎没有一个最适合的，但是我们可以自己编写适合 于感潮河流化学品泄漏的软件。一般用v c ，v b ，d e l p h i 等常用编程工具开发出 界面友好，使用方便的模型程序。如果结合g i s 技术可以开发出功能更加强大的 应用软件，丁贤荣【1 5 】( 2 0 0 3 ) 等根据水污染事故发生、发展具有诸多时空和污染 源类型不确定性的特点，及污染事故控制与处理的时效性和最大限度减少损失的 原则，将g i s 与水污染模型技术相结合，开发了适合长江三峡水环境决策管理的 水污染事故模拟子系统，系统可反映污染事件造成的水污染状况及其时空变化过 程，为突发性水污染事故处理提供强有力的决策支持。然而近年来，w e b 技术逐 渐兴起，基于w e b 的应用程序已展现其强大的生命力，出现了许多的开发语言， 如a s p n e t ，j s p ，p h p 等，网络时代已经到来，开发网络应用程序是个必然。 本文使用可以免费获取的p h p 语言结合m y s q l 数据库，根据建立好的模型编写 相应的网络应用程序。 1 3 2 国内外应急反应机制的研究 近年来随着各项工业事故的频发，应急反应的制定越来越受到重视，其对事 故发生后最大程度的减少事故后果起到绝对作用。国内外的学者在此领域也做出 了卓越的贡献。 美国的n o a a 1 3 1 的危险物质应急反应部门开发了很多有用的程序，帮助专家 和大众对溢油和化学品泄漏事故发生后如何做出有效反应，对于石油化学品泄漏 来说，t a p 模型( t r a j e c t o r ya n a l y s i sf o rp l a n n i n g ) 能分析不同季节溢油潜在危害。对 于化学品泄漏来说，c a m e o ( c o m p u t e r - a i d e dm a n a g e m e n to f e m e r g e n c y ) 是个不错 的工具，它包括化学品数据库，国家相关法律法规信息，部署应急计划和操作事 项。 江苏大学硕士学位论文 建设项目环境风险评价技术导则( h j t1 6 9 - - 2 0 0 4 ) 1 1 6 晕规定了应急预案内容 如表1 - 1 所示，这一应急预案可以看作是一个大纲，对于危险化学品在长江中的 泄漏事故，应该根据实际情况来重新定义这些内容。 表1 - 1 应急预案内容 t a b l e1 - 1 t h ec o n t e n to fe m e r g e n c yp l a n n i n g 序号项目内容及要求 1 应急计划区危险目标：装置区、贮罐区、环境保护目标 2 应急组织机构、人员 工厂、地区应急组织机构、人员 3 预案分级响应条件 规定预案的级别及分级响应程序 4 应急救援保障应急设施，设备与器材等 规定应急状态下的报警通讯方式、通知方式和 5 报警、通讯联络方式 交通保障、管制 应急环境监测、抢险、救援及控 由专业队伍负责对事故现场进行侦察监测， 6 对事故性质、参数与后果进行评估，为指挥 制措施 部门提供决策依据 应急检测、防护措施、清除泄漏 事故现场、邻近区域、控制防火区域，控制和 7 措施和器材清除污染措施及相应设备 人员紧急撤离、疏散，应急剂量 事故现场、工厂邻近区、受事故影响的区域人 8 员及公众对毒物应急剂量控制规定，撤离组织 控制、撤离组织计划 计划及救护，医疗救护与公众健康 事故应急救援关闭程序与恢复措 规定应急状态终止程序 9 事故现场善后处理，恢复措施 施 邻近区域解除事故警戒及善后恢复措施 10 应急培训计划应急计划制定后，平时安排人员培训与演练 对工厂邻近地区开展公众教育、培训和发布有 1 1 公众教育和信息 关信息 江苏大学硕士学位论文 第二章石油类化学品二维扩散模型的建立 危险化学品运输中，石油类产品占的比重很大。据统计 旧，1 9 8 5 年至1 9 9 5 年，油污染事故占了2 17 ，一般包括船舶装油时满舱溢油污染，油轮、油驳船装 油时跑、冒、滴、漏油污染等。1 9 9 5 年6 月，四川万县穿鼓洞水域，由于管理工 作疏忽，输油管接头处发生故障，致使9 6 7 3 1 吨航空煤油泄漏入江，造成水域严 重污染。事故的多发性和后果的严重性要求我们对石油类化学品泄漏后的扩散进 行研究，以便尽快处理事故，减少污染，保护环境。 2 1 国内外石油类化学品扩散模型 石油产品污染在海水中研究的甚多，许多大型油轮发生事故造成的石油污染 已经引起了国内外学者的极大重视，从石油产品的特性来分析油膜的扩展，油膜 的迁移，这些方面已经建立起许多较为成熟的模型。 2 1 1 海面上油膜扩展模式 油膜扩散半径是个非常重要的参数，以下是国内外一些主要的油膜扩散半径计 算模型 1 8 。 ( 1 ) 费伊扩展模式( f a y ，1 9 6 9 ，1 9 7 1 ) ，这个模型考虑静止水面，油膜扩展 为圆形，将油膜的扩展分为3 个阶段：惯性扩展阶段、粘性扩展阶段、表面张力 扩展阶段。 ( 2 ) 布洛克尔扩散模式( b l o k k e r ，1 9 6 4 ) 着重反映重力作用的惯性扩展阶段。 ( 3 ) 日本元良扩展模式( 元良，1 9 8 2 ，1 9 8 3 ) ，认为扩展是油所具有的未能转 变为粘性溢散能和表面张力能的结果。 ( 4 ) 赵文谦等扩延模式( 1 9 8 8 ，1 9 9 2 ) ，同时考虑了油膜扩展和各向异性扩展 作用，以及油膜边缘的消失过程。 ( 5 ) 刘肖孔扩展模式( 1 9 8 1 ) ，综合油溢出后三个阶段的扩展机理，提出扩展 尺度，随时间变化的统一公式。 2 12 河流中石油产品扩散模型 以上均是石油产品在海水上的扩散模型，对于河流中的模型，国内外也有相 关的研究成果。 9 江苏大学硕士学位论文 2 1 2 1 扩散半径模型 ( 1 ) 吴学文文章中提到了扩散半径的求法，他认为扩散过程考虑二个阶段： 重力喷流扩散，当油落入水体后初期，是一个重力惯性扩散，此时扩散相对 于水体中的平流扩散是扩散之初的重要形式。此时表面形态转变为椭圆形，其扩 散半径的经验公式为： 1 1 r ( r ) = 1 2 ( g v ) i t + r 0 2 i ( 2 1 ) 石 当重力扩散接近消失时，转为平流扩散，其表面形态以椭圆形转变为带状。 ( 2 ) 李又明在文章中针对甲苯提出了扩散直径的公式【2 0 】 ( 2 2 ) ( 3 ) 0 i 1s p i l l 手册 2 1 中提到的公式： 鲁咆以( 2 - - 3 )西 “ 、4 其中 a _ s l i c k 面积，m 2 ； v 为s l i c k 体积，m 3 ； 茁。是个常数，设为1 5 0 s 。 此公式做了以下几点假设： 忽略了f a y - h o u l t 扩散理论中提到的扩散初期的重力作用。 半径方向的扩散速度最大为o 1 m s 。 当油层达到一定的厚度后，就停止扩散( 对重油来说为o ，0 1 c m ，原油产品 为0 0 0 1 c m ) 。 不考虑蒸发扩散量。 在整个蔓延期间体积保持不变。 2 1 2 2 石油蒸发模型 大多数石油制品都是低熔点的，当溢出后，极易在空气中挥发，产生蒸气， 如果与空气混合达到爆炸极限，那么容易发生火灾爆炸事故，造成损失。因此， 研究蒸发的模型也是非常有必要的。蒸发量有m a c k a y & m a t s u g u 模型，提出碳氢 化合物蒸发量流量的计算公式。蒸发速度e ，可由p a y n e ( 1 9 8 4 ) 2 t 1 公式来计算： 1 0 江苏大学硕士学位论文 驴警= 等笋( 2 4 ) 铲o 0 2 咖”8 d 跖”7 辟 ( 2 _ 5 ) sc=i1(2-6) 其中 皇拿物质传递速度( m 船st r a n s f e rr a t e ) ； 庀。物质传递系数( m a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n t ) ； p ，标准蒸气压( v a p o r p r e s s u r e o f c o n s t i t u e n t i 【_ i 】a r m ) ； 爿s l i c k 面积( a r e ao f t h es l i c k - m 2 ) ； ，所占比例( f r a c t i o no f c o n s t i t u e n ti ) ； m ，分子量( m o l e c u l a rw e i g h to fc o n s t i t u e n ti _ 】g m 0 1 ) ； r = 通用气体常数( u n i v e r s a lg a sc o n s t a n t = 8 2 0 6x1 0 4 ( m 3 a t m m o l k ) ) ； t = 周围温度( a m b i e n tt e m p e r a t u r e 【_ 】k ) ； w = 风速( w i n d s p e e d h m s ) ； d = 直径d i a m e t e r 【= m ； s = 施密特数s c h m i d tn u m b e r ； = 粘度v i s c o s i t y = k g ms ； 户= 密度d e n s i t y - 】k g m 3 ； d = 扩散系数( l e n g t h p a r a m e t e rh i i l 2 s ) 。 对于以上参数的求解，大多数可以根据现有资料获得，但是粘度和扩散系 数d 二个参数值的求解需要查询资料计算而得。 ( 1 ) 首先对粘度的计算，液体的粘度基本上不随着压力的变化而改变。但 是受湿度的影响较大。一般的求解方法有s o u d e r s 方程，它能估算不同温度下的液 体粘度，但是误差在2 0 左右；而m o m s 法，涉及的参数较多，使用起来不方便： 最通用的方法是美l a m a r 大学的c a r ll 等人提出了一个粘度与温度的关联式，并 给出5 3 5 5 种化学工业常用的，含有5 7 个碳原子的化合物的回归系数，公式如下 【2 2 江苏大学硕士学位论文 l o g ，= a + b t + c t + d t 2 ( 2 7 ) 式中：，一液体在温度t 下的粘度，厘泊，c p ； 4 、b 、c 、d 一回归系数，可以查相关表口2 1 得到。其中甲苯的a = - - 5 1 6 4 9 ， b = 8 1 0 6 8 e + 0 2 ，c = 1 0 4 5 4 e - - 0 2 ，d = 一1 0 4 8 8 e - - 0 5 。 ( 2 ) 污染物挥发时，形成的蒸汽与空气混合。当污染物只有一种组分时，扩散 系数d 可用f u l l e r ，s c h e t t l e n 和g i d d i u s 的原子分子扩散体积加和关联方程口3 】【2 4 】口5 1 ： 盯7 丁”5 c 击专，；d b = 1 二二l 二_ _ p t ( z v 。) i + ( v 。) j 2 其中：m 。，m 。分别为空气和污染物的分子量。 v 。，v 。分别为空气和污染物的分子扩散体积，单位为：c m 3 m o l 一般的有机化合物可以按照分子式由表2 1 中2 6 1 查出相应的原子扩散体积加 和得到，某些简单物质在表中能直接给出： 表2 1 原子扩散体积和分子扩散体积 t a b l e2 1t h ea t o md i 伽s i o nv o l u m ea n dm o l e c u l ed i 仃u s i o uv o l u m e 原子扩散体积v ( c m 3 m 0 1 ) 分子扩散体积v ( c m 3 m 0 1 ) 分子扩散体积v ，( c m 3 m 0 1 ) c1 5 9h e2 6 7 n 2 0 3 5 9 h2 3 ln e5 9 8 n h 3 2 0 7 o6 1 1a r1 6 2 h 2 0 1 3 1 n4 5 4 k r 2 4 5 s f 6 7 1 3 芳香族环 一1 8 3x e3 2 7 c 1 2 3 8 4 杂环1 8 3 h 2 6 1 2 b r 2 6 9 ，o f1 4 7 n 2 1 8 5 s 0 2 4 1 8 c l2 1 0 0 2 1 6 3 b r2 1 9 空气 1 9 7 i2 9 8c o1 8 o s2 2 9 c 0 2 2 6 9 如果没有风的情况下，对于甲苯来说，可根据列宾藏公式和哈英公式口伽得蒸 发速度： e ，= 1 4 2 厨z t ( 2 - 9 ) i n 巴= 2 0 9 1 一面3 丽0 9 6 5 1 2 r 2 1 0 ) 江苏大学硕士学位论文 其中m 。为甲苯质量，单位是k g ；只为甲苯的饱和蒸汽压，单位为p a ；e ，单位为 g s 。 2 1 3 3 河流表面蒸发浓度模型 水面上方蒸汽浓度，根据文中提出的面源公式，可得 ( 1 ) 离泄漏点距离x 2 0 0 时候， c ：q s3 4 8 9 8 x - 1 2 8 7 ( 2 1 1 ) f 绕2 未( 扛1 2 ) ( 2 ) 当离泄漏点距离膏2 0 0 对候，c 为z = 2 0 0 时候的值。 其中u 为河水流速与风速的相对速度。同向时，为河水流速与风速的差；反向时， 为河水流速和风速的和。q 。单位为g m 3 ，z 单位为m 。 2 1 3 4 油层随河流漂移速度模型 油层随着河流的流动，国外文献中提出油层s l i c k 移动的速度公式口7 1 ，见公式 ( 2 1 3 ) ： u ，l i c k = 口w l u + 口洲u 。州( 2 1 3 ) 其中： 己0 吐一油层s l i c k 质心的速度，m s ； u 一河流速度，m s ； u 。d 一风速矢量，m s ； 口。一速度校正系数( 大约等于1 1 ) ； 口m一风漂流因素( 大约等于0 0 3 0 0 4 ) ； u 。咖= l u + 罢； 旷u 一罢； 掣是油层s l i c k 的蔓延速度。这个速度不能大于o 1 r r d s 。 a t 2 2 石油类化学品的二维扩散模型推导 本文讨论的是感潮河流，污染物在河流中的扩散变化主要受河流水力参数的 影响，主要是河流流速和方向。河流速度方向和大小会随着潮汐的作用而不断变 江苏大学硕士学位论文 化。对于感潮河流的水力学计算，有很多专业资料【28 1 ，大多数是通过计算流体力 学来模拟河流的流场，如第一章中提到的国外开发的很多商业软件，可以方便的 模拟河流的流场。对有潮汐作用影响时，一般是计算一个潮周期内的平均流速【2 叭。 而本文从另一个角度来分析，拟通过潮汐对河流流速的作用来探讨危险化学品泄 漏的扩散模型，具体可见本文的第五章。这里主要解决的问题是通过上一节资料， 来推导适合石油类化学品在感潮河流中扩散模型。 2 2 ，1扩散半径与扩散停止时间 为了研究的方便，可以假设忽略初期的重力作用，根据公式( 2 3 ) 进行以下推 导： 警咆筹，得到爿幽= k a v 4 ：3 疵，两边积分，骢 三爿2 ：芷。矿，+ c( 2 1 4 ) 当泄漏初t - - o 时，油的初始半径为r o ，半径扩散面积艘。2 ，因此c = 妻( 艘0 2 ) 2 。 这里的根据r 可以用k u i p p e r s 圳给出的油膜初始半径公式：r 。= 足矿求得，式 中的k 为维数因子，k = l m ，因此民= 矿。 则圭42 = k a v 4 ：3 t + i ( r r r 。2 ) 2 ，可得一= 2 髟矿4 h 三( 碱2 ) 2 ，设扩散半径为r ， 则可推算出： r = 辱( 而+ 扣2 ) 2 ) ；( 2 - - 1 5 ) 警= 去屉。矿；( ；r + 扭2 ) 2 ) 丢( 2 - - 1 6 ) 因为本章研究的是浮于水表面的石油类化学品物质，如原油产品，因此根据 公式( 2 3 ) 中的假设条件( 3 ) ，可以算出油层何时停止扩散，具体计算如下： 占：兰：一 ! 0 0 0 1 1 0 一z 可求得： 4 z 扛m + 丢( 耐) 2 1 4 江苏大学硕士学位论文 1 0 ”1 ， 扣 矿( 2 - - 1 7 ) 其中万一油层的厚度，m 。 其它符号均与公式( 2 3 ) 中表示的一致。 222 蒸发速度 当有风时，风速为u 。，蒸发速度选用公式( 2 4 ) ( 2 6 ) ，将三个公式整合 后，则蒸发速度e ，为 e r = 0 0 2 9 u w o7 8 ( 2 r ) “1 颤埘 r 。t ( 2 1 8 ) 其中r 。为通用气体常数，如果泄漏的化学物质只有一种，那么式中的，= 1 ，而 式中的a 可由公式( 1 0 ) 得到的半径求得。即： 4 ：积z ：三( k 。y 乞+ 丢( 碱z ) ：) ；( 2 - - 1 9 ) 万z 当无风时，泄漏物质为甲苯时，蒸发速度选用公式( 2 9 卜( 2 1 0 ) 。 2 2 ，3 江面形成的浓度 如公式( 2 1 1 卜_ ( 2 1 2 ) ，得到 c = _ 竺 3 4 8 9 8 x “2 8 7( 2 _ _ 2 0 ) z c r 2 ” 其中为风速，。d - 与n t r 流速u 相对的速度。当离泄漏点距离x 兰2 0 0 时候，c 为 x = 2 0 0 时候的值。 2 2 4 油层移动的速度 ( 1 ) 如果不考虑感潮的影响，根据公式( 2 1 3 ) ，得到： 无风的情况下： u m = 1 1 u ( 2 2 1 ) u l e a d i n g - 1 1 u + 警( 2 - - 2 2 ) u 。，= 1 1 u 百d r ( 2 - - 2 3 ) 江苏大学硕士学位论文 其中u 。咖指油层最前端的速度，u 。岫指油层最后端的速度，等是油层的蔓延 速度，这个速度不能大于o 1 r r d s ，当大于这个速度后，油层就停止蔓延。 如果有风的情况下，且风速和河流速度的夹角为( 0 。1 8 0 。) 当口= 0 。时候即河流速度方向是顺风方向； 当口= 1 8 0 。时候即河流速度方向是逆风方向。 因此可以通过速度分解来计算，则： 图2 - 1 风速( u 。) 与河流速度( u ) f i g u r e2 - 1 w i n dv e l o c i t y ( u - , t d ) a n dw a t e rv e l o c i t y ( u ) u ，f f x = 1 1 u + o 0 3 5 u 。ac o s f l u s | l 女y = o 0 3 5 u m d s i n ；8 ( 2 _ 2 4 ) ( 2 2 5 ) 其中u d “x - - 油层x 方向的速度，州s ： u “y 一油层y 方向的速度，m s ； u 一为河流速度，m s 。 ( 2 ) 考虑有潮流的作用，则河流流速u 为径流平均流速u ( x ) 与潮流速度“o ) 的 叠加。实际上油层移动的距离可看作是在一定时间内对油层s l i c k 漂移速度求积分， 如果综合考虑风速的影响，则可表示为下式： rt x ( o = f 阢“女x d t = f 1 1 ( u ( x ) + “o ) ) + o 0 3 5 u “c o s f l 协 ( 2 _ 2 6 ) ii tt r ( t ) = i u m “y 斫= i o 0 3 5 u 。s i n p d t ( 2 - 2 7 ) ii 其中 u ( x ) 一河流平均径流速度，州s ； u ( t ) 一f 时刻潮流速度，m s 。