声速法判断溢油污染物的特征及动态研究

张 颖，王 茜，张颖颖，侯广利

（山东省科学院海洋仪器仪表研究所 海洋环境监测重点实验室，山东 青岛266001）

声速法判断溢油污染物的特征及动态研究

张 颖，王 茜，张颖颖，侯广利

（山东省科学院海洋仪器仪表研究所 海洋环境监测重点实验室，山东 青岛266001）

溢油不仅污染了海面，并伴随着水流的流动污染了海底沉淀。利用直接法和间接法同时测量溢油污染物的声速，通过声速平均差值判断溢油的位置及浸没深度，从而跟踪溢油的动态。根据外场试验总结得出溢油的特征及扩散情况：在海流和风流的作用下溢油不断扩散，随着溢油浓度的降低，声速降低，在相对窄的大陆架内溢油存留在10 m的水层内，并扩展到更深的区域。

声速法；探测；溢油特征；跟踪

水下石油管道、硼砂平台、运油船只和岸上石油站的事故是引起溢油的主要原因，暴风天气和水面的强烈波动阻碍了溢油的流动，并将其击碎，形成乳化混合物，在很大范围内乳化物跟随着水流流动[1]。在海水中混合物的扩散，使得污染斑点从水面扩散到海底，污染海底沉淀，因此需要在相对短时间内保护水面和海底的环境。

舰船、飞机、直升机和轨道卫星对水上事故区域表面的观察是传统的局部污染的探测方法，但是目视侦察只能探测污染物的表面轮廓，并且只能在天气好的情况下进行[2]。现在一种新的方法是利用声学方法探测水中的污染物，并在此基础上，进行了一系列理论和试验研究。采用声透射和声反射的方法进行测试，以声速测量作为主要手段进行分析[3]。通过直接和间接测量溢油污染物声速值的方法，利用两种方法的差值来判断污染物的位置、动态，从而进行跟踪处理。

1 声速测量法原理

水介质本身的特性决定了声波扩展的特征，以此为基础利用声学方法探测溢油污染物[4]。在一维无限边界条件下，弹性声波的扩展可以用标量方程来描述：

式中：X为弹性模量；ρ为平衡密度，标示着海水介质的特征，并与3个主要因素有关：海水温度T0，海水盐度S和流体静压力Ph，这些参数与声速的关系表示为：

在此基础上建立了声速的间接测量原理，将给出的温度、盐度和流体静压力带入试验关系式中，从而确定声速值。现代的声速间接测量仪具有高灵敏度的热处理、电导和流体动力传感器，通过模拟－离散换能器与微处理器相连，按照时间进行计算，并四舍五入，得到海水中声波的扩展速度的精度为 0.005～0.01 m/s[5-6]。

另外，声速是声波在时间上的一阶导数，

在这个原理的基础上建立了直接测量声速法原理，声源和声接收器之间的距离越精确，声信号通过这个距离的时间越精确，测量的精度越高。现代的直接声速测量仪的精度可定位到 0.001～0.01 m/s[7]。

2 实验室试验

在实验室条件下进行试验，污染物使用的是建筑粉尘和石油乳化物（汽油、柴油和机油）。在纯海水中，温度T°为10～20℃、盐度S为13～18的条件下，同时进行声速的直接和间接测量，测量结果区别不大，差值为0.3～0.5 m/s。在水中进行测量，测量的偏差是5～17 m/s。

实验室装置模型包括2台声速直接测量仪和2台声速间接测量仪，直接测量仪利用脉冲法和相位法测量声速。在第1个声速间接测量仪上设有一个温度通道，根据锚链电缆的深度计算流体静压力，盐度采用平均值。在第2个间接测量仪上设有调节温度、电导和流体静压力的通道。无论是直接测量仪还是间接测量仪都是取2个测量仪读数的平均值。

实验室试验的方法是对溢油污染物扩散的概率谱的平均做水文剖面。实际应用中剖面应该是在石油开始溢出后的10～20 h内进行，并且应该形成一个观测系统，各观测台站之间的间隔应该在3～6 n mile，每一个台站上都应有准确的水平线的速度值。

3 外场试验

试验场地海况：风速为5～8 m/s，风向为东风，波浪为2～3级，流速为0.5～0.7 kn。目测水平面的溢油斑点，可延续30链（3 n mile）。从7个台站进行水文剖面测量，各台站之间的距离为3 n mile，第1个台站在溢油发生12 h后完成测量，而最后一个台站在溢油发生17 h后完成（图1）。第1号台站和第7号台站通过声速直接测量仪和间接测量仪所得的数据没有区别，第2～第6号台站测量的数据列于表1中。污染物浓度越大，声速越高，污染物浓度越低，声速越低[8-9]。

图1 试验原理图

表1 水文剖面的结果（声速C/m·s-1与深度H/m的关系，K，N分别对应着间接测量仪和直接测量仪）

4 试验结果分析

从表中得出声速直接测量仪和间接测量仪的最大偏差达到7.2 m/s，直接测量仪和间接测量仪的绝对误差值列于表2，各台站水文剖面的几何原理图列于图2。

表2 声速间接测量仪和直接测量仪读数的差值

在第2号台站（距离污染源3 n mile的位置）上观察溢油的密度，它的核心从水平面扩展到40 m的水位线上，继续向下浸没，密度降低，达到60 m的位置溢油密度为0。

在第3号台站上（距离溢油6 n mile的位置）污染核心已扩展到25～35 m的水位，溢油的痕迹遍布10～75 m的水层，距海底20 m内也存在污染物。

在第4号台站上溢油的范围稍微有所降低，核心的对比度也降低了，并且核心扩展到20 m以下了。

在第5号台站上（距离溢油12 n mile的位置），溢油的扩展深度达到100 m，污染的宽度达到85 m，污染核心位于25～75 m的水位之间。在35 m的深度上发现了大量异常的溢油（测量仪的读数差值达到了6.2 m/s），但表面15 m的区域内是清洁的。

图2 各台站水文剖面的几何描述

在第6号台站上，溢油已经扩散，大量的石油污染物集中在65～80 m的水位上。声速测量仪的读数差值不超过3 m/s。

从图2中得出等值线的污染物存在区域的极限是0.5 m/s。溢油宽度达到75～80 m，在3～6 n mile的距离上溢油从表面消失，但还没有扩散到海底，存留在10 m的水层内。

海水中上部的溢油密度比较大，而下部的界限被侵蚀了。因为水－石油乳化液流存在，所以等值线相对平等，但海水中不同的涡流导致了等值线的某些变形。

5 结论

在7个台站分别进行了测量，读取声速直接测量仪和间接测量仪的数据，取平均值，得出两种测量方法的差值，判断溢油的位置及动态。利用声学方法探测溢油，并对水中的污染物进行监控（扩展监测）。在海流和风流共同作用下，溢油污染物随着水流转移，在相对窄的大陆架带内不能到底，主要存留在10 m的水层内，如果污染物的数量多或者流速快可能扩散到更深的区域。但随着扩展宽度的加大，溢油密度降低。

[1]Turrell W R.Modeling the Braer oil spill–A retrospective view[J].Marine Pollut Bull,1994,28:211-218.

[2]ASCE Task Committee on Modeling of oil Spills of the Water Resources Engineering Division.State of art review of modeling transport and fate of oil spills[J].J Hydraul.Engng,1996,122(11):594-609.

[3]王润田.海底声学探测与底质识别技术的新进展[J],声学技术，2002，21（1）:96-98.

[4]Turgut.Method and apparatus of classifying marine sediment:United States,5815465[P].1998-09-29.

[5]Yamamoto.Method of measuing buried objects,geological formations and sediment properties:United States,5991236[P].1999.

[6]Guigne.Seabed sonar matrix system:United States,6160756[P].2000-12-12.

[7]Ji Wenyun,et al.Research on pattern recognition of the acoustic sea bed profiling records and sea bed geological classification[C]//ACTA Acous-tica,2001,3:213.

[8]卢 博,黄韶健,李赶先，等.在不同沉积物类型中的声速测量实验研究[J].海洋技术,2004，23（1）:66-70.

[9]吴锦虹,吴百海,刘 强,等.基于声波探测海底浅层沉积物特性的方法研究[J].海洋工程，2008.26（1）:114-119.

Sound Velocity Method to Determine Oil Spill Pollutants Characteristics and Dynamics

ZHANG Ying,WANG Qian,ZHANG Ying-ying,HOU Guang-li
（Key Lab of Marine Environment Monitoring Technology of Shandong,Institute of Oceanographic Instrument,Shandong Academy of Science,Qingdao Shandong 266001,China）

Oil spill not only pollute the sea,but also pollute the bottom sediment with the flow of the water.The direct method and indirect method are used together to measure the velocity of medium,through velocity difference to judge the location of oil spill and the depth of immersion to track the dynamic state of oil spill for post-processing.According to the field experiments,the feature and difference of the oil spill is summarized:oil spill continuously diffused under the role of current and air flow,with the decreasing concentrations of oil spill,the speed of sound reduced,oil was stranded in the water 10 m layer and extended to deeper areas.

velocity method;detection;features of oil spill;tracking

TB556，X55

A

1003-2029（2011）02-0055-04

2010-12-07

山东省科技攻关项目（2009GG10005007）;山东省科学院博士基金项目（200605）

张颖（1981-），女，助理研究员，硕士研究生，研究方向为水声学在海洋技术中的应用。Email:zy9951132@126.com