海上溢油跟踪定位浮标参数分析及技术优化研究

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(1.交通运输部水运科学研究院,北京 100088;2.大连海事大学,辽宁 大连 116026)

对溢油进行监视和跟踪，准确掌握溢油运动的位置、速度和方向是妥善处理溢油事故的前提，通常采用的方法是漂流浮标跟踪油膜。国内外关于溢油模型的研究已经开展了多年。2004年国家863项目成果“小型多参数海洋环境监测浮标”在青岛近海海域进行海上布放和试验，标志着浮标的性能通过考验，但该浮标体积大，主要用于定点监测，不适用于海上溢油的漂移跟踪[1-3]。如果能在此基础上，进一步对浮标风系数随浮标参数影响的变化规律进行系统的分析研究，就能够根据不同水域的地理位置、海况、溢油油膜性质等参数对适用的跟踪浮标参数进行定量分析，对溢油浮标的优化设计及准确跟踪溢油都具有实际意义。

1 溢油浮标的水动力分析

1.1 漂移模型

油膜在海面上漂移主要受到海面洋流和风力的共同作用，溢油模型中溢油漂移速度可被定义为表层潮流速度和距海面10 m处风速百分率ζ的矢量和[4]，即

v0=vc+ζv10

(1)

式中：v0——溢油漂移速度;

vc——表层潮流速度;

v10——距海面10 m处风速，ζ为风系数，通常经由海上实测的方式获得。

1.2 等效风速

海面附近的风受海面的摩擦作用，风速的铅直方向上的分布是不均匀的，这里采用等效风速的概念：对于受风高度为h的模型，受到的等效风速取迎风轮廓形心高度的风速[5]，其等效风速可表示为

(2)

式中：va——等效风速;

h——海面模型受风高度。

1.3 海流速度

表层海流的速度是潮流速度和风生流的矢量和，在垂直方向上，该速度是一个变量，本文采用表面流速代替作用在浮标上的海流流速，海流流速可表示为

vwater=vc+αv10

(3)

式中：vwater——表层海流的速度;

α——风生流系数[6]，计算公式O为

(4)

式中：θ——海流纬度。

1.4 水动力平衡方程

在表层海水中溢油浮标受到来自水面以上海风的作用力和水面以下海水的作用力的共同作用。溢油浮标完全跟踪溢油油膜，是指溢油浮标与油膜相同速度运动，并且浮标达到受力平衡。

1.4.1 海水对浮标的作用力

海水对溢油浮标的作用力可表示为

(5)

式中：Fwater——海水对浮标的作用力;

ρwater——海水的密度;

A1——迎水面积;

CDc——浮标的海水阻力系数。

1.4.2 风对浮标的作用力

风对溢油浮标的作用力可表示为

(6)

式中：Fair——风对浮标的作用力;

ρair——海面空气的密度;

vair——海面风速;

A2——迎风面积;

CDa——浮标的空气阻力系数。

其中，风速vair的铅直分布可表示为

(7)

式中：h——浮标水面以上高度。

显然等效相对风速的方向与风向相同。

1.4.3 浮标受力平衡

当浮标匀速运动时，其受到的海水阻力与风推力平衡[7]，得

ρwater[(ζ-α)v10]2A1CDc=ρair(vair-v0)2A2CDa

(8)

因为α<ζ<1，进一步整理得到

(9)

(10)

2 溢油浮标风系数计算方法

根据水动力平衡方程，空气和海水的密度可以根据温度(本文计算温度为15 ℃)查出；迎水面积A1、迎风面积A2和水面高度h根据可根据浮标的几何尺寸计算；浮标阻力系数CDc、CDa的计算是用数值模拟的方法计算得出，每次计算分为水上部分与水下部分，首先在Gambit中划分网格，然后导入到Fluent中计算。得到各参数后带入式(10),即可得到浮标风系数。

2.1 迎水面积、迎风面积和水面高度

图1为球形浮标漂浮于水面。

图1 球形浮标示意

2.2 几何建模与网格划分

采用Gambit软件建立各个浮标水上部分及水下部分模型并进行网格划分。图2、3为球形浮标水上部分和水下部分网格划分。

图2 球形浮标水上部分网格划分

2.3 模型计算

利用Fluent软件计算浮标水上部分和水下部分的阻力系数。图4、5为球形浮标水上部分和水下部分计算模型。

图5 球形浮标水下部分计算模型

3 浮标水动力特性曲线

为了解在不同尺寸、重量、海域位置等关键参数的影响下浮标风系数的变化规律，本文计算球形浮标，其主要参数见表1。

表1 浮标参数汇总表

注：研究海域为大连湾和深圳湾

经计算，绘制球形浮标在大连湾、深圳湾的风系数变化曲线，见图6、7。

图6 大连湾球形浮标风系数变化

图7 深圳湾球形浮标风系数变化

4 研究分析

1)我国沿海海域浮标风系数的大致范围是0.02～0.07。在不同的溢油事故中测得的数据表明，油膜的风系数的取值不是惟一的，大致范围是0.02～0.05[8]。由此得出，针对某一稳定海况和油膜，总是可以通过优化浮标参数与溢油风系数的特定组合，实现对溢油的完全跟踪。

2)对于某一特定尺寸的浮标而言，随着浮标重量的增大，浮标风系数逐渐减小。例如：直径为300 mm的浮标在大连湾使用，浮标重6 kg时，其风系数为0.038 9;当浮标重量是12 kg时，其风系数是0.020 3。这意味着浮标质量越大，越适合跟踪风系数小的油膜：反之，浮标质量越小，越适合跟踪风系数大的油膜。

3)对于某一特定质量的浮标而言，随着浮标尺寸的增大，浮标风系数逐渐增大。例如：重量为10 kg的浮标在深圳湾使用时，当浮标直径为300 mm时，其风系数为0.024 3;当浮标直径为350 mm时，其风系数为0.037 3。这意味着浮标尺寸越大，越适合跟踪风系数大的油膜：反之，浮标尺寸越小，越适合跟踪风系数小的油膜。

4)浮标的风系数与海域位置(纬度)有关，根据计算结果，同一种浮标在不同纬度海域的风系数不同。同尺度同重量条件下，浮标所处纬度越大，浮标风系数越小。例如，直径为300 mm、重量为7 kg的浮标，在大连湾使用其风系数为0.033 8，在深圳湾使用其风系数为0.038 5。

5 结束语

海上溢油跟踪定位浮标具有全天候使用和全过程监测能力，是一种海上溢油实时追踪监测的稳定、可靠、成本低廉的技术方法，也是海上溢油事故应急快速反应的一个有效手段。本文研究成果可为溢油跟踪浮标在结构设计、系统优化、海上溢油跟踪、溢油漂移轨迹预报及相关分析方面提供技术依据。

[1] 杨悦文,商红梅.用表层漂流浮标对海上溢油实时跟踪和监测的方法[J].海洋技术,2007,26(2): 17-18.

[2] 汪 渝,熊德琪.基于GPRS/GPS的海上溢油远程无线监测系统[J].信息与电子工程,2007,5(2):81-85.

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[4] 王天霖,刘寅东.溢油跟踪浮标水动力性能研究[J].哈尔滨工程大学学报,2009,30(9)：986-988.

[5] 张永胜,蔡 烽,周 波，等.船舶受非均匀风力的计算方法[J].中国航海,2005(4):61-64.

[6] 苗绿田.风对水面油膜运动的影响[J].交通环保,1990,11(3):58-61.

[7] 王天霖,刘寅东,李永琛.基于改进溢油模型的溢油浮标水动力分析[J].大连海事大学报,2010,36(2):121-123.

[8] 韩 健.海上溢油跟踪技术研究及软件系统开发[D].大连:大连海事大学,2010.