复杂河网水系油粒子模型开发及溢油污染模拟

王 鹏，申 霞，王船海，华祖林，马乙心，刘晓东

（1.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏南京 210098；2.河海大学环境学院，江苏南京 210098；3.南京水利科学研究院，江苏南京 210029；4.河海大学水文水资源学院，江苏南京 210098）

1 研究背景

随着全球经济的发展，世界各国对能源的需求与日俱增，海上石油运输量迅猛增长，水体溢油事故风险大为提升。为了预测溢油事故发生后的运动轨迹和扩散范围，科学评估其对生态环境的影响程度，提高溢油事件处置的应急响应能力，通常采用数值模拟方法对溢油自身扩展运动、在水流和风场作用下的漂移和扩散以及各种风化过程进行预测。溢油模型的研究始于1960年代，主要经历三个阶段：首先是油膜扩展模型研究阶段，以Fay理论为代表，考虑重力、惯性力、表面张力和黏性力作用，通过不同阶段油膜扩展的动力机制建立油膜直径经验表达式，取得了开创性成果［1］；第二阶段为基于对流扩散方程的数值离散模拟溢油运动，其可能会引入与物理扩散无关的数值扩散，甚至完全掩盖溢油的实际物理扩散过程，计算结果欠佳；第三阶段为Johansen［2］和Elliott［3］等人提出的油粒子模型，该方法将水体中的溢油视为众多离散油粒子的组合，粒子的平流过程具有拉格朗日性质，而剪切流和紊流引起的扩散过程属于随机运动，可用随机走动法来模拟，即将紊流视为一种随机流场，每个油粒子在紊流场中的运动类似于流体分子的布朗运动，运动的随机性使得整个粒子“云团”在水体中扩散，由于该方法对溢油扩散过程的模拟更加接近真实情景，目前应用较为广泛［4-6］。……