海底管道漏油污染的動態研究

周舉史雨夕

（1．東北石油大學石油工程學院，黑龍江 大慶 163000 2．中石油大慶油田分公司天然氣分公司，黑龍江 大慶 163000）

海底管道漏油污染的動態研究

周舉1史雨夕2

（1．東北石油大學石油工程學院，黑龍江 大慶 163000 2．中石油大慶油田分公司天然氣分公司，黑龍江 大慶 163000）

針對現階段海底輸油管線的漏油模型主要用以解決海面溢油問題的這一情況，本文建立了一種在海底輸油管線發生斷裂或腐蝕情況下，由于存在蠕孔所引起的漏油問題的數學模型，用于預測輸油管線上某一點出現蠕孔，并發生漏油之后，在海面上產生油膜的尺寸以及是否可以到達海岸線，并對到達海岸線的原油量進行預測。

輸油管道；污染；動態研究；MAECOLMP模型

最近幾十年以來，隨著海底輸油管道的廣泛應用，相關專家學者也越來越關注海底管道漏油對于海洋環境所造成的破壞，并通過長時間的研究，建立了數十種不同的模型用以對漏油的行為及歸宿進行預測。在已有的模型當中，絕大多數都是研究海面及接近海面位置的溢油問題，但是針對水下溢油問題，尤其是最為常見的海底輸油管線發生破裂而導致的原油泄漏問題，由于海底的復雜情況，仍然處于研究的一個盲區，亟需研究既可以計算水下的漏油情況，同時又可以計算水面漏油情況的數學模型。針對這一情況，本文建立了MAECOLMP模型，來對渤海地區海底管道的漏油問題進行動態研究。

1 基本模型的建立

本模型假設原油是從海底輸油管線表面的蠕孔當中向外泄漏的。一般情況下，輸油管線上蠕孔的直徑都較小，基本都小于5毫米，因而當原油從管線的蠕孔中泄漏之后，在上升過程當中不會出現連續上浮的油珠的浮射流，而是形成單個存在的油滴，之后收到紊流的影響，逐漸擴散并形成羽流，最終逐漸上升至水面，形成油膜，并隨著海水表面海水流動的方向逐漸擴展。根據輸油管線表面蠕孔所處位置以及漏油量的不同，并參考此時海洋表面海水的流動情況，就能夠判斷泄漏的原油會漂浮至海岸線附近，亦或是在運移時被海水所驅散。

為了能夠準確的計算管線蠕孔的漏油量，就需要通過水力學的相關公式計算輸油管線內原油的流動狀態，并確定管線內外壓強的差值，進而得到精確的輸油管線蠕孔漏油量。具體方法是把較為復雜的蠕孔簡化為一個圓柱形的管，其長度為輸油管線的壁厚。

羽流以及其軸線能夠由水流速度和油珠上浮速度之間的比值來進行確定。其中，水流速度主要由風成流速、潮流速度等所確定，油珠的上浮速度可以通過公式（1）來進行計算：

在上式當中：

g表示重力加速度，N/kg；

pw表示海水的密度，kg/m3；

po表示原油的密度，kg/m3；

do表示油珠額直徑，mm。

為能夠計算有油珠所構成的羽流的大小，首先假定各個油珠的尺寸均相同，其在海水當中發生擴散都是由紊流擴散所導致的，則原油在海水當中的濃度能夠由紊流擴散的經驗公式獲得。對于接近海底的水域而言，形式為：

為了能夠定量的計算原油在距離海面較近水域當中的濃度，可以將邊界條件改變成“吸收”邊界，此時原油油珠會受到海水一個向上的浮力使之漂浮在海面上而不會發生下沉。這時上式可以改變為：

在上式當中：

co表示原油在海水當中的濃度，mg/kg；

K1以及K2表示水平以及垂直方向上紊流擴散系數；

Ho表示發生泄漏位置的水深，m；

v表示海水的流動速度，m/s。

假設直角坐標系當中的原點位置即為發生原油泄漏的位置，此時垂直方向為z軸，海水流動的方向為x軸。此時需要注意的問題是以上兩個公式當中，以及只有處于邊界位置，才能夠有明顯的貢獻。

由油珠所組成的羽流的尺寸可以由某個固定的油水濃度值來進行確定，例如原油在海水當中所允許的最大濃度。

為了能夠判斷海面上油膜的大小，應當計算單位時間內漂浮至海面上的原油總量Qh，其數值的大小能夠由公式（2）當中對z=H0至z=正無窮進行積分而獲得。假定油珠上浮至海面之后形成油膜，并且隨著風的方向逐漸擴散為帶狀，則油膜和海水表面接觸的寬度能夠由下式來進行確定：

在上式當中：

cs1表示當有膜厚度最薄的情況下海面上原油的濃度值。

海面上原油所形成油膜的寬度以及厚度所發生的變化，可以采用海上溢油擴散公式來進行計算。油膜漂浮于海面的過程中，可能會被海面的風浪所驅散，形成新的油滴，并于海水當中發生紊流擴散。在本模型當中，這一過程可以由海面上的浮油有一半被風浪所驅散所需要的時間來進行表征。因而能夠認為，被風流以及海流所帶至海岸線附近的原油量要遠小于輸油管線蠕孔所泄漏的原油的量。在原油發生泄漏的過程當中，漂浮至岸邊的原油總量由以下公式進行計算：

在上式當中：

L表示從發生漏油的位置至海岸之間的直線距離，km；wwd表示風速，m/s；

φwd表示風的方向和海岸線之間的夾角，度。

2 結語

通過對計算所得到的結果進行分析后發現，本文所建立的數學模型能夠定性定量的得到海底輸油管線上蠕孔發生原油泄漏情況下的污染情況，為有效解決海底原油泄漏問題提供了理論依據。因為輸油管線上蠕孔所造成的原油泄漏量很少，難以在上升階段形成浮射流，因此將泄漏的原油當成是油滴狀態的存在，故認為油滴受海水浮力影響的上升速度為影響漏油狀態的最為重要的因素。

［1］石成玉.淺析石油運輸對我國海洋污染的分析與對策[J].石化技術,2016(1):259-160.

［2］Capó E,Orfila A,Sayol J M,et al.Assessment of operation?al models in the Balearic Sea during a MEDESS-4MS experiment [J].Deep Sea Research Part II Topical Studies in Oceanography, 2016.