渤海结冰海区溢油行为数值模拟

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1、5.O.第30卷第期海洋与湖沼Vol30N5.,1999年9月(X王AN()LOG!AETLl入INOLOG】ASINICASeP19,9渤海结冰海区溢油行为数值模拟’十余加艾张波刘钦政陈伟斌王仁树(国家海洋环境监测中心大连116023)(青岛海洋大学海洋环境学院青岛266003)、、提要基于溢油与海冰水大气的相互作用原理,建立了渤海结冰海区溢油行为数值模式。该模式模拟了结冰海区中油膜的输运过程,与国外有关模式相比更加重视冰场和冰速场的作用。海冰及潮流模式采用被实况检验过的渤海海冰数值预报模式。数值试验结果表明,本数

2、值模式正确地描述了冰区溢油在扩展、漂移过程中对风场、潮流场、冰场、尤其对冰密集度的敏感性。该模式为及时清除溢油、进行溢油灾害评估及保护海洋环境等提供了可靠的依据。关键词结冰海区溢油行为数值试验学科分类号P731.15,。近20年来冰区溢油行为的研究已成为国际上海冰界关注的热点如Martin(1979),首e1982)”次在实验室研究了油与莲叶冰之间的相互关系Fre等(研究了冰区中油的扩展,。和扩散过程sS等(1987)于加拿大海域进行了三次可控溢油试验他们的研究工作主Ro要集中在冰与油的相互作用及冰区中溢油行为的数值

3、模拟等,与无冰水域中溢油行为的研究相比,在理论上还有一定距离。近年来,有关研究人员在首次开展了渤海有冰海区溢油行为的关键性技术研究工作(余加艾等,1997),初步建立了为海洋管理服务为目的的渤海冰区溢油行为数值模式,该模式的计算结果为清除溢油、进行灾害评估和保护海洋环境提供了可靠的依据。1冰区溢油的特点无冰海区的油污染范围是指油膜覆盖的海面。有冰海区的油污染范围也是油膜覆盖的海面,,这表明其污染范围与冰密集度有关。溢油在海水中的扩展但其中还有冰块存在过程按照Fay(1969)的三阶段(惯性力/重力,重力/粘性力,。粘

4、性力/表面张力)理论描述,c2,:有冰海区海水温度接近海水的冰点Shul仪e(1984)指出此时上述的第三个阶段可以略去,而且冰块之间的水中油膜的平衡厚度大于Fay(1969)的理论计算厚度,达到平衡厚度。y196:的时间也比Fa(9)的理论计算的短venkatesh等(1990)的研究表明在冷水中油膜.,.,,,,一国家海洋局资助项目海管发1995一262女出生于19引年副教授1飞lx:00864114672396余加艾一,.,l)eA,ox,euetosesoo一s一avour一neneeesFrepCJCShl

5、tzLA1982Labora尽tudif1P11behibrokiflld.,,ProcRArctieManneOllsP一11ProgTeeealSemlnarmontonAltafthramhnjEdeueeuer01slavour..ol2)Shltz民1984AfildgidfoArctie1pllbehiA代teeIneClurnb我Md日期:1997一12一23,收修改稿:19984一13收稿日期一5期余加艾等:渤海结冰海区溢油行为数值模拟的厚度是油的粘度的线性函数,初生冰中油膜平衡厚度是冷水中的4。倍油

6、膜在有冰海区的漂移过程不但受到风场和表面海流的影响,还与冰的密集度和冰速有关。一般来说,存在于冰上或冰下的油膜随冰块漂移,但当冰下的海水流速和冰速之,,。差达到一定数值时油膜则离冰随水而去(Cox。tal1981)在冰块之间水域中的油膜还受到冰块的阻挡和推移作用。在有冰海区中,油膜的蒸化、乳化等风化过程与无冰海区一样进行,只是由于温度低,过程较缓慢。2渤海冰区溢油行为数值计算模式为了模拟有冰海区溢油行为,视冰区的溢油行为是由油、水、冰组成的多相流动系统,、漂移过程看作其在多相流动系统中的一部分,因而更加重视海流速将油

7、膜在冰区的扩展、冰速及冰密集度在计算中的作用,。度从而改进模拟计算公式2.1扩展过程模拟结冰海区中溢油扩展范围是冰密集度的函数,因此,在计算溢油扩展面积时要考虑冰上油、冰下油及冰密集度等因素的影响。,、、、v。设Ac为溢油扩展的最大面积它由油膜平衡厚度气冰密集度C冰厚气油粘度以、。。及油与海水的比重p几等因素确定,,,如果C<80%此时一部分油被冰块底部吸附还有一部分油量被碎冰或半记为气,。融冰吸附记为叱若总溢油量为v,则海水中油的剩余量U和溢油扩展面积次的计算公:式为二V;U一一联(l)KU。(2)h(l一C)上述

8、公式中的气和只的计算可参考Venkatesh等(1990)。,。,如果C)80%即为高的冰密集度情形由于冰块间相互碰撞油在冰块之间不能扩展则厚度较大。此时不仅要考虑冰块间的油膜厚度,还要兼顾浮在冰上或吸附在冰下的。,Venates1990:油膜厚度为此将kh等()公式修正如下=。次V/h(3),.夕.‘.、产、Z/、p、_、··h(l一。一户。