汪 澍, 徐 勝, 楊玉鋒,2, 金龍哲, 王 洋, 張 晶

(1.北京科技大學土木與資源工程學院,北京 100083; 2.中國石油天然氣股份有限公司管道分公司管道科技研究中心,河北廊坊 065000; 3.清華大學工程物理系,北京 100084)

隨著全球工業(yè)化發(fā)展和人口增長,石油的供求也飛速增長,石油開采規(guī)模不斷擴大,長輸管道逐漸成為跨區(qū)域石油運輸?shù)闹饕绞健Ｈ欢斢凸艿烙捎诟g、破裂等原因,可能發(fā)生原油泄漏事故,對環(huán)境和人類造成危害[1-4]。進入河流的泄漏原油存在蒸發(fā)、溶解、乳化、吸附、解吸等行為[5]。與開闊水域不同,河流上的油膜較厚,并且兩側(cè)河岸的存在會使得原油大量滯留在岸上。河流流速以及河岸岸型、植被等會對滯留量產(chǎn)生影響。國內(nèi)外關(guān)于泄漏石油及石油類污染物遷移規(guī)律的研究已開展多年,土柱試驗是研究石油烴在土壤中的運移規(guī)律的常用方法[6-8]; Br?nner等[9-12]構(gòu)建了擴散模型、最大黏附量模型等數(shù)學模型用來研究原油運移規(guī)律;李志剛等[13-14]利用VOF等不同的方法進行模擬研究了溢油疏散規(guī)律。在岸棲植物對河流流動的影響方面,現(xiàn)已通過水槽實驗研究了剛性植物、柔性植物等不同布置方式下對水流狀態(tài)的影響[15-18]。但是當前國內(nèi)外對于原油在河岸滯留行為及水流影響因素與溢油相結(jié)合的模擬試驗研究較為匱乏。此外,現(xiàn)今對溢油的研究主要以海洋環(huán)境為主,在河流溢油方面比較缺乏。因此筆者通過水槽試驗將河流岸型、流速、岸棲植物等因素與原油泄漏擴散規(guī)律相結(jié)合,研究跨越式管道持續(xù)泄漏事故發(fā)生時,原油在河岸的滯留行為及相關(guān)規(guī)律。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗設(shè)備及材料

試驗設(shè)備:HZQ-C空氣浴振蕩器、TG16G離心機、UV2100型紫外可見分光光度計、ML104/02型電子天平和CJ-060S超聲波清洗機。

試驗試劑:正己烷(分析純)、無水硫酸鈉(分析純)、低濃度俄羅斯原油。

玻璃儀器:10 mL比色管、50 mL量筒、50 mL分液漏斗、50 mL具塞磨口錐形瓶、500 mL錐形瓶、800 mL燒杯等。

試驗用砂土:試驗?zāi)M河岸為砂質(zhì)河岸,河岸配土[19]為粗砂、中砂、細砂、高嶺土和粉砂，其質(zhì)量分數(shù)分別為34%、35%、22%、7%和2%。

試驗水槽:根據(jù)相似比例尺、河流層流紊流、彎道曲折系數(shù)等[20]自行設(shè)計制作出試驗水槽;水槽的寬度為25 cm,高度為30 cm,彎道直徑為30 cm,水槽總長度為230 cm,水槽外部涂成白色,內(nèi)壁涂有特氟龍疏油材料。水槽模型如圖1所示。

1.2 試驗方法

1.2.1標準油濃度曲線測定

根據(jù)對水或土壤中含油污染物測定方法的調(diào)研及相關(guān)規(guī)定[21-22],選用紫外法進行標準油濃度曲線的測定。首先，在燒杯中加入0.5 g原油和少量正己烷,用正己烷在容量瓶中標定混合液,制得5 mg/mL的油標準儲備液。其次,取2 mL油標準儲備液于50 mL容量瓶,用正己烷定容,搖勻,制得0.2 g/L的油標準使用液。用針管分別移取0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL油標準使用液于10 mL容量瓶中,加正己烷至標線。搖勻后,得到質(zhì)量濃度c分別為0、4、8、12、16、20 mg/L的油溶液。取溶液于1 cm石英比色皿中。分別用紫外分光光度計測取吸光率。統(tǒng)計測量數(shù)據(jù),繪制標準油質(zhì)量濃度曲線(圖2)。曲線擬合方程為y=0.025x-0.048,擬合度R2為0.982,擬合程度高。

圖1 水槽模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of annular tank

圖2 標準油質(zhì)量濃度曲線Fig.2 Standard oil mass concentration curve

1.2.2 不同工況下河岸滯留量測定

設(shè)置泄漏點距離水面19 cm,溢油量為250 mL,河岸分為3個內(nèi)外直岸和3個內(nèi)外彎岸(圖1),河岸坡度為11.3°。在水槽中距監(jiān)測點較遠處放置水泵,通過控制水泵的變頻器調(diào)節(jié)流速。為了提高試驗效率,河岸布置設(shè)計為直道和彎道上分別為無植物河岸、剛性植物河岸、柔性植物河岸。將流速變頻器分別調(diào)節(jié)至20、25、30、35 Hz。用攝像機錄制原油泄漏擴散過程和結(jié)束后的原油擴散黏附狀態(tài),錄制時長2 h。

為了更加詳細地研究植物覆蓋面積對河岸滯留情況的影響,設(shè)置了不同植物覆蓋面積下原油在河岸滯留規(guī)律的試驗,試驗方法與上述試驗類似,選取剛性和柔性兩種植物類別進行3組試驗(圖3),河岸布置設(shè)計分別為直道和彎道上各自為少量、中量、大量植物。對于剛性植物采用單位面積植物株數(shù)表示覆蓋程度,少量、中量和大量的單位面積植物株數(shù)分別為0.03、0.05和0.09株/cm2。對于柔性植物覆蓋量采用植被覆蓋度表示,少量、中量和大量分別為10.4%、15.8%和18.3%。

試驗結(jié)束后,收集并測量河岸前端滯留的原油量,作為水面滯留量,取出河岸中的砂土以及植物,萃取砂土和植物中的原油,根據(jù)標準油質(zhì)量濃度曲線測出砂土的吸附量和植物的黏附量,水面滯留量、黏附量與吸附量總和即為最終河岸的總滯留量。

圖3 試驗選用的模擬植物材料Fig.3 Simulated plant material selected for experiment

1.2.3 水流流速標定

在水槽直道和彎道分別放置標尺,擺至井字型,攝像機垂直設(shè)置在標尺上方,水中放入少量碎塑料片用于標定流過的距離,用攝像機錄取10 min視頻,通過PS進行比例修正,通過圖像處理及計算標定得到不同頻率下對應(yīng)的內(nèi)外直道、彎道的流速。表1為標定結(jié)果。

表1 不同頻率對應(yīng)的流速Table 1 Flow rate at different frequency

2 流速及岸型對滯留行為影響

2.1 油膜登陸河岸特點

泄漏原油進入河面后立刻形成塊狀的分散式油膜在河面上漂移,塊狀的油膜會隨河流流動逐漸擴大,最先接觸到河岸的油膜會迅速黏附在河岸上,這些處在河岸浸潤線附近的油膜,一部分直接登陸上岸,在河水的沖刷推力作用下,逐漸向河岸深處移動;一部分在油膜間分子引力作用下,會與后方水流帶來的新油膜融合形成一個面積更大的新油膜,新油膜不斷擴大,到達一定程度后,油膜中的一部分會隨水流剪切應(yīng)力繼續(xù)向前漂移。最終,在岸邊黏附的油膜量會處于一個動態(tài)平衡的變化過程(圖4)。

油-岸相互作用子模型中表示,在既定環(huán)境下油的累積量隨著時間不斷增加。累積在岸上的油受到重力作用,要么沿著斜坡流下來,要么被吸收進入岸邊土壤[23]。

圖4 20 Hz無植物河岸油膜滯留過程Fig.4 Oil retention process on plant-free riverbank (20 Hz)

當發(fā)生溢油后,河流里面的原油會隨著河流移動。原油擴散接觸到岸邊之后,會黏附于岸上的砂石、蘆葦?shù)人参锷厦?從而脫離油團。隨后經(jīng)過水流的沖刷作用,黏附的原油又被沖刷回河流里,這就形成了原油的黏附和脫附過程。在這個過程中流速對黏附-脫附過程影響巨大。

2.2 流速作用

由于彎道除了受流速影響外,不同位置還受不同的牽引力作用,所以只針對內(nèi)外直道段分析流速對河岸吸附量及滯留量的影響(圖5)。

從圖5(a)中可以發(fā)現(xiàn),直道段河岸的吸附量α隨著流速增大呈上升趨勢,且對于無植物覆蓋、剛性植物覆蓋和柔性植物覆蓋的河岸,河岸吸附量α隨流速變化的趨勢相似。為了排除河岸砂土質(zhì)量對吸附量的影響,采用單位質(zhì)量河岸吸附量進行進一步分析。從圖5(b)中可以發(fā)現(xiàn),3種河岸單位質(zhì)量吸附量α′隨流速增大也呈上升趨勢。為了研究造成此現(xiàn)象的原因,測定了不同流速下水中原油的含量,發(fā)現(xiàn)流速較低時,雷諾數(shù)較小,水流較為平緩,溶解和分散到水中的油量少;大流速下水中含油量則大大增加,例如流速為8.19 cm/s時,水中含油量為0.001 39 mg/mL;流速為34.35 cm/s時,水中含油量達到了0.006 894 mg/mL,是低流速的4.6倍。因此,河岸吸附量隨流速增大呈增加趨勢原因之一是流速增大,水中含油量增加,土壤吸油量增多。

3種植被覆蓋條件下河岸總滯留量β均隨著流速增大而呈上升趨勢(圖6)。水流向前流動會對油膜產(chǎn)生一種拖拽作用力,稱之為拖曳力;同時水面波動會沖擊河岸,對河岸產(chǎn)生沖刷力,而滯留的原油是沖刷力與拖曳力共同作用的結(jié)果。流速增大會相應(yīng)地使拖曳力和沖刷力增大。流速為8.19、8.99、10.61、12.72 cm/s時,流速較小且流態(tài)較為平穩(wěn),此區(qū)間內(nèi)滯留量隨流速的變化幅度較小;當流速超過15 cm/s后,流速較大,滯留量的變化幅度提高?？梢园l(fā)現(xiàn),流速較小時,拖曳力占主導地位,使滯留量變化不明顯;當流速增大到一定程度,沖刷力的作用超過拖曳力,從而使滯留在河岸的原油量快速增加。

圖5 直道河岸吸附量與流速關(guān)系Fig.5 Relation between straight river bank adsorption and flow rate

圖6 河岸總滯留量與流速關(guān)系Fig.6 Relation between river bank total retention and flow rate

2.3 岸型作用

由于只單獨考慮岸型對滯留行為的作用,因此選取無植物河岸進行研究。根據(jù)實際河流緩流急流與流速的關(guān)系[24],經(jīng)過重力相似計算,規(guī)定斷面平均流速小于12.5 cm/s時屬于緩流,大于12.5 cm/s時屬于急流。

通過對比在同一變頻器頻率下,直道內(nèi)側(cè)、直道外側(cè)、彎道內(nèi)側(cè)和彎道外側(cè)河岸砂土中的吸附量(圖7(a)),可以發(fā)現(xiàn):在頻率較低,即河流處于緩流狀態(tài)時,彎道內(nèi)側(cè)的河岸吸附量大于彎道外側(cè),且彎道吸附量大于直道吸附量;頻率較高,即河流處于急流狀態(tài)時,直道和彎道外側(cè)的河岸吸附量大于內(nèi)側(cè),并且直道段的吸附量大于彎道段。

從圖7(b)中可以發(fā)現(xiàn),變頻器頻率較低,即河流處于緩流時,彎道內(nèi)側(cè)滯留量大于外側(cè);當頻率較高,即河流處于急流時,滯留量彎道外側(cè)>直道外側(cè)>彎道內(nèi)側(cè)>直道內(nèi)側(cè)。而直道段,外側(cè)的滯留量始終大于內(nèi)側(cè)。

河流在彎道段,由于慣性作用會產(chǎn)生離心力,離心力的作用會使原油向外側(cè)移動,在河流緩流狀態(tài)下,離心力較小,離心力對原油的作用效果小于河岸對河流的滯留效果,內(nèi)側(cè)的吸附量與滯留量均大于外側(cè);當河流處于急流時,離心力較大,呈主導作用,河岸彎道部分的吸附量與滯留量內(nèi)側(cè)均小于外側(cè),呈與流動緩慢狀態(tài)下相反的規(guī)律。對于直道段,無論河流處于何種狀態(tài),外側(cè)的吸附量與滯留量均大于內(nèi)側(cè)。

3 岸棲植物對河岸滯留行為影響

統(tǒng)計同一流速下,直道段少、中、大量剛性植物與柔性植物覆蓋河岸的砂土吸附量(表2)和總滯留量(表3),發(fā)現(xiàn)剛性植物、柔性植物覆蓋下的河岸原油吸附量及總滯留量隨著植物覆蓋量的增大呈現(xiàn)不同的規(guī)律。

3.1 剛性植物

通過研究整個試驗過程中油膜在植被覆蓋河岸附近的滯留行為,可以發(fā)現(xiàn),在泄漏初期,塊狀油膜沿水流方向流動,由于剛性植物具有增高水位和降低流速的作用,塊狀油膜經(jīng)過此類河岸時會減緩流速且向植被靠近,面積較大的油膜會受到植物的阻攔和黏附作用(圖8(a))。隨著油膜不斷擴散,塊狀油膜面積逐漸變小,小塊油膜會隨著水流登陸到河岸上并由于剛性植物的阻擋使油膜滯留在植物和河岸上(圖8(b))。經(jīng)過一段時間,塊狀油膜經(jīng)擴散和乳化作用均勻地鋪蓋在河面上,油膜會隨著水流順著植物間隙登陸至河岸,并滯留在植物枝干及河岸上(圖8(c))。此外還觀察到,剛性植物覆蓋量少的河岸,植被間隙大,油-水物質(zhì)更容易登陸河岸,植被覆蓋量多的則反之。

圖7 不同岸型河岸吸附量與滯留量對比Fig.7 Comparison of adsorption capacity and retention of different bank types

圖8 剛性植物河岸油膜登陸過程Fig.8 Oil landing on rigid plant bank

分析表2中剛性植物的河岸吸附量α可知,植被覆蓋量最大時的河岸吸附量是中量的(0.71±0.13)倍,是少量的(0.64±0.13)倍,即隨著植被覆蓋量增加,河岸砂土的吸附量減少。測量結(jié)果與上述油膜登陸剛性植物覆蓋河岸的規(guī)律相符。分析表3中剛性植物河岸總滯留量β可知,剛性植物覆蓋量最大的河岸總滯留量是中量的(1.54±1.39)倍,是少量的(2.40±0.62)倍,即剛性植物覆蓋量越大,河岸總滯留量越大。由于植被覆蓋面積的增加使植被阻力系數(shù)和植被粗糙系數(shù)增大[25],從而滯留量與吸附量呈現(xiàn)相反的規(guī)律。

表2 不同植物河岸吸附量 Table 2 River bank adsorption capacity with different plant mg

表3 不同植物河岸總滯留量Table 3 Total river bank retention with different plant mg

3.2 柔性植物

通過研究柔性植物覆蓋河岸的原油滯留規(guī)律可發(fā)現(xiàn),與剛性植物不同,柔性植物在水流沖擊下容易彎曲,泄漏初始的塊狀油膜接觸植物后會黏附其上,并改變油膜的擴展過程(圖9(a))。隨著油膜進一步擴散,植物上黏附的原油逐漸累積增多,并且會牽引水流向河岸登陸,由于柔性植被對水流流速的減緩作用和植被阻力導致的水位高低變化[26],在河岸間無植物的地方會形成水流漩渦,從而加劇了原油的滯留(圖9(b))。當油膜均勻散布在河面上后,柔性植物被原油完全黏附,河岸登陸的原油因為植被的阻隔而一部分滯留在岸線交匯處(圖9(c))。

圖9 柔性植物河岸油膜登陸過程Fig.9 Oil landing on flexible plant bank

分析表2中柔性植物的河岸吸附量α可知,植被覆蓋量最大時河岸吸附量是中量的(2.61±1.46)倍,是少量的(4.98±3.53)倍,即吸附量隨著植被覆蓋量增大而增大。分析表3中柔性植物河岸總滯留量β可知,柔性植物覆蓋量最大的總滯留量是中量的(1.38±0.67)倍,是少量的(3.12±3.16)倍,即河岸總滯留量隨著植被覆蓋量增加而增加。

此外,植物種類的不同對河岸原油滯留的影響也有很大不同。從圖6中可以看出,在相同流速下,河岸總滯留量始終為:柔性植物河岸>剛性植物河岸>無植物河岸。同等流速下,柔性植物河岸的總滯留量是剛性植物河岸的(2.87～6.19)倍,是無植物河岸的(4.37～10.01)倍。因此,泄漏原油更容易滯留在有植被覆蓋的河岸,柔性植物(蘆葦、雜草等)覆蓋較多的河岸最容易黏附原油,造成對河岸的污染。

4 結(jié) 論

(1)無植物砂土河岸對原油的吸附量與滯留量均隨流速增大而增加,可能原因是流速增大,水中含油量增加。流速增大1.19倍時，水體含油量增至4.6倍。

(2)在同一種流動狀態(tài)下,河流處于緩流時,吸附量:彎岸內(nèi)側(cè)>彎岸外側(cè),且彎岸>直岸;滯留量:彎岸內(nèi)側(cè)>彎岸外側(cè),直岸內(nèi)側(cè)>彎岸外側(cè);河流處于急流時,吸附量:直岸/彎岸外側(cè)>直岸/彎岸內(nèi)側(cè);滯留量:滯留量彎道外側(cè)>直道外側(cè)>彎道內(nèi)側(cè)>直道內(nèi)側(cè)。

(3)河岸覆蓋不同類型的植物時,同等流速下,柔性植物河岸的總滯留量是剛性植物河岸的(2.87～6.19)倍,是無植物河岸的(4.37～10.01)倍。

(4)對于剛性植物覆蓋的河岸,吸附量隨植物覆蓋量的增加而減少,滯留量隨植物覆蓋量增加而增加。植物覆蓋量增大約一倍時,吸附量降低約29%,滯留量增大約1.54倍。

(5)對于柔性植物覆蓋的河岸,吸附量與滯留量均隨覆蓋量增大而增大。植物覆蓋量增大約一倍時,吸附量增大約2.61倍,滯留量增大約1.38倍。