牟林，鄒和平，武雙全，宋軍，李歡，徐玲玲，趙如箱

（1. 國(guó)家海洋信息中心，天津 300171；2. 山東海事局，山東 青島 266002）

海上溢油數(shù)值模型研究進(jìn)展

牟林1，鄒和平1，武雙全1，宋軍1，李歡1，徐玲玲2，趙如箱2

（1. 國(guó)家海洋信息中心，天津 300171；2. 山東海事局，山東 青島 266002）

中國(guó)是海洋大國(guó)，近年來(lái)，海上活動(dòng)持續(xù)增多，發(fā)生海上溢油事故的風(fēng)險(xiǎn)隨之加大，海上溢油污染事故一旦發(fā)生，如不得到及時(shí)控制，必將嚴(yán)重?fù)p害中國(guó)近海海洋環(huán)境。為了完善中國(guó)海上溢油應(yīng)急反應(yīng)體系，提高中國(guó)處理重大海上溢油事故的應(yīng)急反應(yīng)能力，開(kāi)展了海上溢油污染應(yīng)急技術(shù)研究。本文綜述了溢油預(yù)測(cè)模型的發(fā)展過(guò)程以及相關(guān)的研究成果，包括：溢油擴(kuò)展模型、溢油漂移模型、油粒子模型和溢油風(fēng)化模型等。這為進(jìn)一步開(kāi)展溢油預(yù)測(cè)和溢油污染應(yīng)急工作提供了理論依據(jù)和參考。

海上溢油；溢油漂移模型；溢油風(fēng)化模型；油粒子模型；海洋環(huán)境

1 引 言

經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展使中國(guó)的能源需求與日俱增，這加速了海洋石油運(yùn)輸業(yè)和石油開(kāi)采業(yè)的發(fā)展；同時(shí)也加大了海上溢油事故，尤其是重特大溢油事故的風(fēng)險(xiǎn)。海上重大溢油事故一旦發(fā)生，必將損害中國(guó)近海海洋環(huán)境，影響人民的生活，阻礙國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此，了解海上溢油污染的成因，開(kāi)展海上溢油應(yīng)急關(guān)鍵技術(shù)的研究，建立、完善中國(guó)溢油應(yīng)急反應(yīng)體系，為溢油事故應(yīng)急反應(yīng)處理提供決策支持的技術(shù)平臺(tái)。提高溢油應(yīng)急反應(yīng)能力和技術(shù)水平刻不容緩，這不僅能為保護(hù)中國(guó)近海海域環(huán)境安全提供技術(shù)支持，也能為中國(guó)石油運(yùn)輸業(yè)和開(kāi)采業(yè)等行業(yè)的發(fā)展提供必要的保障。

鑒于此，本文從溢油擴(kuò)展模型、溢油漂移模型、油粒子模型和溢油風(fēng)化模型4個(gè)方面入手，對(duì)海上溢油行為與歸宿的預(yù)測(cè)和應(yīng)急處理技術(shù)進(jìn)行了分析，概括了溢油模型的發(fā)展歷史，總結(jié)了溢油模型的成果。

2 溢油數(shù)值模型介紹

在特有的海洋環(huán)境條件下，溢油會(huì)在復(fù)雜的物理、化學(xué)變化及生物的作用下，最終從海洋環(huán)境中消失。溢油在海洋中的行為和歸宿可分為3大類(lèi)：（1）擴(kuò)展過(guò)程：指海面油膜由于其自身的特性而導(dǎo)致面積增大的過(guò)程。（2）輸移過(guò)程：指在海洋環(huán)境動(dòng)力要素的作用下溢油的遷移運(yùn)動(dòng)，包括水平方向的漂移、擴(kuò)散以及垂直方向的參混、懸浮過(guò)程。（3）風(fēng)化過(guò)程：指能夠引起溢油組成性質(zhì)改變的所有過(guò)程，其主要包括：蒸發(fā)、溶解、乳化、光氧化、生物降解、吸附沉降、水體的混合擴(kuò)散以及生物體內(nèi)的代謝作用等[1]。從整個(gè)溢油的風(fēng)化過(guò)程來(lái)看，蒸發(fā)和乳化過(guò)程在短期內(nèi)與溢油的應(yīng)急反應(yīng)和經(jīng)濟(jì)損害評(píng)估息息相關(guān)，但是溢油的最終歸宿取決于光氧化和生物降解，這些過(guò)程直接關(guān)系到對(duì)海洋環(huán)境的影響評(píng)估[2]。

2.1 溢油擴(kuò)展模型

在有關(guān)溢油擴(kuò)展的研究中，油膜的擴(kuò)展范圍和厚度變化一直是研究者普遍關(guān)注的問(wèn)題。早期，Blokker[3]以自由平面上的油作為擴(kuò)展前提，從油膜的質(zhì)量守恒出發(fā)，建立了擴(kuò)展直徑公式，該公式忽略表面張力和粘性力，只考慮重力和溢油體積，公式如下：

這里，D0為初始時(shí)刻油膜直徑（m），d0、dw分別為油和水的比重，kr為Blokker常數(shù)，V為溢油的總體積（m3）。從上式可以看出，該公式主要反映的是油在重力作用下的慣性擴(kuò)展。Fay[4]提出了三階段油膜擴(kuò)展理論，該理論假設(shè)在海面平靜的條件下（即不計(jì)風(fēng)、流、浪等影響），大體積溢油在擴(kuò)展過(guò)程中油的性質(zhì)不變且在垂向受力平衡，油膜擴(kuò)展始終保持圓形，擴(kuò)展范圍可以用直徑來(lái)衡量。針對(duì)油在水面的實(shí)際受力情況，全面考慮了重力、表面張力、慣性力以及粘性力的作用，將油膜擴(kuò)展的過(guò)程根據(jù)各個(gè)力在不同階段所起的作用不同劃分為三個(gè)階段，即重力—慣性力階段、重力—粘性力階段以及表面張力—粘性力階段。該理論在溢油擴(kuò)展模型的研究應(yīng)用方面取得了開(kāi)創(chuàng)性的成果。

三個(gè)階段油膜直徑的計(jì)算公式分別為：

Fay理論提出之后，眾多學(xué)者對(duì)其模型進(jìn)行了改進(jìn)，并在其已有的基礎(chǔ)上將溢油的自身擴(kuò)展過(guò)程與分散過(guò)程相結(jié)合建立了各種擴(kuò)展模型。例如：Wang等[5]對(duì) Fay的第二階段即粘性擴(kuò)展階段的公式進(jìn)行了修正。Mackay[6,7]在 Fay第二階段公式中考慮了風(fēng)的影響，結(jié)合實(shí)際觀測(cè)結(jié)果分別建立了厚油膜和薄油膜的擴(kuò)展模型；Lehr等[8]對(duì)Fay理論進(jìn)行了修正，考慮了風(fēng)場(chǎng)及流場(chǎng)對(duì)油膜非對(duì)稱(chēng)性擴(kuò)展的影響，認(rèn)為油膜在海洋中以橢圓而非圓形的形式向四周擴(kuò)展，其長(zhǎng)軸方向與風(fēng)向一致。

除了Fay三階段油膜擴(kuò)展理論模型及后來(lái)的改進(jìn)模型，Okubo[9]等通過(guò)對(duì)大量觀測(cè)資料的分析，認(rèn)為油膜質(zhì)量的近似正態(tài)分布為擴(kuò)展所致，且油膜的直徑與質(zhì)量均方差成正比。在各項(xiàng)同性的條件下，油膜周邊界限保持圓形，可以通過(guò)直徑度量油膜范圍。但是 Okubo的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ街豢紤]了擴(kuò)展作用，因而得出的油膜直徑僅與時(shí)間有關(guān)，存在較大的缺陷。而元良則認(rèn)為，溢油的擴(kuò)展是油具有的位能轉(zhuǎn)變?yōu)檎承砸萆⒛芎捅砻鎻埩δ艿慕Y(jié)果[10]。黃禮賢等根據(jù)實(shí)驗(yàn)中凈水面點(diǎn)源瞬時(shí)溢油擴(kuò)展尺度隨油品和溢油量的變化，分別得出油的擴(kuò)展速度和擴(kuò)展半徑與時(shí)間的關(guān)系。但該公式本身即為經(jīng)驗(yàn)公式，而其中表示油的性質(zhì)和溢油量的函數(shù)值也都取自實(shí)驗(yàn)系數(shù)[11]。

隨著溢油擴(kuò)展模型的改進(jìn)與發(fā)展，人們提出了一種新的模型—蒙特卡羅擴(kuò)展模型。該模型將油粒子質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散看作是在湍流作用下的隨機(jī)擴(kuò)散，表現(xiàn)為質(zhì)點(diǎn)群沿著復(fù)雜軌跡進(jìn)行的混亂運(yùn)動(dòng)，如圖 1所示，其運(yùn)動(dòng)方向在某一時(shí)刻是隨機(jī)的，但這種隨機(jī)性受整個(gè)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的控制?？梢栽诮o予隨機(jī)數(shù)的同時(shí)，給定湍流強(qiáng)度、時(shí)間尺度和粒子數(shù)，從而求得標(biāo)識(shí)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)移距離[12]。

蒙特卡羅擴(kuò)展模型利用擴(kuò)散現(xiàn)象的隨機(jī)性。產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)有2種方法，即均勻隨機(jī)數(shù)和正規(guī)隨機(jī)數(shù)方法。

圖 1 固定流體微團(tuán)的湍流運(yùn)動(dòng)Fig. 1 Turbulent motion of solid fluid micro group

若a，b，c為-0.5到0.5之間的隨機(jī)數(shù)，則：

若a，b，c為0到1之間的正態(tài)隨機(jī)數(shù)，a，b，c均值為零，取（0，1）正態(tài)分布，則粒子在三維方向上的擴(kuò)展距離為：

由此可以看出，用蒙特卡羅模型研究溢油是將代表油粒子的質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散看作是在海洋湍流作用下的隨機(jī)擴(kuò)散，質(zhì)點(diǎn)的輸移是數(shù)學(xué)上的一個(gè)維納過(guò)程的模擬。

油粒子的水平輸移速度（u，v）包含了平流、風(fēng)生表面流以及風(fēng)對(duì)油膜表面的作用速度；油粒子垂直方向的輸移速度w包含了油粒子的上浮、沉降速度和海洋動(dòng)力學(xué)的垂直流速；湍動(dòng)擴(kuò)散項(xiàng)、和根據(jù)式(7)或(8)求得；湍動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)同三維流場(chǎng)相對(duì)應(yīng)。由此，根據(jù)式(11)可計(jì)算任一油粒子質(zhì)點(diǎn)的輸移位置，大量的油粒子質(zhì)點(diǎn)即可表述溢油的行為過(guò)程。通過(guò)計(jì)算大量任意質(zhì)點(diǎn)的位置，就可以描述溢油的行為過(guò)程。

綜上所述，研究溢油的擴(kuò)展過(guò)程，不得不考慮海洋環(huán)境動(dòng)力要素的影響。溢油入水初期首先經(jīng)歷重力擴(kuò)展階段，在此階段海流和風(fēng)對(duì)油膜擴(kuò)展的影響較??；隨著重力擴(kuò)展減弱、溢油厚度減小，油膜過(guò)渡到剪切擴(kuò)展階段，該階段受海流和風(fēng)的影響顯著，油膜擴(kuò)展主要由油膜底部與水、油膜上部與風(fēng)之間的粘滯力驅(qū)動(dòng)，流場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)的變化起著重要作用；無(wú)風(fēng)情況下，潮汐的周期性變化對(duì)油膜的擴(kuò)展產(chǎn)生決定影響，漲潮時(shí)油膜常被壓縮，落潮時(shí)油膜卻常被拉伸；有風(fēng)情況下，油膜的擴(kuò)展除受海流和風(fēng)的影響，兩者同向時(shí)油膜擴(kuò)展減緩，但漂移速度加快，相反時(shí)，油膜擴(kuò)展加劇但漂移速度減緩。隨著剪切擴(kuò)展的衰弱、油膜厚度的減小，油膜最終過(guò)渡到隨流漂移階段。

2.2 溢油漂移模型

油膜在海面的漂移主要受制于表層流的驅(qū)動(dòng)，而其上邊界直接受到風(fēng)應(yīng)力的作用。漂移在整個(gè)溢油動(dòng)態(tài)模擬中占有最重要的地位，越靠近海岸，預(yù)測(cè)越重要。漂移運(yùn)動(dòng)取決于平流條件，油水界面切應(yīng)力與海水運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。海面某水體微團(tuán)，其水體運(yùn)動(dòng)受風(fēng)生流、非風(fēng)生流和波余流的作用[13]。風(fēng)生流與非風(fēng)生流是在遠(yuǎn)大于油膜尺度的驅(qū)動(dòng)力如引潮力、壓強(qiáng)梯度力和風(fēng)應(yīng)力等作用下形成的海水運(yùn)動(dòng)，它們并不會(huì)因油膜的存在而產(chǎn)生較大的變化。波余流則不同，根據(jù)Stokes理論，波余流的量值可以達(dá)到風(fēng)速的 2%。但是油膜的存在使得表面張力增加，海面趨于平坦，波浪的非線(xiàn)性作用大為削弱，因此，事實(shí)上波余流是可以忽略的。由此可見(jiàn)，油膜平流運(yùn)動(dòng)的實(shí)質(zhì)就是油膜在上述驅(qū)動(dòng)力作用下的拉格朗日漂移過(guò)程，其主要依賴(lài)于海面風(fēng)場(chǎng)和流場(chǎng)。流場(chǎng)可認(rèn)為是由密度流、風(fēng)生流、潮流、梯度流等合成的矢量場(chǎng)。在近海海域，潮流和風(fēng)生流是決定溢油漂移的最重要的因素。實(shí)際觀測(cè)表明，在開(kāi)闊海域，溢油的漂移速度主要由風(fēng)的作用決定；而在近?；蜓匕稌r(shí)，潮流的作用就不可忽視；尤其在港灣或碼頭，潮流的作用更加重要。在模型中，風(fēng)對(duì)油膜的影響一般按風(fēng)速的3%～4%計(jì)算，海流對(duì)油膜的影響按流速來(lái)計(jì)算。如果溢油事故發(fā)生海域受沿岸流和深海流的影響不大，用上述計(jì)算方法可獲得較好的結(jié)果。總之，計(jì)算油膜的漂移軌跡必須首先要獲得表層流場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)的數(shù)據(jù)。

2.2.1 影響溢油漂移的海洋動(dòng)力環(huán)境要素 主要海洋動(dòng)力環(huán)境要素包括海面風(fēng)場(chǎng)、風(fēng)生流、潮流和波浪等。

（1）海面風(fēng)場(chǎng)

海面風(fēng)場(chǎng)在溢油漂移中起著重要的作用，表現(xiàn)在：①風(fēng)作用下產(chǎn)生的風(fēng)生流是影響油膜漂移的最重要因素之一；②風(fēng)本身可以直接作用于油膜，驅(qū)動(dòng)油膜運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還能夠改變油膜擴(kuò)展的形態(tài)和面積。除此之外，風(fēng)的大小也會(huì)影響溢油的風(fēng)化過(guò)程。

（2）風(fēng)生流

風(fēng)生流為海面上風(fēng)的作用引起的海水流動(dòng)，是溢油漂移過(guò)程中最重要的影響因素之一。在風(fēng)生流中，定常風(fēng)持續(xù)地作用于海面時(shí)，產(chǎn)生定常的海水流動(dòng)，而當(dāng)非均勻分布的定常風(fēng)力作用于海面時(shí)，由于體積輸送不均勻，會(huì)形成海面起伏，從而產(chǎn)生壓強(qiáng)梯度力，這種風(fēng)生流便包括了漂流和傾斜流兩個(gè)部分[14]。

（3）潮流

潮流是河口海岸地區(qū)最常見(jiàn)的水文現(xiàn)象，泥沙、鹽分、包括溢油在內(nèi)的各類(lèi)污染物以及熱量的輸運(yùn)過(guò)程，均與潮流運(yùn)動(dòng)息息相關(guān)。對(duì)于海面油膜而言，其漂移軌跡受潮流的影響除了風(fēng)生流之外也是最重要的。

（4）波浪

波浪對(duì)溢油的影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①波浪擾動(dòng)，會(huì)影響溢油的破碎、分散和乳化（影響油滴的入水率）過(guò)程。②風(fēng)浪、涌浪等非線(xiàn)性波產(chǎn)生的波余流，會(huì)影響溢油的漂移過(guò)程。

2.2.2 溢油漂移模型 海上溢油漂移軌跡的數(shù)值預(yù)測(cè)研究起始于20世紀(jì)60年代，眾多學(xué)者提出了各種漂移模型，絕大多數(shù)結(jié)合了溢油的擴(kuò)展與擴(kuò)散過(guò)程，以下列舉幾個(gè)具有代表性的模型進(jìn)行概述：

（1）Coast Guard（II）模型

該模型由Miller等建立[15]，利用流體動(dòng)力學(xué)模型和風(fēng)模型聯(lián)合求解海流速度和預(yù)測(cè)油膜運(yùn)動(dòng)軌跡。風(fēng)模型由風(fēng)應(yīng)力壓強(qiáng)梯度力和科氏力平衡而建立，并考慮了水面附近風(fēng)應(yīng)力摩擦的影響，流體動(dòng)力學(xué)模型則考慮了污染物離散的垂向平均二維模型，風(fēng)模型計(jì)算的風(fēng)速輸入動(dòng)力學(xué)模型，從而預(yù)測(cè)油膜的運(yùn)動(dòng)軌跡[16]。本模型著重考慮了風(fēng)的動(dòng)力作用。

（2）SEADOCK模型

該模型由Williams等建立[17]，模型將近海、外海的風(fēng)速矢量通過(guò)權(quán)重系數(shù)協(xié)調(diào)，再通過(guò)與表面海流矢量的疊加，進(jìn)而預(yù)測(cè)油膜在風(fēng)、海流作用下的漂移運(yùn)動(dòng)，得出油膜質(zhì)心位移。該模型在計(jì)算油膜漂移時(shí)，認(rèn)為整個(gè)油膜在質(zhì)心周?chē)磮A形均勻的分布，每計(jì)算一步，都采用Fay擴(kuò)展公式計(jì)算的擴(kuò)展直徑作為此時(shí)油膜擴(kuò)延范圍，且考慮了蒸發(fā)和溶解引起的一階衰減，沉淀量按油層體積的 1%考慮，風(fēng)場(chǎng)通過(guò)馬爾科夫模型編制，但沒(méi)有考慮科氏力對(duì)風(fēng)和流的影響。

（3）Navy模型

由Webb等[18]建立的美國(guó)海軍Navy模型主要用于預(yù)測(cè)油輪和溢油的漂移運(yùn)動(dòng)，模型中考慮了潮流、河流入流、地轉(zhuǎn)流以及風(fēng)生流的作用，建立了油膜質(zhì)心的位移公式。不考慮油膜自身的擴(kuò)展是該模式的一個(gè)缺點(diǎn)。

（4）其它模型

在國(guó)內(nèi)，黃禮賢等[11]在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)將海流流速矢量、風(fēng)速矢量和油膜擴(kuò)展的速度矢量進(jìn)行合成，建立了一種擴(kuò)散模型，得到了油膜邊緣任意點(diǎn)不同時(shí)刻不同方向上的漂移速度，并由此計(jì)算出相應(yīng)點(diǎn)在該時(shí)刻的位移，達(dá)到了預(yù)報(bào)油膜的漂移軌跡的效果。武周虎和趙文謙[19]建立了一種瞬時(shí)溢油模型，模型中考慮油膜在質(zhì)心周?chē)姆植冀朴跈E圓，長(zhǎng)軸與每時(shí)刻的漂移方向一致，采用歐拉—拉格朗日方法先求得了油膜質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡，再求得油膜擴(kuò)展尺度。此外，通過(guò)計(jì)算漂移過(guò)程中邊緣質(zhì)點(diǎn)的軌跡，則可以刻畫(huà)油膜的不規(guī)則形狀和發(fā)展過(guò)程。

2.3 油粒子模型

2.3.1 油粒子的概念 最早提出油粒子模型的Johansen對(duì)油粒子的概念進(jìn)行了闡述：油膜在水體中被視為眾多離散油粒子的組合，“粒子擴(kuò)散”就是將濃度場(chǎng)模擬為由大量粒子組成的“云團(tuán)”，其中的每一個(gè)粒子表征一定數(shù)量的示蹤物質(zhì)。這些小油粒在表面流的影響下，便會(huì)隨海流移動(dòng)和分散。模型粒子的平流過(guò)程具有拉格朗日性質(zhì)，可用拉格朗日方法模擬，而剪切流和湍流引起的湍流擴(kuò)散過(guò)程屬于隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，可用隨機(jī)走動(dòng)法來(lái)模擬，也就是將湍流視為一種隨機(jī)流場(chǎng)，而每個(gè)模型粒子在湍流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)則類(lèi)似于流體分子的布朗運(yùn)動(dòng)，由于每個(gè)粒子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致整個(gè)粒子“云團(tuán)”在水體中的擴(kuò)散[20,21]。當(dāng)粒子在表面時(shí)表現(xiàn)為油膜，在水體中時(shí)粒子則表現(xiàn)為油滴，表面油膜的大小為表面粒子的疊加。溢油在水表面的漂移和風(fēng)化過(guò)程采用表面擴(kuò)散、平移、輸送、乳化和蒸發(fā)的算法來(lái)模擬計(jì)算。因此，油膜的運(yùn)動(dòng)取決于周?chē)w的平流和湍流擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。

2.3.2 油粒子追蹤模型 采用拉格朗日粒子追蹤模型可以對(duì)溢油的遷移軌跡進(jìn)行描述。由于油粒子是具有一定體積和一定質(zhì)量的微團(tuán)，結(jié)合溢油在海上的擴(kuò)展、漂移、湍流擴(kuò)散、蒸發(fā)和溶解等過(guò)程，可以計(jì)算溢油的運(yùn)動(dòng)軌跡和歸宿。為了模擬溢油軌跡，將溢油離散為大量的油粒子，每個(gè)油粒子代表一定的油量，在表層流和風(fēng)的共同作用下漂移擴(kuò)散[21]。

油粒子在一段時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程分為：擴(kuò)展過(guò)程，平流過(guò)程和擴(kuò)散過(guò)程。用確定性方法模擬油粒子的平流過(guò)程，用隨機(jī)走動(dòng)法來(lái)模擬湍流擴(kuò)散過(guò)程，擴(kuò)展過(guò)程仍采用Fay三階段擴(kuò)展公式來(lái)計(jì)算。

拉格朗日粒子追蹤軌跡用下式表示：

式中，X0，Y0為某質(zhì)點(diǎn)的初始坐標(biāo)。

模型的擴(kuò)展過(guò)程仍采用Fay三階段擴(kuò)展公式計(jì)算出油膜的擴(kuò)展速度。根據(jù)大量現(xiàn)場(chǎng)觀察，F(xiàn)ay提出擴(kuò)散終止時(shí)的溢油面積和體積之間的關(guān)系

通過(guò)油粒子質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)的追蹤即可計(jì)算溢油擴(kuò)展漂移軌跡和影響區(qū)域。溢油污染影響面積一般是指油膜的掃海面積，即油膜在一定時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)的海域面積。計(jì)算時(shí)取一定時(shí)間內(nèi)所有粒子經(jīng)過(guò)的海域的面積。

2.4 溢油風(fēng)化過(guò)程及模型

2.4.1 溢油的風(fēng)化過(guò)程

溢油的風(fēng)化過(guò)程包含了蒸發(fā)、溶解、乳化、分散、吸附沉降、光氧化及生物降解多個(gè)過(guò)程。有關(guān)溢油的風(fēng)化過(guò)程，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。楊慶霄等[22]研究了中國(guó)幾種油蒸發(fā)過(guò)程中表面張力、密度、粘度的變化，并建立了相應(yīng)的風(fēng)化公式。嚴(yán)志宇[2]應(yīng)用淺盤(pán)蒸發(fā)法對(duì)原油及其乳化物的蒸發(fā)進(jìn)行了模擬，考察了不同原油在不同階段和乳化狀態(tài)下的蒸發(fā)特征，得出了蒸發(fā)速率方程及乳化對(duì)蒸發(fā)抑制作用因子；此外，其通過(guò)對(duì)油水運(yùn)動(dòng)規(guī)律的觀測(cè)和分析，分析了乳化動(dòng)力學(xué)過(guò)程，并以組成和狀態(tài)是決定風(fēng)化特征的主要因素和聯(lián)系各風(fēng)化過(guò)程的紐帶的思想為前提建立了溢油風(fēng)化預(yù)測(cè)模型。李瓊[23]通過(guò)分析海洋溢油風(fēng)化特點(diǎn)，在參考已有風(fēng)化預(yù)測(cè)模型的基礎(chǔ)上，將挪威SINTEF風(fēng)化模型與美國(guó) ADIOS風(fēng)化模型結(jié)合在一起，研發(fā)了溢油風(fēng)化預(yù)測(cè)系統(tǒng)軟件。溢油的風(fēng)化包括：溢油的蒸發(fā)、溢油的溶解、溢油的分散、溢油的乳化、溢油的吸附和沉降以及溢油的光氧化與生物降解。

2.4.2 溢油風(fēng)化模型

目前，風(fēng)化的研究逐步轉(zhuǎn)入機(jī)理性研究階段，憑借現(xiàn)代化的分析手段，深入定量地考察風(fēng)化過(guò)程中油的組成、性質(zhì)變化及風(fēng)化過(guò)程內(nèi)部機(jī)理，主要有以下幾種模型：

（1）IKU模型

IKU模型由挪威科技工業(yè)研究院（SINTEF）研發(fā)。該模型以實(shí)驗(yàn)室的大量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，其輸入部分包括實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和環(huán)境條件，前者包括油的蒸餾曲線(xiàn)、新鮮油的性質(zhì)、最大吸水能力及分散劑的粘性限制等，模型的輸出有蒸發(fā)損失、油的總質(zhì)量平衡、物性變化、水含量、分散量及使用分散劑和現(xiàn)場(chǎng)焚燒的時(shí)間預(yù)測(cè)。

新鮮油組分信息由蒸餾曲線(xiàn)給出，蒸發(fā)過(guò)程采用準(zhǔn)組分法，計(jì)算公式為：

分散過(guò)程用Delvigne and Sweeney[24]提出的經(jīng)驗(yàn)方程計(jì)算：

這里， ，0分別為風(fēng)化油和初始油的粘度（厘泊）；w為含水率。

模型有大型的數(shù)據(jù)庫(kù)作為支撐，包括有200多種油品的性質(zhì)、蒸餾曲線(xiàn)和實(shí)驗(yàn)室風(fēng)化數(shù)據(jù)。該模型通過(guò)對(duì)原油性質(zhì)的預(yù)測(cè)可估計(jì)如機(jī)械回收、用分散劑或破乳劑的化學(xué)處理及現(xiàn)場(chǎng)燃燒的有效時(shí)間，模型還可與漂移模型結(jié)合，同時(shí)跟蹤幾個(gè)油膜的性質(zhì)。

（2）ADIOS模型

ADIOS是美國(guó)NOAA/HMRAD發(fā)展的新型風(fēng)化模型，其涉及到了三個(gè)油的性質(zhì)（密度、粘性和含水量）和四個(gè)物理過(guò)程（擴(kuò)展、蒸發(fā)、水包油分散、油包水乳化）。

模型計(jì)算時(shí)，油膜的擴(kuò)展過(guò)程采用修正的 Fay公式計(jì)算，蒸發(fā)過(guò)程用Stiver and Mackay（1984）的公式計(jì)算：

分散過(guò)程用經(jīng)過(guò)修正的 Delvigne and Sweeney[24]的公式計(jì)算。

乳化含水率用Mackay首次提出的霧化公式計(jì)算，即：

式中，Y是水同乳化物的體積比；Yf是完全乳化之后水同乳化物的體積比；常數(shù)k在未發(fā)生乳化的情況下為0，一般情況下，k=1.6×10-6s/m2。

密度的計(jì)算是根據(jù)Mackay等運(yùn)用的模型中假設(shè)密度與蒸發(fā)分?jǐn)?shù)及溫度的變化成線(xiàn)性關(guān)系來(lái)計(jì)算的：

這里，m為混合物的密度（kg/m3）；0為參考密度（kg/m3）；T0為參考溫度（K）； f為油蒸發(fā)掉的部分；c1和c2為在溢油性質(zhì)基礎(chǔ)上的試驗(yàn)參數(shù)。

粘度用Mooney公式計(jì)算：

式中c3=2.5，c4=0.65，c5=5.0，c6是用一條曲線(xiàn)表示的。

（3）OSIS

OSIS是英國(guó)的 Warren Spring Laboratory（WSL）和BMT Ceemaid Ltd.（BMT）聯(lián)合研制的溢油模型系統(tǒng)，系統(tǒng)中對(duì)溢油風(fēng)化過(guò)程的模擬包括蒸發(fā)、乳化和分散對(duì)油殘余量的影響及密度、粘度和閃點(diǎn)的變化[23]。

模型中，蒸發(fā)過(guò)程亦采用Stiver和 Mackay的公式計(jì)算。乳化過(guò)程通過(guò)隨機(jī)走動(dòng)跟蹤模型允許油滴垂直移估計(jì)。蒸發(fā)過(guò)程中油密度和粘度的變化用與蒸發(fā)體積分?jǐn)?shù)成線(xiàn)性關(guān)系的公式來(lái)計(jì)算。乳化物的粘度用Mackay等提出的公式計(jì)算，由于實(shí)驗(yàn)表明不同油的參數(shù)不同，故式中的該值用實(shí)際測(cè)試結(jié)果，而瀝青烯含量的平均值用于缺省的情況。可見(jiàn)，除乳化過(guò)程外，OSIS采用的方程和ADIOS基本相似，只是對(duì)方程的一些參數(shù)作了修正。

（4）Sebastiao & Guedes–Soares 模型

該模型分別采用和OSIS相同的公式模擬溢油蒸發(fā)、乳化及粘度的變化等，用Reed[25]提出的公式計(jì)算分散過(guò)程：

D為由分散而使海面每小時(shí)損失的分?jǐn)?shù)； 為膜厚（cm）；St為油—水界面張力（達(dá)因/厘米）；U為風(fēng)速（m/s）； 為粘度（厘泊）。

該模型最大的改進(jìn)是同時(shí)計(jì)算風(fēng)化各過(guò)程，即將各方程聯(lián)立成微分方程組來(lái)反映風(fēng)化中各過(guò)程同時(shí)發(fā)生，且相互影響這一實(shí)際情況，但這種影響只表現(xiàn)在殘留油體積同時(shí)受蒸發(fā)、分散、乳化等的影響，并未反映通過(guò)組分和狀態(tài)的改變對(duì)內(nèi)部的影響，這些需通過(guò)風(fēng)化機(jī)理的研究找出其內(nèi)在聯(lián)系，而不能用數(shù)學(xué)方法簡(jiǎn)單地解決。

2.4.3 小結(jié)

有關(guān)溢油風(fēng)化模型的缺陷，可做出如下歸納：①實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的缺乏，使得大多數(shù)溢油風(fēng)化模型借助了經(jīng)驗(yàn)方程。經(jīng)驗(yàn)方程很少建立在大量研究的基礎(chǔ)上，會(huì)影響預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。雖然一些模型通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)校正了方程的參數(shù)以增強(qiáng)模擬的準(zhǔn)確性，但是由于不同種類(lèi)的油和風(fēng)化過(guò)程的復(fù)雜性使得一套參數(shù)不一定適用于每種油，從而模型的普適性和實(shí)際性會(huì)受到影響。②溢油的風(fēng)化過(guò)程是相當(dāng)復(fù)雜的，各個(gè)過(guò)程之間相互影響和制約，但是目前模型對(duì)于風(fēng)化過(guò)程的研究基本上都是將各過(guò)程分離出來(lái)單獨(dú)研究，很難將所有的過(guò)程融合在一起。對(duì)于溢油風(fēng)化各過(guò)程的聯(lián)系應(yīng)建立在內(nèi)因，即溢油的組成和狀態(tài)上，某一過(guò)程會(huì)通過(guò)改變油的組成和狀態(tài)而影響其它過(guò)程，這種影響應(yīng)建立在風(fēng)化機(jī)理的研究基礎(chǔ)之上，只通過(guò)數(shù)學(xué)方程是無(wú)法解決的。③溢油事件中有許多內(nèi)在的（如油本身的風(fēng)化引起的組成變化）和外界的（如地理環(huán)境的變化、人為干預(yù)等）因素會(huì)影響溢油的質(zhì)量平衡。傳統(tǒng)模型中由于各風(fēng)化過(guò)程的獨(dú)立計(jì)算，很少有反映出內(nèi)因?qū)е碌囊缬驮诖怪狈较虻姆植嫉牟煌?。為使模型更?shí)用，地理環(huán)境的改變（如近岸擱淺）和人為干預(yù)（如各種清除操作）等因素也應(yīng)在質(zhì)量平衡預(yù)測(cè)中反映出來(lái)，但在大多數(shù)模型中未曾見(jiàn)到。

將來(lái)風(fēng)化模型的發(fā)展應(yīng)建立在大量的基礎(chǔ)研究之上，尋找溢油各風(fēng)化過(guò)程的本質(zhì)特征和微觀機(jī)理，并揭示各過(guò)程相互影響的內(nèi)在機(jī)制，使其更真實(shí)而周全地反映實(shí)際情況，提高模型的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文綜述了溢油預(yù)測(cè)模型發(fā)展過(guò)程中的研究成果，從溢油擴(kuò)展模型、溢油漂移模型、油粒子模型和溢油風(fēng)化模型4個(gè)方面對(duì)海上溢油預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹和分析。在溢油擴(kuò)展模型方面，對(duì)溢油擴(kuò)展范圍和厚度隨海洋動(dòng)力要素的變化進(jìn)行了分析、推算，確定了擴(kuò)展半徑的計(jì)算依據(jù)；在溢油漂移模型方面，通過(guò)分析表層流和風(fēng)對(duì)溢油的影響，確定了溢油漂移路徑的計(jì)算方法；在油粒子模型方面，根據(jù)已有的油粒子概念，分析了其運(yùn)動(dòng)方式；在溢油風(fēng)化模型方面，深入分析了風(fēng)化過(guò)程中的內(nèi)部機(jī)理。這為業(yè)務(wù)化海上溢油預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)的研制提供了依據(jù)和參考。

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Numerical model research on the ocean oil spill

MU Lin1, ZOU He-ping1, WU Shuang-quan1, SONG Jun1, LI Huan1, XU Ling-ling2,ZHAO Ru-xiang2

(1. National Marine Data and Information Service, Tianjin 300171, China; 2. Shandong Maritime Safety Administration, Qingdao 266002, China)

Recently, with the increase of our active oceanic operations, the risks of ocean oil spill accidents are considerable in China. Ocean oil spill is one kind of serious disasters which severely damage the marine environment.Aiming at improving the contingency reaction system and the resolving ability for the oil spill accident, the relative technologies on oil pollutions response are researched. This paper briefly introduces the development process and reaction achievements of the oil spill predicting models, including the Oil Spill Extension Model, the Oil Spill Drift Model, the Oil Particle Model and the Oil Spill Weathering Model, which provide the theoretic criterions for the future work on oil spill predicting and reacting.

oil spill；oil spill drift model；oil spill weathering model；oil particle model；marine environment

P731.2

A

1001-6932(2011)04-0473-08

2011-01-09 ；

2011-05-02

國(guó)家發(fā)展與改革委員會(huì)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展項(xiàng)目( 2008-311-000-035 )；海洋公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)（200905001）。

牟林 ( 1977－ )，男，博士，副研究員。電子郵箱：moulin1977@hotmail.com。