（环境科学专业论文）黄浦江溢油事故的数值模拟研究.pdf

摘要 要求。结合灵敏度分析和黄浦江预案研究总结出在不同风场条件下黄浦江溢油 对松浦大桥取水口的影响规律。 关键词：黄浦江，溢油，m i k e2 1 ，模型，预案速查手册 a b s t r a c t a b s t r a c t o i ls p i l lm o d e li st h ec o r ep a r to ft h eo i ls p i l le r m e r g e n c yr e s p o n s es y s t e m , w h i c hc a r lp r e d i c tt h ec h a n g eo f o i lc o m p o s i t i o n , p r o p e r t y , s t a t ea n df a t eo f t h es p i l l e d o i la n dp r o v i d es c i e n t i f i ci n f o r m a t i o nf o rd e c i s i o n - m a k i n gs u c ha s c h o o s i n gt h e p r o p e rc l e a n i n gm e t h o da n de v a l u a t i n gt h ed a m a g e m a n ys t u d i e sh a v e b e e n c o n d u c t e do i lt h es i m u l a t i o no fo i ls p i l lb e h a v i o ra n df a t e m o s to ft h e s es t u d i e sa r e a b o u tm a r i n eo re s t u a r i n eo i ls p i l lw i t hf e wo nr i v e r i n eo i ls p i l l w h i c hi sn o ti n a c c o r d a n c ew i t ht h eh i g hf r e q u e n c yo f r i v e ro i ls p i l la c c i d e n t sn o w a d a y s i nt h i ss t u d y , t w od i m e n t i o n a lh u a n g p ur i v e ro i ls p i l lm o d e l ( h r o m ) h a sb e e nd e v e l o p e d a p p l y i n gt h em i k e2 1s o f t w a r ep a c k a g ed e v e l o p e db yd h iw a t e ra n de n v i r o n m e n t ， d e n m a r k b e h a v i o u ro fs p i l l e do i li n t i d a lr i v e r sw a sa n a l y s e da c c o r d i n gt oi n d o o r e x p e r i m e n t s ，b a s e do n w h i e l lt h ev a l u e so fm o d e lp a r a m e t e r sw e r ed e t e r m i n e d i m p o r t a n tf a c t o r sa f f e c t i n gt h eb e h a v i o u ro fs p i l l e do i li nt i d a lr i v e r sw e r ea n a l y s e d w i t l ls e n s i t i v i t ys t u d y , b a s e do nw h i c ht y p i c a lo i ls p i l ls e c e n a r i o sw e r es i m u l a t e df o r t h eh u a n g p ur i v e ra n daq u i c k q u e r yh a n d b o o ko ft h e s es c e n a r i or e s u l t sw e r em a d e i no r d e rt om a t c ht h es t r i c tr e q u i r e m e n tf o ra t i m e l ye m e r g e n c yr e s p o n s e d e t a i l e ds t u d i e si n c l u d e ：1 1t w od i m e n s i o n a lh y d r o d y n a m i cm o d e lo ft h e h u a n g p ur i v e rf r o mm i s h i d ut ow u s o n g k o uw a sb u i l tb ym i k e2 1h dm o d u l ew i t h af i n er e s o l u s i o no f1 5 mx1 5 m , c a l i b r a t e dw i t ht h em e a s u r e m e n t si n1 9 9 9a n d2 0 0 3 a n dv e r i f i e dw i t ht h em e a s u r e m e n t si n1 9 7 1 ，1 9 8 4 t h eh dm o d e lh a ss h o w nah i 曲 a c c u r a c ya n dc a nb eu s e df o ro i ls p i l lm o d e l t w od i m e n s i o n a lo i ls p i l lm o d e lo f t h eh u a n g p ur i v e rw a sb u i l tb ym i k e2 1s am o d u l eb a s e do i lt h eh dm o d e l ， m o d e l i n gt r a n s p o r t , w e a t h e r i n ga n dh e a tt r a n s f e r i n gp r o c e s so fs p i l l e do i l 3 1 h y d r o d y n a m i ca n do i ls p i l lp r o c e s si n t i d a lr i v e r sw e r ea n a l y s e da n ds i m u l a t e dw i t l l t h ei n d o o re x p e r i m e n t s ，f r o mw h i c ht h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h er i v e ro i ls p i l lp r o c e s s w e r ed r a w na n dt h em o d e lp a r a m e t e rv a l u e sw e r ed e c i d e df o rh r o m f u r t h e r m o r e , t h em o d e lw a sv a l i d a t e db ys i m u l a t i n gt h e 8 5 ”o i ls p i l la c c i d e n tt h a to c c u r r e d a u g u s t 5 ，2 0 0 3i nt h eh u a n g p ur i v e f 4 ) t h ei m p a c to f w i n d , c u r r e n t , f i d e , t e m p e r a t u r ea n ds p i l lm o t m t i ! i a b s t r a c t o nt h eb e h a v i o u ro fr i v e ro i ls p i l lw a ge v a l u a t e d ei nt e r m so fo i ls l i c kl e n g t h , d r i f ts p e e da n d a f f e c t e da r e a , a n dam a t r i xo ft h ei m p a c td e g r e ew a sm a d e i tw a sf o u n dt h a tw i n da n dr i v e r m o r p h o l o g ya r et h em o s tt w oi n a p o r t a n tf a c t o r so fd a t c r m i n n i n gt h ed r i f ts p e e da n da f f e c t e da r e a o f o i ls l i c k w h e nw i n ds p e e de x c e e d s0 5m s ，o i ls l i c kw i l le a s i l ya r r i v ea tt h er i v e rb a n k , p a r t l y r e t a i n i n gt h e r e , w h i c hi sq u i t ed i f f e r e n tf r o mm e o i ls p i l la n dh a si m p o r t a n ti m p l i c a t i o n si n e m e r g e n c yr e s p o n s e 5 ) t y p i c a lo i ls p i l la c c i d e n t su n d e rd i f f e r e n tw e a t h e r , c u r r e n t ，t i d e a n ds p i l ls i t e si nt h eh u a n g p ur i v e rw e r es c r e e n e da n da b o u t1 0 0 0s c e n a r i o sw e r e m o d e l e d aq u i c kq u e r yh a n d b o o ko ft h e s ea c c i d e n ts c e n a r i or e s u l t sw a s p r e p a r e d o n c ea no i ls p i l la c c i d e n th a p p e n s ，i tc a nb ec o m p a r e dt ot h es i m u l a t e ds c e n a r i o sa n d t h er e s u l to ft h em o s ts i m i l a ro n ec a nb eu s e da sa ni m m e d i a t ee v a l u a t i o n i n t e g r a t i o n o f q u i c kq u e r yh a n d b o o ka n dr e a l - t i m em o d e ls i m u l a t i o nc a nm a t c ht h er e q u i r e m e n t s f o rat i m e l ya n da c c u r a t er e p o n s e t h er i s ka n di m p a c to fp o t e n t i a lo i ls p i l la c c i d e n t s o nt h ew a t e ri n t a k el o c a t e da tt h eu p p e rh u a n g p ur i v e rw h i c hp r e s e n t l yp r o v i d e s s o m e8 0 o fm u n i c i p a lw a t e rs u p p l yf o rt h es h a n g h a im u n i c i p a l i t yw e r ea l s o a n a l y s e d k e yw o r d s ：h u a n g p ur i v e r , o i ls p i l l ，m i k e2 1 ，m o d e l ，q u e r yh a n d b o o ko fs c e n a r i o r e s u l t s i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的e i j 届f j 本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 卅 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 矿q 热1 v 年了月 日 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 溢油事故及其对环境的影响 近几十年来，由于工业的迅速发展，石油及石油制品的需求量急剧上升， 石油工业和石油运输业得到了迅猛发展，在石油开采、炼制、水上运输、储存 等环节中发生溢油的风险逐年增加，每年约6 0 0 万吨的石油由于突发性事故进 入海洋、河流和其它水域，造成了极其严重的污染“1 。从1 9 5 8 年到1 9 8 5 年期问， 全世界溢油事故溢油量在1 0 0 0 吨以上者共有1 0 0 余起，其中最大一次溢油量达 到了2 4 万吨。一般海洋溢油规模较大，有时甚至会造成污染区域的环境状况和 生态系统在几年甚至几十年内得不到恢复”1 。河流溢油规模相对较小，但有其 自身特点，河流溢油的引发因素较多，发生频率高，船舶溢油泄漏、企业事故 排放以及公路事故泄漏等都易引起的河流突发性水污染事故；河流的功能较多， 河流溢油影响较大，河流除了承担内陆航运之外，还有生活工业用水水源地， 生物栖息地，水产养殖，景观等多项功能，一旦发生溢油事故，对工业生产用 水、人们日常生活用水、生态平衡和人居环境等构成威胁。近年来，由于河道 沿岸储油设施和工厂的新建，内河航运及穿越河道的输油管道布设使得内陆河 道溢油的风险加大“。1 9 8 9 年1 月，在m o n o n g a h e l a 河上发生了美国历史上最 严重的河流溢油，一个储油罐的坍塌，溢出了1 7 0 0 0 桶的柴油，一天之内油层 到达了p i t t s b u r g h 附近的o h i o 河，并继续向下游漂移，影响了饮用水的取水 口”1 。1 9 9 5 年6 月1 9 日，在长江万县江段发生了一起碰撞溢油事故，1 0 2 8 吨航 空煤油溢入江面。1 9 9 7 年6 月3 日发生在长江南京锚地的爆炸沉船事故使得近 千吨原油溢入水体，造成了大面积的江面污染。1 9 9 8 年3 月2 4 日珠海附近水域 的碰撞溢油事故溢漏燃油5 8 9 7 吨，养殖场、风景区、红树林遭到严重污染。 2 0 0 2 年5 月1 4 日，在上海市黄浦江上游水源保护区发生了一起企业事故排放， 造成2 7 吨重油泄漏，对取水口产生严重威胁。2 0 0 3 年8 月5 日，上海市黄浦 江准水源保护区的船舶碰撞事故造成8 5 吨燃油泄漏，监测断面石油类超标4 0 倍，对上游取水口产生严重威胁* 。 原油及其炼制品是由各种烷烃、芳香烃和非烃类化合物按一定比例组成的 第1 章绪论 复杂化学混合物。油污染物对大气圈、岸滩、生物圈造成污染和破坏，危害人 体健康和生存环境“。，主要有： 1 石油对大气的污染。含油废水中含有挥发性有机物，且因以浮油形式存 在的油形成的油膜表面积大，在各种自然因素作用下，一部分组分和分解产物可 挥发进入大气，污染和毒化上空和周围的大气坏境，甚至因扩散而造成更大范围 的污染。 2 石油对岸滩的污染。油类可以相互聚成油团块，或黏附在水体中固体悬 浮物上，形成油疙瘩，聚集在沿岸、码头、风景区，形成大片黑褐色的固体块， 破坏自然景观。溢油污染能够存在l o 年以上，其自然生态长期受到危害，受油 污染的岸滩中，对中粗沙滩、砾石滩，溢油能渗入很深的深度，很难清除干净， 产生长期有害的影响，溢油毒性作用可持续多年，阻碍生物的重新集群。 3 石油对生物的毒性可分为两类，一类是大量石油造成的急性中毒；另一 类是长期低浓度石油的毒性效应“”。一般轻质油的炼制油品毒性比原油大，石油 及石油产品的毒性与其中含有的可溶性芳烃衍生物( 苯、奈、菲等) 的含量成正比 关系。石油对鱼类的影响主要是通过鱼鳃等器官直接摄入或黏附石油影响呼吸及 分泌功能，或对鱼卵、幼鱼及鱼类生存的生态系统产生影响；鸟类体表黏上石油 会丧失飞行功能，摄入体内可使肝、肺、肾等器官发生损害并减少白细胞数目， 造成鸟类死亡。油类还附着在植物根茎部影响其对养分的吸收，使其减产或死亡。 浮游动物则对水中分散的和溶解的石油烃很敏感，但对浮油不太敏感。大多数无 脊椎动物和脊椎动物摄取多环芳烃后产生有基因毒性的产物，萘对某些生物的呼 吸、光合成、三磷酸腺苷的产生、碳的同化作用和类脂生成等均有影响，多环芳 烃可与核酸结合，导致生物发育异常。 4 石油对人的危害主要是人类直接或间接地摄取各种石油蒸馏物而引发 的各种中毒症状。受到影响的器官有：肺、胃肠、肾、中枢神经系统和造血系统。 中枢神经系统症状有：衰弱、嗜眠、痉挛、昏迷。石油物质中的苯和多环芳烃类 还是致癌物质。 1 2 上海市水源地安全与保护 上海市地处华东地区中部，长江入海口处，东临东海，与江苏、浙江两省 毗邻，全市面积约6 3 4 0 平方公里。上海市在我国沿海和长江流域两条经济发展 2 第1 章绪论 轴的交汇点上，交通便利，腹地广阔，地理位置优越，是一个良好的江海港口 上海是我国重要的工业基地和最大的经济中心，2 0 0 5 年全市国内生产总值达到 9 1 4 3 9 5 亿元。全市常住人口1 7 7 8 万人，户籍人口1 3 6 0 2 6 万人。全市用水总 量为1 1 4 5 8 亿立方米。其中，电力工业用水量为6 8 1 5 亿立方米，一般工业用 水量为1 1 2 3 亿立方米，居民生活用水量为8 1 2 亿立方米，公共生活用水量为 8 3 2 亿立方米，农业用水量为1 8 7 6 亿立方米。上海作为我国的经济、金融、 贸易、航运中心，正处于实现国际大都市建设的进程之中，城市对用水数量和 质量的需求日益增加。目前上海市的水源地主要包括黄浦江上游水源地、陈行 水库水域水源区( 包括嘉定墅沟河水源区) 和在建的青草沙水域水源区，图1 是上海市水源地格局“。自南、北沙港至淀峰4 9 k m 的黄浦江水域，淀山湖与 元荡、沿江湖两岸纵深5 k m 陆域以及大泖港、园泄泾上溯l o k m 的水域，划为黄 浦江上游水源区，包括商榻片水域。黄浦江上游水源区是上海市第一大水源地， 取水规模为7 4 7 m 3 d ，约占总规模的8 0 。黄浦江上游水源地作为上海市的第一 水源地，对上海地区可持续性发展起着举足轻重的作用，尽管规划中长江水源 地建设有助于缓解黄浦江的供水压力，但介时黄浦江仍将承担全市总供水量 5 0 ，另外，长江水源地还受盐水入侵和长江口污水排放等诸多因素的影响，因 此，为了确保上海市安全稳定供水必须加强黄浦江上游水源地安全保护的研究。 第1 章绪论 图1 1 上海市水源地格局 4 第1 章绪论 1 3 黄浦江“8 5 ”溢油事故 “8 5 ”重大溢油事故是近年来发生在上海港准水源保护区最严重的一次 船舶溢油污染。污染造成准水源保护区内大面积污染，经济损失巨大，环境遭 到严重破坏，人民健康和饮水、用电受到严重威胁“”1 。 2 0 0 3 年8 月5 日，中海集团“长阳”轮停泊在上海黄浦江准水源保护区内 的吴径热电厂六期码头卸货。4 时2 2 分其左舷船尾重柴油舱遭受往上游方向航 行的“浙长兴货0 3 7 5 ”轮碰撞，造成该处呈“l ”形开裂破口，约8 5 吨左右的 燃料油流入江中。受潮流、风向影响，溢出的8 5 吨燃料油全部积聚在浦西段( 从 吴径热电厂六期码头往上游方向至闸港) 8 公里的区域内，近1 5 力平方米的湿 地、码头构件、沿线岸壁遭受不同程度污染，图2 是“8 5 ”事故现场图片。随 着潮汐的涨落，积聚的污油不时向水中扩散，造成上述区域沿线水域大面积污 染，水体中石油类含量实测最大浓度达2 m g l ，超标4 0 倍。污染区域内的电厂 取水口受到影响，污染区域上游的民用取水口也都受到威胁。 图1 2 “8 - 5 ”事故现场图片 事故发生后上海市委市政府成立了以副市长为总指挥的“8 5 ”浦江应急行 动指挥部，联合了上海海事局等多家单位的人力物力，共投入上海警备区和武 警上海总队官兵5 4 8 5 人次，专业清污人员2 7 9 8 人次，海事人员5 3 4 人次；清 污船1 6 5 艘次，垃圾运输船1 2 0 艘次，打捞船8 3 艘次；围油栏7 9 0 0 米，吸油 5 第l 章绪论 毡5 2 7 8 吨，编织袋1 5 9 5 0 0 只，草包2 0 0 8 2 0 只等，共回收油污水5 4 5 吨，清 除岸线8 2 7 0 米，回收沾油水草及含油废弃物6 5 0 0 吨。经过了7 天8 夜的连续 作战，才有效遏制了污染事态的进一步恶化。 黄浦江“8 5 ”溢油事故对经济、生态环境、工业生产、居民生活、公共管 理等多方面造成了极大的影响。( 1 ) 在人力上不仅动用了上海港全港的溢油清除 力量，而且还动用了警备区和武警部队；在物资方面，不仅动用了上海全港和 邻近省市的溢油清除器材和设备，还动用了上海市防灾抗灾的战略储备物资， 造成1 8 0 0 多万直接经济损失；( 2 ) 近8 公里的水域、岸线、1 5 万平方米的湿地、 码头构件等遭受不同程度污染，环境影响不可估计；( 3 ) 溢油污染区范围内包括 1 2 个码头和2 个工业取水口，影响了企业正常运营；( 4 ) 事故引起了社会的广泛 关注，当地的报纸、电视台和广播电台，还有中央电视台、香港凤凰台和其他 一些全国性的报纸、国外一些著名电视台也作了相关报道，上海许多市民打电 话、写信到市政府，要求说明污染的情况，影响了社会的稳定；( 5 ) 事故应急、 评估、赔偿等过程中组织了多个部门的人力物力，相关的法律、应急体系、评 估体系都受到了严峻挑战，增大了社会公共管理的压力。 黄浦江“8 5 ”溢油事故应急中暴露出应急体系不完善、缺少有效的监控 手段和污染扩散、污染损害的评估模型、溢油跟踪和预警机制用来指导应急行 动等一系列问题。 1 4 研究内容、意义和技术路线 黄浦江作为上海市主干河道是上海市8 0 用水的水源地，还承担着泄洪、 航运、景观等多项功能，一旦发生溢油势必影响到上海市经济生活等活动。黄 浦江是上海市的黄金水道，过往船只突发性污染泄漏事故的风险较高，据统计， 1 9 8 4 年至2 0 0 3 年间黄浦江水域共发生突发性船舶污染事故8 1 8 起，共计约1 4 1 5 吨污染物。因此，迫切需要建立一套溢油应急反应系统用于黄浦江突发性溢油 事故的应急响应。溢油预测模型是溢油应急反应系统的重要组成部分，它能预 测溢油在扩散漂移过程中组份、性质、状态的变化及最终归宿，为应急决策的 制定、清除手段的选择及溢油损害的评估提供依据。国内外在海洋河口区域的 溢油行为归宿数值模拟研究较多，但针对狭长型的内陆河道溢油数值模拟方面 的研究鲜见报道，这与当今频繁的河流溢油事故极不相称。本课题作为上海市 6 第1 章绪论 科委重大科技攻关项目“黄浦江突发性污染事故预警预报系统与河网水环境决 策支持系统研究”的予课题：黄浦江溢油数学模型系统研究，以丹麦水环境研 究所开发的m i k e2 1 软件为平台，建立黄浦江二维溢油模型，结合物理模型试 验结果研究狭长型感潮河道溢油传输扩散行为，通过灵敏度分析研究河流溢油 过程主要影响因子，根据这些影响因子建立黄浦江溢油事故预案速查手册。 1 。4 1 主要研究内容 1 建立黄浦江二维水动力模型，利用潮汐预报模型模拟黄浦江水位变化， 为黄浦江二维溢油数值模拟提供水动力基础数据。 2 建立黄浦江二维溢油模型，模拟溢油进入水体后发生扩展、漂移、扩散 等油膜组分保持恒定的输移过程，蒸发、溶解、乳化等油膜组分发生变化的风 化过程和在溢油的输移和风化过程中伴随着的水体、油膜和大气三相间的热量 迁移等过程。 3 应用水槽非恒定流和溢油过程试验结果进行数值模拟，为黄浦江溢油参 数的确定提供依据。 4 针对风场、径流量等影响因子设计模拟工况，通过分析各工况计算结果， 研究狭长型感潮河道溢油输移过程的主要影响因子，分析河道溢油的特点。 5 分析各种情形的事故场景，应用所建立的黄浦江溢油模型对不同气象条 件、不同上游径流量、不同潮型及不同事故发生地点的工况进行模拟分析，建 立黄浦江溢油事故场景的预案速查手册，为黄浦江突发性溢油事故的应急响应 提供支持。 1 4 2 研究特色和创新点 1 模型中水平( 横向和纵向) 扩散系数的取值非常重要，反映了油粒子在 水体中的扩散强度和随机紊动强度，对模拟结果影响较大，而且不同的应用场 合下取值范围差别很大。本文通过物理模型试验和数值模拟相结合的方法，研 究狭长型感潮河流溢油模型扩散系数取值，为黄浦江二维溢油模型参数取值提 供参照。 2 河流溢油过程影响因子包括流场、风场和油种等，各影响因子对河流溢 油过程影响程度不同于海洋溢油，本文通过对河流溢油过程灵敏度分析，研究 7 第1 章绪论 河流溢油过程的特点，首次建立了河流溢油过程中各影响因子对于漂移速度等 指标的影响度矩阵。 3 应用所建黄浦江溢油模型，通过改变主要输入条件，模拟各种风场、流 场和事故发生位置的溢油场景，首次建立了黄浦江溢油事故预案速查手册。将 预案速查手册与实时预报相结合，满足了黄浦江溢油事故应急决策和应急响应 对信息的时效性和准确性要求。 1 4 3 研究技术路线 图1 3 是本文的技术路线： 图1 3 技术路线框架图 第2 章国内外研究综述 第2 章国内外研究综述 2 1 河流水动力数值模拟研究 2 1 1 水动力数值模拟研究的发展 早在一百多年前人们对流体运动有了基本的认识，n a v i e r ( 1 8 2 2 ) 、p o i s s o n ( 1 8 2 9 ) 、s a i n tv e n a n t ( 1 8 4 3 ) 和s t o k e s ( 1 8 8 5 ) 等的研究，奠定了流体运动一般 规律的理论基础，r e y n o l d s l 8 8 5 年首次用潮汐河口模型研究英国m e r s y 河口的 潮汐水流。 1 9 世纪的s a i n tv e n a n t 方程开启了水流数值模拟理论研究的大门。二十 世纪初，s t e r n e c k ( 1 9 2 0 、1 9 2 1 ) 和d e f a n t 就已给出了一维潮流方程的数值解法， 并且对一些狭长水域进行了计算，取得了相当好的结果。但真正意义上的数值 模拟则是计算机诞生后才开始的。随着计算机技术的迅速发展，水动力数值模 拟在研究与应用中都有了长足的发展。 水平面二维水动力数值模拟技术在浅水区域应用极广。在平面二维水动力 数值模拟系统中，按差分网格的形状分，有正方形、矩形、四边形、三角形、 曲线坐标网格以及多种形状网格的组合等：按时问计算方法分，有显式法、隐 式法、显隐式混合法等；按模拟格式分，有交替隐式差分方法( a d i ) 法、破开 算予法、有限体积法、有限元法、准分析法、贴体坐标法等。二维水动力数值 模拟研究历史可追溯到二十世纪五、六十年代，该时期在大量一维数值模拟的 基础上，出现了一些较简单的二维模型，主要用以研究水流运动规律。1 9 5 2 年 至1 9 5 4 年l a s a c s o n 、s t o k e r 和t w e s c h 首次建立了m i s s i s s i p p i 河和o h i o 河 部分河段的水流模型。1 9 5 2 年h a n s e n 利用潮汐运动的周期性，简化基本方程， 提出了二维潮流数值计算的边值方法，并用计算机成功地对北海潮流场进行了 模拟。p r i t c h a r d 等将热扩散的研究方法移植并应用于感潮河流的盐淡水混合 过程。1 9 6 5 年两位著名的力学家z i e k i e m l c z 和c h e u n g 提出用有限元法解决势 流问题，使基于经典变分原理的r e y l e i g h ( 1 8 7 7 ) 、r i t z ( 1 9 0 9 ) 和g a l e r k i n ( 1 9 1 5 ) 方法在水流数值计算中得以直接应用。七十年代，二维模型得到深入的研究和 9 第2 章国内外研究综述 广泛的应用，许多学者在感潮河流、近岸海域潮流模拟中应用包括有限差分法、 有限单元法、特征线法等模型数值解法，并在这些方面进行了探索，如 l e e n d e r t s e ( 1 9 7 0 ) 发展了有限差分法的半隐差分格式；y a n e n k o ( 1 9 7 1 ) 啪1 提出 了著名的分裂算子法，解决了许多实际问题。八十年代至今，二维模型的研究 和应用已日渐完善，不仅经典的数值方法得以改进和提高，而且不断有新的内 容啪侧丰富该研究领域。在感潮河流的潮流数值模拟中有限差分法( f d m ) 应用较 为广泛。为了很好地拟合复杂的固岸边界和河床地形，并可随意布置和加密网 格，不少学者研究出了三角形或多边形网格差分法，形成显式、隐式或半隐半 显式的f d m 法“7 删。如二维不规则三角网格的潮流数学模拟汹1 ；四边形等参单 元法数学模型啪1 ；边界拟合坐标法及f d m 的结合应用等o “。g r o t k o p ( 1 9 7 3 ) 、 c h u n g ( 1 9 7 8 ) 应用有限单元法对潮流进行了成功的模拟。4 。，这一方法在流体力 学中的应用还有河口浅水方程的隐式和显式有限元解法1 、求解浅水流动的分 步有限元法及具有潮滩边界的浅海环流有限元模型等。娄安刚等将有限元 分步杂交法啪1 、李世森等将垂向二维有限元法1 应用于具体的研究中，均取得 较好的模拟效果。p a r t a n k a r ( 1 9 8 4 ) 提出的有限体积法( f v m ) 也开始出现在河口 潮流的数值模拟中1 ，朱良生( 1 9 9 5 ) 就将有限体积法应用于琼洲海峡近岸二 维海流数值计算方法中“”；考虑到复杂的边界形状，t h o m p s o n ( 1 9 7 4 ) 提出了 边界拟合坐标法形成曲线网格体系来划分模拟区域，随后w a n gj i a h e 等 ( 1 9 9 4 ) “”、w e iw e n l i 等( 1 9 9 5 ) 的边界拟合正交曲线网格坐标系下利用有 限体积法对河口及港口等潮流场进行了模拟汁算，郭庆超等推广控制体积法并 应用于二维潮流计算中。陈景仁( 1 9 8 4 ) 提出了有限分析法( f a m ) ，由于该方 法有多方面的优越性而开始被工程界和数学界的重视，杨屹松( 1 9 8 8 ) 呻1 又进一 步发展为混合有限分析法及混合有限分析多重网格法，具有较好的模拟效果。 分裂算子解法早在2 0 世纪5 0 年代就由y a n e n k o 提出，但当时未引起学术重视， 计算机的发展使之得到广泛应用。2 0 世纪8 0 年代中期，张二俊等人以分步 法概念为基础，以分步子方程的解析解为依据提出了准分析法“”，还有潮波能 谱法。1 、a d i - q u i c k 格式”1 等解法出现，均在流场模拟方面取得一定效果。同 时作为动边界处理技术，何少苓等提出了窄缝法并在边界变动的潮流模拟中应 用1 ，曹祖德等提出了水位变化和漫滩流速的井点法，而干湿网格判别法近 来应用较多“。 二维数值模拟大多基于垂向深度平均方程，垂向流场分布并不能被反映出 1 0 第2 章国内外研究综述 来，因此三维问题研究逐渐发展起来。随着计算科学的发展，三维数值计算方 法业已取得巨大的进展”1 ，在空间离散上，有差分法、有限元法和有限体积法； 在适应物理域的复杂几何形状上，有贴体坐标变换及0 坐标变换；在时间计算 方法上，有显式、隐式、半隐式以及时间分步法；在模拟格式上，有a d i 法、迭 代法、多重网格法以及并行技术；在动边界处理上，有固定网格和动态网格技术： 等等。三维水动力学数值模拟研究在七十年代二维模型得到了深入研究和广泛 应用的同时也初见端倪。对于深水区域流场垂向分布较为明显，三维水动力学 数值模拟能得到更为精细的结果。但是，三维水动力学数值模拟计算时间较长， 对于河流等浅水体，在满足实际需要盼隋况下一般采用二维水动力学数学模型 进行数值模拟计算。 2 1 2 二维河流水动力数学模型 严格来讲，水的流动都是三维流动。n a v i e r s t o k e s 方程是描述该运动的 基本方程。直接求解n a v i e r s t o k e s 方程较困难，有些情况下甚至不可能。对 于水平尺度远大于垂直尺度的情况，水深、流速等水力参数沿垂直方向的变化 较之沿水平方向的变化要小得多，可以近似为浅水流动。将三维流动的控制方 程沿水深积分，并取水深平均，可得沿水深平均的二维浅水流动基本方程”。 浅水流动并不体现该运动水体绝对水深的流速大小，浅水流动的特征为： ( 1 ) 主要受重力驱动，并具有自由表面；( 2 ) 水平运动尺度远大于垂直运动尺度的 运动；( 3 ) 水平流速沿垂线近似均匀分布，可近似不考虑实际存在的对数或指数 等形状的垂线流速分布；( 4 ) 垂向流速及垂向加速度可忽略，从而动水压力接近 静压分布。如已给定水底形状。在上述条件下，要基本描述水流，只要知道沿 垂线平均的水平流速的平面流场，以及水深( 或水位) 平面分布随时间的变化 即可。因此，用三维不可压流运动方程组沿垂向积分，并利用上述条件，所得 的二维方程组就可以用于描述浅水流动。绝大多数的感潮河流都具备浅水流动 的基本特征，不少学者建立了相关的二维河流水动力数学模型，模拟结果表明 将一般的感潮河流水体流动近似为浅水流动可以模拟出较为精确的结果”“。 2 2 河流溢油数值模拟研究 第2 章国内外研究综述 基于对溢油灾害的认识，国际上溢油数值模拟方面做了大量的工作，比较 著名的有美国的o i l m a p 系统、英国的o s i s 系统、挪威的o s c a r 系统、荷兰的 m s t 系统、比利时的m u - s l i c k 系统。国内学者在溢油数值模拟方面做了大量的 工作，俞济清、黄立文等先后在舟山水域建立了溢油预报模型”；熊德琪、 严世强等在珠江水域建立了溢油预报模型”。；娄安刚、张存智、张波、刘彦 呈、孙长青、王鹏、刘钦政等先后在渤海湾水域建立了溢油预报模型”删；窦 振兴、张波等先后在辽东湾水域建立了溢油预报模型”“；汤军健等在湄洲湾 水域建立了溢油预报模型1 ；熊德琪、王只东等先后在大连海域建立了溢油预 报模型一；傅孙成等在南海海域建立了溢油预报模型3 ；娄安刚在胶州湾建 立了溢油预报模型4 ”。上述工作基本上集中于海洋或河口的溢油数值模拟研究， 国内外对于河流溢油数值模拟方面的研究甚少。基于对河流溢油潜在、负面影 响的认识，美国政府部l 1 并n 私人企业制定了溢油预防应急计划”“1 。在计划中， 一个重要的部分就是运用计算机预测溢油运动，及其可能产生的影响。河流溢 油数值模拟的研究有助于溢油应急决策、环境影响评估、水源地保护策略的制 定和应急训练。2 0 0 5 年，美国l o u i s i a n a 州建立了m i s s i s s i p p i 河下游溢油模 型，取得较好模拟结果”1 0 1 o 影响河流溢油行为归宿的各个因数与海洋基本相 似，但所占比重各不相同，这使得河流溢油数值模拟的具有自身特点。 2 2 1 溢油物理化学过程 油的属性、水动力条件、环境条件决定了物理化学变化过程。这些过程决 定了油层的传输和归宿“嘲。图2 1 介绍了油层传输和风化过程“咖。总之，溢 油运动主要由以下几个过程决定： 1 由流场和风场引起的对流； 2 油层的扩展包括紊流扩散和由重力、惯性力、粘性力、表面张力形成 的平衡力决定的机械扩展； 3 乳化及垂向上紊流混合； 4 由蒸发、溶解等风化过程引起的质量和物化性质的改变； 5 油与岸线的相互作用，某些悬浮油滴可能附着在悬浮颗粒物质上而慢 慢下沉到底部； 6 在长时间内，光化学反应和微生物降解也可以改变油的性质和减少油 1 2 第2 章国内外研究综述 的数量。 幽2 1 油层传输和风化过程 2 2 1 1 漂移 漂移即平流或对流，是控制表面油层和悬浮油层输运的主要过程。漂移模 拟在整个溢油动态模拟中占据着最重要的地位，只有精确的模拟漂移，才能够 对溢入水体的油团进行准确跟踪、定位，这是迅速清除溢油污染、最大限度降 低对环境危害程度的先决条件“。表面油层漂移运动的驱动力来自于水体的 表层流场和表面风场，而悬浮油层对流运动是悬浮油滴随着水流一起运动。因 此，表面风场对表面油层漂移的影响和表面流场求解是表面油层漂移数值模拟 研究的重点。在几乎所有的模型中，表面油层漂移运动是使用权系数法模拟的， 风速对漂移的贡献最常用的取值范围为0 0 3 o 0 4 。水体表面流速一般大于垂 向平均流速，表面流速可以通过平均流速的倍数关系、指数关系、对数关系等 方法求出。一般溢油数值模拟中，表面流速的求解都是通过倍数关系求解出来 的，表面流速对水体平均流速倍数常用取值为1 1 在m i k e2 1 中表面流场是 通过对数关系求解出来的，这种方法是通过分析流速的垂向分布建立出来对数 函数关系，更为精确地反应表面流场和平均流速的相互关系。风速与流速的矢 量叠加来决定总的表面漂移速度，一旦知道漂移速度，油粒子团的运动轨迹可 以通过数值积分计算出来。为了确保模拟的精确，时间步长必须与网格大小相 符，r o a c h e ( 1 9 7 2 ) 和c h e n g ( 1 9 8 4 ) 给出了用以满足时间间隔和网格大小关系的 标准。 如果拥有准确的风场数据和流场数据，表面油层和悬浮油层的漂移计算可 第2 章国内井研究综述 以达到很好的精度。风场数据一般是从附近气象站获得，而气象站的数据与实际 存在于河流附近的风场相关但有一定的差异。气象站的数据与实际存在于河流 附近的风场相关性取决于许多因数，包括气象站和河流的地理位置等。w e e k s 和d i n g m a n ( 1 9 7 2 ) 曾做了这方面的研究。 2 2 1 2 扩展和扩散 溢油刚进入水体后，由于油膜很厚，会迅速向四周扩展，当油层变薄和破 裂为碎片可以认为机械扩展停止了。油层的机械扩展增加了油层面积并加强了风 化过程例如蒸发、溶解和乳化。在溢油最初的数h r 内，扩展是影响溢油归宿的 主要过程。该过程的长短与油的种类、品质、粘性、温度等自身性质密切相关， 同时溢油量越大持续时间也越长。f a y “”删首先提出了在平静水面油膜的自身 扩展理论，该理论认为溢油进入水体后在重力、惯性力、粘性力和表面张力作 用下迅速扩展，并根据扩展期间主导力的不同而将扩展划分为三个阶段。起始 阶段，重力、惯性力是主导作用力；中间阶段，重力、黏性力是主导作用力； 终了阶段，表面张力、黏性力是主导作用力。f a y 扩展模型以平静水面为背景， 认为油膜成圆形扩展，这与实际观测情况相差较大。实际上，在感潮河流中， 由于受上游径流、潮流、复杂的河道形态等多重因数的影响水体运动特别复杂， 仅考虑扩展过程的溢油计算往往得不到令人满意的结果。j o h a n s e n 、e l l i o t 、 h u r f o u l 以及p e m 提出了描述油滴大小和分布的油扩散模型“”。这些模型能 够较为正确地预测溢油扩散的实际情况，比如，在风向上，油膜成直线并延伸， 整个油膜形成带状等。尽管如此，对在流场和风场作用下油扩展和扩散的机理 还需要作进一步研究。 2 2 1 3 蒸发 蒸发是石油烃的较轻组分从液态变为气态向大气进行质量传输的过程。石 油主要是由碳氢化合物组成的，包括烷烃系碳氢化合物、烯烃系碳氢化合物、 环烷烃系碳氢化合物、芳香烃系碳氢化合物等。低碳组分是非常容易蒸发的， 一般含c 原子数在1 4 以下的组分绝大部分是可以蒸发的“。石油的这种自 身组成特点决定了石油是一种易挥发的物质。因此蒸发是溢油风化的主要过程 之一，是溢油质量传输过程的主要部分，对于轻质原油、柴油、汽油其蒸发量 可以达到溢油总量的5 0 9 0 ，甚至全部蒸发”。蒸发在改变油层总量、影 1 4 第2 章国内外研究综述 响油层组成的同时，也改变着油的性质，使油的密度、粘度、表面张力等增加， 倾点上升“。此外蒸发还影响着其它风化过程，如扩散、乳化、溶解等。了解 蒸发过程有助于溢油残留量的预报、应急决策的制定和环境损害的评估等。溢 油的蒸发速率受油的组分、饱和蒸汽压、空气和海面温度、溢油面积、风速、 太阳辐射和油膜厚度等因素的影响，另外蒸发速率也受到溢油量的影响，溢油 量越大，挥发速度越慢。蒸发作用使油挥发到在大气中，它发生在溢油后的很 短的时间内o “”。油的机械扩展增加了表面油层面积，从而增加了蒸