【摘要】：隨著北方河流沿岸能源石化工業(yè)的迅速發(fā)展和原油航運(yùn)及穿越河道的輸油管道的布設(shè),江河溢油已成為生態(tài)環(huán)境和居民用水安全的嚴(yán)重威脅,制約北方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要隱患,建立突發(fā)溢油污染事故后的預(yù)警預(yù)報(bào)和應(yīng)急處置系統(tǒng)是減小環(huán)境危害和降低經(jīng)濟(jì)損失的重要措施。因此,本文開展了針對(duì)低溫江河水域突發(fā)溢油污染時(shí),油團(tuán)在水面風(fēng)化和遷移擴(kuò)展的模擬預(yù)測(cè)研究,在獲知溢油水域環(huán)境參數(shù)和溢油量的條件下,即可迅速預(yù)測(cè)油團(tuán)位置、岸邊吸油量與水面殘油量,以期為溢油攔截點(diǎn)的選取及截油方式和吸油材料數(shù)量的確定提供理論指導(dǎo),并為同類水域溢油的預(yù)測(cè)提供參考數(shù)據(jù)。 本文詳盡分析了目前較為流行的溢油風(fēng)化和擴(kuò)展預(yù)測(cè)模型各自適應(yīng)條件與預(yù)測(cè)效果,針對(duì)低溫江河溢油特點(diǎn),選取適宜模型進(jìn)行改進(jìn),通過模擬試驗(yàn)確定了模型中的相應(yīng)參數(shù),建立了適于模擬低溫江河溢油風(fēng)化和遷移擴(kuò)展的預(yù)測(cè)模型,以松花江流域突發(fā)溢油污染為例,預(yù)測(cè)了不同季節(jié),油團(tuán)的蒸發(fā)、乳化及溢油性質(zhì)的改變等風(fēng)化過程,岸邊及冰層對(duì)油團(tuán)的吸附情況,沿江遷移擴(kuò)展行為,水面殘油量。 分析原油蒸發(fā)機(jī)理可知:低溫條件下,油膜蒸發(fā)主要受體相易揮發(fā)組分向液體表相的遷移過程控制,揮發(fā)組分液相阻力隨溫度的降低而增加,揮發(fā)組分所處油膜的厚度隨溫度的降低而減小,進(jìn)而導(dǎo)致蒸發(fā)量的降低。在Fingas提出的蒸發(fā)模型上增加1個(gè)與溫度有關(guān)的衰減因子e~(-k/Δθ),建立了低溫溢油蒸發(fā)模型。通過淺盤蒸發(fā)試驗(yàn),確定了當(dāng)環(huán)境溫度與溢油凝點(diǎn)溫差小于10℃時(shí)應(yīng)采用低溫溢油蒸發(fā)模型,0#柴油和大慶原油的阻力增加系數(shù)k分別為1.07和2.64。對(duì)于有冰江面,溢油蒸發(fā)受暴露于大氣中的油膜面積A_f影響較大,引入衰減系數(shù)(A_f h_oe~(-k/Δθ))/V改進(jìn)Fingas模型以模擬有冰水面溢油蒸發(fā)過程,并通過淺盤蒸發(fā)試驗(yàn)對(duì)改進(jìn)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。 采用水槽吸附試驗(yàn)研究了河岸對(duì)水面浮油的吸附過程,順直河道細(xì)沙、粘土和毛石型河岸對(duì)水面浮油的吸附符合二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)方程,吸附等溫性能符合Langmuir型吸附等溫式。泥、沙等多孔顆粒材質(zhì)型河岸對(duì)水面浮油的吸附機(jī)理為物理吸附,是粘附作用、活性離子吸附作用和毛細(xì)吸附綜合作用的結(jié)果,此外,泥沙顆粒相互堆積,內(nèi)部空隙為吸附的油滴提供了巨大的“貯油空間”。毛石型河岸主要依靠柴油的粘滯力使其附著在粗糙的表面之上。 隨著浪高的增大,細(xì)沙和粘土型河岸的吸油量先增大而后降低,波高在30~60 mm時(shí)吸油量最大,毛石型河岸吸油量則逐漸降低。隨岸邊坡度(θ)的增大,河岸的吸油量均逐漸降低,當(dāng)θ從5°增至30°時(shí),毛石型河岸吸油量降幅最大,高、低水力條件下分別為63.4%和73.3%。比較了轉(zhuǎn)彎河道內(nèi)側(cè)、外側(cè)和順直河道河岸的吸油量,大小順序?yàn)?外側(cè)河岸順直河岸內(nèi)側(cè)河岸,建立了沿江河岸對(duì)浮油吸附量的計(jì)算模式。考察了冰層對(duì)浮油的吸附特性,結(jié)果表明冰層的吸油速率較高,吸附平衡時(shí)間約為15 min,符合二級(jí)吸附速率模型。高、低水力條件下,光滑冰層的平衡吸油量分別為0.0008 ml/cm~2和0.00117 ml/cm~2,吸油等溫吸附性能符合Langmuir-Freundlich型吸附等溫方程。 采用粘性流體邊界層運(yùn)動(dòng)方程描述了油膜擴(kuò)展,得出了流動(dòng)水面上油膜的運(yùn)動(dòng)由依靠水流拖曳產(chǎn)生的等壓流動(dòng)和靜止水面上油膜自身擴(kuò)展兩種運(yùn)動(dòng)形式組成的結(jié)論,給出了以無量綱壓力梯度p*為參變量的油膜內(nèi)速度分布公式。結(jié)果表明:泄油中心前部油膜為順壓流動(dòng),后部油膜為逆壓流動(dòng),壓力梯度的絕對(duì)值隨時(shí)間與擴(kuò)展半徑的增加而減小。添加油膜離散尺度改進(jìn)Fay模型,建立了預(yù)測(cè)油膜擴(kuò)展初期的擴(kuò)展-離散模型,通過循環(huán)水槽試驗(yàn)確定了離散系數(shù)K_x:隨著流速的增加,無冰水面上油膜的K_x從5.04 cm~2/s增至22.08 cm~2/s,有冰水面上油膜的K_x從2.80 cm~2/s增至5.64 cm~2/s。并考察了浪高和溫度對(duì)K_x的影響,并通過試驗(yàn)對(duì)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證,藉此,提出了江河溢油二階段擴(kuò)展遷移模型。 以擬發(fā)生在松花江哈爾濱上游段的10 t級(jí)溢油污染事件為例,采用本文建立的河岸吸油模式和二階段擴(kuò)展模型,分別模擬了豐水期、平水期、枯水期和冰封期溢油在48 h內(nèi)流經(jīng)模擬江段時(shí)的時(shí)空分布情況,預(yù)測(cè)了模擬終期的水面殘油量。結(jié)果表明:枯水期河岸吸油量最大:10 t,50 t,100 t和200 t等級(jí)溢油的岸邊吸油量分別是溢油總量的2.45%,1.39%,1.03%和0.61%。冰層吸油量不大,分別為溢油總量的0.39%,0.23%,0.16%和0.084%。冰封期水面殘油量最大,接近9.5 t;盛行東南風(fēng)向的豐水期水面殘油量最小,低于2.2 t。江河流速、風(fēng)場(chǎng)和河段寬度的差異都會(huì)影響油膜擴(kuò)展長(zhǎng)度。本文還模擬了江心島和支流匯入口附近等復(fù)雜水域油膜的擴(kuò)展情況。
【圖文】：

表 2-1 試驗(yàn)設(shè)備與儀器ble 2-1 Experimental instruments and equipm及規(guī)格 儀器及設(shè)備名稱 圖 2-2 試驗(yàn)水槽圖片F(xiàn)ig.2-2 Picture of the cycle flume

5 15 23 30θ (°)低流速 高流速圖 4-12 河岸坡度對(duì)細(xì)沙型河岸吸油性能的影響The effect of slope angle on the oil adsorption for sand ba
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：X522

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2659116