国内外溢油风化模拟试验装置最新研究进展

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(交通运输部水运科学研究院，北京 100088)

溢油在水面经历的物理和化学变化总称为风化。风化包括扩散、蒸发、乳化、溶解、氧化、沉降、生物降解及联合作用。风化过程受环境条件如温度、盐度、溶解氧含量、风、波浪、悬浮物含量、地理位置、油的化学组成、光照、微生物种群及氧化还原环境等诸因素的影响[1-3]。短期内，蒸发和乳化过程是较为重要的风化过程，直接影响溢油的空间分布和污染风险预测；长期来看，溢油的最终归宿受光化学氧化和生物降解的影响更为显著[4]。

目前，海上溢油风化的研究方法有现场观测和实验室模拟。现场观测一般是利用溢油事故或人工溢油试验对样品的组成及变化进行分析。为方便研究，更多的是设计风化模拟试验装置。风化模拟试验装置包括容器和波浪槽两种,容器包括量筒、浅盘[5]等。容器法操作简单，模拟能力受限，仅能模拟风化过程的某一项，如蒸发；波浪槽能综合考察整个风化过程，更好地模拟水上溢油风化实际情况。Payne[6]等在波浪槽流水环境下对Prudhoe湾原油进行风化实验，综合考察蒸发、溶解、乳化、光氧化等过程；Riley[7]等用波浪槽模拟恶劣条件下溢油风化，以及平静海面下的溢油风化；杨庆霄[8]用波浪槽考察几种原油的蒸发过程、组分变化及蒸发特性。

国内外的溢油风化模拟试验装置形式多样，虽然尺寸上各有差异，模拟环境条件侧重点有所不同，但仍以波浪槽的形式为主。

1 国内外溢油风化模拟试验装置

1.1 挪威SINTEF实验室风化水槽

SINTEF在溢油应急方面有很强的科研实力，特别是针对冰区溢油应急处置开展了大量研究工作，如冰区溢油漂移和风化轨迹模拟等。SINTEF在溢油特性研究方面主要开展原油和油品风化研究，油品化学和物理特性研究，乳化特性研究，油品的流变特性研究，油品在波浪水池中的风化研究，油品在海岸线的自然变化过程研究，原油的化学特性和在沉积物中的特性研究，溢油鉴别，水溶性油品特性研究等。

用于上述研究的风化水槽长4 m，宽2 m，高1.5 m，水深1 m，循环水道宽0.5 m，见图1。

图1 SINTEF可封闭式风化水槽实物

在水槽的一端有一个延长的造波设施，有一个活塞助推式的造波设施和一个碎波板。水槽全部由不锈钢制作，由不同形状的构件组成(如椭圆的循环槽，直水道等)。采用空调控制温度，配有水冷却系统，能将水温降到-2 ℃。文献[9]采用风扇造风，有一个塑料软管风道，最大风速为10 m/s。配有造流设施，所造流速为1 kn。配有实验人员防护设施。具有可移动的人工沙滩。配有摄像系统。

风化水槽中开展的实验主要有：油品风化过程和机理研究，长时间的风化和归宿研究，风化油品对不同类型海岸线沉积物层的渗透研究，典型环境条件下的溢油生态影响研究等。

1.2 法国CEDRE风化水槽

法国CEDRE水上污染事故咨询研究实验中心是法国国家级的水污染咨询、研究的非盈利机构，于1979年1月Amoco Cadiz邮轮溢油事故后成立。CEDRE有一个可控大气环境条件和海流的风化水槽(高1.4 m，宽60 cm，深90 cm，最大容积为7 m3)，见图2。

图2 CEDRE溢油风化水槽结构及试验状况

该水槽直水道段有一个延伸部分，安装造波设施，所造波周期为3 s，波高为15 cm；采用两组2 000 W的灯模拟太阳光，油膜在水槽内不断循环暴露在人造光照下；采用风扇造风，有一个塑料软管风道，在水槽内形成风场。该水槽的主要功能是进行油品的风化试验。

1.3 海上溢油风化模拟系统

国内已报道的最具代表性的模拟溢油波浪水槽是深圳市计量质量检测研究院和交通运输部水运科学研究院共同研发的海上溢油风化模拟系统，见图3。

图3 海上溢油风化模拟水池

系统主要由溢油池、水流模拟装置、程序控制系统和监视系统组成，安置于室外，整个装置可拆装。该系统的溢油风化池为长方体，长、宽、高分别是5.0 m、3.0 m、1.2 m，外框架以镀锌钢管材料搭建，池体以增强的双层耐海水腐蚀氯丁橡胶材料制成，实际水深0.9 m[9-10]。池中有2块平行拨水板，并设置侧面推进器；拨水板上设置不同位置和孔径的圆孔，使溢油池的海水流动剧烈程度从上到下一次减弱，用计算机程序控制拨水板和侧面推进器运行模式，可较真实模拟海洋中的平流、局部环流或湍流流动状态。以空气压缩机提供压缩空气带动汽缸提供动力造浪，相比用造浪电机，无漏电安全隐患，满足室外长时间模拟溢油风化试验要求，安装有监视装置能实时监视，也可远程监控；装置位于室外，自然条件和气候条件均较真实。基于这一模拟装置，研究者分析溢油水体水质、风化过程中的溢油化学组成成分和物理特性的变化，为溢油鉴别提供更接近实际数据的技术和科学依据。

1.4 上海大学潮汐风水槽系统

上海大学力学所流体力学实验室的潮汐风水槽系统由水池、主泵、平水塔、玻璃水槽、回水渠、侧流槽以及管道、闸阀和变坡机等组成，见图4。

图4 潮汐风水槽

玻璃水槽总长58.0 m，断面宽0.5 m，高为0.7 m，水槽出口处安装有隔栅式尾门，尾门开度由微机控制用于模拟潮汐现象。整个玻璃水槽槽身安装在电动变坡机构上，槽底坡度i调解范围为-0.01～0.01。水槽上部还能安装风机和风洞，满足吹风试验要求。水池总流量约30 m3，水槽装置最大试验流量120 L/s，最大断面平均流速为2.0 m/s。

油膜扩展范围的观测和记录，采用人工观察和拍照、录像记录方式。工况设置调节参数有水位、潮周期及溢油形式。实验时溢油投放由实验室自制的溢油装置控制溢油量和溢油速率，在尾门开度最大时开始释放溢油，溢油进入水体后随即开始记录，并拍照和摄像记录溢油油膜的变化。

根据试验室水槽条件，设置几何比尺、水流相似、潮汐相似和油膜运动相似比尺。其中，长度比尺1 000，深度比尺100，导出时间比尺100，流速比尺10，模型变态率10。

郭运武[11]等人应用上海大学应用数学与力学研究所流体力学实验室的潮汐风水槽开展风对河道溢油扩展、漂移过程影响的实验，研究了不同风、水流组合情况下溢油的扩展、漂移情况。在该实验中，忽略了蒸发、乳化、溶解等因素(与风相比之下，它们的影响很小)，主要研究了20组不同风场和流场组合下油膜扩展、漂移的情况。结果表明,风场的加入对溢油扩展尺度、漂移速度、范围都有相应的影响，有时甚至产生非常明显的影响。

吴兆春[12]等人在上海大学力学所流体力学实验室的潮汐风水槽进行了黄浦江溢油的水槽实验研究，获得了大量的实验数据，揭示了溢油在潮汐、风场作用下的运动特性和规律。

1.5 哈尔滨工业大学循环玻璃水槽

哈尔滨工业大学流体力学实验室的循环玻璃水槽长25.0 m，宽0.3 m，高0.5 m，由3个直段和2个弯段组成，装置见图5。

图5 哈尔滨工业大学循环玻璃水槽

循环水箱中装有制冷装置，通过变频调节器控制水槽流量，流量和流速通过在线超声波流量计测定，水槽过水面积通过下游出水挡板高度进调节。波浪通过自制起波器产生，浪高控制在约30 mm。岸边吸油试验在自制循环水槽中进行。水槽长、宽、高分别为15 cm、30 cm和15 cm，水槽中放置条形挡板使其成为偏心环形水槽，宽水道长为30 cm、宽为20 cm，窄水道长为30 cm、宽为5 cm，宽水道一侧堆积吸附材料，窄水道安置搅拌桨以驱动水体流动，槽体外部覆有保温层。

试验用油为低凝点市售0#柴油和高凝点大庆原油，文献[5]采用上述水槽对北方低温江河水域突发溢油污染时油团在水面风化和迁移扩散行为开展模拟预测。

1.6 其他的波浪槽

李志军[13]等人制作了一个长1.30 m×0.15 m×0.50 m的敞口玻璃水槽，可控温、垂直运动造波，张秀芝[14]等人应用模拟原油风化的露天装置尺寸为25.0 m×0.6 m×1.2 m，可模拟30 cm波高的波浪。Ohmsett实验室即美国国家溢油应急响应研究与可再生能源试验设施基地，是“石油与有害物质的模拟海洋环境试验水池(Oil and Hazardous Material Simulated (marine) Environment Test Tank)”的简称。Ohmsett实验室是北美最大的室外海水波浪/拖箱水槽设施，是全球唯一能模仿在海水环境中开展特定环境条件下(波浪和油种等)原型尺寸溢油应急响应设施的测试、研发及培训的设施。由于该实验室的风化试验并非在波浪槽中进行，而是在室内实验室中进行。

2 分析与探讨

2.1 风化模拟试验装置研发情况

在有统计的代表性的溢油风化模拟试验装置中，海洋溢油风化模拟试验装置占80%以上，而内河溢油风化模拟试验装置占比不到20%，其中潮汐河段的模拟占了60%，侧重于研究风对溢油风化影响作用的模拟装置占20%以上，剩下不到20%为侧重于考察温度对溢油风化影响作用的寒冷地区河流溢油风化模拟试验装置。

2.2 风化模拟试验装置的尺寸设计情况统计

有文献报道的5个代表性装置中，椭圆槽2个，占比为40%，长方体槽2个，占比为40%，不规则形状1个，占比为20%。从设计目的来看，椭圆槽侧重于考虑循环，以达到更真实的模拟效果；椭圆槽多用于模拟海洋溢油，长方体及由直水道和弯水道构成的不规则体更适合于模拟内河溢油。尺寸上，模拟海洋溢油的设备长度在4～5 m，宽度不一，水深较为统一，为0.9～1 m，内河溢油模拟装置长度不一，宽度为0.3～0.5 m，深度为0.5～0.7 m。从材质上看，国外模拟海洋的循环水槽均为不锈钢材质，国内模拟海洋溢油的水槽为双层耐腐蚀氯丁橡胶材料，模拟内河溢油风化的水槽均为玻璃材质，不锈钢及橡胶耐腐蚀，适用于海水，而玻璃材质更适用于观察和记录油的风化过程。模型比尺上，国内的海洋溢油风化水槽考虑了不失真的缩比比尺，国外的海洋模拟水槽未提及其模型的比尺，国内模拟内河溢油水槽均考虑了几何比尺、水流相似、潮汐相似和油膜运动相似。在油膜运动相似上，分歧很大，有学者认为，油膜运动模拟不可以缩比，建议开展原型试验。风化影响因素考察上，海洋溢油模拟均考虑了温度、波浪、流、风，甚至于真实的自然条件；内河溢油模拟考虑了风、流，根据要考察的因素不同，模拟因素不同，比如潮汐、温度以及河岸材料对油的吸附性质。风化模拟试验装置尺寸设计统计见表1。

表1 风化模拟试验装置尺寸设计统计分析

2.3 模拟环境条件及实现方式

环境条件的实现方式上，国内海洋溢油风化装置以真实自然环境下测量数值为准，不模拟,其余溢油风化模拟装置方面，温度多以空调、水冷却系统或制冷装置实现控温。海洋溢油风化模拟中，风多以风扇、塑料软管风道实现；内河溢油风化模拟中，风以风机、风动形式实现。除了上海大学潮汐风水槽系统未考虑造波外，造波多以活塞助推式等自制造波设施，SINTEF配有碎波板，CEDRE所造波周期为3 s，波高为15 cm，哈尔滨工业大学循环玻璃水槽波高控制在30 mm左右。所有的风化模拟装置均考虑了造流，均以自制的造流设施来实现造流，所造流形式各不相同，海上溢油风化模拟系统可实现平流、局部环流或湍流，SINTEF和CEDRE的流速为1 kn，上海大学潮汐风水槽系统最大断面平均流速2.0 m/s。SINTEF和CEDRE可实现光照模拟，上海大学潮汐风水槽系统可实现潮汐模拟，哈尔滨工业大学循环玻璃水槽可实现对河岸吸油的模拟、SINTEF可以实现油品在海岸线的自然变化过程研究。监视监测方面，海洋风化模拟装置均采用了摄像装置，其中，海上溢油风化模拟系统还能实现远程监控，内河风化模拟装置多采用人工观察和拍照、录像方式。仅SINTEF和CEDRE配有人员防护设施，其余风化模拟装置均未提及。上海大学潮汐风水槽系统能实现河底坡度的调节。风化模拟试验装置模拟环境条件及实现方式见表2。

2.4 可实现的试验功能

除了上海大学潮汐风水槽系统外，其余风化模拟装置对油品投放系统未提及，投放速率及投放量、投放方式未提及，投放油品的类型未提及，油品投放系统与整个风化模拟装置的关系未提及。

3 结论

表2 风化模拟试验装置模拟环境条件及实现方式

溢油风化是一个多组分、多过程、多影响因素的复杂过程，而目前溢油特性基础研究较为薄弱，阻碍了模型研究和系统开发的发展。国外代表性的溢油风化试验装置均为海上溢油风化模拟装置，尺寸上均为缩比仿真模型，实验用油均为真实油品，实验用水为海水，皆可实现造波、造流、风、光照、温度等模拟环境条件，实验装置布置在室内；国内代表性的溢油风化试验装置为室外放置，光照、温度等大气环境为真实自然环境，可实现造波、造流，试验用油为真实油品，试验用水为海水。

内河溢油风化模拟装置虽有文献报道，但相关研究仍不多。海上溢油风化模拟装置多分布于专业溢油实验室，内河溢油模拟装置多见于流体力学实验室，试验用水为被测河水，试验用油为真实油品，可实现造波、造流、风、温度等模拟环境条件，有些还根据河流的水文特征布设了直水道和弯水道，已有的研究也是侧重于某一影响因素如风、流、潮汐对内河溢油风化的影响，且具有针对性，如研究低温河流溢油风化、研究潮汐河道溢油行为等，并不具有普适性。内河溢油风化模拟试验装置为缩比仿真模型，且模型比尺经过论证，但比尺论证过程并未考虑到溢油在水面上的张力。

由于内河溢油风化特征与海上溢油风化特征不同，且受到河岸、泥沙及复杂水文特征影响，并不能完全套用海上溢油风化模拟试验装置。

溢油的环境行为和溯源鉴定一直是溢油污染评估、生态毒理研究和肇事者责任追究的重要研究内容。无论海上溢油亦或是内河溢油，溢油鉴定工作的展开均以对溢油的轨迹与变化状态、污染范围的准确预测为前提，《环境损害鉴定评估推荐方法》中对于内河生态环境损害的系统研究尚属空白，尚未形成对内河生态环境损害程度判定与量化分析的支撑技术和方法。为填补这一空白，有必要构建一套相对科学、合理、可操作性强的内河溢油生态环境损害鉴定技术的模拟装置。内河溢油风化模拟试验装置得研发就显得十分必要。

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