，，

(交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院，北京 100088)

溢油在水面經(jīng)歷的物理和化學(xué)變化總稱為風(fēng)化。風(fēng)化包括擴(kuò)散、蒸發(fā)、乳化、溶解、氧化、沉降、生物降解及聯(lián)合作用。風(fēng)化過(guò)程受環(huán)境條件如溫度、鹽度、溶解氧含量、風(fēng)、波浪、懸浮物含量、地理位置、油的化學(xué)組成、光照、微生物種群及氧化還原環(huán)境等諸因素的影響[1-3]。短期內(nèi)，蒸發(fā)和乳化過(guò)程是較為重要的風(fēng)化過(guò)程，直接影響溢油的空間分布和污染風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)；長(zhǎng)期來(lái)看，溢油的最終歸宿受光化學(xué)氧化和生物降解的影響更為顯著[4]。

目前，海上溢油風(fēng)化的研究方法有現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)室模擬?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)一般是利用溢油事故或人工溢油試驗(yàn)對(duì)樣品的組成及變化進(jìn)行分析。為方便研究，更多的是設(shè)計(jì)風(fēng)化模擬試驗(yàn)裝置。風(fēng)化模擬試驗(yàn)裝置包括容器和波浪槽兩種,容器包括量筒、淺盤[5]等。容器法操作簡(jiǎn)單，模擬能力受限，僅能模擬風(fēng)化過(guò)程的某一項(xiàng)，如蒸發(fā)；波浪槽能綜合考察整個(gè)風(fēng)化過(guò)程，更好地模擬水上溢油風(fēng)化實(shí)際情況。Payne[6]等在波浪槽流水環(huán)境下對(duì)Prudhoe灣原油進(jìn)行風(fēng)化實(shí)驗(yàn)，綜合考察蒸發(fā)、溶解、乳化、光氧化等過(guò)程；Riley[7]等用波浪槽模擬惡劣條件下溢油風(fēng)化，以及平靜海面下的溢油風(fēng)化；楊慶霄[8]用波浪槽考察幾種原油的蒸發(fā)過(guò)程、組分變化及蒸發(fā)特性。

國(guó)內(nèi)外的溢油風(fēng)化模擬試驗(yàn)裝置形式多樣，雖然尺寸上各有差異，模擬環(huán)境條件側(cè)重點(diǎn)有所不同，但仍以波浪槽的形式為主。

1 國(guó)內(nèi)外溢油風(fēng)化模擬試驗(yàn)裝置

1.1 挪威SINTEF實(shí)驗(yàn)室風(fēng)化水槽

SINTEF在溢油應(yīng)急方面有很強(qiáng)的科研實(shí)力，特別是針對(duì)冰區(qū)溢油應(yīng)急處置開(kāi)展了大量研究工作，如冰區(qū)溢油漂移和風(fēng)化軌跡模擬等。SINTEF在溢油特性研究方面主要開(kāi)展原油和油品風(fēng)化研究，油品化學(xué)和物理特性研究，乳化特性研究，油品的流變特性研究，油品在波浪水池中的風(fēng)化研究，油品在海岸線的自然變化過(guò)程研究，原油的化學(xué)特性和在沉積物中的特性研究，溢油鑒別，水溶性油品特性研究等。

用于上述研究的風(fēng)化水槽長(zhǎng)4 m，寬2 m，高1.5 m，水深1 m，循環(huán)水道寬0.5 m，見(jiàn)圖1。

圖1 SINTEF可封閉式風(fēng)化水槽實(shí)物

在水槽的一端有一個(gè)延長(zhǎng)的造波設(shè)施，有一個(gè)活塞助推式的造波設(shè)施和一個(gè)碎波板。水槽全部由不銹鋼制作，由不同形狀的構(gòu)件組成(如橢圓的循環(huán)槽，直水道等)。采用空調(diào)控制溫度，配有水冷卻系統(tǒng)，能將水溫降到-2 ℃。文獻(xiàn)[9]采用風(fēng)扇造風(fēng)，有一個(gè)塑料軟管風(fēng)道，最大風(fēng)速為10 m/s。配有造流設(shè)施，所造流速為1 kn。配有實(shí)驗(yàn)人員防護(hù)設(shè)施。具有可移動(dòng)的人工沙灘。配有攝像系統(tǒng)。

風(fēng)化水槽中開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)主要有：油品風(fēng)化過(guò)程和機(jī)理研究，長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)化和歸宿研究，風(fēng)化油品對(duì)不同類型海岸線沉積物層的滲透研究，典型環(huán)境條件下的溢油生態(tài)影響研究等。

1.2 法國(guó)CEDRE風(fēng)化水槽

法國(guó)CEDRE水上污染事故咨詢研究實(shí)驗(yàn)中心是法國(guó)國(guó)家級(jí)的水污染咨詢、研究的非盈利機(jī)構(gòu)，于1979年1月Amoco Cadiz郵輪溢油事故后成立。CEDRE有一個(gè)可控大氣環(huán)境條件和海流的風(fēng)化水槽(高1.4 m，寬60 cm，深90 cm，最大容積為7 m3)，見(jiàn)圖2。

圖2 CEDRE溢油風(fēng)化水槽結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)狀況

該水槽直水道段有一個(gè)延伸部分，安裝造波設(shè)施，所造波周期為3 s，波高為15 cm；采用兩組2 000 W的燈模擬太陽(yáng)光，油膜在水槽內(nèi)不斷循環(huán)暴露在人造光照下；采用風(fēng)扇造風(fēng)，有一個(gè)塑料軟管風(fēng)道，在水槽內(nèi)形成風(fēng)場(chǎng)。該水槽的主要功能是進(jìn)行油品的風(fēng)化試驗(yàn)。

1.3 海上溢油風(fēng)化模擬系統(tǒng)

國(guó)內(nèi)已報(bào)道的最具代表性的模擬溢油波浪水槽是深圳市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院和交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院共同研發(fā)的海上溢油風(fēng)化模擬系統(tǒng)，見(jiàn)圖3。

圖3 海上溢油風(fēng)化模擬水池

系統(tǒng)主要由溢油池、水流模擬裝置、程序控制系統(tǒng)和監(jiān)視系統(tǒng)組成，安置于室外，整個(gè)裝置可拆裝。該系統(tǒng)的溢油風(fēng)化池為長(zhǎng)方體，長(zhǎng)、寬、高分別是5.0 m、3.0 m、1.2 m，外框架以鍍鋅鋼管材料搭建，池體以增強(qiáng)的雙層耐海水腐蝕氯丁橡膠材料制成，實(shí)際水深0.9 m[9-10]。池中有2塊平行撥水板，并設(shè)置側(cè)面推進(jìn)器；撥水板上設(shè)置不同位置和孔徑的圓孔，使溢油池的海水流動(dòng)劇烈程度從上到下一次減弱，用計(jì)算機(jī)程序控制撥水板和側(cè)面推進(jìn)器運(yùn)行模式，可較真實(shí)模擬海洋中的平流、局部環(huán)流或湍流流動(dòng)狀態(tài)。以空氣壓縮機(jī)提供壓縮空氣帶動(dòng)汽缸提供動(dòng)力造浪，相比用造浪電機(jī)，無(wú)漏電安全隱患，滿足室外長(zhǎng)時(shí)間模擬溢油風(fēng)化試驗(yàn)要求，安裝有監(jiān)視裝置能實(shí)時(shí)監(jiān)視，也可遠(yuǎn)程監(jiān)控；裝置位于室外，自然條件和氣候條件均較真實(shí)。基于這一模擬裝置，研究者分析溢油水體水質(zhì)、風(fēng)化過(guò)程中的溢油化學(xué)組成成分和物理特性的變化，為溢油鑒別提供更接近實(shí)際數(shù)據(jù)的技術(shù)和科學(xué)依據(jù)。

1.4 上海大學(xué)潮汐風(fēng)水槽系統(tǒng)

上海大學(xué)力學(xué)所流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的潮汐風(fēng)水槽系統(tǒng)由水池、主泵、平水塔、玻璃水槽、回水渠、側(cè)流槽以及管道、閘閥和變坡機(jī)等組成，見(jiàn)圖4。

圖4 潮汐風(fēng)水槽

玻璃水槽總長(zhǎng)58.0 m，斷面寬0.5 m，高為0.7 m，水槽出口處安裝有隔柵式尾門，尾門開(kāi)度由微機(jī)控制用于模擬潮汐現(xiàn)象。整個(gè)玻璃水槽槽身安裝在電動(dòng)變坡機(jī)構(gòu)上，槽底坡度i調(diào)解范圍為-0.01～0.01。水槽上部還能安裝風(fēng)機(jī)和風(fēng)洞，滿足吹風(fēng)試驗(yàn)要求。水池總流量約30 m3，水槽裝置最大試驗(yàn)流量120 L/s，最大斷面平均流速為2.0 m/s。

油膜擴(kuò)展范圍的觀測(cè)和記錄，采用人工觀察和拍照、錄像記錄方式。工況設(shè)置調(diào)節(jié)參數(shù)有水位、潮周期及溢油形式。實(shí)驗(yàn)時(shí)溢油投放由實(shí)驗(yàn)室自制的溢油裝置控制溢油量和溢油速率，在尾門開(kāi)度最大時(shí)開(kāi)始釋放溢油，溢油進(jìn)入水體后隨即開(kāi)始記錄，并拍照和攝像記錄溢油油膜的變化。

根據(jù)試驗(yàn)室水槽條件，設(shè)置幾何比尺、水流相似、潮汐相似和油膜運(yùn)動(dòng)相似比尺。其中，長(zhǎng)度比尺1 000，深度比尺100，導(dǎo)出時(shí)間比尺100，流速比尺10，模型變態(tài)率10。

郭運(yùn)武[11]等人應(yīng)用上海大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)與力學(xué)研究所流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的潮汐風(fēng)水槽開(kāi)展風(fēng)對(duì)河道溢油擴(kuò)展、漂移過(guò)程影響的實(shí)驗(yàn)，研究了不同風(fēng)、水流組合情況下溢油的擴(kuò)展、漂移情況。在該實(shí)驗(yàn)中，忽略了蒸發(fā)、乳化、溶解等因素(與風(fēng)相比之下，它們的影響很小)，主要研究了20組不同風(fēng)場(chǎng)和流場(chǎng)組合下油膜擴(kuò)展、漂移的情況。結(jié)果表明,風(fēng)場(chǎng)的加入對(duì)溢油擴(kuò)展尺度、漂移速度、范圍都有相應(yīng)的影響，有時(shí)甚至產(chǎn)生非常明顯的影響。

吳兆春[12]等人在上海大學(xué)力學(xué)所流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的潮汐風(fēng)水槽進(jìn)行了黃浦江溢油的水槽實(shí)驗(yàn)研究，獲得了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，揭示了溢油在潮汐、風(fēng)場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)特性和規(guī)律。

1.5 哈爾濱工業(yè)大學(xué)循環(huán)玻璃水槽

哈爾濱工業(yè)大學(xué)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的循環(huán)玻璃水槽長(zhǎng)25.0 m，寬0.3 m，高0.5 m，由3個(gè)直段和2個(gè)彎段組成，裝置見(jiàn)圖5。

圖5 哈爾濱工業(yè)大學(xué)循環(huán)玻璃水槽

循環(huán)水箱中裝有制冷裝置，通過(guò)變頻調(diào)節(jié)器控制水槽流量，流量和流速通過(guò)在線超聲波流量計(jì)測(cè)定，水槽過(guò)水面積通過(guò)下游出水擋板高度進(jìn)調(diào)節(jié)。波浪通過(guò)自制起波器產(chǎn)生，浪高控制在約30 mm。岸邊吸油試驗(yàn)在自制循環(huán)水槽中進(jìn)行。水槽長(zhǎng)、寬、高分別為15 cm、30 cm和15 cm，水槽中放置條形擋板使其成為偏心環(huán)形水槽，寬水道長(zhǎng)為30 cm、寬為20 cm，窄水道長(zhǎng)為30 cm、寬為5 cm，寬水道一側(cè)堆積吸附材料，窄水道安置攪拌槳以驅(qū)動(dòng)水體流動(dòng)，槽體外部覆有保溫層。

試驗(yàn)用油為低凝點(diǎn)市售0#柴油和高凝點(diǎn)大慶原油，文獻(xiàn)[5]采用上述水槽對(duì)北方低溫江河水域突發(fā)溢油污染時(shí)油團(tuán)在水面風(fēng)化和遷移擴(kuò)散行為開(kāi)展模擬預(yù)測(cè)。

1.6 其他的波浪槽

李志軍[13]等人制作了一個(gè)長(zhǎng)1.30 m×0.15 m×0.50 m的敞口玻璃水槽，可控溫、垂直運(yùn)動(dòng)造波，張秀芝[14]等人應(yīng)用模擬原油風(fēng)化的露天裝置尺寸為25.0 m×0.6 m×1.2 m，可模擬30 cm波高的波浪。Ohmsett實(shí)驗(yàn)室即美國(guó)國(guó)家溢油應(yīng)急響應(yīng)研究與可再生能源試驗(yàn)設(shè)施基地，是“石油與有害物質(zhì)的模擬海洋環(huán)境試驗(yàn)水池(Oil and Hazardous Material Simulated (marine) Environment Test Tank)”的簡(jiǎn)稱。Ohmsett實(shí)驗(yàn)室是北美最大的室外海水波浪/拖箱水槽設(shè)施，是全球唯一能模仿在海水環(huán)境中開(kāi)展特定環(huán)境條件下(波浪和油種等)原型尺寸溢油應(yīng)急響應(yīng)設(shè)施的測(cè)試、研發(fā)及培訓(xùn)的設(shè)施。由于該實(shí)驗(yàn)室的風(fēng)化試驗(yàn)并非在波浪槽中進(jìn)行，而是在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。

2 分析與探討

2.1 風(fēng)化模擬試驗(yàn)裝置研發(fā)情況

在有統(tǒng)計(jì)的代表性的溢油風(fēng)化模擬試驗(yàn)裝置中，海洋溢油風(fēng)化模擬試驗(yàn)裝置占80%以上，而內(nèi)河溢油風(fēng)化模擬試驗(yàn)裝置占比不到20%，其中潮汐河段的模擬占了60%，側(cè)重于研究風(fēng)對(duì)溢油風(fēng)化影響作用的模擬裝置占20%以上，剩下不到20%為側(cè)重于考察溫度對(duì)溢油風(fēng)化影響作用的寒冷地區(qū)河流溢油風(fēng)化模擬試驗(yàn)裝置。

2.2 風(fēng)化模擬試驗(yàn)裝置的尺寸設(shè)計(jì)情況統(tǒng)計(jì)

有文獻(xiàn)報(bào)道的5個(gè)代表性裝置中，橢圓槽2個(gè)，占比為40%，長(zhǎng)方體槽2個(gè)，占比為40%，不規(guī)則形狀1個(gè)，占比為20%。從設(shè)計(jì)目的來(lái)看，橢圓槽側(cè)重于考慮循環(huán)，以達(dá)到更真實(shí)的模擬效果；橢圓槽多用于模擬海洋溢油，長(zhǎng)方體及由直水道和彎水道構(gòu)成的不規(guī)則體更適合于模擬內(nèi)河溢油。尺寸上，模擬海洋溢油的設(shè)備長(zhǎng)度在4～5 m，寬度不一，水深較為統(tǒng)一，為0.9～1 m，內(nèi)河溢油模擬裝置長(zhǎng)度不一，寬度為0.3～0.5 m，深度為0.5～0.7 m。從材質(zhì)上看，國(guó)外模擬海洋的循環(huán)水槽均為不銹鋼材質(zhì)，國(guó)內(nèi)模擬海洋溢油的水槽為雙層耐腐蝕氯丁橡膠材料，模擬內(nèi)河溢油風(fēng)化的水槽均為玻璃材質(zhì)，不銹鋼及橡膠耐腐蝕，適用于海水，而玻璃材質(zhì)更適用于觀察和記錄油的風(fēng)化過(guò)程。模型比尺上，國(guó)內(nèi)的海洋溢油風(fēng)化水槽考慮了不失真的縮比比尺，國(guó)外的海洋模擬水槽未提及其模型的比尺，國(guó)內(nèi)模擬內(nèi)河溢油水槽均考慮了幾何比尺、水流相似、潮汐相似和油膜運(yùn)動(dòng)相似。在油膜運(yùn)動(dòng)相似上，分歧很大，有學(xué)者認(rèn)為，油膜運(yùn)動(dòng)模擬不可以縮比，建議開(kāi)展原型試驗(yàn)。風(fēng)化影響因素考察上，海洋溢油模擬均考慮了溫度、波浪、流、風(fēng)，甚至于真實(shí)的自然條件；內(nèi)河溢油模擬考慮了風(fēng)、流，根據(jù)要考察的因素不同，模擬因素不同，比如潮汐、溫度以及河岸材料對(duì)油的吸附性質(zhì)。風(fēng)化模擬試驗(yàn)裝置尺寸設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 風(fēng)化模擬試驗(yàn)裝置尺寸設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)分析

2.3 模擬環(huán)境條件及實(shí)現(xiàn)方式

環(huán)境條件的實(shí)現(xiàn)方式上，國(guó)內(nèi)海洋溢油風(fēng)化裝置以真實(shí)自然環(huán)境下測(cè)量數(shù)值為準(zhǔn)，不模擬,其余溢油風(fēng)化模擬裝置方面，溫度多以空調(diào)、水冷卻系統(tǒng)或制冷裝置實(shí)現(xiàn)控溫。海洋溢油風(fēng)化模擬中，風(fēng)多以風(fēng)扇、塑料軟管風(fēng)道實(shí)現(xiàn)；內(nèi)河溢油風(fēng)化模擬中，風(fēng)以風(fēng)機(jī)、風(fēng)動(dòng)形式實(shí)現(xiàn)。除了上海大學(xué)潮汐風(fēng)水槽系統(tǒng)未考慮造波外，造波多以活塞助推式等自制造波設(shè)施，SINTEF配有碎波板，CEDRE所造波周期為3 s，波高為15 cm，哈爾濱工業(yè)大學(xué)循環(huán)玻璃水槽波高控制在30 mm左右。所有的風(fēng)化模擬裝置均考慮了造流，均以自制的造流設(shè)施來(lái)實(shí)現(xiàn)造流，所造流形式各不相同，海上溢油風(fēng)化模擬系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)平流、局部環(huán)流或湍流，SINTEF和CEDRE的流速為1 kn，上海大學(xué)潮汐風(fēng)水槽系統(tǒng)最大斷面平均流速2.0 m/s。SINTEF和CEDRE可實(shí)現(xiàn)光照模擬，上海大學(xué)潮汐風(fēng)水槽系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)潮汐模擬，哈爾濱工業(yè)大學(xué)循環(huán)玻璃水槽可實(shí)現(xiàn)對(duì)河岸吸油的模擬、SINTEF可以實(shí)現(xiàn)油品在海岸線的自然變化過(guò)程研究。監(jiān)視監(jiān)測(cè)方面，海洋風(fēng)化模擬裝置均采用了攝像裝置，其中，海上溢油風(fēng)化模擬系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，內(nèi)河風(fēng)化模擬裝置多采用人工觀察和拍照、錄像方式。僅SINTEF和CEDRE配有人員防護(hù)設(shè)施，其余風(fēng)化模擬裝置均未提及。上海大學(xué)潮汐風(fēng)水槽系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)河底坡度的調(diào)節(jié)。風(fēng)化模擬試驗(yàn)裝置模擬環(huán)境條件及實(shí)現(xiàn)方式見(jiàn)表2。

2.4 可實(shí)現(xiàn)的試驗(yàn)功能

除了上海大學(xué)潮汐風(fēng)水槽系統(tǒng)外，其余風(fēng)化模擬裝置對(duì)油品投放系統(tǒng)未提及，投放速率及投放量、投放方式未提及，投放油品的類型未提及，油品投放系統(tǒng)與整個(gè)風(fēng)化模擬裝置的關(guān)系未提及。

3 結(jié)論

表2 風(fēng)化模擬試驗(yàn)裝置模擬環(huán)境條件及實(shí)現(xiàn)方式

溢油風(fēng)化是一個(gè)多組分、多過(guò)程、多影響因素的復(fù)雜過(guò)程，而目前溢油特性基礎(chǔ)研究較為薄弱，阻礙了模型研究和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的發(fā)展。國(guó)外代表性的溢油風(fēng)化試驗(yàn)裝置均為海上溢油風(fēng)化模擬裝置，尺寸上均為縮比仿真模型，實(shí)驗(yàn)用油均為真實(shí)油品，實(shí)驗(yàn)用水為海水，皆可實(shí)現(xiàn)造波、造流、風(fēng)、光照、溫度等模擬環(huán)境條件，實(shí)驗(yàn)裝置布置在室內(nèi)；國(guó)內(nèi)代表性的溢油風(fēng)化試驗(yàn)裝置為室外放置，光照、溫度等大氣環(huán)境為真實(shí)自然環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)造波、造流，試驗(yàn)用油為真實(shí)油品，試驗(yàn)用水為海水。

內(nèi)河溢油風(fēng)化模擬裝置雖有文獻(xiàn)報(bào)道，但相關(guān)研究仍不多。海上溢油風(fēng)化模擬裝置多分布于專業(yè)溢油實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)河溢油模擬裝置多見(jiàn)于流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，試驗(yàn)用水為被測(cè)河水，試驗(yàn)用油為真實(shí)油品，可實(shí)現(xiàn)造波、造流、風(fēng)、溫度等模擬環(huán)境條件，有些還根據(jù)河流的水文特征布設(shè)了直水道和彎水道，已有的研究也是側(cè)重于某一影響因素如風(fēng)、流、潮汐對(duì)內(nèi)河溢油風(fēng)化的影響，且具有針對(duì)性，如研究低溫河流溢油風(fēng)化、研究潮汐河道溢油行為等，并不具有普適性。內(nèi)河溢油風(fēng)化模擬試驗(yàn)裝置為縮比仿真模型，且模型比尺經(jīng)過(guò)論證，但比尺論證過(guò)程并未考慮到溢油在水面上的張力。

由于內(nèi)河溢油風(fēng)化特征與海上溢油風(fēng)化特征不同，且受到河岸、泥沙及復(fù)雜水文特征影響，并不能完全套用海上溢油風(fēng)化模擬試驗(yàn)裝置。

溢油的環(huán)境行為和溯源鑒定一直是溢油污染評(píng)估、生態(tài)毒理研究和肇事者責(zé)任追究的重要研究?jī)?nèi)容。無(wú)論海上溢油亦或是內(nèi)河溢油，溢油鑒定工作的展開(kāi)均以對(duì)溢油的軌跡與變化狀態(tài)、污染范圍的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)為前提，《環(huán)境損害鑒定評(píng)估推薦方法》中對(duì)于內(nèi)河生態(tài)環(huán)境損害的系統(tǒng)研究尚屬空白，尚未形成對(duì)內(nèi)河生態(tài)環(huán)境損害程度判定與量化分析的支撐技術(shù)和方法。為填補(bǔ)這一空白，有必要構(gòu)建一套相對(duì)科學(xué)、合理、可操作性強(qiáng)的內(nèi)河溢油生態(tài)環(huán)境損害鑒定技術(shù)的模擬裝置。內(nèi)河溢油風(fēng)化模擬試驗(yàn)裝置得研發(fā)就顯得十分必要。

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