海底管道漏油污染的动态研究

周举史雨夕

（1．东北石油大学石油工程学院，黑龙江 大庆 163000 2．中石油大庆油田分公司天然气分公司，黑龙江 大庆 163000）

海底管道漏油污染的动态研究

周举1史雨夕2

（1．东北石油大学石油工程学院，黑龙江 大庆 163000 2．中石油大庆油田分公司天然气分公司，黑龙江 大庆 163000）

针对现阶段海底输油管线的漏油模型主要用以解决海面溢油问题的这一情况，本文建立了一种在海底输油管线发生断裂或腐蚀情况下，由于存在蠕孔所引起的漏油问题的数学模型，用于预测输油管线上某一点出现蠕孔，并发生漏油之后，在海面上产生油膜的尺寸以及是否可以到达海岸线，并对到达海岸线的原油量进行预测。

输油管道；污染；动态研究；MAECOLMP模型

最近几十年以来，随着海底输油管道的广泛应用，相关专家学者也越来越关注海底管道漏油对于海洋环境所造成的破坏，并通过长时间的研究，建立了数十种不同的模型用以对漏油的行为及归宿进行预测。在已有的模型当中，绝大多数都是研究海面及接近海面位置的溢油问题，但是针对水下溢油问题，尤其是最为常见的海底输油管线发生破裂而导致的原油泄漏问题，由于海底的复杂情况，仍然处于研究的一个盲区，亟需研究既可以计算水下的漏油情况，同时又可以计算水面漏油情况的数学模型。针对这一情况，本文建立了MAECOLMP模型，来对渤海地区海底管道的漏油问题进行动态研究。

1 基本模型的建立

本模型假设原油是从海底输油管线表面的蠕孔当中向外泄漏的。一般情况下，输油管线上蠕孔的直径都较小，基本都小于5毫米，因而当原油从管线的蠕孔中泄漏之后，在上升过程当中不会出现连续上浮的油珠的浮射流，而是形成单个存在的油滴，之后收到紊流的影响，逐渐扩散并形成羽流，最终逐渐上升至水面，形成油膜，并随着海水表面海水流动的方向逐渐扩展。根据输油管线表面蠕孔所处位置以及漏油量的不同，并参考此时海洋表面海水的流动情况，就能够判断泄漏的原油会漂浮至海岸线附近，亦或是在运移时被海水所驱散。

为了能够准确的计算管线蠕孔的漏油量，就需要通过水力学的相关公式计算输油管线内原油的流动状态，并确定管线内外压强的差值，进而得到精确的输油管线蠕孔漏油量。具体方法是把较为复杂的蠕孔简化为一个圆柱形的管，其长度为输油管线的壁厚。

羽流以及其轴线能够由水流速度和油珠上浮速度之间的比值来进行确定。其中，水流速度主要由风成流速、潮流速度等所确定，油珠的上浮速度可以通过公式（1）来进行计算：

在上式当中：

g表示重力加速度，N/kg；

pw表示海水的密度，kg/m3；

po表示原油的密度，kg/m3；

do表示油珠额直径，mm。

为能够计算有油珠所构成的羽流的大小，首先假定各个油珠的尺寸均相同，其在海水当中发生扩散都是由紊流扩散所导致的，则原油在海水当中的浓度能够由紊流扩散的经验公式获得。对于接近海底的水域而言，形式为：

为了能够定量的计算原油在距离海面较近水域当中的浓度，可以将边界条件改变成“吸收”边界，此时原油油珠会受到海水一个向上的浮力使之漂浮在海面上而不会发生下沉。这时上式可以改变为：

在上式当中：

co表示原油在海水当中的浓度，mg/kg；

K1以及K2表示水平以及垂直方向上紊流扩散系数；

Ho表示发生泄漏位置的水深，m；

v表示海水的流动速度，m/s。

假设直角坐标系当中的原点位置即为发生原油泄漏的位置，此时垂直方向为z轴，海水流动的方向为x轴。此时需要注意的问题是以上两个公式当中，以及只有处于边界位置，才能够有明显的贡献。

由油珠所组成的羽流的尺寸可以由某个固定的油水浓度值来进行确定，例如原油在海水当中所允许的最大浓度。

为了能够判断海面上油膜的大小，应当计算单位时间内漂浮至海面上的原油总量Qh，其数值的大小能够由公式（2）当中对z=H0至z=正无穷进行积分而获得。假定油珠上浮至海面之后形成油膜，并且随着风的方向逐渐扩散为带状，则油膜和海水表面接触的宽度能够由下式来进行确定：

在上式当中：

cs1表示当有膜厚度最薄的情况下海面上原油的浓度值。

海面上原油所形成油膜的宽度以及厚度所发生的变化，可以采用海上溢油扩散公式来进行计算。油膜漂浮于海面的过程中，可能会被海面的风浪所驱散，形成新的油滴，并于海水当中发生紊流扩散。在本模型当中，这一过程可以由海面上的浮油有一半被风浪所驱散所需要的时间来进行表征。因而能够认为，被风流以及海流所带至海岸线附近的原油量要远小于输油管线蠕孔所泄漏的原油的量。在原油发生泄漏的过程当中，漂浮至岸边的原油总量由以下公式进行计算：

在上式当中：

L表示从发生漏油的位置至海岸之间的直线距离，km；wwd表示风速，m/s；

φwd表示风的方向和海岸线之间的夹角，度。

2 结语

通过对计算所得到的结果进行分析后发现，本文所建立的数学模型能够定性定量的得到海底输油管线上蠕孔发生原油泄漏情况下的污染情况，为有效解决海底原油泄漏问题提供了理论依据。因为输油管线上蠕孔所造成的原油泄漏量很少，难以在上升阶段形成浮射流，因此将泄漏的原油当成是油滴状态的存在，故认为油滴受海水浮力影响的上升速度为影响漏油状态的最为重要的因素。

［1］石成玉.浅析石油运输对我国海洋污染的分析与对策[J].石化技术,2016(1):259-160.

［2］Capó E,Orfila A,Sayol J M,et al.Assessment of operation⁃al models in the Balearic Sea during a MEDESS-4MS experiment [J].Deep Sea Research Part II Topical Studies in Oceanography, 2016.