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1、第16卷第1期海洋环境科学Vol.16,No111997年1月MARINEENVIRONMENTALSCIENCEJan1,1997近岸溢油的全动力预测方法研究金梅兵(国家海洋局第一海洋研究所,青岛,266003)摘要常用的溢油预测方法有经验公式模式和全动力溢油漂移模式。以往工作中,全动力模式仅用于油膜未靠岸的情形。本文探讨了全动力溢油漂移数值模式在近岸溢油漂移预测中的应用,初步探讨了油膜靠岸后相应的边界处理方式和质量守恒控制方法。以渤海湾大港油田溢油为例,进行了数值试验,预测了油膜在风和海流共同作用下漂移的路径、距离和油膜影响的海
2、域和海岸带范围。证明了油膜靠岸后全动力溢油漂移数值模式进行溢油漂移预测的可行性。关键词海洋溢油全动力模式油膜石油既是重要的能源,又是化工原料。随着世界各国经济和科技的发展,石油工业也迅速得到发展,尤其是石油的海上开采和海上运输在不断增加,海上溢油事故的次数和数量都日益增多。海上石油泄漏造成海洋生态环境的破坏,溢油靠岸污染海岸带,其影响可长达数十年。抗溢油的应急行动对抑制污染面,减少与消除油污染起着关键性的作用,而这首先就要做好溢油[1～7]预测工作。关于海上溢油预测工作始于60年代,Blokker(1964)建立了油扩散和挥发的模型
3、,70和80年代,许多学者在油的物理特性、油与海水相互作用等方面作了深入细致的理论和实验工作,并建立了经验公式以预测溢油路径、面积和剩油量等,但这种简单的公式不可能全面描述油膜运动过程中的动力机制以及油、气、水之间的各种相互作用。国家海洋局第一海[8]洋研究所LAGFD实验室研制了溢油漂移全动力模式,模式方程组包括了影响溢油的动力和非动力因子,采用数值方法求解,并在渤海和南海进行了运用,但仅用于油膜未靠岸的情形,油膜靠岸后则停止计算,而近岸溢油后石油膜靠岸的情形时常发生,且仅部分油膜吸附于海岸,其余部分则继续漂移。因此,为了预测受污
4、染的海岸带范围,本文提出了油膜在海岸处的边界控制条件,讨论了海岸带对油膜的吸附规律,采用溢油漂移全动力模式对渤海湾大港油田海上平台处的溢油漂移情况进行了模拟。1溢油漂移全动力模式及其分析对于一均匀的薄油层,我们关心的是其水平厚度和水平运动,故采用垂向平均的二维控制方程组:收稿日期:19962082061期金梅兵:近岸溢油的全动力预测方法研究315h5Uh5Vh++=∈-∈0(1)5t5x5y25hU5hU5hUV++-fhv+U(∈0-∈)5t5x5yh5Pa5=--h〔g(F+h)-#0△(F+h)〕Q05x5x55h55USao
5、x-Sowx+hvH0+hvH0+(2)5x5x5y5yQ025hV5hUV5hV+++fhU+V(∈0-∈)5t5x5yh5Pa5=--h〔g(F+h)-#0△(F+h)〕Q05y5y55V55VSaoy-Sowy+hvH0+hvH0+(3)5x5x5y5yQ0式中,U、V为油膜运动速度,在x、y方向的分量;h油膜厚度;Pa为大气压;F为海水表层起伏;г0为油水界面上的张力系数;Q0为油密度;∈0为油水界面交换率,包括油的乳化、溶解、沉积、生物降解等,但这些相比油的蒸发,在油膜运动的最初若干天内是不重要的;∈为油膜的蒸[9]发率,
6、由于油膜的蒸发率与油膜的组分有关,主要由实验测定,根据对东营原油的蒸发实验,2得出单位面积原油蒸发量G(göcm)的变化规律:bG=aõt(4)a与油种、风速(W)、温度(T)及油膜厚度h有关:a=A0+A1T+A2W+A3h(5)b与油种、风速及油膜厚度有关:b=B0+B1W+B2h(6)油种固定时,式中Ai、Bi均为常数,于是可求出∈:5G∈=(7)5t方程组(1)～(3)中各项具有明显的物理意义,并且在不同的时段作用大小不同。方程(1)表明,油膜厚度的变化由水平通量余量和油层上下界面的物质源所决定;方程(2)和(3)表明,油层
7、的运动由惯性力、科氏力、质量源动量耗散率、大气压力梯度、海面倾斜力、表面张力梯度力、侧向动量交换率、风应力和海面驱动力之间的平衡所控制。按照实验动力学的方法,风应力和海面驱动力为:____Sao=QaCDa(W-U)ûW-Uû(8)____Saw=Q0CD0(U-u)ûU-uû(9)__式中,Qa和Q0分别是空气和油的密度;W、u分别为风速和海流速度;CD表示相应的拖曳系数,{[9]根据油膜迁移速率(V)与风速的经验关系vV=C0W(10)式中,C0为经验系数,一般取为0102～0105,对比在不考虑潮流时,由方程组算出的油膜在风作
8、用下的漂移速度,可以推出CDa的取值范围。32海洋环境科学16卷油膜靠岸后,海岸对油膜有一定的吸附作用,吸附率的大小与海岸的类型有关,如沙质海滩比石质海滩吸附力强。由于缺乏足够的实验,本文仅根据以往溢油事故后测量结果的经验分析,初步提
