（轮机工程专业论文）基于pom模型的海上液体化学品溢漏的三维污染扩散预测.pdf

中文摘要摘要本文围绕液体化学品溢漏行为的数值模拟这一中心，从液体化学品的性质入手，对其溢漏后在各介质中的运动形式分类，给出各运动形式在不同情况下的输运模型。并在此基础上，以油及类油化学品、易溶保守液体化学品这两类目前频繁发生溢漏污染的化学品物质为研究对象，以渤海海域为依托，对这两类物质在水体中的输运进行了建模和分析。海上溢油模型是以三维对流扩散方程为基本控制方程，采用马尔科夫随机理论建立溢油的扩散漂移轨迹，即通过l a n g e v i n 方程追踪质点求得油膜的漂移扩散，在此基础上增加油膜扩散的随机数。本模型还系统的考虑了石油的风化问题和归宿问题，将挥发、乳化和卷吸概念引入到模型计算中。另外，本文对于易溶保守液体化学品海上迁移的研究，主要是从数值优化求解污染物对流扩散方程这一角度来解决这一问题。利用上述的基本原理和方法，在对渤海海域的水文地质资料进行较全面的收集和整理的基础上，建立了渤海海域水动力、海域溢油行为和归宿数学模型和易溶保守化学品的海上迁移模型。结果表明，模型的基本理论是正确的，建立方法是可靠的。关键词：p o h ；化学品；油及类油化学品；易溶保守液体化学品；污染预测英文摘要t h r e ed i m e n s i o n a lp o l l u t a n td i f f u s i o nf o r e c a s to fl i q u i dc h e m i c a l sa ts e a b a s e d o l l p o ma b s t r a c tt h et h e s i sf o c u s e so nn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fa c c i d e n t a ls p i l lo fl i q u i dc h e m i c a l s b e g i n n i n gw i t ht h en a t u r eo fl i q u i dc h e m i c a l s ，t h et h e s i sp r e s c i l t st h ea u t h o r sc l a s s i f i c a t i o no ft h em o v e m e n t so f s u c hs u b s t a n c e si nv a r i o u sm e d i a , a n dg i v e sg e n e r a lm o d e l so fa d v e e t i o na n dd i f f u s i o no fs u c hs u b s t a n c ei nd i f f e r e n tm o v e m e n ts i t u a t i o n $ f u r t h e r m o r e ，t h et h e s i sa l s os t u d i e so nt h eo i l 、s o l u b l ea n dc o n s e r v a t i o nl i q u i dc h c m i c a l s ( s c l c ) ，w h i c ha tp r e s e n ta r ef r e q u e n t l ys p i l ta n dc a u s ep o l l u t i o n , m o d e l i n ga n da n a l y z i n gt h ea d v e c t i o na n dd i f f u s i o no ft h et w os u b s t a n c e si nt h ew a t e ro fb o h a ib a y t h eo i ls p i l lm o d e l i n ga d o p t st h r e e - d i m e n s i o n a la d v e e t i o n - d i f f u s i o ne q u a t i o nt os i m u l a t et h eo i ls l i c kd i f f u s i o n a c c o r d i n gt om a r k o v i a nt h e o r y , t h es p r e a d i n ga n dd r i f t i n go fo i ls l i c ki ss i m u l a t e di nl a g r a n g ea n df o k k e r - p l a n e ke q u a t i o n t h e nt h er a n d o mn u m b e ri nt h es p r e a d i n go fo i ls l i c ki sp u to u t t h ed e c a ya n df a t ep r o b l e mo fo i la r et a k e ni n t oe o s i d e r a t i o ns y s t e m a t i c a l l yi nt h em o d e l ，w h i c ha l s oi n c l u d e st h ev o l a t i l i z a t i o n e m u l s i f i c a t i o na n de n t r a i n m e n to f o i l i na d d i t i o n , t h es t u d y0 1 1t h es o l u b l ea n dc o n s e r v a t i o nl i q u i dc h e m i c a l s ( s c l c )m a i n l ya d o p t st h ed i f f e r e n tn u m e r i c a lm e t h o d st oa n a l y z ea n ds o l v et h ep r o b l e m sw i t ht h ea d v e e t i o n d i f f u s i o ne q u a t i o n b a s e do nt h eb a s i ct h e o r ya n dm e t h o d sa b o v e ，a f t e rc o l l e c t i n gt h es o u e c c so ft h eb o k f ib a y , t h eb o h a ib a yt i d a lc u r r e n t 、t h eo i lm o d e la n ds o l u b l ea n dc o n s e r v a t i o nl i q u i dc h e m i c a l s ( s c l c ) m o d e li ss e tu pa n dd e v e l o p e d t h er e s u l ts h o w st h a tt h eb a s i ct h e o r yi sr i g h ta n dt h em e t h o d sa r er e l i a b l ea n df e a s i b l e k e yw o r d s ：p o m ：c h e m i c a l s ：o i la n do i lc h e m i c a l s ：s o l u b l ea n dc o n s e r v a t i o nl i q u i dc h e m i c a l s ：p o l l u t i o nf o r e c a s t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，撰写成博- i 硕士学位论文：基王鲤槿型的渔土这住丝堂墨鲎遢的三丝置鎏芷趑亟测：。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。寺i ，陋学位论文版权使用授权书弓月7 _ 哆- h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。一：； 彤臌云氇敝储獬：磐翳墨锪飘基于p o m 模型的海上液体化学品溢漏的三维污染扩散预测第1 章绪论1 1 海洋污染概述石油工业的突起，不仅提供了液体燃料，而且提供了廉价的化工原料。二十世纪二十年代，以石油( 包括天然气) 为原料的石油化学工业，使有机合成工业迈入了一个崭新的时代，由于对合成塑料和合成橡胶需求的增长，促进了石油化学工业的迅速发展。随着海上石油化学工业和运输业的极大发展，油井井喷、油轮及散化船舶事故也频繁发生，成为海上污染事故中最为严重和引人关注的。近年来船舶的数量和吨位越来越大，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。在国际上发生的多起较大规模的溢油事故中，1 9 8 9 年“埃克森瓦尔迪兹”号巨型油轮在阿拉斯加海域触礁搁浅，共溢油3 万余吨。由于防备不足，措施不利，未能有效地控制油污扩散，使威廉王子湾遭受空前的污染损害，导致海湾生态系统破坏，不少野生动植物及富饶的渔业资源受到危害，渔场被迫关闭，油污清除工作持续了两年多时间，污染损害赔偿和清污费用达8 0 亿美元，而污染对环境的影响将持续几十年【l 】；1 9 7 9 年6 月发生的墨西哥石油公司伊斯塔克1 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，在中国海域也发生过许多恶性溢油事故，给临近海域和沿岸陆域造成严重的环境污染。其中在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1 0 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；在大连老铁山附近海域发生的一起货船沉没事故，其油舱破损使i 0 0 多吨燃油溢出，造成海域污染。散装液体化学品溢漏的数量较大型油污事故的溢油数量为少，但其造成的危害却是触目惊心。例如：1 9 8 8 年5 月荷兰籍载有丙烯( a c r y l o n i t r i l ) 的散化船安娜布罗勒( a n n ab r o e r e ) 号在北海荷兰沿海沉没直接促成了第一届国际散装液第1 章绪论体化学品海上溢漏和应急反应大会的召开。1 9 9 3 年1 2 月英国丹佛附近海面的一艘化学品船因大风造成压载舱破裂，导致4 0 。的横倾，最后船舶翻沉，船上载有2 5 0 0吨甲苯，造成了严重的海洋污染。1 9 9 3 年3 月1 9 日，荷兰特歇令( t e r s c h e l l i n g )附近海面上斯奥卡泽( s h i o k a z c ) 轮第八舱发生爆炸和火灾，该船装有2 0 0 0 m 3 的乙基己醇( e t h y lh e x a n 0 1 ) 和5 0 0 m 3 的二辛基己醇( d i o c t y lh e x a n 0 1 ) ，大量货物溢入海中。我国也发生了一系列的散化溢漏事故。1 9 9 7 年3 月7 日，1 9 8 0 年建造的1 1 3 0载重吨的b l u es k y n o 2 散化船，从日本y o s u 开往汕头，在杭州以东2 0 0 k m 洋面沉没，船上载有9 8 8 吨酞酸二辛酯( d i o c t y lp h t h a l a t e ) 。1 9 9 7 年1 0 月8 日，载有1 4 9 3 3 6 吨纯苯的江西“赣抚油0 0 5 ”在四川云阳库区因搁浅，致使1 4 9 3 3 6 吨纯苯全部泄入水中，极大地污染了长江的饮用水源。2 0 0 5 年1 1 月1 3 日中石油吉林石化公司双苯厂发生爆炸事故，事故产生的主要污染物为苯、苯胺和硝基苯等有机物通过吉化公司东1 0 号线进入松花江，造成大面积水质污染。屡屡发生的海上溢漏事故以及对海洋生态、渔业、养殖业、旅游业等的触目惊心的污染和破坏，引起了国际社会的关注。国际海事组织( i m 0 ) 制定了一系列的国际公约、议定书和修正案，以求防止或减少海上溢漏事故所造成的危害。其中有经1 9 7 8 年议定书修订的1 9 7 3 年国际防止船舶造成污染公约( m a r p o l 7 3 ，7 8 ) 、国际海上人命安全公约( s o l a s ) 、散装运输危险化学品船舶结构和设备规则( b c h c o d e ) 、1 9 7 3 年国际干预公海油污公约( c s l ) 、1 9 7 3年干预公海非油类物质污染议定书( c s ip r o t o c o l1 9 7 3 ) 、国际油污防备、反应与合作公约( o p i ) 和1 9 9 6 年通过的国际海运有害物质损害赔偿责任公约( 删s ) 等等。与此同时，污染物在海上输运、扩散的研究也在不断地展开，作为海上污染应急反应系统的关键技术之一，能否正确预测和掌握海上溢油动态显得尤为重要。由于目前还无法仅依靠实时观测提供海上污染应急反应所需的全部数据。在这种情况下，计算机模拟成为现今海上污染研究的主流，因其具有较准确的预测性能基于p o m 模型的海上液体化学品溢漏的三维污染扩散预测和强大的数据处理，数值计算、决策支持功能而被人们所接受。近年来，世界各国相继开发出了一些具有很大实用价值海上污染预报系统，对有效的防止海洋污染，保护海洋环境起到了巨大的推动作用。1 2 污染物对流扩散理论1 2 川1 2 1 基本概念及方程介绍1 2 1 1 连续介质假设实际流体的结构是由彼此间有空隙并进行复杂微观运动的大量分子所组成。研究流体的宏观机械运动时，一般引入连续介质的假设，认为流体所占有的空间连续而无空隙地充满流体质点( 也称流体微团) ，质点的尺度在微观上足够大，大到能包含大量的分子，使得在统计平均后能得到其物理量的确定值；质点的尺度 _ 在宏观上又足够小，远小于所研究问题的特征尺度，使得其平均物理量可看成是均匀的；而且可以把质点看成是几何上的一个点。有了连续介质假设就可以把流体的物理量作为空间坐标和时间的连续函数进行数学分析。1 2 1 2 流动的基本特性参量表征流动特性的物理量中，描述运动状态的主要是速度v ，和运动有密切关系的特性有压强p ，密度p ，温度丁及含有物的浓度c 等，可统称为流动的基本特性参量。其中速度和压强是矢量，密度、温度和浓度是标量。描述流体运动的方法有拉格朗日法和欧拉法，拉格朗日法以研究个别流体质点的运动为基础，通过对各个质点运动的研究来获得整个流体的运动规律。对于直角坐标系，以初始时刻流体质点的坐标a ，b ，c 作为区分质点的标志，称为拉格朗日变数，任何时刻t 任何质点在空间的位置是拉格朗日变数和时间的函数：一= x ( a ，b ，c ，力1y = y ( a ，b ，c ，f ) ( 1 1 )z = z ( 口，b ，c ，r ) j质点的速度和加速度可由式( 1 1 ) 对时间t 的一阶偏导数和二阶偏导数得到。欧拉法是在流动空间中描述空间各固定点上流体通过它时的运动状态，也就第1 章绪论是空间固定点上各个流动特征参量( 速度、压强、密度、浓度等) 的大小。这些参量是空间坐标和时间的函数。用直角坐标表示为：v = v ( x ，y ，z ，r )p = p ( x ，y ，z ，r )p = p ( x ，y ，z ，0( 1 2 )t = t ( x ，y ，z ，r )c = c 妊，y z ，n1 2 2 对流扩散方程流体中含有物质的传输和散布的问题( 如工业和生活上排放的污染物质在水域内的浓度分布) 是环境保护规划设计所依据的重要资料。而浓度的分析则需要掌握扩散与输移的理论。传输过程( t r a n s p o r t p r o c e s s e s ) 是指流体中含有的物质( 如各种污染物) ，广义上说也包括流体本身的属性( 如动量、能量、热量等) ，在流场内某处转移至另一处的过程。传输可以有不同原因产生，扩散是其中重要的一种。所谓扩散( d i f f u s i o n ) 是指流体中含有物质从含量多的地方向含量少处传输的现象。扩散可分为分子扩散和湍流扩散。由分子运动产生的扩散称为分子扩散( m o l e c u l a rd i f f u s i o n ) ，分子扩散的速率是很缓慢的；在湍流中，由于流体质团的湍动产生的扩散称为湍流扩散( t u r b u l e n td i f f u s i o n ) ，湍流扩散要比分子扩散快得多。另外一种产生物质传输的重要原因是对流。流体中含有的物质可以随同流体的质点的时均运动而转移，称为对流传输( a d v e c t i o n ) 。在一般扩散理论中，常先假定流体中含有的物质( 以下统称扩散质) 的存在不改变流体质点的流动特性，即不影响流动，具体些说是流场的速度分布和扩散质的存在无关。这种扩散质只是作为一种标志物质，或称为示踪剂而存在。同时假定在整个运动过程中，流体质点带有的扩散质在数量上是保持不变的，流体质点与质点之间不发生扩散质的转移，扩散质的扩散完全是由于带有扩散质的流体发生掺混的结果1 3 1 。基于以上理论和假设，对流扩散方程一般形式可表示为：鲁州c o 詈叫x , t ) 等+ s( 1 3 )基于p o m 模型的海上液体化学品溢漏的三维污染扩散预测式中c 一流体中扩散质的浓度甜一对流速度a 一对流扩散系数& 扩散质的源当方程中对流速度为零时，则方程为纯扩散方程，口表示分子扩散系数；当u = ci ja - - v 时，方程即为通常的b u r g e r s 方程。将方程无量纲化即为：军+ “墨：去口馨+ &( 1 4 )百蜘面2 虿口萨+ s 。( 1 4 )无量纲参数只称为p e e l e t 数，定义为只：出( 1 固其中l 为特征长度，为特征速度，为特征扩散系数，对于b u r g e r s 方程，a o = ，只= r 。，a = l ，此时p e c l e t 数即为雷诺数r 。 4 1 。1 2 3 求解对流扩散方程的途径对流扩散方程( 包括扩散方程) 是一个二阶的偏微分方程，求普遍解是很困难的，尤其是有对流存在的情况，如用解析方法求解，大都只能针对简化了的问题。严格来说，在流动情况下对流扩散方程应和流体运动基本方程组耦合求解包括浓度的所有基本变量，但在标志( 示踪) 物质的假定下，可以将流场和浓度场分开计算。一般先求出流场，然后在已知流速分布下求解对流扩散方程。求解对流扩散方程有以下几个途径。( 1 ) 解析法前面已经提到，由于系数性质复杂等原因，直接求解对流扩散方程存在较大难度。但是可以将问题简化，降低方程维数、忽略影响相对较小的因素，或是在某些假定的前提下进行求解。经过众多学者的努力，目前已经得到特定条件下一些较简单的基本解。但解析方法因为描述问题不够准确详尽，不适应多变的环境条件等原因，应用范围受到很大限制。第1 章绪论( 2 ) 物理模型物理模型方法是指利用缩小尺度的实物模型模拟流体在各种设定条件下的流动情况，直接观察其运动状态，测取流速和扩散质浓度分布的数据。物理模型比较直观，只要对支配流体运动的主要因素抓得正确，尽量使模型不变态( 所谓变态模型，即垂向和水平方向的模型比例尺不同的模型) ，即可设计物理模型。但由于影响因素太多，往往会遇到模拟的困难，通常需要按照实际问题的性质近似模拟。而且这种方法往往需要较长时间、较大的资金和人员投入。( 3 ) 数值解法在当前计算机逐渐得到广泛使用的情况下，采用数值方法求解对流扩散方程已经成为一种普遍趋势，并且方法的种类和数量也不断增加。有限差分、有限元、边界元及几种数值方法的结合应用。数值方法的优点是：耗资小、用时短、节省人力和物力；方法运用灵活、改动更新容易；适用范围广，通用性强；有的已经具有人工智能的性质。数值方法虽然计算出的结果可以达到人为设定的精度，但在实际应用中由于环境条件的复杂，有时需要考虑一定的偏差。这就需要根据实际情况和数据，总结经验，不断修正完善。( 4 ) 现场观测在天然流场中进行扩散质浓度的观测，得到的资料是最真实可贵的。但由于工作量和费用都很大，还有测量技术的可靠性要求，一般难以取得很全面系统的资料。通过现场观测，利用得到的资料来确定对流扩散方程中的系数是一个常用的方法。对于复杂而重要的任务，往往对结果要求较高、较全面，通常需要同时采用几种方法相互配合或补充，结合起来解决问题【3 】。1 3 研究现状研究海上污染问题首先基于海洋水动力已知的前提，为此，在研究海上污染问题之前，完全有必要搭建一个海洋动力的基础平台，为海上污染物的输运、扩散提供一个动力场，所以我们在这里首先介绍一下三维水动力数学模式的研究现状。1 3 1 三维水动力数学模型的研究由于计算机发展及数值求解技术的限制，以往对大体积水体的研究重点主要是基于p o m 模型的海上液体化学品溢漏的三维污染扩散预测在流动的二维模拟上。然而，天然水体中的绝大多数流动具有三维特性，尤其是在边界变化较为剧烈的区域，水体流动的三维性尤为突出，二维数学模型就难以保证相应的准确度。近年来，工程实践对数值模拟提出了越来越高的要求，进行水环境的三维模拟势在必行，而计算机及计算技术的发展也为进行三维数值模拟提供了可能性。在环境及水利工程中，为合理解决污染物输运扩散特性、河口盐水入侵及河床演变等问题，都有必要预测水流的三维结构。1 9 7 3 年，l e e n d e r t s e 等人首先进行三维水流数值模拟的研究工作，提出数值模拟三维水流的分层方法，此后也出现了一些简化的三维模型。但是，由于问题本身的复杂性和计算机运算能力的限制，直到上世纪7 0 年代末期，三维模型才真正得以发展，近些年发展尤其迅速。迄今为止，三维问题的数值模拟己经成功的用于工程实际计算，在环境保护、水利工程、海洋工程等诸多领域中得到了广泛的应用。目前国际上先进的和使用较为广泛的三维河口海洋数值模式有美国普林斯顿大学的p o m ( p r i n c e t o no c e a nm o d e l ) 和e c o m ( e s t u a r y , c o a s ta n do c e a nm o d e l ) ，佛罗里达大学的等密度面模式，荷兰的d e l f t 模式，德国汉堡大学模式和丹麦模式。1 3 2 海上溢油污染模型的研究海上溢漏污染物的输运、扩散研究是从溢油漂移和扩散的研究开始的。油膜在水面的扩散、输运过程研究最早，也是最成熟的一个方面。1 9 6 9 年，f a y 5 】和h o u l t l 6 】提出了净水或紊流情况下油膜在水面的三阶段扩展理论，做出了杰出的贡献。后又由b l o c k e r 7 等人将上述模型进行了改进，应用的较为广泛。1 9 8 2 年，m a c k a y 8 】模式在f a y 模式的第二阶段公式中加上了风的影响，分别建立了厚油膜和薄油膜的计算公式；l e h e r ( 1 9 8 4 ) 1 9 】也是f a y 的第二阶段模式中加上风的影响，并调整了算法。s t o r y f lo 】则在全面改进f a y 模式的基础上，建立了连续油膜环境行为和性质的预报方法( m u s l i c k 模式) 。至此，基于f a y 理论的油膜行为预报模式发展到了完美的阶段。m i t 模式突破了f a y 理论的传统模式，将油膜自身特性所致与环境动力形成的油膜分散一并考虑，建立了油膜扩展一分散微分方程和相应的数值模式。还有一些代表性的模型如：n a r y 模型【7 】、d e l a w a r e 模型【7 】、s e a d o c k第1 章绪论模型1 7 f1 ”、b a t t e e l e 模型p 1 、黄贤模型等1 2 1 。我国的溢油行为和归宿研究始于8 0 年代初，大多数预测模型属于改进型。如中科院吴永城等( 1 9 9 1 ) 胶州湾溢油范围预测模型；中国海洋大学娄安刚等( 1 9 9 4 )海面溢油轨迹的分析预报模型；成都科技大学赵文谦 1 3 - 1 5 】等( 1 9 9 1 ) 溢油行为预测组合模型等。国家海洋局海洋环保所与比利时北海数学模型管理署对溢油预报模型进行了全面研究，推出了“油污染环境风险评估”的合作研究成果( 1 9 8 9 1 9 9 1 。o p e r a ) 1 a q , 该项合作研究建立了o p e r a 二维溢油软件包和三维溢油软件包。其中，二维软件包已在辽河油田浅海开发区推广应用，建立了“溢油行为可视系统o i l s y s ”，并纳入辽河油田滩海开发区溢油应急计划。国家海洋局海环所窦振兴( 1 9 9 0 1 9 9 5 ) “渤海溢油微机化预报体系”，基于油粒子群的随机运动建立了以三维溢油综合预报模型为核心、以微机为支持硬件的溢油微机化预报体系，特别适合溢油现场使用。1 9 9 5 - 1 9 9 7 年大连理工大学的晁晓波【 1 博士后以大连湾为例，采用混合长理论，利用三维扩散模型对溢油在水域中的扩散输运特性进行了研究；大连海事大学的殷佩海等研制的“大连地区海上溢油应急反应专家系统” i s l ，考虑了风和海流的影响，在水面油膜输运、扩散过程中采用f a y 改进模式，采用了多媒体技术成功地模拟了溢油行为和归宿。1 3 3 海上散化污染模型的研究散化溢漏应急的研究也越来越引起国内外的科学工作者的注意。北欧几个国家，瑞典、挪威、芬兰等国于1 9 8 5 年组成北欧环境保护理事会，对散化溢漏应急反应进行了深入地研究和发展【19 j 。由溢漏应急反应所需的器具及事故处理方法等方面的研究转向了溢漏散化污染物在水体中浓度分布级变化规律、化学品在水中的运动轨迹和散化溢漏事故的统计和分析。1 9 8 6 年1 1 月桑多斯化学品公司( s a n d o z ) 大量除草剂( h e r b i c i d e s ) 和杀虫剂( i n s e c t i c i d e s ) 溢入莱茵河，对德国、法国、荷兰等国家造成了严重的淡水污染。荷兰国家水利局采用了一维输运、扩散模型对易溶化学品及悬浮化学物质进行了模拟，随后又考虑了溢漏点附近下游地区的横向扩散、盐度和不规则河堤对化学物质输运和扩散的影响【2 0 】。加拿大对基于p o m 模型的海上液体化学品溢漏的三维污染扩散预测油和散化溢漏后的归宿和行为及对环境的影响研究开展得比较深入，模拟软件与地理信息系统相连，提供方便快捷的环境参数以供溢漏应急决策之用【2 ”。我国的散化运输起步较晚，散化安全运输及其溢漏应急的研究更是如此。9 7年初，上海海监局与北京防化指挥工程学院一起开展“散化码头化学事故危害评估及应急计划”课题项目的研究 2 2 1 ，在项目中选择甲酸、甲苯、苯酚作为典型品种，以黄埔江为研究的背景，建立化学品在河流水体中的扩散模型及应急反应专家咨询系统。1 9 9 7 年6 月，水运科学研究所和加拿大国际开发署合作进行了“模拟石油和化学品溢出归宿及影响” 2 3 1 的研究工作。1 4 本文的主要工作本文鉴于相关专家学者在液体化学品溢漏扩散领域的研究，对液体化学品溢漏扩散的运动形式进行了分类，并在p o m 架构的基础上嵌入了基于对流扩散方程的粒子追踪技术的海上溢油输运模型，预测海上溢油的运动轨迹；以及基于对流扩散方程欧拉形式的易溶保守液体化学品的迁移输运模型，预测海上易溶保守液体化学品在海上的浓度分布状况。本文提出的方法适用范围广，稍加完善可应用于环境保护和规划的实际工作中。第2 章液体化学品污染扩散运动形式的分类第2 章液体化学品污染扩散运动形式的分类在实施溢漏应急措施前，必须估计或准确得知发生事故所涉及的货物理化特性，危险特性，溢漏的数量，环境条件、散化溢出物的运动状态。只有掌握上述基本的数据才能进行正确决策，采取正确有效的应急措施。目前，国际上针对液体化学品分类的国际公约、规则( m a r p o l 7 3 7 8 、s o l a s 7 4 8 3 公约等) 主要从环保角度和运输安全来分类。本章节所提出的分类主要是从数学建模的角度出发，针对液体化学品污染扩散运动形式的不同加以分类阱。2 5 1 ：( 1 ) 油和类油化学品一不溶于水，在水面主要以二维形式输运和扩散；( 2 ) 易溶保守化学品溶于水，在水中以三维形式进行输运扩散；( 3 ) 强挥发性化学品一强挥发性类产生的蒸汽在空气中的输运和扩散；( 4 ) 沉降型化学品一比重大，且不溶于水，沉降于水底；( 5 ) 综合型化学品一与空气和水发生反应。还有一些物质一旦溢出，就会凝固，如苯酚、石蜡等。一般而言，各种散化物质，溢漏后的某一阶段以某一运动形式为主，以多种形式在环境中输移、扩散。下面将对各种运动形式进行简单表述。2 1 油和类油化学品此类物质密度小于水，且其难溶于水，一旦溢出通常漂浮于水面。如果此类物质具有高蒸汽压，则在发生意外溢漏后的短时间内该物质已经蒸发掉。如是低挥发性的则留在水面时间较久。不同的物质可呈现出多种性能的特征，一般有以下四种情况：( 1 ) 浮于水面，在水面形成一层薄膜，产生蒸汽云雾，与水作用或反应忽略；( 2 ) 浮于水面，仅仅在水面形成一薄膜，蒸发和水作用都可忽略；( 3 ) 浮于水面，并在水面形成一薄膜，产生蒸汽云雾，与水作用同时发生：( 4 ) 浮于水面，形成一层薄膜，并与水发生作用，实质上不产生蒸汽。2 1 1 扩散和水平弥散基于p o m 模型的海上液体化学品溢漏的三维污染扩散预测排放到水中的液体化学品会立即扩大其表面积。有两种不同的机制会引起这种现象：其一是海水的密度及表面张力不同造成的扩散现象。阻碍力和扩散力之和将决定扩散速度。费克建立了众所周知的三阶段扩散理论。这三阶段是初始阶段，重力和惯力( 阻滞) 是重要因素；中间阶段，重力和粘稠力( 阻滞) 是主要因素；最后阶段，表面张力( 扩散) 等于粘稠力。其二是弥散。风浪和潮水的随机运动改变着薄膜各个部分的相互位置以及同薄膜质量中心之间的相对位置。当薄膜分解为具有稳定表面积的小块，只有弥散作用驱使“油滴”离开质量中心。在扩散的三个阶段中，薄膜直径为：( 1 ) 初粘阶段d = k ，( 触y ) “4 圻( 2 1 )( 2 ) 粘性扩展阶段d = 髟( 磨y 2 ) “6 t “4( 2 2 )( 3 ) 在表面张力扩展阶段d = k 3 ( 8 p k ) “2 f 3 “( 2 3 )( 4 ) 最大薄膜直径d = 3 5 6 8 1 m( 2 4 )其中：伊一薄膜直径( m ) ；g 一重力加速度( m s 2 ) ；、- 一溢物总体积( m 3 ) ；t 一从溢漏开始计算所经历的时间( s ) ：p 一8 = 、一p a i p 。；p 。一散化密度( 1 0 3 k g m ) ；p 。一水的密度( 1 0 k g m 3 ) ；k 一水的运动粘性系数( m 2 s ) ；6 6 = 6 。一6 。一6 。第2 章液体化学品污染扩散运动形式的分类艿。一空气与水之间的表面张力系数( k g m ) ；乳液体化学品同水的表面张力系数( k g m ) ；屯一液体化学品同空气的表面张力系数( k g m ) 。液体化学品的扩散使其半径增大，当薄膜厚度大于临界厚度时，薄膜有其完整性；当薄膜厚度小于l 临界厚度则薄膜分裂成碎片。散化物质形成薄膜后要在水流及风生流的作用下产生漂移，同时薄膜圆范围继续扩大。漂移与物质数量无关，漂移大小通常用薄膜等效圆中心位移来判断。如薄膜中心初始位置为占= 0 ，经过此时间后，其位移s 由下式计算：。= s o + f o + 6 r o u t( 2 5 )= + ( 2 6 )其中，弦为t o m 高处的风速。2 1 。2 蒸发蒸发过程中，薄膜层的理化性质将产生重要变化，复杂的过程。下面仅给出碳氢化合物蒸发量流量公式：m 咆，鬈产4 矧其中：只物质组分i 质量转换系数( m s ) ；p y 一物质组分i 在介质温度t 条件下的蒸汽压力；空气中物质组分i 的分压( 0 ) ；胄一气体常数；如蔚一水面上物质组分i 的点分子份数。k m ，= 1 6 0 7 + 扩7 8 r ”1 + 嚣- 0 ”这是m a c k a y 和m a t s u g u 等式估算质量转换系数表达式。蒸发量的计算是一个较为( 2 7 )基于p o m 模型的海上液体化学品溢漏的三维污染扩散预测其中：湖速( a s )& 物质组分i 的s c h m i d t 系数2 1 3 溶解任何一种液体化学品都会或多或少地部分溶解于水中，只是程度不同而已；在阳光、空气、氧的接触下，发生氧化作用，生成可溶性较强的物质。2 1 4 沉淀各种形式的液体化学品都有可能被沉积、吸附、沉降于水底或黏附于岸边，在淤泥中的渗透作用因物质而异。2 1 5 乳化油和类油化学品滞留在水面的一个重要原因就是油包水乳化液的形成，使该类化学品变成较为粘稠的物质。乳化液的稳定性与液体化学品表面活化剂的含量相关，而水的摄入速度与海况密切相关。2 2 易溶保守化学品易溶解的物质溢漏入水，对其处理的方法不多。如果没有办法回收，通过稀释和扩散以降低溢漏处的浓度也许是最好的办法。但对于生物积聚，对生物、人体极毒的散化物质而言，溶解和扩散到更广的区域却不是一件好事：一般而言，易溶于水的化学品不容易产生生物积聚作用。易溶或部分溶解的液体化学品溢漏时，对其运动进行准确地描述，掌握溢漏物在一定时间、范围内浓度的时空分布对敏感区的预防工作起关键性的作用，对应急措施的决策者也具有参考价值。溶解物质在水中的扩散与气体在空气中的扩散有类似的地方，只是水体更有局限性。不问的水域环境，扩散形式也不太相同，如在河流中则考虑河的径流，风速、风向、河流的地理状况，这是可以用剪切紊流的一维纵向离散处理方法得到其运动解析解。如果在较为广阔的水域，特别是不规则边界条件下，如大江、大河中污染物多不能扩散至全河断面，而是形成污染带，在湖泊中一维的离散分析常不能满足实际需要，常需进行二维离散分析。其要点是垂向尺度较水平尺度笫2 章液体化学品污染扩散运动形式的分类为小，且垂向扩散较水平方向为快，可认为垂向扩散是瞬间完成，并且认为垂向浓度是均匀的，于是采用垂向浓度在水平面上的分布。对于不同海区有不同的海洋动力学特性，如水体是否混合充分，水体是否显著分层等；对不同特性的海区，采用不同模型对该类物质的输移和扩散进行计算和模拟。2 3 强挥发。陛化学品有许多物质是在加压或冷冻的条件下进行存储、运输的，如：氨水、丁烷、丁二烯等。这些物质一旦溢漏，在常温下，会部分或全部地变成气体状态。具有高蒸汽压的液体暴露于空气中，可释放蒸气，形成“云雾”。挥发性很强的液体化学品，其扩散的速度与该蒸汽在空气中的平均浓度梯度成正比( 费克f a y 定律) ；也与散化的相对密度有关。而这些物质在发生溢漏时，可以将它们看成一个点源或是一条线源，也可以看成是一个溢漏面源或立体源。再者，有的溢漏是瞬间完成，有的则是连续溢漏。根据溢漏的不同情形、周围环境、实际需要，采用不同的假设和不同的模型。2 3 1 无风瞬时源在静止的流体中，扩散就是分子扩散。假定t = o 在对刻在原点有m 质量的液体化学品挥发，其遵循下面的扩散方程：妄；乜d 萨0 2 c + d y 雾+ 见参( z s )解( 2 8 ) 式得：棚石归丽南1 1 ：1 -叫一茜一茜一岳)亿。，棚石r ) 2 丽研+ 鼍一匆一匆一面jq 其中：m = l 辩c b c d y d z如果散化物质的溢漏并非在一处，而是非均匀地分布在空间一定范围。则可利用迭加原理，把所有的瞬时源的结果迭加。可以由点源在一条直线或曲线上积分，得到线源扩散的空间分布，再由线源积分得到面源扩散的分布，同理对面源基于p o m 模型的海上液体化学品溢漏的三维污染扩散预测积分得到立体源的扩散分布。为方便起见，下面讨论一维分布，即按面源迭加，设沿x 轴上在x = f 处d f 上面源的强度为，( f ) d f ( 如图2 1 ) ，作为瞬时点源由此经时间t 扩散至x 的浓度，按础= 篙+ q 髻c z 图2 1 不均匀分布源的积分图f i g 2 1t h ei n t e g r a t i n gv i e wo f t h ea s y m m e t r yd i s t r i b u t i o n积，如起始时瞬时面源扩散物质浓度分布为c g ，o ) = 厂g ) ，a x b ，则扩散浓度迭加后，经时间t 在x 处的浓度为：c g ，t ) - - d c ，即：如力= f 箍+ 叫掣卜c z 其他情况可同理经积分而得。2 3 2 无风连续源设扩散源位于原点x = o 处，为t = o 时，沿x 轴原来浓度都为0 ，现在x = o 处浓度瞬时升高到c 。，以后稳恒不变，求分布函数c ( x ，t ) ，现仅求x o 时的解析解( 与x = ( 昙) ( 詈) 工+ 言一“昙+ 昙把( 2 2 0 ) 代入( 2 1 7 ) 得：善= 见窘+ q 等怛窘由( 2 2 1 ) 可得瞬时点源的一维扩散解析式：捌= 丽m + 叫一噼)( 2 2 0 )( 2 2 1 )( 2 2 2 )m 印，= 丽卷丽脚 簪一南一茜 眨z 。，2 3 4 恒风中的连续点源同2 3 3 中的坐标变换容易得到恒风中连续点源扩散分布解析式：阳。咖锸)( 2 2 4 )上面1 、2 、3 、4 中是无界点源强挥发性物质在空气中扩散分布的数学模型，而实际扩散中却是贴近海面，或稍有高度的点源挥发扩散。对此可以采用镜面虚点源的办法来解决，下面对贴近海面的连续点源( 恒风) 给出扩散解析式：-嘲矿咖( 嚣)( 2 - 2 5 )其浓度为无界扩散的两倍。图2 3 海面镜面虚点源示意图f i g 2 3t h ep o i n tp o l l u t a n ts o u i e s第2 章液体化学品污染扩散运动形式的分类一般来说，储罐相对于地面，船舱相对于海面有一高度，而不是紧贴地面或海面，因此，必须给出点源高架扩散的模型。下面给出瞬时点源高架模型，也是根据镜面虚点源法给出。a = 丽m 丽忖酉( x - - u t ) 2 上4 d j 一封十( x 可- - u f ) 2 上4 d y t 一铡亿z e ，图2 4 海面高架源镜面虚点源f i g 2 4t h ep o i n tp o l l u t a n ts o u r c e s2 4 沉降型化学品此类化学品密度大于水，溶解度和挥发性很小，可忽略不计，如：氯苯等。此类化学品在海水中只参与沉降过程和对流扩散过程。在沉降的过程中会受到水湍流作用的影响，有的类似油团的物质会逐渐地分裂变碎。随着水流的作用边漂移、边破裂、边沉降。许多小的物质小团也可能在运动中在发生积聚成一较大的团体。在这分裂、积聚、沉降、漂流的过程中，物质会与水形成类似“水包油”或“油包水”的物质。沉积入水底其漂移的最终地点可由水体的流速、沉降的速度，水深粗略地算出。理论上在非恒定流中也可用积分方法算出，然实际应用中只需指明漂移方向，就可用探测仪进行探测。在河流中，这种漂移、沉降的推算应用较多。一旦探明位置，对于不同物质有不同的回收处理方法。如：吸管法。如果沉积渗透到底层，则据该物质的危害特性，如有必要则采用挖吸沉积物方法予以消除危害。2 5 综合型化学品此类物质溢出后，所发生的变化相对要复杂些，如氯磺酸、醋酸乙脂、丙烯基于p o m 模型的海上液体化学品溢漏的三维污染扩散预测酸乙脂等。首先，由于它们与空气或水能发生变化，反应速率需遵从反应动力学原理，依物质种类不同有不同的反应常数，其反应产物又可依上述几种物质的扩散规律在气相、水体、水面、水底扩散。除物理因素外，与空气或水起反应的物质，可能会引发一些特殊的危险。如下表：表2 1 与空气、水反应类部分液体化学品一览t a b ，2 1t h ev l e wo f c h e m i s t r y “m ft oa l m o s p h e r ea n dw a t e r异丙氰醇a c - e t o n c y a n o h y d r i n与水反应生成氢氰酸一第3 章三维潮流数学模型第3 章三维潮流数学模型潮流作为近海的主要水动力条件之一，是最基本的物质运动，其他物质如泥沙、盐分、各类污染物质及热量的输运过程，均与之密切相关。人类在海岸河口地区进行的生产活动，像建设港口，开挖航道，围海造田，排污入海，环境保护，海水养殖，海洋捕捞等海岸、环境工程都需要对该海域潮流场有详细的了解。而对于海水运动基本方程( 潮流控制方程) ，仅在极少数理想情况下可得出解析解，多数实际海区都要借助于数值模拟这一有效手段。由于计算机发展及数值求解技术的限制，以往对大体积水体的研究重点主要是在流动的二维模拟上。然而，天然水体中的绝大多数流动具有三维特性，尤其是在边界变化较为剧烈的区域，水体流动的三维性尤为突出，二维数学模型就难以保证相应的准确度。近年来，工程实践对数值模拟提出了越来越高的要求，进行水环境的三维模拟势在必行，而计算机及计算技术的发展也为进行三维数值模拟提供了可能性。在环境及水利工程中，为合理解决污染物输运扩散特性、河口盐水入侵及河床演变等问题，都有必要预测水流的三维结构。1 9 7 3 年，l e e n d e r t s e 等人首先进行三维水流数值模拟的研究工作，提出数值模拟三维水流的分层方法，此后也出现了一些简化的三维模型。但是，由于问题本身的复杂性和计算机运算能力的限制，直到上世纪7 0 年代末期，三维模型才真正得以发展，近些年发展尤其迅速。迄今为止，三维问题的数值模拟己经成功的用于工程实际计算，在环境保护、水利工程、海洋工程等诸多领域中得到了广泛的应用。目前国际上先进的和使用较广泛的河口海洋数值模式有美国普林斯顿大学的p o m ( p r i n c e t o no c e a nm o d e l ) 和e c o m ( e s t u a r y , c o a s ta n do c e a nm o d e l ) 模式、佛罗里达大学的等密度面模式、荷兰的d e l f t 模式、德国的汉堡模式和丹麦模式。我国缺少自己研制的在国际上有影响力的数值模式，使用较多的是p o m 和e c o m 模式。p o m 海洋湍流模型具有以下特点t 2 6 1 ：垂向混合系数由二阶湍流闭合模型确定，在一定程度上摆脱了人为因素的干扰；垂直方向采用仃坐标；水平网格采用的是基于p o m 模型的海上液体化学品溢漏的三维污染扩散预测曲