摘要 內(nèi)會出現(xiàn)上下游往復運動：其次根據(jù)不同河段的差異，可以將黃浦江分為三段， 上游河段為米氏渡到吳涇化工區(qū)段，中游河段為吳涇化工區(qū)到蘇州河段，下游河 段為蘇州河至吳淞口段，從上游到下游，溢油受潮汐的影響越來越明顯，最明顯 的特征是油膜往復漂移的時間間隔越來越段，首次出現(xiàn)漂移方向改變的時間分別 為溢油后上游6 小時、中游4 小時和下游2 小時，下游河段往復運動的次數(shù)也明 顯增多。 關(guān)鍵詞：黃浦江，突發(fā)性溢油事故，溢油漂移擴散模型，d e l f t 3 d - p a r t 模型， 水源地安全 n 目錄 s t u d ya n da p p l i c a t i o no f t h eh u a n g p ur i v e r a c c i d e n t a lo i ls p i l ls i m u l a t i o nm o d e l a b s t r a c t h u a n g p ur i v e ri st h es o - c a l l e dg o l d e nt r a n s p o r t a t i o nw a t e r w a yi ns h a n g h a i ，a n d p r o v i d e ss h a n g h a iw i t ho v e r8 0 o ft h es o u r d r i n k i n gw a t e rt ot h er e s i d e n t n 圮 m a t e r i a l st r a n s p o r t e do nh u a n g p ur i v e ri n c l u d eag r e a ta m o u n to fc h e m i c a l ss u c ha s o i la n dh a z a r d o u sc h e m i c a l s t h es o - o r c ed r i n k i n gw a t e rc o u l db ei nd a n g e rw h e n a c c i d e n t a lc h e m i c a ls p i l l so c c u ri n t h ef i v e r d e l r 3 d p a r tm o d e l i n gs y s t e mi su s e df o rt h eh u a n g p ur i v e ra c c i d e n t a lo i l s p i l lm o d e l i n gs t u d y i n s i t um e a s u r e m e n t so ff l o w , w a t e rl e v e la n df l u m es t u d y r e s u l t so fo i l s p i l l s a r cu s e df o rt h em o d e lc a l i b r a t i o na n dv e r i f i c a t i o n 1 1 m a i n p a r a m e t e r sc a l i b r a t e d i nt h em o d e la r e d i s p e r s i o nc o e f f i c i e n t ( a = 0 0 7 ，b = 0 7 ) ， r o b g h n e s 8l e n g t h ( o 0 2 m ) ，w i n dd r a gc o e f f i c i e n t ( c w d = 3 ) ，a n de v a p o r a t i o n r a t i o 1 d ) 1 km o d e l i n gr e s u l ti si n9 0 0 dc o i n c i d ew i t hb o t ht h el a bf m d i n g sa n dt h e i n o s i t um e a s u r e m e n t s 1 k m o d e l i n gs t u d yo fo i ls p i us h o w st h a ti f1 t o no i ls p i l lr e l e a s eo c c u r r e d a n y w h e r eu p s t e a mo f t h ew a t e ri n t a k eo nh u a n g p ur i v e ri ns h a n g h a i ，t h ei n t a k ew i l l b ec o v e r e d 塒t 1 1s p i l l s i f o i ls p i l lo f1t o ni sr e l e a s e dw i t h i n5 5 k md o w n s t r e a mo f t b e w a t e ri n t a k e ，t h eo i ls p i l lw i l lc o v e rt h ei n t a k ei nl e s st h a n2 4h o u r s i f o i ls p i l lo f1 0 0 t o n si sr e l e a s e dw i t h i n8 k md o w n s t r e a mo f t h ei n t a k e ，t h ei n t a k ew i l lb ea f f e c t e di nl d a y , a n di f o i ls p i l lo f 2 0 0t o n si sr e l e a s e dw i t h i n1 0 k md o w n s t r e a mo f t h ei n t a k e ，t h e i n t a k ew i l la l s ob ep o l l u t e db yo i li nl e s st h a n1 d a y w i t hc o n s i d e r a t i o no fs o u r c e w a t e rp r o t e c t i o n , t h er e a c hu p s t r e a ma n dt h er e a c h1 0k md o w n s t r e a mi st h em o s t d a n g e r o u sa n dt h u sm o s ti m p o r t a n tw a t e ra r e a o i ls p i l l si nt h i sr a n g eo f r i v e rs h o u l d b ea v o i d e dt ot h eb e s to f m a n a g e m e n tm e a s u r e s o n c ea no i ls p i l lh a p p e n s i ts h o u l d b ed i s p o s e do f a si m m e d i a t e l ya sp o s s i b l et or e d u c ei t sd a m a g e h u a n g p ur i v e ri sat i d a li n f l u e n c e df i v e r , t h et r a n s p o r t a t i o na n dd i s p e r s i o no f s p i l l e d 硼s h o wad i f f e r e n tp a t t e r n s p i l l e do i lm o v e su p s t r e a ma n dd o w ns t r e a m f o l l o w i n gt h et i d ei nt h er i v e r , a n di nc o n s i d e r a t i o no ft h ei n t a k ep r o t e c t i o n , h u a n g p u i i i r i v e rc o u l db ed i v i d e di n t ot h r e er e a c h e sa sf o l l o w s ：u p s t e a mr e a c h ，f r o mm i s h i d u t o w u j i n g ，m i d d l er e a c h ，f r o mw u j i n gt os u z h o uc r e e k ，a n dd o w n s t r e a mr e a c h , f r o m s u z h o uc r e e kt ow u s o n g k o u f r o mu p s t r e a mt od o w n s t r e a m ，s p i l l e do i li sm o r ea n d m o r eo b v i o u s l ya f f e c t e db yt i d e t h em o s to b v i o u sc h a r a c t e r i s t i ci st h a tt h ed u r a t i o n o fu pa n dd o w ns t r e a mm o v e m e n ti ss h o r t e ra n ds h o r t e rf t o mu p s t r e a mt od o w n - s t r e a m t h ef i r s tc h a n g eo fd i r e c t i o na tt h et h r e er e a c h e sh a p p e n s6h o u r s ，4h o u r s ， a n d2h o u r sa f a rt h es p i l lr e s p e c t i v e l y a n dt h et i m e so fr e c i p r o c a t o ri nd o w n s t r e a m r e a c ha r em u c hm o r et h a nu p s t r e a mr e a c h c o n g _ c h e n g ( e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db yp r o f e s s o rw e i q i n g _ l i n k e y w o r d s ：h u a n g p ur i v e r , a c c i d e n t a lo i ls p i l l s ，s i m u l a t i o nm o d e l ， d c l f o d - p a r t , s o u r c ew a t e rp r o t e c t i o n 東華大學碩士學位論文 東華大學學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：我恪守學術(shù)道德，崇尚嚴謹學風。所呈交的學位論文，是本 人在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已明確注明和引用 的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品及成果的 內(nèi)容。論文為本人親自撰寫，我對所寫的內(nèi)容負責，并完全意識到本聲明的法律 結(jié)果由本人承擔。 學位論文作者簽名：程黟 日期：2 口形年5 月夕日 東華大學碩士學位論文 東華大學學位論文版權(quán)使用授權(quán)書 學位論文作者完全了解學校有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留 并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱或借閱。 本人授權(quán)東華大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢 索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。 保密口，在年解密后適用本版權(quán)書。 本學位論文屬于 不保密毹 學位論文作者簽名：被習舀 日期：2 0 0 6 年碉9 日 揪燃：伽毒 日期：。紅；月7 日 第一章緒論 1 1 課題研究背景 第一章緒論 水是城市的生命，是城市居民生存和城市發(fā)展的最基本條件，而水源地則是 為城市生存發(fā)展提供清潔、優(yōu)質(zhì)和充足水源的生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)。長期以來，日益惡 化的水污染始終是國內(nèi)外大多數(shù)城市水源地安全的重要威脅。這些水污染既包括 工業(yè)污水、生活廢水、面源等常規(guī)污染，也包括船舶、碼頭的化學品和石油泄漏、 工業(yè)事故排放等突發(fā)性水污染事件。統(tǒng)計資料顯示，近年來世界各地因溢油、有 毒化學品泄漏等造成的突發(fā)污染事故頻現(xiàn)，損失巨大【1 - 7 1 。 黃浦江既是本市8 0 的用水來源地，又是交通航運的黃金水道。每天，從這 里過往的船只不計其數(shù)，運輸物品也門類繁多，其中包括大量油品、化學用品甚 至危險品。一旦這些船只發(fā)生意外，就將威脅全市1 0 0 0 余萬市民的用水安全。 黃浦江全長8 2 公里，江面最寬處約7 5 0 m ，最窄處3 5 0 m ，航道寬2 0 0 3 5 0 m ， 水深8 1 3 m ，江中設(shè)有一百多個系船浮筒。通航密度大，拖船小船不計其數(shù)， 沿江約有二十條車客對江輪渡，情況極為復雜，容易發(fā)生船舶碰撞或翻沉溢油、 有毒有害化學品和細菌病毒泄漏等突發(fā)性污染事故。2 0 0 3 年8 月5 日凌晨，停泊于 吳涇熱電廠碼頭的“長陽輪船尾燃油艙受到撞擊，造成油艙破損，溢油量8 5 噸， 受污染岸線長度約8 公里，江面產(chǎn)生一條長2 0 0 米寬2 0 米的油帶，黃浦江上游的幾 片濕地被燃料油污染，對水質(zhì)起到凈化作用的水草被全部破壞；2 0 0 3 年0 8 月2 1 日，上海黃浦江高橋石油碼頭附近，空載的2 8 4 噸級“金浩”輪與裝載3 5 0 噸重油 的“俞垛6 9 9 ”油船發(fā)生碰撞，共有十幾公斤重油落江；2 0 0 3 年1 0 月1 5 日凌晨， 一艘在黃浦江白貓洗滌劑碼頭卸貨的“浙嘉善貨0 0 0 1 8 ”輪，在卸貨過程中有1 1 9 桶極度氫化油落入江中；2 0 0 3 年1 1 月5 日凌晨在黃浦江支流金匯港發(fā)生一起沉船 事故，船上裝載的8 0 多噸硫酸造成附近3 0 0 米水域被污染。這些頻發(fā)的突發(fā)事故 已經(jīng)為人們敲響了警鐘。 本課題研究內(nèi)容是上海市科委2 0 0 4 年重大攻關(guān)項目“黃浦江突發(fā)性水污染事 故預警預報技術(shù)研究”的一部分。本研究將主要針對黃浦江上游開放性水源地突 第一章緒論 發(fā)性水污染事故預警預報和應(yīng)急處置問題，重點研究突發(fā)性溢油污染事故排放的 污染物在水體中的漂移和擴散規(guī)律，建立黃浦江溢油漂移和擴散數(shù)學模型，使黃 浦江發(fā)生突發(fā)性溢油污染事故后，能迅速預測事故后果，確定最佳的處理方案， 從而在最短的時間內(nèi)以最小的代價將事故的危害控制在最低的程度，確保黃浦江 水生態(tài)的安全。 一般地講，溢油按其溢油量的多少分為三種類型【8 l ：即小型溢油( 溢油量小 于l o 噸) 、中型溢油( 溢油量大于l o 噸而小于1 0 0 噸) ，大型溢油( 溢油量大于 1 0 0 噸) 。有關(guān)資料表明，每年全世界發(fā)生1 0 0 0 噸級以上溢油事故有4 4 次，百噸 級事故約有近百次，而溢油量為幾十噸的事故無法確切統(tǒng)計 9 1 。我國自1 9 7 2 年以 來發(fā)生1 0 0 噸以上的溢油污染事故2 2 起，總溢油量2 2 0 0 0 噸。據(jù)統(tǒng)計，黃浦江水域 于1 9 8 4 年至2 0 0 3 年間共發(fā)生突發(fā)性船舶污染事故8 1 8 起，共計約1 4 1 5 噸污染物。 其中中型溢油事故1 9 起，1 0 0 噸以上大型溢油事故5 起，分別為1 9 9 1 年3 月7 日的2 0 0 噸、1 9 9 4 年5 月2 3 日的2 0 0 噸、1 9 9 6 年1 月1 9 日的1 5 9 噸、1 9 9 7 年8 月2 3 日的1 0 0 噸和 1 9 9 8 年9 月1 2 日的1 8 2 噸( 詳見表1 1 ) 。 表1 - 1 1 9 8 4 - 2 0 0 3 年黃浦江水域發(fā)生的1 0 噸以上溢油污染事故統(tǒng)計 序號時間地點溢油量( 噸) l 1 9 8 4 年2 月9 h1 9 ：4 5 時 吳涇附近 2 0 2 1 9 8 4 年6 月1 4 日上午閔行附近 3 4 # 3 1 9 8 5 年7 月1 2 1 3 0 6 ：4 3 時 b 4 53 2 7 4 1 9 8 5 年1 1 月1 4 日1 4 ：1 5 時b 3 6 附近 1 0 5 1 9 8 6 年8 月1 22 0 ：2 3 時西渡市油脂公司碼頭 5 0 6 1 9 8 9 年8 月1 4 日1 2 ：1 5 時 1 1 0 燈浮附近 6 4 7 1 9 8 9 年8 月2 2 目1 6 ：5 6 時 1 0 8 燈浮附近 l l 8 1 9 8 9 年11 月1 7 h立豐船廠黃山船務(wù) l o 9 1 9 8 9 年1 1 月1 7 日1 9 ：4 5 時立豐船廠碼頭 l o 1 0 1 9 9 1 年3 月7 日 沉5 # 燈浮 2 0 0 l l 1 9 9 2 年4 月2 7 日1 0 9 燈浮 2 3 1 2 1 9 9 3 年3 月1 日1 7 ：2 5 時滬東船廠江面 3 5 1 3 1 9 9 3 年6 月2 6 1 3 0 8 ：0 5 時 張華浜2 泊 1 5 1 4 1 9 9 3 年9 月2 1 日上海耐火材科廠 1 0 1 5 1 9 9 4 年5 月2 3 日黃浦碼頭 2 0 0 2 第一章緒論 1 6 1 9 9 6 年6 月1 0 日高橋石油碼頭 2 0 1 7 1 9 9 6 年7 月1 9 日永怡麒霞油l 0 0 2 1 5 9 t 8 1 9 9 7 年5 月5 日開平碼頭 2 0 1 9 1 9 9 7 年8 月2 3 日2 2 ：0 0 時3 2 燈浮 1 0 0 2 0 1 9 9 8 年9 月1 2 日吳淞口水域 1 8 2 2 1 1 9 9 9 年6 月1 0 日高橋石油站碼頭 2 0 2 2 2 0 0 1 年1 1 月1 4 日崇明新華 1 4 2 3 2 0 0 2 年l o 月2 9 日農(nóng)工商碼頭 1 4 2 4 2 0 0 3 年8 月5 日吳涇熱電廠六期碼頭 8 5 雖然突發(fā)性溢油污染事故己引起了人們的重視，然而這方面的研究工作在我 國還處于起步階段。突發(fā)性溢油污染事故本身所具有的性質(zhì)復雜、形式多樣，發(fā) 生突然、危害嚴重、處理處置艱巨等特點，使得這一領(lǐng)域的研究有特殊的難度。 但溢油污染的嚴峻形勢要求我們必須重視這一領(lǐng)域的研究，以期取得突破性進 展，保護水環(huán)境，促進經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。 1 2 研究的意義 溢油預測模型是溢油應(yīng)急反應(yīng)系統(tǒng)的重要組成部分，它能預測溢油在擴散漂 移過程中組份、性質(zhì)、狀態(tài)的變化及最終歸宿，為應(yīng)急決策的制定、清除手段的 選擇及溢油損害的評估提供依據(jù)1 0 j 【l l l 。 黃浦江作為上海的母親河，為上海提供8 0 的飲用水：同時黃浦江上航運流 量大，運輸著大量化學品和油類，這些隨時都威脅著水源地的安全和全市人民的 飲水衛(wèi)生，因此對黃浦江上游水源地的保護十分重要。 目前，國內(nèi)針對海洋和內(nèi)陸非感潮河流的有關(guān)研究工作比較多【l 糾7 】，但對類 似黃浦江這類感潮河流的研究仍很少，因此對黃浦江突發(fā)性油污染事故的模擬模 型研究具有十分重要的學術(shù)價值和現(xiàn)實意義。 針對黃浦江上游開放性水源地突發(fā)性溢油事故預防和應(yīng)急處置問題，建立黃 浦江溢油污染事故模擬模型，可直接服務(wù)于城市水源地安全保障和突發(fā)性水污染 事件的應(yīng)急處理，也可促進感潮河流溢油污染事故模擬模型的研究和應(yīng)用。 第一章緒論 1 3 研究的主要內(nèi)容 研究溢油在水體中的行為和歸宿及其影響因素，為溢油模型的建立提供理論 依據(jù)；研究溢油漂移擴散模擬的相關(guān)理論，對國內(nèi)外的溢油模型進行綜述；介紹 所選模型的相關(guān)理論。 針對黃浦江上游開放性水源地突發(fā)性水污染事故預防和應(yīng)急處置問題，利用 d e l t t 3 d 模型系統(tǒng)建立黃浦江水動力和溢油漂移擴散模型，研究溢油在水體中的 遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，為黃浦江突發(fā)性溢油水污染事故預報和應(yīng)急處理提供技術(shù)支持。 4 第一章緒論 參考文獻 1 近5 年世界重大溢油事故交通環(huán)保1 9 9 7 。1 8 ( 3 ) ：3 4 , 4 1 2 曲維政，鄧聲貴災(zāi)難性的海洋石油污染泊然災(zāi)害學報，2 0 0 1 ，1 0 ( 1 ) ：6 9 7 4 3 劉天齊環(huán)境保護概論1 9 9 7 ，高等教育出版社，北京：1 3 1 4 楊良華海上溢油的應(yīng)急計劃中國海洋平臺，1 9 9 7 ，1 2 0 ) ：1 2 3 1 2 7 5 林建，朱躍姿，蔡俊清等海上溢油的回收及處理福建能源開發(fā)與節(jié)約，2 0 0 1 ( 1 ) ： 6 8 6 張華溢油事故帶來災(zāi)難和損失o a 2 0 0 3 會議，2 0 0 3 ( 5 1 ) ：2 0 2 3 7 田立杰，張瑞安海洋油污染對海洋生態(tài)環(huán)境的影響海洋湖沼通報，1 9 9 9 ( 2 ) ： 6 5 6 9 8 張鐵鑄，張風坡埕島油田事故性溢油對海洋環(huán)境的影響及對策海洋環(huán)保 2 0 0 3 ，( 3 ) ：2 2 - 一2 4 9 王長海溢油漂移擴散計算模式初步研究交通環(huán)保，2 0 0 0 ，2 1 ( 2 ) ：7 9 l o 嚴志宇，熊德琪，殷佩海海上溢油風化模型評述大連海事大學學報2 0 0 1 ，2 7 ( 4 ) ：3 6 3 9 1 1 李瓊海上溢油風化預測系統(tǒng)的研制大連海事大學碩士學位論文，2 0 0 2 1 2 l o ua n g a n g , e t c e s t a b l i s h m e n to f a3 dm o d e lf o ro i ls p i l lp r e d i c t i o n j o u r n a lo f o c e a nu n i v e r s i t yo f q i n g d a o 2 0 0 1 ，3 1 ( 4 ) ：4 7 3 4 7 9 1 3 武周虎，尹海龍水面有限長油膜下油滴輸移擴散方程的解析解交通環(huán)保， 2 0 0 0 ，2 1 ( 3 ) ：1 0 1 2 ，4 4 1 4 金梅兵近岸溢油的全動力預測方法研究海洋環(huán)境科學，1 9 9 7 ，1 6 ( ! ) ：3 0 3 6 1 5 侯國祥，鄭文波，葉閩等一種河流中突發(fā)污染事故的模擬模型環(huán)境科學與技 術(shù)，2 0 0 3 ，2 6 ( 1 ) ：9 1 0 ，1 5 1 6 趙如箱淺談溢油模型的發(fā)展及其應(yīng)用設(shè)想交通環(huán)保，2 0 0 0 ，2 1 ( 4 ) ：1 5 1 7 1 7 夏定武，徐繼祖有冰海域溢油運動數(shù)值模擬研究海洋學報，1 9 9 8 ，2 0 ( 1 ) ：11 3 1 2 2 第一二章溢油在水體中的行為和歸宿及溢油污染處理技術(shù) 第二章溢油在水體中的行為和歸宿 及溢油污染處理技術(shù) 2 1 油品的組成和理化性質(zhì)1 川 溢油是指排入海洋環(huán)境( 或河流) 的油。o p r c 公約對油的定義是指任何形 式的石油，包括原油、燃料油、油泥、油渣和煉制產(chǎn)品。本文所說的溢油主要指 原油及其煉制品，并不包括動物油和植物油。 2 1 1 油品的組成 原油是一種含有上千種化合物的由黃色到黑色的復雜混合物液體，是古代動 植物的遺骸在適宜的條件下經(jīng)過長期的、復雜的生物、化學變化而逐漸形成的。 石油中含有數(shù)百種化合物，主要由烷烴、芳香烴即環(huán)烷烴組成，約占石油含量的 5 0 9 8 ，簡稱為石油烴，其余為非烴類的含氧、含硫及含氮等化合物。石油 烴類相對分子質(zhì)量變化范圍很大，從甲烷到相對分子質(zhì)量為1 5 0 0 2 0 0 0 的烴類， 也曾發(fā)現(xiàn)相對分子質(zhì)量為1 7 3 4 的c 1 2 5 i - 1 2 3 4 的化合物。石油中的烴類化合物一般 可分為以下四類： 2 1 1 1 烷烴系碳氫化合物 在常溫、常壓下為鏈狀碳氫化合物，少于4 個碳原子為氣體，5 個以上變?yōu)?液體，1 6 個以上則變?yōu)楣腆w。具有代表性的成份為甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、 戊烷和己烷。 2 1 1 2 烯烴系碳氫化合物 石油一經(jīng)加熱便產(chǎn)生有雙鍵結(jié)構(gòu)的易于反應(yīng)的鏈狀碳氫化合物，如乙烯和丙 稀等。 2 1 1 3 環(huán)烷烴碳氫化合物 石油中環(huán)烷烴帶s 6 個碳原子，環(huán)狀排列，占石油含量的3 0 6 0 。除 環(huán)戊烷和環(huán)己烷外，還有二環(huán)和多環(huán)烷烴。其中很重要的小量組分為甾烷、萜烷 類，是異常生物標志物。環(huán)烷烴含量高時，油品粘度大。環(huán)烷烴是潤滑油的主要 成分，微生物幾乎不能降解環(huán)烷烴。 6 第二章溢油在水體中的行為和歸宿及溢油污染處理技術(shù) 2 1 1 4 芳香烴系碳氫化合物 芳香烴占石油含量的2 4 ，有單環(huán)芳烴( 如苯、甲苯、二甲苯) ，還含 有雙環(huán)( 主要是萘) 、三環(huán)芳烴( 如蒽和菲) 和三環(huán)以上多環(huán)烴( 如苯并芘、苯 并蒽多核芳烴) 。自然界中有些微生物專門降解這些化合物。經(jīng)生化實驗證實， 芳烴對生物的毒性最大，特別是多環(huán)芳烴1 2 1 。 石油元素組成變化范圍不大。在大部分石油中，碳含量( 質(zhì)量分數(shù)) 8 3 8 7 ，氫含量1 1 1 4 ，硫、氮、氧等元素一般在1 1 4 。除上述五種主要 元素以外，石油中還含有礬、鎳、鐵、銅、鉛、鈣、鈦、鎂、鈉、鈷、鋅等金屬 元素和氯、硅、磷、砷等非金屬物質(zhì)，但它們的含量都很少。石油不同程度的氣 味主要來源于少量硫化物。石油中膠質(zhì)物質(zhì)屬于含氧化合物( 脂肪酸類) ，它們 的含量很少，但對石油加工過程卻影響很大。盡管原油的基本組成元素都為碳和 氫，但它們的物理化學性質(zhì)相差很大。在溢油事故中，確定溢油類型及其理化性 質(zhì)是制定應(yīng)急對策的重要因素。 2 1 2 油品的性質(zhì) 不同類型的原油具有不同的特性，在溢油污染應(yīng)急處理中，首先要了解原油 屬于哪一類。按照相對密度，原油可分為四類，如表2 1 所示。 表2 - l按相對密度對原油的分類表 分類相對密度典型油品 輕質(zhì)原油 o 9 6 6 委內(nèi)瑞拉 原油經(jīng)煉制加工后，又會形成不同的煉制品如液化石油氣、汽油、石腦油、 煤油、輕油、輕質(zhì)潤滑油、重油等，這些煉制油的理化性質(zhì)也相差很大。通常根 據(jù)石油在水中的滯留時間不同，將這些油分為持久性油和非持久性油。從水面上 很快消失的油為非持久性油，如柴油，汽油、煤油和航空油。非持久性油溢出后 會很快揮發(fā)掉，通常不需采取清除措施。從水面上消失得很慢的油為持久性油， 如重質(zhì)原油、重質(zhì)精煉油。持久性油溢出后。只有部分輕組分揮發(fā)掉。持久性溢 油會對水環(huán)境及沿岸水域造成危害，因此，溢出時應(yīng)立即做出應(yīng)急反應(yīng)，采取相 7 第二章溢油在水體中的行為和歸宿及溢油污染處理技術(shù) 應(yīng)措施。為了使所采取的措施具有針對性，就要了解溢油的流動性、揮發(fā)性、可 燃可爆性、毒性等理化特征，常見的溢油特征見表2 2 。 表2 - 2 油的理化特征比較 典型原油汽油柴油重燃料油 密度( g c m 3 ) 0 8 5 o 9 0 o 7 5o 8 0 0 9 5 n 0 9 8 運動粘度( c s t )1 0 5 0 l 卜一5 5 0 0 0 傾點( ) - 4 0 1 5 - 2 0 - 5 - 1 5 閃點( )差異很大 1 2 0 2 1 2 1 密度 密度指在規(guī)定溫度下，單位體積內(nèi)含物質(zhì)的質(zhì)量。在標準溫度( 2 0 ) 下的 密度為標準密度，用符號p 2 0 表示。日常還用到比重，即相對密度。比重是一定 體積的試樣油在1 5 時的質(zhì)量與同體積的水在4 c 時的質(zhì)量之比( 1 5 4 比 重) 。 在美國，通常把6 0 下( 1 5 6 c ) 的一定體積的試樣油的質(zhì)量與同溫同體積 的水的質(zhì)量之比作為油品的比重。另外，美國石油協(xié)會( a p i ) 采用a p i 比重。 密度這一參數(shù)決定著溢油在水中的漂浮能力。多數(shù)油的密度小于水，浮于水 面；當油的密度大于水的密度時，油則下沉；當油的密度接近于水的密度時，油 則懸浮于水中，隨著波浪或沉在水面以下，或漂浮于水面上。油的密度與其組分 有著密切的關(guān)系，對原油來說，石油烴含量多、瀝青含量少時，密度就小；反之 密度就大。當油溢到水面上，石油烴組分逐漸蒸發(fā)，油的密度就會增大，就有可 能懸浮于水中，或沉到水面以下。表2 3 為原油及石油產(chǎn)品的比重。 表2 - 3 原油及石油產(chǎn)品的比重 油名比重油名比重 原油 7 9 0 9 6 0 輕柴油 8 0 0 8 4 0 液化石油氣 5 0 0 6 0 0 重油8 3 0 9 6 0 車用汽油7 3 0 7 6 0輕質(zhì)潤滑油8 2 0 9 l o 噴氣機燃料油7 6 0 8 0 0重質(zhì)潤滑油 8 8 0 9 5 0 煤油7 8 0 8 0 0瀝青 1 0 2 0 1 0 6 0 2 1 2 2 粘度 粘度是評定油的流動性的指標，其本質(zhì)是對液體流動的阻力，是油內(nèi)分子之 間摩擦的量度。粘度不僅影響油本身的運動特性，還直接影響油回收裝置的性能。 8 第二章溢油在農(nóng)體中的行為和歸宿及溢油污染處理技術(shù) 油的粘度與其化學組成、各組分的分子量、溫度和壓力有關(guān)。一般說來，油 組分的分子量越大，密度、粘度就越大。膠質(zhì)和瀝青質(zhì)翕量多的油粘度更大。原 油的組成千羞萬別，其粘度的差異也相當大。溫度對油的粘度影響較大，溫度升 高，粘度降低。石油在一定的溫度下為遵守牛頓粘性法則的流動液體，其粘度與 切變速度、切變應(yīng)力成正比。當溫度較低或達到分解高溫時，則不遵守牛頓法則， 變成非牛頓液體。當溫度在3 4 + 7 時，石油會凝固成塊狀。油品粘度與溫度 的關(guān)系如圖2 1 和圖2 2 所示。 油的粘度決定其在水中的行為，特別是決定油在水面的擴散速度。粘度越大， 擴散速度越慢。隨著油在水面的風化、輕組分的蒸發(fā)，油的粘度逐漸變大，擴散 速度就越來越緩慢。 粘度影響溢油應(yīng)急對策。在溢油應(yīng)急反應(yīng)中，對于低粘度的油，可以選用盤 式、繩式及堰式撇油器回收，也可以使用溢油分散劑消除；對于高粘度的油，只 能選用刷式、齒輪式及帶式撇油器回收，分散劑的分散效能低。當油的動力粘度 值高于5 0 0 0 c p 時，分散劑對其基本無效。 圖2 - 1 石油產(chǎn)品粘度與溫度的關(guān)系圖2 - 2 重油粘度與溫度的關(guān)系 2 1 2 3 流動性 石油與許多流體一樣，有“易流動”的性質(zhì)。傾點和凝點是描述石油的流動 性和泵送性的重要指標。傾點指油在測定容器中還能流動的最低溫度，當環(huán)境溫 度高于這一溫度時，液體就可以保持流動。凝點指油停止流動時的最高溫度，當 環(huán)境溫度低于這一溫度時，油就開始固化或冷凝。 凝點加2 8 約等于傾點。當油溢到水面上，環(huán)境溫度低于油的傾點時，油 不再流動，這種情況下就無法使用撇油器進行清除，溢油分散劑也對其無效，此 o 瑩- 篁蔫 第二章溢油在承體中的行為和歸宿及溢油污染處理技術(shù) 時可用收油網(wǎng)回收。 2 1 2 4 溶解性 一般認為油不溶于水，實際上是油溶解度極低。國外對石油烷烴類成份的溶 解度做過一些研究工作，發(fā)現(xiàn)其溶解度與烷烴的碳量有關(guān)。在2 0 時，c l o c 笱 的烷烴在水中的溶解度為1 0 4 lo - 8 9 m 3 ，大于c 3 7 時，溶解度降為1 0 1 4 9 m 3 。由 于油的溶解度很低，一般情況下可不予考慮。 2 1 2 5 揮發(fā)性 石油的揮發(fā)性較強。據(jù)估計，水上溢油的1 3 2 3 通過揮發(fā)進入了大氣。油 的低沸點組份比例越大，揮發(fā)越快；油的表面積越大，輕組份揮發(fā)越快。一般較 輕質(zhì)油的起始揮發(fā)率較高，如煤油和汽油等煉制品溢出后，數(shù)小時內(nèi)便可揮發(fā)盡； 輕質(zhì)原油溢出后第一天可能揮發(fā)4 0 。石油的揮發(fā)性取決于許多因素，如油的 組分、水溫、風速與油的擴散特性。 溢油后，由于油的揮發(fā)，除了損失油量和污染大氣外，還會引起兩方面的消 極影響，一是易揮發(fā)油溢于有限范圍內(nèi)時，容易著火和爆炸，二是揮發(fā)后的殘油 密度和粘度將明顯增大，給清除回收溢油造成一定困難。 2 1 2 6 毒性 從原油揮發(fā)出來的石油氣同汽油揮發(fā)出來的氣體一樣，對人體有害，一般人 體的容許濃度為5 0 0 p p m 。 實驗表明，在大多數(shù)情況下，石油產(chǎn)品的毒性與其所含可溶性芳烴衍生物的 數(shù)量呈正比關(guān)系。石油對生物的毒性影響可分為急性中毒和長期低濃度毒性效 應(yīng)。目前尚難定量分析水上溢油的毒性影響。 2 1 2 7 表面張力 表面張力一般產(chǎn)生在兩種介質(zhì)的交界面。表面張力使液體表面拉緊收縮，從 而會對液體的運動狀況產(chǎn)生影響。表面張力的大小可用液體表面上單位長度所受 的張力，即表面張力系數(shù)6 日來表示( i 、j 分別表示甲、乙兩種介質(zhì)) ，單位是n m 。 表面張力在水面溢油擴展后期是一種決定性的力。 以上介紹的幾個石油的主要特性都與研究水上石油的擴展、擴散、離散、遷 移和風化過程密切相關(guān)。 第二章溢油在水體中的行為和歸宿及溢油污染處理技術(shù) 2 2 溢油在水體中的行為和歸科6 】 溢油進入水體后，受風、浪、流、光照、氣溫、水溫和生物活動等因素的影 響，無論在數(shù)量上、化學組成上、物理性質(zhì)及化學性質(zhì)方面都隨著時間不斷地發(fā) 生變化，其行為通常分為三大類：擴散、漂移和風化。擴散過程是指水面油膜由 于其自身的特性而導致的面積增大的過程。漂移過程是在水環(huán)境動力因素作用下 溢油的遷移運動。而風化是指能夠引起溢油組成性質(zhì)改變的所有過程，包括蒸發(fā)、 溶解、乳化、沉降、光氧化和生物降解等過型”。 2 2 1 溢油在水體中的遷移過程【舅l o 】 溢油在水體中的運動主要表現(xiàn)為兩種過程：一是在乎流作用下的整體位移即 漂移，二是在剪切流和湍流作用下的擴散。溢油自身的表面擴展過程持續(xù)時間很 短，而持續(xù)時間較長的運動形式主要表現(xiàn)為平流輸運和湍流擴散。這兩種運動機 制分別受制于“平流”和“湍流”。實際上，這兩種過程總是同時存在，通常稱 為“平流擴散”問題。 2 2 1 1 溢油漂移 漂移或稱溢油平流，是指油膜團在風、表層和次表層流以及波浪的作用下的 平移運動，是影響溢油運動的主要因素之一。越靠近岸漂移預測越顯重要。漂移 運動僅決定于平流條件。在油水界面上，油膜漂移軌跡主要受風的切應(yīng)力、表 層次表層流和余流( 波生余流、潮余流) 控制。實質(zhì)上是油膜在上述合成環(huán)境 動力作用下的漂移過程，依賴于水面風場和流場。 風場采用下述方法之一來表達：a 隨機移動過程( r a n d o mw j l kp r o e e s s ) ；b 馬爾可夫鏈過程；c 氣象模型；d 上述幾種方法的聯(lián)用。前兩種方法一般依賴近 岸氣象臺站的氣象觀測數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)要經(jīng)過一定程序校正后方可使用；第三種 是預測風場最精細復雜的方法，但往往受計算復雜性的限制和溢油區(qū)域的不定性 的制約，因此，并未獲得廣泛的應(yīng)用。一般預測可使用氣象臺提供的風力預報數(shù) 據(jù)。 流場受風力、潮汐、密度及壓力梯度導致的潮余流等因子的制約，可表示為 這些因子的矢量和。從水流的影響來分，風水流是最重要的因素，它可以在溢油 發(fā)生2 4 d 時內(nèi)制約表面的油膜的漂移方向。處理風水流最簡單的經(jīng)驗方法是，在 第二章溢油在水體中的行為和歸宿及溢油污染處理技術(shù) 計算模擬中，建立風和流矢量圖，風對油的影響按風速的3 4 來計算，流對油 的影響按流速計算，用箭頭表示風向和流向，用長度表示風速和流速，進行矢量 合成。如果風和流兩個矢量從同一個起點畫出，以兩個矢量為兩邊作平行四邊形， 則平行四邊形對角線的方向為油膜的漂移方向，對角線的長度為油膜漂移距離。 這是目前大多數(shù)模型采納的方法，也是大家共同接受的概念( 如圖2 - 3 所示) 。 可變漂流角( v a r i a b l ed r i f ta n g l e ) 隨風速大小而變，一般位于0 2 0 。區(qū)間內(nèi)。 但前提是溢油事故發(fā)生水域受沿岸流和深水流的影響不大。 圖2 - 3 水流和風的矢量疊加 假設(shè)水流和風作用于油膜質(zhì)心，其漂移速度； = 圪。+ 口x d x ( 2 - 1 ) 其中： 一油膜質(zhì)心的漂移速度； 圪。一流速( 水流) ； 一海面以上l o 米高處的風速； 口一風漂流因子( 3 4 ) ，一般取3 1 5 ： d 一風向轉(zhuǎn)換矩陣： ( = 黝 口= 4 0 8 x 圪0 蔓t 。2 5 m l s 0 = 0 2 5 m l s 第二章溢油在水體中的行為和歸宿及溢油污染處理技術(shù) 2 2 1 2 溢油擴散 擴散是水面溢油在某些水環(huán)境條件影響下，擴散分散出去。它一方面決定了 溢油擴散面積的大小；另一方面，由于表面積增大，溢油的風化、揮發(fā)、溶解、 分散和光氧化還原過程都會受到不同程度的影響，是溢油模型中的重要組成部 分。溢油自身擴散受地球引力、表面張力、慣性力和粘滯力四種因素的制約。一 般認為，油溢到水面上，人們首先看到的就是油的擴散。它主要是在油的重力、 粘度和表面張力聯(lián)合作用下產(chǎn)生水平擴散。起初，重力起主要作用，所以油的擴 散受油的溢出形式影響很大，如果油的溢出形式是瞬間大量溢油，則其擴散要比 連續(xù)緩慢溢油快得多。油溢出幾小時后，油層厚度大大減小，此時，表面張力作 用將超過重力作用，成為導致溢油擴散的主要因素，溢油在水面將形成境面似的 薄膜，它的中間部分比邊緣部分厚。再擴散時，油膜拖著一層水，因而粘度成為 擴散的阻力，擴散速度顯著降低。對于少量高粘度的原油和重燃料油，它們不易 擴散而以塊狀逗留在水面上，這些高粘度油在環(huán)境溫度低于其傾點溫度時幾乎不 擴散。當溢油擴散在水面上形成薄膜后，進一步的擴散主要是靠水面的紊流作用。 關(guān)于油膜自身的擴展，較經(jīng)典，也是最常使用、最值得借鑒的擴散理論是f a y 的三階段( t h r e e - r e g i m e ) 擴散理論，即：靜水中厚度均勻的圓形油膜的擴散過 程，可分為重力與慣性力階段起主要作用的初始階段、重力和祜性力起主要作用 的中間階段和表面張力與粘性力相平衡的最后階段。 在實驗觀測中，f a y ( 1 9 7 1 ) 發(fā)現(xiàn)，風化改變了油的性質(zhì)，從而導致機械擴 展過程最終停止，這時油膜的最大半徑為： k - ( 1 0 5 礦”，石r ( 2 - 2 ) 但f a y 理論只適用于靜水或恒流條件下的油膜擴展。事實上，水上總存在著 水流、波浪和風力作用，溢油自身的表面擴展過程持續(xù)時間很短，而持續(xù)時間較 長的運動形式主要表現(xiàn)為平流輸運和湍流擴散。后來許多作者考慮了水上環(huán)境動 力因素，將油自身的擴展過程與水擾動因素作用下的分散過程結(jié)合起來，在一些 方面做了限定性改進，如m u r r a y 的渦動擴散論、隨機f i c h i a n 擴散方程、經(jīng)驗回 歸法、厚薄油膜技術(shù)等，但效果均不理想。近年來在溢油擴散理論方面作出杰 出貢獻的是j o h a n s e n ，他第一次把溢油的擴散過程邏輯化：水面溢油發(fā)生后，水 和溢油相互接觸，油膜在水流的作用下，開始擴散、破碎，形成無數(shù)個微小的油 1 3 第二章溢油在水體中的行為和歸宿及溢油污染處理技術(shù) 粒，這些小油粒一旦進入水中，在表面流的影響下，它們便會平行移動和分散。 由于油?？偙人p，且有一定的浮力，絕大部分的油粒最終會浮在水表面。也就 是說，溢油的擴散過程不僅受油粒大小的影響，也受水表面流的控制。從計算結(jié) 果來看，較厚的油層向外邊界擴伸，油膜邊界隨風向擴散，結(jié)果與現(xiàn)場實驗相吻 合。因此，基于油粒子的概念模擬計算不同時間污染物在三維物理空間，包括在 水面、沿岸、水體以及沉積物中的分布的溢油模式代表了當今溢油行為研究的新 趨向。 該理論認為，油膜是由“油粒子”群組成的，通過被參混到水中的油粒子群 的分布模擬來預測溢油的歸宿?！坝土Ｗ印备拍顚⒁缬陀迷S多粒子代表，反過來 每一個粒子又代表一組同樣大小和成分的油滴，當粒子在表面時表現(xiàn)為油膜，在 水體中時粒子則表現(xiàn)為油滴，表面油膜的大小為表面粒子的疊加。溢油在水表面 的漂移和風化過程采用表面擴散、平移、輸送、乳化和揮發(fā)算法來模擬計算；而 水體中油粒子與同水體一起運動，并伴有隨機行為，因此可視作拉格朗日粒予， 采用隨機走動算法模擬水平和垂直方向的平移以及湍流擴散：利用線性平衡理論 來劃分粒子的吸附狀態(tài)和溶解狀態(tài)；由于吸附在固體顆粒上的污染物會與顆粒一 起沉降，底部污染物與沉積物按照生物擾動方程進行混和，并會有一部分返回到 水體中；污染物在水中和沉積層中的降解以一級降解方程表示。 與過去的二維算法相比，應(yīng)用油粒子概念不但較好地解決了油膜在環(huán)境動力 作用下的剪變和破碎過程，并能確切預報油膜邊緣的擴展過程和油膜形狀在風向 上的明顯拉伸現(xiàn)象，可以切合實際地模擬油膜的不規(guī)則形狀和漂移軌跡，而且可 以有效地消除數(shù)值發(fā)散問題。 要想獲得油膜厚度和油量的實際準確數(shù)據(jù)，必須應(yīng)用遙感分析儀器。但實際 經(jīng)驗表明，通過現(xiàn)場直接觀測仍可大致估計出油量的數(shù)量級。溢油( 原油和燃油) 因風化作用在外貌上會發(fā)生很大的變化。起始階段，溢油的較厚部分通常呈黑色， 但在乳化后則變?yōu)樽厣?、桔黃或黃色。稀薄的溢油則呈現(xiàn)出耀眼或閃銀光的狀態(tài)。 因此，可以根據(jù)溢油表層的光澤色彩，粗略估計它的厚度及油量。表2 _ 4 給出了 油的色彩與油膜厚度、油量之間的關(guān)系，為目測溢油量提供依據(jù)。 目測方法有一定的局限性，特別是目測者離污染點相當遠的情況下更是如 此，因此，有些石油公司的專家提出了一個經(jīng)驗公式( 式2 - 3 ) 。該公式提出了溢 油的厚度與溢油漂移時間的關(guān)系，據(jù)介紹，對多數(shù)的油品，可從該式求得滿意的 1 4 第二章溢油在水體中的行為和歸宿及溢油污染處理技術(shù) 結(jié)果。 表2 4 油的色彩與油膜厚度、油量之間的關(guān)系 油膜外貌油膜厚度( 1 f f 3 m m )油量( m 3 k m 2 ) 在最好的陽光照射下隱約可見 o 0 50 0 5 0 在水面上可見到銀灰色閃光 0 1 00 1 0 0 可觀察到彩色的初始痕跡 o 1 50 1 5 0 明亮的彩帶 o 3 00 3 0 0 色彩開始暗淡 1 0 0 1 0 0 0 非常暗的顏色 2 0 02 0 0 0 褐色或桔黃色“巧克力凍” 1 0 0 0 1 0 0 0 鳥= m 赤， 彰 ， 式中： 危一t 時刻的油膜厚度( p 所) y 一油品體積( c m 3 ) 風一油品密度( g c m 3 ) p 一海水的密度( g c m 3 ) 置一油品常數(shù) t 一溢油擴散時間( s ) 對于“巧克力凍”的推算，可先確定其含水量。一般可以認為，“巧克力凍” 的含水量為5 0 8 0 ，其厚度