聲速法判斷溢油污染物的特征及動態研究

張 穎，王 茜，張穎穎，侯廣利

（山東省科學院海洋儀器儀表研究所 海洋環境監測重點實驗室，山東 青島266001）

聲速法判斷溢油污染物的特征及動態研究

張 穎，王 茜，張穎穎，侯廣利

（山東省科學院海洋儀器儀表研究所 海洋環境監測重點實驗室，山東 青島266001）

溢油不僅污染了海面，并伴隨著水流的流動污染了海底沉淀。利用直接法和間接法同時測量溢油污染物的聲速，通過聲速平均差值判斷溢油的位置及浸沒深度，從而跟蹤溢油的動態。根據外場試驗總結得出溢油的特征及擴散情況：在海流和風流的作用下溢油不斷擴散，隨著溢油濃度的降低，聲速降低，在相對窄的大陸架內溢油存留在10 m的水層內，并擴展到更深的區域。

聲速法；探測；溢油特征；跟蹤

水下石油管道、硼砂平臺、運油船只和岸上石油站的事故是引起溢油的主要原因，暴風天氣和水面的強烈波動阻礙了溢油的流動，并將其擊碎，形成乳化混合物，在很大范圍內乳化物跟隨著水流流動[1]。在海水中混合物的擴散，使得污染斑點從水面擴散到海底，污染海底沉淀，因此需要在相對短時間內保護水面和海底的環境。

艦船、飛機、直升機和軌道衛星對水上事故區域表面的觀察是傳統的局部污染的探測方法，但是目視偵察只能探測污染物的表面輪廓，并且只能在天氣好的情況下進行[2]。現在一種新的方法是利用聲學方法探測水中的污染物，并在此基礎上，進行了一系列理論和試驗研究。采用聲透射和聲反射的方法進行測試，以聲速測量作為主要手段進行分析[3]。通過直接和間接測量溢油污染物聲速值的方法，利用兩種方法的差值來判斷污染物的位置、動態，從而進行跟蹤處理。

1 聲速測量法原理

水介質本身的特性決定了聲波擴展的特征，以此為基礎利用聲學方法探測溢油污染物[4]。在一維無限邊界條件下，彈性聲波的擴展可以用標量方程來描述：

式中：X為彈性模量；ρ為平衡密度，標示著海水介質的特征，并與3個主要因素有關：海水溫度T0，海水鹽度S和流體靜壓力Ph，這些參數與聲速的關系表示為：

在此基礎上建立了聲速的間接測量原理，將給出的溫度、鹽度和流體靜壓力帶入試驗關系式中，從而確定聲速值。現代的聲速間接測量儀具有高靈敏度的熱處理、電導和流體動力傳感器，通過模擬－離散換能器與微處理器相連，按照時間進行計算，并四舍五入，得到海水中聲波的擴展速度的精度為 0.005～0.01 m/s[5-6]。

另外，聲速是聲波在時間上的一階導數，

在這個原理的基礎上建立了直接測量聲速法原理，聲源和聲接收器之間的距離越精確，聲信號通過這個距離的時間越精確，測量的精度越高。現代的直接聲速測量儀的精度可定位到 0.001～0.01 m/s[7]。

2 實驗室試驗

在實驗室條件下進行試驗，污染物使用的是建筑粉塵和石油乳化物（汽油、柴油和機油）。在純海水中，溫度T°為10～20℃、鹽度S為13～18的條件下，同時進行聲速的直接和間接測量，測量結果區別不大，差值為0.3～0.5 m/s。在水中進行測量，測量的偏差是5～17 m/s。

實驗室裝置模型包括2臺聲速直接測量儀和2臺聲速間接測量儀，直接測量儀利用脈沖法和相位法測量聲速。在第1個聲速間接測量儀上設有一個溫度通道，根據錨鏈電纜的深度計算流體靜壓力，鹽度采用平均值。在第2個間接測量儀上設有調節溫度、電導和流體靜壓力的通道。無論是直接測量儀還是間接測量儀都是取2個測量儀讀數的平均值。

實驗室試驗的方法是對溢油污染物擴散的概率譜的平均做水文剖面。實際應用中剖面應該是在石油開始溢出后的10～20 h內進行，并且應該形成一個觀測系統，各觀測臺站之間的間隔應該在3～6 n mile，每一個臺站上都應有準確的水平線的速度值。

3 外場試驗

試驗場地海況：風速為5～8 m/s，風向為東風，波浪為2～3級，流速為0.5～0.7 kn。目測水平面的溢油斑點，可延續30鏈（3 n mile）。從7個臺站進行水文剖面測量，各臺站之間的距離為3 n mile，第1個臺站在溢油發生12 h后完成測量，而最后一個臺站在溢油發生17 h后完成（圖1）。第1號臺站和第7號臺站通過聲速直接測量儀和間接測量儀所得的數據沒有區別，第2～第6號臺站測量的數據列于表1中。污染物濃度越大，聲速越高，污染物濃度越低，聲速越低[8-9]。

圖1 試驗原理圖

表1 水文剖面的結果（聲速C/m·s-1與深度H/m的關系，K，N分別對應著間接測量儀和直接測量儀）

4 試驗結果分析

從表中得出聲速直接測量儀和間接測量儀的最大偏差達到7.2 m/s，直接測量儀和間接測量儀的絕對誤差值列于表2，各臺站水文剖面的幾何原理圖列于圖2。

表2 聲速間接測量儀和直接測量儀讀數的差值

在第2號臺站（距離污染源3 n mile的位置）上觀察溢油的密度，它的核心從水平面擴展到40 m的水位線上，繼續向下浸沒，密度降低，達到60 m的位置溢油密度為0。

在第3號臺站上（距離溢油6 n mile的位置）污染核心已擴展到25～35 m的水位，溢油的痕跡遍布10～75 m的水層，距海底20 m內也存在污染物。

在第4號臺站上溢油的范圍稍微有所降低，核心的對比度也降低了，并且核心擴展到20 m以下了。

在第5號臺站上（距離溢油12 n mile的位置），溢油的擴展深度達到100 m，污染的寬度達到85 m，污染核心位于25～75 m的水位之間。在35 m的深度上發現了大量異常的溢油（測量儀的讀數差值達到了6.2 m/s），但表面15 m的區域內是清潔的。

圖2 各臺站水文剖面的幾何描述

在第6號臺站上，溢油已經擴散，大量的石油污染物集中在65～80 m的水位上。聲速測量儀的讀數差值不超過3 m/s。

從圖2中得出等值線的污染物存在區域的極限是0.5 m/s。溢油寬度達到75～80 m，在3～6 n mile的距離上溢油從表面消失，但還沒有擴散到海底，存留在10 m的水層內。

海水中上部的溢油密度比較大，而下部的界限被侵蝕了。因為水－石油乳化液流存在，所以等值線相對平等，但海水中不同的渦流導致了等值線的某些變形。

5 結論

在7個臺站分別進行了測量，讀取聲速直接測量儀和間接測量儀的數據，取平均值，得出兩種測量方法的差值，判斷溢油的位置及動態。利用聲學方法探測溢油，并對水中的污染物進行監控（擴展監測）。在海流和風流共同作用下，溢油污染物隨著水流轉移，在相對窄的大陸架帶內不能到底，主要存留在10 m的水層內，如果污染物的數量多或者流速快可能擴散到更深的區域。但隨著擴展寬度的加大，溢油密度降低。

[1]Turrell W R.Modeling the Braer oil spill–A retrospective view[J].Marine Pollut Bull,1994,28:211-218.

[2]ASCE Task Committee on Modeling of oil Spills of the Water Resources Engineering Division.State of art review of modeling transport and fate of oil spills[J].J Hydraul.Engng,1996,122(11):594-609.

[3]王潤田.海底聲學探測與底質識別技術的新進展[J],聲學技術，2002，21（1）:96-98.

[4]Turgut.Method and apparatus of classifying marine sediment:United States,5815465[P].1998-09-29.

[5]Yamamoto.Method of measuing buried objects,geological formations and sediment properties:United States,5991236[P].1999.

[6]Guigne.Seabed sonar matrix system:United States,6160756[P].2000-12-12.

[7]Ji Wenyun,et al.Research on pattern recognition of the acoustic sea bed profiling records and sea bed geological classification[C]//ACTA Acous-tica,2001,3:213.

[8]盧 博,黃韶健,李趕先，等.在不同沉積物類型中的聲速測量實驗研究[J].海洋技術,2004，23（1）:66-70.

[9]吳錦虹,吳百海,劉 強,等.基于聲波探測海底淺層沉積物特性的方法研究[J].海洋工程，2008.26（1）:114-119.

Sound Velocity Method to Determine Oil Spill Pollutants Characteristics and Dynamics

ZHANG Ying,WANG Qian,ZHANG Ying-ying,HOU Guang-li
（Key Lab of Marine Environment Monitoring Technology of Shandong,Institute of Oceanographic Instrument,Shandong Academy of Science,Qingdao Shandong 266001,China）

Oil spill not only pollute the sea,but also pollute the bottom sediment with the flow of the water.The direct method and indirect method are used together to measure the velocity of medium,through velocity difference to judge the location of oil spill and the depth of immersion to track the dynamic state of oil spill for post-processing.According to the field experiments,the feature and difference of the oil spill is summarized:oil spill continuously diffused under the role of current and air flow,with the decreasing concentrations of oil spill,the speed of sound reduced,oil was stranded in the water 10 m layer and extended to deeper areas.

velocity method;detection;features of oil spill;tracking

TB556，X55

A

1003-2029（2011）02-0055-04

2010-12-07

山東省科技攻關項目（2009GG10005007）;山東省科學院博士基金項目（200605）

張穎（1981-），女，助理研究員，碩士研究生，研究方向為水聲學在海洋技術中的應用。Email:zy9951132@126.com