寒冷地区江河溢油污染团风化迁移规律与时空分布研究

发布时间：2020-05-11 21:46

【摘要】：随着北方河流沿岸能源石化工业的迅速发展和原油航运及穿越河道的输油管道的布设,江河溢油已成为生态环境和居民用水安全的严重威胁,制约北方经济发展的重要隐患,建立突发溢油污染事故后的预警预报和应急处置系统是减小环境危害和降低经济损失的重要措施。因此,本文开展了针对低温江河水域突发溢油污染时,油团在水面风化和迁移扩展的模拟预测研究,在获知溢油水域环境参数和溢油量的条件下,即可迅速预测油团位置、岸边吸油量与水面残油量,以期为溢油拦截点的选取及截油方式和吸油材料数量的确定提供理论指导,并为同类水域溢油的预测提供参考数据。本文详尽分析了目前较为流行的溢油风化和扩展预测模型各自适应条件与预测效果,针对低温江河溢油特点,选取适宜模型进行改进,通过模拟试验确定了模型中的相应参数,建立了适于模拟低温江河溢油风化和迁移扩展的预测模型,以松花江流域突发溢油污染为例,预测了不同季节,油团的蒸发、乳化及溢油性质的改变等风化过程,岸边及冰层对油团的吸附情况,沿江迁移扩展行为,水面残油量。分析原油蒸发机理可知:低温条件下,油膜蒸发主要受体相易挥发组分向液体表相的迁移过程控制,挥发组分液相阻力随温度的降低而增加,挥发组分所处油膜的厚度随温度的降低而减小,进而导致蒸发量的降低。在Fingas提出的蒸发模型上增加1个与温度有关的衰减因子e~(-k/Δθ),建立了低温溢油蒸发模型。通过浅盘蒸发试验,确定了当环境温度与溢油凝点温差小于10℃时应采用低温溢油蒸发模型,0#柴油和大庆原油的阻力增加系数k分别为1.07和2.64。对于有冰江面,溢油蒸发受暴露于大气中的油膜面积A_f影响较大,引入衰减系数(A_f h_oe~(-k/Δθ))/V改进Fingas模型以模拟有冰水面溢油蒸发过程,并通过浅盘蒸发试验对改进模型进行了验证。采用水槽吸附试验研究了河岸对水面浮油的吸附过程,顺直河道细沙、粘土和毛石型河岸对水面浮油的吸附符合二级吸附动力学方程,吸附等温性能符合Langmuir型吸附等温式。泥、沙等多孔颗粒材质型河岸对水面浮油的吸附机理为物理吸附,是粘附作用、活性离子吸附作用和毛细吸附综合作用的结果,此外,泥沙颗粒相互堆积,内部空隙为吸附的油滴提供了巨大的“贮油空间”。毛石型河岸主要依靠柴油的粘滞力使其附着在粗糙的表面之上。随着浪高的增大,细沙和粘土型河岸的吸油量先增大而后降低,波高在30~60 mm时吸油量最大,毛石型河岸吸油量则逐渐降低。随岸边坡度(θ)的增大,河岸的吸油量均逐渐降低,当θ从5°增至30°时,毛石型河岸吸油量降幅最大,高、低水力条件下分别为63.4%和73.3%。比较了转弯河道内侧、外侧和顺直河道河岸的吸油量,大小顺序为:外侧河岸顺直河岸内侧河岸,建立了沿江河岸对浮油吸附量的计算模式。考察了冰层对浮油的吸附特性,结果表明冰层的吸油速率较高,吸附平衡时间约为15 min,符合二级吸附速率模型。高、低水力条件下,光滑冰层的平衡吸油量分别为0.0008 ml/cm~2和0.00117 ml/cm~2,吸油等温吸附性能符合Langmuir-Freundlich型吸附等温方程。采用粘性流体边界层运动方程描述了油膜扩展,得出了流动水面上油膜的运动由依靠水流拖曳产生的等压流动和静止水面上油膜自身扩展两种运动形式组成的结论,给出了以无量纲压力梯度p*为参变量的油膜内速度分布公式。结果表明:泄油中心前部油膜为顺压流动,后部油膜为逆压流动,压力梯度的绝对值随时间与扩展半径的增加而减小。添加油膜离散尺度改进Fay模型,建立了预测油膜扩展初期的扩展-离散模型,通过循环水槽试验确定了离散系数K_x:随着流速的增加,无冰水面上油膜的K_x从5.04 cm~2/s增至22.08 cm~2/s,有冰水面上油膜的K_x从2.80 cm~2/s增至5.64 cm~2/s。并考察了浪高和温度对K_x的影响,并通过试验对对模型进行了验证,藉此,提出了江河溢油二阶段扩展迁移模型。以拟发生在松花江哈尔滨上游段的10 t级溢油污染事件为例,采用本文建立的河岸吸油模式和二阶段扩展模型,分别模拟了丰水期、平水期、枯水期和冰封期溢油在48 h内流经模拟江段时的时空分布情况,预测了模拟终期的水面残油量。结果表明:枯水期河岸吸油量最大:10 t,50 t,100 t和200 t等级溢油的岸边吸油量分别是溢油总量的2.45%,1.39%,1.03%和0.61%。冰层吸油量不大,分别为溢油总量的0.39%,0.23%,0.16%和0.084%。冰封期水面残油量最大,接近9.5 t;盛行东南风向的丰水期水面残油量最小,低于2.2 t。江河流速、风场和河段宽度的差异都会影响油膜扩展长度。本文还模拟了江心岛和支流汇入口附近等复杂水域油膜的扩展情况。
【图文】：

图片,仪器,设备名称,试验设备

表 2-1 试验设备与仪器ble 2-1 Experimental instruments and equipm及规格仪器及设备名称图 2-2 试验水槽图片Fig.2-2 Picture of the cycle flume

的影响,吸油性能,细沙,河岸

5 15 23 30θ (°)低流速高流速图 4-12 河岸坡度对细沙型河岸吸油性能的影响The effect of slope angle on the oil adsorption for sand ba
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：X522

【参考文献】