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Mike 21溢油模拟分析

内容纲要

介绍

溢油是由于人类活动导致的液态石油碳氢化合物向环境的释放,是污染的一种形式。这通常指海上溢油,油释放到海洋或者河口,油有很多的组分,包括原油,轻质油(如汽油或燃油)以及副产品。

DHI的溢油模型用来预測在海洋溢出的油的归宿,包括传输扩散和化学组分的变化。计算模型选用的是拉格朗日模型,可以与水动力模型进行耦合求解。

什么是油

简介

原油是很多化学组分的复杂油合物。组分不同致使很多原油类型有不同的化学和物理特征。

炼油厂的提炼过程将原油转化为一些精致石油产品,如下图所示。


风化过程

油在水面溢出后,立即扩散为几毫米厚的油膜。扩展主要是受到重力和表面张力的影响,而且大部分不同尺寸的油很快就达到了0.1mm的近似平均厚度。海水的对流和风场的共同作用影响表面油膜和浸入水体的油滴。

由于蒸发、乳化、扩散、溶解、光氧化、沉淀以及生物降解,油会改变它的物理和化学特征,同时很多会消失。所有提到的过程都互相影响并都与油的风化有关。

扩展、蒸发、扩散和溶解可以定义为短期的风化过程,而乳化、生物降解和光化学氧化可以认为是长期的风化过程。


油膜中不同的化学成分通过不同的分子量来表明组分的挥发性,以及如何被风化过程影响。下图表明了这些过程的互相作用以及油的组分。


油组分

为了更好预测风化过程,油通常按某种属性分为几种组分。这通常需要知道每种组分厲性的详细知识。因此出于模拟的目的需要知道油的特别厲性,或者通过数据库来执行特别的计算。

DHI油风化模型的溢油模版中,将油划分为2种组分:轻组分和重组分;轻组分定义为碳氢化合物分子量小于160g/mol,沸点小于300。重组分定义为碳氢化合物分子量大于160g/mol,沸点在250~300之间或以上,包括蜡和沥青组分。

毎种原油类型都是由多种组分不同比例构成的,这样就可能难于得到这种组分的特征来用在DHI溢油风化模型中。如果需要,蒸馏数据会提供有用的信息。

下表中包含了ITOPF分类的四种组分的估计构成,参考海洋溢油归宿(2002)ITOPF的分类是按照油的密度来定义的。在表格的末尾估计了两种油组分分数的相对分布,这在DHI溢油模型中使用。


DHI溢油模型的风化过程

油分为两个主要的成分:芳香族的轻挥发性组分和其他分子量小于160 g/mol的油组分,沸点低于300;另外一种更重的组分,分子量大于160g/mol,沸点大于250~300的所有残余物。蜡和沥青组分被认为是不能降解、不蒸犮也不溶解于水的油的特别组分。

通常棋型通过单个油轨迹粒子数代表的小油滴量来描述溢油的总量。这些油粒子来参与风化、漂移过程,代表油单独运动。

状态变量

每个油粒子有8个内在的状态变量。前5个描述了油的负荷,后3个代表了物理属性:

  • 挥发性组分质量[kg]

这个状态变量定义为分子量小于160g/mol的油组分,沸点低于300芳香族的质量,如油的轻挥发性组分。这个组分会发生蒸发、溶解、生物降解和光氧化反应。

  • 重组分油质量[kg]

这个状态变量定义为分子量大于160g/mol,沸点大于300的油组分质量。这个组分会发生溶解,生物降解及光氧化,但不发生蒸发反应。

  • 沥青含量[kg]

这个状态变量定义为油中沥靑的含量。沥靑被认为保守组分,它不被降解,也不蒸犮,也不会溶解。

  • 蜡含量[kg]

这个状态变量定义为油中蜡的含量,蜡组分同样也是保守物质,这个组分不降解,不蒸发,不溶解。

  • 含水率[kg/kg]

这个状态变量定义为油颗粒中水的含量。

  • 油滴直径[m]

油滴直径会被波浪显著影响。

  • 油面积[m2]

这个变量定义为海面上油的面积。这代表了由单个油粒子组成的圆形油膜的等效面积。请注意这个面积不是总的由所有粒子覆盖的面积。同样这个总的覆盖面积也不等于所有粒子经过的面积总和,这是因为单个粒子经过的区域会重合。

  • 浸入状态[logical(0/1)]

浸入状态用来分离出水相中的油粒子或者是那些搁浅在海岸线上的油粒子。1表示粒子在水相中,0表示粒子不在水相中。

当轨迹粒子到达陆地后,它可能被吸附(这个位置会被锁定并且不在允许再移动)或者重新反射回海中。被吸附的可能性可以设定为单值,总值或定义为二维图。特定的过程仅在轨迹粒子浸入水中而没有上岸时启动(如面积和含水率变化,溶解和扩散过程)。

蒸发

在溢油开始的几小时和几天中,油族表面的蒸发是主要的风化过程。如果油中包含了轻组分,精制石油产品如汽油等,那么蒸发会在24小时有效移走几乎所有的油污染物。对于大部分中分子量的原油的去除比较少,在开始后的24小时内大致有10~30%会通过蒸发去除。

其他影响溢油蒸发的因素包括了油膜表面的溢油量,风和海平面条件。

模型蒸发类型包括以下2种:

  • 详细蒸发过程

在蒸发的详细描述中,单个粒子与水面(表面5cm以内)相互作业的蒸发过程根据Reed模型来计算。

  • 简单时间型蒸发过程

时间相关的蒸发损失模型由Fingas1996年和1997年提出,并被来用在DHI溢油模型中。基于对石油及其产品的经验研究,Fingas測定了多张油类型对于单位时间损失分数和绝对损失量最合适的方程。大多数油遵循对数损失曲线,但是少量油在5天时间后符合方根损失曲线。

溶解

因为部分可溶性碳氢化合物溶解到周围水体中,部分油膜量会减少。这虽然减少了油膜的大小,但是会造成环境问题,因为溶解的溢油成分对海洋生物来说是最有毒性的。小分子的芳香族碳氢化合物如苯和甲苯,其他大分子的多环芳烃(PAHs)如萘是水溶性的石油组分,其毒性是众所周知的。

其他影响油溶解的因素包括油膜表面暴露的溢油量,风,海平面条件,气温及日照强度。其他因素有油膜的乳化,这会极大的减缓蒸发率。

乳化

乳化物是两种不同液体海水和油在溢油发生后混合后形成的。细的油滴会悬浮在水中(而不溶解),形成的乳化物占的体积会达到形成前的4倍多。而且黏性的乳化物比原油会相当长的存在于环境中,它减缓了随后的风化过程。

乳化会发生在强风或波浪的条件下,一般发生在溢油几个小时后。一种持续存在的部分乳化的油水混合物有时称为“奶油冻”。奶油冻不易被降解,这是最重要也是最终的风化阶段。在浅的沼泽环境中,它要在沉积物中持续存在数十年。

现有的模型把乳化过程看做是油包水和水包油两个阶段的平衡过程。乳化物的稳定性是决定乳化能力与反乳化的重要因素,不稳定及表观稳定的乳化物会重新释放到水里。

沉淀

在海水中很少有说油本身密度大而沉入水体,只有少数产生的残留物密度足够大才能沉降(除非油燃烧过了,都能形成足够大密度的残余物)。在上下方向上油和水密度的不同,模型可以通过浮力控制油的垂向运动。

生物降解

油的生物降解是原油溢出后的重要的后期自然风化过程,这也是逐渐从海洋环境中去除剩下的原油的一步。原油化合物的生物降解最快是通过发生降解组织中的好氧代谢的。

光氧化

溢油的化学氧化作用会发生,并且这个过程在阳光在照射下会促进。氧化增加的油组分中总的可溶分数。部分氧化也增加了持久性原油物质焦油(沥青)的形成。光氧化在总体上对于油膜的去除作用很小。即使暴露在强光条件下,光氧化作用一天内仅能破坏暴露油膜的0.1%

垂直扩散

油膜在水体中移动的一个重要因素是垂向扩散。强风、流场及紊动的海水会促进扩散过程。波浪的破碎使油滴进入水体。这是目前最重要的扩散机制。

油的物理属性

  • 运动粘度

粘度的改变是乳化导致的结果。

  • 运动密度

油的物化厲性随温度变化,流体动力性质因此也是取决于温度。当瞬时溢油的温度高于倾点,密度会非常小,这样油上浮,因此油膜在最初会沿水面扩展。然而当油膜冷却后,密度增加与水的密度差别减少,因此油膜会与紊动水体作用而向水面下扩散。

油栅、运动阻隔

DHI油的风化模型包括了一个简单的油拦截模型。用户可以使用一个空间二维图形来阻拦每步油粒子的运动。内部计算时每一个时间步长会产生一个随机数[0..1]并与流场网格点中给定的阻隔可能性比较。如果随机数比阻隔可能性数小,那么油粒子的运动矢量就会被清除,油粒子在这一步就不会运动。

海滩堆积岸线锁定条件

油风化模型包括了一个简单的海滩堆积模型。用户可以使用一个二维空间文件使粒子冲到岸边时可能被锁定。一旦粒子锁定在岸边就不再被允许移动,仅参与下列风化过程:

海滩上粒子的风化过程:

  • 生物降解

  • 光氧化

  • 蒸发

通过提供可能性的不同值使粒子锁定在海滩,这代表了不同的岸的特征。硬的堤岸和打桩的海港不会吸收很多油,因此锁定的可能性很小,而湿地能夹带大部分的油。

除油剂

DHI油风化模型包含了除油剂的简单机制。用户可以设置二维空间文件表示使用除油剂时提高油的破碎。

漂移

流场、风应力和底床应力使得油粒子漂移。

漂移速度是随空间变化的。它代表了流场和风场联合作用的效果,导致了油粒子的对流运动。

不同的漂移断面类型如下选择:

  • 采用水动力原始数据

  • 采用底床剪切断面

  • 采用表面风加速

  • 釆用底床剪切断面和风影响断面(仅二维)

  • 采用底床剪切断面和风影响断面以及表面风加速(二维)

  • 采用底床剪切断面和表面风加速

漂移断面的选择取决于你指定的一些额外参数。

油类型参数

通常很难找到某种油的合适参数。DHI油风化模型把油分为二种:轻而挥发性组分和重而不挥发组分。轻组分定义为碳氢化合物分子量小于160g/mol,沸点小于300℃。重组分定义为碳氢化合物分子量小于160g/mol,沸点至30℃以上,包括了蜡和沥青组分。

毎个原油类型由很多的不同组分组成,要得到这些组分的性质应用在DHI油风化模型中可能很困难。如果蒸馏数据可以得到,这会提供有用的信息。

DHI溢油模块

溢油模块计算了在湖泊,河口和海洋区域的溢油事故。输入参数的数量和类型在模型定义中决定。

查看不同模型的定义请参考溢油模块的科学定义。

分类

分类对话框表现了所选择的模块定义中状态变量的概述。毎一个类别都有若干内置变量。毎个变量的单位和描述己给出。

毎个油粒子包含了若干变量及其状态变量,因此你可以说OS模块中的状态变量代表了油粒子的内部状态,这也是用户想要预测的状态,因此他们是OS模块的主要结果。OS模块中典型的状态变量为不同油组分的质量。

常数

模型定义中欧拉常数定义为输入参数。


概述

欧拉常数在时间上为恒定,但在空间上变化。通常在模型中用来描述物理常数或油粒子周围环境变量,例如水的密度或消光系数。

建议和提示

某些参数是从文献中查到的,有些参数是測量值。

类别常数

类别常数在模型中定义为输入参数,它们具有拉格朗日特征。


概述

类别常数在时间上恒定,厲于粒子内部参数。通常用来指定过程变化率,半饱和浓度和其他描述粒子的方程中的输入参数。

建议和提示

某些参数和变化率是从文献中查到的,但有些在文献中没有描述过。所以缺失的信息最好在项目前通过调查取得。

作用力

OS模块中作用力定义为输入参数,具有欧拉特点且能随时间变化。作用力分为2个部分:

  • 内置作用力

  • 用户指定作用力

内置作用力为模型系统执行的时候自动提供的,它们在MIKE系统里面己经设定好。

用户指定作用力必须要在对话框中指定,随作用力的空间不同,在模型中可以设置为“contant value”,“Type 0 data file”或“Type 2 data file”。这些数据文件需要覆盖整个模拟阶段。而且如果选择Type 2文件,它必须包括了地形文件的空间范围和坐标系。


概述

作用力在模型定义中作为过程的数学表达式论据来使用。它们是随时间和空间变化的,代表了影响油膜的外部条件变量。欧拉作用力的典型例子是流场条件,太阳辐射和风。

类型作用力

类型作用力定义为模型中具有拉格朗日特征的输入参数,比如表征油内部的时间变量。它们代表了使油运动的内部特征变量。典型的类型作用力为油温。

点源

模拟从排放口或移动的船舶溢油的效果会用到点源。


源的特征

有两种类型的源位置可以选择:

  • 固定源

  • 移动源

指定源的坐标投影(经度/纬度,UTM等)和垂向位置。对垂向类型可以由三种定义:

  • 深度(水面下正值)

  • 底床上(从底床向上的正值)

  • 基准面(相对于水平线0.0的正值)

对固定的源你需要指定源的水平坐标系和它的垂向位置。

对移动源需要指定一个包含了水平坐标和垂向位置是时间函数的dfs0文件。

垂向位置的单位为米,其值根据垂向类型来选择。

可以选择在模拟中包括源或者是排除源。

数据

源包含了一个或多个类型的油组分。在现状的溢油模型中,油粒子定义为挥发性组分的质量,重组分的质量,蜡状物的质量以及沥青的质量,以及水组分等等。

油的排放速度可以由以下方式之一定义:

  • 作为单个粒子质量

释放的质量通过给定值的生成物来定义(如单个油粒子的质量)以及总时间步长内释放到流体中的粒子数。

  • 作为通量

释放了就是给定值

源中的油组分信息格式可以如下方式给定:

  • 时间常数

  • 随时间变化

在源组分随时间变化的情况下,需要准备一个包含了油组分信息的时间序列数据文件(dfs0)。这个数据文件必须覆盖了模拟的整个时间段。输入的时间数据文件不需要必须与水动力模拟的时间步长相同。如果每个时间步长不同,可以采用线性插值来赋值。

接着需要定义每个时间步长上释放的粒子数量。

注意:那些具有大量挥发性和重组分低于10g的粒子在计算中会被忽略。

扩散

扩散描述了由于分子扩散和紊动涡流导致的传输现象。在海洋区域,由于紊动导致的扩散通常都是最重要的,在水平方向紊动造成的影响非常显著,在这种情况下扩散系数的取值很重要。

在海洋区域区分由于涡流导致的水平扩散和由于底床紊流导致的垂向扩散非常重要。因此水平和垂向扩散单独指定,单个粒子不能被分成几片,因此扩散的过程被解释为在随机方向上运动的可能性。


水平扩散

水平扩散有两种方式来阐述:

  • 无扩散

  • 扩散系数公式

选择扩散系数公式需要指定扩散系数(单位m2/s

数据

选择扩散系数选项,扩散系数的格式可以指定为:

  • 常数(同时在时间和空间上)

  • 随空间变化

在扩散系数随空间变化的情况下,系数在垂向空间上是常数且只在水平空间上变化。需要在建立水动力模拟前准备一个包含了扩散系数(单位m2/s)的数据文件。这个文件是二维(dfs2)文件且包含了整个模型区域。提供的数据可用双线性描值。

垂向扩散

垂向扩散可以用两种不同的方式来描述:

  • 无扩散

  • 扩散系数公式

指定垂向扩散系数与水平扩散类似。

参考值

非常困难用装置来测量得到普通适用的扩散系数值。然而采用雷诺近似法扩散系数可以认为是长度和速度的乘积。在浅水水体中,长度通常采用水深,而速度给定为典型水流流速。

漂移断面

概述

漂移断面是影响油的漂移规则的描述。它通常是流场和风场决定的漂移规则。流场包括了在水动力设置中己经计算过的风的影响,但水动力输出结果在靠近底床处的流场断面通常不会有好的离散化。因此假定垂向漂移断面的一些形状是一个好的想法。

流场断面中通过假定底床剪切断面(对数断面)来包含底床摩擦力是可能的。

风应力也会导致水体上部分流速的增加,同时影响在下部分相反方向的对应流速。在MIKE3中,水动力的输出结果会包含这种效果。

如果油在水表面,它能够被影响流场的风额外直接影响。这导致了油在由于科氏力影响的风向上的额外增加。


漂移断面类型

不同的漂移断面类型如下选择:

  • 采用水动力原始数据

  • 采用底床剪切断面

  • 采用表面风加速

  • 采用底床剪切断面和风影响断面(仅二维)

  • 采用底床剪切断面和风影响断面以及表面风加速(二维)

  • 采用底床剪切断面和表面风加速

漂移断面的选择取决于你指定的一些额外参数。

底床糙率

底床糙率是在当源移断面定义为底床剪切断面(对数断面)时应用在溢油模块中。这是形容近底床流场条件的一个重要参数。

底床糙率可设定为用户指定底床糙率。

风作用力

当漂移断面定义为风影响时,风作用力在粒子追踪模块中会用到。

风作用力设定为用户指定风。


用户指定风

风作用力指定为:

  • 常数

  • 随时间变化,空间不变

  • 时间和空间上变化

在值随空间变化的情况下,你需要在建立水动力模拟前准备一个包含了风作用力(速度m/s)和方向(从正北算起的角度)或速度(m/s)的数据文件。这个文件为二位数据(dfs2)。数据中的区域需覆盖了整个模型区域,采用双线性插值来形成数据“而且需要指定软启动间隔。

输出结果

模拟计算结果的标准数据文件可以在这里指定,因为结果文件很大,通常不会保存所有不错的离散数据。实际只输出其中一部分。

输出结果定义

对每个选择的输出文件,需要指定输出类型,输出文件名和存放地址以及时间步长,对应于输出格式的选择,同时需要指定输出数据的地理范围。


两种输出类型是可用的:

  • 粒子

  • 浓度(场变量)

粒子

粒子文件格式为xml。每个粒子变量在文件中以x,y,z和状态变量值存在。而且不同的衍生结果都会存储。衍生项由溢油模型定义。

注意:粒子轨迹输出结果会很大因为它记录了每个时间步长的位置。这个作用是为了追踪仅仅少量的粒子,在指定粒子数范围的时候选择频率大于1时会用到。

浓度

场变量在模型中以dfs2/dfs3格式文件存储。如果在模拟中用到几个嵌套区域。可能会选择需要应用的区域。

时间步长

时间范围是指在模拟阶段时间对话框中设定的时间步长。

粒子数

粒子数里的范围涉及到毎个类别粒子ID。在模拟中所有新的粒子都会赋与一个ID值。最初的粒子数为1,并且每个类别总的粒子数是总时间步长和每步释放的粒子数的乘积。

输出项

你可以选择基本输出变量和额外输出变量。可用的输出结果变量由所选择的溢油模型来决定。

基本变量包含了溢油模型的衍生状态变量。所有的溢油粒子根据技术网格来分布,每个单元总的粒子质量除以单元体积来估计单元浓度。

基本的变量定义为:

  • State variable 1

  • State variable 2

另外的变量为

  • 表面水位

  • 静止水深

  • 总水深

  • U方向速度的平均水深

  • V方向速度的平均水深

 



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