关于海上溢油应急处理的仿真和三维可视化的研究

魏国

摘 要 近年来，我国不断加大海上油气资源的开发力度，而海上油气资源开采中的问题也日益突出，海上溢油是比较常见的海洋油气开采问题，对生态环境的破坏十分严重，海上溢油应急处理机制可以有效控制海上溢油的扩散速率。但我国现有的海上溢油应急处理技术仍然十分落后，不能实现海上溢油的动态仿真，降低了海上溢油应急处理的敏感度。本文将基于OSG技术与平面折射技术进行海上溢油扩散仿真，在仿真模型的基础上对海上溢油应急工作流程进行三维可视化处理。

【关键词】海上溢油 应急处理 仿真 三维可视化

计算机数字化计算已经广泛应用于各个领域，仿真与三维可视化技术就是计算机数字化技术的重要分支之一。传统的海上溢油应急处理机制缺少理论支持，不能对溢油的危害程度进行有效预测，更不能详细计算出溢油的扩散、漂移路径，导致救援机构不能及时采取海上溢油应急处理措施。目前，我国对海上溢油应急处理人员的培训主要以实地培训为主，但实地培训的成本费用较高；国外海上溢油应急处理培训则主要以海上搜救模拟器为主，海上溢油应急处理仿真系统是海上搜救模拟器的重要组成部分。

1 海上溢油仿真

1.1 水动力影响

影响海上溢油行为的因素有很多，包括常见的潮汐、水流、风向等，而现有的海上油气开采平台一般处于近海，因此海上溢油受水动力的影响最大，水动力主要来源于潮汐，而且不同区域的潮汐对海上溢油的影响程度也具备差异性，下面将选择黄海地区某海洋油气开采平台作为研究对象。将对海上溢油行为的研究简化为水动力研究，而水动力的研究主要包括水平运输以及水位上升，因此可以选择二维单层流体力学的理论模型进行仿真，模型中的影响因素包括潮流四个方向的分量、水位以及水流平均速度。

1.2 溢油数学模型

海上溢油的行为十分复杂，不仅存在漂移、扩散等现象，还会出现挥发的行为。海上溢油的行为除了受到外力的影响，还受到自身重量、运动模式等影响，另外，溢油种类不同产生的理化特征也会有差异性。因此，在溢油数学模型中，应该将溢油的基本属性纳入模型，包括溢油的重量、温度、密度、体积等，本文设计的溢油模型主要考虑了溢油的四种行为，包括漂移、扩散、蒸发以及乳化等。海上溢油模型的建立分为三个步骤，包括重力与惯性力分析模型、重力与粘性力分析模型以及粘性力与表面张力分析模型，最后得到海上溢油漂移、扩散、蒸发以及乳化等四种行为的模型。

1.3 溢油三维可视化

三维可视化的基础在于坐标的建立，因此，在进行三维可视化仿真前必须对海洋实际情况进行勘测，本文运用海水测绘模型对海浪进行测绘，通过LOD技术保证海浪测绘的准确性。之后利用OSG技术对海浪进行RTT处理，对海上溢油纹路的处理可以被直接读取，保证渲染的性能。将海上溢油划分成为若干单元，对各个单元进行运动轨迹计算，之后利用多边形分格法进行轨迹处理，仿真模拟的结果不会直接显示在屏幕上，而是形成对应的折射纹理图，最终形成海上溢油的三维可视化模型。海上溢油的三维仿真流程如图1所示。

2 应急处理仿真

2.1 围油栏仿真

目前，最常用的海上溢油应急处理措施是通过围油栏限制海上溢油的影响范围。现有的围油栏以充气式橡胶围油栏为主，該围油栏的骨架为合成纤维，具有较高的强度，另外，该种类型的围栏具有较好的耐油性与耐磨性，同时抗紫外线老化的能力较强，因此，充气式橡胶围油栏已经成为目前主流的海上溢油应急设备，广泛应用于港口、海湾、海上油气开采平台等。本文以WQJ1000充气式橡胶围油栏为对象进行三维仿真，应用的仿真软件为CreATOR 2.6。

2.2 碰撞测试模型

当发生海上溢油事故时，搜救传以最快的速度达到事发地点，通过在事故点附近布置围油栏控制油液扩散，溢油与围油栏发生碰撞接触时，溢油未与围油栏接触的部分会继续向前运动，导致海上溢油与围油栏发生碰撞。海上溢油属于柔性模块，而围油栏属于刚性模块，为了保证围油栏的安全，必须对接触碰撞进行检测，每隔一段时间对碰撞强度进行检测，首先获取溢油与边缘的位置，通过软件模拟出这些位置点数据，如果位置点重合则说明溢油与围油栏发生碰撞。

2.3 应急措施仿真

本次仿真实验的设备硬件包括2.5GHz以上的CPU，为了保证仿真运算效率，计算机内部必须高于4G。仿真软件的运行环境为WINDOWS 7，利用Visual Studio 2010 软件平台进行仿真计算，具体的计算程序以C++为主。在进行海上溢油仿真时共有2233个网格点，实景管理软件以OSG 2.8为主，将溢油碰撞算法与溢油模型进行综合，实现溢油围栏三维可视化。

3 总结

随着海洋油气工程的快速发展，海上溢油事故的发生率也在逐年增长，而海上溢油的破坏性极大，不仅直接污染了海洋水质，同时对海洋生物链造成不可修复的破坏。海上溢油事故拖延的时间越久，溢油扩散范围越大，因此，海上溢油应急处理措施应该越快越好。海上溢油应急处理仿真系统可以有效预测海上溢油的路径，并帮助工作人员制定针对性的海上溢油应急处理措施。以上从海上溢油与应急处理两个部分进行仿真，构建了可行性的海上溢油应急处理仿真系统，希望本文的研究有利于我国海上溢油应急处理的快速发展。

参考文献

[1]刘文全.基于GIS的海上石油平台溢油应急决策支持系统结构与应用研究[D].中国海洋大学，2010.

[2]余枫.海上搜救模拟器中近海溢油的实时仿真与可视化研究[D].大连海事大学，2010.

[3]宋圣伟.海上溢油事故联合救援物资优化调度问题研究[D].大连海事大学，2014.

作者单位

天津中海油工程设计有限公司 天津市 300452