海上溢油跟蹤定位浮標參數分析及技術優化研究

,, ,

(1.交通運輸部水運科學研究院,北京 100088;2.大連海事大學,遼寧 大連 116026)

對溢油進行監視和跟蹤，準確掌握溢油運動的位置、速度和方向是妥善處理溢油事故的前提，通常采用的方法是漂流浮標跟蹤油膜。國內外關于溢油模型的研究已經開展了多年。2004年國家863項目成果“小型多參數海洋環境監測浮標”在青島近海海域進行海上布放和試驗，標志著浮標的性能通過考驗，但該浮標體積大，主要用于定點監測，不適用于海上溢油的漂移跟蹤[1-3]。如果能在此基礎上，進一步對浮標風系數隨浮標參數影響的變化規律進行系統的分析研究，就能夠根據不同水域的地理位置、海況、溢油油膜性質等參數對適用的跟蹤浮標參數進行定量分析，對溢油浮標的優化設計及準確跟蹤溢油都具有實際意義。

1 溢油浮標的水動力分析

1.1 漂移模型

油膜在海面上漂移主要受到海面洋流和風力的共同作用，溢油模型中溢油漂移速度可被定義為表層潮流速度和距海面10 m處風速百分率ζ的矢量和[4]，即

v0=vc+ζv10

(1)

式中：v0——溢油漂移速度;

vc——表層潮流速度;

v10——距海面10 m處風速，ζ為風系數，通常經由海上實測的方式獲得。

1.2 等效風速

海面附近的風受海面的摩擦作用，風速的鉛直方向上的分布是不均勻的，這里采用等效風速的概念：對于受風高度為h的模型，受到的等效風速取迎風輪廓形心高度的風速[5]，其等效風速可表示為

(2)

式中：va——等效風速;

h——海面模型受風高度。

1.3 海流速度

表層海流的速度是潮流速度和風生流的矢量和，在垂直方向上，該速度是一個變量，本文采用表面流速代替作用在浮標上的海流流速，海流流速可表示為

vwater=vc+αv10

(3)

式中：vwater——表層海流的速度;

α——風生流系數[6]，計算公式O為

(4)

式中：θ——海流緯度。

1.4 水動力平衡方程

在表層海水中溢油浮標受到來自水面以上海風的作用力和水面以下海水的作用力的共同作用。溢油浮標完全跟蹤溢油油膜，是指溢油浮標與油膜相同速度運動，并且浮標達到受力平衡。

1.4.1 海水對浮標的作用力

海水對溢油浮標的作用力可表示為

(5)

式中：Fwater——海水對浮標的作用力;

ρwater——海水的密度;

A1——迎水面積;

CDc——浮標的海水阻力系數。

1.4.2 風對浮標的作用力

風對溢油浮標的作用力可表示為

(6)

式中：Fair——風對浮標的作用力;

ρair——海面空氣的密度;

vair——海面風速;

A2——迎風面積;

CDa——浮標的空氣阻力系數。

其中，風速vair的鉛直分布可表示為

(7)

式中：h——浮標水面以上高度。

顯然等效相對風速的方向與風向相同。

1.4.3 浮標受力平衡

當浮標勻速運動時，其受到的海水阻力與風推力平衡[7]，得

ρwater[(ζ-α)v10]2A1CDc=ρair(vair-v0)2A2CDa

(8)

因為α<ζ<1，進一步整理得到

(9)

(10)

2 溢油浮標風系數計算方法

根據水動力平衡方程，空氣和海水的密度可以根據溫度(本文計算溫度為15 ℃)查出；迎水面積A1、迎風面積A2和水面高度h根據可根據浮標的幾何尺寸計算；浮標阻力系數CDc、CDa的計算是用數值模擬的方法計算得出，每次計算分為水上部分與水下部分，首先在Gambit中劃分網格，然后導入到Fluent中計算。得到各參數后帶入式(10),即可得到浮標風系數。

2.1 迎水面積、迎風面積和水面高度

圖1為球形浮標漂浮于水面。

圖1 球形浮標示意

2.2 幾何建模與網格劃分

采用Gambit軟件建立各個浮標水上部分及水下部分模型并進行網格劃分。圖2、3為球形浮標水上部分和水下部分網格劃分。

圖2 球形浮標水上部分網格劃分

2.3 模型計算

利用Fluent軟件計算浮標水上部分和水下部分的阻力系數。圖4、5為球形浮標水上部分和水下部分計算模型。

圖5 球形浮標水下部分計算模型

3 浮標水動力特性曲線

為了解在不同尺寸、重量、海域位置等關鍵參數的影響下浮標風系數的變化規律，本文計算球形浮標，其主要參數見表1。

表1 浮標參數匯總表

注：研究海域為大連灣和深圳灣

經計算，繪制球形浮標在大連灣、深圳灣的風系數變化曲線，見圖6、7。

圖6 大連灣球形浮標風系數變化

圖7 深圳灣球形浮標風系數變化

4 研究分析

1)我國沿海海域浮標風系數的大致范圍是0.02～0.07。在不同的溢油事故中測得的數據表明，油膜的風系數的取值不是惟一的，大致范圍是0.02～0.05[8]。由此得出，針對某一穩定海況和油膜，總是可以通過優化浮標參數與溢油風系數的特定組合，實現對溢油的完全跟蹤。

2)對于某一特定尺寸的浮標而言，隨著浮標重量的增大，浮標風系數逐漸減小。例如：直徑為300 mm的浮標在大連灣使用，浮標重6 kg時，其風系數為0.038 9;當浮標重量是12 kg時，其風系數是0.020 3。這意味著浮標質量越大，越適合跟蹤風系數小的油膜：反之，浮標質量越小，越適合跟蹤風系數大的油膜。

3)對于某一特定質量的浮標而言，隨著浮標尺寸的增大，浮標風系數逐漸增大。例如：重量為10 kg的浮標在深圳灣使用時，當浮標直徑為300 mm時，其風系數為0.024 3;當浮標直徑為350 mm時，其風系數為0.037 3。這意味著浮標尺寸越大，越適合跟蹤風系數大的油膜：反之，浮標尺寸越小，越適合跟蹤風系數小的油膜。

4)浮標的風系數與海域位置(緯度)有關，根據計算結果，同一種浮標在不同緯度海域的風系數不同。同尺度同重量條件下，浮標所處緯度越大，浮標風系數越小。例如，直徑為300 mm、重量為7 kg的浮標，在大連灣使用其風系數為0.033 8，在深圳灣使用其風系數為0.038 5。

5 結束語

海上溢油跟蹤定位浮標具有全天候使用和全過程監測能力，是一種海上溢油實時追蹤監測的穩定、可靠、成本低廉的技術方法，也是海上溢油事故應急快速反應的一個有效手段。本文研究成果可為溢油跟蹤浮標在結構設計、系統優化、海上溢油跟蹤、溢油漂移軌跡預報及相關分析方面提供技術依據。

[1] 楊悅文,商紅梅.用表層漂流浮標對海上溢油實時跟蹤和監測的方法[J].海洋技術,2007,26(2): 17-18.

[2] 汪 渝,熊德琪.基于GPRS/GPS的海上溢油遠程無線監測系統[J].信息與電子工程,2007,5(2):81-85.

[3] 岳成業,曹祖德,溢油追蹤報警器可行性研究[J].交通環保,2003,24(5)：5-8.

[4] 王天霖,劉寅東.溢油跟蹤浮標水動力性能研究[J].哈爾濱工程大學學報,2009,30(9)：986-988.

[5] 張永勝,蔡 烽,周 波，等.船舶受非均勻風力的計算方法[J].中國航海,2005(4):61-64.

[6] 苗綠田.風對水面油膜運動的影響[J].交通環保,1990,11(3):58-61.

[7] 王天霖,劉寅東,李永琛.基于改進溢油模型的溢油浮標水動力分析[J].大連海事大學報,2010,36(2):121-123.

[8] 韓 健.海上溢油跟蹤技術研究及軟件系統開發[D].大連:大連海事大學,2010.