（轮机工程专业论文）船舶防污底漆中tbt海上三维扩散研究.pdf

中文摘要 摘要 在人类文明高度发达的今天，环境污染日益引起大家的重视，其中船舶防污 底漆对海洋的污染正在引起世界各国的关注。船舶防污底漆会释放有机锡化物 t b t 、t p t 等，t b t 和啊，r 是人为引入水环境中最毒的化学物质之一，对多种生 物( 包括人类在内) 都有不同程度的毒害作用，许多国家已经将它i f n 入优先控 制的黑名单中，同时对各种水环境的有机锡污染状况进行了大规模的调查。我国 目前还没有明确的限制有机锡使用的法律法规，缺少有机锡污染的第一手资料， 更没有长期的控制、监测与研究计划。本文是在以普林斯顿海洋模式( p o m ) 为 基础，在对p o m 模式中开边界的处理进行了较为详细的介绍和改进后，建立了三 维水动力模型。并以三维对流扩散方程为基本控制方程建立；t 在海域中的三维 扩散模型，从数值优化求解污染物对流扩散方程这一角度来解决这一问题。为测 算t b t 在水里的浓度提供一种方法。 应用上述理论与方法，本文模拟了茂名海域的潮流三维流场。并以此为基础， 假定茂名海域规划新建修船厂，计算了修船厂的t b t 三维扩散情况。结果表明， 模型所采用的理论是正确的，方法也较为得当。 关键词：船舶防污底漆；t b t ；p o l l ；三维扩散 英文摘要 r e s e a r c ho nt h r e ed i m e n s i o n a ld i f f u s i o no ft b to fa n t i - f o u l i n g a ts e a a b s t r a c t i nah i g h l yd e v e l o p e dc i v i l i z a t i o nt o d a y , t h ei n c r e a s i n ge n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n c a u s e de v e r y o n e sa t t e n t i o n , i n c l u d i n ga n t i - f o u l i n gs y s t e m so nm a r i n ep o l l u t i o ni s c a u s i n gt h ew o r l d sa t t e n t i o n a n t i f o u l i n gs y s t e m sc a nr e l e a s es o m ek i n d so fo r g a n o t i n c o m p o u n d s ，t r i b u t y l t i n ( t b t ) a n dt r i p h e n y l t i n ( t p t ) ，t b ta n dt p ta g eo n eo ft h e m o s tt o x i cc h e m i c a l st ot h ea q u a t i co r g a n i s m s ，w h i c ha r eh a r m f u lt om a n yo r g a n i s m s ， i n c l u d e dh u m a n , s ot b ta n dt p th a v eb e e na p p e a r e d0 1 1t h eb l a c kl i s ti nm a n y c o u n t r i e s ，a n dt h e i ro c 9 3 u l t e n c ei na q u a t i ce n v i r o n m e n t sw 盯ei n v o s t i g a t e do nal a r g e s c a l e a tp r e s e n t , t h e r ei ss t i l ln os p e c i f i cl e g i s l a t i o nc o n t r o l l i n gt h eu s eo f1 b ta n d 唧i nc h i n af o rl a c ko f 耐g i n a ld a t aa b o u to r g a n o t i n sp o l l u t i o n , s a yn o t h i n go f l o n g - t e r mc o n t r o l ，m o n i t o r i n ga n dr e s e a r c hp r o g r a m s b a s e do nt h eo f p r i n c e t o no c 锄 m o d e l ( p o m ) ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e da n di m p r o v e dt h eo p e nb o u n d a r yc o n d i t i o no ft h a t , a n db u i rt h et h r e e - d i m e n s i o nd y n a m i cm o d e l t h et b tm o d d i n ga d o p t s t h r e e - d i m e n s i o n a la d v e e t i o n - d i f f u s i o ne q u a t i o nt os i m u l a t et h et b td i f f u s i o n , a d o p t s t h en u m e r i c a lo p t i m i z a t i o nm e t h o d st oa n a l y z ea n ds o l v et h ep r o b l e m sw i t ht h e a d v c c t i o n - l i f f u s i o ne q u a t i o n t op r o v i d eam e t h o dt oe s t i m a t ef o rt h ec o n c e n t r a t i o no f t b ti ns e a b a s e do nt h et h e o r ya n dm e t h o d sa b o v e , t h et h r e 静- d i m e n s i o na a r r e n tf i e l do f m a o m i n gs e aa r v ai ss i m u l a t e d a st h eb a s i sf o rt h ea s s u m p t i o nt h a tt h e r ew o u l d b ea n o wr e p a i rs h i p y a r di nt h ea r e ao fm a o m i n g , c o m p u t et h es p r e a do ft b ta r o u n dt h e n o wr e p a i rs h i p y a r dw e r ec a l c u l a t e d r e s u l t ss h o wt h a tt h et h e o r yi sc o l t e c ta n dt h e m e t h o di ss u i t a b l e k e yw o r d s ：a n t i - f o u l i n g ；t b t ；p o m ；t h r e ed i m e n s i o n a ld i f f u s i o n 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文竺魈舶随透底邃虫婴! 漫上三维芷趑研究= = 。除论 文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经 公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 芝劾司 论文作者签名：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“ ) 做作者签名 导师签名示矽请 e l 期：年月e 1 船舶防污底漆中n 玎海上三维扩散研究 第1 章绪论 1 1 海洋污染 世界海洋总面积为3 6 0 0 0 万k m 2 ，占地球总面积的7 l 。海洋在人类社会发 展史中占有非常重要的地位，海洋环境也是人类赖以生存和发展的物质基础，海 洋资源极为丰富。海洋不仅是天然宝库，也为大量运输物资和人员提供最价廉的 方式。海上运输是世界各国人民经济、文化交流的重要手段也是天然的交通大道， 随着工业技术的发展以及人口快速的增长，海上货运量逐年增加，世界船舶总吨 位和尺度也不断增加。但随之而出现的问题也越来越引起我们的重视，即海洋污 染问题。 同其他人类活动一样，船舶在通常的营运过程中，也不可避免的直接或间接 把一些物质或能量引入海洋环境，以至于产生损害生物资源、危害人类健康、妨 碍包括渔业活动在内的各种海洋活动、破坏海水的使用素质和舒适程度的有害影 响，即造成海洋污染。污染海洋的物质很多，例如原油的泄漏、散装化学品的泄 漏、船舶垃圾的排放等。近年来船舶防污底漆对海洋的污染越来越引起各个国家 的重视。 1 9 7 4 年，英国东海岸养殖者发现太平洋牡蛎( c r a s s o s t r e ag i g a s ) 出现贝壳增 厚现象( c h a m pa n ds e l i g m a n ，1 9 9 6 ) 。当时的野外调查曾认为这同水中无机颗粒 有关，是水体中的无机颗粒促进了贝壳的生长速度。然而，1 9 7 6 年在法国南部的 阿卡琼，又发现贝壳增厚成球形的现象，这次研究者发现同船舶数量有关，并开 始怀疑可能由船舶污染引起( a l z i e ue ta 1 ，1 9 8 9 ) 。调查者同时还发现在一些海湾， 已经没有附着的牡蛎幼体，这说明污染物对幼体造成了影响。在众多的污染物中， 科研人员联想到了自六十年代起引入海洋环境中的含有有机锡的防污漆。科研人 员在调查中发现，牡蛎死亡的原因同t b t 污染有关。实验证明，0 1 5 n g lt b t 便 可以导致c g i g a s 贝壳增厚，1 6n g l 时严重抑制牡蛎的生长，牡蛎对t b t 的富集 系数高达1 0 4 ( w a l d o c ka n dt h a i n ，1 9 8 3 ) 【。 第1 章绪论 1 2 船舶防污底漆 1 2 1 船舶防污漆的发展 当船舶航行时，其水下部分受到水的阻力，水上部分受到空气的阻力。在一 般情况下，水阻力是主要的。船舶受到的水阻力与船速及阻力系数有关。根据船 模或实船试验表明，水对船体的总阻力约为与船速的平方成正比，即r = a 。x v 2 ( 式 中：r 为水对船体的总阻力；v 为船速；a r 为阻力系数，与船体线型、排水量、 污底程度、海况等因素有关) 【2 1 。其中，因污底产生的阻力称为污底阻力，它是由 于污底使船体湿表面变得更粗糙，导致船体摩擦阻力及涡流阻力增加所构成的阻 力。由此可见船舶污底对船体总阻力有直接的影响。 船舶污底是指船舶在海上航行一段时间后，水线以下的船体表面会附着生长 一些海洋生物，如藤壶、软体动物和海藻等。船舶污底一方面增加了船舶的重量 和航行阻力，使船舶消耗更多的燃料；另一方面缩短了船舶坞修间隔期，降低船 舶的利用率和增加坞修费用。一艘没有防污底系统保护的船舶，在热带水域不到6 个月的时间内每平方米船体可附着污底1 5 0 公斤，对于一艘具有4 0 0 0 0 m 2 超大型 原油油轮，污底将达到6 0 0 0 吨。有效的防污底系统对船舶有很多有利的方面： 节省燃油消耗；延长了船舶进坞周期，增加船舶营运时间【3 】。 在开发海洋、利用海洋的历史进程中，人类一直面临着防除海洋附着生物的 问题。在木船船体外采用包覆铜皮防污是多年以前的历史。早在公元前7 0 0 年， 腓尼基人用铅皮包覆帆船船底，保护木材效果较好。中国古代海船就以结构坚固、 耐波性好、抗风浪能力强而著称。对航海的木船保护在宋代已广泛采用桐油和颜 料的油漆材料，防污方法有：定期上岸，清除污物：烟熏火烤，杀死船蛆：船底 涂白灰，称“白底船 ，具有防海蛆功效；采用短期在淡水中停泊，以改变海洋污 损生物的生活环境，杀死生物等。1 6 9 1 年英国海军成功引进采用铜皮包复木船的 方法，防海蛆效果良好，其他国家相继采用。1 7 3 7 年l e e 等人发明用沥青、焦油 和硫磺等组成的涂覆物，在英国使用，证明具有2 年以上的防污效果。 随着铁船的产生和发展，美国海军和许多西方国家的远洋船舶多采用铜皮包 复铁船的方法防污，1 7 5 8 年第一次在h m s a l a r m 船上采用铜皮防污。但是该方 船舶防污底漆中t b t 海匕三维扩散研究 法应用到钢质船体上就会产生非常严重的腐蚀问题，船的腐蚀严重问题已不亚于 防污问题，需要非常仔细地用木块在铁船和铜皮之间隔绝。由于铜皮抗海水磨蚀 性能有限，每年需要更换部分铜皮，并且建议船速不超过1 5 节。 防止铁船的腐蚀问题，促进了防污漆的发明。采用船底防污漆是船舶防污方 法中最方便可行的手段。最初的防污涂料技术可以追溯到1 6 2 5 年w i l l i a nb c a l e 的 发明，但是一直到1 9 世纪6 0 年代，才有可实用的防污涂料出现。到1 8 7 1 年底 在英国申请的防止船舶腐蚀和污损的专利已超过2 0 0 件。在实际使用的千百种防 污漆中，实际有效的是以砷、铜和汞化合物为毒料，树脂为热熔性热塑型漆和溶 解性冷塑型漆为主。这类防污涂料是以毒料缓慢地释放到船体表面的层流水层中， 以杀死在船体表面自由活动的附着生物幼体来达到防除的效果。从2 0 世纪初，船 底防污涂料已开始成功地应用到船舶防污上，二次世界大战和战后经济发展，为 争夺海上霸权，刺激了造船工业的发展，船舶防污漆的研究和防污方法的研究也 迅速发展。一直到2 0 世纪7 0 年代，铜和铜化合物( 主要是红色的氧化亚铜) 是防污 漆的主要防污剂，其他防污增效剂有氧化汞和有机金属化合物，如铅、汞、砷、 锌和锡。防污漆的类型以溶解型和接触型为主【4 】。 1 9 5 4 年v e nd e rk e r k 和l u i j t o n 发现一类以三丁基锡为基的毒料具有广谱杀海 洋附着生物的能力。现场试验表明，这类有机锡化合物的防污能力比氧化亚铜强 l o 到2 0 倍。2 0 世纪6 0 年代生产出了以1 b t 、t p t 一类的有机锡化物为防污漆的 杀虫成分的防污漆，它比起汞、砷和d d t 更有效而且毒性要小。早期含n 玎的 防污漆，是将1 b t 分散到树脂基质中，当船体上的防污漆与海水接触时，t b t 就 会溶出而进入海水中，杀死藤壶、软体动物和藻类等海洋生物。由于t b t 是自由 分散在防污漆中，无法控制其溶出释放速度，所以这种防污漆在开始时1 1 3 t 溶出 速度很快，防止污着的作用明显，但是到了后期，随着防污漆中t b t 越来越少， 防污作用也越来越小。一般是1 8 2 4 个月，防污漆中的1 1 3 t 就会耗尽。 到了2 0 世纪6 0 年代末，防污漆的生产有了一个重大的技术突破，即把t b t 化合到聚合物基体上形成共聚物。这种防污漆的特点是，当与海水反应时，n 玎 与共聚物一起释放，表层消耗完后，海水再与下一层1 r i 玎与共聚物的共聚体反应。 第1 章绪 论 这样一层一层的消耗，从开始到最后，t b t 的释放速度较为均匀，所以在整个有 效期内防污性能差不多。这种防污漆被称为“自消耗防污漆( s e l f - - p o l i s h i n g p a i n t s ) 一。使用这种防污漆可使船体保持6 0 个月不发生污着，大大的延长了坞修 的间隔。由于1 1 3 t 在防止船体污着上的良好性能，到了2 0 世纪8 0 年代初，自消 耗防污漆占世界防污涂料用量的7 0 以上。当时全世界新建造的商船有9 0 左右 均涂装有自消耗防污漆，日本的新建商船更是几乎1 0 0 使用这种涂料，我国新建 造的商船也主要使用此类涂料【5 1 。 1 2 2 船舶防污底漆的危害 t b t 防污漆在杀死附着生物的同时，也会对非目标生物造成影响，并且被认 为是迄今为止人为引入海洋环境毒性最大的物质之- - ( c h a m p ，2 0 0 0 ) 。大量证据表 明t b t 对海洋生态系统造成的破坏极大。主要表现为： ( 1 ) 降解慢t b t 进入水体后，一部分在水中光和微生物的作用下发生降 解，速度较快，半衰期一般是几天或几周，生成毒性较小的d b t ( 二丁基锡 d i b u t y l t i n ) 和m b t ( 一丁基锡m o n o b u t y l i t i n ) 。另一部分进去微生物体内，并在体 内存留，这部分t b t 最终或经食物链传递给上一营养层，或死亡后沉降到海底。 还有一部分通过吸附在颗粒物上沉降到海底。由此可见，除了在食物链传递的以 外，大部分t b t 是在海底的沉积物中。沉积物中t b t 的降解速度很慢，约为1 3 5 天，在下层约为5 0 0 天；而在海底深层，由于缺氧或无氧，有机锡可能长期残留， 尤其集中在港口、泊位、修船厂和船坞等附近水域，致使沉积物中t b t 达到很高 的浓度。1 9 8 7 年英国对南安普顿h a m b l e 湾沉积物取样测到t b t 为5 0 0 a g g ( 干重) ； 1 9 9 5 年日本对大阪湾沉积物取样测得1 1 3 t 为4 7 0 pg g ( 干重) 。研究表明在所有监 测的沉积物中t b t 含量均比其上覆水体高。这也导致生活在沉积物附近的底栖生 物体内1 b t 含量高【6 】。 ( 2 ) 致畸作用螺类的性畸变是t b t 等有机锡很典型的毒性效应之一。甚 至可以用螺类的性畸变作为有机锡污染的指示剂。能导致性畸变的有机锡有t b t 、 1 1 叮( 三苯基锡) 和m p t ( 一苯机锡) ，其中t b t 和t p t 效应最强。l g l 浓度 船舶防污底漆中n 玎海上三维扩散研究 n 玎即可引起荔枝螺的雌性个体发生性畸变。性畸变的结果，使其无法繁殖，最 终导致种群数量下降或灭绝。最近的统计数字显示，受t b t 的污染危害，世界上 有1 0 0 多种海螺类有性畸变的发生。据调查表明，亚洲目前是世界上有机锡污染 最严重的地区之一，其中日本和我国台湾的某些港口中的牡蛎已经发现百分之百 雌化的现象。 ( 3 ) 对生物的毒性t b t 能损伤海洋微藻的结构，破坏藻细胞的光合成、 呼吸和生长等基本生理功能，降低海洋初级生产力，并能使浮游动物个体的觅食 和摄食能力下降，生长发育和繁殖过程受阻( a l z i e ue ta l 。，1 9 9 6 ) 。经食物链的 传递，对更高生态位的鱼类也会造成影响( k a n n a na n df a l a n d y s z ，1 9 9 7 ) ，如能 抑制由肾上腺素诱导的n a + h + 的交换，会导致胁迫尤其是缺氧胁迫下的鱼类处于 更加不利的状况。同样，哺乳类和鸟类等也会受到1 1 3 t 污染的间接毒害作用，最 终对人类健康产生影响( 1 w a t ae ta 1 ，1 9 9 4 ：k a n n a ne ta 1 ，1 9 9 6 ，1 9 9 7a ，b ；t a n a b e ， 1 9 9 9 ) 【1 1 。 1 2 3 各国的对策川 ( 1 ) 法国法国的牡蛎养殖业曾由于有机锡污染而大幅度锐减，迫使该国于 1 9 8 2 年1 月制定了关于使用有机锡涂料的规定，并于同年9 月进行了补充和修正- 规定的主要内容为： 1 ) 禁止使用含3 ( w t ) 以上的有机锡涂料。 2 ) 禁止船体长2 5 m 以下的船只使用含有有机锡涂料( 铝合金船只除外) 3 ) 有机锡的环境目标浓度暂定为8 n g l 。 此外，法国还对t b t 等进行了大量的调查研究，发现t b t 对除牡蛎外的海洋 生物也有较大的影响，而且影响的浓度更低。为此，该国打算制定更低的环境目 标浓度。 ( 2 ) 英国英国制定有机锡污染法规迟于法国。其法规的主要内容包括在1 9 8 6 年制定，1 9 8 7 年修正的污染对策法( c o p a ) 和食品环境保护法( f e p a ) 中。 1 ) 禁止销售和供给有机锡含量在7 5 ( w t ) 以上( 扩散较差的水域为5 5 第1 章绪 论 以上) 的共聚体型涂料，和有机锡含量在2 5 以上( 以扩散较差的水域计) 的 扩散型涂料。 2 ) 全面禁止船体长2 5 m 以下的游览用小型船只和养殖场的建造物使用含有有 机锡涂料。 3 ) 一律禁止供给和使用未得到政府批准的含有有机锡杀虫剂。 此外，对造船厂在修船时，铲除防腐涂料所带来的有机锡二次污染问题，也 制定了相应的防腐法规和方法。英国的环境目标浓度也定位8 n g l 。 ( 3 ) 美国美国于1 9 8 8 年制定了有机锡污染法规( o a p c a ) 。在法规中对含 有有机锡涂料的使用进行了限制： 1 ) 凡使用3 - 5 周后，有机锡平均溶出速度小于4 酌n 誓日，使用1 4 日内累 积最大溶出量小于1 6 8gg l m s 的含有机锡涂料，规定为政府允许销售涂料。 2 ) 禁止所有船体长2 5 m 以下的小型船只( 铝合金船只除外) 使用1 b t 制品。 ( 4 ) e l 本日本在化学物质规定审查法中对含有有机锡涂料作了规定。在该法 中，氧化三丁基锡( t b t o ) 被划为一类特定化合物质，禁止其生产、输入、销售， 其他有机锡化物划为二类特定化合物质。 另外，日本政府还采用行政手段来实施法规。例如：三苯基化合物，实际上 早已停止生产；日本的运输省的船舶也已不使用含有机锡涂料；日本全渔联也要 求渔民自觉执行规定，不在渔网上使用含有机锡涂料。 日本环境厅将环境中t b t o 浓度为4 n g l ( 一般) 及4 0 n g l ( 特定发生源 附近) 作为水质评价的大致标准。 1 2 4 相关的国际法规 1 9 7 4 年联合国海洋污染防治公约就已将有机锡列入必须控制的灰名单，1 9 7 6 年莱茵河公约又把5 种毒性特别大的有机锡化合物列入严格要求限制的黑名单 自从1 9 8 8 年巴黎备忘录( p a r c o m ) 要求国际海事组织( 蹦o ) 海洋环境保护分 委会( e c ) 制定关于限制1 r i 玎使用的法律文件以来，经不断的讨论和深化， 船舶防污底漆中n 玎海上三维扩散研究 终于在2 0 0 1 年1 0 月，i m o 外交大会通过了 ：国际控制船舶有害防污底系统公约。 根据公约附则i 的要求，各当事国必须禁止和限制在公约使用范围内的船舶 上施涂、重涂、安装或使用有害的防污底系统。从2 0 0 3 年1 月1 日开始船舶在计 划更换时不能施涂或重涂含有有机锡化合物；最晚在5 年后的2 0 0 8 年1 月1 日船 舶在船壳上或外部构件表面上不得涂有此类化合物；或应用隔离层以防止不符合 要求的系统渗出此类化合物。 该公约将在合计商船吨位不少于全世界商船总吨位2 5 的2 5 个国家批准后 1 2 个月生效。2 0 0 7 年9 月1 7 日，经过6 年时间，在m e p c 5 6 次会议上，巴拿马 政府代表团向i m o 秘书处递交了加入文件，使加入公约的国家增加到2 5 个、占 世界商船总吨位的3 8 ，从而达到了公约的生效条件，该公约将于1 2 个月以后， 即2 0 0 8 年9 月1 8 日生效。 1 3 我国的现状 目前我们港口水域有机锡污染问题相当严重。特别是近海、港湾和内河港口， 有机锡的污染可能是造成鱼类、甲壳类和软体类、以及藻类污染的只要因素之一。 在大连、天津、青岛、北海、秦皇岛、烟台等地采样测定，发现样点毫无例外的 存在着有机锡的污染，其中海水中有机锡浓度范围平均值分别为：t b t - - - 9 3 8 n g l ， d b t = 2 8 1 n g l ，m b t = 1 0 2 3 n g l ，这些数据远远高于西方国家规定的残留标准【。 由于重视不够，我国对有机锡的污染研究的不多，到目前为止，我国缺少有 机锡污染的第一手资料。2 0 0 3 年，我国发布了。不宜在船舶有害防污底系统中 使用充当杀虫剂的有机锡化合物的公告 ，该公告“提请各有关单位注意，2 0 0 3 年1 月1 日后，不宜在船舶的防污底系统中再使用充当杀虫剂的有机锡化合物， 以免将来就此构成违章责任。刀除了以上的公告，我国还没有明确的有关船舶防 污底漆的法律法规。 1 4 论文的意义 从8 0 年代初开始，世界各国对有机锡( 主要是t b t 和研呵等) 污染进行了 广泛而深入的研究，内容涉及有机锡的分析监测方法、环境化学行为、性畸变现 第1 章绪论 象的现场调查以及有机锡生态毒理学等领域。对有机锡污染状况、环境行为、生 态毒理等问题的研究必须以高灵敏度、低检出限、高选择性的分析方法为基础， 快速有效的监测环境中微量有害物质是研究管理这类物质的第一步。 我国船舶主要使用t b t 和t p t 防污涂料，每年都有大量的t b t 和t p t 进入 水环境中，因而使水环境受到污染。由于重视不够，我国对有机锡污染的研究较 少，缺少有机锡污染的第一手资料，更没有长期的控制、监测与研究计划。到目 前为止，我国还没有明确的限制使用的法律法规。国际控制船舶有害防污底系 统公约生效在即，我国已迫切需要搜集第一手的资料，为制定有机锡海水水质 标准、定期监测有机锡的污染状况和颁布相应的法律法规提供科学依据和技术支 持，加强控制、监测与研究。 本文以普林斯顿海洋模式( p o m ) 为基础，建立三维水动力模型。并以三维 对流扩散方程为基本控制方程建立玎三维扩散模型，从数值优化求解污染物对 流扩散方程这一角度来解决这一问题。为测算t b t 在水里的浓度提供一种可靠的 方法。并提出了一种t b t 扩散源强的计算方法。 船舶防污底漆中t b t 海上三维扩散研究 第2 章污染物对流扩散理论 2 1 污染物对流扩散理论【黏1 0 1 2 1 1 基本概念及方程介绍 2 1 1 1 连续介质假设 实际流体的结构是由彼此间有空隙并进行复杂微观运动的大量分子所组成。 研究流体的宏观机械运动时，一般引入连续介质的假设，认为流体所占有的空间 连续而无空隙地充满流体质点( 也称流体微团) ，质点的尺度在微观上足够大，大 到能包含大量的分子，使得在统计平均后能得到其物理量的确定值；质点的尺度 在宏观上又足够小，远小于所研究问题的特征尺度，使得其平均物理量可看成是 均匀的；而且可以把质点看成是几何上的一个点。有了连续介质假设就可以把流 体的物理量作为空间坐标和时间的连续函数进行数学分析。 2 1 1 2 流动的基本特性参量 表征流动特性的物理量中，描述运动状态的主要是速度v ，和运动有密切关系 的特性有压强p ，密度p ，温度丁及含有物的浓度c 等，可统称为流动的基本特性 参量。其中速度和压强是矢量，密度、温度和浓度是标量。 描述流体运动的方法有拉格朗日法和欧拉法，拉格朗日法以研究个别流体质 点的运动为基础，通过对各个质点运动的研究来获得整个流体的运动规律。对于 直角坐标系，以初始时刻流体质点的坐标a ，b ，c 作为区分质点的标志，称为拉 格朗日变数，任何时刻t 任何质点在空间的位置是拉格朗日变数和时间的函数： x = x ( a ，现c ，f ) l y = y ( a ，b ，c ，f ) ( 2 1 ) z = z ( a ，6 ，c ，f ) j 质点的速度和加速度可由式( 2 1 ) 对时间t 的一阶偏导数和二阶偏导数得到。 欧拉法是在流动空间中描述空间各固定点上流体通过它时的运动状态，也就 第2 章污染物对流扩散理论 是空间固定点上各个流动特征参量( 速度、压强、密度、浓度等) 的大小。这些 参量是空间坐标和时间的函数。用直角坐标表示为： ，篁v ( x ，y ，z ，f ) p = p ( x ，y ，z ，f ) p = p ( x ，y ，z ，f ) ( 2 2 ) t = t ( x , y ，z ，f ) c = c ( x ，y ，彳，f ) 2 1 2 对流扩散方程 流体中含有物质的传输和散布的问题( 如工业和生活上排放的污染物质在水 域内的浓度分布) 是环境保护规划设计所依据的重要资料。而浓度的分析则需要 掌握扩散与输移的理论。传输过程( t r a m p o ap r o c e s s e s ) 是指流体中含有的物质( 如 各种污染物) ，广义上说也包括流体本身的属性( 如动量、能量、热量等) ，在流 场内某处转移至另一处的过程。传输可以有不同原因产生，扩散是其中重要的一 种。所谓扩散( d i f f u s i o n ) 是指流体中含有物质从含量多的地方向含量少处传输的现 象。扩散可分为分子扩散和湍流扩散。由分子运动产生的扩散称为分子扩散 ( m o l e c u l a rd i f f u s i o n ) ，分子扩散的速率是很缓慢的；在湍流中，由于流体质团的 湍动产生的扩散称为湍流扩散( t u r b u l e n td i f f u s i o n ) ，湍流扩散要比分子扩散快得 多。另外一种产生物质传输的重要原因是对流。流体中含有的物质可以随同流体 的质点的运动而转移，称为对流传输( a d v e c t i o n ) 。 在一般扩散理论中，常先假定流体中含有的物质( 以下统称扩散质) 的存在 不改变流体质点的流动特性，即不影响流动，具体些说是流场的速度分布和扩散 质的存在无关。这种扩散质只是作为一种标志物质，或称为示踪剂而存在。同时 假定在整个运动过程中，流体质点带有的扩散质在数量上是保持不变的，流体质 点与质点之间不发生扩散质的转移，扩散质的扩散完全是由于带有扩散质的流体 发生掺混的结果【9 】。 基于以上理论和假设，对流扩散方程一般形式可表示为： 等州c 州) 篆- a ( x , t ) 窘+ s o ( 2 3 ) 船舶防污底漆中t b t 海上三维扩教研究 式中c 流体中扩散质的浓度 一对流速度 口一对流扩散系数 & 扩散质的源 当方程中对流速度为零时，则方程为纯扩散方程，a 表示分子扩散系数；当 “= c r a - - v 时，方程即为通常的b u r g e r s 方程。 将方程无量纲化即为： 要+ “罢：喜口窑+ s o ( 2 4 ) 百枷瓦2 虿口矿+ ( 2 4 ) 无量纲参数e 称为p c c l c t 数，定义为 ：出 a o ( 2 5 ) 其中l 为特征长度，为特征速度，a o 为特征扩散系数，对b u r g e r s 方程，a o = v o ， c = 心，a = l ，此时p c c l c t 数即为雷诺数尺。【。 2 1 3 求解对流扩散方程的途径 对流扩散方程( 包括扩散方程) 是一个二阶的偏微分方程，求普遍解是很困 难的，尤其是有对流存在的情况，如用解析方法求解，大都只能针对简化了的问 题。严格来说，在流动情况下对流扩散方程应和流体运动基本方程组耦合求解包 括浓度的所有基本变量，但在标志( 示踪) 物质的假定下，可以将流场和浓度场 分开计算。一般先求出流场，然后在已知流速分布下求解对流扩散方程。求解对 流扩散方程有以下几个途径。 ( 1 ) 解析法前面已经提到，由于系数性质复杂等原因，直接求解对流扩 散方程存在较大难度。但是可以将问题简化，降低方程维数、忽略影响相对较小 的因素，或是在某些假定的前提下进行求解。经过众多学者的努力，目前已经得 第2 章污染物对流扩散理论 到特定条件下一些较简单的基本解。但解析方法因为描述问题不够准确详尽，不 易适应多变的环境条件等原因，应用范围受到很大限制。 ( 2 ) 物理模型物理模型方法是指利用缩小尺度的实物模型模拟流体在各 种设定条件下的流动情况，直接观察其运动状态，测取流速和扩散质浓度分布的 数据。物理模型比较直观，只要对支配流体运动的主要因素抓得正确，尽量使模 型不变态( 所谓变态模型，即垂向和水平方向的模型比例尺不同的模型) ，即可设 计物理模型。但由于影响因素太多，往往会遇到模拟的困难，通常需要按照实际 问题的性质近似模拟。而且这种方法往往需要较长时间、较大的资金和人员投入。 ( 3 ) 数值解法在当前计算机逐渐得到广泛使用的情况下，采用数值方法求 解对流扩散方程已经成为一种普遍趋势，并且方法的种类和数量也不断增加。有 限差分、有限元、边界元及几种数值方法的结合应用。数值方法的优点是：耗资 小、用时短、节省人力和物力；方法运用灵活、改动更新容易；适用范围广，通 用性强；有的已经具有人工智能的性质。数值方法虽然计算出的结果可以达到人 为设定的精度，但在实际应用中由于环境条件的复杂，有时需要考虑一定的偏差。 这就需要根据实际情况和数据，总结经验，不断修正完善。 ( 4 ) 现场观测在天然流场中进行扩散质浓度的观测，得到的资料是最真实 可贵的。但由于工作量和费用都很大，还有测量技术的可靠性要求，一般难以取 得很全面系统的资料。通过现场观测，利用得到的资料来确定对流扩散方程中的 系数是一个常用的方法。 对于复杂而重要的任务，往往对结果要求较高、较全面，通常需要同时采用 几种方法相互配合或补充，结合起来解决问题【9 】。 2 2 水动力模型的发展 研究海上污染问题首先基于海洋水动力已知的前提，为此，在研究海上污染 问题之前，完全有必要搭建一个海洋动力的基础平台，为海上污染物的输运、扩 散提供一个动力场，所以我们在这里首先介绍一下水动力数学模式的研究现状。 早在一百多年以前，n a v i v r h 】、p o i s s i o n 1 2 1 、s a m t - v e n a n t 1 3 1 和s t o k e s 1 4 】等人卓 船舶防污底漆中弧玎海上三维扩散研究 有成就的研究，确定了揭示流体运动的一般规律的理论，即n a v i c r - s t o k e s ( n s ) 方 程。纵观其发展历史，有许多著名科学家为此做出了杰出的贡献，如b e m 砌l i 【l 习、 e u l c t 1 6 1 、l a p l a c e 1 7 1 、l a g r a n 1 扪、c o r i l l i s 1 9 】、b o u s s i n e 熔, q 2 0 1 、r e y n o l d s 2 1 1 、k a r m a n 2 2 l 等等。正是由于他们丰富的研究成果，才奠定了当前水流数学模型的坚实基础。 水动力模型的理论起源于1 9 世纪的s a 缸一a n t 【2 3 1 ，他通过研究建立了著名的 s a i n t - - v e n a n t 方程，从而奠定了非恒定水流的理论基础。 严格的说，水动力学模型包括物理模型和数学模型两大类。物理模型即常用 的比尺模型，最初人们在研究海岸湖泊问题，特别是海岸河口等问题时常采用物 理模型。自从r e y n o l d s ( 1 9 8 5 年) 首次用潮汐河口模型实验，研究美国m e r s y 河口 的潮汐水流以来，已有一百多年的历史。虽然物理模型可直观的观测到水流的流 态，并可精确地测得水流的边界问题，但因其造价高、建造时间长、方案更改周 期长，尤其是对复杂自然环境( 如风作用等) 不易模拟、受时间和空间尺度限制 较大等固有缺陷，其发展和应用受到了限制。 数学模型是将所研究的现实世界中物质运动的物理机理进行抽象，而建立的 数学物理方程，称之为控制运动的基本方程，简称基本方程和控制方程。对数学 模型进行求解，就是预先将运动的时间和空间离散，再将数理方程在某离散时空 点上离散为与其相邻点相关的代数关系式，选择有效的数值方法( 或计算格式) ， 求得该时空点上相关物理量的值。这样随着时间的推进和空间的扫描，就可获得 物理量的时空分布。数学模型具有物理模型无法比拟的优点：首先，其结果不受 时间，空间和实验条件的限制，在物理模型中难以达到的数十万、数百万数据的 流场，在数学模型中易于实现；其次，在数学模型中任何形式的相互作用都可以 应用，这在物理模型中往往是不可能实现的。此外，数学模型还具有建造周期短、 计算精度高、建造容易、验证后易长期保存等优点。因此，数学模型在海岸湖泊 水动力学研究中已成为不断发展的主流。本文下述的水动力学模型，就是指数学 模型。 水动力模型按维数分为一维、二维和三维。 ( 1 ) 一维模型一维模型有平面一维和垂直一维两种。对于窄长形河流和湖 第2 章污染物对流扩散理论 泊，可采用平面一维模型计算。但由于平面一维模型过于简单，故不能模拟浅海 海域或宽阔湖泊流场的情况。垂直分层一维模型对于窄深型湖泊比较适用。 ( 2 ) 二维模型二维模型也分为水平二维模型和垂直二维模型，在潮流和湖 流模型中，常用的是水平二维模型。水平二维模型是以沿水深平均后的运动方程 为基础，所计算的物理参量( 如流速、温度、密度等) 仅是水平空间位置的函数， 而与垂向位置z 无关。流动动力学的水平二维模型，在国外均已有广泛的研究， 比较著名的模型有丹麦的s y s t e m 2 1 ，英国的h r s 模型，美国的r m a 模型和 s t u d h 模型等，在我国，水平二维模型也已有了迅速的发展和应用，根据求解方 法和计算网格的不同，有a d i 法、分裂算子法、有限节点法、单元体积法、复合 导数法和m a d i 法等【2 4 1 。 ( 3 ) 三维模型由于计算机发展及数值求解技术的限制，以往对大体积水体 的研究重点主要是在流动的二维模拟上。然而，天然水体中的绝大多数流动具有 三维特性，尤其是在边界变化较为剧烈的区域，水体流动的三维性尤为突出，二 维数学模型就难以保证相应的准确度。近年来，工程实践对数值模拟提出了越来 越高的要求，进行水环境的三维模拟势在必行，而计算机及计算技术的发展也为 进行三维数值模拟提供了可能性。在环境及水利工程中，为合理解决污染物输运 扩散特性、河口盐水入侵及河床演变等问题，都有必要预测水流的三维结构。 19 7 3 年，1 2 e r n d e r t s e 等人首先进行三维水流数值模拟的研究工作，提出数值 模拟三维水流的分层方法此后也出现了一些简化的三维模型。但是，由于问题 本身的复杂性和计算机运算能力的限制，直到上世纪7 0 年代末期，三维模型才真 正得以发展，近些年发展尤其迅速。迄今为止，三维问题的数值模拟己经成功的 用于工程实际计算，在环境保护、水利工程、海洋工程等诸多领域中得到了广泛 的应用。 目前国际上先进的和使用较为广泛的三维河口海洋数值模式有美国普林斯顿 大学的p o m ( p r i n c 斌o no c e a nm o d e l ) 和e c o m ( e s t r a r y , c o a s ta n do c e a nm o d e l ) ，佛 罗里达大学的等密度面模式，荷兰的d e l f t 模式，德国汉堡大学模式和丹麦模式【2 5 1 。 船舶防污底漆中n 玎海上三维扩散研究 第3 章三维潮流数学模型 潮流作为近海的主要水动力条件之一，是最基本的物质运动，其他物质如泥 沙、盐分、各类污染物质及热量的输运过程，均与之密切相关。人类在海岸河口 地区进行的生产活动，像建设港口，开挖航道，围海造田，排污入海，环境保护， 海水养殖，海洋捕捞等海岸、环境工程都需要对该海域潮流场有详细的了解。而 对于海水运动基本方程( 潮流控制方程) ，仅在极少数理想情况下可得出解析解， 多数实际海区都要借助于数值模拟这一有效手段。 由于计算机发展及数值求解技术的限制，以往对大体积水体的研究重点主要 是在流动的二维模拟上。然而，天然水体中的绝大多数流动具有三维特性，尤其 是在边界变化较为剧烈的区域，水体流动的三维性尤为突出，二维数学模型就难 以保证相应的准确度。近年来，工程实践对数值模拟提出了越来越高的要求，进 行水环境的三维模拟势在必行，而计算机及计算技术的发展也为进行三维数值模 拟提供了可能性。在环境及水利工程中，为合理解决污染物输运扩散特性、河口 盐水入侵及河床演变等问题，都有必要预测水流的三维结构。 1 9 7 3 年，l e o n d c r t s e 等人首先进行三维水流数值模拟的研究工作，提出数值 模拟三维水流的分层方法，此后也出现了一些简化的三维模型。但是，由于问题 本身的复杂性和计算机运算能力的限制，直到上世纪7 0 年代末期，三维模型才真 正得以发展，近些年发展尤其迅速。迄今为止，三维问题的数值模拟己经成功的 用于工程实际计算，在环境保护、水利工程、海洋工程等诸多领域中得到了广泛 的应用。 目前国际上先进的和使用较广泛的河口海洋数值模式有美国普林斯顿大学的 p o m ( p r i n c e t o no c e a nm o d e l ) 和e c o m ( e s t u a r y , c o a s ta n do c e a nm o d e l ) 模式、佛罗 里达大学的等密度面模式、荷兰的d e l r 模式、德国的汉堡模式和丹麦模式。我国 缺少自己研制的在国际上有影响力的数值模式，使用较多的是p o m 和e c o m 模 式。 p o m 海洋湍流模型具有以下特点【2 6 】：垂向混合系数由二阶湍流闭合模型确 第3 章三维潮流数学模型 定，在一定程度上摆脱了人为因素的干扰；垂直方向采用盯坐标；水平网格采用 的是曲线正交坐标系统；水平有限差分格式是交错的，即“