（环境科学专业论文）海底管线溢油在水体中的输移扩散数值模拟研究.pdf

海底管线溢油在水体中的输移扩散数值模拟研究 结构和初始溢油角度的综合影响，而溢油角度的影响程度同时又受到潮流场分布 的制约。而在密度分层环境流体中，浮射流到达一定深度后，随流向下游扩散， 不会在较短时间内抵达海表面，因此在距离溢油口较远的地点即使海面没有出现 溢油，深层海域仍有可能出现溢油污染。 通过对海底管线溢油的输移扩散模拟研究，可以更清楚的了解溢油对海水水 质和生态环境的影响范围和程度，从而为评价溢油对海洋生态坏境的危害程度提 供数据和依据。 关键词：海底管线；溢油；浮射流；数值模拟 海底管线溢油在水体中的输移扩散数值模拟研究 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h es p r e a d d i f f u s i o np r o c e s so fo i l s p i l l e df r o ms u b m a r i n ep i p e l i n e a b s 仃a c t a c c o m p a n i e db yt h er a p i dd e v e l o p m e n to fo f f s h o r eo i le x p l o i t a t i o n ，s u b m a r i n e p i p e l i n e sa r eu s e dm o r ew i d e l ya st h em a i nm e a n so ft r a n s p o r t i n gt h eo f f s h o r eo i la n d g a sr e s o u r c e s a n ds u b m a r i n ep i p e l i n e sw i l li n e v i t a b l ya p p e a rav a r i e t yo fd a m a g e w h e nt h e ya r ei ns e r v i c e t h e r e f o r ew i t l lt h ed e v e l o p m e n to fs u b m a r i n ep i p e l i n e s 。t h e p r o b a b i l i t yo fo i ls p i l lw i l li n c r e a s e w h a t sm o r e ，t h eo i ls p i l l e di nd e e ps e aw i l l c a u s em u c hl a r g e rp o l l u t i o no fw a t e rb o d yt h a nt h a to c c u r r e di nt h es e as u r f a c e ，w h i c h w i l lr e s u l ti ns e r i o u si m p a c ta n dh a r mo nm a r i n el i f ea n dt h es u r r o u n d i n gc o a s t a lc i t i e s a f t e rt h eo i ls p i l l sf r o ms u b s e ap i p e l i n e s ，i tw i l ld i r e c t l ya f f e c tt h ew a t e rq u a l i t y , a n d e n d a n g e rt h em a r i n el i f e ，d a m a g et h ee c o l o g yo ft h es e ad u r i n gi t sr i s i n gp r o c e s s t h e r e f o r e ，t os t u d yt h et r a n s p o r ta n dd i f f u s i o no fs u b m a r i n ep i p e l i n eo i ls p i l lb e c o m e s i n c r e a s i n g l yi m p o r t a n ta n du r g e n t ab r i e fo v e r v i e wo ft h er e s e a r c hb a c k g r o u n di sm a d ei nt h i sp a p e r , a n dt h e nt h e r e s e a r c hs t a t u so ft h eo i ls p i l la n df l o a t i n gj e th o m ea n da b r o a di sr e v i e w e d t h e s p e c i f i cc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n so f t h er e s e a r c ha r ea sf o l l o w s ： 1 u s i n gb a c k h a u s t h r e e d i m e n s i o n a ln o n l i n e a rn u m e r i c a lm o d e l ，t h i sp a p e r s i m u l a t et h r e e d i m e n s i o n a lt i d a lc u r r e n tf i e l do ft h en o r t h e r ns o u t hc h i n as e a a n d t h em o d e li sv a l i d a t e db yt h em e a s u r e dd a t ao ft h r e es t a t i o n s t h ec a l c u l a t e d t h r e e d i m e n s i o n a lt i d a lc u r r e n tf i e l di su s i n ga st h eb a c k g r o u n df l o wf i e l di n p u to f t h es u b m a r i n ep i p e l i n eo i ls p i l lm o d e l 2 as u b m a r i n ep i p e l i n eo i ls p i l lm o d e ls i m u l a t i n gt h et r a n s p o r ta n dd i f f u s i o no f o i lb u o y a n tj e ti sd e v e l o p e db yl a g r a n g i a nc o n t r o lv o l u m em e t h o d a n dt h em o d e li s v e r i f i e db yt h ee x p e r i m e n t a ld a t ag i v e ni nt h el i t e r a t u r ef o rf o u rd i f f e r e n ta m b i e n t s t a t u s i n c l u d i n g u n s t r a t i f i e d s t a g n a n ta m b i e n t ， s t r a t i f i e ds t a g n a n ta m b i e n t ， u n s t r a t i f i e df l o w i n ga m b i e n t ，s t r a t i f i e df l o w i n ga m b i e n t 3 t h em o d e li sa p p l i e di nt h eo i ls p i l lf r o mp i p e l i n e sn e a rl u f e n g7 - 2o i lf i e l d 海底管线溢油在水体中的输移扩散数值模拟研究 i nt h en o r t h e r np a r to ft h es o u t hc h i n as e a t h et h r e e d i m e n s i o n a lt r a n s p o r ta n d d i f f u s i o no fo i ls p i l li ss i m u l a t c di nt h ed e n s i t yu n s t r a t i f i e da n ds 伽i f i e da m b i e n t r e s p e c t i v e l y d u r i n gt h es i m u l a t i o ns e v e r a ld i f f e r e n ts i t u m i o n so ft h es p i l lo i l a r e c o n s i d e r e d t h ei m p a c tt ot h es i m u l a t i o nr e s u l to fd i f f e r e n to r i g i n a ls p i l la n g l e sa n d s u r r o u n d i n ga m b i e n ts t a t u si sb ea n a l y z e d a n dt h ec e n t e r l i n eo f t h es p i l lo i la n dt h e a r e ao fe a c hh o r i z o n t a lp r o f i l ea r eb es i m u l a t e d ，t o o f i n a l l y , t h et r a n s p o r ta n d d i f f u s i o nr e s u l t so ft h eo i ls p i l la r eb em o d e l e di ns t r a t i f i e dd e n s i t ya m b i e n t 4 t h es t u d yr e s u l t so ft h es u b m a r i n ep i p e l i n eo i ls p i l ls h o wt h a t ：t h em a i n f a c t o ri m p a c t i n gt h er e s u l t so ft h eo i ls p i l lm o d e li st h ea m b i e n tf l o wd i s t r i b u t i o n a n dr e g a r d l e s so ft h eo i ls p i l lt i m et h em i n i m u md i s t a n c eo ft h eo f f s e ti nh o r i z o n o c c u r si nv e r t i c a ld i r e c t i o no v e r f l o w , w h i l et h em a x i m u md i s t a n c ei nh o r i z o n t a l d o w n s t r e a md i r e c t i o n w h a t sm o r e ，w i t ht h ed e c r e a s eo ft h ei m t i a lo i ls p i l la n g l e ， t h et i m ea n dt h er a d i u so fs p i l lo i lr e a c h i n gt h es e as u r f a c ew i l li n c r e a s et h e d i f f u s i o na r e ao fe a c hl a y e r si sa l s os u b je c tt ot h ec o m b i n e de f f e c t so ft h ea m b i e n t f l o wf i e l da n dt h ei n i t i a lo i ls p i l la n g l e a n dt h ei m p a c to fs p i l la n g l ea tt h es a m et i m e i sa f f e c t e db yt h et i d a lc u r r e n tf i e l dd i s t r i b u t i o n w h e nt h eo i ls p i l li nd e n s i t y s t r a t i f i e da m b i e n t ，t h eb u o y a n tj e tw i l lr e a c hat e r m i n a ll e v e l ，a n dt h e nd i f f u s ew i t h t h ea m b i e n tf l o wd o w n s 打e a mw i t h o u ta r r i v i n ga tt h es e as u r f a c ei nar e l a t i v e l ys h o r t p e r i o do ft i m e t h e r e f o r e ，e v e ni ft h e r ei sn oo i lo b s e r v e di nt h es u r f a c ef a rf r o m t h e o i ls p i l ll o c a t i o n ，t h ec o n t a m i n a t i o no fo i lm a ys t i l le x i s ti nt h e 出羚ps e a b yt h es t u d yo ft h et r a n s p o r ta n dd i s p e r s i o nm o d e lo ft h es u b m a r i n ep i p e l i n eo i l s p i l l ，ac l e a r e ru n d e r s t a n d i n go ft h ea f f e c te x t e n to fs p i l lo i lo nm a r i n ew a t e rq u a l i t y a n de c o l o g i c a le n v i r o n m e n tw i l lb es h o w e d ，w h i c hc a l lp r o v i d em e t h o da n db a s i sf o r t h ee v a l u a t i o no ft h eo i ls p i l lh a r mt ot h em a r i n ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：s u b m a r i n ep i p e l i n e ；s p i l lo i l ；b u o y a n tj e t ；n u m e r i c a lm o d e l 海底管线溢油在水体中的输移扩散数值模拟研究 o 前言 随着当今社会经济的飞速发展，人类对能源的需求越来越大，石油作为能源 的重要组成部分，在未来相当长的一段时间内仍然将是全球最重要的基础能源， 其需求量更是日益增大，陆地石油能源已经越来越满足不了人类生产生活的需要， 因此人类将石油开发的足迹逐渐迈向海洋，海洋石油开发逐步成为各国能源战略 的重中之重。而伴随着人类钻井向海洋的延伸，海洋中的油气钻井平台也越来越 多，在石油的开采运输过程中，海底石油管线起到了不可替代的重要作用。北海、 墨西哥湾以及波斯湾等世界上大型海上石油天然气平台，同样大量使用海底管线 作为油气运输方式。近年来，我国海洋石油开采大幅增加，海底管线也越来越多， 覆盖了渤海、南海北部大部分海域和东海部分海域。 南海是西太平洋最大的边缘海之一，其中深水区面积占总面积3 4 以上，平 均水深11 0 0 米。随着深海石油勘探和开采技术的不断发展，南海油田的发掘开 采将进一步加强。而与此同时，越来越多的海底管线运行全过程中，管道渗漏、 穿孔甚至爆裂的风险也随之加大，原油泄漏的风险也越来越大。溢油事故对海洋 环境和经济发展都会造成巨大的危害和损失。 现阶段对于溢油输移扩散的研究还主要是针对海表面溢油，而实际上海底管 线发生溢油后，溢油会经过在水体中的输移扩散之后再到达海面，在此过程中会 对海面以下水体的海洋环境造成污染破坏。因此研究海底管线溢油的输移扩散， 预测溢油从溢油口溢出后抵达海表面的轨迹和时间，以及在海面形成的油膜面积 等，能够更清楚的认识海底管线溢油的输移扩散过程，将模型应用到具体海域， 可以为该海域的溢油污染评价和应急措施提供依据等。 1 概述 1 1 研究背景 我国近海的油气资源丰富，累计探明石油储量约为2 2 1 0 8 t ，从资源潜力看， 我国近海地区有望成为未来石油和天然气的重要产区。随着我国石油开发战略向 海洋的转移，海洋石油和天然气的开发进入了高速发展时期，近海油气田的开发 规模将继续扩大发展，而海底管线是开发海洋油气资源的关键，采用海底管网将 原油输送到陆上终端，具有很好的经济效益。管道运输是油气运输中最快捷、经 1 海底管线溢油在水体巾的输移扩散数值模拟研究 济、可靠的主要方式( 马良，1 9 8 7 ) 。根据国外专家统计，某些发达国家的管道 油气运输方式大于油气运输总量的三分之二，油气的管道运输从原油、天然气的 生产、精炼、储存以及到用户的全过程起到了重要作用。 近几十年来，每年都有上千公里的海底管线网络在全世界铺设，管线运输显 然已经成为海洋油气的主要输送方式。走向深水是世界海洋石油的发展趋势，目 前，世界上钻井水深已达2 9 6 7 m ，海底管道铺设水深已达2 1 5 0 m ，油田作业水深 己达1 8 5 3 m 。据不完全统计，我国海域已铺设海底管道超过3 0 0 0 k r n ，随着海洋 开发工程的发展，海底管道的建设规模将进一步扩大( 黄鑫，2 0 0 4 ：周廷东，刘 日柱，1 9 9 8 ) 。 海底管道运输通常由大型的钢管、泵站、加压设备、供电和通信系统等组成， 主要用于输运石油、石油制品和天然气，是海洋油气生产系统中一个不可缺少的 重要组成部分。油气采集输管线、通往贮油平台的输管线以及连接贮油设旅和海 洋石油装卸码头等的装油管线几乎全部采用铺设于海底的海底管线。而在海底管 线服役的过程中，会产生各种不可避免的损伤，如内部介质腐蚀、外部海水腐蚀、 内压以及其他外在作用下的应力腐蚀等( 丁鹏，2 0 0 8 ) ，从而造成管道破裂、渗 漏以及穿孔等，这些都会导致原油泄露，从而对海洋环境造成了一定的污染。近 期发生的墨西哥湾和我国渤海湾的溢油事故，无疑对海洋环境造成了惨重而深远 的影响。因此，有必要对海底管线溢油对环境造成的影响范围以及程度进行研究， 从而更清楚的了解溢油的危害程度，为溢油在海面的清除等活动提供参考。 南海北部是南海近年来深海油田开发的重点区域，是我国石油和天然气的主 要开采海域之一，随着海洋油气田的不断开发建设和人为活动的影响，发牛海底 管线溢油事故的风险也越来越大。一旦发生重大溢油事故就会对海洋环境和经济 发展造成巨大的危害和严重的损失。如何应用海底管线溢油输移扩散模型，从而 研究分析溢油对海洋生态环境造成的影响，也是国内外学者所研究的问题之一。 由于水深地形和岸线等的综合作用，实际近海的海水是非定常运动的，因此， 海底管线发生溢油后，溢油在三维流动流体作用下不断地输移扩散，而在这种情 况下溢油的输移扩散则是潮流和自身浮射流同时作用的结果。对于海底管线溢油 来说，近区模型的研究主要考虑溢油的初始动量、浮力、环境水体的分层情况以 及海流的作用，可以根据浮射流相关理论，对溢油的近区输移扩散进行研究。本 海底管线溢油在水体中的输移扩散数值模拟研究 文试图通过采用浮射流数学模型的方法对海底管线溢油形成的浮射流进行研究， 为海洋水质生态环境的影响研究提供一种方法和依据。 1 2 近期重大溢油事故 1 2 1 墨西哥湾溢油事故 2 0 1 0 年4 月2 0 日，位于墨西哥湾的“深水地平线”钻井平台发生爆炸并引发 大火，大约3 6 小时后沉入墨西哥湾，钻井平台底部油井自4 月2 4 日起漏油不止。 沉没的钻井平台每天漏油达到5 0 0 0 桶，并且海上浮油面积在不断扩张。此次漏 油事件造成了巨大的环境和经济损失。 “深水地平线”事故发生在1 5 0 0 米的深海，是历史上首次发生在超过5 0 0 米 以上深海的原油泄漏。与海面油轮漏油相比，其危害更大、更隐蔽。 由于深海与海面的压力、温度有很大差异，大量原油以一种浮射流的形态向 上喷涌，并且会以油团或油、水、气的混合物在海底、海水中和海面上流动、漂 浮，到海面时，就像一个伞面盖在海面上。而遇到洋流时，这些油水混合物可能 随着深层洋流漂动，不仅可能漂出墨西哥湾，还可能漂向世界其它大洋，而这种 情况在海面上却无法观测到。 此次深海漏油还可能直接破坏墨西哥湾海水中不同层次的海洋生物的生存 环境，无数海洋生物将因此遭到扼杀。除此之外，还有许多现在我们还无法检测 的潜在的危害和破坏，可能会在若干年中逐渐表现出来。 1 2 2 蓬莱1 9 3 油田溢油事故 2 0 1 1 年6 月4 日，蓬莱1 9 3 油田海面发现少量油膜带，6 月8 日，b 平台 东北方向附近海底发现溢油点。根据卫星遥感、油指纹鉴定以及专家会商，确认 溢油来自蓬莱1 9 3 油田。7 月1 0 日卫星遥感信息，在b 、c 平台附近再次出现 油带。8 月2 6 日，渤海蓬莱1 9 3 油田溢油范围仍在扩大，c 平台附近仍有油花 持续溢出，附近海域发现油带，c 平台附近先后共发现渗漏点1 6 个。 此次蓬莱溢油事故发生在距离龙口7 0 公里、长岛6 0 公里和秦皇岛1 7 0 公里 处，溢油污染受风向和海流影响主要集中在1 9 3 油田周边和西北部海域，溢油 事故共造成劣四类海水面积8 4 0 平方公里。本次溢油单日最大分布面积达到1 5 8 平方公里，蓬莱19 3 油田附近海域海水石油类平均浓度超过历史背景值4 0 5 倍， 海底管线溢油在水体中的输移扩散数值模拟研究 最高浓度达到历史背景值的8 6 4 倍。 此次漏油点也是发生在海底，又由于渤海湾的相对封闭性，此次漏油的危害 程度之大，也是我国少有的，海湾沿岸的渔业养殖业已经受nt 不同程度的影响。 以上近期发生的两起严重溢油事故，均发生在海底，应用海面溢油模型很难 准确的预测溢油的输移扩散及对海洋水体的影响范围和程度，从而给溢油发生后 对海洋环境的影响研究以及应急措施的制定也带来一定的困难，因此，海底管线 的溢油输移扩散模拟研究就成为了一项十分必要和紧迫的研究课题。 1 3 研究现状 1 3 1 溢油研究现状 1 3 1 1 海面溢油研究现状 近几十年来，随着人们对海洋环境保护的重视和海上溢油行为的深入认识， 以及溢油事故的监测数据不断增加，人们对溢油数值模型的研究也随之不断复杂 和深化。 人们通过越来越多的模型来模拟溢油的行为与归宿，最初基本上都是只针对 海表面溢油的情况。f a y ( 1 9 7 0 ) 对海上溢油行为变化的三阶段理论的扩展公式 得到了普遍的应用( m a c k e y ，19 8 0 ) ，它的理论是建立在海面静止的假设基础上 的，完全忽略了海水内部的湍流及其他因素( 蒸发、乳化等) 对溢油行为的影响， 因此，将其应用在实际的海域中存在一定的局限性。另一方面，f a y ( 1 9 7 0 ) 理 论假设油膜在水面上的扩展是高粘度的液体在低粘度的液体上的扩展使溢油粘 度变化的影响被忽略了。e l l i o t t ( 1 9 8 6 ) 通过海上实际的实验，对f a y 理论及其 扩展的计算公式进行了进一步的修正，确定了水平动力扩散系数和垂直动力扩散 系数，从而得到了更为符合实际的结果。自从8 0 年代中后期开始，粒子随机扩 散的理论得到了越来越多的研究者的青睐，被应用于海洋溢油预报模型的研究中， 建立了海洋溢油预测模型( s p a u l d i n g ，1 9 8 8 - a 1 一r a b e h ，1 9 8 9 ：p r o c t o r ，1 9 9 4 ； s h a s a k a r ，2 0 0 1 ) 。美国、加拿大、澳大利亚等国正在普遍使用的“溢油影响模型 应用系统( s i m a p 和o i l m a p ) ”，其溢油影响数值预测的模型部分，利用了蒙 特卡罗粒子追踪的方法。 随着我国海洋石油的重要性日益提高，其发掘与开采也越来越频繁，规模越 4 海底管线溢油在水体中的输移扩散数值模拟研究 来越大，而另一方面伴随我国可持续发展战略的实施，人们越来越重视海洋生态 环境，因此对海洋溢油风险的研究也逐渐提上日程，被人们所重视。代表性的实 验室研究有：赵文谦等( 1 9 9 0 ) 对海面溢油预测模型中加入了风过程的模拟；杨 庆霄等( 1 9 9 4 ，1 9 9 7 ) 对海上溢油模型中加入了溶解过程和在波作用下的乳化作 用；季荣等( 1 9 9 6 ) 模拟了流风一波共同作用下的海洋溢油漂移。代表性的模型 研究：国家海洋局大连环保所( 张存智等，1 9 9 7 ) 与比利时北海及埃斯考河口数 学模型管理处合作，利用“油粒子”概念建立了模拟海上溢油行为三维数值模型， 从而避开了平流和扩散传统数值方法所导致的伪扩散效应；中国海洋大学( 娄安 刚等，2 0 0 0 ) 考虑海面风力作用以及油的蒸发乳化，利用欧拉拉格朗日方法模 拟了油膜漂移轨迹；娄安刚，吴德星等( 2 0 0 1 ) 建立了一个三维溢油物理归宿和 输运的动力学综合模型，综合考虑了对流、湍扩散、表面扩展、铅直扩散、乳化 和蒸发过程。以上研究或模型都是针对海面溢油的研究模拟，而并未涉及海底管 线溢油在海洋水体中的近区输移扩散研究。 1 3 1 2 海底溢油研究现状 随着海洋石油的开采向着更深的海域发展，海底溢油的研究逐渐被重视起来。 y a p a ( 1 9 9 7 ) 和z h e n g ( 1 9 9 8 ) 在海底管道溢油的研究过程中，采用浮射流理 论对其进行模拟分析，建立了一种三维模型来模拟水下溢油事故形成的浮射流， 此后，他们又在此基础上进行了改进( z h e n g ，e t a 1 ，2 0 0 2 ) ，并且与挪威海域的 实验数据进行了比较( c h e n ，e t a 1 ，2 0 0 2 ) ，吻合结果较好。在此基础上r e e d ，e t a 1 ( 2 0 0 6 ) 运用一个由释放模型和近区模型组成的p o s v e m 对海底管道溢油量 及其扩散过程进行了数值模拟计算。d a s a n a y a k a & y a p a ( 2 0 0 9 ) 比较了浮射流模 式和单纯的对流扩散模式对海底管线溢油模拟结果的差异。 而在国内关于海底管线溢油的研究并不多见，高清军( 2 0 0 7 ) 采用v o f 方 法，选择压力速度耦合的p i s o 算法建立了海底管线孔口溢油预测模型，模拟 了油滴在浮力作用下的上浮过程。大连理工大学( 王晶，2 0 0 6 ；肖杰，2 0 0 7 ) 建 立了海底管线微孔泄漏的模型来研究油滴的形成、尺寸以及上升速度等，但没有 考虑管线溢油后油滴的初始动量。汪守东等( 2 0 0 6 ) 在y a p a 和z h e n g 的基础 上，对溢油的浮射流理论进行了补充，加入了乳化过程，并分别建立了二维和三 维海面溢油模型。 海底管线溢油在水体中的输移扩散数值模拟研究 1 3 2 浮射流研究现状 1 3 2 1 浮射流的三个假定 ( 1 ) 卷吸假定 各断面射流中心最大纵向流速址与射流边界处指向射流中心的横向速度域 有如下固定的比例关系：l l e = a ，其中，口为卷吸系数，这就是射流卷吸假定 的数学表达式。 ( 2 ) 自相似假定 实验表明，射流的宽度( 6 ) 是线性扩展的，即射流任一断面的宽度与该断 面到射流源点的距离成正比：b = 踮，其中s 称为射流的扩展系数。 射流主体段各断面的时均流速度分布是自相似的，浓度时均分布也是自相似 的，用数学表达就是： i u2 ( _ r ) ； 一2 ，】【_ j ； 。i c = 五守 一2 ，2 l _ j c co c 式中吃表示速度半宽，玩表示浓度半宽。对于二者，都满足6 x ，故又可 以写成： 兰：z f ) ；三= 五f ) u c x c c x ( 3 ) 高斯分布假定 各断面的流速分布和浓度分布不仅自相似，而且无量纲化后的点都落在高斯 曲线附近，因此，可进一步假定流速和浓度分布服从高斯分布。对于圆射流有： ”：p 一；r ；c ：t 口一击r ，其中a 为浓度场半宽与速度场半宽的比值，可以 从理论和实验上证明a 1 。 1 3 2 2 浮射流的基本研究方法 研究浮射流的方法可以细分为下列六种： 首先是微分方程求解法，这种方法是严格从流体力学的角度出发求解流体力 学的基本微分方程。 海底管线溢油在水体中的输移扩散数值模拟研究 第二种是积分方程方法，为使问题的求解得到进一步的简化，为此需要将关 于浮射流的基本假定全部加以利用，进而通过积分将偏微分方程转化为常微分方 程来求解。 若只是为了满足工程应用，采用量纲分析方法得到描述浮射流特性的基本参 数组合，得到一些无量纲特征参数等，在很多情况下是可以的。 量纲分析法通常无法给出参数确切的数学关系，为了进一步得到无量纲参数 之间的数学关系，还需要借助渐进分析。这就是第四种方法。 除此以外，随着数值计算技术的不断发展，数值计算方法在浮射流的研究中 也发挥着越来越大的作用。数值计算可以最基本的偏微分方程为基础，也可以经 积分转换成的常微分方程为基础。 当然，最主要和最根本的方法还是实验方法。通过实验可以解释浮射流的基 本结构和运动机理，也可以用于确定以上各种分析计算方法中需要确定的参数， 以及验证计算结果。 在很多情况下解决一个问题需要将多种方法结合并用才能得到最后的结果。 1 3 2 3 浮射流的研究现状 浮射流是环境水动力学和流体力学重要的研究对象。从上世纪2 0 年代以来， 国内外学者进行了大量有关浮射流的研究工作，使浮射流理论研究有了较大的发 展。对于浮射流特性的研究，主要在于对其稀释度、中心轴线的轨迹、浮射流扩 展的范围以及浮射流轴线流速的分布等的确定。国内外对海洋污水处置工程近区 的浮射流输移扩散规律的研究已有较长的历史，与浮射流近区有关的射流理论也 由规则边界中静止环境内的平面与单孔射流向复杂流动中的复杂射流发展，如横 流、分层流、浅水域射流。潮汐流中的多孔射流、表面射流、旋动射流等。 国外一些研究者进行了射流羽流的基本理论研究。l i s t & i m b e r g e r ( 19 7 3 ) 通过量纲分析并将结果与实验数据进行比较，得出了垂直向上排放的湍浮射流的 卷吸系数并不是单一的，而是弗劳德数和浮射流扩散率的函数。这个系数值不同 研究者的取值在0 0 5 6 到0 1 2 5 之间。m c d o u g a l l ( 1 9 7 8 ) ，f a n n e l o p & s j o e n ( 1 9 8 0 ) ， m i l g r a m ( 1 9 8 3 ) ，以及f a n n e l o p ，e ta 1 ( 1 9 9 1 ) 建立了一种模型，能够模拟海底 井口的溢油，但只局限于垂直向上溢出，而且周围流体的流速并没有考虑。 海底管线溢油在水体中的输移扩散数值模拟研究 m c d o u g a l l ( 1 9 7 8 ) 提出了分层环境中的“双羽流 理论。之后，a s a e d a & i m b e g e r ( 1 9 9 3 ) 做了进一步完善。f a n n e l o p & s j o e n ( 1 9 8 0 ) 提出“双羽流”理论在实际的 海洋环境中发生的可能性很小。m i l g r a m ( 1 9 8 3 ) 在他的羽流模型中引入了动量 增益系数来处理湍波动引起的动量通量。r y e ( 1 9 9 4 ) 采用了f a n n e l o p & s j o e n ( 1 9 8 0 ) 中的建立的模型来计算了海底溢油的几种情况。以上所列的模型都是基 于欧拉积分公式建立的。 f i s c h e r , e ta 1 ( 1 9 7 9 ) 详细介绍了水下浮射流的基础作用机制，并给出了简 单情况下的速度、浓度、稀释度和最终上升高度的渐进解。l i s t ( 1 9 8 2 ) 综述了 湍射羽流的研究情况。p a p a n i c o l a o u & l i s t ( 1 9 8 8 ) 利用非侵入式激光实验技术 测量了准确的湍流动量通量和湍浮力剪切流的运动轨迹。他们的实验结果证明了 之前的流速和浮射羽流中失踪物质浓度的衰减规律，同时，还描述了湍流属性以 及动量驱动的射流与浮力驱动的羽流之间的转变。w r i g h t ( 1 9 8 4 ) 和w o o d ( 1 9 9 3 ) 对简单条件下的渐进解进行了进一步的阐述，基于尺度分析和实验结果，w r i s t ( 1 9 8 4 ) 给出了线性分层流场中的垂直圆形浮射流的轨迹、最终上升高度和稀释 度。w o o d ( 1 9 9 3 ) 建立了一个简单的浮射流模型，只能模拟有限的几种情况： 静水中的浮射流、静止的其他液体中的纯射流以及顺流、动量涡流和热平流输送 环境下的射流。 要模拟复杂情况下的浮射流需要运用一些数值模型。这些模型可以是k e 湍 流模型( l i & c h e n ，19 8 5 ) 或者是积分模型。在工程应用中，积分模型通常用来 模拟污水排放的基本过程。积分模型的特点是卷吸假设，这个假设可以闭合浮射 流方程组而无需解决湍流和湍流混合问题( f r i c k ，1 9 9 4 ) 。这些积分模型可以分 为欧拉积分模型和拉格朗日积分模型。 欧拉积分模型基于固定空间上的控制体来模拟浮射流。h i r s t ( 1 9 7 2 ) 设计了 一个积分方法来预测三维的射流轨迹，这个方法的卷吸函数中考虑了内部湍流、 浮力、射流方向和横流，卷吸函数中有四个系数，其中有一个要通过数据拟合预 测确定。s c h a t z m a n ( 1 9 7 9 ) 提出了一个水下分层流环境中圆形浮射流的模型。 s c h a t z m a n 通过将平均动能方程和动量方程积分形式结合起来推导出了卷吸函数。 d e l v i g n e ( 1 9 8 0 ) 建立了一个三维射流模型来描述非均匀流速分布和非均匀密度 分布的环境中的射流，并将计算结果与实验结果进行了比较。g u 和s t e f a n ( 1 9 8 8 ) 海底管线溢油在水体中的输移扩散数值模拟研究 在以下几个方面深化了浮射羽流的积分分析方法：由于密度变化引起的压力和射 流曲率合并到一起考虑；不是静水下的压力分布；卷吸函数通过机械能、切向动 量和连续性方程得到。b e m p o r a d ( 1 9 9 4 ) 在控制方程中引入了一个新的扩散项 以考虑双扩散环境。c h u & l e e ( 1 9 9 6 ) 提出了一个非均匀流场环境中的湍流浮 射流的欧拉积分公式，公式中耦合了拉格朗日射流扩散假设和卷吸质量效应。 拉格朗日积分模型把浮射流看作是一系列互不干扰的移动控制体。f r i c k ( 1 9 8 4 ) 建立了一个二维轨迹的浮射流拉格朗日积分模型，该模型的卷吸公式包 含圆柱面、增长和组分曲率。但是普遍应用的泰勒卷吸假设( 对应剪切诱导卷吸) 在该模型中被忽略了。f r i c k ( 1 9 8 4 ) 认为，随着周围环境流的增强剪切诱导卷 吸的重要性下降。l e e & c h e u n g ( 1 9 9 0 ) 把f r i c k ( 1 9 8 4 ) 的模型发展到更一般 的情况下任意密度分层和单向流动的环境中的三维浮射流轨迹，同时考虑了 剪切诱导卷吸和强迫卷吸。模拟结果与实验数据基本一致。f r i c ke ta 1 ( 1 9 9 4 ) 发现当浮射流轨迹的曲率过大时就会引入一个负体积异常错误，这个错误会导致 稀释度过高估计。为修正这个错误，他们引入了一个修正的控制体积。f r i c ke ta 1 ( 1 9 9 4 ) 也讨论了欧拉模型和拉格朗日模型的关系，得出了两个模型基本是等价 的结论。 只有少数模型可以模拟分层单向流环境中的三维浮射流轨迹。水下浮射流不 断上升，它将到达水体表面或者到达一个内部临界层而不再上升。之后污染物将 不断稀释，即污染物到达水体表面后向周围扩散或者到达内部临界层后被输送到 下游。 国内的许多专家和学者利用量纲分析方法对不同形式和排放条件的污水排 放口进行了物理模型试验研究，取得了大量的宝贵资料和工程经验，推动了我国 污水处置技术的发展。采用该方法，韦鹤平( 1 9 8 9 ) 分别对上海星火工业园区污 水排海工程排放口模型进行了实验研究，得出了适用于该工程的排放口参数；徐 高田( 1 9 9 7 ) 结合上海河流污水治理二期工程白龙岗排放口水利模型试验，采用 量纲分析法对近区初始稀释度的变化规律进行了研究，得出了描述该排放口条件 下初始稀释度变化规律的经验公式。 我国学者韩保新( 1 9 9 6 ) 等人研究了一种污水排海的近远区计算与控制方法， 并应用于大亚湾水容量计算和污水排海。槐文心和李炜( 1 9 9 3 ) 应用此方法研究 9 海底管线溢油在水体中的输移扩散数值模拟研究 了浮射流卷吸模式本身的特性。徐高田和韦鹤平( 2 0 0 i ) 通过建立并求解积分控 制方程的方法，对动水环境下单喷口浮射流的近区稀释扩散特性进行了研究，建 立了计算污水单喷口出流近区稀释扩散特性的数学模型。卞晓静( 2 0 0 6 ) 运用标 准k e 紊流模型和易实现k e 紊流模型对横向流动条件下垂直动量射流的混合 特性进行了数值模拟；马晓永等( 2 0 0 7 ) 采用控制体积法发展了一套非结构化动 网格模拟方法，对二维零质量射流进行数值模拟。张土乔等( 2 0 0 6 ) 提出了浅水 环境中垂向纯射流的流速分布公式，并对静止均匀浅水水域中的铅垂圆形单孔纯 射流进行了数值模拟；周丰等( 2 0 0 7 ) 、马健等( 2 0 1 0 ) 又模拟了浅水流动环境 中的垂向缝隙射流，并对比了数值模拟与物理模型试验结果，吻合较好； 1 4 本文的工作 综合以上文献，多数溢油模型是针对海面溢油情况的模拟研究，或直接把海 底溢油作为点源进行处理，而忽略了溢油近区的行为，从而影响了计算结果的准 确件，不能更好的预测海底管线溢油归宿。本文针对海底输油管线溢油的输移扩 散，选用拉格朗日控制体方法建立模型进行溢油近区模拟，研究溢油从管线溢出 抵达海面所经历的时间以及抵达海面后溢油的扩散范围等，从而更好的评价溢油 对海洋环境的影响。本文将所建的模型应用于南海北部的陆丰7 2 油田，具体t 作和研究内容如下： ( 1 ) 搜集南海北部海域的潮流资料，整理后作为潮流模型的验证数据； ( 2 ) 采用b a e k h a u s 的三维潮流模型对南海北部海域进行潮流数值模拟，得到 背景潮流场，为溢油模型的输入做准备； ( 3 ) 利用拉格朗日控制体方法，建立海底管线溢油的近区输移扩散模型，并利 用收集的文献中的实测实验数据对模型进行验证； ( 4 ) 对南海北部的陆丰7 2 油田海底输油管道的具体参数进行调查； ( 5 ) 运用海底管线溢油模型模拟陆丰7 2 油田附近海底管线发生溢油后，溢油 的输移扩散行为，研究不同环境流体性质下和不同溢油时刻，溢油在水体 中的扩散轨迹、抵达海面时间和海面溢油扩散面积等。 1 0 2 三维水动力模型的模拟 2 1 水动力模型 2 1 1 控制方程组 取x 缈平面为平均海平面，x 轴向东为正，y 轴向北为正，z 轴以平均海平 面为零，向上为正，三维非线性潮波运动方程为： 害+ 掣+ 等+ 掣珊石l 瓦o p7 1 _ i a t x x 鲁+ 挚= 。 汜， 妄+ 警+ 等+ 掣一知砖考弓每+ 可o r y y + 誓瑚 2 ， _ o u + 一0 v + 一0 w ；o 瓠如a z 望+ p g ：0。+ p g = 0 2 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 其中：g 为重力加速度；f = 2 d s i nq o 为科氏参数；q 为地转角速度；妒为 地理纬度；甜、v 、w 分别为x 、y 、z 方向的流速；p 为压强；p 为海水的密度；r 为切应力。 2 1 2 边界条件 海面边界条件： 动力学：( r 小r y 。) = 0 ， l j x l , r y 。分别为x ，y 方向上的风应力。 运动学：害= 心一以砉一k 熹 其中：比、k 分别为表层垂直流速和水平流速的东分量与北分量： 海底边界条件： 动力学：r ；= 4 ( i o u ) 。；f = 4 ) 。 o z o z 运动学：+ 妻+ v 6 妻：o cdv 海底管线溢油在水体中的输移扩散数值模拟研究 其中：w b 、屹为底层垂直流速和水平流速的东分量与北分量； 固体侧边界条件： 动力学：如i a u = o d 玎 运动学：u c o s 0 + v c o s , b = 0 2 2 计算域和网格设置 计算潮流场时，计算域选为1 1 4 。3 0 7 e 1 1 7 。e ，2 0 。3 0 n 岸界围成 的海域( 如图2 1 所示) ，采用矩形网格计算，网格大小为1 x 1 ，垂向从海底到 海面分为2 0 层，图2 - 2 为计算网格示意图。 图2 1 计算域及验证点位置示意图 海底管线溢油在水体中的输移