海上溢油下潛過程特征的實驗考察＊

嚴志宇 任 杰 付紅蕊 孫 冰

(大連海事大學環境科學與工程學院)

0 引 言

隨著現代化工業進程的加速，石油開采規模急劇擴大，大大促進了海上油運的迅速發展。不斷發生的海上溢油事故使得石油成為海洋的主要污染物[1]。研究溢油進入海洋環境的行為，對于確定預警方案和相應治理措施具有重要意義。海面油會下潛到水體中，其運動軌跡和歸宿、對環境的影響會產生很大變化，因此對下潛油的形成條件、行為特性的研究非常迫切。

密度低于海水的溢油進入水體的下潛，是依靠波浪對油的夾帶和破碎作用[2]，而化學分散劑通過降低油-水界面張力而增強油的破碎[3-5]。目前對油在水體垂直分布的模型中，更多關注油滴粒徑分布。這些研究反映了油性質(黏度、界面張力)對油滴尺寸的影響以及分散劑對油滴分散性的影響[6-10]。但是大多數研究只是基于一個波浪在短時間作用的結果，是對單個因素單獨建模，然后組合得出一個經驗方程，如Delvigne和Sweeney[11]的建模方程。這樣的模型不能很好地應用于自然海況。為解決這個問題，Reed[12]將建模的范圍擴大到考慮了黏度與表面張力的影響，通過引進韋伯數與雷諾數進行建模。Johansen[13]提出對一個破碎波的整體過程與持續過程的研究，考慮了下潛后的再上浮過程。Li等進一步考慮了動態黏度和慣性力等因素，引入Ohnesorge數進行建模，應用于表面破碎波和海底井噴的液滴尺寸模型[14-15]。

這些多因素、多過程的綜合考慮使預測模型越來越復雜化。為提高預測準確度，應該對下潛機理及特征進行更深入研究和考察，使建立的模型既抓住主要矛盾，又使其形式簡單，并有較強的實用性和普適性。為此，本研究在前期工作的基礎上，用擋板燒杯對不同類型的波浪進行模擬，考察溢油在波浪和分散劑這兩個關鍵因素影響下的下潛規律，下潛規律主要從下潛率、下潛穩定性兩個角度來分析。

1 實 驗

本研究是用擋板燒瓶里人工海水和少量油、分散劑在振蕩條件進行的。擋板燒瓶是國際上唯一的混合能量被實際校準的應用容器[16]，用這種小規模的實驗裝置來模擬大規模大量油的情況，能夠更好地實現條件控制，使操作標準化，且采集的樣品能反映油在水體中的整體狀態，能更清晰地了解各影響因素的關聯。

實驗原油樣品為中東原油，室溫20℃黏度為10.9 mm2/s，密度為0.835 4 g/cm3，屬于偏輕油質，易受波浪和分散劑影響，能較好反映其作用效果。所用分散劑為富肯II號。

將體積為120 mL、鹽度為30‰的人工海水放入150 mL的擋板燒瓶中。取100L實驗油輕輕地分配到水面的中心，等油膜擴展到黏度和油-水間表面張力達到亞平衡時，穩定15 min后再進行后續操作[17]。在這種統一的初始狀態進行實驗可使結果重復性好。再用微量移液槍加分散劑到油表面。DOR(分散劑與油的比例)分別為0，1∶25，1∶10。DOR 1∶25是基于EPA方案[18]、DOR 1∶10是參考富肯II號分散劑的使用范圍而確定的。

將擋板燒瓶放入30℃下的氣浴恒溫振蕩器(中國常州金壇良友儀器有限公司，SHZ-B2)中。根據參考文獻[19]的條件，振蕩頻率為125，250 r/min，分別模擬規則波和破碎波。在波浪作用時間分別為5，30，60，120 min時，取樣測試油的下潛率，其后靜置0，1，5，10 min時，測試下潛穩定性。

取樣時，用移液管移取擋板燒瓶中30 mL的油水混合液體到125 mL的分液漏斗中，用5 mL的正己烷萃取兩次，用紫外分光光度計(T6新世紀型紫外分光光度計)測試水體中油的含量。由下式計算下潛率。

(1)

式中：下潛率(DE)指在波浪作用下進入水柱中的油的質量占總油量的百分比；mwt為進入水中油的質量，g；ρoil為油密度，g/cm3；Voil為加入油的總體積，mL。

2 結果與討論

2.1 波浪對油下潛率的影響

在不同類型的波浪、不同DOR條件下，中東原油下潛率測試的結果如圖1所示。

圖1 不同條件下中東原油下潛率隨時間的變化(W1為規則波，W2為破碎波，以下同)

從圖1可看出，相對于分散劑含量，波浪類型的影響更大，中東原油在規則波作用下其下潛率都小于破碎波作用結果。在DOR 1∶25的條件下，破碎波比規則波作用下的下潛率最大高出79.8%。

一般情況，油的下潛率隨波浪作用時間增加而增加，因為波浪作用有時間的累積效應。這在文獻的模型計算中有所反映。但本實驗中，下潛率>60%時，隨波浪作用時間增長下潛率會下降。這說明在下潛的過程中同時存在上浮過程，下潛量增加，上浮也隨之增加。也說明再上浮的油不易再下潛，這對有分散劑的油更明顯，產生所謂的分散劑失效現象。

波浪對油的下潛作用和油密度小于海水而產生的上浮作用的對峙情況隨時間而變化，因而下潛率會出現最大值的情況。

2.2 分散劑對油下潛率的影響

從圖1可看出，在破碎波作用5 min時，DOR 1∶25與DOR0的條件下，油的下潛率差異為22%。相比之下，規則波作用下的差異只有4%，說明分散劑效果受波浪類型影響很大。其后，可能因為分散劑部分失效及上浮作用等原因，分散劑含量對下潛率的影響不明顯。

本實驗條件下，破碎波、規則波下，都是DOR 1∶25時油的下潛率最大，即下潛率和分散劑含量不是簡單的單調遞增關系。分析原因可能是隨著分散劑增加，下潛油增多導致上浮增強，而上浮的油不易再下潛，即產生了所謂分散劑失效的現象，這與本研究的前期實驗中觀察到的情況一致。

2.3 油下潛的穩定性特征

真正下潛的油不是隨波浪暫時翻滾于水面下，而是能夠在一定時間內懸停在水體中，為此，通過對波浪作用120 min后再靜置取樣分析，研究了油的下潛穩定性，結果如圖2所示。

圖2 波浪作用120 min后油下潛率隨靜置時間的變化

通過圖2可看出，原油在靜置中油的下潛率快速下降，在靜置1 min時就基本減小到穩定值。沒有在1 min之內取值，是因為振蕩后的水體尚未完全靜止。1～10 min變化不大，說明此時的下潛率反映的是穩定下潛于水體的油。為此，對靜置1 min后油的下潛率，見圖3，進行分析。

圖3 波浪在不同條件作用后靜置1 min時油的下潛率

從圖3可看出，穩定1 min后油的下潛率也是受波浪類型影響最大。DOR 1∶10、波浪作用5 min時，破碎波作用下的下潛率比規則波的高出13.1%，而分散劑帶來的最大差異為9.8%。

比較圖1和圖3可看出，分散劑含量對油的下潛率和穩定1 min后的下潛率的影響規律不同，穩定下潛率與DOR基本為單調遞增關系。這說明波浪和分散劑對穩定下潛率的作用效果不同：波浪增加油的下潛率，但受上浮過程影響，分散劑卻是增加下潛油的穩定性。

3 機理探討

從實驗結果可以看出油的下潛率隨時間變化是復雜的：無分散劑的油下潛率隨時間增加，可看出波浪作用有隨時間累積的特點；從下潛率隨波浪作用時間的增加會出現下降的情況，可看出上浮過程的凸顯，以及油的再下潛性會下降的特征；在受波浪時間累積效應小、上浮過程影響小的破碎波作用初始階段，可分析分散劑含量的影響，并能發現分散劑在波浪作用一段時間后效果會降低的現象。

上浮過程的凸顯發生在存在分散劑、下潛率較大(>60%)時，此時，隨波浪作用時間增加，下潛率下降，且降至無分散劑之下(見圖1中破碎波的情況)。這說明上浮油的再下潛性降低，可能是多組分的油中易分散組分下潛后不易上浮，上浮的都是不易下潛的組分。分散劑也可能在下潛中部分留在水體，與上浮油分離，表現出分散效果隨時間下降的特點。

波浪通過夾帶及破碎，使漂浮油進入水體，易上浮。所以說波浪更多地是增加下潛的量，而分散劑卻增加破碎的油，小油滴的增加使穩定的下潛率增加。這可解釋分散劑含量對下潛率有最佳值，但對靜置1 min后的穩定下潛率卻基本有單調遞增關系。

本文用擋板燒瓶進行海面溢油下潛過程的模擬，無論是波浪還是油膜狀態，都能得到很好的控制，易實現標準化。和在風化槽中實驗模式[20]不同，本實驗對水中下潛油進行整體分析，沒有考慮油在水體中深度分布，而是將重心放在漂浮油離開水面進入水相的過程，并非文獻中將其和在水體中垂直運動一起研究，這樣更有助于下潛機理分析和模型的建立。本實驗用靜置一段時間后油的下潛率代替文獻中粒徑分布來反映穩定下潛于水體中油的狀態，有助于實驗數據和實際海況進行有效關聯。這種將小型的、標準化的測試結果反映了多因素、多過程的綜合下潛效果，可作為海上溢油下潛的預測模型的輸入，使實驗測試和數學計算相結合建立一套實用且簡化的預測模型成為可能。

4 結 論

在不同類型的波浪作用下、不同DOR條件下，用振蕩的擋板燒瓶研究了海上溢油下潛于水體的過程特征，結果發現：

1)波浪類型是油下潛的關鍵因素，破碎波比規則波作用下的下潛率最大高79.8%；分散劑通過與破碎波耦合，增加下潛油的穩定性；下潛油上浮過程中可能發生組分分異，使上浮油下潛性下降，表現為分散劑隨時間有所失效。

2)本研究采用的小型的、易標準化的實驗手段可用于溢油下潛過程的預測，簡化對多因素、多過程的綜合效果的計算，使建立一個更實用和簡化的海面溢油下潛過程預測模型成為可能。