國內(nèi)外模擬溢油波浪水槽的最新研究進(jìn)展

王巧敏，嚴(yán)志宇，孫冰，劉慧

(大連海事大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 大連 116026)

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國內(nèi)外模擬溢油波浪水槽的最新研究進(jìn)展

王巧敏，嚴(yán)志宇，孫冰，劉慧

(大連海事大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 大連 116026)

利用模擬設(shè)備模擬海面真實(shí)溢油情景是研究溢油分散、污染損害評(píng)估及其組成變化特征最方便、快捷的方式，因此模擬設(shè)備的水體環(huán)境越貼近海洋實(shí)際，研究數(shù)據(jù)越真實(shí)可靠。文章對(duì)國內(nèi)外模擬溢油的波浪水槽進(jìn)行詳細(xì)評(píng)述，主要包括美國國家溢油應(yīng)急測試機(jī)構(gòu)建立的Ohmsett波浪水槽、加拿大貝德福德海洋學(xué)研究所的波浪水槽、挪威科技工業(yè)研究院的波浪水槽和國內(nèi)比較典型并已有相關(guān)報(bào)道的深圳市計(jì)量質(zhì)量檢測研究院的海上溢油風(fēng)化模擬系統(tǒng)。通過對(duì)以上最具代表性的國內(nèi)外波浪水槽的介紹、分析和比較，借鑒國外研究經(jīng)驗(yàn)，對(duì)我國模擬溢油波浪水槽的建構(gòu)提出建議，旨在為溢油研究工作者提供多種可參考的波浪水槽設(shè)備，完善現(xiàn)有模擬設(shè)備的不足。

溢油；波浪水槽；實(shí)驗(yàn)?zāi)M

目前國際上的模擬溢油設(shè)備按照規(guī)模大小主要分為實(shí)驗(yàn)室小型臺(tái)式設(shè)備、波浪水槽和海上圍隔。比較以上3種模擬環(huán)境可知，各設(shè)施的水體條件逐漸擴(kuò)大并接近海洋，甚至已是海洋水體。但因現(xiàn)實(shí)條件和環(huán)境條件等諸多因素的限制，以上3種模擬環(huán)境并不是同等重要地被用于實(shí)驗(yàn)研究。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室小型臺(tái)式設(shè)備而言，大多采用實(shí)驗(yàn)室漏斗、燒瓶、燒杯或基于三者改裝的小型玻璃器皿為容器，盡管擁有可以控制實(shí)驗(yàn)條件、儀器設(shè)備簡單易得、測試成本低、實(shí)驗(yàn)時(shí)間短、取樣快、測試結(jié)果重現(xiàn)性好、可對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行比較和實(shí)驗(yàn)結(jié)果精密度高等優(yōu)點(diǎn)，但其是體積非常小的測試，不適合長期(幾天或數(shù)周)研究，所得結(jié)果與海上現(xiàn)場結(jié)果也不是簡單的外推關(guān)系，不能充分模擬海洋的實(shí)際狀況，尤其是混合能源和水體分散油滴在水平和垂直方向的平流與湍流擴(kuò)散。因此，實(shí)驗(yàn)室小型臺(tái)式設(shè)備受固有空間限制，不能解決影響傳輸和稀釋效果的空間問題，獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也很難應(yīng)用于現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)推算。對(duì)于海上圍隔而言，溢油現(xiàn)場測試的成本較高且難以掌控管理，存在人為污染海洋環(huán)境的隱患，風(fēng)險(xiǎn)較大；而且由于缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)和天氣條件的控制手段，研究結(jié)果常常具有不確定性和不可重復(fù)性。即使是圍隔實(shí)驗(yàn)，也因其過于昂貴和對(duì)海洋環(huán)境造成影響，不便于推廣。采用波浪水槽模擬溢油既可避免實(shí)驗(yàn)室臺(tái)式設(shè)備的固有空間局限性，也可近似模擬海上混合能量和水流影響，從而獲得較為可靠和貼近海洋實(shí)際的數(shù)據(jù)，還可在模擬海上條件的基本設(shè)置中重復(fù)研究和評(píng)估溢油分散與風(fēng)化[1]。因此，波浪水槽對(duì)于指導(dǎo)溢油研究人員在應(yīng)急響應(yīng)中使用分散劑、評(píng)估溢油污染和考察溢油風(fēng)化特性等方面是一個(gè)重要的工具。國外最為典型的是美國的Ohmsett波浪水槽、加拿大貝德福德海洋學(xué)研究所的波浪水槽和挪威科技工業(yè)研究院的波浪水槽。國內(nèi)目前已有報(bào)道且最具代表性的是深圳市計(jì)量質(zhì)量檢測研究院的海上溢油風(fēng)化模擬系統(tǒng)。

1 美國的Ohmsett波浪水槽

美國國家溢油應(yīng)急測試機(jī)構(gòu)(National Oil Spill Response Test Facility，USA)建立的石油和危險(xiǎn)材料模擬環(huán)境測試水槽(Oil and hazardous materials simulated environmental test tank，Ohmsett)是目前世界上最大的模擬海洋條件的波浪水槽，可以針對(duì)各種各樣的原油和成品油進(jìn)行溢油測試、研究和培訓(xùn)。該設(shè)備主要由美國內(nèi)政部礦產(chǎn)管理服務(wù)中心(Minerals Management Service，MMS)負(fù)責(zé)維護(hù)和運(yùn)營。相較于海上現(xiàn)場測試，Ohmsett能提供一個(gè)安全、可控和重復(fù)測試的環(huán)境，有利于溢油處理設(shè)備和技術(shù)的開發(fā)測試。關(guān)于Ohmsett的詳細(xì)信息可參見其官網(wǎng)(www.ohmsett.com)，其鳥瞰圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

圖1 美國石油和危險(xiǎn)材料模擬環(huán)境測試水槽(Ohmsett)

Ohmsett是混凝土式的波浪水槽，置于戶外，長、寬、深分別是203 m、20 m和3.3 m，約2個(gè)足球場大，充滿約984萬L清澈的天然海水。主要通過添加海鹽維持海水鹽度(～35)，通過含有硅藻土助濾劑的葉式過濾系統(tǒng)維持水的清澈度，并使用次氯酸鈉的氯化作用控制藻類生長，以便提高水下視頻設(shè)備的測試質(zhì)量。3座橋橫跨水槽可以沿著水槽壁來回移動(dòng)，主橋用于拖曳各種溢油響應(yīng)設(shè)備，模擬海上實(shí)際拖帶或部署，橋上的石油排放系統(tǒng)可以模擬溢油。水槽南端設(shè)置拍打式造波器、北端海灘設(shè)置波浪吸收裝置(消波器，主要將從北墻反射回來的波削弱到槽的底部)，以便模擬海浪(可產(chǎn)生高達(dá)0.61～1 m、長約45 m的巨浪)。隨著北端海灘的降低，水槽也可產(chǎn)生高度約為70 cm的“港砍”。從移動(dòng)橋、控制塔和水下觀景窗的一側(cè)都可觀測測試，而且水面上方和下方都有數(shù)據(jù)收集和視頻記錄系統(tǒng)。移動(dòng)橋、溢油釋放模式和造波系統(tǒng)都可在重復(fù)的條件和設(shè)置下進(jìn)行溢油響應(yīng)，可使研究人員獲得特定性能的數(shù)據(jù)，以便開發(fā)和優(yōu)化溢油控制系統(tǒng)和設(shè)備。近年來MMS升級(jí)改善了Ohmsett的測試功能，能提供可控制的冷水環(huán)境測試，便于模擬現(xiàn)實(shí)的破冰條件，進(jìn)一步擴(kuò)展該設(shè)備的研究范圍。

2001年Ross等[3]研究在Ohmsett中模擬溢油化學(xué)分散的可行性時(shí)提出，在Ohmsett中進(jìn)行分散劑效果測試不僅是可行的，還可根據(jù)已經(jīng)開發(fā)出來的特定實(shí)驗(yàn)程序成功實(shí)施。究其原因主要包括：設(shè)備非常大，能產(chǎn)生波；實(shí)施大規(guī)模的分散劑測試是可能的；可以控制大多數(shù)變量；可近距離觀察石油—分散劑相互作用的分散過程；與海上測試相比，Ohmsett相對(duì)廉價(jià)。因此，Ohmsett是消除實(shí)驗(yàn)室和海上測試之間隔閡的合理裝置。1999-2006年在Ohmsett中進(jìn)行的溢油模擬研究如表1所示[4]。

表1 1999—2006年在Ohmsett中進(jìn)行的 分散劑效果研究項(xiàng)目

續(xù)表

綜上可知，Ohmsett是一個(gè)非常好的、值得借鑒的模擬溢油水槽。除表1中的研究項(xiàng)目外，研究人員使用該水槽還做了大量冷水域環(huán)境中分散劑效果測試[5-7]、石油黏度對(duì)分散劑效果影響測試[8-10]以及平靜水體中分散劑效果研究[11]等實(shí)驗(yàn)。

2 加拿大貝德福德海洋學(xué)研究所的波浪水槽

貝德福德海洋學(xué)研究所的波浪水槽如圖2所示[12]，位于加拿大漁業(yè)海洋部近海石油和天然氣環(huán)境研究中心(Center for Offshore Oil and Gas Environmental Research，Canada)。該槽由涂有環(huán)氧樹脂涂層的鋼鐵制成，容積大小經(jīng)歷2個(gè)階段的發(fā)展[12-13]：第一階段波浪水槽的長、寬、高分別是16 m、0.6 m和2 m，平均水深約1.25 m，隨著研究的深入和發(fā)展，為產(chǎn)生更多能量較大的波以及減少水槽末端波的干涉等，其長度被翻倍；第二階段波浪水槽的長、寬、高分別是32 m、0.6 m和2 m，平均水深約1.5 m。此外，該波浪水槽的水流特性也經(jīng)歷從“臺(tái)式死水”到“流動(dòng)活水”的轉(zhuǎn)變[14-15]。

圖2 貝德福德海洋學(xué)研究所波浪水槽

波浪水槽內(nèi)不同的前進(jìn)波由水槽一端計(jì)算機(jī)控制的拍打式造波器產(chǎn)生，造波器與1個(gè)可調(diào)凸輪連接，通過控制其行程長度達(dá)到改變波浪長度和高度的目的，波的頻率由凸輪(由電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng))的旋轉(zhuǎn)速度控制；造波器可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求產(chǎn)生不同類型的波浪，包括規(guī)則非破波以及指定長度、高度和頻率的破波。水槽尾端是波吸收裝置，由8個(gè)多孔不銹鋼鋼板組成，這些鋼板上有孔隙直徑大小為0.2～2.5 cm的孔，孔隙度在40%～70%之間；板的順序和間距是經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試得到的，目的是減弱回到混合區(qū)的反射波能量，即減少對(duì)前進(jìn)波的反射和干涉[16]。水槽可在1 h內(nèi)完成排水和充水，便于進(jìn)行獨(dú)立實(shí)驗(yàn)，但需預(yù)防各個(gè)實(shí)驗(yàn)之間油或分散劑的積累。波浪強(qiáng)度由每單位質(zhì)量的能量耗散率(評(píng)估海上原油混合和分散程度的可伸縮參數(shù)[17])量化，即在水槽不同位置使用聲學(xué)多普勒測速計(jì)測量時(shí)間序列的速度完成[18]。水槽的水動(dòng)力特征在其他地方也有報(bào)道[19-20]。

該波浪水槽主要通過測試一定時(shí)間節(jié)點(diǎn)處、不同水平、不同深度的水體油濃度和油滴粒徑分布，模擬、分析和評(píng)價(jià)分散劑處理原油的效果[15]。水體油濃度越高，溢油分散效果越好；水體油滴粒徑越小，油顆粒的懸浮狀態(tài)越穩(wěn)定。此外，該波浪水槽也可以通過分析各項(xiàng)指標(biāo)(水體油濃度、油滴粒徑分布和能量耗散率等)考察不同環(huán)境條件對(duì)分散劑效果的影響。目前該研究方法已被國際廣泛接受，研究成果(包括波浪類型、溫度、分散劑種類、油品特性等因子對(duì)溢油分散效果的影響等)在國際會(huì)議和期刊上多次發(fā)表，并成功應(yīng)用于監(jiān)測墨西哥灣“深水地平線”溢油事故中分散劑的使用效果[21]。

3 挪威科技工業(yè)研究院的波浪水槽

挪威科技工業(yè)研究院(SINTEF)利用數(shù)值算法計(jì)算破波對(duì)海面溢油影響時(shí)，分別使用長方形和橢圓形波浪水槽進(jìn)行溢油物理化學(xué)特性以及自然分散油滴粒徑分布等一系列研究，并建立油滴破裂尺寸與破波能量之間的關(guān)系[22]。其中長方形水槽長5 m、寬0.5 m，水深為1 m，油膜厚約1～2 mm；通過調(diào)節(jié)槽末端(右)嵌上的造波器頻率和振幅，控制破波的發(fā)生位置和大小，以提供一系列的可控波，并讓波浪在特定位置聚集所需的能量，消波器安裝在槽的另一端，以消除或減少波反射(圖3)。

為獲得高能量的崩碎波，還開發(fā)了“瀑布式?jīng)_擊流”裝置，即由安裝在水槽上方一定高度處、裝滿9 L水的樹脂玻璃槽傾斜到水平位置而產(chǎn)生波浪。為確定造波器的波振幅與“瀑布式?jīng)_擊流”自由降落高度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，樹脂玻璃槽內(nèi)水體落下的高度也可通過向上或向下移動(dòng)負(fù)載其的固定板實(shí)現(xiàn)(圖4)。

圖4 “瀑布式?jīng)_擊流”的形成

此外，研究者還可通過比較一定高度的破波所產(chǎn)生的油滴尺寸分布與“瀑布式?jīng)_擊流”水體自由下落導(dǎo)致的油滴尺寸分布，實(shí)現(xiàn)“瀑布式?jīng)_擊流”與破波能量的校準(zhǔn)，并在改裝后的橢圓形風(fēng)化水槽(圖5)中進(jìn)行長期的溢油風(fēng)化實(shí)驗(yàn)，使溢油不僅處于破波環(huán)境，同時(shí)也處于“瀑布式?jīng)_擊流”帶來的崩碎波中，更加貼近海洋實(shí)際地分析溢油自然分散的物化性質(zhì)和粒徑大小。

圖5 橢圓形波浪水槽

約有4.8 m3的海水循環(huán)于周長約為10 m的水槽(置于0℃～20℃的溫控室中)，風(fēng)洞中放置2個(gè)風(fēng)扇用于模擬各種風(fēng)速?！捌俨际?jīng)_擊流”可以一定的時(shí)間間隔進(jìn)行，在此之前造波器要先幾分鐘關(guān)閉，以便石油被限制于沖入下游測試區(qū)的障礙物后面，使分散油滴重新鋪平成均勻的浮油，這有利于計(jì)算油膜厚度和黏度與油滴分散大小的關(guān)系(圖6)。值得注意的是，每次實(shí)驗(yàn)狹窄油層的油膜厚度都不同，由于油包水乳劑的密度接近海水密度，更傾向形成厚油層，自由下落高度必須時(shí)常增加，以彌補(bǔ)由于黏度和油膜厚度增加而造成的油膜破裂。

圖6 “瀑布式?jīng)_擊流”的實(shí)驗(yàn)原理

除以上使用頻率較高、文獻(xiàn)報(bào)道較多的大型波浪水槽外，國外還有配備人工沙灘的模擬水槽。如，美國德克薩斯州海岸線環(huán)境研究機(jī)構(gòu)的波浪水槽(33.5 m×2.1 m×2.4 m)設(shè)有坡度為10°的模擬沙灘[23]，以研究分散劑及時(shí)處理溢油的可行性和優(yōu)點(diǎn)；加拿大曾在SL ROSS波浪水槽(11 m×1 m×1 m)測試分散劑的有效性，并將該結(jié)果與英國相似條件下處理相同油的海上測試結(jié)果相比較[24]。

4 國內(nèi)海上溢油風(fēng)化模擬系統(tǒng)

國內(nèi)已報(bào)道的、最具代表性的模擬溢油波浪水槽是深圳市計(jì)量質(zhì)量檢測研究院的海上溢油風(fēng)化模擬系統(tǒng)(圖7)[25]。

圖7 海上溢油風(fēng)化模擬系統(tǒng)

該系統(tǒng)是“十一五”期間“水上溢油預(yù)測預(yù)警與應(yīng)急決策技術(shù)”課題的技術(shù)成果之一。池體的長、寬、高分別是5 m、3 m、2 m，實(shí)際水位高0.9 m；主要由溢油池、水流模擬裝置、程序控制系統(tǒng)和監(jiān)視系統(tǒng)組成，安置于室外；池中有2塊平行撥水板，并設(shè)置側(cè)面推進(jìn)器模擬海水真實(shí)的平流、局部環(huán)流或湍流流動(dòng)狀態(tài)；該設(shè)備的其他相關(guān)參數(shù)和作用原理參見參考文獻(xiàn)[26]?；谶@一模擬裝置，研究者分析溢油水體水質(zhì)[27]、風(fēng)化過程中的溢油化學(xué)組成成分[28]和物理特性[25]的變化，為溢油預(yù)警預(yù)測、漂移動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)技術(shù)、環(huán)境歸宿和溢油鑒別提供更接近實(shí)際數(shù)據(jù)的技術(shù)和科學(xué)依據(jù)。

此外，我國模擬溢油的波浪水槽還包括：張秀芝等[29-30]、楊慶霄等[31]和趙云英等[32]研究溢油分散效果所采用的長×寬×高分別為25 m×0.6 m×1.2 m、25 m×0.5 m×0.8 m和15 m×1.0 m×0.8 m的波浪水槽；錢國棟[33-35]研究鹽度對(duì)溢油分散效果影響所采用的長×寬×高為7 m×0.5 m×0.5 m的波浪水槽，研究“波浪條件”和“劑油比”對(duì)2種分散劑作用于渤海原油效果時(shí)所采用的長×寬×高為5 m×0.3 m×0.4 m的波浪水槽，以及評(píng)價(jià)水面和水下溢油分散劑有效性時(shí)所采用的長×寬×高為5 m×0.3 m×0.4 m和2 m×1 m×1 m的波浪水槽等。

5 結(jié)語

利用波浪水槽開展中試規(guī)模的溢油模擬研究，不僅可以反映溢油在水體中的乳化分散過程、油滴的遷移與稀釋過程，而且可以反映溢油自身物理特性及其組成的化學(xué)變化。由于波浪水槽能夠提供充分的擴(kuò)散空間，有效降低由于乳化油顆粒重新聚集上浮水面造成的實(shí)驗(yàn)誤差，更能反映出原油在真實(shí)環(huán)境下的自然或化學(xué)分散結(jié)果。

比較國內(nèi)外波浪水槽設(shè)備可以發(fā)現(xiàn)，國外水槽規(guī)模比較大，大多是戶外型，功能齊全，可控參數(shù)多，測試角度多，測試結(jié)果往往更具權(quán)威性和綜合性；此外還有專門的研究機(jī)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行綜合管理和利用，設(shè)施維護(hù)好、利用率較高。相比之下，國內(nèi)目前報(bào)道的模擬溢油水槽都較小，與國外規(guī)模還有差距，也缺乏專門的認(rèn)證機(jī)構(gòu)或科研組織單位開展有針對(duì)性且范圍較廣的模擬研究，有效利用率較低；一些不成規(guī)模(或小規(guī)模)的水槽分散在各研究單位，彼此間缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一和共享，阻礙我國該領(lǐng)域的發(fā)展。我國海岸線較長，擁有大面積內(nèi)湖、內(nèi)河及開闊海洋，劃片建立規(guī)模統(tǒng)一的大型戶外或室內(nèi)可控模擬溢油設(shè)備，明確測試組織機(jī)構(gòu)和維護(hù)單位是溢油研究領(lǐng)域的迫切需求和發(fā)展必要。

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Latest Research Progress of Wave Tank Used for Simulating Oil Spill at Home and Abroad

WANG Qiaomin，YAN Zhiyu，SUN Bing，LIU Hui

(Environmental Science and Engineering College，Dalian Maritime University，Dalian 116026，China)

Reproducing the real situation of oil spill by using the simulation devices is the most convenient and fastest way to study spilled oil’s dispersion，pollution damage assessment and composition variation characteristics.Therefore，water environment in simulation equipment is more similar to the sea，and the research data is more reliable.In this paper，wave tanks used for simulating oil spill at home and abroad were reviewed in detail，mainly including Ohmsett tank established by National Oil Spill Response Test Facility，USA，and the other two built by Bedford Institute of Oceanography，Canada and SINTEF Research Institute，respectively，and domestic oil spill weathering simulation system that is typical，reported and located in Academy of Metrology and Quality Inspection，Shenzhen.The most representative wave tanks above at home and abroad were introduced，analyzed and compared，and the advice of oil spill simulation tank construction in China was also proposed in view of foreign experience，which aimed at providing a variety of wave tank equipment for reference to oil spill research workers and improving the deficiency in the existing analog devices.

Oil spill，Wave tank，Experimental simulation

2016-11-02；

2017-03-12

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC1402301)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41206095、41576111、11675031)；遼寧省教育廳科研項(xiàng)目(L2015061)；遼寧省科技廳科研項(xiàng)目(2015020596)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(3132016327).

王巧敏，博士研究生，研究方向?yàn)榉稚?duì)溢油特性及風(fēng)化行為的影響，電子信箱：464451747@qq.com

嚴(yán)志宇，副教授，博士，研究方向?yàn)橐缬图捌滹L(fēng)化特性，電子信箱：120236122@qq.com

X55

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1005-9857(2017)04-0081-07