深海環(huán)境中溢油輸移擴散的初步數(shù)值模擬

廖國祥，楊建強，高振會

（1.國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心， 遼寧 大連 116023；2.國家海洋局北海分局， 山東 青島 266033；3.國家深海基地管理中心， 山東 青島 266061）

深海環(huán)境中溢油輸移擴散的初步數(shù)值模擬

廖國祥1，楊建強2，高振會3

（1.國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心， 遼寧 大連 116023；2.國家海洋局北海分局， 山東 青島 266033；3.國家深?；毓芾碇行?， 山東 青島 266061）

通過對溢油在深海環(huán)境中的輸移過程及行為特點的分析，初步建立基于拉格朗日積分法的深海溢油模型。該模型除了能夠模擬油氣混合物在真實深海環(huán)境中的共同輸移與分離輸移擴散過程，還考慮了石油溶解、氣體溶解、天然氣水合物形成與分解等行為變化對溢油運動軌跡的影響。應用該模型初步數(shù)值模擬了一次實際深海溢油試驗，結果表明溢油在水下的空間分布模擬結果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據符合較好。

深海溢油；油氣混合物；輸移擴散；天然氣水合物；數(shù)值模擬

溢油模型能夠模擬或預測油污染物在海洋環(huán)境中的時空分布，可為事故前風險評估和事故時應急行動提供決策支持，因而一直是海洋溢油防治的關鍵技術之一。與海面溢油不同，深海溢油污染物在水下環(huán)境中的輸移擴散過程難以有效觀測，其輸移動態(tài)和擴散范圍的不確定性使得溢油清除行動難以有效開展。2010年美國墨西哥灣的“深水地平線”事故已展示了準確預測深海溢油在水下及海面上的時空分布對采取合理應急處置措施的重要性。隨著我國大規(guī)?？碧介_發(fā)南海的深海油氣資源，深海溢油事故風險日益增高。因此，研究和發(fā)展深海溢油模型，為深海溢油事故的風險管理、應急響應、損害評估等應用提供理論和技術支持，這對提高我國的深海溢油防治能力，以及在事故時減輕油污染造成的海洋生態(tài)環(huán)境和社會經濟損害影響都有著重要的現(xiàn)實意義。

國外對水下溢油模型的研究始于20世紀70年代，McDougall、Fannelop和Sjoen、Milgram、Rye、Yapa等學者曾建立適用于淺水環(huán)境的水下溢油模型[1]。隨后，挪威的Johansen建立深海溢油模型DeepBlow[2,3]，美國的Yapa等建立深海溢油模型CDOG[4,5]，這兩個模型都能模擬溢油在深海環(huán)境中的復雜行為動態(tài)。近年來，國內的汪守東、管永義、廖國祥等研究人員積極開展水下溢油數(shù)值模擬研究[6-9]，但主要針對淺海水下溢油的情況，對深海溢油的數(shù)值模擬研究未見報道。

本文在國內外相關研究基礎上，初步建立考慮深海環(huán)境特點的深海溢油數(shù)學模型，進而結合一次深海溢油現(xiàn)場試驗開展模型應用研究，并對數(shù)值模擬結果進行驗證和分析。

1 深海溢油動態(tài)行為

1.1 深海溢油輸移過程

深海油氣鉆井井噴、海底輸油管道破損泄漏等事故溢出的原油通常含有大量的天然氣，混含氣體的油污染物在海洋環(huán)境中的輸移擴散過程可概述如下[2,4,8]：

首先，石油和天然氣在泄漏源的壓力作用下連續(xù)噴射進入水體中并破碎成為油滴和氣泡，它們在噴射動量和水體浮力作用下形成浮射流。在浮升過程中，天然氣氣泡在深海的高壓低溫環(huán)境中可能與周圍的海水化合形成固態(tài)的水合物，但水合物浮升至相對低壓和高溫的環(huán)境中將分解為氣泡和水。此外，當浮射流遇到較強的橫向水流時，天然氣氣泡將逐漸脫離浮射流。隨后，失去浮射動量的油滴將在周圍海水流動作用下在水平和垂直方向輸移和分散。最后，粒徑小的油滴繼續(xù)懸浮在海水中，而粒徑大的油滴浮升至海面后擴展為油膜，并在風、流、浪等海洋環(huán)境因素作用下經歷著漂移、擴散、蒸發(fā)、乳化等運動和風化過程[10-12]。

1.2 深海溢油行為特點

根據研究報道，溢油在深海環(huán)境中的動態(tài)行為與在淺海環(huán)境中的相比有以下幾個特點[2,4]：

（1）高壓低溫的深海環(huán)境中，溢油中的天然氣（主要成分為甲烷）氣泡能與周圍海水化合形成固態(tài)的天然氣水合物（俗稱為可燃冰）。當這些水合物浮升至相對高溫低壓的水體環(huán)境中，天然氣水合物將分解為水和氣泡；

（2）溢油中的天然氣氣泡在水下浮升過程中會逐漸溶解于海水，這將降低溢油浮射流的浮力；

（3）在水下環(huán)境的高壓條件下，天然氣氣體的狀態(tài)變化由非理想狀態(tài)方程計算比理想狀態(tài)方程更為合適；

（4）由于存在天然氣水合物的形成與分解、天然氣溶解于水等變化過程，溢油中的天然氣氣泡的尺寸及其浮升速度會隨之發(fā)生動態(tài)變化；

（5）在橫流速度較大的水下環(huán)境中，浮升速度更快的氣泡可能脫離浮射流，由此會改變溢油在水下的輸移軌跡。

2 深海溢油數(shù)學模型

作者之前研究中已建立適用于淺海環(huán)境的水下油氣溢漏污染物輸移預測模型[8]，該模型能夠模擬溢油在密度分層、流速分層的真實水下環(huán)境中的水流卷吸、湍流分散、溢油溶解、油氣共同輸移與分離輸移等動態(tài)行為。前面分析可知，油氣混合物在深海環(huán)境中的行為比在淺海環(huán)境中的更為復雜，例如天然氣水合物的形成與分解。因此，本文結合國外最新研究成果改進現(xiàn)有水下溢油模型，以實現(xiàn)模型對溢油在深海中輸移擴散及行為變化的數(shù)值模擬。

本文采用拉格朗日積分方法[1,2,8]模擬溢油在深海流動環(huán)境中的三維輸移擴散過程（見圖1）。該方法將沿軌跡中心線的污染物視為一系列互不影響的控制單元體（圖1（a）），每個控制單元體在水下環(huán)境中的運動是根據質量守恒、動量守恒及能量守恒等控制方程來計算確定，綜合所有控制單元體的運動來獲得溢油的輸移軌跡。

圖 1 深海油氣井井噴事故污染物擴散輸移過程示意圖Fig.1 Sketch of pollutant transport and diffusion processes in deepwater oil/gas blowout accident

當水下環(huán)境中沒有強橫流時，模型假設天然氣氣泡處于溢油浮射流的內部（見圖1（c）），氣泡分布半徑與浮射流橫截面半徑的比例為β，β=0.65～0.80[1]。此外，模型假設控制單元體的氣泡數(shù)量通量為常數(shù)JN，其中控制單元體的厚度為h，半徑為b。對于高壓低溫的深海環(huán)境下的油氣泄漏事故，Yapa等認為天然氣水合物主要是在天然氣氣泡的外殼逐漸形成（見圖1（b）），并認為基于此理論的模擬結果可能更符合實際情況[4]，本文模型中也應用該理論。

當水下環(huán)境中有強橫流作用時，溢油浮射流輸移軌跡將發(fā)生彎曲，一些體積較大的氣泡將將逐漸離開浮射流（見圖1（d））。此時控制單元體中的氣泡數(shù)量N=f?J?τ，其中f為油氣分離時氣泡數(shù)量的剩余比例數(shù)，J為氣泡的數(shù)量通量，τ為單個氣泡穿越控制單元體的時間。若氣泡并未脫離浮射流，則有f=1，J=JN。

2.1 質量守恒

2.1.1 液體質量守恒 溢油控制單元體在深海環(huán)境中輸移時，周圍水流的卷吸、溢油的溶解與湍流分散、水合物的形成與分解等作用將引起的液體質量變化滿足質量守恒[4,8]：

式中：ml為控制單元體中的液體質量，分別為控制單元體中的液體、氣液混合物、氣體與水合物的結合體、氣體、水合物、周圍海水的密度；rb、rh分別為具有水合物外殼的氣泡內部和外部半徑，沒有水合物時rh=rb；Qe為卷吸進入控制單元體的海水體積通量；n為水合數(shù)；Mw為水的摩爾質量；dnh/dt為單個氣泡的水合物形成速率；dnh/dt＞0表示水合物的形成，而dnh/dt＜0表示水合物的分解；dmi/dt為單位時間內溶解于水體的溢油質量損失；dmi/dt為單位時間內海水湍流分散引起的溢油質量損失。

2.1.1 氣體質量守恒 溢油控制單元體在水下環(huán)境輸移過程中，因氣體形成水合物和溶解于水等變化引起的氣體質量變化也滿足質量守恒[4]：

式中：mb為控制單元體中的氣體質量；Mg為氣體的摩爾質量；dnh/dt和dns/dt分別為單個氣泡形成水合物的速率和氣體溶解于水的速率。

2.2 動量守恒

溢油控制單元體在水下環(huán)境中的運動滿足動量守恒[4,8]：

式中：mh為控制單元體中水合物的質量；u、v、w為控制單元體在x、y、z方向上的速度分量；ua、va、wa分別為周圍海水在x、y、z方向上的速度分量；Qg為具有水合物外殼的氣泡脫離控制單元體的體積通量；wb為氣泡的滑移速度。方程(3)－(5)右端的第一項表示控制單元體卷吸海水后所增加的動量，第二項表示氣體分離后所減少的動量；方程(5)右端第三項表示油水混合物的垂直方向動量分量，第四項表示氣泡的垂直方向動量分量。

2.3 熱量守恒

溢油控制單元體在水下環(huán)境中運動的同時保持熱量守恒[4]：

式中：Cpl、Cph分別為液體和水合物的熱容；T為溫度；Ta為水體環(huán)境溫度；λ為水合物形成或分解的潛熱能。由于與液體或水合物的熱量相比，氣體的熱量很小，因而計算中可忽略方程(6)左邊中的氣體熱量。方程(6)右端第一項表示卷吸水體所增加的熱量，第二項表示因水合物的形成或分解過程增加或減少的熱量。

2.4 鹽度和濃度守恒

溢油控制單元體的鹽度和濃度守恒，可用下面方程進行描述[4]：

式中：I為量綱參數(shù)，可表示為鹽度、質量濃度；下標“a”表示為環(huán)境水體。

3 深海溢油試驗模擬

美國自20世紀90年代起開始大規(guī)模開采墨西哥灣的深海油氣資源。為了預防和應對突發(fā)性深海溢油事故，美國礦業(yè)資源管理局聯(lián)合22個石油公司，共同出資250萬美元開展了名為“DeepSpill”的大型深海溢油試驗研究項目。項目的目的是獲得溢油模型驗證所需的數(shù)據、檢驗深海溢油事故的監(jiān)測設備以及評估深海溢油事故應急的安全問題。試驗地點選取在歐洲北海的挪威所屬海域，試驗水深為844 m，日期為2000年的6月27－29日。該項目利用多艘科研考察船裝載相關試驗和監(jiān)測儀器設備，由挪威SINTEF研究所的Johansen負責現(xiàn)場總指揮，多個政府機構、研究單位和石油公司的數(shù)十位研究和工程人員全程參與。試驗第1天主要通過釋放氮氣和海水進行檢驗測試，隨后3天里分別以柴油和天然氣混合物、原油和天然氣混合物、天然氣為模擬溢漏污染物進行了3次試驗[3,5]。

本文選取“DeepSpill”試驗中的柴油和天然氣混合物為模擬泄漏試驗作為實例進行模型數(shù)值模擬研究。

3.1 試驗及環(huán)境參數(shù)

根據現(xiàn)場試驗和監(jiān)測數(shù)據，設定以下數(shù)值模擬參數(shù)：試驗時間為2000-6-27 6:35，試驗水深為844 m，試驗海域的海水溫度和鹽度的垂向分布見圖2，海流速度的垂向分布見圖3。模擬泄漏油品為柴油（其密度為854.8 kg/m3），氣體為液化天然氣，油氣混合物持續(xù)釋放時間為60 min。其中，柴油釋放速率為1.0 m3/min，氣體的為0.6 m3/s；混合物釋放時的溫度為-0.77℃，釋放速度為1.99 m/s。

圖 2 深海溢油試驗海域海水溫度和鹽度的垂向分布圖Fig.2 Vertical profiles of sea water temperature and salinity at the location of the deepwater oil spill experiment

3.2 初步模擬結果分析

根據前面的模擬參數(shù)，應用本文深海溢油模型進行數(shù)值計算，獲得溢油在水下環(huán)境中的輸移擴散模擬結果（見圖4和圖5）。

圖4顯示的是深海溢油試驗的水下監(jiān)測數(shù)據與數(shù)值模擬結果。其中，圖4(a)、圖4(b)分別是利用聲吶監(jiān)測得到水下環(huán)境中油濃度空間分布的X-Z和Y-Z方向的垂向剖面圖，而圖4(c)、圖4(d)分別是本文模型模擬的溢油在水下環(huán)境中空間分布的X-Z和Y-Z方向的垂向剖面圖。

圖 4 溢油在水下空間分布的監(jiān)測數(shù)據與數(shù)值模擬結果Fig.4 Observed and simulated results of the spatial distributions of spilled oil in the underwater environment

圖 5 溢油水下空間分布監(jiān)測數(shù)據與數(shù)值模擬結果的比較分析Fig.5 Comparison of observed and simulated results of the spatial distributions of spilled oil in the underwater environment

圖5為水下溢油空間分布的監(jiān)測數(shù)據與數(shù)值模擬結果的疊加對比圖。圖中比較分析可知，本文模型模擬的溢油在水下環(huán)境中的分布范圍與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據符合較好。

4 結 語

隨著我國深海油氣資源勘探開發(fā)進程的快速推進，深海溢油事故風險隨之不斷增高，研究和發(fā)展溢油預測模型對提高我國深海溢油污染防治管理能力有著重要現(xiàn)實意義。本文通過分析深海溢油事故泄漏的污染物在水下環(huán)境中的輸移擴散行為動態(tài)，在適用于淺海的水下油氣溢漏輸移預測模型基礎上初步建立深海溢油數(shù)學模型。應用該模型初步數(shù)值模擬了在挪威海域進行的一次深海溢油現(xiàn)場試驗，研究結果表明溢油在水下環(huán)境中的空間分布數(shù)值模擬結果與現(xiàn)場水下監(jiān)測數(shù)據符合較好。由于溢油在深海環(huán)境中的物理化學行為過程復雜，深海溢油模型的驗證和發(fā)展仍有待深入研究。

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Modeling of the transport and diffusion of spilled oil in deepwater environment

LIAO Guo-xiang1, YANG Jian-qiang2, GAO Zhen-hui3

(1.National Marine Environmental Monitoring Center, Dalian 116023, China; 2.North China Sea Branch of State Ocean Administration, Qingdao 266033, China; 3.National Deep-Sea Base, Qingdao 266061, China)

Based on the analysis of the behaviors of oil and gas spilled in deepwater environment, a deepwater oil spill model was developed based on the Lagrangian integral method.The model can simulate the transport and diffusion processes of oil and gas mixture in deepwater environment, including the oil and gas co-transport, gas separation from a bent oil/gas plume, etc.The behaviors of oil dissolution, gas dissolution, formation and decomposition of gas hydrate in deepwater environment and their effects on the movements of spilled oil were also taken into account in the model.The model was used to simulate an actual deepwater oil spill experiment in the North Sea, and the results showed that the simulated spatial distributions of spilled oil in water column were in good agreement with the field observed data.

deepwater oil spill; oil and gas mixture; transport and diffusion; gas hydrate; numerical simulation

X55

A

1001-6932(2011)06-0707-06

2011-03-30；

2011-06-15

國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評估技術重點實驗室開放基金（201022）。

廖國祥 ( 1979－)，男，博士，主要從事溢油應急決策與損害評估研究。電子郵箱：gxliao@nmemc.gov.cn。