關于海上溢油應急處理的仿真和三維可視化的研究

魏國

摘 要 近年來，我國不斷加大海上油氣資源的開發力度，而海上油氣資源開采中的問題也日益突出，海上溢油是比較常見的海洋油氣開采問題，對生態環境的破壞十分嚴重，海上溢油應急處理機制可以有效控制海上溢油的擴散速率。但我國現有的海上溢油應急處理技術仍然十分落后，不能實現海上溢油的動態仿真，降低了海上溢油應急處理的敏感度。本文將基于OSG技術與平面折射技術進行海上溢油擴散仿真，在仿真模型的基礎上對海上溢油應急工作流程進行三維可視化處理。

【關鍵詞】海上溢油 應急處理 仿真 三維可視化

計算機數字化計算已經廣泛應用于各個領域，仿真與三維可視化技術就是計算機數字化技術的重要分支之一。傳統的海上溢油應急處理機制缺少理論支持，不能對溢油的危害程度進行有效預測，更不能詳細計算出溢油的擴散、漂移路徑，導致救援機構不能及時采取海上溢油應急處理措施。目前，我國對海上溢油應急處理人員的培訓主要以實地培訓為主，但實地培訓的成本費用較高；國外海上溢油應急處理培訓則主要以海上搜救模擬器為主，海上溢油應急處理仿真系統是海上搜救模擬器的重要組成部分。

1 海上溢油仿真

1.1 水動力影響

影響海上溢油行為的因素有很多，包括常見的潮汐、水流、風向等，而現有的海上油氣開采平臺一般處于近海，因此海上溢油受水動力的影響最大，水動力主要來源于潮汐，而且不同區域的潮汐對海上溢油的影響程度也具備差異性，下面將選擇黃海地區某海洋油氣開采平臺作為研究對象。將對海上溢油行為的研究簡化為水動力研究，而水動力的研究主要包括水平運輸以及水位上升，因此可以選擇二維單層流體力學的理論模型進行仿真，模型中的影響因素包括潮流四個方向的分量、水位以及水流平均速度。

1.2 溢油數學模型

海上溢油的行為十分復雜，不僅存在漂移、擴散等現象，還會出現揮發的行為。海上溢油的行為除了受到外力的影響，還受到自身重量、運動模式等影響，另外，溢油種類不同產生的理化特征也會有差異性。因此，在溢油數學模型中，應該將溢油的基本屬性納入模型，包括溢油的重量、溫度、密度、體積等，本文設計的溢油模型主要考慮了溢油的四種行為，包括漂移、擴散、蒸發以及乳化等。海上溢油模型的建立分為三個步驟，包括重力與慣性力分析模型、重力與粘性力分析模型以及粘性力與表面張力分析模型，最后得到海上溢油漂移、擴散、蒸發以及乳化等四種行為的模型。

1.3 溢油三維可視化

三維可視化的基礎在于坐標的建立，因此，在進行三維可視化仿真前必須對海洋實際情況進行勘測，本文運用海水測繪模型對海浪進行測繪，通過LOD技術保證海浪測繪的準確性。之后利用OSG技術對海浪進行RTT處理，對海上溢油紋路的處理可以被直接讀取，保證渲染的性能。將海上溢油劃分成為若干單元，對各個單元進行運動軌跡計算，之后利用多邊形分格法進行軌跡處理，仿真模擬的結果不會直接顯示在屏幕上，而是形成對應的折射紋理圖，最終形成海上溢油的三維可視化模型。海上溢油的三維仿真流程如圖1所示。

2 應急處理仿真

2.1 圍油欄仿真

目前，最常用的海上溢油應急處理措施是通過圍油欄限制海上溢油的影響范圍。現有的圍油欄以充氣式橡膠圍油欄為主，該圍油欄的骨架為合成纖維，具有較高的強度，另外，該種類型的圍欄具有較好的耐油性與耐磨性，同時抗紫外線老化的能力較強，因此，充氣式橡膠圍油欄已經成為目前主流的海上溢油應急設備，廣泛應用于港口、海灣、海上油氣開采平臺等。本文以WQJ1000充氣式橡膠圍油欄為對象進行三維仿真，應用的仿真軟件為CreATOR 2.6。

2.2 碰撞測試模型

當發生海上溢油事故時，搜救傳以最快的速度達到事發地點，通過在事故點附近布置圍油欄控制油液擴散，溢油與圍油欄發生碰撞接觸時，溢油未與圍油欄接觸的部分會繼續向前運動，導致海上溢油與圍油欄發生碰撞。海上溢油屬于柔性模塊，而圍油欄屬于剛性模塊，為了保證圍油欄的安全，必須對接觸碰撞進行檢測，每隔一段時間對碰撞強度進行檢測，首先獲取溢油與邊緣的位置，通過軟件模擬出這些位置點數據，如果位置點重合則說明溢油與圍油欄發生碰撞。

2.3 應急措施仿真

本次仿真實驗的設備硬件包括2.5GHz以上的CPU，為了保證仿真運算效率，計算機內部必須高于4G。仿真軟件的運行環境為WINDOWS 7，利用Visual Studio 2010 軟件平臺進行仿真計算，具體的計算程序以C++為主。在進行海上溢油仿真時共有2233個網格點，實景管理軟件以OSG 2.8為主，將溢油碰撞算法與溢油模型進行綜合，實現溢油圍欄三維可視化。

3 總結

隨著海洋油氣工程的快速發展，海上溢油事故的發生率也在逐年增長，而海上溢油的破壞性極大，不僅直接污染了海洋水質，同時對海洋生物鏈造成不可修復的破壞。海上溢油事故拖延的時間越久，溢油擴散范圍越大，因此，海上溢油應急處理措施應該越快越好。海上溢油應急處理仿真系統可以有效預測海上溢油的路徑，并幫助工作人員制定針對性的海上溢油應急處理措施。以上從海上溢油與應急處理兩個部分進行仿真，構建了可行性的海上溢油應急處理仿真系統，希望本文的研究有利于我國海上溢油應急處理的快速發展。

參考文獻

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作者單位

天津中海油工程設計有限公司 天津市 300452