國內外模擬溢油波浪水槽的最新研究進展

王巧敏，嚴志宇，孫冰，劉慧

(大連海事大學環境科學與工程學院 大連 116026)

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國內外模擬溢油波浪水槽的最新研究進展

王巧敏，嚴志宇，孫冰，劉慧

(大連海事大學環境科學與工程學院 大連 116026)

利用模擬設備模擬海面真實溢油情景是研究溢油分散、污染損害評估及其組成變化特征最方便、快捷的方式，因此模擬設備的水體環境越貼近海洋實際，研究數據越真實可靠。文章對國內外模擬溢油的波浪水槽進行詳細評述，主要包括美國國家溢油應急測試機構建立的Ohmsett波浪水槽、加拿大貝德福德海洋學研究所的波浪水槽、挪威科技工業研究院的波浪水槽和國內比較典型并已有相關報道的深圳市計量質量檢測研究院的海上溢油風化模擬系統。通過對以上最具代表性的國內外波浪水槽的介紹、分析和比較，借鑒國外研究經驗，對我國模擬溢油波浪水槽的建構提出建議，旨在為溢油研究工作者提供多種可參考的波浪水槽設備，完善現有模擬設備的不足。

溢油；波浪水槽；實驗模擬

目前國際上的模擬溢油設備按照規模大小主要分為實驗室小型臺式設備、波浪水槽和海上圍隔。比較以上3種模擬環境可知，各設施的水體條件逐漸擴大并接近海洋，甚至已是海洋水體。但因現實條件和環境條件等諸多因素的限制，以上3種模擬環境并不是同等重要地被用于實驗研究。對于實驗室小型臺式設備而言，大多采用實驗室漏斗、燒瓶、燒杯或基于三者改裝的小型玻璃器皿為容器，盡管擁有可以控制實驗條件、儀器設備簡單易得、測試成本低、實驗時間短、取樣快、測試結果重現性好、可對各種參數進行比較和實驗結果精密度高等優點，但其是體積非常小的測試，不適合長期(幾天或數周)研究，所得結果與海上現場結果也不是簡單的外推關系，不能充分模擬海洋的實際狀況，尤其是混合能源和水體分散油滴在水平和垂直方向的平流與湍流擴散。因此，實驗室小型臺式設備受固有空間限制，不能解決影響傳輸和稀釋效果的空間問題，獲得的實驗數據也很難應用于現場實驗推算。對于海上圍隔而言，溢油現場測試的成本較高且難以掌控管理，存在人為污染海洋環境的隱患，風險較大；而且由于缺乏對實驗和天氣條件的控制手段，研究結果常常具有不確定性和不可重復性。即使是圍隔實驗，也因其過于昂貴和對海洋環境造成影響，不便于推廣。采用波浪水槽模擬溢油既可避免實驗室臺式設備的固有空間局限性，也可近似模擬海上混合能量和水流影響，從而獲得較為可靠和貼近海洋實際的數據，還可在模擬海上條件的基本設置中重復研究和評估溢油分散與風化[1]。因此，波浪水槽對于指導溢油研究人員在應急響應中使用分散劑、評估溢油污染和考察溢油風化特性等方面是一個重要的工具。國外最為典型的是美國的Ohmsett波浪水槽、加拿大貝德福德海洋學研究所的波浪水槽和挪威科技工業研究院的波浪水槽。國內目前已有報道且最具代表性的是深圳市計量質量檢測研究院的海上溢油風化模擬系統。

1 美國的Ohmsett波浪水槽

美國國家溢油應急測試機構(National Oil Spill Response Test Facility，USA)建立的石油和危險材料模擬環境測試水槽(Oil and hazardous materials simulated environmental test tank，Ohmsett)是目前世界上最大的模擬海洋條件的波浪水槽，可以針對各種各樣的原油和成品油進行溢油測試、研究和培訓。該設備主要由美國內政部礦產管理服務中心(Minerals Management Service，MMS)負責維護和運營。相較于海上現場測試，Ohmsett能提供一個安全、可控和重復測試的環境，有利于溢油處理設備和技術的開發測試。關于Ohmsett的詳細信息可參見其官網(www.ohmsett.com)，其鳥瞰圖和內部結構如圖1所示[2]。

圖1 美國石油和危險材料模擬環境測試水槽(Ohmsett)

Ohmsett是混凝土式的波浪水槽，置于戶外，長、寬、深分別是203 m、20 m和3.3 m，約2個足球場大，充滿約984萬L清澈的天然海水。主要通過添加海鹽維持海水鹽度(～35)，通過含有硅藻土助濾劑的葉式過濾系統維持水的清澈度，并使用次氯酸鈉的氯化作用控制藻類生長，以便提高水下視頻設備的測試質量。3座橋橫跨水槽可以沿著水槽壁來回移動，主橋用于拖曳各種溢油響應設備，模擬海上實際拖帶或部署，橋上的石油排放系統可以模擬溢油。水槽南端設置拍打式造波器、北端海灘設置波浪吸收裝置(消波器，主要將從北墻反射回來的波削弱到槽的底部)，以便模擬海浪(可產生高達0.61～1 m、長約45 m的巨浪)。隨著北端海灘的降低，水槽也可產生高度約為70 cm的“港砍”。從移動橋、控制塔和水下觀景窗的一側都可觀測測試，而且水面上方和下方都有數據收集和視頻記錄系統。移動橋、溢油釋放模式和造波系統都可在重復的條件和設置下進行溢油響應，可使研究人員獲得特定性能的數據，以便開發和優化溢油控制系統和設備。近年來MMS升級改善了Ohmsett的測試功能，能提供可控制的冷水環境測試，便于模擬現實的破冰條件，進一步擴展該設備的研究范圍。

2001年Ross等[3]研究在Ohmsett中模擬溢油化學分散的可行性時提出，在Ohmsett中進行分散劑效果測試不僅是可行的，還可根據已經開發出來的特定實驗程序成功實施。究其原因主要包括：設備非常大，能產生波；實施大規模的分散劑測試是可能的；可以控制大多數變量；可近距離觀察石油—分散劑相互作用的分散過程；與海上測試相比，Ohmsett相對廉價。因此，Ohmsett是消除實驗室和海上測試之間隔閡的合理裝置。1999-2006年在Ohmsett中進行的溢油模擬研究如表1所示[4]。

表1 1999—2006年在Ohmsett中進行的 分散劑效果研究項目

續表

綜上可知，Ohmsett是一個非常好的、值得借鑒的模擬溢油水槽。除表1中的研究項目外，研究人員使用該水槽還做了大量冷水域環境中分散劑效果測試[5-7]、石油黏度對分散劑效果影響測試[8-10]以及平靜水體中分散劑效果研究[11]等實驗。

2 加拿大貝德福德海洋學研究所的波浪水槽

貝德福德海洋學研究所的波浪水槽如圖2所示[12]，位于加拿大漁業海洋部近海石油和天然氣環境研究中心(Center for Offshore Oil and Gas Environmental Research，Canada)。該槽由涂有環氧樹脂涂層的鋼鐵制成，容積大小經歷2個階段的發展[12-13]：第一階段波浪水槽的長、寬、高分別是16 m、0.6 m和2 m，平均水深約1.25 m，隨著研究的深入和發展，為產生更多能量較大的波以及減少水槽末端波的干涉等，其長度被翻倍；第二階段波浪水槽的長、寬、高分別是32 m、0.6 m和2 m，平均水深約1.5 m。此外，該波浪水槽的水流特性也經歷從“臺式死水”到“流動活水”的轉變[14-15]。

圖2 貝德福德海洋學研究所波浪水槽

波浪水槽內不同的前進波由水槽一端計算機控制的拍打式造波器產生，造波器與1個可調凸輪連接，通過控制其行程長度達到改變波浪長度和高度的目的，波的頻率由凸輪(由電動馬達驅動)的旋轉速度控制；造波器可以根據實驗要求產生不同類型的波浪，包括規則非破波以及指定長度、高度和頻率的破波。水槽尾端是波吸收裝置，由8個多孔不銹鋼鋼板組成，這些鋼板上有孔隙直徑大小為0.2～2.5 cm的孔，孔隙度在40%～70%之間；板的順序和間距是經實驗測試得到的，目的是減弱回到混合區的反射波能量，即減少對前進波的反射和干涉[16]。水槽可在1 h內完成排水和充水，便于進行獨立實驗，但需預防各個實驗之間油或分散劑的積累。波浪強度由每單位質量的能量耗散率(評估海上原油混合和分散程度的可伸縮參數[17])量化，即在水槽不同位置使用聲學多普勒測速計測量時間序列的速度完成[18]。水槽的水動力特征在其他地方也有報道[19-20]。

該波浪水槽主要通過測試一定時間節點處、不同水平、不同深度的水體油濃度和油滴粒徑分布，模擬、分析和評價分散劑處理原油的效果[15]。水體油濃度越高，溢油分散效果越好；水體油滴粒徑越小，油顆粒的懸浮狀態越穩定。此外，該波浪水槽也可以通過分析各項指標(水體油濃度、油滴粒徑分布和能量耗散率等)考察不同環境條件對分散劑效果的影響。目前該研究方法已被國際廣泛接受，研究成果(包括波浪類型、溫度、分散劑種類、油品特性等因子對溢油分散效果的影響等)在國際會議和期刊上多次發表，并成功應用于監測墨西哥灣“深水地平線”溢油事故中分散劑的使用效果[21]。

3 挪威科技工業研究院的波浪水槽

挪威科技工業研究院(SINTEF)利用數值算法計算破波對海面溢油影響時，分別使用長方形和橢圓形波浪水槽進行溢油物理化學特性以及自然分散油滴粒徑分布等一系列研究，并建立油滴破裂尺寸與破波能量之間的關系[22]。其中長方形水槽長5 m、寬0.5 m，水深為1 m，油膜厚約1～2 mm；通過調節槽末端(右)嵌上的造波器頻率和振幅，控制破波的發生位置和大小，以提供一系列的可控波，并讓波浪在特定位置聚集所需的能量，消波器安裝在槽的另一端，以消除或減少波反射(圖3)。

為獲得高能量的崩碎波，還開發了“瀑布式沖擊流”裝置，即由安裝在水槽上方一定高度處、裝滿9 L水的樹脂玻璃槽傾斜到水平位置而產生波浪。為確定造波器的波振幅與“瀑布式沖擊流”自由降落高度之間的對應關系，樹脂玻璃槽內水體落下的高度也可通過向上或向下移動負載其的固定板實現(圖4)。

圖4 “瀑布式沖擊流”的形成

此外，研究者還可通過比較一定高度的破波所產生的油滴尺寸分布與“瀑布式沖擊流”水體自由下落導致的油滴尺寸分布，實現“瀑布式沖擊流”與破波能量的校準，并在改裝后的橢圓形風化水槽(圖5)中進行長期的溢油風化實驗，使溢油不僅處于破波環境，同時也處于“瀑布式沖擊流”帶來的崩碎波中，更加貼近海洋實際地分析溢油自然分散的物化性質和粒徑大小。

圖5 橢圓形波浪水槽

約有4.8 m3的海水循環于周長約為10 m的水槽(置于0℃～20℃的溫控室中)，風洞中放置2個風扇用于模擬各種風速。“瀑布式沖擊流”可以一定的時間間隔進行，在此之前造波器要先幾分鐘關閉，以便石油被限制于沖入下游測試區的障礙物后面，使分散油滴重新鋪平成均勻的浮油，這有利于計算油膜厚度和黏度與油滴分散大小的關系(圖6)。值得注意的是，每次實驗狹窄油層的油膜厚度都不同，由于油包水乳劑的密度接近海水密度，更傾向形成厚油層，自由下落高度必須時常增加，以彌補由于黏度和油膜厚度增加而造成的油膜破裂。

圖6 “瀑布式沖擊流”的實驗原理

除以上使用頻率較高、文獻報道較多的大型波浪水槽外，國外還有配備人工沙灘的模擬水槽。如，美國德克薩斯州海岸線環境研究機構的波浪水槽(33.5 m×2.1 m×2.4 m)設有坡度為10°的模擬沙灘[23]，以研究分散劑及時處理溢油的可行性和優點；加拿大曾在SL ROSS波浪水槽(11 m×1 m×1 m)測試分散劑的有效性，并將該結果與英國相似條件下處理相同油的海上測試結果相比較[24]。

4 國內海上溢油風化模擬系統

國內已報道的、最具代表性的模擬溢油波浪水槽是深圳市計量質量檢測研究院的海上溢油風化模擬系統(圖7)[25]。

圖7 海上溢油風化模擬系統

該系統是“十一五”期間“水上溢油預測預警與應急決策技術”課題的技術成果之一。池體的長、寬、高分別是5 m、3 m、2 m，實際水位高0.9 m；主要由溢油池、水流模擬裝置、程序控制系統和監視系統組成，安置于室外；池中有2塊平行撥水板，并設置側面推進器模擬海水真實的平流、局部環流或湍流流動狀態；該設備的其他相關參數和作用原理參見參考文獻[26]。基于這一模擬裝置，研究者分析溢油水體水質[27]、風化過程中的溢油化學組成成分[28]和物理特性[25]的變化，為溢油預警預測、漂移動態預報技術、環境歸宿和溢油鑒別提供更接近實際數據的技術和科學依據。

此外，我國模擬溢油的波浪水槽還包括：張秀芝等[29-30]、楊慶霄等[31]和趙云英等[32]研究溢油分散效果所采用的長×寬×高分別為25 m×0.6 m×1.2 m、25 m×0.5 m×0.8 m和15 m×1.0 m×0.8 m的波浪水槽；錢國棟[33-35]研究鹽度對溢油分散效果影響所采用的長×寬×高為7 m×0.5 m×0.5 m的波浪水槽，研究“波浪條件”和“劑油比”對2種分散劑作用于渤海原油效果時所采用的長×寬×高為5 m×0.3 m×0.4 m的波浪水槽，以及評價水面和水下溢油分散劑有效性時所采用的長×寬×高為5 m×0.3 m×0.4 m和2 m×1 m×1 m的波浪水槽等。

5 結語

利用波浪水槽開展中試規模的溢油模擬研究，不僅可以反映溢油在水體中的乳化分散過程、油滴的遷移與稀釋過程，而且可以反映溢油自身物理特性及其組成的化學變化。由于波浪水槽能夠提供充分的擴散空間，有效降低由于乳化油顆粒重新聚集上浮水面造成的實驗誤差，更能反映出原油在真實環境下的自然或化學分散結果。

比較國內外波浪水槽設備可以發現，國外水槽規模比較大，大多是戶外型，功能齊全，可控參數多，測試角度多，測試結果往往更具權威性和綜合性；此外還有專門的研究機構對其進行綜合管理和利用，設施維護好、利用率較高。相比之下，國內目前報道的模擬溢油水槽都較小，與國外規模還有差距，也缺乏專門的認證機構或科研組織單位開展有針對性且范圍較廣的模擬研究，有效利用率較低；一些不成規模(或小規模)的水槽分散在各研究單位，彼此間缺乏實驗數據的統一和共享，阻礙我國該領域的發展。我國海岸線較長，擁有大面積內湖、內河及開闊海洋，劃片建立規模統一的大型戶外或室內可控模擬溢油設備，明確測試組織機構和維護單位是溢油研究領域的迫切需求和發展必要。

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Latest Research Progress of Wave Tank Used for Simulating Oil Spill at Home and Abroad

WANG Qiaomin，YAN Zhiyu，SUN Bing，LIU Hui

(Environmental Science and Engineering College，Dalian Maritime University，Dalian 116026，China)

Reproducing the real situation of oil spill by using the simulation devices is the most convenient and fastest way to study spilled oil’s dispersion，pollution damage assessment and composition variation characteristics.Therefore，water environment in simulation equipment is more similar to the sea，and the research data is more reliable.In this paper，wave tanks used for simulating oil spill at home and abroad were reviewed in detail，mainly including Ohmsett tank established by National Oil Spill Response Test Facility，USA，and the other two built by Bedford Institute of Oceanography，Canada and SINTEF Research Institute，respectively，and domestic oil spill weathering simulation system that is typical，reported and located in Academy of Metrology and Quality Inspection，Shenzhen.The most representative wave tanks above at home and abroad were introduced，analyzed and compared，and the advice of oil spill simulation tank construction in China was also proposed in view of foreign experience，which aimed at providing a variety of wave tank equipment for reference to oil spill research workers and improving the deficiency in the existing analog devices.

Oil spill，Wave tank，Experimental simulation

2016-11-02；

2017-03-12

國家重點研發計劃項目(2016YFC1402301)；國家自然科學基金項目(41206095、41576111、11675031)；遼寧省教育廳科研項目(L2015061)；遼寧省科技廳科研項目(2015020596)；中央高校基本科研業務費專項資金項目(3132016327).

王巧敏，博士研究生，研究方向為分散劑對溢油特性及風化行為的影響，電子信箱：464451747@qq.com

嚴志宇，副教授，博士，研究方向為溢油及其風化特性，電子信箱：120236122@qq.com

X55

A

1005-9857(2017)04-0081-07