含油污水排海扩散输运模型研究及其在南海油田开发过程中的应用

摘要

在海上油田开发的过程中，石油类污染物排放到海洋中，对海域水质状况会造成不同程度的污染，有必要对开发工程中含油污水排放对环境可能造成的影响范围和程度进行研究，为开发工程的环境保护设计提供科学依据。 本文首先简要介绍了本研究的背景，并对研究污水排海的近区模型和远区模型的发展现状做了详细的综述。具体工作及结论如下： 1．采用Backhaus的三维非线性潮波数值模式计算了南海中的三维正压潮流的流场，作为近区模型背景流场的分析依据，以及远区物质输运模型的输入，并用3个测站资料对珠江口水动力模型进行了验证。 2．求解了浮射流的积分方程的数值解，首次建立了南海油田开发含油污水排放近区的浮射流模型，模拟了不同的角度对含油污水排放近区的扩散的影响，以及潮流对稀释度的影响。 3．在结束了近区稀释扩散后，污水的随流扩散等行为需要用远区物质输运模型进行研究。在流场模型的基础上，运用粒子随机走动(random walk，简称粒子法)的方法求解物质输运方程，建立了平衡浓度场预测模型，并将近区模型与建立的远区模型进行衔接，将近区模型的结果作为远区模型的输入，得到含油污水排海的扩散输运模型。 4．将模型运用到南海中惠州25-13油田污水排海工程中。研究了初始排放角度对近区稀释扩散的影响和潮流中近区稀释度的变化规律，以及远区平衡浓度场的范围。从结果中可以看出，初始排放角度越小越有利于近区的稀释扩散，且潮流中稀释度的变化呈现周期性的特点。平衡浓度场结果显示，在油田污水达标排放时，含油污水在各层水深形成的浓度场的面积不超过10km<'2>。 5．验证了本文建立的模型。将近区稀释扩散的结果与智能化软件UM3得到的结果进行了比较。平衡浓度场的结果与用差分法求解物质输运方程的数值结果进行了比较，结果显示，浓度场的分布(特别是表层)是随风海流的影响而变化的，两种方法计算的结果体现的变化趋势是相同的：用差分的方法模拟的超Ⅰ类水质浓度场面积要略小一些；差分法计算的浓度场中心的浓度值要大，大多超过0.1mg/L。本研究建立的含油污水排放输运扩散模型，丰富了污水扩散浓度场预测方法，为其他海域的同类研究提供了参考。

目录

文摘

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0前言

1概述及研究现状

1.1概述

1.2近区模型研究现状

1.2.1物理模型

1.2.2数学模型

1.2.3智能化软件

1.3远区模型研究现状

1.4本文的工作

2模型的建立

2.1南海海域潮流场模型

2.1.1流体动力学基本方程组

2.1.2计算网格及离散格式

2.1.3潮流及潮位验证

2.1.4潮流计算结果分析

2.2动水环境下单喷口浮射流近区稀释扩散模型的建立

2.2.1基本方程的建立

2.2.2积分控制方程的求解

2.2.3初始条件

2.2.4边界条件

2.2.5参数选取

2.3远区污水浓度场模型的建立

2.3.1石油类输运扩散方程

2.3.2粒子追踪方法

2.4含油污水扩散模型的建立

3模型的应用

3.1近区模型输入条件

3.1.1惠州25-3油田概况

3.1.2近区模型输入

3.2近区模拟结果及其分析

3.2.1初始排放角度对近区稀释扩散的影响

3.2.2潮流对近区中心稀释度的影响

3.3浓度场计算模型的计算

3.3.1远区模型输入

3.3.2平衡浓度场模拟

4模型验证

4.1近区模型结果验证

4.2平衡浓度场结果验证

4.2.1浓度扩散方程的差分方法

4.2.2边界条件和初始条件

5总结与工作展望

5.1结论

5.2存在问题和展望

参考文献

致谢