聲速法判斷溢油污染物的特征及動(dòng)態(tài)研究

張 穎，王 茜，張穎穎，侯廣利

（山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所 海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266001）

聲速法判斷溢油污染物的特征及動(dòng)態(tài)研究

張 穎，王 茜，張穎穎，侯廣利

（山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所 海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266001）

溢油不僅污染了海面，并伴隨著水流的流動(dòng)污染了海底沉淀。利用直接法和間接法同時(shí)測(cè)量溢油污染物的聲速，通過聲速平均差值判斷溢油的位置及浸沒深度，從而跟蹤溢油的動(dòng)態(tài)。根據(jù)外場(chǎng)試驗(yàn)總結(jié)得出溢油的特征及擴(kuò)散情況：在海流和風(fēng)流的作用下溢油不斷擴(kuò)散，隨著溢油濃度的降低，聲速降低，在相對(duì)窄的大陸架內(nèi)溢油存留在10 m的水層內(nèi)，并擴(kuò)展到更深的區(qū)域。

聲速法；探測(cè)；溢油特征；跟蹤

水下石油管道、硼砂平臺(tái)、運(yùn)油船只和岸上石油站的事故是引起溢油的主要原因，暴風(fēng)天氣和水面的強(qiáng)烈波動(dòng)阻礙了溢油的流動(dòng)，并將其擊碎，形成乳化混合物，在很大范圍內(nèi)乳化物跟隨著水流流動(dòng)[1]。在海水中混合物的擴(kuò)散，使得污染斑點(diǎn)從水面擴(kuò)散到海底，污染海底沉淀，因此需要在相對(duì)短時(shí)間內(nèi)保護(hù)水面和海底的環(huán)境。

艦船、飛機(jī)、直升機(jī)和軌道衛(wèi)星對(duì)水上事故區(qū)域表面的觀察是傳統(tǒng)的局部污染的探測(cè)方法，但是目視偵察只能探測(cè)污染物的表面輪廓，并且只能在天氣好的情況下進(jìn)行[2]?，F(xiàn)在一種新的方法是利用聲學(xué)方法探測(cè)水中的污染物，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了一系列理論和試驗(yàn)研究。采用聲透射和聲反射的方法進(jìn)行測(cè)試，以聲速測(cè)量作為主要手段進(jìn)行分析[3]。通過直接和間接測(cè)量溢油污染物聲速值的方法，利用兩種方法的差值來(lái)判斷污染物的位置、動(dòng)態(tài)，從而進(jìn)行跟蹤處理。

1 聲速測(cè)量法原理

水介質(zhì)本身的特性決定了聲波擴(kuò)展的特征，以此為基礎(chǔ)利用聲學(xué)方法探測(cè)溢油污染物[4]。在一維無(wú)限邊界條件下，彈性聲波的擴(kuò)展可以用標(biāo)量方程來(lái)描述：

式中：X為彈性模量；ρ為平衡密度，標(biāo)示著海水介質(zhì)的特征，并與3個(gè)主要因素有關(guān)：海水溫度T0，海水鹽度S和流體靜壓力Ph，這些參數(shù)與聲速的關(guān)系表示為：

在此基礎(chǔ)上建立了聲速的間接測(cè)量原理，將給出的溫度、鹽度和流體靜壓力帶入試驗(yàn)關(guān)系式中，從而確定聲速值?，F(xiàn)代的聲速間接測(cè)量?jī)x具有高靈敏度的熱處理、電導(dǎo)和流體動(dòng)力傳感器，通過模擬－離散換能器與微處理器相連，按照時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，并四舍五入，得到海水中聲波的擴(kuò)展速度的精度為 0.005～0.01 m/s[5-6]。

另外，聲速是聲波在時(shí)間上的一階導(dǎo)數(shù)，

在這個(gè)原理的基礎(chǔ)上建立了直接測(cè)量聲速法原理，聲源和聲接收器之間的距離越精確，聲信號(hào)通過這個(gè)距離的時(shí)間越精確，測(cè)量的精度越高?，F(xiàn)代的直接聲速測(cè)量?jī)x的精度可定位到 0.001～0.01 m/s[7]。

2 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行試驗(yàn)，污染物使用的是建筑粉塵和石油乳化物（汽油、柴油和機(jī)油）。在純海水中，溫度T°為10～20℃、鹽度S為13～18的條件下，同時(shí)進(jìn)行聲速的直接和間接測(cè)量，測(cè)量結(jié)果區(qū)別不大，差值為0.3～0.5 m/s。在水中進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的偏差是5～17 m/s。

實(shí)驗(yàn)室裝置模型包括2臺(tái)聲速直接測(cè)量?jī)x和2臺(tái)聲速間接測(cè)量?jī)x，直接測(cè)量?jī)x利用脈沖法和相位法測(cè)量聲速。在第1個(gè)聲速間接測(cè)量?jī)x上設(shè)有一個(gè)溫度通道，根據(jù)錨鏈電纜的深度計(jì)算流體靜壓力，鹽度采用平均值。在第2個(gè)間接測(cè)量?jī)x上設(shè)有調(diào)節(jié)溫度、電導(dǎo)和流體靜壓力的通道。無(wú)論是直接測(cè)量?jī)x還是間接測(cè)量?jī)x都是取2個(gè)測(cè)量?jī)x讀數(shù)的平均值。

實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的方法是對(duì)溢油污染物擴(kuò)散的概率譜的平均做水文剖面。實(shí)際應(yīng)用中剖面應(yīng)該是在石油開始溢出后的10～20 h內(nèi)進(jìn)行，并且應(yīng)該形成一個(gè)觀測(cè)系統(tǒng)，各觀測(cè)臺(tái)站之間的間隔應(yīng)該在3～6 n mile，每一個(gè)臺(tái)站上都應(yīng)有準(zhǔn)確的水平線的速度值。

3 外場(chǎng)試驗(yàn)

試驗(yàn)場(chǎng)地海況：風(fēng)速為5～8 m/s，風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)，波浪為2～3級(jí)，流速為0.5～0.7 kn。目測(cè)水平面的溢油斑點(diǎn)，可延續(xù)30鏈（3 n mile）。從7個(gè)臺(tái)站進(jìn)行水文剖面測(cè)量，各臺(tái)站之間的距離為3 n mile，第1個(gè)臺(tái)站在溢油發(fā)生12 h后完成測(cè)量，而最后一個(gè)臺(tái)站在溢油發(fā)生17 h后完成（圖1）。第1號(hào)臺(tái)站和第7號(hào)臺(tái)站通過聲速直接測(cè)量?jī)x和間接測(cè)量?jī)x所得的數(shù)據(jù)沒有區(qū)別，第2～第6號(hào)臺(tái)站測(cè)量的數(shù)據(jù)列于表1中。污染物濃度越大，聲速越高，污染物濃度越低，聲速越低[8-9]。

圖1 試驗(yàn)原理圖

表1 水文剖面的結(jié)果（聲速C/m·s-1與深度H/m的關(guān)系，K，N分別對(duì)應(yīng)著間接測(cè)量?jī)x和直接測(cè)量?jī)x）

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

從表中得出聲速直接測(cè)量?jī)x和間接測(cè)量?jī)x的最大偏差達(dá)到7.2 m/s，直接測(cè)量?jī)x和間接測(cè)量?jī)x的絕對(duì)誤差值列于表2，各臺(tái)站水文剖面的幾何原理圖列于圖2。

表2 聲速間接測(cè)量?jī)x和直接測(cè)量?jī)x讀數(shù)的差值

在第2號(hào)臺(tái)站（距離污染源3 n mile的位置）上觀察溢油的密度，它的核心從水平面擴(kuò)展到40 m的水位線上，繼續(xù)向下浸沒，密度降低，達(dá)到60 m的位置溢油密度為0。

在第3號(hào)臺(tái)站上（距離溢油6 n mile的位置）污染核心已擴(kuò)展到25～35 m的水位，溢油的痕跡遍布10～75 m的水層，距海底20 m內(nèi)也存在污染物。

在第4號(hào)臺(tái)站上溢油的范圍稍微有所降低，核心的對(duì)比度也降低了，并且核心擴(kuò)展到20 m以下了。

在第5號(hào)臺(tái)站上（距離溢油12 n mile的位置），溢油的擴(kuò)展深度達(dá)到100 m，污染的寬度達(dá)到85 m，污染核心位于25～75 m的水位之間。在35 m的深度上發(fā)現(xiàn)了大量異常的溢油（測(cè)量?jī)x的讀數(shù)差值達(dá)到了6.2 m/s），但表面15 m的區(qū)域內(nèi)是清潔的。

圖2 各臺(tái)站水文剖面的幾何描述

在第6號(hào)臺(tái)站上，溢油已經(jīng)擴(kuò)散，大量的石油污染物集中在65～80 m的水位上。聲速測(cè)量?jī)x的讀數(shù)差值不超過3 m/s。

從圖2中得出等值線的污染物存在區(qū)域的極限是0.5 m/s。溢油寬度達(dá)到75～80 m，在3～6 n mile的距離上溢油從表面消失，但還沒有擴(kuò)散到海底，存留在10 m的水層內(nèi)。

海水中上部的溢油密度比較大，而下部的界限被侵蝕了。因?yàn)樗腿榛毫鞔嬖?，所以等值線相對(duì)平等，但海水中不同的渦流導(dǎo)致了等值線的某些變形。

5 結(jié)論

在7個(gè)臺(tái)站分別進(jìn)行了測(cè)量，讀取聲速直接測(cè)量?jī)x和間接測(cè)量?jī)x的數(shù)據(jù)，取平均值，得出兩種測(cè)量方法的差值，判斷溢油的位置及動(dòng)態(tài)。利用聲學(xué)方法探測(cè)溢油，并對(duì)水中的污染物進(jìn)行監(jiān)控（擴(kuò)展監(jiān)測(cè)）。在海流和風(fēng)流共同作用下，溢油污染物隨著水流轉(zhuǎn)移，在相對(duì)窄的大陸架帶內(nèi)不能到底，主要存留在10 m的水層內(nèi)，如果污染物的數(shù)量多或者流速快可能擴(kuò)散到更深的區(qū)域。但隨著擴(kuò)展寬度的加大，溢油密度降低。

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[3]王潤(rùn)田.海底聲學(xué)探測(cè)與底質(zhì)識(shí)別技術(shù)的新進(jìn)展[J],聲學(xué)技術(shù)，2002，21（1）:96-98.

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[7]Ji Wenyun,et al.Research on pattern recognition of the acoustic sea bed profiling records and sea bed geological classification[C]//ACTA Acous-tica,2001,3:213.

[8]盧 博,黃韶健,李趕先，等.在不同沉積物類型中的聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究[J].海洋技術(shù),2004，23（1）:66-70.

[9]吳錦虹,吳百海,劉 強(qiáng),等.基于聲波探測(cè)海底淺層沉積物特性的方法研究[J].海洋工程，2008.26（1）:114-119.

Sound Velocity Method to Determine Oil Spill Pollutants Characteristics and Dynamics

ZHANG Ying,WANG Qian,ZHANG Ying-ying,HOU Guang-li
（Key Lab of Marine Environment Monitoring Technology of Shandong,Institute of Oceanographic Instrument,Shandong Academy of Science,Qingdao Shandong 266001,China）

Oil spill not only pollute the sea,but also pollute the bottom sediment with the flow of the water.The direct method and indirect method are used together to measure the velocity of medium,through velocity difference to judge the location of oil spill and the depth of immersion to track the dynamic state of oil spill for post-processing.According to the field experiments,the feature and difference of the oil spill is summarized:oil spill continuously diffused under the role of current and air flow,with the decreasing concentrations of oil spill,the speed of sound reduced,oil was stranded in the water 10 m layer and extended to deeper areas.

velocity method;detection;features of oil spill;tracking

TB556，X55

A

1003-2029（2011）02-0055-04

2010-12-07

山東省科技攻關(guān)項(xiàng)目（2009GG10005007）;山東省科學(xué)院博士基金項(xiàng)目（200605）

張穎（1981-），女，助理研究員，碩士研究生，研究方向?yàn)樗晫W(xué)在海洋技術(shù)中的應(yīng)用。Email:zy9951132@126.com