海上溢油下潛過程特征的實驗考察＊

嚴志宇 任 杰 付紅蕊 孫 冰

(大連海事大學環(huán)境科學與工程學院)

0 引 言

隨著現(xiàn)代化工業(yè)進程的加速，石油開采規(guī)模急劇擴大，大大促進了海上油運的迅速發(fā)展。不斷發(fā)生的海上溢油事故使得石油成為海洋的主要污染物[1]。研究溢油進入海洋環(huán)境的行為，對于確定預警方案和相應治理措施具有重要意義。海面油會下潛到水體中，其運動軌跡和歸宿、對環(huán)境的影響會產(chǎn)生很大變化，因此對下潛油的形成條件、行為特性的研究非常迫切。

密度低于海水的溢油進入水體的下潛，是依靠波浪對油的夾帶和破碎作用[2]，而化學分散劑通過降低油-水界面張力而增強油的破碎[3-5]。目前對油在水體垂直分布的模型中，更多關(guān)注油滴粒徑分布。這些研究反映了油性質(zhì)(黏度、界面張力)對油滴尺寸的影響以及分散劑對油滴分散性的影響[6-10]。但是大多數(shù)研究只是基于一個波浪在短時間作用的結(jié)果，是對單個因素單獨建模，然后組合得出一個經(jīng)驗方程，如Delvigne和Sweeney[11]的建模方程。這樣的模型不能很好地應用于自然海況。為解決這個問題，Reed[12]將建模的范圍擴大到考慮了黏度與表面張力的影響，通過引進韋伯數(shù)與雷諾數(shù)進行建模。Johansen[13]提出對一個破碎波的整體過程與持續(xù)過程的研究，考慮了下潛后的再上浮過程。Li等進一步考慮了動態(tài)黏度和慣性力等因素，引入Ohnesorge數(shù)進行建模，應用于表面破碎波和海底井噴的液滴尺寸模型[14-15]。

這些多因素、多過程的綜合考慮使預測模型越來越復雜化。為提高預測準確度，應該對下潛機理及特征進行更深入研究和考察，使建立的模型既抓住主要矛盾，又使其形式簡單，并有較強的實用性和普適性。為此，本研究在前期工作的基礎(chǔ)上，用擋板燒杯對不同類型的波浪進行模擬，考察溢油在波浪和分散劑這兩個關(guān)鍵因素影響下的下潛規(guī)律，下潛規(guī)律主要從下潛率、下潛穩(wěn)定性兩個角度來分析。

1 實 驗

本研究是用擋板燒瓶里人工海水和少量油、分散劑在振蕩條件進行的。擋板燒瓶是國際上唯一的混合能量被實際校準的應用容器[16]，用這種小規(guī)模的實驗裝置來模擬大規(guī)模大量油的情況，能夠更好地實現(xiàn)條件控制，使操作標準化，且采集的樣品能反映油在水體中的整體狀態(tài)，能更清晰地了解各影響因素的關(guān)聯(lián)。

實驗原油樣品為中東原油，室溫20℃黏度為10.9 mm2/s，密度為0.835 4 g/cm3，屬于偏輕油質(zhì)，易受波浪和分散劑影響，能較好反映其作用效果。所用分散劑為富肯II號。

將體積為120 mL、鹽度為30‰的人工海水放入150 mL的擋板燒瓶中。取100L實驗油輕輕地分配到水面的中心，等油膜擴展到黏度和油-水間表面張力達到亞平衡時，穩(wěn)定15 min后再進行后續(xù)操作[17]。在這種統(tǒng)一的初始狀態(tài)進行實驗可使結(jié)果重復性好。再用微量移液槍加分散劑到油表面。DOR(分散劑與油的比例)分別為0，1∶25，1∶10。DOR 1∶25是基于EPA方案[18]、DOR 1∶10是參考富肯II號分散劑的使用范圍而確定的。

將擋板燒瓶放入30℃下的氣浴恒溫振蕩器(中國常州金壇良友儀器有限公司，SHZ-B2)中。根據(jù)參考文獻[19]的條件，振蕩頻率為125，250 r/min，分別模擬規(guī)則波和破碎波。在波浪作用時間分別為5，30，60，120 min時，取樣測試油的下潛率，其后靜置0，1，5，10 min時，測試下潛穩(wěn)定性。

取樣時，用移液管移取擋板燒瓶中30 mL的油水混合液體到125 mL的分液漏斗中，用5 mL的正己烷萃取兩次，用紫外分光光度計(T6新世紀型紫外分光光度計)測試水體中油的含量。由下式計算下潛率。

(1)

式中：下潛率(DE)指在波浪作用下進入水柱中的油的質(zhì)量占總油量的百分比；mwt為進入水中油的質(zhì)量，g；ρoil為油密度，g/cm3；Voil為加入油的總體積，mL。

2 結(jié)果與討論

2.1 波浪對油下潛率的影響

在不同類型的波浪、不同DOR條件下，中東原油下潛率測試的結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同條件下中東原油下潛率隨時間的變化(W1為規(guī)則波，W2為破碎波，以下同)

從圖1可看出，相對于分散劑含量，波浪類型的影響更大，中東原油在規(guī)則波作用下其下潛率都小于破碎波作用結(jié)果。在DOR 1∶25的條件下，破碎波比規(guī)則波作用下的下潛率最大高出79.8%。

一般情況，油的下潛率隨波浪作用時間增加而增加，因為波浪作用有時間的累積效應。這在文獻的模型計算中有所反映。但本實驗中，下潛率>60%時，隨波浪作用時間增長下潛率會下降。這說明在下潛的過程中同時存在上浮過程，下潛量增加，上浮也隨之增加。也說明再上浮的油不易再下潛，這對有分散劑的油更明顯，產(chǎn)生所謂的分散劑失效現(xiàn)象。

波浪對油的下潛作用和油密度小于海水而產(chǎn)生的上浮作用的對峙情況隨時間而變化，因而下潛率會出現(xiàn)最大值的情況。

2.2 分散劑對油下潛率的影響

從圖1可看出，在破碎波作用5 min時，DOR 1∶25與DOR0的條件下，油的下潛率差異為22%。相比之下，規(guī)則波作用下的差異只有4%，說明分散劑效果受波浪類型影響很大。其后，可能因為分散劑部分失效及上浮作用等原因，分散劑含量對下潛率的影響不明顯。

本實驗條件下，破碎波、規(guī)則波下，都是DOR 1∶25時油的下潛率最大，即下潛率和分散劑含量不是簡單的單調(diào)遞增關(guān)系。分析原因可能是隨著分散劑增加，下潛油增多導致上浮增強，而上浮的油不易再下潛，即產(chǎn)生了所謂分散劑失效的現(xiàn)象，這與本研究的前期實驗中觀察到的情況一致。

2.3 油下潛的穩(wěn)定性特征

真正下潛的油不是隨波浪暫時翻滾于水面下，而是能夠在一定時間內(nèi)懸停在水體中，為此，通過對波浪作用120 min后再靜置取樣分析，研究了油的下潛穩(wěn)定性，結(jié)果如圖2所示。

圖2 波浪作用120 min后油下潛率隨靜置時間的變化

通過圖2可看出，原油在靜置中油的下潛率快速下降，在靜置1 min時就基本減小到穩(wěn)定值。沒有在1 min之內(nèi)取值，是因為振蕩后的水體尚未完全靜止。1～10 min變化不大，說明此時的下潛率反映的是穩(wěn)定下潛于水體的油。為此，對靜置1 min后油的下潛率，見圖3，進行分析。

圖3 波浪在不同條件作用后靜置1 min時油的下潛率

從圖3可看出，穩(wěn)定1 min后油的下潛率也是受波浪類型影響最大。DOR 1∶10、波浪作用5 min時，破碎波作用下的下潛率比規(guī)則波的高出13.1%，而分散劑帶來的最大差異為9.8%。

比較圖1和圖3可看出，分散劑含量對油的下潛率和穩(wěn)定1 min后的下潛率的影響規(guī)律不同，穩(wěn)定下潛率與DOR基本為單調(diào)遞增關(guān)系。這說明波浪和分散劑對穩(wěn)定下潛率的作用效果不同：波浪增加油的下潛率，但受上浮過程影響，分散劑卻是增加下潛油的穩(wěn)定性。

3 機理探討

從實驗結(jié)果可以看出油的下潛率隨時間變化是復雜的：無分散劑的油下潛率隨時間增加，可看出波浪作用有隨時間累積的特點；從下潛率隨波浪作用時間的增加會出現(xiàn)下降的情況，可看出上浮過程的凸顯，以及油的再下潛性會下降的特征；在受波浪時間累積效應小、上浮過程影響小的破碎波作用初始階段，可分析分散劑含量的影響，并能發(fā)現(xiàn)分散劑在波浪作用一段時間后效果會降低的現(xiàn)象。

上浮過程的凸顯發(fā)生在存在分散劑、下潛率較大(>60%)時，此時，隨波浪作用時間增加，下潛率下降，且降至無分散劑之下(見圖1中破碎波的情況)。這說明上浮油的再下潛性降低，可能是多組分的油中易分散組分下潛后不易上浮，上浮的都是不易下潛的組分。分散劑也可能在下潛中部分留在水體，與上浮油分離，表現(xiàn)出分散效果隨時間下降的特點。

波浪通過夾帶及破碎，使漂浮油進入水體，易上浮。所以說波浪更多地是增加下潛的量，而分散劑卻增加破碎的油，小油滴的增加使穩(wěn)定的下潛率增加。這可解釋分散劑含量對下潛率有最佳值，但對靜置1 min后的穩(wěn)定下潛率卻基本有單調(diào)遞增關(guān)系。

本文用擋板燒瓶進行海面溢油下潛過程的模擬，無論是波浪還是油膜狀態(tài)，都能得到很好的控制，易實現(xiàn)標準化。和在風化槽中實驗模式[20]不同，本實驗對水中下潛油進行整體分析，沒有考慮油在水體中深度分布，而是將重心放在漂浮油離開水面進入水相的過程，并非文獻中將其和在水體中垂直運動一起研究，這樣更有助于下潛機理分析和模型的建立。本實驗用靜置一段時間后油的下潛率代替文獻中粒徑分布來反映穩(wěn)定下潛于水體中油的狀態(tài)，有助于實驗數(shù)據(jù)和實際海況進行有效關(guān)聯(lián)。這種將小型的、標準化的測試結(jié)果反映了多因素、多過程的綜合下潛效果，可作為海上溢油下潛的預測模型的輸入，使實驗測試和數(shù)學計算相結(jié)合建立一套實用且簡化的預測模型成為可能。

4 結(jié) 論

在不同類型的波浪作用下、不同DOR條件下，用振蕩的擋板燒瓶研究了海上溢油下潛于水體的過程特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1)波浪類型是油下潛的關(guān)鍵因素，破碎波比規(guī)則波作用下的下潛率最大高79.8%；分散劑通過與破碎波耦合，增加下潛油的穩(wěn)定性；下潛油上浮過程中可能發(fā)生組分分異，使上浮油下潛性下降，表現(xiàn)為分散劑隨時間有所失效。

2)本研究采用的小型的、易標準化的實驗手段可用于溢油下潛過程的預測，簡化對多因素、多過程的綜合效果的計算，使建立一個更實用和簡化的海面溢油下潛過程預測模型成為可能。