海底管线溢油在水体中的输移扩散数值模拟研究

摘要

伴随海洋石油开采的快速发展，输运海洋油气资源的主要方式--海底管线的铺设范围也越来越大，而在海底管线服役的过程中，不可避免地会产生各种损伤，随着海底管线的不断增多，管线溢油的发生概率也不断增加。而发生在深海海底管线的溢油事故，造成的海洋环境水体污染要远大于发生在海面的溢油，会对海洋生物以及周围沿海城市产生严重的影响和危害。海底管线发生溢油后，溢油在上升过程中会直接影响海水水质，危害周围水体中的海洋生物，对海水水体的生态造成破坏。因此，研究海底管线溢油在水体中的输移扩散问题就变得越来越重要。
　　 本文对研究背景等作了简要概述，并综述了溢油和浮射流的国内外研究现状。研究的具体内容和结论如下：
　　 1.应用Backhaus的三维非线性数值模型模拟了南海北部海域的三维潮流场，并应用三个测站的实测资料对模型进行了验证，将计算得到的三维潮流场作为海底管线溢油模型的背景流场输入。
　　 2.采用拉格朗日控制体方法，建立了海底管线溢油输移扩散的浮射流模型，并应用文献中给出的实验数据，在周围环境流体的性质分别为不分层静止、不分层流动、分层静止和分层流动时，对模型模拟的轨迹中心线等结果进行了验证。
　　 3.将海底管线溢油模型应用到南海北部的陆丰7-2油田附近海底管线溢油的预测中，模拟了溢油在密度不分层和密度分层环境流体中的三维输移扩散，模拟过程中考虑了几种不同的溢油情况，主要对不分层环境流体中初始溢油角度对模拟结果的影响以及不同流场环境中的溢油扩散规律进行了分析，并进一步研究了溢油轨迹的中心线和各水平剖面的输移扩散情况，最后比较了密度分层与否对溢油输移扩散的影响。
　　 4.海底管线溢油的研究结果表明：浮射流的各项结果产生较大区别的主要影响因素是潮流分布结构的不同，而无论是哪个时刻发生溢油，都是垂直向上溢出时的水平偏移距离最小，顺流水平溢出时最大，且随着初始溢油角度的减小，溢油抵达海面的时间和半径均随之增大。各层的扩散面积同样受到周围环境流场结构和初始溢油角度的综合影响，而溢油角度的影响程度同时又受到潮流场分布的制约。而在密度分层环境流体中，浮射流到达一定深度后，随流向下游扩散，不会在较短时间内抵达海表面，因此在距离溢油口较远的地点即使海面没有出现溢油，深层海域仍有可能出现溢油污染。
　　 通过对海底管线溢油的输移扩散模拟研究，可以更清楚的了解溢油对海水水质和生态环境的影响范围和程度，从而为评价溢油对海洋生态环境的危害程度提供数据和依据。