周舉史雨夕

（1．東北石油大學(xué)石油工程學(xué)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(dòng)態(tài)研究

周舉1史雨夕2

（1．東北石油大學(xué)石油工程學(xué)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(duì)現(xiàn)階段海底輸油管線的漏油模型主要用以解決海面溢油問(wèn)題的這一情況，本文建立了一種在海底輸油管線發(fā)生斷裂或腐蝕情況下，由于存在蠕孔所引起的漏油問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型，用于預(yù)測(cè)輸油管線上某一點(diǎn)出現(xiàn)蠕孔，并發(fā)生漏油之后，在海面上產(chǎn)生油膜的尺寸以及是否可以到達(dá)海岸線，并對(duì)到達(dá)海岸線的原油量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

輸油管道；污染；動(dòng)態(tài)研究；MAECOLMP模型

最近幾十年以來(lái)，隨著海底輸油管道的廣泛應(yīng)用，相關(guān)專(zhuān)家學(xué)者也越來(lái)越關(guān)注海底管道漏油對(duì)于海洋環(huán)境所造成的破壞，并通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的研究，建立了數(shù)十種不同的模型用以對(duì)漏油的行為及歸宿進(jìn)行預(yù)測(cè)。在已有的模型當(dāng)中，絕大多數(shù)都是研究海面及接近海面位置的溢油問(wèn)題，但是針對(duì)水下溢油問(wèn)題，尤其是最為常見(jiàn)的海底輸油管線發(fā)生破裂而導(dǎo)致的原油泄漏問(wèn)題，由于海底的復(fù)雜情況，仍然處于研究的一個(gè)盲區(qū)，亟需研究既可以計(jì)算水下的漏油情況，同時(shí)又可以計(jì)算水面漏油情況的數(shù)學(xué)模型。針對(duì)這一情況，本文建立了MAECOLMP模型，來(lái)對(duì)渤海地區(qū)海底管道的漏油問(wèn)題進(jìn)行動(dòng)態(tài)研究。

1 基本模型的建立

本模型假設(shè)原油是從海底輸油管線表面的蠕孔當(dāng)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(dāng)原油從管線的蠕孔中泄漏之后，在上升過(guò)程當(dāng)中不會(huì)出現(xiàn)連續(xù)上浮的油珠的浮射流，而是形成單個(gè)存在的油滴，之后收到紊流的影響，逐漸擴(kuò)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(dòng)的方向逐漸擴(kuò)展。根據(jù)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(shí)海洋表面海水的流動(dòng)情況，就能夠判斷泄漏的原油會(huì)漂浮至海岸線附近，亦或是在運(yùn)移時(shí)被海水所驅(qū)散。

為了能夠準(zhǔn)確的計(jì)算管線蠕孔的漏油量，就需要通過(guò)水力學(xué)的相關(guān)公式計(jì)算輸油管線內(nèi)原油的流動(dòng)狀態(tài)，并確定管線內(nèi)外壓強(qiáng)的差值，進(jìn)而得到精確的輸油管線蠕孔漏油量。具體方法是把較為復(fù)雜的蠕孔簡(jiǎn)化為一個(gè)圓柱形的管，其長(zhǎng)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(lái)進(jìn)行確定。其中，水流速度主要由風(fēng)成流速、潮流速度等所確定，油珠的上浮速度可以通過(guò)公式（1）來(lái)進(jìn)行計(jì)算：

在上式當(dāng)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(jì)算有油珠所構(gòu)成的羽流的大小，首先假定各個(gè)油珠的尺寸均相同，其在海水當(dāng)中發(fā)生擴(kuò)散都是由紊流擴(kuò)散所導(dǎo)致的，則原油在海水當(dāng)中的濃度能夠由紊流擴(kuò)散的經(jīng)驗(yàn)公式獲得。對(duì)于接近海底的水域而言，形式為：

為了能夠定量的計(jì)算原油在距離海面較近水域當(dāng)中的濃度，可以將邊界條件改變成“吸收”邊界，此時(shí)原油油珠會(huì)受到海水一個(gè)向上的浮力使之漂浮在海面上而不會(huì)發(fā)生下沉。這時(shí)上式可以改變?yōu)椋?/p>

在上式當(dāng)中：

co表示原油在海水當(dāng)中的濃度，mg/kg；

K1以及K2表示水平以及垂直方向上紊流擴(kuò)散系數(shù)；

Ho表示發(fā)生泄漏位置的水深，m；

v表示海水的流動(dòng)速度，m/s。

假設(shè)直角坐標(biāo)系當(dāng)中的原點(diǎn)位置即為發(fā)生原油泄漏的位置，此時(shí)垂直方向?yàn)閦軸，海水流動(dòng)的方向?yàn)閤軸。此時(shí)需要注意的問(wèn)題是以上兩個(gè)公式當(dāng)中，以及只有處于邊界位置，才能夠有明顯的貢獻(xiàn)。

由油珠所組成的羽流的尺寸可以由某個(gè)固定的油水濃度值來(lái)進(jìn)行確定，例如原油在海水當(dāng)中所允許的最大濃度。

為了能夠判斷海面上油膜的大小，應(yīng)當(dāng)計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)漂浮至海面上的原油總量Qh，其數(shù)值的大小能夠由公式（2）當(dāng)中對(duì)z=H0至z=正無(wú)窮進(jìn)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(fēng)的方向逐漸擴(kuò)散為帶狀，則油膜和海水表面接觸的寬度能夠由下式來(lái)進(jìn)行確定：

在上式當(dāng)中：

cs1表示當(dāng)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(fā)生的變化，可以采用海上溢油擴(kuò)散公式來(lái)進(jìn)行計(jì)算。油膜漂浮于海面的過(guò)程中，可能會(huì)被海面的風(fēng)浪所驅(qū)散，形成新的油滴，并于海水當(dāng)中發(fā)生紊流擴(kuò)散。在本模型當(dāng)中，這一過(guò)程可以由海面上的浮油有一半被風(fēng)浪所驅(qū)散所需要的時(shí)間來(lái)進(jìn)行表征。因而能夠認(rèn)為，被風(fēng)流以及海流所帶至海岸線附近的原油量要遠(yuǎn)小于輸油管線蠕孔所泄漏的原油的量。在原油發(fā)生泄漏的過(guò)程當(dāng)中，漂浮至岸邊的原油總量由以下公式進(jìn)行計(jì)算：

在上式當(dāng)中：

L表示從發(fā)生漏油的位置至海岸之間的直線距離，km；wwd表示風(fēng)速，m/s；

φwd表示風(fēng)的方向和海岸線之間的夾角，度。

2 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)計(jì)算所得到的結(jié)果進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，本文所建立的數(shù)學(xué)模型能夠定性定量的得到海底輸油管線上蠕孔發(fā)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(wèn)題提供了理論依據(jù)。因?yàn)檩斢凸芫€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(dāng)成是油滴狀態(tài)的存在，故認(rèn)為油滴受海水浮力影響的上升速度為影響漏油狀態(tài)的最為重要的因素。

［1］石成玉.淺析石油運(yùn)輸對(duì)我國(guó)海洋污染的分析與對(duì)策[J].石化技術(shù),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.