張曉丹，孔德明，仲美玉，馬勤勇，孔令富

1.燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北 秦皇島 066099 2.燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北 秦皇島 066099

引 言

海面溢油是當(dāng)今全球海洋污染最嚴(yán)重的問題之一[1]。溢油進入海域后，由于自身性質(zhì)和海洋環(huán)境的作用，一般會以未乳化油膜、乳化油包水和水包油等污染類型存在于海面上，尤其是乳化溢油，會給海洋環(huán)境造成顯著危害[2]。及時獲取海面乳化溢油的溢油量、溢油范圍和乳化程度等信息，對乳化溢油污染的快速處理和海洋環(huán)境的盡快恢復(fù)具有重要意義。

目前，光學(xué)遙感技術(shù)已廣泛應(yīng)用于海面溢油監(jiān)測中[3]，其中激光誘導(dǎo)熒光(laser-induced fluorescence，LIF)探測被認(rèn)為是最有效的海面溢油探測技術(shù)之一[4]。迄今國內(nèi)外采用LIF探測技術(shù)已對油膜厚度測量和油種識別作了一些研究與探討[5-7]，而對海面乳化水包油溢油量的評估目前鮮有相關(guān)報道。利用LIF探測技術(shù)評估海面水包油的溢油量及其污染程度已引起了該領(lǐng)域研究人員的高度重視。

水包油乳化溢油在海面會形成具有一定濃度和厚度的介質(zhì)層，且隨時間的遷移，其濃度和厚度不斷發(fā)生變化[8]，這些變化直接關(guān)系到水包油具有的吸收、散射等固有光學(xué)性質(zhì)，進而影響LIF系統(tǒng)探測時所接收的熒光信號。由于該溶液的固有光學(xué)性質(zhì)，使得LIF探測時發(fā)射的激光以及溶液中油組分產(chǎn)生的熒光在介質(zhì)傳輸中不僅發(fā)生吸收作用引起衰減，還會因散射作用改變其運動方向等復(fù)雜的作用影響[9]。對于水包油溢油量的評估，最直接的辦法是建立熒光信號與溢油量的量值關(guān)系模型，從而通過熒光信號反演得到水包油溢油量。鑒于此，本文建立了水包油溢油量的等效評估模型，并在此基礎(chǔ)上提出了一種基于LIF探測機理的等效評估算法，最后通過仿真實驗驗證了等效評估模型的可行性，分析了等效評估算法的誤差，給出了該算法的適用條件等。

1 實驗部分

1.1 模型介紹

海面溢油受風(fēng)浪和破碎波等影響會以油滴形式懸浮于海水中，從而形成水包油乳化溢油[10]。LIF探測時系統(tǒng)發(fā)射激光到海面，水包油受激發(fā)射的熒光主要由油滴產(chǎn)生，所以將乳化液中的油滴對熒光的貢獻進行恰當(dāng)?shù)拿枋龊吞幚恚撬腿榛阂缬土康刃гu估問題的關(guān)鍵。

根據(jù)水包油乳化液水為連續(xù)相，油為分散相的形態(tài)特征，本文假設(shè)將其油滴聚集為成片的油膜漂浮于海面上，油膜之下為無污染的海水。如此便將水包油乳化液等效為漂浮在海面上的具有一定厚度的油膜(等效模型)，如圖1所示。

圖1 水包油乳化液和等效模型的示意圖

設(shè)水包油乳化液濃度為c，厚度為d，兩者乘積定義為水包油乳化液的實際溢油厚度，記為q。等效模型的成片油膜厚度為z，根據(jù)溢油量相等得

scd=sq=sz?q=z

(1)

式(1)中：s為溢油表面積。此時水包油乳化液與等效模型中的成片油膜具有相同的溢油表面積。由式(1)知，將水包油乳化液的實際溢油厚度轉(zhuǎn)化為了求解等效模型中油膜的厚度問題。之后文中提到的水包油乳化液的溢油厚度均指實際溢油厚度。

1.2 等效算法

結(jié)合上述等效模型和LIF探測的原理，建立并整理系統(tǒng)接收的熒光信號方程，從而推導(dǎo)出等效油膜厚度的計算公式。LIF探測時系統(tǒng)發(fā)射激光到海面及熒光在介質(zhì)中傳輸?shù)娜^程如圖2所示。

圖2 LIF探測及光子傳輸?shù)氖疽鈭D

設(shè)LIF系統(tǒng)距海面高度為H，激光發(fā)射功率為P0，激光在傳遞過程中，首先受大氣衰減到達油膜層，經(jīng)氣油界面的反射后，另一部分通過折射進入油膜層。此時的激光強度Pe為

Pe=P0exp(-βLH)(1-ρL1)

(2)

式(2)中：ρL1為激光在氣油界面的反射系數(shù)，βL為激光在大氣中的衰減系數(shù)。

在Pe的作用下，油膜受激發(fā)射熒光，設(shè)油膜產(chǎn)生的熒光為PF，熒光由油膜層發(fā)射經(jīng)大氣層被LIF系統(tǒng)接收。此過程受油氣界面的反射、折射以及大氣的衰減。則LIF系統(tǒng)接收的熒光信號P為

(3)

油膜產(chǎn)生的熒光PF受熒光量子產(chǎn)率、吸收截面和衰減系數(shù)等參數(shù)影響，其表達式為

(4)

式(4)中：σF和φF分別表示吸收截面和熒光量子產(chǎn)率，ke和ki分別為激光和熒光在油膜中的衰減系數(shù)。

將式(2)、式(4)代入式(3)，并令

exp(-βLH)exp(-βFH)σFφF

(5)

則式(3)可寫成

(6)

由式(6)得到油膜厚度z為

(7)

由以上可知，當(dāng)LIF探測條件和油種等一定時，ke，ki和KF為常量。將LIF系統(tǒng)接收的水包油乳化液的熒光強度P代入式(7)可計算得到等效油膜厚度z。

首先比對水包油乳化液和等效模型兩者在溢油厚度相等情況下熒光信號強度的大小，以驗證等效模型的可行性。在此基礎(chǔ)上，將接收到的熒光信號強度代入等效評估算法的量值關(guān)系式中解得等效油膜厚度，從而進行等效誤差分析并給出算法的適用條件。

1.3 條件與數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

實驗中設(shè)定氣油界面水平，介質(zhì)內(nèi)無其他光源，忽略無污染水體的熒光特性。激光、熒光波長分別設(shè)為405和500 nm，光子數(shù)設(shè)為3千萬，初始權(quán)重為1。文中以典型的兩種油品：Romashkino和Petrobaltic[11](命名為R油和P油)為研究對象。由兩原油熒光量子產(chǎn)率和Stem-Volmer[12]表達式解得熒光傳輸模型中的熒光量子產(chǎn)率分別為0.2432和0.597。同時根據(jù)Mie散射理論[13]可計算得到兩油品的水包油乳化液的光學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 水包油乳化液的光學(xué)參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 等效模型驗證

由于蒙特卡羅在光子傳輸模擬中的應(yīng)用研究已得到比較廣泛的認(rèn)可[14]，因此本文基于蒙特卡羅方法并參照文獻[15]，建立了熒光輻射傳輸模型。設(shè)探測接收器距離海面高度H為30 m，接收器的接收口徑為200 mm。模擬不同溢油厚度的水包油乳化液和不同油膜厚度的等效模型受激發(fā)射熒光直至被LIF系統(tǒng)接收的全過程。兩種油品的水包油乳化液和等效模型的熒光信號強度如圖3、圖4所示。

圖3 R型水包油乳化液和等效模型的熒光信號強度

由圖3和圖4可看出，水包油乳化液、等效模型的熒光分別隨溢油厚度和油膜厚度的增加先上升后保持不變。在熒光未達到平穩(wěn)時，溢油厚度相等的乳化溢油的熒光基本相等。對比圖3、圖4發(fā)現(xiàn)，P型水包油乳化液的熒光達到平穩(wěn)時的最小溢油厚度在12～16 μm范圍內(nèi)，明顯大于R型水包油乳化液的1～2 μm。這主要是P型油屬輕質(zhì)油，其熒光量子產(chǎn)率較大導(dǎo)致的。從圖3、圖4中選擇濃度為10×10-6的水包油乳化液與各自的等效模型作對比，結(jié)果如圖5所示。觀察圖5發(fā)現(xiàn)，水包油乳化液與等效模型的熒光強度誤差隨溢油厚度的增加先較小后明顯增大。具體值如表2、表3所示。

圖4 P型水包油乳化液和等效模型的熒光信號強度

圖5 兩種水包油乳化液分別與各自對應(yīng)的等效模型熒光的對比結(jié)果

從表2、表3中可看出，兩種水包油乳化液的熒光分別在溢油厚度大致為1.5和12 μm處達到平穩(wěn)。在平穩(wěn)之前，水包油乳化液的熒光略大于等效模型的熒光，這是因為等效模型中油膜的消光系數(shù)(吸收系數(shù)和散射系數(shù)之和)較水包油乳化液的大。同時發(fā)現(xiàn)，在熒光強度平穩(wěn)之前，水包油乳化液和等效模型的熒光誤差較小，基本在±10%左右。而當(dāng)平穩(wěn)之后，兩者的熒光差隨溢油厚度的增加明顯變大。以上說明水包油乳化液的熒光處于平穩(wěn)狀態(tài)之前，將水包油乳化液溢油量評估問題轉(zhuǎn)化為具有相等熒光強度的等效模型是可行的。

表2 濃度為10×10-6的R型水包油乳化液與等效模型在各溢油厚度處的熒光相對誤差

表3 濃度為10×10-6的P型水包油乳化液與等效模型在各溢油厚度處的熒光相對誤差

2.2 等效算法驗證

根據(jù)文中所給數(shù)據(jù)由公式(7)得到兩種油品水包油乳化液等效油膜厚度的表達式分別為

(8)

(9)

式(8)和式(9)中，zR，PR和zP，PP分別表示R，P型油品水包油的等效油膜厚度和熒光信號強度。

針對文中兩種油品，選擇濃度為40×10-6的水包油乳化液，將其各自不同溢油厚度的熒光信號強度代入以上公式，得到等效油膜厚度。并計算水包油乳化液的溢油厚度與等效評估的油膜厚度的相對誤差值，結(jié)果如表4、表5所示。相對誤差的絕對值曲線如圖6所示。

表4 濃度為40×10-6的R型水包油乳化液等效的油膜厚度結(jié)果

表5 濃度為40×10-6的P型水包油乳化液等效的油膜厚度結(jié)果

圖6 兩油種水包油乳化液溢油厚度等效的相對誤差絕對值的曲線圖

由表4、表5發(fā)現(xiàn)，濃度為40×10-6的R型、P型兩種水包油乳化液，其熒光分別大致在1.2和16 μm的溢油厚度處達到平穩(wěn)。R型水包油乳化液的溢油厚度qR≤1.2 μm時，等效誤差隨溢油厚度的增大呈減小趨勢，平均值為7.73%。P型水包油乳化液的溢油厚度qp≤16 μm時，等效誤差隨溢油厚度的增大先小范圍內(nèi)增大之后減小，平均值為7.48%。而當(dāng)兩者水包油乳化液溢油厚度分別大于1.2和16 μm時即熒光達到平穩(wěn)之后，等效造成的誤差隨溢油厚度的上升而快速增大。此現(xiàn)象在圖6中表達得更直觀。

由此并結(jié)合等效模型成立的條件總結(jié)出：基于LIF系統(tǒng)探測海面水包油乳化液時，其溢油厚度≤熒光平穩(wěn)時的最小溢油厚度時，特別是在熒光平穩(wěn)時的最小溢油厚度附近，本文的等效算法可有效評估水包油乳化液的溢油量，評估誤差的平均值在8%以內(nèi)；反之，等效評估誤差隨溢油厚度的增加而快速增大。同時由文中典型的兩油品得到：重質(zhì)、輕質(zhì)水包油乳化液的熒光平穩(wěn)時的最小溢油厚度大致在1～2和12～16 μm處，因此本文算法可以實現(xiàn)對兩種油品水包油乳化液的實際溢油厚度分別不超過2和16 μm時溢油量的有效評估。

3 結(jié) 論

設(shè)計了水包油乳化液溢油量的等效模型，從而將水包油乳化液的溢油量問題轉(zhuǎn)化為了求解等效模型中的油膜厚度問題，同時基于LIF探測機理推導(dǎo)出了等效模型下油膜厚度的量值公式。而后選擇兩種典型油品，通過仿真實驗驗證了等效模型的可行性，并給出了等效算法的適用條件等。本文提出的水包油乳化液溢油量的等效算法是解決海面溢油評估問題的一種新途徑，可有效指導(dǎo)基于LIF探測的海面水包油乳化液的估測問題。