（流体力学专业论文）感潮河道溢油污染迁移扩展规律研究.pdf

上蒎盔坐硒土堂筵诠童摘要 摘要 随着石油工业和内陆航运的发展，油污染逐渐成为河道水环境的主要污染之 一。尤其是近海河口地区的感潮河道中的油污染问题目益突出，突发性的溢油事 故对河道水环境造成严重污染，威胁人们的日常生活。了解和掌握感潮河道中溢 油油膜的迁移扩展规律，在制定应急反应措施，降低溢油危害及评估溢油对水环 境的影响等方面都有重要的意义。 从上世纪六十年代开始，国内外学者就开始了溢油预警预报的研究，经过几 十年的发展，取得了许多成果，但是由于溢油过程本身的复杂性，还有很多问题 尚待研究解决。以往的研究大都集中在海洋溢油方面，研究手段以建立数学模型 进行数值模拟为主。河道溢油方面的研究起步相对较晚，研究成果相对较少。本 文在前人研究的基础上，对感潮河道中溢油油膜迁移扩展规律进行了水槽实验研 究和数值模拟。 在水槽实验部分，本文首先在潮汐水槽内进行了八组不同潮汐条件及溢油形 式下的溢油实验，观测和记录了油膜在两个半日潮潮周期内的扩展迁移情况。结 果表明，溢油油膜在水面的扩展迁移受潮汐影响显著。油膜在潮汐水流作用下在 水面形成狭长的油带随着水流做往复运动。在潮流发生转向时，油膜扩展趋缓， 在第二个潮周期的涨潮阶段油膜出现收缩。同时，本文还进行了在相似原理下的 黄浦江溢油污染的水槽模拟实验。实验模拟了在一个典型大潮日下，黄浦江上发 生瞬时和连续溢油的情况。根据实验结果，分析、预测了在发生溢油后2 4 小时 内将可能受到污染的区域范围。 在数值模拟部分，本文在前人的研究基础上，根据感潮河道的特点和本文研 究目的，建立了描述溢油扩展第二阶段( 重力粘性力扩展阶段) 的数学模型。 溢油模型包括了对流、扩展、蒸发及与河岸相互作用这几个溢油行为的主要过程。 然后利用此模型计算了瞬时溢油和四组不同持续时间的连续溢油工况。计算结果 表明，数值模拟得到的油膜扩展迁移规律与实验分析结果基本一致。在连续溢油 情况下，油膜扩展范围随着溢油时间增加而增加，但其影响程度随持续时间增加 趋于减小，在持续溢油半个潮周期之后溢油持续时间的增加对油膜扩展范围在短 上盘盍堂亟堂焦i 垒蛮摘璺 期内已基本没有影响。 关键词：河道溢油溢油模型感潮河道 i i 上盘盔堂亟堂焦监童 b s ! 曼g ! a b s t r a c t t h ef r e q u e n c yo fa c c i d e n t a lo i ls p i l l si nt i d a lf i v e ra te s t u a r ya t t r a c t sm o r ea n d m o r ea t t e n t i o n o i lt r a n s p o r t i n l a n dn a v i g a t i o na n do i ls t o r a g ef a c i l i t i e sa r ea l l p o s s i b l es o u r c e so fo i ls p i l l s o i ls p i l l sh a v eb r o u g h ts e r i o u si m p a c t st oa q u a t i c e n v i r o n m e n ta sw e l la se c o n o m yb e c a u s et h el o c a t i o n so ft h ea c c i d e n t sa r eo f t e nv e r y c l o s et op o p u l a t e da r e a sa n de c o n o m i cc e n t e r s i ti sv e r yi m p o r t a n tt ok n o wt h el a w s o fs p r e a d i n ga n dt r a n s p o r to fo i ls l i c ki ns e t t i n gd o w nt h ee m e r g e n c em e a s u r e s r e d u c i n gt h eh a r m f u lo f o i ls p i l la n de v a l u a t i n gt h ea f f e c t i o no na q u a t i ce n v i r o n m e n t s i n c e1 9 6 0 s ，t h ee n v i r o n m e n t a lc o n c e mo v e ro i ls p i l l sh a sl e dt ot h ed e v e l o p m e n t o fs t u d yi n t h i sf i e l d t h ef a t ea n dt r a n s p o r to fo i ls l i c ki nw a t e ra r eg o v e r n e db y c o m p l e xi n t e r a c t i o n so fp h y s i c - c h e m i c a lp r o c e s s e st h a td e p e n do nt h eo i lp r o p e r t i e s 。 h y d r o d y n a m i cc o n d i t i o n s ，e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n sa n ds oo n p r e v i o u sr e v i e ws t u d y o no i ls p i l l sa r em a i n l yc o n c e n t r a t e do no c e a no i ls p i l l sm o d e l i n gb yd e v e l o p i n g m a t h e m a t i c a lm o d e l s ，w h i l et h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r en o ts u f f i c i e n t i nt h i sp a p e r , e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o na n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no no i ls p i l li n t i d a lf i v e ra r e c a r r i e do u t i nt h ew a t e rc h a n n e le x p e r i m e n t s ，f i r s t ，e i g h to i ls p i l lc a s e sw i t hv a r i o u st i d a l c o n d i t i o n sa r ec a r r i e do u ti nt i d a lc h a n n e l w eo b s e r v ea n dr e c o r dd a t ao ft h e s ec a s e s d u r i n gt w ot i d a lc y c l e s t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h et r a n s p o r to fo i ls l i c ko nw a t e r s u r f a c ei st r e m e n d o u s l ya f f e c t e db yt h et i d e t h eo i ls l i c ki ss t r e t c h e db yt h et i d a lf l o w a n dt o a n d f r oo nt h ew a t e rs u r f a c ew i t ht h et i d e a n di ta l s os h o w st h a tw h e nt h e f l o wd i r e c t i o nc h a n g e s ，t h es p r e a d i n go f o i ls l i c kb e c o m e ss l o w t h e nt h ep a p e rg i v e s t h er e s u l t so fw a t e rc h a n n e le x p e r i m e n t so no 订s p i l li nh u a n g p ur i v e r , w h i c hb a s e s o nt h ep r i n c i p l eo fs i m i l i t u d e a n dt h ea r e a sw h i c hm i g h tb cc o n t a m i n a t e db yt h eo i l s l i c ki n2 4h o u r sc a nb ef o r e c a s t e da c c o r d i n gt ot h er e s u l t s o nt h eb a s i so fp r e v i o u ss t u d i e so no i ls p i l lm o d e l ，am a t h e m a t i c a lm o d e li s d e v e l o p e d o i ls l i c kt r a n s f o r m a t i o np r o c e s s e sc o n s i d e r e d i n t h i sm o d e li n c l u d e 1 1 1 上捏盔堂丝堂焦监塞 旦s ! b ! a d v e c t i o n ，m e c h a n i c a ls p r e a d i n g ，e v a p o r a t i o na n ds h o r e l i n ed e p o s i t i o n t h e n ，t h i s m o d e li su s e dt os i m u l a t et h ec o n t i n u o u sa n di n s t a n t a n e o u so i ls p i l l si nh u a n g p u r i v e r t h er e s u l t sa g r e ew e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h er e s u l t sa l s oi n d i c a t e s t h a tt h es p i l lt i m eh a sn om o r ee f f e c to nt h es p r e a d i n gr a n g eo fo i ls l i c ks o m et i m e a f t e rs p i l l i n g k e yw o r d s ：o i ls p i l li nr i v e r ；t i d a lr i v e r ；o i ls p i l lm o d e l 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除j 7 文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中小包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了鹗确的说明并表示了谢意。 签名： 笸日期幺堡! ：2 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，印：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公抑论文的伞部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：堡垒 导师签名： 王茎丝日期：型：! ：2 土盘厶望亟堂焦丝塞 蓥二童概述 第一章概述 1 1 研究背景及意义 随着我国石油业和运输业的发展，进入我国内陆水域的油轮数量不断增加， 各类恶性溢油事故频频发生，严重破坏河道水环境，造成巨大的经济损失，影响 人们的正常生活。 据统计【1 ，1 9 9 7 年至1 9 9 9 年我国长江及沿海港口码头共发生溢油事故4 3 起。事故地点集中在吴淞口，珠江口等感潮河口、河段，溢油油种以机械油和船 用柴油为主，每次溢油量从几千克到几百吨不等，事故原因主要有操作不当和管 理疏忽。从统计数据可以看出溢油事故呈逐年递增的趋势，从9 7 年的1 2 起递增 到9 9 年的1 7 起，增加了4 4 。而近几年，上海地区主要河道黄浦江、苏州河 上的溢油事故更是呈现明显的上升趋势，从2 0 0 2 年的1 0 起3 0 吨，激增到0 3 年的2 5 起4 9 5 吨。下面例举几起发生在重要水域影响较大的溢油事故。 ( 1 ) 2 0 0 4 年1 2 月7 日，两艘万吨级集装箱船在珠江口担杆岛东北约8 海 里处发生碰撞，两船受损，泄露4 5 0 吨重油。形成了一条长9 海里的油带，严重 污染附近水域。这是我国船舶碰撞最大的一次溢油事故。撞击现场如图1 1 所示。 图1 1 珠江口溢油现场 ( 2 ) 2 0 0 3 年8 月5 日，一艘停泊于黄浦江上游准水源保护区的中海集团“长 阳”轮，船尾燃油舱受不明船舶撞击，造成油舱破损，约8 5 吨燃油外泄，附近 匕攫盍堂立l l 堂焦丝毫 塑二童概述 水域大面积严重污染，受污染岸线长度约8 公里。该事故为1 9 9 6 年以来在黄浦 江水域发生的最大船舶油污染事故。 图1 2 黄浦江溢油现场 ( 3 ) 1 9 9 7 年6 月3 曰，在南京港栖霞山油运锚地，大庆2 4 3 号油轮爆炸起 火引起船只翻沉，造成近1 ，0 0 0 吨原油泄漏，成为国内最大的一次内陆河道溢油 事故。 这些溢油事故形成的水面油膜在迁移扩展过程中，部分挥发至大气中，部分 粘附在沿岸和水底，部分漂浮悬移在水中，严重污染了环境，影响沿岸城市的饮 用水源、农作物灌溉、工业用水等。从长远角度看，溢油事故也对当地的生态环 境、风景旅游资源等造成了长期的破坏，对国民经济造成重大损失。由于这些溢 油污染大都发生在人口稠密的经济发达地区，其污染的范围相对于海洋污染来说 更集中和封闭，因此，从某种程度上说，江河上的恶性溢油污染事故虽然污染总 量比海洋上的溢油污染要少，但对我们的影响和危害更大更长久。而且随着经济 的发展，油类运输的增加，这类事故正以非常快的速度逐年递增。所以油污染问 题已经成为河道水环境问题中的一个重要方面。 为尽量降低溢油的危害，需对溢油事故及时采取紧急措施。通常是先控制油 膜的漂移范围，即用围油栏将油膜限制在一定的水域，如图一1 3 所示。然后根据 具体情况和要求，采取机械回收或者喷洒化学试剂分散的方法消除表面油膜。由 上直盔坐i 堂焦论童 簋二童趣述 于喷洒化学试剂，如图1 4 所示，并没有将溢油从水体中真正清除，会使水体中 的石油含量大大超标。而河道水体如黄浦江，长江等都是居民饮用水水源，对水 体中的石油含量有严格要求，所以一般不采取此种方法，而采用机械回收。机械 回收包括人工回收和利用各种专门的溢油回收特种船只。如图1 5 所示为一艘专 门用于溢油回收的特种船只。 图1 3 围油栏 图1 4 喷洒油膜离散剂图1 5 浮油回收船 了解、掌握溢油油膜的迁移扩展规律是迅速制定合理措施的必要前提，因此 油膜的迁移扩展规律成为急需解决的问题。在这迫切的实际应用的需求下，溢油 预警预报研究领域得以兴起和发展。此外，对于预测、评估溢油事故对水环境的 长期危害也是人们关心的问题，同样促进了这一领域的发展。目前这一研究领域 的研究主要以模型预测研究及现场观测统计为主。由于受天气的影响，现场观测 往往会有一定的困难且代价巨大，还不利于及时制定对策。因此在近几十年各类 溢油模型得到了蓬勃的发展，有些模型在实际应用中也取得了较好的结果。但这 上盥盔坐熊生焦监塞 簋二童抠述 些模型大都是针对海洋溢油提出的，而河道溢油相对于海洋溢油有其不同的特 点，如溢油量少，水流条件复杂、对水环境影响程度严重等。所以对于河道溢油 事故，尤其是感潮河段内的溢油污染预报，这些模型并不能很好的适用1 8 】。由 于河道的航道狭窄使得河道成为溢油事故多发地，其溢油事故发生的频率远远高 于海洋溢油。因此河道溢油的研究正引起国内外学者的注意及工程界的关注。 1 2 溢油在水面的行为过程研究进展 溢油事故发生时，溢油一进入河道中，在重力、惯性力、粘性力和表面张力 等因素作用下在水面迅速扩展形成表面油膜。表面油膜在水流、风速和其它环境 因素的作用下在水面迁移、风化。当流速较大，形成破碎波时，油膜在波流作用 下发生破碎、离散，部分油以油滴的形式进入水体。根据粒径的大小不同，这 部分油滴可能再次悬浮到水面重新形成油膜，可能慢慢沉降到水底，也可能悬浮 在水体中。此外，油膜在光照作用下还会发生氧化及生物降解过程。当油膜接触 到河岸后，河岸会吸附一部分油膜。溢油大致经历过程如图1 6 所示。 m a i no i lt r a n s p o r ta n dw e a t h e r i n gp r o c e s s e s 图1 6 溢油行为过程 由于受到各种环境参数例如温度、风力、波浪、悬浮物、水流以及油的化学 组成、性质等的影响，溢油经历的行为过程也各不相同。主要包括扩展、迁移， 离散、风化以及与河岸相互作用等几个方面。 上盥丛堂堂j 塑班色虹 一 堑= 童蜓述 1 2 1 移流 油膜的迁移运动是一个物理过程，主要指由于受到水面环境中波流和风力的 共同作用，浊在水中发生的迁移运动。油的迁移包括两部分，一部分为水上的油 膜部分，这一部分占了溢油总量的绝大部分。另一部分是以油滴形式进入水体的 部分。 一般情况下只考虑水面油膜的迁移运动，油膜的移流速度与风速、水流速度 之间通常是简单的比率关系或函数关系【2 “。即移流速度哥可以表示为 v = 口。v 。+ 口。v 。 其中，哥。是水面1 0 m 高处的风速，t 是水流表面速度，口。，口。是系数，口。 的耿值在1 一6 。通常在模型应用时取平均值3 5 i ”。 在考虑溢油对水质的长期影响时，还会考虑以油滴形式存在于水体中的油在 水下的迁移情况。国内的武周虎和赵文谦在油膜下油滴的输移扩散方面进行了较 细致的研究【6 9 1 。 1 22 扩展 油膜的扩展，是指溢油进入水体后由于油的密度比水的小，溢油在重力和表 面张力等作用下以薄膜形式向四周扩展，油膜范围愈扩愈大，油膜厚度愈来愈薄 的过程。 油膜扩展后的大小和厚度一直是溢油模型中关注的主要问题，是溢油模型的 基础部分，是表示溢油污染特征的基本参数。 最早的扩展模型是实际观察和实验结果拟合的经验公式如b l o k k e r 的公式 【i o l 。在1 9 6 9 年f a y 提出了经典的f a y 扩展模型2 引，这是一个计算油膜扩展的半 经验公式，描述了溢油在平静海面不受水流和风力影响下的扩展。在这个模型中， 溢油的扩展被假定为是各向同性的，即溢油以中心对称的形式向四周扩展。f a y 根据油膜扩展在不同的时间段时的主导驱动力的不同，将扩展分为三个阶段，分 别是：重力惯性力扩展阶段，重力粘性力扩展阶段和表面张力一粘性力扩展阶段。 在不同阶段忽略次要因素从n s 方程出发得到了油膜的控制方程，并求解得到 计算油膜半径的表达式，但是其中的系数需实验确定。三个阶段的f a y 扩展公式 上也堂地上芏皿监蓝一 一 堑= 童越蓝 1 21 移流 油膜的迁移运动是一个物理过程，主要指由于受到水面环境中波流和风力的 共同作用，浊在水中发生的迁移运动，油的迁移包括两部分，一部分为水上的油 膜部分，这一部分占了溢油总量的绝大部分。另一部分是以油滴形式进入水体的 部分。 一般情况下只考虑水面油膜的迁移运动油膜的移流速度与风速、水流速度 之间通常是简单的比率关系或函数关系1 2 “。即移流速度i 可吼表示为 v = 口。v 。+ 口：v c 其中，i 。是水面1 0 m 高处的风速，砭是水流表面速度，盯。，口。是系数，啦 的耿值在1 一6 ，通常在模型应用时取平均值35 i ”。 在考虑溢油对水质的长期影响时，还会考虑以油滴形式存在于水体中的油在 水f 的迁移情况。国内的武周虎和赵文谦在油膜下油滴的输移扩散方面进行了较 细致的研究6 “。 122 扩展 油膜的扩展是指溢油进入水体后由于油的密度比水的小，溢油在重力和表 面张力等作用下叭薄膜形式向四周扩展，油膜范围愈扩愈大，油膜厚度愈来愈薄 的过稗。 油膜扩展后的大小和厚度一直是溢油模型中关注的主要问题，是溢油模型的 基础部分，是表示溢油污染特征的基本参数。 最早的扩展模型是实际观察和实验结果拟合的经验公式如b l o k k e r 的公式 i l ( j 】。在1 9 6 9 年f a y 提出了经典的f a y 扩展模型】，这是个计算油膜扩展的半 经验公式，描述了溢油在平静海丽不受水流和风力影响下的扩展。在这个模型中， 溢油的扩展被假定为是各向同性的，即溢油以中心对称的形式向四周扩展。f a y 报掘油膜扩展在不同的时l 、日段时的主导驱动力的不同，将扩展分为三个阶段，分 别是：重力一惯性力扩展阶段，重力粘性力扩展阶段和表面张力一粘性力扩展阶段。 茌不同阶段忽略次要因素从n ，s 方程出发得到了油膜韵控制方程，并求解得到 计算油膜半径的表达式，但是其中的系数需实验确定。三个阶段的f a y 扩展公式 计算油膜半径的表达式，但是其中的系数需实验确定。三个阶段的f a y 扩展公式 堑盘堂亟堂焦j 金塞 簋= 童篮述 如下： 办l = 2 蜀( g 矿) 4 t 2 d ，：= 2 k ：( 船矿2 巧) i t i( 1 1 ) 一斟乒 其中，九是各阶段的油膜直径；墨是各阶段的经验系数；v 是溢油总体积： g 是重力加速度；：1 一旦，以、p 。分别为油和水的密度；k 是水的动粘系 p 。 数；盯是表面张力；t 是时间； 这三个阶段所持续的时间，差别很大。第一阶段，持续的时间通常非常短暂， 它与溢油总量及溢油的性质有关，第一阶段持续的时间可以由下列公式计算1 m 一赤 ( 1 , 2 ) 其中，v 是溢油体积，是经验常数，v 。是水的动粘系数，a = 1 一等，p 。、 ” p 。，分别为油和水的密度。 通过这个公式很容易得到，对于像河道溢油这种溢油总量相对较小的情况 ( 通常小于1 0 0 吨) ，第一阶段持续的时间只有几分钟。第二阶段持续的时问则 从几小时到几天不等，但扩展速率与第一阶段比较明显下降。至于第三阶段，它 存在的时间更为长久，可以从几天延续到几个月b 2 o f a y 模型在后来的一些溢油模型中作为其中的溢油扩展部分得到广泛的应 用，在今天的一些模型中仍然有其踪影。但f a y 模型也有其局限性，它在某些方 面不能完全解释、模拟油膜扩展过程，例如： ( 1 ) 溢油形成的油膜厚度并非f a y 假定的那样是均匀的，在实际观察及实 验中发现，油膜扩展时，并不是均匀的，而是呈彗星状，即一个相对较小范围的 厚油膜区拖着一个较大范围的薄油膜区。并且通过实验测量发现，厚油区的含油 量约占总量的9 0 以上虽然其面积相对于薄油区来说非常的小。 6 上鲤厶堂亟堂焦监塞 簋二童趣述 ( 2 ) 油膜不是以中心对称形式向外扩展，而更趋向于以椭圆形或更复杂的 形状向外扩展。事实上在油膜扩展的时候由于受水流及风力的影响，在油膜表面 会产生剪切力，从而导致油膜扩展的非对称性。所以我们可以发现油膜通常在顺 风及顺流方向被拉伸成狭长带状。 ( 3 ) 油膜在向外扩展的过程中，会发生破碎现象。而不是始终以整体形式 向外扩展，事实上特别是在第三阶段的时候或者水流较急或风速较大的情况下， 由于油膜已经相当的薄，所以在水波的作用下及易发生破碎。 ( 4 ) 油膜扩展与溢油形式有关即瞬时溢油或连续溢油形成的油膜扩展不同。 当连续泄漏发生时候，先期泄漏的油在水流作用下会迅速漂离泄漏地，这时在水 面顺着水流方向就会形成一条狭长的溢油带。这用f a y 模型显然是无法模拟的 【1 3 。 ( 5 ) 对于油膜扩展的极限厚度，v e n k a t e s h 1 4 1 指出只有在较低的水温条件下， 这个极限厚度才会存在，一般为1 到8 m m ，但是极限厚度并不能简单的假设只 与粘性系数有关，它还与油的化学性质有关。事实上，由于风和波流的作用，油 膜在达到这个厚度之前，早已经发生破碎。 针对这些问题，许多学者展开了研究，提出了不少的改进模型。 针对问题( 1 ) m a c k a y t ”1 在f a y 模型的基础上结合实际观测结果提出了一种 双油膜模型，在这个模型中，假定厚油膜占油膜总面积的极小部分，但包含了大 部分的溢油。厚油膜不断向薄油膜输送油，这个薄油膜占油膜面积的绝大部分， 但只占溢油总量的极小部分。 针对问题( 2 ) l e h r 1 6 1 提出了一个可以解释油膜扩展的非中心对称的模型， 他假定在风力的方向上扩展系数随着风速的增加而增加，而两侧的扩展仍然沿用 以前的扩散系数。在这种假定下，油膜将以椭圆形式向外扩展而不是以圆的形式。 在风力方向上的扩散系数必须由实验或实测确定。n o a a 1 7 1 也提出了类似的模 型，来替代f a y 扩展模式的第三个阶段。 针对问题( 4 ) s h e n t l 8 1 提出了在模拟油膜的时候，采用l a g r a n g e 离散算法， 来模拟瞬时溢油和连续溢油。在这个模型中，溢油被分成了许多等量的小块，根 据溢油类型的不同，被同时或者逐步引入到扩展计算模型中，对于每个小块的扩 展仍然沿用f a y 扩展公式。 上摄叁宝熊堂焦i 盘塞 筮= 童戡述 而j o h a n s e n t l 9 1 和e l l i o t c 2 0 】 2 1 1 发展了另外一种模型来描述油膜的扩展。油膜的 扩展过程被认为是一种物质的扩散过程，所以油膜扩展用改进的扩散模型来描 述。事实上油膜在经历了短暂的重力惯性力扩展后，这个假定是合适的，并且 得到了实验和实测的肯定 2 2 。这一概念在现在的溢油模型中被广泛接受如 s p a u l d i n g 2 3 1 的模型和p a v l ot k a l i c h 2 4 】【2 5 1 提出的m o s m 溢油模型等。 其它还有一些尝试性的处理方法，但并未得到普遍应用。如l o a n 血s 1 2 6 1 提出 的将原胞自动机模型用于模拟溢油扩展。 此外，有些学者对在表面覆盖冰层等特殊情况下的溢油扩展做了研究。 h o u r 2 7 】给出了冰层下连续溢油的油膜扩展公式。s h c n 1 8 1 和y a p a 2 8 - 2 9 在这方面做 了很多工作。另外y a p a e 3 0 】还对水下溢油进行了研究。 1 2 3 离散 油膜的离散是指由于受水面流场和风力的不均匀作用，在破碎波及大尺度旋 涡等因素作用下引起的油膜破碎、分散的过程。 对于离散的研究一直以实验为主，d e l v i g n e 和s w e e n e y t3 1 在实验基础上提 出的模型是现在应用最普遍的，他们在水槽中做了破碎波造成油膜离散的实验， 在这个基础上，导出了一个经验型的离散率的计算公式。并且在实验中得到了后 来被证实是普遍存在的油滴粒径分布的规律。即对于某一确定的粒径，油滴的数 量可以和油滴粒径以一种简单的指数关系联系起来。作者还根据实验结果提出， 离散系数与油的粘性系数成反比。但这个结论被接下来的一些实验结果证明只在 一定的粘性系数范围之内成立，在实验中发现在粘性系数很低的时候，离散系数 都相当的小 3 “。 r e e d 2 2 1 提出，在实际观测中发现的油膜迁移时呈彗星状是由油膜的离散引 起的。因为在后面这部分较薄的油膜中，离散作用比较明显，被卷入水体的油所 占比率较多。而表面风力的影响对于水中的油滴比水面的油膜要小的多。所以这 部分的油污团迁移速度较慢，从而使得油膜呈彗星状。 离散是造成油膜质量变化的原因之一。离散的油滴会增强油的溶解和生物降 解，但同时会阻滞油的挥发。离散后油滴的粒径分布对于溢油的归宿有重要的影 响，首先，油滴的粒径决定了油滴是否能悬浮在水体中而不是马上浮上水面。其 8 上瀣盔芏亟坐位鲶塞 美= 童撞述 次是油滴的溶解，生物降解以及油滴附着于水体中的杂质后沉降过程都受到油滴 粒径分布的影响。 1 2 4 风化 溢油风化是一个综合过程，包括挥发，乳化，溶解，光氧化和生物降解等不 同的过程。 ( 1 ) 挥发 挥发是指因油中含有易挥发组分( 轻原油中含量较高) 造成的油膜的挥发，挥 发速度随表面积的增大而增大，随后又因油膜中易挥发组分的减小而减小。挥发 是油的一个重要性质。在几天内，轻油的挥发量可以占到原油总质量的7 5 ， 中等质量的原油的挥发量在4 0 ，丽重油的挥发量也会达到1 0 左右。可以说 挥发是溢油质量减少的主要原因【3 3 】。 对于油挥发机理的研究是在对水的挥发研究的基础上建立起来的，现在所采 用的计算公式，也是从水挥发的经验公式演变而来。原油与水的挥发的最大区别 在于，水是单一物质，而原油是多种物质的混合物。挥发性质与油的成份的组成、 成份的化学性质及环境温度等因索有关。 首先在溢油模型中引入挥发的是b l o k k e r f 瑚，他引进了独立的方程计算油的 挥发，但在他的公式中，油被假定为是一种单一的物质。m a c k a y 和m a t s u g u ( 1 9 7 3 ) 在s u t t o n 经典的水挥发理论的基础上，提出了一套新的描述方法。 d r i v a s ( 1 9 8 2 ) 通过与实验数据对比，证实了结果与实验值非常接近。随后m a c k a y 在1 9 8 4 年提出的挥发计算公式是我们现在最普遍应用的 3 4 l ， ，斟l n p o + i n ( c k e t + 劫 ， 其中k e = 足 ，a v i ( r t v o ) 。懿厂0 0 0 2 5 皖”，u w 是风速，a 是溢油面积，y 是 摩尔数，r 是气体常数，t 是油的表面温度，圪是初始溢油体积；p o 是蒸发的临 界压强；c 是常数；t 是时间。 在这个公式中，挥发率被认为与挥发压强，油膜面积，质量交换系数，风速， 环境温度，溢浊种类等有关。b o b r a t 3 5 1 的实验结果表明，这个公式在溢油的早期， 对挥发的预测是非常有效的，与实验值吻合很好，但是在超过8 小时以后，预测 9 上燕盍坐硒堂焦监羔一 熊= 童拯述 值明显高于实验值，在2 4 小时后甚至高于5 。 ( 2 ) 乳化 乳化是形成油包水的乳状液的过程。对于溢油乳化过程的预测，通常采用由 m a c k e y t 娴提出的一级速率方程： m w - - 屯妙+ 1 ) 2 ( 1 一k 。w ) a t ( 1 4 1 其中：w 是水的吸收速率；w 是水含量分数，免，吃是经验常数，u 是风 速，t 是时间。 ( 3 ) 溶解 溶解是指油滴进入水体后，油的组分以分予形式进入水相中。油的溶解量占 溢油总量一般不到1 3 3 j ，相对于挥发量，溶解量很小，因此一些溢油模型中通 常忽略此过程，但由于易溶解的多是有毒物质，所以在环境影响预测中溶解量的 计算就很重要。但是由于油的组成成份十分复杂，通常有几百种物质构成。要建 立一个单一的参数来描述油的溶解率是困难的，虽然溶解这个物理过程早已为我 们所熟悉。所以这方面的研究通常以实验为主，m a c k a y t l 5 】 3 7 1 提出的经验公式是 目前运用最广泛的。 ( 4 ) 光氧化 光氧化过程是溢油在阳光的照射下，发生自由基链式的氧化反应，产生一些 极性的，水溶性的和氧化的碳氢化合物产物的过程。一般说来。光氧化产物浓度 较低，短期效应不明显，但随着时间的增加光氧化的长期效应将日益明显，对溢 油的物理过程影响加大，对水中生物产生的危害增加。 ( 5 ) 生物降解 生物降解速率除了与石油组分及离散程度有关终，还与微生物秘类和数目有 关。生物降解在长期风化过程中是非常重要的，对溢油的长期风化的研究一般通 过测定实际溢油的组分和状态来进行。 总得来说，对溢油风化过程的研究，在上世纪七、八十年代是以实验为主， 对于风化的各个过程分别通过实验拟合得到各类经验公式，其中尤以 m a c k a y _ 1 5 】【3 4 1 【3 6 】【3 7 1 为代表，在风化方面取得了较大的成果，现今多数溢油模型对 溢油风化的模拟仍然是以他的理论为主。从上世纪九十年代至今，以f i n g a s t 3 8 - 4 l 】 为代表的研究者，对于溢油风化的研究开始转入机理性研究，以现代化的分孝厅手 段，更深入地定量地考察风化过程中油的组成、性质和风化过程的内部机理，验 上攫盔堂亟堂焦迨塞蓥= 童拯述 证和否定了过去不成熟的假设，成为这一领域新的研究方向。 1 2 5 溢油与岸的相互作用 g u n d l a c h 和h a y e s 4 2 根据岸堤的易损性即河岸因油污染而对环境影响的敏 感性，将河岸分类。t o r g r i m s o n ( 1 9 8 0 ) 根据河岸的受油污侵袭的难易程度，用 一个类似于半衰期的参数来描述河岸夹带油污的能力。在这儿半衰期被用来描述 油在到达河岸后再次进入水中的能力的参数。 基于这一理论，很多学者建立了溢油与岸接触后，留在岸上的溢油与原来溢 油的体积的关系【4 3 【4 4 1 ，这类公式的基本形式如下： 圪= k p “( 1 5 ) 七：- l n ( y 2 2 ) 五 其中，a 为半衰期系数；v 为溢油体积；t 为时间。 1 3 河道溢油模型研究进展 从过去的研究成果来看，由于问题本身的原因，在河道溢油的研究中，建立 数学模型进行数值模拟一直是一种重要手段，实验研究主要用来确定模型参数如 挥发系数等。模型的可靠性通过与溢油事故现场实测资料对比来验证。油膜在河 道内迁移扩展规律的直接实验研究或水槽实验研究相对较少，对感潮河道中溢油 扩展迁移的研究就更少了。 1 3 1 河道溢油实验研究进展 关于河道溢油油膜扩展迁移的实验研究无论是现场试验或者实验室内的实 验都比较少。以往主要集中在对溢油的化学性质和物理性质的确定上，模拟溢油 过程的实验则较少。 实验研究作为现代研究的主要手段之一，有着过程直观，结果可靠的特点。 在处理较复杂问题时仍不失为一种有效的研究手段。但是在实验室中，要模拟河 道水流条件及气候条件较困难，而油膜的扩展、迁移又与这两个因素紧密相关。 盥盍生丝生僮迨塞 箜二童概述 此外，测量手段的匮乏，也制约了实验研究的发展。对于油膜的扩展一般以定性 的观察记录为主，缺少定量的测量。定量测量油膜厚度通常难以实现，在实验中 也有以测量水体中石油或者石油烃的含量来判断油膜的污染范围，但这与表面油 膜的范围通常是不相同的。 而现场试验，虽然能够较好的再现溢油的情况，但是因为试验本身对环境的 危害，所以一般不采取。另外，每次溢油事故的现场实测可提供可靠的数据信息。 但是因为事故的突发性，所以这类资料往往不能提供足够全面的信息。 1 3 2 河道溢油数值模拟研究进展 河道溢油数学模型按照建模的主要目标可以分为两大类：一类是以短期预报 溢油的扩展范围和迁移方向，为制定紧急反应举措提供参考为目的，这类模型关 注的是溢油发生后在水体表面形成的油膜的扩展和迁移运动。另一类是为了了解 溢油对水环境的长期的影响而建立的，这类模型更多关注的是溢油在水面及水体 的存在时间及最终影响范围。 最早的河道溢油模型是t s a h a l i s 4 5 1 建立的一维河道溢油模型可以用来模拟 溢油的扩展、迁移及对河岸的污染。在该模型计算中，河道的流速分布采用的是 现场实测数据。油膜被假定为以中心对称的形式向外扩展，油膜直径用f a y 模型 计算。 1 9 8 0 年，f i n g a s 和s y d o r 4 6 1 建立了一个二维河道溢油模型，在这个模型中， 河道流速分布采用l e e n d e r t s e 的二维有限差分法求解。因此油膜的迁移模型建 立在二维水流分布上，油膜的直径也由f a y 模型计算。 在上面这两个模型中油膜的风化过程都没有被考虑。针对这点，s h e n 1 8 】 在提出的河道溢油二维计算模型中，考虑了油膜的风化过程( 溶解，挥发) ，并 且还考虑了在水面覆盖冰层的情况及油膜与河岸接触后与河岸的相互作用。在这 个模型中，河道的流速分布，采用s t v e n a n t 方程求解，得到一维的流速分布， 然后再沿着河宽方向按照管流模型展开，得n - 维流速分布。s h e n 用这个模型 提供了两个算例，分别是对s t m a r y 河进行了连续溢油情况的模拟及对s t c l a i r 河进行了瞬时溢油情况的模拟。但是因为缺乏在河道中溢油的实测数据， 所以模型的可靠性无从验证。 1 9 9 7 年r e d d y 4 7 1 提出了一个针对河道、河口的溢油模型，这个模型基本与 连盔堂硒生焦：l 金童噩= 至摄亟 s h e n 的模型类似，差别在于两者对水流流速的模拟，r e d d y 利用 f l u i d y n - f l o w c o a s t 软件求解二维水动力学方程得到平面二维的流速分布。 经过几十年的发展，随着我们对溢油的各个过程的逐步认识、了解，以及 c f d 的发展和计算机性能的提高，河道溢油模型已经能够包含绝大多数的过程， 模拟油膜在河道中的迁移扩展。为制定河道溢油的应急措施、最大限度的回收溢 油提供参考，同时也对河道溢油对水环境的长期影响作出评估。 1 4 本文主要内容 从上述国内外研究现状来看，以往的研究以数值模拟为主，实验研究较少； 按恒定流态考虑多，而考虑感潮影响的较少：实验研究感潮影响的河道溢油污染 规律的就更少。本文在前人的研究工作基础上，采用实验研究为主并辅以数值模 拟的方法分析研究感潮河道内溢油迁移扩展规律。 全文有两部分内容组成。第一部分为水槽实验部分，在这一部分首先介绍了 本次实验的实验设备和测试仪器，其次根据水槽实验原理，确立本问题适用的相 似准则，然后通过相似准则制定模型比尺。实验分两个步骤进行，( 1 ) 先考察潮 周期、潮流量、溢油形式对溢油污染迁移扩展的影响，然后通过对实验结果的分 析初步得到感潮河道内溢油污染的基本规律。( 2 ) 在上面工作的基础上，进行了 黄浦江溢油污染的水槽模拟实验，并就实验结果分析、预测了溢油事故发生后两 个半日潮潮周期( 约2 4 小时) 内可能影响的范围。 本文的第二部分为数值模拟部分，在这一部分，本文在前人的基础上，根据 感潮河道的特点和本文研究的目的，建立了描述溢油扩展第二阶段的数学模型。 这个溢油模型，包括了溢油行为过程的对流、扩展、蒸发及与河岸相互作用。利 用这个模型计算了瞬时溢油和四组不同持续时间的连续溢油工况。计算结果表 明：在总体上，油膜的迁移扩展规律与实验分析结果基本一致。 土堑盔堂堡坐i 童论塞 差三童盔擅这殓丛结墨坌蚯 第二章水槽实验及结果分析 随着内陆航运和石油工业的发展，溢油污染已经成为河道水环境污染的一个 重要方面。油膜在水面的扩展迁移规律是我们所关心的问题。在河口地区，由于 油膜在迁移时受潮汐及其它环境因素的影响，加上油膜本身由于其物理化学性质 也发生各种变化，使得问题复杂而难以分析。 实验方法作为现代研究的主要手段之一，有着直观、可靠的特点。尤其面对 这类难以从理论分析入手的问题，实验方法是有效的研究方法。本章采用实验手 段，通过测量、观察和分析油膜的扩展范围，研究感潮河段中油膜的扩展迁移规 律。 2 1 感潮河段水流特点 感潮河段属于河流即将入海、坡降较缓并受到海洋潮汐影响的部分，因此它 具有平原河段的一般水文特征，又具有潮汐影响下的某些特征。我国的长江三角 洲，珠江三角洲等地区靠近海口的河段以及它们的支流所组成的河网都是典型的 感潮河段。 感潮河段的水流既受上游来流的支配，又受海洋潮汐侵入影响，属于复杂的 周期性非恒定往复水流。 感潮河段中的潮波周期一般总是很长，波长远远大于河段的深度，因此在感 潮河段内传播的潮波可以当作浅水长波，它具有以下特征：潮波振幅a 水深h 河段宽度【hmp时事 慨 一长一 口州aopm砧h_器 上盎盔茎耍_ 土望僮丝塞 釜三童生撞这验星结墨盆监 1 2 0 童： 至6 0 童4 0 星2 。 o 蔷 1 5 = 1 0 = 。 5 鼍 g30 = g 一5 盘 点一1 0 晋 兽一1 5 2 5 s _ 2 0 ： ”1 5 = o ul o o 上 甚5 三 0 4 j +ll j _ 二工 j 虬 k茁：干二 二阵j 一。_ ；嘏 _ _ 三 1 r = 芏 + 00 2 5 0 5 0 7 511 2 51 5 1 7 5 2 t i m e ( t ) 图2 1 8 水位过程线 0 0 2 5 o 5 0 7 5 l1 2 51 51 7 52 t i m e ( t ) 图2 1 9 瞬时溢油油膜影响范围 。 _ 一_ ，+ “”。， - - _ 一， 、_ - 0o 2 5o 50 7 5l1 2 51 51 7 5 t i m e ( t ) 图一2 2 0 瞬时溢油油膜长度 3 0 篷盍堂砸坐僮论塞 签二重盔增这墅丛结墨盐蕴 壹1 5 h 三 i 0 c 三 5 o g30 三 营一5 口 ! 一i 0 一1 5 省2 5 一 姜2 0 h c t 1 5 g 譬1 0 琶5 蠡 “0 00 2