陸上輸油管道溢油擴散的三維態(tài)勢推演模型

摘 要 為了評估陸上輸油管道溢油的危害范圍，以陸上輸油管道溢油擴散事故為研究對象，設(shè)計三維態(tài)勢推演模型。將計算得到的陸上輸油管道溢油速度、溢油量等參數(shù)作為模型的輸入項，設(shè)置質(zhì)量守恒和動量守恒作為三維態(tài)勢推演模型的約束條件。模擬陸上輸油管道的溢油過程，在相關(guān)條件的約束下，實現(xiàn)橫向擴散和縱向滲透的態(tài)勢推演，綜合考慮蒸發(fā)和吸附現(xiàn)象，調(diào)整態(tài)勢推演結(jié)果，輸出橫向擴散范圍、縱向滲透深度等參數(shù)的推演結(jié)果。通過模型分析實驗得出結(jié)論：與傳統(tǒng)推演模型相比，優(yōu)化設(shè)計模型的橫向擴散面積推演誤差和縱向擴散深度推演誤差分別降低約3.57 m2和0.2 m，即優(yōu)化設(shè)計模型在態(tài)勢推演精度性能方面具有明顯優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞 陸上輸油管道 溢油擴散 三維態(tài)勢 推演模型

中圖分類號 X55 " 文獻標志碼 A " 文章編號 0254?6094（2024）04?0613?07

輸油管道由油管及其附件構(gòu)成，并根據(jù)工藝流程的要求，配置與之相適應的油泵單元，將其設(shè)計并安裝為一個完整的管路系統(tǒng)，以實現(xiàn)油料的接卸和輸轉(zhuǎn)。輸油管道的管子通常是鋼管，通過焊接、法蘭等連接方式將長距離管道連接起來，并通過閥門進行開閉控制和流量調(diào)節(jié)。由于輸油管道的長期使用和接口位置的腐蝕，導致輸油管道發(fā)生溢油現(xiàn)象［1］。溢油是指在石油勘探、開發(fā)、煉制及儲運過程中，因意外事故或操作失誤，導致原油或油品從作業(yè)現(xiàn)場或儲器里外泄。根據(jù)輸油管道的溢油位置，可以分為陸上溢油和水下溢油兩種類型，陸上溢油指的是輸油管道中的傳輸石油通過缺口泄漏至陸地表面。溢油造成了巨大的石油資源的流失，并且由于殘余原油的黏性、稠度顯著增加，使得溢油的收集與處理變得十分困難。石油泄漏不僅會對大氣、生態(tài)及岸灘等造成嚴重影響，而且還會對人類身體造成嚴重威脅，限制了經(jīng)濟與社會的可持續(xù)發(fā)展。

輸油管道溢油會在陸上向水平、豎直等多個維度擴散，為了實現(xiàn)對輸油管道溢油的處理，需要對溢油的擴散形式進行推演，最大程度上降低陸上輸油管道溢油產(chǎn)生的負面影響。為此，筆者設(shè)計了陸上輸油管道溢油擴散的三維態(tài)勢推演模型?，F(xiàn)階段發(fā)展較為成熟的三維態(tài)勢推演模型包括：基于風洞平臺實驗的三維態(tài)勢推演模型、基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的三維態(tài)勢推演模型和基于動態(tài)摩阻模型的三維態(tài)勢推演模型，上述傳統(tǒng)模型在實際工作過程中存在推演誤差大的問題，降低了推演模型的應用性能，為此以陸上輸油管道的溢油擴散行為作為研究對象，優(yōu)化設(shè)計三維態(tài)勢推演模型，以期能夠提升三維態(tài)勢推演模型的推演與應用性能。

1 三維態(tài)勢推演模型設(shè)計

優(yōu)化設(shè)計陸上輸油管道溢油擴散三維態(tài)勢推演模型的基本運行思路為：根據(jù)陸上輸油管道的破口尺寸，確定輸油管道的溢油量、溢油速度等參數(shù)，將其作為三維態(tài)勢推演模型的輸入?yún)?shù)，考慮陸上輸油管道中輸送石油的物理性質(zhì)，設(shè)置三維態(tài)勢推演模型的約束條件，具體包括動量守恒、質(zhì)量守恒等，模擬陸上輸油管道的溢油過程，最終從橫向擴展、縱向向上蒸發(fā)、縱向向下滲透等多個維度，推演溢油的擴散態(tài)勢，并得出陸上輸油管道溢油區(qū)域內(nèi)任意位置在任意時刻的溢油量及存在形式，以此作為三維態(tài)勢推演模型的量化輸出。

1.1 計算陸上輸油管道溢油參數(shù)

陸上輸油管道溢油參數(shù)是三維態(tài)勢推演模型的輸入項，具體的溢油參數(shù)包括溢油速度、溢油量、溢油溫度及空間位置等，陸上輸油管道與外界環(huán)境之間的壓強差直接決定輸油管道的溢油速度，管道內(nèi)外的壓強差Δp可以表示為：

Δp=p-p （1）

p=ρgD （2）

式中 D——陸上輸油管道的直徑；

"g——重力加速度；

" "p——陸上輸油管道外的壓強值；

p——陸上輸油管道內(nèi)壓強值；

"ρ——陸上輸油管道內(nèi)輸送的石油量。

將式（2）的計算結(jié)果代入式（1）中，即可得出壓強差的計算結(jié)果［2］。根據(jù)輸油管道壓強差的計算結(jié)果，確定陸上輸油管道的溢油速度v為：

v=Δp××W（3）

式中 S——陸上輸油管道上的破口面積；

S——陸上輸油管道的總面積；

" W——單位體積內(nèi)輸送的石油總量。

當溢油量不變時，由于在溢油點附近有少量的油滴，在溢油量不變的情況下，溢油率增加，油滴擴散范圍擴大。在溢油模型中，表征溢油特征的溢油量和溢油率是影響溢油擴散的重要因素［3］。根據(jù)溢油速度的計算結(jié)果，確定陸上輸油管道的溢油量，溢油量W的計算公式為：

W=v×S×W " "（4）

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（4）中，即可得出溢油量參數(shù)的計算結(jié)果。另外溢油溫度參數(shù)的計算結(jié)果為：

T=κT " " "（5）

式中 T——輸油管道內(nèi)石油的傳輸溫度［4］；

κ——溫度衰減系數(shù)，該參數(shù)的具體取

值與環(huán)境溫度有關(guān)。

同理，可以在硬件設(shè)備的支持下，得出陸上輸油管道其他溢油參數(shù)的計算結(jié)果。除了陸上輸油管道的溢油參數(shù)外，溢油位置區(qū)域的環(huán)境參數(shù)也會對溢油擴散效果產(chǎn)生影響，因此還需要收集區(qū)域環(huán)境內(nèi)地面粗糙度、地面坡度等參數(shù)，并將上述所有參數(shù)以數(shù)據(jù)的形式輸入到三維態(tài)勢推演模型中。

1.2 設(shè)置三維態(tài)勢推演模型約束條件

陸上輸油管道溢油擴散的三維推演需遵循質(zhì)量守恒和動量守恒規(guī)則，溢油控制單元體在陸上擴散過程中，周圍環(huán)境對溢油的溶解、滲透及分解等作用引起的液體質(zhì)量變化滿足質(zhì)量守恒定律，質(zhì)量守恒定律約束條件的設(shè)置如下：

=-∑- " （6）

其中，和分別為滲透到陸上地表下的溢油質(zhì)量損失和水平擴散引起的溢油質(zhì)量損失［5］。溢油在陸地環(huán)境輸移和擴散過程中，周圍環(huán)境元素不斷摻混進入溢油內(nèi)，并滿足如下動量守恒方程：

其中，κ為拖拽系數(shù)，將模型輸入的陸上輸油管道溢油初始參數(shù)代入式（7）中，得出動量守恒方程的構(gòu)建結(jié)果［6］。在溢油擴散三維態(tài)勢推演過程中，要求推演結(jié)果均滿足上述守恒條件。

1.3 模擬陸上輸油管道溢油過程

在陸上輸油管道溢油擴散三維態(tài)勢推演模型前，首先需要確定溢油在陸上環(huán)境中的基本擴散規(guī)律，圖1為陸上輸油管道的溢油過程。

輸油管道的滲漏過程可劃分為3個階段。在第1個階段，石油在初動量的驅(qū)動下，以固定的速度被噴入陸面，并形成了一道油柱，這時石油的動量很大，初動量占主導地位。第2個階段是在溢油運動到一定距離后，在這一階段，受外部環(huán)境的影響，溢油的初始噴流動能不斷減小，油柱逐漸破裂為無數(shù)粒徑大小不一的微小油珠，這些微小油珠與海水混合并一起向外擴散［7］。油污在被卷吸的同時，會與周圍的其他物質(zhì)發(fā)生混雜，改變油污的組成和性質(zhì)。當溢油持續(xù)擴散至某一區(qū)域后，油滴將徹底喪失原有的動力，從而使溢油的運動狀態(tài)進入第3個階段。在此期間，油滴的初始動量已全部消失，且與周圍的物質(zhì)發(fā)生了同化，因此，大多數(shù)油滴在橫向和縱向上都是依賴于周圍的動量來進行擴散的［8］。在陸上輸油管道溢油擴散過程中，存在外部阻力，導致擴散現(xiàn)象的停止，若存在水流等其他影響因素，則擴散現(xiàn)象、走向?qū)l(fā)生改變。當陸上輸油管道溢油在水平和垂直方向均不再發(fā)生位移時，溢油擴散現(xiàn)象結(jié)束。

1.4 實現(xiàn)陸上輸油管道溢油擴散三維態(tài)勢推演

綜合考慮陸上輸油管道溢油過程的3個擴散階段，在三維環(huán)境下進行態(tài)勢推演，圖2表示的是輸油管道溢油擴散的三維環(huán)境。

陸上輸油管道溢油在水平維度中的擴散包括慣性擴散、黏性擴散、表面張力擴散和擴散停止4個階段，在模型約束條件的控制作用下，綜合考慮影響擴散現(xiàn)象的多個因素，得出三維態(tài)勢的推演結(jié)果。

1.4.1 溢油橫向擴散態(tài)勢推演

陸上輸油管道溢油地表橫向擴展主要用于描述溢油在不同地表狀態(tài)下的流動擴散情況，確定溢油的擴散范圍和到達指定區(qū)域的時間。從水文地質(zhì)的角度，分析了不同的地形條件、不同的地表粗糙度和不同的表土微孔隙結(jié)構(gòu)對石油的擴散有不同的影響。不同地形對溢油流態(tài)的影響也有很大差別［9］。與地面的水流過程相似，地面上的油膜也會受到地面地形的影響。油膜在坡面更容易產(chǎn)生溢油，但過高的地表粗糙度和過多的微細孔隙將使溢油擴散區(qū)域變小。擴展過程受到重力、表面張力和黏滯力的共同作用，在不同的受力情況下，陸上輸油管道溢油的擴散面積S可以表示為：

S=

，Y

，Y

，Y

（8）

式中 k——經(jīng)驗系數(shù)；

" k——運動黏滯系數(shù)；

" t——溢油在陸上的擴散時間；

Y、Y、Y——溢油在陸上地表的3個擴散階

段［10］；

γ——溢油擴散區(qū)域內(nèi)的地面粗糙度；

"δ——溢油的凈表面張力；

ρ——環(huán)境密度；

ρ——溢油密度。

隨著時間的推移，利用式（8）可以得出不同時段溢油在橫向維度上擴散直徑的推演結(jié)果。

1.4.2 溢油縱向滲透態(tài)勢推演

陸上輸油管道溢油在豎直方向上的態(tài)勢推演目標就是確定溢油向下的滲透深度，溢油在土體中擴散的過程中，因其周圍土體的孔隙中常含有水和空氣，油品在土壤顆粒中的流動過程，通常伴隨水和空氣的同時流動。在陸上輸油管道溢油擴散過程中，石油和水是互不相溶的，因此溢油在縱向維度中的擴散過程就是一個多孔介質(zhì)多相流過程［11］。陸上輸油管道溢油在任意時刻的縱向滲透深度h的推演結(jié)果可以表示為：

h=W×λ×ρ×t " （9）

式中 λ——地面坡度；

ρ——土壤密度。

將相關(guān)參數(shù)代入式（9）中，得出溢油縱向滲透深度的推演結(jié)果，將其作為縱向維度態(tài)勢的推演輸出結(jié)果。

1.4.3 溢油蒸發(fā)態(tài)勢推演

在陸上輸油管道溢油擴散過程中，受到溢油溫度和環(huán)境溫度的影響，導致溢油可能出現(xiàn)蒸發(fā)情況，溢油的蒸發(fā)直接導致溢油量的變化，進而影響陸上輸油管道溢油在三維環(huán)境中的擴散效果。輸油管道溢油的蒸發(fā)率μ為：

μ=κ×p× （10）

式中 M——溢油的分子質(zhì)量；

p——溢油的蒸氣壓；

T——溢油溫度；

α——氣體常數(shù)；

κ——蒸發(fā)系數(shù)。

從式（10）中可以看出，溢油溫度越高，溢油的蒸發(fā)率越高，即轉(zhuǎn)換為氣體的溢油數(shù)量越多，此時溢油擴散至空氣中，同時地表橫向與縱向擴散維度中的初始溢油數(shù)量發(fā)生變化，剩余的溢油量[W][′]可以表示為：

[W][′]=（1-μ）W "（11）

利用式（11）對上述橫向和縱向擴展態(tài)勢推演中的溢油量參數(shù)進行調(diào)整，得到考慮蒸發(fā)條件下的態(tài)勢推演調(diào)整結(jié)果。

1.4.4 溢油吸附態(tài)勢推演

土壤對石油類污染物有一定的吸附作用，土壤對溢油的吸附能力Z可以表示為：

Z=L×K×H× χ （12）

式中 H——能夠?qū)崿F(xiàn)溢油吸附土壤區(qū)域的高度；

K——能夠?qū)崿F(xiàn)溢油吸附土壤區(qū)域的寬度；

L——能夠?qū)崿F(xiàn)溢油吸附土壤區(qū)域的長度；

χ——吸附土壤的有效孔隙率［12］。

根據(jù)土壤的吸附能力，可以確定輸油管道溢油在土壤區(qū)域內(nèi)被吸附的概率，從而對向下滲透的溢油量進行調(diào)整，得出考慮土壤吸附作用下的溢油擴散態(tài)勢推演結(jié)果。

綜合考慮蒸發(fā)和吸附溢油，得出任意時刻溢油的擴散推演結(jié)果，并將推演結(jié)果以量化形式輸出，完成模型的態(tài)勢推演功能。

2 模型分析

為了測試優(yōu)化設(shè)計陸上輸油管道溢油擴散三維態(tài)勢推演模型的態(tài)勢推演性能，設(shè)計模型分析實驗，此次實驗的基本執(zhí)行思路為：在某實驗環(huán)境中在人為控制作用下產(chǎn)生輸油管道溢油現(xiàn)象，并通過對輸電管線工作參數(shù)與破口大小的控制，得出輸油管道溢油參數(shù)的設(shè)置結(jié)果。分別設(shè)置多個不同的態(tài)勢推演目標時刻，利用優(yōu)化設(shè)計模型得出對應時刻的態(tài)勢推演結(jié)果，并在對應時刻利用可視化觀測設(shè)備和測量設(shè)備，得出水平擴散范圍和縱向擴散深度的實際值，通過模型輸出推演結(jié)果數(shù)據(jù)與實際測定數(shù)據(jù)之間的差距，得出反映優(yōu)化設(shè)計模型推演精度的測試結(jié)果。

2.1 選擇陸上輸油管道研究對象

此次模型分析實驗選擇某輸油管道的陸上部分作為研究對象，該輸油管道直徑為1.2 m，能夠同時實現(xiàn)5 t石油資源的運輸，最快輸送速度為20 t/h，由于石油具有較高的易燃性，為保證石油資源的輸送安全，選擇輸油管道一般將輸送速度控制在10 t/h。整條輸油管道有2/3埋設(shè)在地面以下，僅1/3在陸地表面，選擇陸上輸油管道研究對象的長度約為6 km。

2.2 設(shè)定陸上輸油管道溢油現(xiàn)象

在選擇的陸上輸油管道區(qū)域選擇任意位置，采用人為破壞的方式生成一個10 mm×10 mm的破口，實現(xiàn)陸上輸油管道的溢油現(xiàn)象。在溢油現(xiàn)象生成狀態(tài)下，輸油管道中石油資源的輸送速度為10 t/h，輸送總量為20 t，并平均分布整個管道區(qū)域內(nèi)，確定溢油總量為0.32 t，初始溢油速度與輸送速度相同。輸油管道溢油區(qū)域土壤的孔隙率約為0.2，地面粗糙度和坡度分別為0.1和0.6°，以此作為輸入模型中的初始數(shù)據(jù)。

2.3 描述模型測試實驗過程

利用程序轉(zhuǎn)換工具，實現(xiàn)對優(yōu)化設(shè)計陸上輸油管道溢油擴散三維態(tài)勢推演模型的開發(fā)，并保證推演模型能夠在主測計算機中正常運行。輸入準備的初始溢油數(shù)據(jù)，以陸上輸油管道溢油現(xiàn)象的發(fā)生時刻作為初始時刻，分別設(shè)置5、10、15、20、25、30、45、60 min為模型的態(tài)勢推演目標時刻，通過模型的運行與推演，輸出水平（橫向）和豎直（縱向）兩個方向上的態(tài)勢推演結(jié)果。圖3表示的是5 min時刻模型輸出的態(tài)勢推演結(jié)果。

按照上述方式可以得出實驗中設(shè)置所有推演目標時刻模型輸出的三維態(tài)勢推演結(jié)果。分別在目標時刻利用硬件設(shè)備測量輸油管道溢油的實際擴散半徑與深度，得出溢油擴散的真實數(shù)據(jù)。其中5 min時刻溢油水平擴散情況的實際測量結(jié)果如圖4所示。

按照上述方式得出所有時刻陸上輸油管道溢油在水平和豎直方向上擴散的實際數(shù)據(jù)。為體現(xiàn)出優(yōu)化設(shè)計模型在推演精度方面的優(yōu)勢，設(shè)置傳統(tǒng)的基于風洞平臺實驗的三維態(tài)勢推演模型和基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的三維態(tài)勢推演模型作為實驗的對比模型，在相同的實驗環(huán)境下實現(xiàn)對比模型的開發(fā)與運行，并得出相應的模型輸出結(jié)果數(shù)據(jù)。

2.4 設(shè)置模型測試分析指標

為了實現(xiàn)對模型推演性能的量化測試，設(shè)置橫向擴散面積推演誤差和縱向擴散深度推演誤差作為模型性能的量化測試指標，其中橫向擴散面積推演誤差ε的數(shù)值結(jié)果為：

ε=S

-S

（13）

式中 S——橫向擴散面積的實測結(jié)果；

" "S——橫向擴散面積的推演結(jié)果。

縱向擴散深度推演誤差ε的測試結(jié)果如下：

ε=h

-h

（14）

式中 h——縱向擴散深度的模型的

實測結(jié)果；

"h——縱向擴散深度的模型輸

出結(jié)果。

最終計算得出推演誤差越小，證明對應模型的推演精度性能越優(yōu)。

2.5 模型分析實驗結(jié)果

通過相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，得出反映陸上輸油管道溢油擴散三維態(tài)勢推演模型精度性能的測試結(jié)果，見表1。

將表1中的數(shù)據(jù)代入式（13）、（14）中，計算得出兩種傳統(tǒng)模型橫向擴散面積推演誤差的平均值分別為5.75、2.88 m2，縱向擴散深度推演誤差的平均值分別為0.34、0.16 m，另外優(yōu)化設(shè)計模型橫向擴散面積和縱向擴散深度的推演誤差平均值分別為0.75 m2和0.05 m。

3 結(jié)束語

由于受到腐蝕、自然災害或第三方損害等因素的影響，導致輸油管道出現(xiàn)安全事故的現(xiàn)象并不少見。管道輸送原油的易燃、易爆和劇毒特性決定了管道輸送原油的燃爆危險性高，波及范圍廣，對環(huán)境造成嚴重的污染。在此次研究中，設(shè)計并開發(fā)了陸上輸油管道溢油擴散的三維態(tài)勢推演模型，能夠?qū)斢凸艿酪缬偷臄U散趨勢進行推演與預測，為管道泄漏擴散應急方案的制定與執(zhí)行提供有效參考，降低陸上輸油管道溢油對環(huán)境的影響。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2023-09-05，修回日期：2024-07-12）

A 3D Situation Prediction Model for Oil Spills and Diffusion from

Onshore Oil Pipelines

SHI Ying?he

（China Petroleum Longway Engineering Project Management Co.，Ltd.）

Abstract " For purpose of evaluating the hazard range of oil spills from the onshore oil pipeline， the oil spill diffusion accident of onshore oil pipeline was taken as the object of study， and a 3D situation simulation model was designed， in which， having parameters of oil spills’velocity and amount there calculated taken as the input items of the model， and the mass conservation and momentum set as the constraints of this model. In simulating the oil?spilling process， the situation of lateral diffusion and vertical penetration was realized under the constraints of relevant conditions， including having the evaporation and adsorption phenomena considered comprehensively， and the situation results adjusted to output the simulation results of both lateral diffusion range and vertical penetration depth. The model analysis experiment indicates that， compared with the traditional simulation model， this optimal model can reduce the simulation error of lateral diffusion area and the longitudinal diffusion depth by about 3.57 m2 and 0.2 m respectively， which means that the optimized design model has obvious advantages in accurately simulating the oil spills and diffusion.

Key words " "onshore oil pipeline， oil spill and diffusion， 3D situation， simulation model