渤海海上溢油漂移扩散数值模拟研究

近几年渤海海上溢油突发事件频发,对海洋环境造成严重的污染。本文将业务化气象数值模型(Weather Research and Forecast model,WRF)、海流数值模型(Regional Ocean Model System,ROMS)的数值预报结果作为海洋环境驱动场,采用"油粒子"的海上溢油漂移扩散数值模拟方法,对在渤海发生的溢油扩散行为进行模拟预测。本文针对渤海溢油事件,设计敏感试验,研究不同风、流系数和网格分辨率对溢油扩散模拟结果的影响,获得适合于渤海的溢油数值模型参数,提高溢油漂移扩散预报的准确度,为海洋溢油应急处置和防灾减灾提供技术支持。     

基于VOF方法的海底管道溢油扩散数值模拟研究

在海底输油管道运行过程中,管道渗漏、穿孔及破碎都会导致原油泄漏。对溢油运动的轨迹及其扩散范围作出预报可为溢油事故的处理提供及时、准确的信息,指导应急处理的正确实施。基于工程实际需求,采用有限体积法,结合k-ε紊流模型,建立了海流作用下海底输油管道溢油扩散数值模型。采用VOF方法(volume of fluid method)追踪多相流界面。首先,将数值模拟结果与Fan的实验值及Zheng和Yapa的数值结果进行了对比,验证数值模型的可靠性;其次,研究了不同原油溢出速度与环境水深对不同时刻溢油轨迹、到达海面时间、横向漂移距离与海面扩散范围的影响。研究表明:随原油溢出速度增大,溢油到达海面时间逐渐减小,溢油横向漂移距离与海面扩散范围则逐渐增大;随环境水深增大,溢油到达海面时间逐渐增大,且其变化接近线性分布。     

水下溢油数值模拟研究

基于Lagrange积分法和Lagrange粒子追踪法建立了一个水下溢油数值模型。该溢油模型由两个子模型组成:羽流动力模型和对流扩散模型,其中羽流动力模型用以模拟溢油的喷发阶段和浮力羽流阶段;对流扩散模型用以模拟溢油的对流扩散阶段。通过数值实验,结合实验室水槽实验和水下溢油现场实验的观测资料进行模型验证。实验结果表明,模拟结果与观测资料一致性较好,从而验证了本文溢油模型的合理性和准确性;羽流动力模型为对流扩散模型提供源,海流、海水的垂向密度结构和油滴的直径分布是影响溢油在对流扩散阶段运动和分布的主要因素。     

无人机海上溢油跟踪监测系统设计及仿真

海上环境变化多端,造成溢油的漂移和扩散会出现不可预测的情况,精确、实时地监测海上溢油是现今亟待解决的问题.无人机以其部署快、成本低、环境适应性强的优势在海上溢油监测领域得到重视,但单架无人机监测能力弱,而多架无人机监测的准确性仍需提高.为此,本文提出一种无人机群海面溢油自动导航跟踪监测的架构和方法,根据海上溢油浓度的变...     

徐圩港区邻近海域溢油模拟分析

利用MIKE21水动力模型对徐圩港区附近海域进行潮流数值模拟,并利用实测资料对模型计算的潮位、流速及流向进行验证。验证结果显示:数模结果与实测值吻合较好。该潮流数学模型可以反映研究海域水动力特性,并作为溢油模块的水动力基础数据。基于欧拉-拉格朗日"油粒子"理论考虑油膜运动过程中扩散、蒸发、乳化等过程,建立了徐圩港区邻近海域二维溢油扩散模型,模拟不同潮时情况下发生溢油,考虑不同风况(夏季常风向、冬季常风向和最不利风向),分析不同情况下的溢油油膜漂移路径、漂移路程及扫海面积。结果表明:72 h内油膜最大扫海面积及漂移路程均出现在落潮期最不利风时溢油,分别为28.2 km2和25.8 km。在夏季常风和最不利风的落潮期发生溢油,油膜会经过口门飘向西北侧海域,对该区域生态环境会造成一定影响。     

基于MIKE SA模型的厦门西港海域溢油影响的数值模拟研究

基于MIKE SA溢油模块,以燃料油为油种,建立了厦门西港海域溢油模型,模拟静风、主导风向（东北东风）和不利风向（西南风）3种风场条件下,一个潮周期内涨急、高潮、落急和低潮4个时段发生10 t溢油后油膜的漂移路径和影响范围.结果显示,发生在厦门西港海域的溢油在海面的漂移过程主要受潮流和风的影响,其中潮流起着主导作用.不同风向条件下,24 h内油膜的影响范围不同,静风条件下溢油浓度超一类（或二类,≥0.05 mg/dm3）、超三类（≥0.30 mg/dm3）和超四类（≥0.50 mg/dm3）的总影响面积分别为31.33、19.63和11.74 km2;主导风向条件下溢油浓度超一类（或二类）、超三类和超四类的总影响面积分别为99.62、69.01和8.99 km2;不利风向溢油浓度超一类（或二类）、超三类和超四类的总影响面积分别为8.38、5.05和2.10 km2.该预测结果可给出溢油事故发生后的影响范围、影响程度和影响敏感目标的时间,可为溢油事故应急决策的制定及溢油损害评估提供科学决策和支持,提升厦门海域环境风险管理应急能力建设.     

海洋溢油溯源数值模拟方法的研究进展

海洋溢油溯源数值模拟可以为海上溢油事故的应急处置提供技术支撑,同时对确定溢油事故的泄漏源和责任方也具有重要的指导意义。本文概述了海洋溢油溯源数值模拟方法的最新研究成果,总结分析了包括对流扩散过程的逆运算、受体模式、粒子追踪模式和垂向溯源方法等在内的四类数值模拟方法的基础理论和研究进展。同时,归纳了三种常用的溢油溯源数值模拟结果分析方法,并给出了每种方法的优缺点及其对应的适用条件。在分析海洋溢油溯源数值模拟方法应用现状的基础上,初步探讨面临的挑战。这对全面理解溢油溯源数值模拟方法的理论和应用提供了重要参考,并可为相关工作和后续数值模拟方法的改进奠定基础。     

Research on the risk-based model for regional emergency resource allocation for ship-source oil spill

The key point for rational allocation of emergency resources is to match the oil spill response capacity with the risk of oil spill. This paper proposes an innovative risk-based model for quantitative regional emergency resource allocation, which comprehensively analyzes the factors such as oil spill probability, hazard consequences, oil properties, weathering process and operation efficiency, etc. The model calculates three major resources, i.e., mechanical recovery, dispersion and absorption, according to the results of risk assessment. In a field application in Xiaohu Port, Guangzhou, China, and the model achieved scientific and rational allocation of emergency resources by matching the assessed risk with the regional capacity, and allocating emergency resources according to capability target. The model is considered to be beneficial to enhancing the resource efficiency and may contribute to the planning of capacity-building programs in high-risk areas.     

蓬莱19-3 油田事故溢油数值模拟

利用FVCOM(Finite-volume coastal ocean numerical model)数值模型和MM5风场预报模式,在对渤海海域水动力场进行数值模拟的基础上,基于"油粒子"的欧拉-拉格朗日跟踪法和随机走动原理,并考虑风对溢油油膜漂移扩散的直接作用,建立了海洋溢油油膜漂移轨迹和扩散的数值预测模型。利用建立的模型对2011年6月蓬莱19-3油田事故溢油进行了数值模拟,模拟结果与RADARSAT卫星遥感监测数据相吻合。研究结果表明:在渤海中部地区夏季事故溢油模拟预测中,风漂移因子取0.024最为合理,模型可用于渤海蓬莱19-3油田附近事故溢油轨迹和扩散的快速预报,从而为该区域的溢油事故应急响应提供科学依据。     

Flammability risk assessment for oil spill response operations

Immediately following a spill at sea, released oil—ranging from diesel to light crude and diluted bitumen, will initially weather through evaporation, resulting in an elevated concentration of light hydrocarbons in the air. As part of oil spill response operations, first responders use hand-held devices to monitor airborne concentrations when approaching a spill. The feasibility of using numerical modelling as an additional tool to assess potential flammability and plan response operations in the spill area was explored in this study. The Lower Explosive Limit(LEL) is defined as the minimum concentration of a gas in air, in this case a mixture of evaporated hydrocarbons, which can produce a flash fire in the presence of an ignition source. This ignition source could be triggered by the vessel itself or by spill response operations. A framework was put into place, utilizing a threedimensional hydrodynamic model(H3D), an oil spill model(SPILLCALC), and an air dispersion model(CALPUFF) to assess the risk of possible ignition of the hydrocarbon vapour in the event of a spill. The study looked at a hypothetical credible worst case tanker spill(16 500 m~3) of diluted bitumen(cold lake winter blend)occurring at Arachne Reef in Haro Strait, British Columbia, Canada. SPILLCALC provided one-minute averaged vapour fluxes from the water surface for each of 17 modelled pseudo-components which were used as inputs to CALPUFF. Using the predicted airborne concentrations of each pseudo-component, time-scaled to one-second averages, the flammability potential in the immediate spill area was determined at each grid point using Le Chatelier's mixing equation. The approach describe here was developed as a proof of concept, and could be established as a real-time system, bringing valuable information in addition to hand-held devices during a spill response, or during a response exercise. This modelling study was conducted as part of Kinder Morgan's Trans Mountain Pipeline Expansion Project. There are a number of commercially available oil spill models but few if any are equipped with the ability to model air dispersion and forecast hazardous conditions as discussed in this paper.     

海底泥流冲击悬跨管道拖曳力系数分析

海底滑坡是海洋油气工程最危险的地质灾害之一,直接影响海底管线运营安全。滑坡体失稳滑动过程中,由于海水掺和作用逐渐加速转变成快速滑动泥流,冲击海底悬跨管道。基于当前国际通用的计算流体动力学(CFD)方法,采用赫巴模型描述快速滑动泥流,计算分析海底滑坡冲击悬跨管道的受力特性,重点分析悬跨高度对管道法向拖曳力系数的影响。研究发现,管道法向拖曳力系数随悬跨高度的增长而增大,当达到某一悬跨高度时,管道拖曳力系数保持稳定。     

有冰海域溢油运动数值模型研究

提出了寒冷海域溢油运动短期数值模型,其中海冰运动预报模型针对不同海冰密集度的本构关系亦不同,在近岸及密集度较高的冰带采用基于连续介质理论的粘塑性本构关系;在冰边缘密集度较低的冰带采用基于离散介质理论的碰撞本构关系计算冰内力;溢油运动预报模型包括连续冰盖及高、中、低密集度冰场中溢油的漂移和扩展过程的预报.模拟计算结果表明模型的建立是合理的.该模型可用于事故溢油预报,为溢油的围收治理提供依据.     

海洋石油平台溢油风险评价研究

通过层次分析法,系统分析了我国钻井平台及生产平台的溢油风险因子,初步建立了该类设施的溢油风险评价指标体系,并运用多级模糊综合评级模型对目标设施的溢油风险进行综合评价。利用该评价方法对渤海某一钻井平台进行溢油风险分析,结果表明该平台溢油风险等级较低,风险因子中海区环境及平台疲劳老化程度的风险相对突出。该评价方法可及时判断目标设施的溢油风险等级,为减少、预防各类平台溢油事故提供技术支持。     

多级可分离式AUV系统设计与仿真分析

多级可分离式自主水下航行器(MS-AUV)可搭载多种不同功能的载荷舱,并在目标海域完成载荷舱布放。其在海洋探测,海防等领域具有较高的应用价值。对MS-AUV进行了主体结构和分离机构的设计和研究,其中功能载荷舱与航行器本体采用真空连接方式,实现多级连接,降低了机构的复杂性,提高了载荷舱分离运动的稳定性和安全性。为了研究载荷舱与航行器分离的安全性,采用CFD和六自由度(6-DOF)刚体运动学的耦合方法来模拟其在水下的分离运动。在仿真过程中,采用弹簧光顺和局部重构混合网格生成方法的非结构化动态网格可以很好地适应大距离多体分离运动。仿真结果表明,在一定工况条件下,提高MS-AUV初始航行速度V0和分离机构弹簧刚度K有利于载荷与航行器本体分离。通过上述研究工作,验证了载荷分离方法的可行性,缩短研制周期,降低设计成本,对多级可分离式AUV样机的设计制造具有重要的参考价值。     

海上溢油极化特征及其探测研究

The SAR(Synthetic Aperture Radar) has the capabilities for all-weather day and night use. In the case of determining the effects of oil spill dumping, the oil spills areas are shown as dark spots in the SAR images.Therefore, using SAR data to detect oil spills is becoming progressively popular in operational monitoring, which is useful for oceanic environmental protection and hazard reduction. Research has been conducted on the polarization decomposition and scattering characteristics of oil spills from a scattering matrix using allpolarization of the SAR data, calculation of the polarization parameters, and utilization of the CPD(Co-polarized Phase Difference) of the oil and the sea, in order to extract the oil spill information. This method proves to be effective by combining polarization parameters with the characteristics of oil spill. The results show that when using Bragg, the oil spill backscattering machine with Enopy and a mean scatter α parameter. The oil spill can be successfully identified. However, the parameter mechanism of the oil spill remains unclear. The use of CPD can easily extract oil spill information from the ocean, and the polarization research provides a base for oil spill remote sensing detection.     

事故性溢油对湄洲湾环境影响的预测

本文采用已建立的湄洲湾潮流场和水质点拉格朗日运动模型，利用概率预测模式，描述一旦发生事故性溢油，海上表面油膜的漂移和扩展过程，预测最大可能的污染海域范围；并建立海上溢油动力模式，探讨连续排放溢油的漂移和扩展过程，通过Mackay公式算出在油膜覆盖下水体的油含量。     

分形方法在海洋溢油的气相色谱鉴别中的应用研究

将分形理论应用于溢油的气相色谱鉴别,建立了一种新的海洋溢油气相色谱鉴别方法。即首先采用小波分解将气相色谱图曲线分解至不同的尺度,计算各尺度曲线分量的分形维数,基于分形维数参量,采用欧几里得距离判断不同样品气相色谱曲线的近似程度,达到对溢油样品进行鉴别的目的。溢油事故实例数据分析表明,分形维数能较好的反映不同色谱曲线的差异,所建立的方法在筛选溢油样品时,能在一定程度上缩小鉴别范围,可作为溢油鉴别的一种有效辅助方法。     

基于无人机紫外与SAR的溢油遥感监测方法研究

溢油污染不仅会造成巨大的经济损失,而且给生态环境带来难以修复的破坏。准确、高效地监测海面溢油仍是当前亟需解决的问题。紫外传感器对油膜非常敏感,可快速发现,但存在误判;而SAR(SyntheticApertureRadar)溢油探测的精度较高,两者相结合可准确探测溢油。无人机平台可低成本地实现溢油快速应急响应,无人机载SAR和紫外传感器的载荷重量小,可同时集成于无人机上开展联合溢油探测,以满足业务化监测需求,此方面的研究尚未见有相关报道。本文拟研究溢油不同种类、厚度、在不同海洋环境条件下的紫外图像特征和SAR纹理特征、形状特征、散射特征,构建溢油特征数据库,并建立一种基于特征组合的溢油SAR与紫外联合探测方法;在此基础上研究对无人机数据获取模式和控制单元等的改造方案,进而实现溢油SAR和紫外图像的高效获取。     

多环芳烃油指纹应用于船舶溢油鉴别研究

溢油种类主要包括船舶燃料油和原油,二者性质的差异决定了鉴别方法也相应不同,寻求适合于船舶溢油的鉴别方法具有重要意义。在使用柱色谱层析方法对样品进行分离前处理的基础上,以气相色谱/质谱方法(GC-MS)为主要分析手段,对溢油样品和可疑船舶溢油源样品的多环芳烃油指纹特征进行对比,并在多环芳烃油指纹参数的基础上进一步进行多环芳烃内组成三角图分布特征与聚类分析研究,成功为珠江口水域某船舶溢油事故追踪到肇事溢油源。结果表明:取自丁船的油样和现场溢油样芳烃油指纹特征最为相近,是此次溢油事故的溢油源。受风化作用后的船舶燃料油中饱和烃类化合物数量稀少,且含量极低,不适合用于溢油鉴别,而多环芳烃类化合物较饱和烃类化合物而言具有含量高、种类丰富的特点,是该类溢油鉴别的主要油指纹依据。使用油指纹参数进行可疑溢油源识别时,充分考虑油品中有机分子所受风化影响程度的不同是风化条件下溢油鉴定的关键。因此,多环芳烃油指纹可以有效应用于船舶燃料油溢油的鉴别。     

溢油模型与SSD曲线法评估渤海溢油事件的海洋生态风险

海上溢油事故不仅会造成大面积的海水污染,还会对海洋生态系统造成严重破坏。为此,采用有效的方法评估溢油事件引起的生态风险,对防灾减灾工作具有重要意义。本文以发生于2011年6月的渤海蓬莱19-3溢油事故为例,使用两种溢油模型(GNOME轨迹模型与ADIOS风化模型)模拟了事故初期油膜的运动轨迹与风化过程。基于模拟结果,利用CAFE模型(Chemical Aquatic Fate and Effect)拟合了相应的物种敏感度分布(species sensitivity distribution,SSD)曲线,首次结合三种模型工具对渤海进行了生态风险评估研究。结果显示,随着原油的持续泄漏,其主要有毒物质(苯系物)浓度达到了1 300μg/L,超过了1%危害浓度值(Hazard Concentration 1%,HC1)。结果表明,在事故初期所产生的生态风险不可忽视,并且风险(多个物种的潜在影响分数)会在96 h内以每日约1%的趋势增长。本文结合溢油运动轨迹和SSD曲线,绘制出了事故期间的生态风险时空分布图。经过定量化的评估,首次发现事故的整体生态风险随时间呈近似二次函数增长,同溢油轨迹一样,向西北方向扩散,越靠近溢油源的海域生态风险概率越高。