（轮机工程专业论文）船载散装难溶保守液体化学品泄漏扩散研究.pdf

中文摘要 摘要 随着海上液体化学品运输、中转量的不断增加，化学品泄漏风险也日益增加， 对海上泄漏化学品行为进行合理、可信的数值模拟并在此基础上构建g i s 支持下 的海上化学品溢漏事故应急决策支持系统具有重要的理论意义和实用价值。 潮流场是影响化学品水中行为的主要因素。在分析国内外潮流场模拟现状和 发展趋势的基础上，以宁波一舟山港为应用海域，用p o m 模式求解潮流场，针对 宁波一舟山港附近海域岸线曲折，地形多变的特点，引入网格嵌套技术，小区域的 开边界条件由大区域的计算结果来提供，并将预报结果调和成调和常数存储，建 立潮流场快速预报模式，并通过和实测数据的比较证明了计算结果的合理性。在 分析近海水域环境污染扩散数值模拟的研究应用现状基础上，根据沉降型和类油 型保守化学品的性质及其在海上的行为特点，分别建立沉降型化学品行为数值模 拟的对流扩散方程模式和类油型化学品粒子拉格郎日迁移模式。 最后，假定舟山港附近海域发生一次化学品泄漏事故，根据化学品泄漏的数 量、化学品的物理化学性质、舟山港附近的海洋环境条件等各种数据，对化学品 泄漏后的漂移扩散分别以求解对流扩散方程和粒子示踪的方式进行模拟，取得合 理、快速的预测结果，为事故的应急反应提供决策参考。 关键词：保守化学品；网格嵌套；p o l l ；泄漏；数值模拟 英文摘要 s t u d yo ns p r e a do f i n s o l u a b l ea n dc o n s e r v a t i v eb u l kl i q u i d c h e m i c a l s a b s t r a c t 彤动t h ei n c r e a s i n gt r a n s p o r t a t i o no fl i q m dc h e m i c a l s ，t h er i s ko fc h e m i c a l ss p i l li s g e t t i n gh i g h e ra n dh i g h e r n er e a s o n a b l en u m e r i c a lm o d e l i n go ft h es p i l l e dc h e m i c a l s a ts e ai sa k e yt e c h n i q u ef o rr i s ka s s e s s m e n ta n dc o n t i n g e n c yd e c i s i o nm a k i n g ，a n dt h e d e s i g no fd e c i s i o n - m a k i n gs u p p o r ts y s t e mb a s e do ng i sh a sa c a d e m i ca n da p p l i e d s i e l l s e t h et i d a lg r o u n di st h ek e yf a c t o rw h i c ha f f e c t st h ea c t i o no fs p i l l e dc h e m i c a l s b a s e do n a n a l y s i s o ft h es t a t en u m e r i c a lm o d e l i n go nt h et i d a lc u r r e n t ，t h e n i n g b o - z h o u s h a nh a r b o rw a ss e l e c t e da st h ea p p l i c a t i o nr e g i o nw i t hs i m u l a t e dt i d a l g r o u n du s i n gp o m b e c a u s eo ft h ef l e x u o u sc o a s t a ll i n ea n dt h ed i v e r s et o p o g r a p h yn e a r t h eh a r b o r , n e s t e dg r i dm e t h o dw a su s e dt os i m u l a t et h ec o n c e r n e da r e a 皿1 co p e n i n g b o u n d a r yc o n d i t i o no ft h es m a l la r e aw a so b t a i n e df r o mt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t si nl a r g e a r e a t h e nt h et i d a lc o n s i s t e n tc o n s t a n tw a sc a l c u l a t e da n ds a v e d 舔t h ed a t ai nm a pl a y e r f o rt i d a lf a s tp r e d ! c t i o n t h er e s u l to ft h em o d e la n di n v e s t i g a t i v ed a t ai n d i c a t e di t s r a t i o n a l i t y b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n o ft h es t a t u sq u oo fe n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o ni nc o a s t a lw a t e r s ，a c c o r d i n gt ot h et y p eo f s e t t l e m e n to ft h en a t u r eo fc h e m i c a l sa n dt h e i rb e h a v i o r sa ts e a , s e n l e m e m - b a s e d n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fc h e m i c a lb e h a v i o r so ft h ec o n v e c t i o n - d i f f u s i o ne q u a t i o nm o d e l a n dl a g r a n g i a np a r t i c l em i g r a t i o np a t t e r n sw e r ee s t a b l i s h e d l a t e rt h em o d e lw a sa p p l i e di nas i m u l a t e dc h e m i c a l ss p i l la c c i d e n ta r o u n d n i n g b o z h o n s h a nh a r b o r t h eq u a n t i t yo fs p i l l e dc h e m i c a l s , t h et y p eo fc h e m i c a l s ，t h e m a r i n ee n v i r o n m e n tb a c k g r o u n de ta 1 w e r ei n p u t e di nt h em o d e l ，a n dt h ep h y s i c a la n d c h e m i c a lc h a r a c t e ro ft h ec h e m i c a l sf r o me s t a b l i s h e dd a t a b a s ew e r eg o ta n di t s i n d i v i d u a la c t i o nf o re a c hp r o g r e s sw a sf i n a l l ys i m u l a t e db yt h ee s t a b l i s h e dm o d e l k e yw o r d s ：c o n s e r v a t i v ec h e m i c a l s ；n e s t e d g r i d ；p o m ；s p i l l ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 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， 撰写成博硕士学位论文= ! 艘载趑装整渣堡生逮住丝堂晶泄遗芷邀硒究= ：。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： 必 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有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权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。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 一巷嗡荔锄 船载散装难溶保守液体化学品泄漏扩散研究 第1 章绪论 1 。1 研究背景 随着海上石油化学工业和运输业的快速发展，油井井喷、油船及散化船舶事 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焦点。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，与此同时化学品泄漏事故发生的频率也在增加。这类物质对海洋造成污染 主要途径是装卸货物时散包或整包掉落人海中，或者是包装破损流入海洋，或是 船舶发生海难事故时随船一起沉入海底。运输中化学品发生污染事故具有突然性、 危害性、长期性，它无固定的排放方式，来势凶猛，在很短的时间内往往难以控 制；瞬时间一次大量排放，破坏性极大，它们的毒性和污染性等会打乱一定区域 内人群的正常生活，给社会造成巨大损失；它们与周围的环境可能发生进一步的 反应或作用，需要人们投入大量的人力和物力，花很长的时间才能恢复。虽然危 险化学品出现的大型污染较少，但其造成的后果是十分严重的，一旦泄漏到外部 环境中，将对外部人员、动物、植物、港口及海洋环境乃至社会经济建设等造成 极为恶劣的影响。另外公路化学品运输以及其它意外事故也经常发生，如2 0 0 5 年 1 1 月1 3 日吉林石化爆炸事故，硝基苯、苯大量流入松花江，给人民生活环境带来 极大的危害。这些化学品最终也汇入海洋并给海洋环境造成污染l l j 。 1 2 研究的必要性及意义 散装液体化学品溢漏数量较大型油污事故的溢油数量较少，但其造成的危害 却是触目惊心。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 a b 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 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 e h e l l i n g ) 附近海 面上“斯奥卡泽”( s h i o k a z e ) 轮第八舱发生爆炸和火灾，该船装有2 , 0 0 0 m 3 的乙基 第1 章绪论 已醇( 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，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i l 】。 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 hc o d e ) 、1 9 7 3 年国际干预公海油污公约( c s i ) 、1 9 7 3 年干预公海非油类 物质污染议定书( c s lp 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 r c ) 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( i - i n s ) 等等【5 ，6 】。 国际海事组织( i m o ) 下属的散装液体和气体分委会( b l g ) 第7 次会议于2 0 0 2 年 6 月2 4 曰至2 8 日在伦敦总部召开。重要议题之一是对m a r p o l 7 3 7 8 公约附则i i 的修改以及对化学品安全和污染危害评估及相应修正案进行讨论。国际海事组织 ( i m o ) 错l j 定的“散装化学品船舶构造与设备规则”及“国际防止船舶污染公约”， 列出了所有具有安全危害性和污染危害性的化学品，列入其范畴的化学品多达7 0 0 余种。其中具有安全危害性的化学品有2 4 0 多种，对环境污染危害性极小或无危 害的化学品有1 0 0 余种，其中绝大多数对环境具有污染危害性。化学品船一旦发 生泄漏事故也会给人员和财产带来很大的损害。由于化学品运输的增加，导致码 头及贮存设备建设也不断增加。根据我国有关法律，可能导致环境污染的工程、 项目必须进行环境影响评价。而对于拟建化学品码头等项目的环境影响评价需要 对其可能泄漏的化学品行为进行模拟，预测是否可能对周围环境带来污染、是否 可能对周边居民安全造成威胁，开展本项研究也可以较好的满足这方面的需要。 同时，对于大比例功能区划、城市规划等也需要评价化学品码头带来的环境风险。 船载散装难溶保守液体化学品泄漏扩散研究 因此，也有必要开展本研究以辅助政府决策，同时也为项目评价人员提供必要的 帮助。 鉴于化学品污染事故带来的巨大经济损失，国际和国内在有关公约和法规方面 作出了很多具体的规定，必须建立相应的污染事故应急反应体系。而事故应急决 策智能系统是污染事故应急反应体系的重要技术核心。化学品泄漏后，依据泄漏 的数量、货物的物理化学性质、环境条件等各种数据，应用计算机对化学品在水 中的运动状态进行描述，并计算出不同时刻化学品在水中的分布形式，对采取及 时、正确、有效的应急反应措施有极其重要的指导意义。同时研究应急反应技术、 应急决策智能系统，也是履行o p r c 及2 0 0 0 议定书、删s 公约、海洋 环境保护法等公约和法规的需要【3 1 。 宁波一舟山港拥有优越的资源条件和自然条件并在我国的经济发展过程中起着 极其重要的作用，承担了总吞吐量达4 0 以上的国内中转货物。据统计，2 0 0 6 年 宁波口岸进口液化品5 4 0 1 万吨，价值5 2 4 亿美元，但目前港口的环保状况令人 担忧。此港紧邻著名的东海渔场，沿海分布着大量的海产品养殖场以及众多的海 滨旅游区，一旦发生重大溢油或危险化学品泄漏事故，将会对生态环境和渔业资 源造成极大危害，而目前的海上污染应急能力远远不够。由于投入较少，尚没有 一家专业化的海上油污清除公司，清除海上油污用的消油剂、吸油毯储备不足， 清污能力仅在5 0 吨以下，应对海上危险化学品泄漏的能力则更为低下。结合舟山 海域的特点，研究有毒液体物质泄漏扩散是非常必要的，并对其防治有着很重要 的意义。 1 3 本文主要研究工作 本人通过查阅大量文献和互联网，了解了当前化学品水上运输的现状和散装 化学品污染扩散防治的最新研究和成果，发现油类物质、溶于水的散装化学品在 污染扩散与漂移的研究方面，前人已做了大量的工作。但在不溶于水且密度大于 水的化学品、挥发型的化学品的扩散与漂移方面的研究，国内报道较少。故而本 文拟选取类油物质以及不溶于水且密度大于水的化学品为研究对象。由于化学品 行为的复杂性，对影响化学品在水中行为模式的三个主要参数：密度、溶解度、 第1 章绪论 饱和蒸气压，根据研究对象作以下限定： ( 1 ) 溶解度为0 或者很小，即化学品完全不溶于或微溶于水中，同时入水以后 能迅速分散成液滴或液滴聚集体： ( 2 ) 饱和蒸气压为0 或很小，即化学品不挥发，泄漏后完全进入水体中或漂浮 于水面上； ( 3 ) 与水不发生化学反应。 本文在前人液体化学品溢漏扩散领域研究的基础上，采用三维潮流场数值模 式( p o m ) 对宁波一舟山港的潮流进行了三维数值模拟，并成功地应用网格嵌套和动 边界技术对原模式进行了改进，获得了和实测资料相吻合的结果。对化学品泄漏 后的漂移扩散分别以求解对流扩散方程和粒子示踪的方式进行模拟，预测液体化 学品在海上的漂移轨迹以及沉降型化学品水中浓度分布状况，取得合理、快速的 预测结果。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。 4 船载散装难溶保守液体化学品泄漏扩散研究 第2 章船载液体化学品泄漏扩散研究现状 2 1 海洋潮流数值模拟研究现状 2 1 1 二维潮流数值模拟 在海岸、河口、湖泊、大型水库等广阔水域地区，水平尺度远大于垂向尺度， 水力参数( 如流速、水深等) 在垂向方向上变化要远小于水平方向上的变化，其 流态可用沿水深的平均流动量来表示，故可采用平面二维水动力数值模拟技术。 而在另外一些水域，如窄深潮汐通道、窄深河口地区，有关参量( 如流速、温度、 含盐量、含沙量等) 的垂向变化远大于水平方向的变化，这时可采用垂向二维数 值模拟技术。在解决二维潮流数值模拟的过程中，有多种数值解法可供选择。下 面给出的是几种常用且有效的计算方法，并分析其优缺点。 ( 1 ) 有限差分( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d f d m ) 有限差分法是工程中常用的一种离散方法，它将计算域分成有限个网格，通 过差分法求网格结点处微分方程的近似值。由于概念明确，计算简单，有限差分 法在计算流体力学中得到了广泛应用。针对不同问题和不同精度的要求，人们提 出了多种不同的差分格式，比如显式差分、隐式差分、a d i 、m a d i 、破开算子法、 准分析法和特征线法。 ( 2 ) a d i a d i ，a l t e r n a t i n gd i r e c t i o ni m p l i c i tm e t h o d ( 臣o 交替方向半隐半显式求解法) 是由 p e a c e m a n r a c h f o r d 和d o u g l a s 于19 5 5 年提出，该方法兼备了显式和隐式格式的优 点。和隐式格式相比，它虽然在时间步长上有了限制，但不用每一时间步长都要 计算一组大型线性方程组，可用迭代法求解，节省了计算机内存。和显式格式相 比，其稳定性增强，不会出现数值波动现象。l e e n d e r t s e 最早将a d i 法用于工程实 践。m a d i ( m o v i n ga l t e r n a t i n gd i r e c t i o n a li m p l i c i tm e t h o d ) 法的特点是将水位、水深、 流速等变量均布置在同一网格点上，由此将基本运动方程离散而形成新的差分代 数方程组。这种方法既具有传统a d i 法的优点，又易于编程实现。破开算子法 ( s p l i t t i n go p e r a t o rm e t h o d ) ，实质上是一种空间概念上的分步法，即将多维问题分 第2 章船载液体化学品泄漏扩散研究现状 解成一系列的低维问题，通常是化为一系列的一维问题来求解。但这种方法也会 引入分步误差，并且误差与时间步长成正比。一般当物理量变化剧烈时采用破开 算子法时应使用较小的时间步长。准分析法是将复杂的方程分解为一系列较简单 的子方程，以子方程的解析解为依据，综合而得到最终结果。特征线法是从特征 理论出发，将原始方程进行处理，把偏微分方程转化为沿特征方向的常微分方程， 然后推导出特征差分格式求解，计算过程繁琐，主要适用于涌潮等不连续现象的 计算。 ( 3 ) 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d f e m ) 有限元法是近十多年来发展起来的一种计算方法，它将一个连续体分割为有 限个“基本元 ( 例如三角形) 的集合，然后用有限个参数描述这个“基本元 上的物理和力学特性，建立各种平衡关系，把连续问题化为离散问题，在有限个 点上求出解的近似值。这个方法适用于具有复杂边界条件的问题，可使网格布局 更为合理，但其运算过程较为复杂，公式众多，对计算机配置要求较高。目前常 用的有限元法主要有显式有限元法、二阶有限元法、罚函数有限元法，也有为增 加数值计算稳定性的迎风有限元法和采用滤波技术的有限元方法等。 ( 4 ) 有限体积法( f i n i t ev o l u m em e t h o d f v m ) 有限体积法又叫控制体积法，它将计算域划分为一系列不重复的控制体，并 使每个网格周围有一个控制体，将待解的微分方程对每一个控制体积分，得到一 组离散方程，其直接的好处是即使在粗网格下，也保证准确的积分守恒，提高了 计算的稳定性。该方法近年来在水流计算中得到广泛应用【7 j 。 2 1 2 三维潮流数值模拟 2 0 世纪8 0 年代以前，由于受到计算机处理能力和计算方法的限制，海岸河口 潮流数学模型一般采用二维模型，三维模型较少用来解决实际生产问题。后来随 着计算机技术和数值模拟技术的发展，三维模型的应用逐渐成为可能。从n s 方程 出发，建立三维水动力学数学模型，根据静压假定，用水位变量z ( x ，y ，t ) 代替压力 变量，得到三维浅水方程，使得需求解的数学问题得到简化。l e e n d e r t s e 较早地在 实际工程中应用三维模型，随后众多学者对三维模型进行了大量的研究，取得了 船载散装难溶保守液体化学品泄漏扩散研究 丰硕的成果。 国内方面，温生辉等建立了一个三维斜压潮流场模型，加入简化的紊流闭合 模型，并成功运用在厦门西海域整治和开发项目中【8 】。李提来、窦希萍建立了边界 拟合网格的三维潮流数学模型，模拟了长江口复杂边界和地形下的三维潮流变化 【9 】。刘桦等建立了涉及河口密度分层效应的三维潮流、盐度数学模型，首次复演了 完整的长江1 2 1 三维潮流场，并对三维盐度场进行了初步模拟【lo 】。闰菊等运用一个 三维正压湍流封闭数值模型，成功模拟了胶州湾m 2 分潮的潮汐与潮流分布。张越 美、孙英兰基于e c o m 模型，引入干湿网格法模拟潮滩涨落的改进，建立了渤海 湾三维变动边界潮流模型【1 。杨陇慧等应用三维高分辨率非正交曲线网格河口海 洋模型，模拟了以长江河口、杭州湾及邻近海区作为整体的4 个主要分潮【1 2 1 。 国际上一些研究机构利用资源优势提出了一些技术上较为成熟，影响力较大 的模型，如p o m ( 普林斯顿海洋模型) ，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 ) ， 荷兰的d e l f t 模型等。我国目前缺乏自行开发的、国际上影响较大的三维水动力数 值模型，一般使用较多的是p o m 和e c o m ，但是一般的使用者缺乏对模型内在机 理的了解，难以充分利用模型的优势或对模型提出突破性的改进 7 1 。 2 1 3 潮流数值模拟的发展趋势 潮流数值模拟是一个不断发展和完善的学科，结合目前的研究现状，今后其 将向着以下几个方面发展： ( 1 ) 研制高效率、高稳定、高精度、高保真数学模型 这四高指的是三维模型。在今后一定时间内，二维和三维模型都将一样得到 改进，但二维终将为三维所取代，因为三维不仅反映真实的水流运动而且计算结 果在g i s 支持下的环境建模本身含有二维的结果。 ( 2 ) 潮流场精细模拟 网格越小，地形概化就越好；时间步长越短，潮流过程的模拟就越细致。 ( 3 ) 数值模拟可视化 将大量计算数据变成在屏幕上复演的潮流运动，使计算的结果明显、直观和生 动。可视化将构成潮流数值模拟的一部分。建立可视化的关键技术在于数据模型 第2 章船载液体化学品泄漏扩散研究现状 的建立，如马劲松等( 2 0 0 2 ) 结合g i s 、海洋学、水文学和计算机图形学等理论和技 术建立了一个海岸海洋潮流数值模拟的可视化与虚拟现实系统。 ( 4 ) 数值模拟软件化 将潮流数值模拟的全过程设计成通用的计算机软件或程序包将是一项非常有 意义的工作，将极大的方便整个数值模拟过程。 2 1 4 小结 海洋动力学数值模拟是研究海洋潮流、泥沙运动及水质污染扩散的重要手段 和方法，通过此技术并借助于地理信息系统、计算机辅助设计以及多媒体可视化 等理论和技术的扩展，可以很好地满足海岸海洋科学的研究需要。到目前为止， 水动力数值模拟经历了较为简单的一维数值模型和可以求解多项水力参量的二维 数值模型，直到今天大力发展的三维数值模型。在数值模拟不断发展的过程中， 国内外学者提出并完善了众多的数值解法，建立了多种多样适合各种情况的数学 模型，并在实际生产当中得到广泛应用。水动力数值模拟发展的重点有：网格的 生成( 前处理) ，主要研究在具体几何特性，流动特性及流场求解算法下，如何 自动生成网格并使网格的光滑性、正交性、网格单元的正则性以及网格的疏密等 特性达到最优；数学模型的求解( 求解器) ，主要研究的是如何快速、准确地求 解离散方程，得到所需的数值解；输出结果的可视化( 后处理) ，数值模拟可视 化研究内容主要是如何利用计算机的图像处理技术，将数值模拟结果在终端上显 示出来，使计算结果明显、直观、生动。随着水动力学理论以及计算机技术的不 断完善，潮流数值模拟在理论上和计算技术上也不断向前发展。可以预见，今后 潮流数值模拟将朝着高效、高精度、可视化、软件化等方向发展 7 , 1 3 1 。 2 2 海上化学品泄漏污染模型研究现状 散装化学品泄漏后在海中的输移、扩散模式，主要受两方面的影响：一是外 部环境，包括泄漏点附近的地理环境、水文因素、气象因素和其他因素。另一方 面是内部因素，即化学品的主要物理化学性质。外部影响因素将在下面进一步论 述，影响化学品在水中行为的主要因素是化学品本身的三个主要参数：密度( 与 8 船载散装难溶保守液体化学品泄漏扩散研究 水的相对密度) 、溶解度( 在水中的溶解度) 、饱和蒸气压( 在环境温度下的饱 和蒸气压) 。根据这三个因素，散装液态化学品泄漏后在水中的行为主要有以下 十二种【1 4 】，如表2 1 所示。 表2 1 泄漏化学品主要行为模式 t a b 2 1s p i l l e dc h e m i c a l sm a i nb e h a v i o r a lp a t t e r n s 主要因素 化学品具体性质 行为种类 例子最终分布 常温下为气体( g )急剧汽化成为气体丙烷、丁烷大气中 急剧汽化 常温下为气体、可溶急剧汽化成为气体、 液氨 大气中，部分溶于 于水( g d )部分溶解于水 水 饱和蒸气压大、密度 浮于水面并迅速汽化 苯 大气中 小于水 迅速汽化 饱和蒸气压大、可溶迅速汽化为气体、部 醋酸乙酯 大气中，部分溶于 解( 功) 分溶解于水 水中 密度小于水、饱和蒸 漂浮于水面并汽化二甲苯 大气中，部分溶于 气压大( f e )水面 密度小于水、饱和蒸 浮于水面并汽化、部 大气中，部分浮于 气压大、可溶解丙烯酸乙酯水面、部分溶于水 漂浮分溶解于水 ( f e d )中 密度小于水( f ) 漂浮于水面动物油脂浮于水面 密度小于水、可溶解浮于水面、部分溶解 丁醇 浮于水面，部分溶 ( f d ) 于水于水中 可溶解、饱和蒸气压迅速溶于水中，部分 丙酮 大气中，部分溶解 溶解大( d e )汽化于水中 可溶解( d )迅速溶于水中无机酸和碱溶解于水体中 密度大于水、部分溶 下沉，部分溶于水中二氯甲烷 溶于水中，部分沉 下沉于水( s d )于水底 密度大于水( s )下沉氯苯沉于水底 注：第r 大类( g 与c d ) 主要是指以液态形式运输、常温下为气态的物质。 由此可以看出，化学品泄漏之后在海洋环境中的分布形式主要有几种：在大 气中、浮于水面、溶解于水体中、沉于水底等。虽然化学品具有多种性质，在海 洋环境中的分布不可能只是以上的一个形式。但作为应急反应技术，我们可以对 这四种形式的化学的漂移、扩散分别进行研究，再加以整合，可得出一个比较满 意的结果。 2 2 1 浮于水面的化学品漂移扩散研究( 类油型) 浮于水面的化学品漂移扩散行为类似于油品，前人已经做了很多的研究，可 9 第2 章船载液体化学品泄漏扩散研究现状 以说是研究最早最成熟的。1 9 6 9 年，f a y 和h o u l t 提出了静水或稳流情况下油 膜在水面的三阶段扩展理论【1 5 】。1 9 8 2 年，m a c k a y 在f a y 模式的第二阶段考虑 了风影响因素，并分别建立了厚油膜和薄油膜的计算模型1 1 6 】。s c o r y 则在全面改 进f a y 模式的基础上，建立了连续油膜的预报方法i l 7 1 。从本世纪8 0 年代初开始， 为了适应溢油应急决策支持的需要，利用计算机技术和地理信息系统技术，各发 达国家相继开展了溢油预测模拟信息系统研究，比如美国的o i l m a p 系统【l 引、英 国的o s i s 系统【19 】和挪威o s c a r 系统等【2 0 】。 另外，日本、瑞典、韩国等也相继开发了自己的溢油系统。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、模型结合实验数据和 通过实际校验等方面不断完善之外，与信息技术、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。 我国有关溢油模型的研究是从上世纪九十年代初起步的【2 l 】。至上世纪九十年 代中期逐步发展到溢油模拟预报系统方面的研究，目前已取得一定的成果【2 1 - 2 2 1 。 但由于开展研究时间短、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，与国际上一些发达国家的相关先 进成果相比，在理论和实用性方面均尚有一定的差距。 2 2 2 溶解于水中的化学品漂移扩散研究( 溶解型) 溶解于水中的化学品和溶解于水中的其他物质的漂移扩散有共同的行为。在 二十世纪7 0 年代，我国开始了溶解污染物在水中的分布状况研究。很多学者对潮 流的数值计算和溶解污染物在水中的漂移扩散的数值模拟作了很多工作，取得了 相当多的成果。如：7 0 年代初，青岛海洋大学的陈时俊、王化桐等首先用 l e e n d e r t s e 采用的半隐式和全隐式差分格式对胶州湾的环流和污染物扩散作了 有益的探索【2 3 】；国家海洋局海洋环境保护研究所的窦振兴等采用有限差分法，对 渤海湾的潮流和潮余流及污染物在水中的扩散作了大量的工作【2 4 】；1 9 9 0 年国家海 洋局第一海洋研究所的徐洪达等对青岛近海海域污染物扩散进行了研究【2 5 j 。由于 大连湾比较独特的地理环境，许多学者对该处的潮流和污染物扩散也进行了研究， 其中比较早的有：国家海洋局海洋环境保护研究所的陆凤桐等采用有限差分法预 船载散装难溶保守液体化学品泄漏扩散研究 测了大连湾的c o d 分布2 6 】；1 9 9 0 年大连海事大学的林建国用有限元法对大连湾 潮流和污染物的扩散进行了研究 2 7 1 ；1 9 9 8 年和2 0 0 0 年，大连海事大学的朱国林和 杜海涛分别对大连湾溶解、保守化学品的扩散进行了数值计算f 2 s - 2 9 。 2 2 3 其他有关研究 江文胜等对渤海泥沙输运模式进行了研究【3 0 】。陈协明对沉降型化学品( 最后 主要分布于水底) 进行了研究【3 1 j ；王震对水运化学品泄漏事故的蒸气扩散进行了 模拟研究【3 2 】。 第3 章难溶保守化学品海上扩散预报模式 第3 章难溶保守液体化学品海上扩散预报模式 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。 p o m 海洋湍流模型具有以下特点【3 3 】：垂向混合系数f l j - - 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a 坐标；水平网格采用的是 曲线正交坐标系统；水平有限差分格式是交错的，即“a r a k a w ac ”型差分方案； 水平时间差分是显式的，而垂向时间差分是隐式的，后者允许模式在海洋表层和 底层可以有很高的垂向分辨率；此模式具有自由表面，采用时间分裂算法。模式 的外模方程是二维的，基于c f l 条件和重力外波波速，时间积分步长较短；内模 方程是三维的，基于c f l 条件和内波波速，时间步长较长：模式包含完整的热力 学过程；采用静力近似和b o u s s i n e s q 近似：此模式是原始方程模式。 本研究是在p o m 模式的基础上建立的适用于宁波一舟山港附近海域的三维海 上类油型化学品及沉降型化学品输运模型，因此本章节首先对p o m 模式的基本方 程组进行描述，并对p o m 模式开边界的处理方法进行了探讨说明。 。3 1 笛卡尔坐标系下三维数学模型基本方程 3 1 1 海洋原始控制方程 连续方程： 动量方程： a u o + a v o + a w o ：0 一 一 一 & c oe y oo z o ( 3 1 ) 船载散装难溶保守液体化学品泄漏扩散研究 等+ 鼍+ k 甏+ 等一形= 妄+ 玺+ 玺+ 玺 做2 ， 筹也筹+ 赛+ 瓦a v 0 + 。= 一吉妻+ 鼍+ 象+ 鲁 3 ， 土善：一g p 出o ( 3 4 ) 温度和盐度输运方程： 鼍+ 詈+ k 嚣+ 鼍= 丢b 割去b 割告b 割专 5 ， 等+ 鲁+ 嗉+ 鼍= 毒l 鼍 + 杀p 象) + 毒b 鼍 c 3 6 ， 上述方程中：t o 表示时间；u o ，v o ，w o 分别为笛卡尔坐标系中x o ，y o ，z o 坐 标方向的流速分量；p 为压强；g 为重力加速度；f 为柯氏力系数；t o 为位势温度； s o 为盐度；r 表示穿透海洋表面的太阳短波辐射；d x ，d v ，d ：分别为水平和垂向 物质扩散系数。 动量方程中： 百。= 2 如等；t 拶= 2 厶瓦a r o ；铲矿山陲+ 剽 7 ， t 。= 如百a u o ；t 弦= 如瓦o v o ( 3 8 ) 0 2 0。c20 其中：a m ，k m 为分为水平和垂向湍流扩散系数。 3 1 2 湍流闭合模型 在p o m 模式中，湍流闭合模型是基于r o t t a 和k o l m o g o r o v 的湍流假设，由 m e l l o r 和y a m a d a ( m e l l o r 和y a m a d a ，1 9 7 4 ，1 9 8 2 ) 合作完成并移植到本模式中， 通常称为m e l l o r - y a m a d a 模型。其中，采用2 5 阶湍流闭合模型求解垂向湍流扩散 第3 章难溶保守化学品海上扩散预报模式 系数。湍流动能输运方程为： 上式中分别为湍流动能切变产生项、浮力产生项、耗散项、水平扩散项和垂 向扩散项。其中a 为9 2 ，9 2 ，水平扩散系数；k h ，k q 为9 2 ，9 2 ，的垂向扩散系数； 9 2 为湍流动能，为湍流混合长度，湍流混合长度输运方程为： 等+ 筹+ 篆+ 等 = 小甜，p 獬+ 鲫g 峰冰旷融 + 舭爵小期 在湍流闭合模型方程中： w 为壁近似函数( w a l lp r o x i m i t yf u n c t i o n ) ，定义为： 阳鸭( 去) 慨 其中：k 为v o nk a r m a n 常数犯) = “一z o ) 卅+ ( 日一z o ) ，e l ，e 2 ，b 1 为经验常 数。 k m = q l s m ，k h = q l s h ，k q = q l s q q 1 2 ) s m ，s h ，s q 为稳定函数，它们满足： 砰瓦 如 旦饥砰i 4 ，一 + a 一卜旦 2 一 o上 茚瓦p-p g - 一 磋竺郦 ， 、 一 旦至蕊 = ，啊 ：一。 翰 却一岔 堙一 件 一 0llj 生砒翔囔偿 茸i 孙刈磕盟瓴 “恨 砰瓦 啦 船载散装难溶保守液体化学品泄漏扩散研究 其中： 耻l 9 2 l f l p 训u o1 2 倒 卟兰q 2 - 鱼o o 塑a z 经验常数：( a l ，a 2 ，b i ，b 2 ，c 1 ，e l ，e 2 ，e 3 ) = ( 0 9 2 ，0 7 4 ，1 6 6 ，1 0 1 ， o 0 8 ，1 8 ，1 3 3 ，1 。 3 。2 0 坐标系下三维数学模型 关于三维海洋数值模型，根据垂直方向采用的不同坐标可分为z 坐标系、g 坐 标系、等密度坐标系等海洋数值模式。z 坐标的优点是简单直观，流场与温度场， 盐度场和密度场的坐标一致。但在水深变化较大的河口和陆架地区，水浅的地方 享受不到水深处的垂向层数，降低了垂向分辨，各层侧向岸边界的处理复杂。a 坐 标克服了z 坐标的缺点，但动力方程中水平压强梯度项复杂了，地形的变化和密 度垂向变化的联结，对温盐初始场的给出带来了困难。等密度坐标优点是能高分 辨率地体现垂向密度梯度大的区域，其缺点是计算冬季充分混合浅海时，垂向分 辨率很差，且要处理密度层与海面海底的相互作用，十分复杂。 在该p o m 模式中坐标系选用的是仃坐标系，m e l l o r 【蚓曾对垂向普通的z 坐标 和a 坐标进行了比较，结果表明当粘性较强时，两种坐标的结果相差无几，但当 粘性较弱时，普通的z 坐标会产生小的数值波动，而对于处理垂向坡度较大的区 域，a 坐标的结果很接近，且比z 坐标更合理，从而进一步说明在地形变化较剧 烈是选用a 坐标是有必要的。o 坐标变换的形式一般为： q4幺略= 如刚硼 冰小 彳 ，印 抡砰 l 小喝乞鹕卜以 f 4 卜 一 h 鲋加 以 + c ； ii 肼 m g 跏跏& 第3 章难溶保守化学品海上扩散预报模式 x = x 0 , y 嘲，t = 1 0 , 6 = 弩 ( 3 1 4 ) 这里，、y o 和z 。分别是笛卡尔坐标系的空间自变量，t 。是时间自变量；而x 、 y 和。则分别是。坐标系的空间自变量，t 是g 坐标系的时间自变量；为自由水 面相对于基准水位的波动高程，即水位；d 为全水深( d = 办+ 1 1 ，h 为平均水位到 水底的距离，自由水面处= 0 ，对应的o = 0 ，水底面处o = 一1 0 ) 。 q 图3 1 坐标系示意图 f i g 3 1t h es i g m ac o o r d i n a t es y s t e m 3 2 1 笛卡尔坐标系与。坐标系的变换关系 假设g 坐标系中的时间为t ，三个方向为x ，y ，o ，则笛卡尔坐标系与。坐标 系对应的坐标转换关系如下： ，= t 0 x2 x o y = y o ( 3 1 5 ) 。= 砥z 瓦o - r 再l ( t o 蕊, x o , y o ) 船载散装难溶保守液体化学品泄漏扩散研究 逆变换： f o = r x 02 x ( 3 1 6 ) y o2y z o = o ( 办+ t 1 ) + 1 1 = a d + r i 为了推导速度变换关系式，首先引入直角坐标对任意曲线坐标变换的全微分 关系式： 防 d x 咖 d z 西 西o d x 西。 砂 西o a z 西o a t 缸o a x 缸。 砂 叙o a z 缸。 甜 砂o d x o y o a y 砂o 8 z 砂。 则关系式( 3 1 5 ) 对于坐标变换有如下的形式： 出 出 咖 d b 由上述坐标对应关系，可以推出： 廊。 出。 咖。 比o ( 3 1 7 ) ( 3 1 8 ) 出出。 斑 d t n 咖砂。 ( 3 1 9 ) 破 击。 如 f