船舶溢油计算

海上溢油的来源与类型水中溢油大致主要来自含油污水的排放、操作性溢油、操作性溢油三个方面：含油污水的排放油船的机舱油污水、压载水、洗抢水，这些废水中均含有大量石油，浓度可达15000mg/L，如直排即对水体造成油污染，另外，船舶进厂修理前，必须将货油和燃料油舱的残油清洗干净，油气排放后才能进厂修理。

当油船改装油品时，也必须先清洗货油舱，这些也成为水域的一个污染源。

操作性溢油即船舶在加装燃料油和油船油舱装货期间的溢油。

日常装卸储运中石油产品的零星跑冒滴漏，对水、陆地、作业机械容器均造成轻微污染；船岸双方驳油速度不协调和联系不及时，或封闭式装货标示不准确而造成溢油；货油驳运时，输油软管在高压下工作，软管的残旧、老化及伸缩接头、阀门的松动等也会造成油渗漏。

（1）加装燃油时溢油，是非油轮产生油污的最主要途径。

加装燃油的频繁性和港内操作，增大了油污事故的可能性及危害程度。

常见的溢油有：○1加装燃油时输油管道连接不牢，法兰接头松脱。

一般接管由供油方负责，船员未作检查；○2输油管道老化，一旦加装压力加大时，管道破洞；○3输油管盲板或加油口盲板松动，盲封不严或两舷加油管截止阀未关严，一舷加油时另一舷加油口溢油。

加装燃油结束后，往往供油方负责上妥加油口盲板，认为加装燃油已经结束，上不紧加油口盲板是经常的事，而下次加装燃油又未检查并上紧盲板，一旦供油压力加大即产生溢油。

○4不加油的舱或已加满的舱阀门未关死，燃油部分进入非指定油舱造成溢油;○5供油方擅自或偶然加大泵量，导致满舱或空舱内排气不及，从透气孔产生溢油;○6燃油舱分配阀开错;○7舱内存油计算错误，量油不准。

（2）内部驳油产生的溢油也时有发生，尤其是老龄船，下列原因是造成船舶舱内驳油产生溢油的顽症:○1从燃油舱往日用油柜驳油，自动停止装置失灵从透气管产生溢油;○2燃油舱间驳油操作不当，因满舱柜或速度过快从透气管溢油;○3对驳燃油的舱情况不了解，过分自信油舱的完好性。

某轮因向已长久不用的油舱驳油，大量燃油从破舱处溢向货舱，造成巨大损失;○4燃油舱间输油管破洞;○5调拨阀开错。

（3）燃油舱与相邻污水舱，压载水舱之间产生破舱，排压载水或污水时，油污随水排出。

某轮压载水舱与油舱上下布置，油舱量油孔下方因量油尺冲击而产生破洞，50吨燃油漏入其下方的压载水舱，幸亏排压载水时及时发现了浮油，才未出现油污事故。

（4）含油污水处理不当，海上排污时油污超标。

现在世界各国都通过飞机、遥感技术及巡逻艇、渔船报告等方法实行监控，违规排污的风险越来越大，责任人将负刑事责任。

（5）含油污水排岸时，与接受装置之间连接不当或管系破裂，导致含油污水溢出。

海损事故溢油一般是指突发性的泄漏事故，即溢油事故。

船舶或油轮因碰撞、触损、搁浅等事故的原因造成对水域的油污染，特别是油轮发生事故后油箱的泄漏溢油。

它造成大量的石油泄漏到水域或陆地，对环境造成很大的污染，危害极大。

溢油物理化学过程油的属性、水动力条件、环境条件决定了物理化学变化过程。

这些过程决定了油层的传输和归宿。

图2.1介绍了油层传输和风化过程。

溢油运动主要影响因素1.由流场和风场引起的对流;2.油层的扩展包括紊流扩散和由重力、惯性力、粘性力、表面张力形成的平衡力决定的机械扩展;3.乳化及垂向上紊流混合;4.由蒸发、溶解等风化过程引起的质量和物化性质的改变;5.油与岸线的相互作用，某些悬浮油滴可能附着在悬浮颗粒物质上而慢慢下沉到底部;6.在长时间内，光化学反应和微生物降解也可以改变油的性质和减少油的量。

油层传输风化过程油层传输和风化过程漂移漂移即平流或对流，是控制表面油层和悬浮油层输运的主要过程。

漂移模拟在整个溢油动态模拟中占据着最重要的地位，只有精确的模拟漂移，才能够对溢入水体的油团进行准确跟踪、定位，这是迅速清除溢油污染、最大限度降低对环境危害程度的先决条件。

表面油层漂移运动的驱动力来自于水体的表层流场和表面风场，而悬浮油层对流运动是悬浮油滴随着水流一起运动。

因此，表面风场对表面油层漂移的影响和表面流场求解是表面油层漂移数值模拟研究的重点。

在几乎所有的模型中，表面油层漂移运动是使用权系数法模拟的。

风扩展和扩散溢油刚进入水体后，由于油膜很厚，会迅速向四周扩展，当油层变薄和破裂为碎片可以认为机械扩展停止了。

油层的机械扩展增加了油层面积并加强了风化过程例如蒸发、溶解和乳化。

在溢油最初的数hr内，扩展是影响溢油归宿的主要过程。

该过程的长短与油的种类、品质、粘性、温度等自身性质密切相关，同时溢油量越大持续时间也越长。

Fay首先提出了在平静水面油膜的自身扩展理论，该理论认为溢油进入水体后在重力、惯性力、粘性力和表面张力作用下迅速扩展，并根据扩展期间主导力的不同而将扩展划分为三个阶段。

起始阶段，重力、惯性力是主导作用力;中间阶段，重力、豁性力是主导作用力;终了阶段，表面张力、茹性力是主导作用力。

Fay扩展模型以平静水面为背景，认为油膜成圆形扩展，这与实际观测情况相差较大。

实际上，在感潮河流中，由于受上游径流、潮流、复杂的河道形态等多重因数的影响水体运动特别复杂，仅考虑扩展过程的溢油计算往往得不到令人满意的结果。

Johansen、Elliot、Hurfoul以及Pem提出了描述油滴大小和分布的油扩散模型。

这些模型能够较为正确地预测溢油扩散的实际情况，比如，在风向上，油膜成直线并延伸，整个油膜形成带状等。

尽管如此，对在流场和风场作用下油扩展和扩散的机理还需要作进一步研究。

蒸发蒸发是石油烃的较轻组分从液态变为气态向大气进行质量传输的过程。

石油主要是由碳氢化合物组成的，包括烷烃系碳氢化合物、烯烃系碳氢化合物、环烷烃系碳氢化合物、芳香烃系碳氢化合物等。

低碳组分是非常容易蒸发的，一般含C原子数在14以下的组分绝大部分是可以蒸发的。

石油的这种自身组成特点决定了石油是一种易挥发的物质。

因此蒸发是溢油风化的主要过程之一，是溢油质量传输过程的主要部分，对于轻质原油、柴油、汽油其蒸发量可以达到溢油总量的50%~90%，甚至全部蒸发。

蒸发在改变油层总量、影响油层组成的同时，也改变着油的性质，使油的密度、粘度、表面张力等增加，倾点上升。

此外蒸发还影响着其它风化过程，如扩散、乳化、溶解等。

了解蒸发过程有助于溢油残留量的预报、应急决策的制定和环境损害的评估等。

溢油的蒸发速率受油的组分、饱和蒸汽压、空气和海面温度、溢油面积、风速、太阳辐射和油膜厚度等因素的影响，另外蒸发速率也受到溢油量的影响，溢油量越大，挥发速度越慢。

蒸发作用使油挥发到在大气中，它发生在溢油后的很短的时间内。

油的机械扩展增加了表面油层面积，从而增加了蒸发的速度。

油种、风条件、温度、表面油层面积决定了蒸发量和蒸发速率。

油是复杂的碳氢化合物的混合物，而蒸发速率和油的成分是密切相关的。

在现有的数学模型中模拟蒸发过程的方法主要有单组分法和多组分法两种。

单组分法是通过经验对每种油给出一套相应的油蒸发速率曲线。

多组分法是将油假设为多种碳氢化合物组成的混合物，对各个单独组分分别计算然后求出总的油蒸发速率。

不管怎样，油的组分变化范围过大，要精确地区分各个组分几乎不太可能，一般是将油的组分划成几个性质相近的区间。

研究表明这个方法可以对油蒸发给出合理的评估。

两种方法都是由Maeky和他的同伴提出的。

在实验室条件下，后一种方法得出更优的结果。

由于现场实际蒸发量很难测量，而现场条件与实验条件有区别，现在还无法验证这些计算方法的准确度。

溶解石油有极微弱的溶解于水的特性，溶解对溢油动态模拟的物质平衡计算影响甚小，大多数情况下可以忽略。

但由于进入水中的石油烃无论是烷烃还是芳香烃对水生生物都有一定的毒性，另外石油中苯和多环芳烃类都是致癌物质，而很多内陆河流都承担着饮用水水源地的功能。

因此，尽管溶解量与蒸发量相比较小，但考虑到模拟溢油溶解过程、预测其在水体中的浓度有很大的生态学和社会安全意义，一般溢油模型中都会计算溶解量。

石油中的可溶解组分随着扩散过程不断溶解于水体中，影响水体中油的溶解量主要有油源位置、时间和油的组分等。

首先，溢油的溶解量取决于溢油排放源的位置，如穿越河道的输油管道的泄漏，溢油在上浮过程中，大部分低分子芳香烃组分溶解在水中，其中尤其以苯类烃最明显。

另外，溶解量和时间也有一定的规律可循，溢油最大溶解量发生在事故后8~12h内，然后溶解量呈指数直线下降，这表明挥发和油团运动影响了溶解过程，以总芳烃为例，发生溢油几小时内浓度可达0.01~0.1mg/L，由于油团运动和扩散，浓度很快降低解性能还取决于油的组分，通常轻质的碳氢化合物较易溶于水，水中芳烃。

而油的溶同样，它也蒸发的更快。

Cohen等给出了计算溶解量的方法。

正如蒸发一样可以使用多组分和单组分法计算溶解量，原理相似。

垂向混合和乳化垂向混合是溢油形成颗粒进入水体的过程，主要包括3个过程：（1）成粒过程，在紊流作用下油膜破碎后形成油粒子的过程;(2)分散过程，油粒子在紊流作用下进入水体的过程;(3)油粒子在水体内的聚合过程，多种物理化学变化过程。

垂向混合能够减少漂浮在水面上的油膜量。

油水界面的表面张力是影响垂向混合程度的重要因素，油的粘度也能影响垂向混合过程，粘度越大，垂向混合能力越差，另外油密度越大，油水之间的密度差就越小，小油粒越容易形成，垂向混合程度越高。

油的乳化是指石油和水混合在一起，经过扰动作用(人工搅动或自然环境中风、流、浪的扰动)，油粒子不断向水相分散，同时水滴也不断侵入油相，形成油包水或水包油乳化物。

油包水乳化物是水滴被分散到油滴里，呈黑褐色粘性泡沫状，它可长期漂浮于水面。

由于吸收大量的水(稳定的油水乳化液一般含水量在50%-60%以上，体积比原来增大，比重和粘度也比原来大的多，乳化物体积、密度、粘度有不同程度的增加，致使蒸发和溶解过程受到极大影响，严重妨碍溢油的清除工作。

乳化过程一般发生在溢油后数小时，因为在溢油之初油膜较厚，水动力条件和外界其他条件不足以破坏油膜的整体性，油膜很难分散形成油粒子，从而不具备乳化的先决条件，随着油膜的不断扩展，油膜面积逐渐增大，厚度不断减小，在风切应力、湍流、波浪等作用下，油膜被分散，此时乳化开始发生。

影响乳化的因素包括油的组成、油膜厚度以及水体紊动程度、温度等环境条件，试验表明，乳化油在水体中垂直分布主要取决于紊流作用。

在紊流的水体中，一些油以悬浮油滴的形式垂向混合到水体中，这些混合到水体中的油滴可以形成乳化油。

一般来说，河流溢油中油的垂向混合和形成乳化油的程度相对海洋溢油较小。

一方面，统计资料表明海洋溢油大多数为原油，而大多数河流溢油为精制油，精制油很难形成稳定的乳化油。

另一方面，波浪、海岸潮汐作用及海洋环境可以促进海洋溢油油层的碎裂，它们是海洋中形成乳化油的主要因数。

在河流中，潮汐和波浪一般比海洋环境少，促进油层破裂的作用力相对较少，但河流中拐弯处的激流与人工构筑物、天然障碍物周围的水流激起大量的紊流，这些紊流也可以令油层破裂并完全混合到水体中。