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海上溢油行为与归宿数值模拟及其对环境的影响研究

龙绍桥  
【摘要】: 本文简要介绍了海上石油污染的现状及其危害,并对海上石油的行为与归宿数值模型的基本理论与发展现状做了详细的综述。 海上发生溢油以后,油膜在海面上一方面受重力、惯性力、表面张力和湍流的作用扩散,同时又在风和潮流作用下发生输移。本文用标识质点近似溢油的运动,把整个溢油看成由大量小体积的油块微团组成,即将油膜分为大量的质点,这些质点进行彼此独立的运动,每一质点代表一定的油量,油膜的迁移扩展看作质点群的迁移、扩展。于是可以用溢油微团(标识质点粒子群)的随机扩散和平流来模拟。微团群的随机扩散过程可以用蒙特卡罗方法模拟。也就是说,溢油在海面上的扩散过程可以看作是一个湍流的弥散过程,而湍流弥散过程的随机性可用蒙特卡罗方法恰当地描述。油的蒸发和乳化等风化过程采用质点质量损失来表征,油膜厚度分布通过一点面积内的质点数及其质量计算出。模式考虑以下过程:在流、风和湍流扩散的作用下,海面油膜的水平输移和扩展运动;油在水表面的挥发和乳化。 利用上述的基本原理和方法,在水动力的基础上,建立海上溢油行为与归宿数学模型。以2004年12月7日发生在珠江口海域的溢油事故为例,在对珠江口的水文地质资料进行较全面的收集和整理的基础上,采用三维非线性潮波数值模式计算了南海中的三维正压潮流的流场,作为溢油模式的流场输入,并用3个测站资料对珠江口水动力模型进行了验证,其预测结果与实测相符合,可以用于溢油的预测。在水动力的基础上,建立珠江口海上溢油行为与归宿数学模型,预测珠江口发生点源连续溢油后油膜在风和海流的共同作用下漂移的路径、距离和油膜影响的海域范围。通过溢油扩散面积和其它输入条件,预测溢油的残留量及挥发速率。并分析了溢油对珠江口生态环境造成的影响。 考虑到溢油事故发生地点离自然保护区较近,泄漏的油船需被拖离至安全区域,本文分别模拟油轮被拖往东北、东、东南和南边4个方向的油膜输移扩展的情况。结果表明在相同的环境条件下,油轮被拖往南向时油膜的扫海面积最小,即溢油的污染面积最小。 通过与实际观测比较,模型预测的结果与现场实际是符合的。本文提出的溢油数学模型可以有效地应用于海上溢油事故的预测。


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