橫流環境中水下溢油輸移擴散的實驗研究

廖國祥，李艷妮

(1.國家海洋環境監測中心 大連 116023；2.國家環境保護近岸海域生態環境重點實驗室 大連 116023；3.大連海事大學環境科學與工程學院 大連 116026)

0 引言

在海洋油氣資源勘探開發過程中，海底管道泄漏和鉆井井噴等突發性水下溢油事故通常會對海洋生態環境造成巨大損害。在此背景下，深入研究水下溢油事故發生后污染物的輸移擴散過程，對提高海洋溢油事故風險防范和應急響應能力具有重要現實意義。

國內外學者已開展大量水下溢油實驗研究，并在靜水環境中的浮射流動力過程、擴散特性和油滴粒徑變化等方面取得大量成果[1-5]。由于實際海洋尤其是深海水下環境通常是非均勻的流動環境[6-8]，為進一步探索海底溢油事故發生后污染物的輸移擴散特征，挪威SINTEF研究所分別于1996年和2000年開展了107 m和844 m的大型水下溢油現場實驗[9-10]。盡管實測數據具有更高的參考價值，但實際水下溢油事故少且事故過程數據的獲取難度大。目前，國內外學者仍主要通過實驗室模擬實驗研究來尋找水下溢油輸移擴散規律以及形成相關理論方法。例如:Socolofsky等[11-12]開展均勻流環境中的多相流實驗，研究油氣混合物的輸移和分離特性并提出理論成果，從而分析墨西哥灣“深水地平線”溢油事故中深水懸浮油帶的形成機制。

與國外已有大量關于水下消油劑處理海底溢油的物理模擬實驗和油滴粒徑變化的研究報道相比，國內相關研究報道仍較少[13]。針對水下溢油輸移擴散問題，筆者曾開展靜水和動水環境中水下浮射流的實驗和數值模擬研究，并初步分析原油與消油劑混合物的擴散范圍特點[14]，但主要關注初始噴射速度較大情況下的浮射流特征，并未充分考慮水下溢油在橫流環境中的輸移擴散特征，同時未探討消油劑處理對油滴粒徑分布的影響。因此，在前期實驗研究的基礎上，本研究繼續開展水下溢油物理模擬實驗，進一步研究橫流環境和消油劑的使用對水下溢油輸移擴散的影響，以期為深入理解水下溢油輸移擴散過程以及完善物理模擬實驗和數值模擬研究提供有益參考。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

水下溢油物理模擬實驗系統包括1臺具有初步造波和造流功能的自制組合式環形溢油水槽(周長9.7 m、寬0.45 m、深1.0 m)、1臺由空氣壓縮機和油罐組成的水下溢油噴射裝置、2臺高清攝像機(分辨率分別為1 920像素×1 080像素和3 840像素×2 160像素，攝像頻率均為30幀/s)和1臺單反數碼相機(分辨率為5 742像素×3 648像素)。為便于對水下溢油輸移擴散過程進行物理模擬和數值模擬研究，以水槽底部噴口中心為原點建立三維空間坐標系，X軸和Y軸分別為水平面的E向和N向(具體表示為污染物輸移距離，單位為m)，Z軸為垂直方向(具體表示為實驗水深，單位為m)(圖1)[14]。

圖1 水下溢油物理模擬實驗的組合式環形水槽

1.2 實驗方案

為與前期研究結果[14]進行對比，本研究繼續選取阿曼原油(20℃時的密度為872 kg/m3)、阿曼原油與消油劑的混合物(劑油比為1∶20)以及淡水(含示蹤劑)作為模擬污染物，實驗噴口直徑均為1.5 mm。通過調節水泵功率和位置制造2種不同平均流速的橫流環境，利用超聲波水流測定儀測定實驗區域的水流速度，并記錄1 min內水流速度的垂向時均值、最小值和最大值(表1)。

表1 組合式環形水槽實驗段的2種水流環境條件

在上述實驗設計的基礎上，制定本研究的水下溢油浮射流物理模擬實驗方案(表2)。參照文獻[14]的實驗步驟，主要包括向水槽注入實驗淡水、配置模擬污染物(阿曼原油和淡水)、調節氣泵制造水下溢油浮射流、采用水泵制造橫向水流環境、采用攝像設備記錄實驗過程、采用Image-Pro Plus軟件提取水下溢油污染物輸移擴散范圍和分析油滴粒徑特征，從而完成一系列水下溢油輸移擴散物理模擬實驗。

表2 水下溢油輸移擴散的物理模擬實驗方案

2 不同橫流環境對水下溢油輸移擴散的影響

2.1 輸移軌跡和擴散范圍

在2種橫流環境中，原油浮射流自噴射后第13 s時的輸移擴散實驗結果如圖2所示。

圖2 橫流環境中阿曼原油浮射流的輸移軌跡和擴散范圍

由圖2可以看出，原油浮射流初期輸移軌跡基本為垂直向上，隨著周圍水體不斷卷吸進入浮射流，浮射流的中心軌跡發生彎曲。值得注意的是，由于橫流具有非均勻紊動特性(表1)，不同時刻卷吸進入浮射流的水體體積不同，浮射流在水中的輸移過程中會出現局部軌跡改變或邊界改變。

在Uc=2.74 cm/s的橫流環境中，以噴口為原點，在水平距離約0.35 m和垂直高度約0.40 m處，出現大粒徑油滴脫離原油浮射流上邊界的情況(圖2(a))；在Uc=6.48 cm/s的橫流環境中，以噴口為原點，在水平距離約0.15 m和垂直高度約0.30 m處，出現大粒徑油滴脫離原油浮射流上邊界的情況(圖2(b))。對比2種橫流環境中的原油浮射流輸移擴散過程(圖2(c))，橫流速度越大(實驗2)，浮射流中心軌跡開始彎曲的高度越低，彎曲程度越明顯，且大粒徑油滴上浮擴散程度越明顯，擴散范圍越大。

2.2 脫離浮射流主體的油滴粒徑

盡管已清晰觀察到大粒徑油滴在橫流環境中脫離浮射流主體的情況，但因攝像機距離水槽較遠且視頻分辨率較低，無法精細分析實驗中所有油滴粒徑的分布范圍。根據對視頻截取圖像的初步分析，脫離浮射流主體的油滴粒徑多大于1 mm，其中明顯脫離浮射流主體的油滴粒徑多大于2 mm。

3 不同污染物對水下溢油輸移擴散的影響

橫流環境中淡水(含示蹤劑)浮射流自噴射后第13 s時的輸移擴散實驗結果如圖3所示。

圖3 橫流環境中淡水(含示蹤劑)浮射流的輸移軌跡和擴散范圍

淡水(含示蹤劑)表征的是可溶性污染物，其輸移擴散過程更符合傳統浮射流的基本特征。根據2種不同初始噴射速度的浮射流輸移擴散范圍的疊加比較(圖3(c))，在相同橫流速度條件下，初始噴射速度越小(實驗4)，浮射流中心軌跡開始彎曲的高度越低，彎曲程度越明顯。

在Uc=6.48 cm/s的橫流環境中，阿曼原油浮射流和淡水(含示蹤劑)浮射流輸移擴散范圍的疊加比較如圖4所示。

圖4 橫流環境中阿曼原油與淡水(含示蹤劑)浮射流輸移擴散的比較

由圖4可以看出，原油浮射流的初始噴射速度(6.07 m/s)比淡水(含示蹤劑)(6.41 m/s)略低，前者在橫流作用下開始彎曲的高度也較后者低，但二者主體部分的輸移軌跡和擴散范圍總體相似。須指出的是，大粒徑油滴脫離浮射流主體后上浮擴散會使原油浮射流的擴散范圍更大，這表明原油浮射流輸移擴散的特性與淡水(含示蹤劑)浮射流有所不同。

4 添加消油劑對水下溢油輸移擴散的影響

4.1 輸移擴散范圍

在相同橫流環境中，阿曼原油以及阿曼原油與消油劑混合物(劑油比為1∶20)浮射流自噴射后第7 s時和第16 s時的輸移擴散實驗結果如圖5所示。

圖5 阿曼原油以及阿曼原油與消油劑混合物浮射流輸移擴散的比較

在初始噴射速度相近的情況下，阿曼原油以及阿曼原油與消油劑混合物浮射流在7 s內的形成、發展、輸移和擴散等過程總體相似(圖5(a))。值得注意的是，由于橫流具有非均勻紊動特性(表1)，不同時刻卷吸進入浮射流的水體體積不同，導致浮射流邊界存在差異。

根據2次實驗的疊加對比(圖5(b))，浮射流主體部分的輸移軌跡總體相似。由于初始噴射速度較大，原油浮射流中的大粒徑油滴浮升至水面的情況出現在以噴口為原點、水平距離約0.40 m、垂直高度約0.50 m處。須指出的是，原油與消油劑混合物以噴射方式進入水體后，觀測到油滴粒徑顯著變小，大粒徑油滴脫離浮射流主體的現象并不顯著。

4.2 油滴粒徑分布

在2次實驗中，高清攝像機(分辨率為3 840像素×2 160像素)主要用于拍攝浮射流的輸移擴散范圍，而單反數碼相機主要用于拍攝浮射流內部的油滴粒徑。

4.2.1 脫離浮射流主體的油滴粒徑

與前述原油浮射流的實驗觀測情況相似，在橫流速度較大的情況下，大粒徑油滴會在脫離浮射流主體后上浮擴散。由于拍攝距離較遠且視頻圖像不夠清晰，初步分析脫離浮射流主體的油滴粒徑多大于1 mm。

4.2.2 浮射流內部的油滴粒徑

在阿曼原油以及阿曼原油與消油劑混合物浮射流輸移擴散的過程中，經過水中標尺時觀測到的油滴粒徑分布結果如圖6所示。

圖6 阿曼原油以及阿曼原油與消油劑混合物浮射流內部油滴粒徑分布的比較

由圖6(a)可以看出:從總體來看，在噴口直徑為1.5 mm以及初始噴射速度分別為9.79 m/s和9.28 m/s的條件下，未添加消油劑的阿曼原油浮射流內部觀測到的油滴粒徑范圍為0～1 mm，而添加消油劑的原油浮射流內部觀測到的油滴粒徑范圍為0～900 μm；原油浮射流內部粒徑小于300 μm的油滴體積占比較小，其中0～100 μm和100～200 μm的體積占比均約為1.0%，油滴體積占比的最高值出現在500～600 μm；而原油與消油劑混合物浮射流內部粒徑小于100 μm的油滴體積占比較小(約為2.2%)，油滴體積占比的最高值出現在300～400 μm。可見，在添加消油劑后，油滴體積占比最高值所在區間發生偏移。

從油滴累積體積分布曲線(圖6(b))也可以看出，消油劑的添加會導致油滴的體積中值粒徑變小。通過計算可知，2種浮射流內部油滴的體積中值粒徑分別為495.1 μm和338.8 μm。

5 結語

本研究基于自制的組合式環形水槽，以原油(阿曼原油及其與消油劑的混合物)和淡水(含示蹤劑)作為模擬污染物，開展非均勻橫流環境中的水下溢油物理模擬實驗，實驗噴口直徑均為1.5 mm。從污染物輸移軌跡和擴散范圍以及油滴粒徑分布等方面看，主要得到2點研究結論。

(1)在橫流環境中，無論模擬污染物是原油還是淡水，浮射流輸移軌跡開始彎曲的高度隨著流速的增加而降低。其中，與淡水浮射流主要在水中輸移擴散的情況不同，當污染物為原油時，大粒徑油滴會脫離浮射流主體并上浮至水面，致使擴散范圍變大。盡管淡水浮射流在水下的輸移軌跡與原油浮射流總體相似，但其沒有油滴脫離浮射流主體的情況，因而以淡水作為模擬污染物開展水下溢油物理模擬實驗研究存在局限性。

(2)模擬污染物為原油或原油與消油劑混合物時，在橫流環境中，脫離浮射流主體的油滴粒徑多大于1 mm。在不考慮脫離浮射流主體的油滴的情況下，初始噴射速度為9.79 m/s的原油浮射流內部觀測到的油滴粒徑范圍為0～1 mm，而初始噴射速度為9.28 m/s的原油與消油劑混合物(劑油比為1∶20)浮射流內部觀測到的油滴粒徑范圍為0～900 μm。對比可知，消油劑的添加會使浮射流內部油滴的體積中值粒徑變小，油滴粒徑分布曲線向小尺寸方向偏移，油滴粒徑體積占比最高值所在區間發生偏移。

由于實驗裝置和觀測設備等方面存在不足，本研究未能在浮射流實驗過程中實時記錄非均勻橫流的速度變化，也未能深入分析原油浮射流中的油滴粒徑分布特征和變化規律。但本研究初步獲得的水下溢油輸移擴散實驗結果，尤其是在實驗中發現大粒徑油滴脫離浮射流主體后上浮擴散的現象，可對后續更為深入的物理模擬實驗和數值模擬研究提供有益參考。