國內外溢油風化模擬試驗裝置最新研究進展

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(交通運輸部水運科學研究院，北京 100088)

溢油在水面經歷的物理和化學變化總稱為風化。風化包括擴散、蒸發、乳化、溶解、氧化、沉降、生物降解及聯合作用。風化過程受環境條件如溫度、鹽度、溶解氧含量、風、波浪、懸浮物含量、地理位置、油的化學組成、光照、微生物種群及氧化還原環境等諸因素的影響[1-3]。短期內，蒸發和乳化過程是較為重要的風化過程，直接影響溢油的空間分布和污染風險預測；長期來看，溢油的最終歸宿受光化學氧化和生物降解的影響更為顯著[4]。

目前，海上溢油風化的研究方法有現場觀測和實驗室模擬。現場觀測一般是利用溢油事故或人工溢油試驗對樣品的組成及變化進行分析。為方便研究，更多的是設計風化模擬試驗裝置。風化模擬試驗裝置包括容器和波浪槽兩種,容器包括量筒、淺盤[5]等。容器法操作簡單，模擬能力受限，僅能模擬風化過程的某一項，如蒸發；波浪槽能綜合考察整個風化過程，更好地模擬水上溢油風化實際情況。Payne[6]等在波浪槽流水環境下對Prudhoe灣原油進行風化實驗，綜合考察蒸發、溶解、乳化、光氧化等過程；Riley[7]等用波浪槽模擬惡劣條件下溢油風化，以及平靜海面下的溢油風化；楊慶霄[8]用波浪槽考察幾種原油的蒸發過程、組分變化及蒸發特性。

國內外的溢油風化模擬試驗裝置形式多樣，雖然尺寸上各有差異，模擬環境條件側重點有所不同，但仍以波浪槽的形式為主。

1 國內外溢油風化模擬試驗裝置

1.1 挪威SINTEF實驗室風化水槽

SINTEF在溢油應急方面有很強的科研實力，特別是針對冰區溢油應急處置開展了大量研究工作，如冰區溢油漂移和風化軌跡模擬等。SINTEF在溢油特性研究方面主要開展原油和油品風化研究，油品化學和物理特性研究，乳化特性研究，油品的流變特性研究，油品在波浪水池中的風化研究，油品在海岸線的自然變化過程研究，原油的化學特性和在沉積物中的特性研究，溢油鑒別，水溶性油品特性研究等。

用于上述研究的風化水槽長4 m，寬2 m，高1.5 m，水深1 m，循環水道寬0.5 m，見圖1。

圖1 SINTEF可封閉式風化水槽實物

在水槽的一端有一個延長的造波設施，有一個活塞助推式的造波設施和一個碎波板。水槽全部由不銹鋼制作，由不同形狀的構件組成(如橢圓的循環槽，直水道等)。采用空調控制溫度，配有水冷卻系統，能將水溫降到-2 ℃。文獻[9]采用風扇造風，有一個塑料軟管風道，最大風速為10 m/s。配有造流設施，所造流速為1 kn。配有實驗人員防護設施。具有可移動的人工沙灘。配有攝像系統。

風化水槽中開展的實驗主要有：油品風化過程和機理研究，長時間的風化和歸宿研究，風化油品對不同類型海岸線沉積物層的滲透研究，典型環境條件下的溢油生態影響研究等。

1.2 法國CEDRE風化水槽

法國CEDRE水上污染事故咨詢研究實驗中心是法國國家級的水污染咨詢、研究的非盈利機構，于1979年1月Amoco Cadiz郵輪溢油事故后成立。CEDRE有一個可控大氣環境條件和海流的風化水槽(高1.4 m，寬60 cm，深90 cm，最大容積為7 m3)，見圖2。

圖2 CEDRE溢油風化水槽結構及試驗狀況

該水槽直水道段有一個延伸部分，安裝造波設施，所造波周期為3 s，波高為15 cm；采用兩組2 000 W的燈模擬太陽光，油膜在水槽內不斷循環暴露在人造光照下；采用風扇造風，有一個塑料軟管風道，在水槽內形成風場。該水槽的主要功能是進行油品的風化試驗。

1.3 海上溢油風化模擬系統

國內已報道的最具代表性的模擬溢油波浪水槽是深圳市計量質量檢測研究院和交通運輸部水運科學研究院共同研發的海上溢油風化模擬系統，見圖3。

圖3 海上溢油風化模擬水池

系統主要由溢油池、水流模擬裝置、程序控制系統和監視系統組成，安置于室外，整個裝置可拆裝。該系統的溢油風化池為長方體，長、寬、高分別是5.0 m、3.0 m、1.2 m，外框架以鍍鋅鋼管材料搭建，池體以增強的雙層耐海水腐蝕氯丁橡膠材料制成，實際水深0.9 m[9-10]。池中有2塊平行撥水板，并設置側面推進器；撥水板上設置不同位置和孔徑的圓孔，使溢油池的海水流動劇烈程度從上到下一次減弱，用計算機程序控制撥水板和側面推進器運行模式，可較真實模擬海洋中的平流、局部環流或湍流流動狀態。以空氣壓縮機提供壓縮空氣帶動汽缸提供動力造浪，相比用造浪電機，無漏電安全隱患，滿足室外長時間模擬溢油風化試驗要求，安裝有監視裝置能實時監視，也可遠程監控；裝置位于室外，自然條件和氣候條件均較真實。基于這一模擬裝置，研究者分析溢油水體水質、風化過程中的溢油化學組成成分和物理特性的變化，為溢油鑒別提供更接近實際數據的技術和科學依據。

1.4 上海大學潮汐風水槽系統

上海大學力學所流體力學實驗室的潮汐風水槽系統由水池、主泵、平水塔、玻璃水槽、回水渠、側流槽以及管道、閘閥和變坡機等組成，見圖4。

圖4 潮汐風水槽

玻璃水槽總長58.0 m，斷面寬0.5 m，高為0.7 m，水槽出口處安裝有隔柵式尾門，尾門開度由微機控制用于模擬潮汐現象。整個玻璃水槽槽身安裝在電動變坡機構上，槽底坡度i調解范圍為-0.01～0.01。水槽上部還能安裝風機和風洞，滿足吹風試驗要求。水池總流量約30 m3，水槽裝置最大試驗流量120 L/s，最大斷面平均流速為2.0 m/s。

油膜擴展范圍的觀測和記錄，采用人工觀察和拍照、錄像記錄方式。工況設置調節參數有水位、潮周期及溢油形式。實驗時溢油投放由實驗室自制的溢油裝置控制溢油量和溢油速率，在尾門開度最大時開始釋放溢油，溢油進入水體后隨即開始記錄，并拍照和攝像記錄溢油油膜的變化。

根據試驗室水槽條件，設置幾何比尺、水流相似、潮汐相似和油膜運動相似比尺。其中，長度比尺1 000，深度比尺100，導出時間比尺100，流速比尺10，模型變態率10。

郭運武[11]等人應用上海大學應用數學與力學研究所流體力學實驗室的潮汐風水槽開展風對河道溢油擴展、漂移過程影響的實驗，研究了不同風、水流組合情況下溢油的擴展、漂移情況。在該實驗中，忽略了蒸發、乳化、溶解等因素(與風相比之下，它們的影響很小)，主要研究了20組不同風場和流場組合下油膜擴展、漂移的情況。結果表明,風場的加入對溢油擴展尺度、漂移速度、范圍都有相應的影響，有時甚至產生非常明顯的影響。

吳兆春[12]等人在上海大學力學所流體力學實驗室的潮汐風水槽進行了黃浦江溢油的水槽實驗研究，獲得了大量的實驗數據，揭示了溢油在潮汐、風場作用下的運動特性和規律。

1.5 哈爾濱工業大學循環玻璃水槽

哈爾濱工業大學流體力學實驗室的循環玻璃水槽長25.0 m，寬0.3 m，高0.5 m，由3個直段和2個彎段組成，裝置見圖5。

圖5 哈爾濱工業大學循環玻璃水槽

循環水箱中裝有制冷裝置，通過變頻調節器控制水槽流量，流量和流速通過在線超聲波流量計測定，水槽過水面積通過下游出水擋板高度進調節。波浪通過自制起波器產生，浪高控制在約30 mm。岸邊吸油試驗在自制循環水槽中進行。水槽長、寬、高分別為15 cm、30 cm和15 cm，水槽中放置條形擋板使其成為偏心環形水槽，寬水道長為30 cm、寬為20 cm，窄水道長為30 cm、寬為5 cm，寬水道一側堆積吸附材料，窄水道安置攪拌槳以驅動水體流動，槽體外部覆有保溫層。

試驗用油為低凝點市售0#柴油和高凝點大慶原油，文獻[5]采用上述水槽對北方低溫江河水域突發溢油污染時油團在水面風化和遷移擴散行為開展模擬預測。

1.6 其他的波浪槽

李志軍[13]等人制作了一個長1.30 m×0.15 m×0.50 m的敞口玻璃水槽，可控溫、垂直運動造波，張秀芝[14]等人應用模擬原油風化的露天裝置尺寸為25.0 m×0.6 m×1.2 m，可模擬30 cm波高的波浪。Ohmsett實驗室即美國國家溢油應急響應研究與可再生能源試驗設施基地，是“石油與有害物質的模擬海洋環境試驗水池(Oil and Hazardous Material Simulated (marine) Environment Test Tank)”的簡稱。Ohmsett實驗室是北美最大的室外海水波浪/拖箱水槽設施，是全球唯一能模仿在海水環境中開展特定環境條件下(波浪和油種等)原型尺寸溢油應急響應設施的測試、研發及培訓的設施。由于該實驗室的風化試驗并非在波浪槽中進行，而是在室內實驗室中進行。

2 分析與探討

2.1 風化模擬試驗裝置研發情況

在有統計的代表性的溢油風化模擬試驗裝置中，海洋溢油風化模擬試驗裝置占80%以上，而內河溢油風化模擬試驗裝置占比不到20%，其中潮汐河段的模擬占了60%，側重于研究風對溢油風化影響作用的模擬裝置占20%以上，剩下不到20%為側重于考察溫度對溢油風化影響作用的寒冷地區河流溢油風化模擬試驗裝置。

2.2 風化模擬試驗裝置的尺寸設計情況統計

有文獻報道的5個代表性裝置中，橢圓槽2個，占比為40%，長方體槽2個，占比為40%，不規則形狀1個，占比為20%。從設計目的來看，橢圓槽側重于考慮循環，以達到更真實的模擬效果；橢圓槽多用于模擬海洋溢油，長方體及由直水道和彎水道構成的不規則體更適合于模擬內河溢油。尺寸上，模擬海洋溢油的設備長度在4～5 m，寬度不一，水深較為統一，為0.9～1 m，內河溢油模擬裝置長度不一，寬度為0.3～0.5 m，深度為0.5～0.7 m。從材質上看，國外模擬海洋的循環水槽均為不銹鋼材質，國內模擬海洋溢油的水槽為雙層耐腐蝕氯丁橡膠材料，模擬內河溢油風化的水槽均為玻璃材質，不銹鋼及橡膠耐腐蝕，適用于海水，而玻璃材質更適用于觀察和記錄油的風化過程。模型比尺上，國內的海洋溢油風化水槽考慮了不失真的縮比比尺，國外的海洋模擬水槽未提及其模型的比尺，國內模擬內河溢油水槽均考慮了幾何比尺、水流相似、潮汐相似和油膜運動相似。在油膜運動相似上，分歧很大，有學者認為，油膜運動模擬不可以縮比，建議開展原型試驗。風化影響因素考察上，海洋溢油模擬均考慮了溫度、波浪、流、風，甚至于真實的自然條件；內河溢油模擬考慮了風、流，根據要考察的因素不同，模擬因素不同，比如潮汐、溫度以及河岸材料對油的吸附性質。風化模擬試驗裝置尺寸設計統計見表1。

表1 風化模擬試驗裝置尺寸設計統計分析

2.3 模擬環境條件及實現方式

環境條件的實現方式上，國內海洋溢油風化裝置以真實自然環境下測量數值為準，不模擬,其余溢油風化模擬裝置方面，溫度多以空調、水冷卻系統或制冷裝置實現控溫。海洋溢油風化模擬中，風多以風扇、塑料軟管風道實現；內河溢油風化模擬中，風以風機、風動形式實現。除了上海大學潮汐風水槽系統未考慮造波外，造波多以活塞助推式等自制造波設施，SINTEF配有碎波板，CEDRE所造波周期為3 s，波高為15 cm，哈爾濱工業大學循環玻璃水槽波高控制在30 mm左右。所有的風化模擬裝置均考慮了造流，均以自制的造流設施來實現造流，所造流形式各不相同，海上溢油風化模擬系統可實現平流、局部環流或湍流，SINTEF和CEDRE的流速為1 kn，上海大學潮汐風水槽系統最大斷面平均流速2.0 m/s。SINTEF和CEDRE可實現光照模擬，上海大學潮汐風水槽系統可實現潮汐模擬，哈爾濱工業大學循環玻璃水槽可實現對河岸吸油的模擬、SINTEF可以實現油品在海岸線的自然變化過程研究。監視監測方面，海洋風化模擬裝置均采用了攝像裝置，其中，海上溢油風化模擬系統還能實現遠程監控，內河風化模擬裝置多采用人工觀察和拍照、錄像方式。僅SINTEF和CEDRE配有人員防護設施，其余風化模擬裝置均未提及。上海大學潮汐風水槽系統能實現河底坡度的調節。風化模擬試驗裝置模擬環境條件及實現方式見表2。

2.4 可實現的試驗功能

除了上海大學潮汐風水槽系統外，其余風化模擬裝置對油品投放系統未提及，投放速率及投放量、投放方式未提及，投放油品的類型未提及，油品投放系統與整個風化模擬裝置的關系未提及。

3 結論

表2 風化模擬試驗裝置模擬環境條件及實現方式

溢油風化是一個多組分、多過程、多影響因素的復雜過程，而目前溢油特性基礎研究較為薄弱，阻礙了模型研究和系統開發的發展。國外代表性的溢油風化試驗裝置均為海上溢油風化模擬裝置，尺寸上均為縮比仿真模型，實驗用油均為真實油品，實驗用水為海水，皆可實現造波、造流、風、光照、溫度等模擬環境條件，實驗裝置布置在室內；國內代表性的溢油風化試驗裝置為室外放置，光照、溫度等大氣環境為真實自然環境，可實現造波、造流，試驗用油為真實油品，試驗用水為海水。

內河溢油風化模擬裝置雖有文獻報道，但相關研究仍不多。海上溢油風化模擬裝置多分布于專業溢油實驗室，內河溢油模擬裝置多見于流體力學實驗室，試驗用水為被測河水，試驗用油為真實油品，可實現造波、造流、風、溫度等模擬環境條件，有些還根據河流的水文特征布設了直水道和彎水道，已有的研究也是側重于某一影響因素如風、流、潮汐對內河溢油風化的影響，且具有針對性，如研究低溫河流溢油風化、研究潮汐河道溢油行為等，并不具有普適性。內河溢油風化模擬試驗裝置為縮比仿真模型，且模型比尺經過論證，但比尺論證過程并未考慮到溢油在水面上的張力。

由于內河溢油風化特征與海上溢油風化特征不同，且受到河岸、泥沙及復雜水文特征影響，并不能完全套用海上溢油風化模擬試驗裝置。

溢油的環境行為和溯源鑒定一直是溢油污染評估、生態毒理研究和肇事者責任追究的重要研究內容。無論海上溢油亦或是內河溢油，溢油鑒定工作的展開均以對溢油的軌跡與變化狀態、污染范圍的準確預測為前提，《環境損害鑒定評估推薦方法》中對于內河生態環境損害的系統研究尚屬空白，尚未形成對內河生態環境損害程度判定與量化分析的支撐技術和方法。為填補這一空白，有必要構建一套相對科學、合理、可操作性強的內河溢油生態環境損害鑒定技術的模擬裝置。內河溢油風化模擬試驗裝置得研發就顯得十分必要。

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