珠江口溢油预测预警与决策支持系统开发与应用

为满足珠江口海域溢油应急反应与快速清污处置的要求,我们重点研究了珠江口海域三维水动力模型、溢油漂移扩散模型、溢油风化模型、清污决策模型以及GIS、AIS集成等关键技术,开发出＂珠江口溢油预测预警与决策支持系统＂,可通过Internet网络实现溢油在三维空间的漂移扩散及性质变化过程可视化动态显示,并可综合现场溢油参数信息提供应急决策辅助支持,对于提升珠江口海域溢油应急快速反应能力和保障海洋经济可持续发展具有十分重要的现实和长远意义。     

蓬莱19-3溢油运移与归宿数值模拟和分析

通过耦合水动力模型建立渤海海上溢油运移与归宿数学模型,包含漂移、扩散、蒸发、乳化等过程,通过拉格朗日方法模拟漂移过程、蒙特卡罗方法模拟油粒子扩散的随机性,采用变化的紊动扩散系数使溢油所受紊动扩散作用随时间变化.通过率定得到蓬莱19-3溢油模拟中风拖拽系数和扩散系数校正参数b的合理取值范围分别为1.4%~2.3%和0.38~0.42.对蓬莱19-3溢油事故进行了模拟,通过溢油附岸位置与时间验证了模型的准确性.模拟结果表明:由于风速较大、方向变化较小,风对漂浮于水面上的溢油产生较大作用,且溢油漂移方向与主风向一致;渤海海域内的潮流以往复流、旋转流为主且余流小使其对溢油运移的作用弱于风;溢油初期的蒸发速度较快,后期因挥发组分的减少以及乳化作用使溢油含水率增大使得蒸发速度明显减小;蒸发和附岸是溢油漂浮组分减少的主要原因,也是溢油的主要归宿.     

基于油粒子模型的水库水质应急预警

为了有效地预防和控制溢油污染,以大伙房水库为典型案例,针对事故风险瞬时源的岸边排放和离岸排放2种方式,将溢油离散化为若干数量的油粒子,通过三维水动力数值模拟,提取水库表层流场,基于油粒子模型,综合考虑油粒子的随流输运、风导漂移和随机游走,并对上岸油粒子的迁移路径进行修正,模拟、分析溢油随时间迁移及其空间分布特征。该模型的建立,旨在完善水库溢油应急反应体系,减少溢油事故应急处理的盲目性。     

基于POM的大连湾溢油预测模型

基于POM建立了M2分潮的大连湾海域三维潮流场动力模式。利用此动力模式,以“油粒子”模型来模拟溢油在大连湾中的漂移扩散过程。通过欧拉一拉格朗日法,将油膜中心的轨迹和各个时刻的油膜分布情况可视化。溢油预测模型综合考虑了三维流场,湍流,风导输移和波浪破等环境因素,并包含了蒸发和乳化等风化过程。以大连湾溢油为例,预测了油膜在风和海流共同作用下漂移的路径和油膜影响的海域及海岸带范围,油膜靠岸后证明了动力溢油模型进行溢油预测的可行性。     

海底管线溢油的数值模拟

采用VOF方法,选择压力速度耦合的PISO算法建立海底管道孔口溢油预测模型.模拟油滴在浮力的作用下的上浮过程,分析比较不同管内压力和不同水流速度条件下的溢油量、油滴漂移扩散轨迹.计算结果表明,管道内压力直接影响单位时间溢油量,而水流速度等海况条件是影响溢油行为和归宿的重要因素之一.数值模拟方法可为溢油应急决策提供理论依据.     

海上溢油运动数值模拟方法的探讨与改进

简单总结了海上溢油数值模拟的三种模型方法——油膜扩展模式、对流扩散模式和油粒子模式,并针对目前流行的油粒子模式在油膜自身扩展过程和扩散面积计算方面的不足,根据经典Fay理论对其进行了补充和改进.提出的新模拟方法将溢油运动过程的分为自身扩展和紊动扩散两个阶段,前一阶段根据Fay理论修正模式计算,后一阶段采用油粒子方法模拟,通过“油膜粒子化”技术将两阶段进行衔接.数值模拟实验结果表明,该方法因充分考虑了溢油初始阶段的自身扩展过程,能够弥补油粒子方法的不足,符合溢油在不同时期扩散机制亦不同这一实际情况.     

考虑蒸发、溶解和生物降解效应的油粒子模型

针对油粒子模型仅考虑油粒子的随流输运、随机游走过程而忽略溢油风化作用的缺陷,对现有模型进行了修正,建立了考虑蒸发、溶解、生物降解效应的改进的油粒子模型。构造典型案例,对改进前、后油膜厚度预测结果进行了对比分析,结果表明,油膜厚度受溢油风化过程影响较为显著;对于不同规模的溢油量,改进前后油膜厚度差值随着溢油量的增加逐渐增大;对于相同规模的溢油量,改进前后预测厚度差值由中心向四周呈减小趋势。     

巢湖污染物输运特征及其受风力影响的数值研究

本文应用FVCOM(Finite Volume Coastal Ocean Model)模型,采用示踪剂方法,对不同风力条件下巢湖污染物输运过程进行数值模拟,采用从西湖区进入东湖区的水量和10%浓度线以上湖区面积占总水面积的百分比等作为指示因素,分析了巢湖污染物分布和输运扩散的基本特征,揭示了太湖污染物不均匀分布的动力学机制.在此基础上,进一步分析了风力作用对污染物输运和东、西湖水量交换的影响规律,揭示了风速与持续时间对物质输运过程的重要作用.通过数值拟合,给出了风力特征值及其表达式,得到了风向、风速与东、西半湖水量交换之间的定量关系,发展了一种基于风速特征值对巢湖污染物输运状况进行快速评估的近似方法.结果显示,提取的月风速特征值与该月的水量交换和污染物输运扩散变化趋势基本一致.     

基于蒸发、溶解和生物降解效应的改进的油粒子模型

针对油粒子模型仅考虑油粒子的随流输运、随机游走过程而忽略溢油风化作用的缺陷,对现有模型进行了修正,建立了考虑蒸发、溶解、生物降解效应的改进的油粒子模型。构造典型案例,对改进前、后油膜厚度预测结果进行了对比分析,结果表明,油膜厚度受溢油风化过程影响较为显著;对于不同规模的溢油量,改进前后油膜厚度差值随着溢油量的增加逐渐增大;对于相同规模的溢油量,改进前后预测厚度差值由中心向四周呈减小趋势。     

基于CFD的海底管道油气泄漏扩散模拟分析

针对海底管道泄漏后的油气扩散特性进行了数值模拟研究。建立了海底管道上部区域的泄漏扩散模型,利用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法对该模型进行了油气泄漏后的扩散模拟,并定量分析了泄漏物扩散距离。模拟结果表明:该模型及模拟方法能够在一定程度上反映油气泄漏扩散真实情况,且随着含气率增大,大油滴越易破碎成大量的小油滴,溢油扩散范围更广;随着泄漏速度增大,溢油横向漂移距离逐渐增大,且变化接近线性分布;海流速度对溢油的横向漂移有直接影响,随着海流速度增大,溢油的射流高度不断减小。     

用三维粒子模式研究黄河输出的悬浮颗粒物的输运

本文利用了一个三维的乳浮颗粒物输运模型，对黄不可输出的悬颗粒的健布进行了计算。这是一个使用粒子追踪方法的模型，利用随机走步法模拟扩散过程。     

海底管线溢油数学模型研究

基于Lagrangian积分技术,推广了海底管线溢油数学模型,在模型中首次考虑了溢油的乳化,同时还考虑了剪切卷吸和对流卷吸以及溢油的扩散和溶解.该模型不但能够模拟不分层或分层环境中的水下溢油轨迹,而且还可以在改变水流流速的环境下模拟.讨论了不同Froude数、分层数以及溢油速度和水流速度比下的溢油轨迹和浓度值,通过多次数值模拟发现在改变小孔直径大小而保持Froude数以及溢油初速度和水流流速比不变的情况下,溢油的轨迹变化很小,且溶解总量和乳化总量都很小.将数值模拟结果与实验值进行对比,获得了令人满意的数值结果,说明该模型具有较高的准确性和可靠性,能够反映出海底管线溢油的扩散及上升轨迹.     

渤海海洋溢油的数学模型

建立了嵌套模式的渤海二维水动力数学模型,模型网格采用显隐交替有限差分格式(即ADI差分格式)进行计算.用追赶法逐段求解,用调和分析法计算模型的水动力边界条件,将潮汐过程计算结果与实测资料进行对比验证其结果吻合良好.溢油数学模型理论公式考虑了实时风场和表面流场作用下油膜质心的迁移和扩散范围,模拟了海上溢油油膜运动轨迹,并用水槽实验验证了公式的正确性.在水动力模型基础上应用溢油运动模式建立了海洋溢油数学模型,对风场作用和无风作用两种条件下的静止点源瞬时溢油和连续溢油运动轨迹和扩散范围进行了计算、分析和比较,并计算了有、无风场作用时移动点源连续溢油污染扩散范围,为海洋溢油数学模型的研究提供了较完整的思路.     

复杂泄漏方式下的海上溢油行为归宿数值模拟及应用

为对海洋溢油风险及其生态环境损害影响进行评估,及时制订溢油事故应急反应决策,基于油粒子追踪法建立多源泄漏、移动泄漏等复杂泄漏方式下海上溢油行为归宿的数值模拟方法,包括海面溢油在风和海流作用下的迁移、扩散、蒸发、溶解、乳化、分散等行为动态和风化过程,并以接连发生在大连新港附近的两起船舶溢油事故作为多源泄漏的典型案例进行应用研究.结果表明,海面油膜时空分布模拟结果与调查监测数据符合较好,油污影响范围与观测报道结果基本吻合.     

钦州湾典型工程溢油对周边海域影响的数值模拟研究

广西龙门大桥作为滨海公路，是北部湾区域经济的控制性工程，存在一定的溢油风险。本研究基于FVCOM模型分析钦州湾的潮流特征，通过溢油模型对无风、全年最大概率常风和极值风等3种风况情景下的油膜漂移扩散特征和归宿行为进行研究。结果表明，钦州湾潮流主要为往复流，龙门水道最大流速可达1.8 m/s。风速、风向和发生时刻对油膜厚度、残油量、最大扩散距离和扫海面积有重要作用：风速越大，溢油蒸发速度越快；同等风速下，72 h后北向风的油膜厚度和残油量大于南向风，而高潮时发生溢油72 h后油膜的最大扩散距离比低潮时大。涨潮期间，极值风风况情景下油粒子到达广西茅尾海红树林自治区级自然保护区坚心围片；落潮期间，油粒子扩散至钦州港青菜头南浅海滩涂养殖区。研究结果为提升溢油预警预测能力、降低溢油造成的损失提供了理论基础。     

网格密度对海底管道溢油扩散数模结果的影响

采用数学模型对海底管道溢油扩散进行模拟时,除了要求模拟结果的准确,同时也必须要从经济性角度考虑计算成本的问题.为筛选出合适的数值模型,对不同网格模型进行了对比性研究.基于结构网格,采用有限体积法建立溢油扩散模型,并采用流体体积法来追踪多相流界面.选用疏、密两种不同网格进行计算.根据Fan(1967)经典实验,选择3种不同工况,并采用其实验数据对计算结果进行验证对比.通过不同工况下疏、密网格模型中溢油的传播形态、到达海面时间、横向漂移距离、海面扩散范围及电脑计算时间的对比分析,研究了网格疏密对溢油结果的影响.研究表明:密网格模型电脑计算时间过长,各种物理量的提升效率一般,而疏网格模型计算成本则较为合适.该模型可为海管溢油扩散预测及应急维修提供参考.     

有坡度下点源持续泄漏溢油流淌火扩散特性实验研究

有坡度下持续泄漏溢油流淌火的特性研究可以为溢油流淌火灾事故的预防和救援提供重要理论支撑。该文通过点源持续泄漏溢油流淌火实验，观测了不同坡度下持续溢油流淌火的扩散和燃烧过程，并测量了扩散速率。根据实验中是否观察到稳定过程与收缩过程，将溢油流淌火的扩散过程随坡度的变化划分为3个阶段。通过分析扩散过程中重力、摩擦阻力与表面张力随角度的关系，对于玻璃表面上的正庚烷流淌火，3个阶段可以划分为坡度为0°～3°时表面张力主导的扩散过程、坡度为4°～5°时摩擦阻力主导的扩散过程以及坡度大于5°时重力主导的扩散过程。     

硅场致发射特性的数值模拟

用数值方法求解潭移－扩散模型下半导体基本方程组以及耦合的场致发射方程,对硅的场致发射特性进行数值模拟,模型中包含以往输运方程模型中未考虑的碰撞电离现象,模拟结果表明,当发射电流较大时,硅场致发射主要受体内电子向发射表面输运过程的限制,碰撞电离现象对输运过程有显著地影响。该模型有助于更全面地了解硅场致发射阴极内部的物理状态。     

气体输运过程模型假设的建立及应用

根据气体输运过程中黏性现象、热传导现象和扩散现象这三种现象的共同特征,建立气体输运过程模型的合理简化假设,简化了碰撞过程,并应用其推导气体的输运系数,使原来比较复杂的问题简单明了,便于理解和应用。     

区域海上溢油事故应急响应与处理能力研究

基于溢油漂移扩散计算模型,预测出半封闭型海域事故溢油在不同海况下的油膜扩散路径和油膜面积的时空分布;分析不同海况下油膜扩散岸滩及海洋环境敏感区的时间,讨论溢油事故对岸滩及敏感区造成的影响;推算出溢油事故应急响应时间,结合应急处理能力中应急响应、应急船舶、围油栏数量、污油回收量等关键指标,研究溢油应急响应对评估应急处理能力的指导意义.