基于POM模型的溢油數值模擬：理論、應用與展望一、引言1.1研究背景與意義隨著全球經濟的快速發(fā)展，人類對能源的需求與日俱增，海洋石油的開發(fā)和運輸規(guī)模也不斷擴大。然而，海上溢油事故頻繁發(fā)生，給海洋生態(tài)環(huán)境、經濟發(fā)展以及人類健康帶來了巨大的威脅和損失。據聯合國有關組織統(tǒng)計，每年由于人類活動而流入海洋的石油約1000萬噸，其中海上油井井噴事故和油輪事故造成的溢油高達220萬噸。例如，1989年美國?？松?瓦爾迪茲號油輪在阿拉斯加威廉王子灣觸礁，導致約26萬至75萬桶原油泄漏，對當地的海洋生態(tài)系統(tǒng)造成了毀滅性打擊，大量的魚類、海鳥和其他海洋生物死亡，漁業(yè)和旅游業(yè)遭受重創(chuàng)，經濟損失高達數十億美元；2010年英國石油公司（BP）在墨西哥灣的“深水地平線”鉆井平臺發(fā)生爆炸并引發(fā)漏油事故，持續(xù)漏油87天，漏油量高達490萬桶，對墨西哥灣沿岸地區(qū)的生態(tài)環(huán)境和經濟發(fā)展造成了長期而深遠的影響。這些觸目驚心的案例無不凸顯出海上溢油問題的嚴重性。海上溢油的危害是多方面的。在生態(tài)環(huán)境方面，石油中的毒性芳香烴化合物極易進入水中并且停留很長時間，并在生物體中長期積累，最終必將危害人體健康；溢油沉降到海底后，會危及底棲生物和甲殼類動物的正常發(fā)育；海上油膜會大大降低海水與大氣的氧氣交換，從而降低海洋生產力，破壞海洋的生態(tài)平衡。在經濟領域，溢油事故會導致漁業(yè)資源受損，影響漁業(yè)捕撈和養(yǎng)殖產業(yè)；污染海灘，破壞濱海旅游區(qū)，使旅游業(yè)收入大幅減少；清理溢油需要投入大量的人力、物力和財力，進一步加重了經濟負擔。此外，溢油事故還可能引發(fā)社會問題，影響當地居民的生活和就業(yè)，引發(fā)公眾對環(huán)境保護的關注和擔憂。面對日益嚴峻的海上溢油問題，如何在溢油發(fā)生后迅速采取有效的控制和清除措施，并準確估算其對環(huán)境造成的影響，成為了當前海洋環(huán)境科學工作者的研究熱點。數值模擬技術的出現，為解決這一問題提供了一種有效的手段。通過數值模擬，可以在計算機上模擬溢油在海洋中的漂移、擴散、蒸發(fā)、乳化等復雜過程，預測溢油的運動軌跡和歸宿，為溢油應急處理提供科學依據，幫助決策者制定合理的應對策略，最大限度地減少溢油事故造成的損失。在眾多的數值模擬模型中，美國普林斯頓大學海洋模型（PrincetonOceanModel，POM）因其具有高精度、高效率、高穩(wěn)定性等優(yōu)點，在海洋環(huán)境數值模擬中得到了廣泛的應用。POM垂向采用σ坐標系，能夠較好地處理復雜的海底地形和邊界條件，尤其適用于近海潮流數值模擬。將POM模型應用于溢油數值模擬研究，能夠更加準確地模擬海洋環(huán)境動力因素對溢油行為的影響，為溢油事故的應急處理和海洋環(huán)境保護提供更加可靠的技術支持。因此，開展基于POM的溢油數值模擬研究具有重要的現實意義和應用價值。1.2國內外研究現狀1.2.1國外研究現狀國外在溢油數值模擬領域的研究起步較早，發(fā)展較為成熟。早期，學者們主要致力于建立簡單的溢油模型，以描述溢油在海洋中的基本運動過程。隨著計算機技術和海洋科學的不斷發(fā)展，溢油數值模擬模型逐漸向復雜化、精細化方向發(fā)展。在水動力模型方面，除了POM模型外，有限體積海岸海洋模型（FVCOM）、普林斯頓海洋模式（ECOM）等也被廣泛應用于海洋水動力模擬，為溢油模擬提供了準確的水動力背景場。例如，FVCOM采用非結構三角形網格，能夠更好地擬合復雜的海岸線和海底地形，在模擬近岸海域的水動力過程中具有獨特的優(yōu)勢。ECOM在處理河口、海灣等復雜地形和邊界條件時表現出色，被應用于多個河口海灣的溢油模擬研究中。在溢油模型方面，國外開發(fā)了許多功能強大的商業(yè)溢油模擬軟件，如挪威的OSIS模型、美國的ADIOS模型等。這些軟件綜合考慮了溢油的漂移、擴散、蒸發(fā)、乳化、溶解、生物降解等多種物理化學過程，能夠較為準確地預測溢油的運動軌跡和歸宿。例如，OSIS模型在處理溢油與海洋環(huán)境相互作用方面具有較高的精度，能夠模擬不同風速、海流速度和方向等條件下溢油的擴散情況；ADIOS模型則側重于溢油的風化過程模擬，能夠準確預測溢油在不同環(huán)境條件下的物理化學性質變化。此外，國外學者還在不斷探索新的研究方法和技術，以提高溢油數值模擬的精度和可靠性。例如，利用衛(wèi)星遙感技術獲取海洋表面的溫度、海流、風速等信息，為溢油模型提供更準確的初始條件和邊界條件；結合地理信息系統(tǒng)（GIS）技術，將溢油模擬結果與地理信息進行融合，直觀地展示溢油的分布范圍和影響區(qū)域；采用數據同化技術，將觀測數據與模型模擬結果進行融合，提高模型的模擬精度。1.2.2國內研究現狀國內在溢油數值模擬領域的研究相對較晚，但近年來發(fā)展迅速。隨著我國海洋石油開發(fā)和運輸業(yè)的快速發(fā)展，海上溢油事故的風險不斷增加，國內學者對溢油數值模擬的研究也越來越重視。在水動力模型方面，POM模型因其在近海潮流數值模擬中的優(yōu)勢，在國內得到了廣泛的應用。許多學者利用POM模型對我國沿海海域的水動力過程進行了模擬研究，如渤海、黃海、東海、南海等海域，為溢油模擬提供了基礎的水動力條件。例如，有研究運用POM模型對渤海的潮流場進行模擬，分析了渤海潮流的時空分布特征，為該海域的溢油模擬提供了可靠的水動力背景。同時，國內學者也在不斷對POM模型進行改進和優(yōu)化，以提高其模擬精度和適應性。例如，通過改進模型的數值計算方法、優(yōu)化網格設置、增加物理過程等方式，使POM模型能夠更好地模擬復雜的海洋環(huán)境。在溢油模型方面，國內學者在借鑒國外先進經驗的基礎上，結合我國海洋環(huán)境的特點，開發(fā)了一系列具有自主知識產權的溢油模型。這些模型在考慮溢油的基本物理化學過程的基礎上，更加注重與我國實際海洋環(huán)境條件的結合，提高了模型的實用性和可靠性。例如，有研究建立了適用于我國河口海灣的溢油模型，考慮了河口海灣地區(qū)的潮汐、徑流、地形等因素對溢油擴散的影響，通過實際案例驗證，該模型能夠較好地模擬河口海灣地區(qū)的溢油行為。此外，國內學者還將溢油模型與其他模型相結合，如水質模型、生態(tài)模型等，開展多學科交叉研究，以更全面地評估溢油對海洋環(huán)境的影響。1.2.3研究現狀總結與展望綜上所述，國內外在溢油數值模擬領域已經取得了豐碩的研究成果，為海上溢油事故的應急處理和海洋環(huán)境保護提供了重要的技術支持。然而，目前的研究仍存在一些不足之處，有待進一步改進和完善。一方面，在模型的精度和可靠性方面，雖然現有模型能夠模擬溢油的主要物理化學過程，但對于一些復雜的過程，如溢油與海洋生物的相互作用、溢油在復雜地形和邊界條件下的擴散等，模擬結果還存在一定的誤差。未來需要進一步深入研究溢油的物理化學性質和行為規(guī)律，改進模型的算法和參數設置，提高模型的精度和可靠性。另一方面，在模型的應用方面，目前的溢油數值模擬主要集中在對溢油事故的事后模擬和評估，對于溢油事故的事前預測和預警能力還相對較弱。未來需要加強對海洋環(huán)境數據的實時監(jiān)測和分析，結合大數據、人工智能等技術，建立實時的溢油預警系統(tǒng)，實現對溢油事故的提前預警和快速響應。此外，隨著海洋開發(fā)活動的不斷深入，溢油事故的發(fā)生場景和環(huán)境條件也越來越復雜，如深海溢油、極地溢油等。針對這些特殊場景的溢油數值模擬研究還相對較少，未來需要加強這方面的研究，為特殊場景下的溢油事故應急處理提供技術支持。本研究將在借鑒國內外已有研究成果的基礎上，針對現有研究的不足，開展基于POM的溢油數值模擬研究，通過改進模型算法、優(yōu)化參數設置、結合實際海洋環(huán)境數據等方式，提高溢油數值模擬的精度和可靠性，為海上溢油事故的應急處理和海洋環(huán)境保護提供更有效的技術支持。1.3研究內容與方法1.3.1研究內容本研究基于POM模型開展溢油數值模擬，旨在深入了解溢油在海洋環(huán)境中的行為規(guī)律，為海上溢油事故的應急處理和海洋環(huán)境保護提供科學依據。具體研究內容如下：POM模型的改進與優(yōu)化：對POM模型的水動力模塊進行深入研究，針對模型在模擬復雜海洋環(huán)境時存在的不足，如對強非線性流場的模擬精度不夠、對復雜地形的適應性較差等問題，通過改進數值計算方法、優(yōu)化網格設置、增加物理過程等方式，提高POM模型模擬海洋水動力過程的精度和可靠性，使其更適合用于溢油數值模擬。溢油模型的建立與耦合：在改進后的POM模型基礎上，建立考慮多種物理化學過程的溢油模型。該模型將綜合考慮溢油的漂移、擴散、蒸發(fā)、乳化、溶解、生物降解等過程，通過引入合適的物理參數和數學方程，準確描述溢油在海洋環(huán)境中的運動和變化。同時，將溢油模型與POM模型的水動力模塊進行緊密耦合，實現水動力條件對溢油行為影響的精確模擬，確保溢油模擬結果的準確性。溢油行為的數值模擬與分析：利用建立的耦合模型，對不同工況下的溢油事故進行數值模擬，包括不同溢油位置、溢油規(guī)模、溢油種類以及不同海洋環(huán)境條件（如風速、海流、海浪等）下的溢油情況。通過模擬，獲取溢油在海洋中的漂移軌跡、擴散范圍、厚度分布以及油膜的物理化學性質隨時間的變化等信息。對模擬結果進行詳細分析，研究海洋環(huán)境動力因素對溢油行為的影響機制，總結溢油在不同條件下的運動規(guī)律和變化特征。模型驗證與不確定性分析：收集實際溢油事故的監(jiān)測數據和相關資料，對建立的溢油數值模擬模型進行驗證。將模擬結果與實際觀測數據進行對比分析，評估模型的模擬精度和可靠性。同時，考慮模型中輸入參數的不確定性以及模型本身的不確定性，采用敏感性分析、蒙特卡洛模擬等方法，對模型的不確定性進行量化分析，確定影響模擬結果的關鍵因素，為模型的改進和應用提供參考。溢油事故的應急決策支持研究：基于溢油數值模擬結果，結合海洋環(huán)境信息和應急資源情況，開展溢油事故的應急決策支持研究。通過建立應急決策評估指標體系，對不同應急方案（如圍油欄布設、撇油器使用、消油劑噴灑等）的效果進行評估和比較，為溢油事故的應急決策提供科學依據和技術支持，幫助決策者制定最優(yōu)的應急處理方案，最大限度地減少溢油事故造成的損失。1.3.2研究方法本研究綜合運用理論分析、模型構建、實例模擬和數據驗證等方法，開展基于POM的溢油數值模擬研究。理論分析：查閱國內外相關文獻資料，深入研究海洋水動力學、溢油物理學和化學等方面的理論知識，了解溢油在海洋環(huán)境中的運動和變化機制，以及數值模擬的基本原理和方法。分析現有溢油數值模擬模型的優(yōu)缺點，為POM模型的改進和溢油模型的建立提供理論基礎。模型構建：基于POM模型的基本框架，對其進行改進和優(yōu)化，建立適用于溢油數值模擬的水動力模型。根據溢油的物理化學過程，建立考慮多種因素的溢油模型，并將其與水動力模型進行耦合，構建完整的溢油數值模擬模型。在模型構建過程中，合理選擇模型參數和邊界條件，確保模型的準確性和可靠性。實例模擬：利用構建的溢油數值模擬模型，選取具有代表性的海域和溢油事故場景，進行實例模擬。通過設置不同的模擬工況，研究溢油在不同海洋環(huán)境條件下的行為特征。對模擬結果進行可視化處理，直觀展示溢油的漂移、擴散過程，分析溢油的運動規(guī)律和影響因素。數據驗證：收集實際溢油事故的監(jiān)測數據，包括溢油的位置、范圍、厚度、物理化學性質等信息，以及海洋環(huán)境參數（如風速、海流、海浪等）。將模擬結果與實際監(jiān)測數據進行對比分析，驗證模型的模擬精度和可靠性。根據驗證結果，對模型進行調整和優(yōu)化，提高模型的性能。敏感性分析：針對模型中的輸入參數，如溢油的物理化學參數、海洋環(huán)境參數等，開展敏感性分析。通過改變參數的值，觀察模擬結果的變化情況，確定對溢油模擬結果影響較大的參數，為模型的參數優(yōu)化和不確定性分析提供依據。不確定性分析：考慮模型輸入參數的不確定性以及模型本身的不確定性，采用蒙特卡洛模擬等方法，對溢油數值模擬結果的不確定性進行分析。通過多次模擬，得到模擬結果的概率分布，評估模擬結果的可靠性和不確定性程度，為溢油事故的風險評估和應急決策提供參考。二、POM模型基礎2.1POM模型概述POM模型，全稱為普林斯頓海洋模型（PrincetonOceanModel），由美國普林斯頓大學的Blumberg和Mellor于1977年共同建立，是一種被廣泛應用于海洋環(huán)境數值模擬的三維斜壓原始方程數值海洋模式。經過多年的發(fā)展和完善，POM模型在海洋動力學、海洋生態(tài)環(huán)境研究等領域發(fā)揮著重要作用，成為海洋數值模擬領域的經典模型之一。POM模型的基本原理基于流體力學的基本方程，包括連續(xù)性方程、動量方程、能量方程和狀態(tài)方程。在連續(xù)性方程中，其表達式為\frac{\partial\rho}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho\vec{u})=0，該方程反映了流體質量的守恒特性，即在一個封閉的流體系統(tǒng)中，質量既不會憑空產生，也不會無故消失。在動量方程方面，以x方向為例，其表達式為\rho(\frac{\partialu}{\partialt}+\vec{u}\cdot\nablau)=-\frac{\partialp}{\partialx}+\mu\nabla^{2}u+\rhofv+F_x，此方程體現了牛頓第二定律在流體中的應用，它綜合考慮了流體的加速度、壓力梯度力、粘性力、科氏力以及其他外力對流體運動的影響，全面地描述了流體在運動過程中的動量變化情況。能量方程則描述了流體的能量守恒，涵蓋了動能、內能等多種能量形式的相互轉換，其表達式較為復雜，通常涉及到溫度、熱傳導等因素。狀態(tài)方程則建立了流體密度與溫度、鹽度等物理量之間的關系，為整個模型體系提供了必要的物理參數聯系。在實際應用中，POM模型通過對這些基本方程進行數值離散和求解，實現對海洋環(huán)境的模擬。在數值離散過程中，水平方向采用正交曲線網格，這種網格能夠較好地擬合復雜的海岸線和地形，減少因網格不匹配而產生的數值誤差，提高模擬的精度。變量空間配置使用ArakawaC網格，該網格在處理動量、質量等物理量的計算時具有獨特的優(yōu)勢，能夠有效地避免數值振蕩等問題，確保計算結果的穩(wěn)定性。垂直方向采用σ坐標系，即地形追隨坐標系，這種坐標系能夠根據海底地形的變化自動調整垂直分層，使得在淺海和深海區(qū)域都能保持較好的分辨率。例如，在近岸淺海地區(qū)，由于地形變化劇烈，σ坐標系可以將垂直分層細化，更準確地捕捉水流的垂直結構；而在深海區(qū)域，地形相對平緩，垂直分層則可以適當放寬，減少計算量。通過這種方式，POM模型能夠更準確地反映海洋中各種物理過程的實際情況，為溢油數值模擬提供了堅實的基礎。POM模型具有諸多顯著特點，使其在海洋環(huán)境數值模擬中脫穎而出。POM模型采用時間分裂算法，將計算過程分為外模式（正壓模）和內模式（斜壓模）。外模式主要計算海平面高度和垂直平均速度，其方程是二維的，基于條件和重力外波波速，時間積分步長較短；內模式則用于求解各層密度和速度，方程是三維的，基于條件和內波波速，時間步長較長。這種算法有效地提高了計算效率，使得模型能夠在合理的時間內完成大規(guī)模的數值模擬任務。同時，正壓模和斜壓模之間通過特定的方式進行耦合，正壓模為斜壓模提供海面壓力梯度，斜壓模向正壓模提供底摩擦應力以及水平擴散項和內壓力梯度，從而在正壓模方程中也包含了斜壓效應，更全面地反映了海洋的動力過程。POM模型的垂向混合系數由二階湍流閉合方案確定，在一定程度上擺脫了人為因素的干擾，能夠更準確地描述海洋中的湍流混合過程。湍流在海洋中普遍存在，它對海洋中的熱量、鹽分、動量等物質的傳輸起著重要作用。二階湍流閉合方案通過引入一些經驗參數和理論假設，能夠較為準確地計算出垂向混合系數，從而更好地模擬海洋中各種物理量的垂直分布和變化。POM模型具有自由表面，包含完整的熱力學過程，并采用靜力近似和Boussinesq近似。自由表面的考慮使得模型能夠模擬海洋表面的波動現象，如風浪、涌浪等，這些波動對溢油的擴散和漂移有著重要的影響。完整的熱力學過程則包括了海洋中的熱量交換、溫度變化等，考慮這些過程可以更準確地模擬海洋環(huán)境對溢油的影響。靜力近似和Boussinesq近似在簡化計算的同時，又能保證模型在大多數情況下的準確性，使得模型在處理復雜的海洋問題時具有較高的效率和可靠性。在海洋環(huán)境數值模擬中，POM模型的優(yōu)勢十分明顯。由于其采用了正交曲線網格和σ坐標系，能夠精確地處理復雜的海底地形和邊界條件，這對于模擬近岸海域、河口、海灣等地形復雜區(qū)域的海洋動力過程尤為重要。在近岸海域，海底地形起伏較大，海岸線曲折，POM模型能夠通過其獨特的網格和坐標系設置，準確地模擬水流的運動和變化，為溢油在這些區(qū)域的擴散模擬提供準確的水動力條件。POM模型在模擬潮流、風生流等海洋水動力過程方面表現出色，其模擬結果具有較高的精度和可靠性。潮流是海洋中一種重要的動力現象，它對溢油的漂移和擴散有著直接的影響。POM模型能夠準確地模擬潮流的流速、流向等參數，為溢油數值模擬提供可靠的基礎數據。此外，POM模型還可以與其他模型進行耦合，如波浪模型、水質模型等，實現對海洋環(huán)境的多物理場聯合模擬，更全面地研究溢油在海洋中的行為及其對海洋生態(tài)環(huán)境的影響。通過與波浪模型耦合，可以考慮波浪對溢油的破碎、乳化等作用；與水質模型耦合，則可以研究溢油對海洋水質的污染擴散情況。2.2POM模型的控制方程POM模型的控制方程是基于流體力學基本原理推導得出的，它全面地描述了海洋中流體的運動規(guī)律，為海洋環(huán)境的數值模擬提供了理論基礎。這些控制方程的推導過程基于一系列的假設和物理定律，下面將逐步進行闡述。在笛卡爾坐標系下，不可壓縮流體的Navier-Stokes方程是描述流體運動的基本方程，其表達式為：\begin{cases}\frac{\partialu}{\partialt}+u\frac{\partialu}{\partialx}+v\frac{\partialu}{\partialy}+w\frac{\partialu}{\partialz}=-\frac{1}{\rho}\frac{\partialp}{\partialx}+\nu(\frac{\partial^{2}u}{\partialx^{2}}+\frac{\partial^{2}u}{\partialy^{2}}+\frac{\partial^{2}u}{\partialz^{2}})+F_{xu}\\\frac{\partialv}{\partialt}+u\frac{\partialv}{\partialx}+v\frac{\partialv}{\partialy}+w\frac{\partialv}{\partialz}=-\frac{1}{\rho}\frac{\partialp}{\partialy}+\nu(\frac{\partial^{2}v}{\partialx^{2}}+\frac{\partial^{2}v}{\partialy^{2}}+\frac{\partial^{2}v}{\partialz^{2}})+F_{yv}\\\frac{\partialw}{\partialt}+u\frac{\partialw}{\partialx}+v\frac{\partialw}{\partialy}+w\frac{\partialw}{\partialz}=-\frac{1}{\rho}\frac{\partialp}{\partialz}+\nu(\frac{\partial^{2}w}{\partialx^{2}}+\frac{\partial^{2}w}{\partialy^{2}}+\frac{\partial^{2}w}{\partialz^{2}})+F_{zw}\end{cases}其中，u、v、w分別為x、y、z方向的速度分量；t為時間；\rho為流體密度；p為壓力；\nu為運動粘性系數；F_{xu}、F_{yv}、F_{zw}分別為x、y、z方向的外力。同時，不可壓縮流體的連續(xù)性方程為：\frac{\partialu}{\partialx}+\frac{\partialv}{\partialy}+\frac{\partialw}{\partialz}=0POM模型采用了靜力近似和Boussinesq近似。靜力近似假設在垂直方向上，流體所受的重力與壓力梯度力相平衡，即\frac{\partialp}{\partialz}=-\rhog，其中g為重力加速度。Boussinesq近似則假設流體的密度變化只在重力項中起作用，而在其他項中可忽略不計，這樣可以簡化方程的求解過程，同時在大多數海洋環(huán)境下仍能保證較高的模擬精度。為了更好地處理復雜的海底地形，POM模型在垂直方向采用了\sigma坐標系，其定義為\sigma=\frac{z-\zeta}{H+\zeta}，其中z為笛卡爾坐標系下的垂直坐標，\zeta為海面高度，H為海底深度。通過這種坐標變換，將笛卡爾坐標系下的控制方程轉換為\sigma坐標系下的控制方程。在轉換過程中，需要考慮坐標變換對速度、壓力等物理量的影響，以及對偏導數的轉換。例如，對于速度分量，需要進行相應的變換以保證在新坐標系下的物理意義不變；對于偏導數，需要根據\sigma坐標系的定義進行重新計算。經過上述一系列的推導和變換，得到\sigma坐標系下POM模型的控制方程如下：連續(xù)方程：\frac{\partialU}{\partialx}+\frac{\partialV}{\partialy}+\frac{\partialW}{\partial\sigma}=0其中，U、V、W分別為\sigma坐標系下x、y、\sigma方向的速度分量。在\sigma坐標系中，速度分量的定義與笛卡爾坐標系有所不同，它們不僅包含了流體的實際運動速度，還考慮了坐標變換帶來的影響。連續(xù)方程反映了在\sigma坐標系下，流體質量在空間上的守恒特性，即流入某一微元體的流體質量等于流出該微元體的流體質量，保證了模型在質量計算上的準確性。動量方程：\begin{cases}\frac{\partialU}{\partialt}+U\frac{\partialU}{\partialx}+V\frac{\partialU}{\partialy}+W\frac{\partialU}{\partial\sigma}-fV=-\frac{1}{\rho_0}\frac{\partialP}{\partialx}+\frac{\partial}{\partialx}(A_H\frac{\partialU}{\partialx})+\frac{\partial}{\partialy}(A_H\frac{\partialU}{\partialy})+\frac{1}{H+\zeta}\frac{\partial}{\partial\sigma}(A_V\frac{\partialU}{\partial\sigma})+F_{xu}\\\frac{\partialV}{\partialt}+U\frac{\partialV}{\partialx}+V\frac{\partialV}{\partialy}+W\frac{\partialV}{\partial\sigma}+fU=-\frac{1}{\rho_0}\frac{\partialP}{\partialy}+\frac{\partial}{\partialx}(A_H\frac{\partialV}{\partialx})+\frac{\partial}{\partialy}(A_H\frac{\partialV}{\partialy})+\frac{1}{H+\zeta}\frac{\partial}{\partial\sigma}(A_V\frac{\partialV}{\partial\sigma})+F_{yv}\\\frac{\partialW}{\partialt}+U\frac{\partialW}{\partialx}+V\frac{\partialW}{\partialy}+W\frac{\partialW}{\partial\sigma}=-\frac{1}{\rho_0}\frac{\partialP}{\partial\sigma}-g+\frac{\partial}{\partialx}(A_H\frac{\partialW}{\partialx})+\frac{\partial}{\partialy}(A_H\frac{\partialW}{\partialy})+\frac{1}{H+\zeta}\frac{\partial}{\partial\sigma}(A_V\frac{\partialW}{\partial\sigma})+F_{zw}\end{cases}式中，f為科氏參數，它是由于地球自轉而產生的，其大小與緯度有關，在高緯度地區(qū)較大，低緯度地區(qū)較小，科氏力對海洋中的大規(guī)模環(huán)流和洋流有著重要的影響，是導致洋流方向發(fā)生偏轉的重要因素之一；\rho_0為參考密度，通常取為某一固定值，用于簡化方程的表達；P為修正壓力，它與實際壓力p之間存在一定的關系，通過引入修正壓力，可以使方程在形式上更加簡潔，便于求解；A_H和A_V分別為水平和垂直渦動粘性系數，它們反映了海洋中湍流對動量傳輸的影響，其取值與海洋的物理性質、地形、水流狀態(tài)等因素有關，通常通過實驗數據或經驗公式來確定。動量方程描述了在\sigma坐標系下，流體動量的變化與各種力之間的關系，包括慣性力、科氏力、壓力梯度力、粘性力以及外力等，這些力的相互作用決定了流體的運動狀態(tài)。溫度方程：\frac{\partialT}{\partialt}+U\frac{\partialT}{\partialx}+V\frac{\partialT}{\partialy}+W\frac{\partialT}{\partial\sigma}=\frac{\partial}{\partialx}(K_{H}\frac{\partialT}{\partialx})+\frac{\partial}{\partialy}(K_{H}\frac{\partialT}{\partialy})+\frac{1}{H+\zeta}\frac{\partial}{\partial\sigma}(K_{V}\frac{\partialT}{\partial\sigma})+Q_T其中，T為溫度；K_{H}和K_{V}分別為水平和垂直熱擴散系數，它們決定了溫度在海洋中的擴散速度，與海洋的熱物理性質、湍流強度等因素有關；Q_T為熱源項，它包括了太陽輻射、海洋與大氣之間的熱交換、海洋內部的化學反應等各種導致溫度變化的因素，是影響海洋溫度分布的重要因素之一。溫度方程描述了海洋中溫度的變化規(guī)律，通過求解該方程，可以得到海洋中溫度的時空分布，進而了解海洋的熱狀況和熱傳輸過程。鹽度方程：\frac{\partialS}{\partialt}+U\frac{\partialS}{\partialx}+V\frac{\partialS}{\partialy}+W\frac{\partialS}{\partial\sigma}=\frac{\partial}{\partialx}(K_{H}\frac{\partialS}{\partialx})+\frac{\partial}{\partialy}(K_{H}\frac{\partialS}{\partialy})+\frac{1}{H+\zeta}\frac{\partial}{\partial\sigma}(K_{V}\frac{\partialS}{\partial\sigma})+Q_S式中，S為鹽度；Q_S為鹽源項，它主要包括降水、蒸發(fā)、河流徑流等對海洋鹽度產生影響的因素，這些因素的變化會導致海洋鹽度的改變，進而影響海洋的密度和環(huán)流。鹽度方程描述了海洋中鹽度的變化情況，通過求解該方程，可以掌握海洋鹽度的分布特征和變化趨勢，對于研究海洋的物理和化學過程具有重要意義。這些控制方程中的各個參數都具有明確的物理意義，它們相互關聯，共同決定了海洋中流體的運動、溫度分布、鹽度分布等物理過程。速度參數U、V、W直接反映了流體在不同方向上的運動狀態(tài)，它們的大小和方向決定了海洋中的水流情況，如洋流的流速和流向等，對溢油的漂移和擴散起著直接的推動作用。壓力參數P則與流體的受力情況密切相關，壓力梯度力是驅動流體運動的重要因素之一，它的分布決定了流體的運動趨勢。溫度T和鹽度S不僅影響著海水的密度，進而影響海洋的環(huán)流和水動力條件，還對溢油的物理化學性質和行為產生重要影響，例如溫度會影響溢油的蒸發(fā)速率，鹽度會影響溢油的乳化程度等。2.3POM模型的數值求解方法POM模型的控制方程是一組復雜的偏微分方程，無法直接得到解析解，因此需要采用數值求解方法將其離散化，轉化為代數方程組進行求解。常用的數值求解算法包括有限差分法、有限元法等，這些算法各有優(yōu)缺點，適用于不同的場景。有限差分法是POM模型中最常用的數值求解方法之一。其基本思想是將求解區(qū)域劃分為離散的網格，用網格節(jié)點上的函數值近似表示連續(xù)的物理量，通過差商代替微商，將偏微分方程轉化為差分方程進行求解。在POM模型中，水平方向通常采用正交曲線網格，變量空間配置使用ArakawaC網格，這種網格設置能夠較好地擬合復雜的海岸線和地形，減少數值誤差。在對動量方程進行離散時，對于水平方向的導數，采用中心差分格式，例如對于\frac{\partialu}{\partialx}，在ArakawaC網格中，其離散形式為\frac{u_{i+1,j}-u_{i-1,j}}{2\Deltax}，其中u_{i,j}表示在(i,j)網格節(jié)點上的x方向速度分量，\Deltax為x方向的網格間距；對于垂直方向，由于采用了\sigma坐標系，垂直方向的差分格式相對復雜，通常采用隱式差分格式，以保證計算的穩(wěn)定性。有限差分法具有計算效率高、程序實現簡單等優(yōu)點。由于其離散格式相對簡單，計算過程中涉及的運算較少，因此能夠在較短的時間內完成大規(guī)模的數值模擬任務。有限差分法在處理規(guī)則邊界和簡單地形時具有較高的精度，能夠準確地模擬海洋中的物理過程。然而，有限差分法也存在一些局限性。當求解區(qū)域的邊界或地形較為復雜時，有限差分法的網格劃分可能會遇到困難，導致計算精度下降。有限差分法對物理量的導數近似是基于局部網格的，對于一些具有強非線性特征的物理過程，如強流場、劇烈的溫度變化等，有限差分法可能無法準確地捕捉其變化，從而產生較大的數值誤差。有限元法是另一種重要的數值求解方法，它將求解區(qū)域劃分為有限個單元，通過在每個單元上構造插值函數，將偏微分方程轉化為代數方程組進行求解。有限元法的基本步驟包括單元劃分、形函數構造、單元分析和總體合成。在單元劃分時，根據求解區(qū)域的形狀和特點，將其劃分為三角形、四邊形等不同形狀的單元；形函數構造則是根據單元的類型和節(jié)點分布，構造出能夠描述單元內物理量變化的插值函數；單元分析是通過對每個單元上的偏微分方程進行積分，得到單元的代數方程；總體合成則是將所有單元的代數方程組裝成總體方程組，進行求解。與有限差分法相比，有限元法具有更高的靈活性和精度，尤其適用于處理復雜的邊界條件和不規(guī)則的地形。在模擬具有復雜海岸線和海底地形的海域時，有限元法可以根據地形的變化靈活地調整單元的形狀和大小，更好地擬合實際地形，從而提高模擬精度。有限元法在處理具有強非線性特征的物理過程時表現也較為出色，能夠更準確地捕捉物理量的變化。然而，有限元法的計算量較大，對計算機的性能要求較高。由于有限元法需要對每個單元進行詳細的分析和計算，涉及到大量的矩陣運算，因此計算過程較為復雜，計算時間較長。有限元法的程序實現相對復雜，需要較高的編程技巧和專業(yè)知識，這在一定程度上限制了其應用范圍。除了有限差分法和有限元法，還有其他一些數值求解方法也在POM模型中得到了應用，如有限體積法、譜方法等。有限體積法基于守恒原理，將求解區(qū)域劃分為一系列控制體積，通過對每個控制體積內的物理量進行積分，得到離散的守恒方程，其在保證物理量守恒方面具有優(yōu)勢，適用于模擬具有復雜物理過程的海洋環(huán)境。譜方法則是將物理量表示為一組正交函數的級數展開，通過求解級數系數來得到物理量的數值解，譜方法具有高精度、收斂速度快等優(yōu)點，常用于模擬具有周期性或對稱性的物理問題，但譜方法對計算資源的要求較高，且在處理復雜邊界條件時存在一定的困難。不同的數值求解方法在POM模型中都有其獨特的優(yōu)缺點和適用場景。在實際應用中，需要根據具體的研究問題和海洋環(huán)境特點，綜合考慮計算精度、計算效率、編程難度等因素，選擇合適的數值求解方法，以確保POM模型能夠準確、高效地模擬海洋環(huán)境中的物理過程，為溢油數值模擬提供可靠的基礎。三、溢油數值模擬相關理論3.1溢油行為及歸宿分析溢油一旦發(fā)生，會在海洋環(huán)境中經歷一系列復雜的物理、化學和生物過程，這些過程不僅相互影響，還決定了溢油的運動軌跡、擴散范圍以及最終的歸宿，對海洋生態(tài)環(huán)境產生深遠的影響。溢油入海后，首先會在海面迅速擴散，這一過程主要受到慣性力、粘性力和表面張力的共同作用。在初始階段，慣性力起主導作用，使溢油快速向外擴展，形成較大的油膜面積。隨著時間的推移，粘性力和表面張力的影響逐漸增大，油膜的擴展速度逐漸減緩。在平靜的海面上，溢油可能會以較為規(guī)則的圓形或橢圓形向外擴散；而在復雜的海洋環(huán)境中，如存在海流、海浪等因素時，溢油的擴散形狀會變得不規(guī)則，可能會出現長條狀、分支狀等奇特的形態(tài)。有研究表明，在某些情況下，溢油的擴散速度可達到每小時數米甚至數十米，其擴散范圍在短時間內就能覆蓋數平方公里的海域。溢油的漂移主要受到海流、風和波浪等海洋動力因素的驅動。海流是影響溢油漂移的重要因素之一，它能將溢油攜帶到較遠的海域，改變溢油的分布格局。在墨西哥灣暖流等強大海流的作用下，溢油可能會被迅速帶離事故發(fā)生地，對周邊地區(qū)的海洋生態(tài)環(huán)境造成威脅。風對溢油漂移也有顯著影響，風的作用會使油膜表面產生切應力，從而推動油膜隨風向漂移。在強風天氣下，溢油的漂移速度會明顯加快，漂移方向也會隨風向的改變而變化。波浪的存在會增加溢油與海水的混合，使溢油的漂移過程更加復雜。波浪的起伏和破碎會導致油膜的變形和分散，使溢油更容易擴散到海洋的不同深度。蒸發(fā)是溢油在海洋環(huán)境中重要的物理變化過程之一。石油中的輕質組分，如汽油、煤油等，具有較高的揮發(fā)性，在海面上會迅速蒸發(fā)進入大氣。蒸發(fā)過程不僅會改變溢油的物理性質，使其粘度和密度增加，還會減少溢油在海面上的總量。蒸發(fā)速度受到多種因素的影響，包括油品的性質、溫度、風速、油膜厚度等。輕質原油中的輕質組分含量較高，其蒸發(fā)速度相對較快；而重質原油中輕質組分較少，蒸發(fā)速度則較慢。溫度升高會加快油品分子的運動速度，從而促進蒸發(fā)過程；風速的增大可以帶走油膜表面的揮發(fā)物質，增加蒸發(fā)速率；油膜厚度越薄，蒸發(fā)面積相對越大，蒸發(fā)速度也會相應加快。有研究表明，在適宜的條件下，溢油中的輕質組分在數小時內就可能有大量蒸發(fā)，蒸發(fā)量可達溢油總量的百分之幾十。乳化是溢油在海洋環(huán)境中形成水包油或油包水乳液的過程。當溢油與海水充分混合時，在海浪、海流等動力作用下，油滴會被分散在海水中，形成乳化液。乳化過程會使溢油的物理性質發(fā)生顯著變化，增加其粘度和體積，使其更難以處理和清除。乳化程度受到多種因素的影響，包括油品的性質、海水的鹽度、波浪的強度等。重質原油由于其粘度較高，更容易形成穩(wěn)定的乳化液；海水鹽度的變化會影響乳化液的穩(wěn)定性，在高鹽度的海水中，乳化液可能更加穩(wěn)定；波浪強度越大，對油滴的分散作用越強，乳化程度也會相應提高。乳化后的溢油在海洋中的遷移和擴散規(guī)律也會發(fā)生改變，給海洋生態(tài)環(huán)境帶來更大的危害。溶解是指石油中的一些可溶性成分溶解于海水中的過程。雖然石油在水中的溶解度較低，但其中的一些芳香烴等有毒有害物質仍會部分溶解，對海洋生物造成毒害。這些溶解在海水中的有害物質會隨著海水的流動而擴散，影響更大范圍的海洋生態(tài)環(huán)境。溶解過程受到多種因素的影響，如油品的組成、海水的溫度、鹽度和酸堿度等。不同類型的油品，其溶解特性也有所不同，含有較多芳香烴的油品，其在海水中的溶解量相對較大。海水溫度升高會增加油品的溶解度，鹽度和酸堿度的變化也會對溶解過程產生一定的影響。生物降解是微生物利用石油作為碳源和能源進行代謝活動，將石油分解為二氧化碳和水等無害物質的過程。這是溢油在海洋環(huán)境中自然消解的重要途徑之一，但生物降解的速度相對較慢，且受到多種環(huán)境因素的制約，如溫度、溶解氧、營養(yǎng)鹽等。在適宜的溫度和充足的溶解氧條件下，微生物的代謝活動較為活躍，生物降解速度會加快；而在低溫、缺氧的環(huán)境中，生物降解過程會受到抑制。營養(yǎng)鹽的含量也會影響微生物的生長和代謝，缺乏必要的營養(yǎng)鹽會限制生物降解的效率。研究發(fā)現，在一些溫暖、富氧且營養(yǎng)鹽豐富的海域，溢油的生物降解速度相對較快，在幾個月到幾年的時間內，部分溢油可以被微生物有效降解；而在一些寒冷、缺氧的深海區(qū)域，生物降解速度則非常緩慢，溢油可能會長期存在于海洋環(huán)境中。溢油在海洋中的歸宿主要有以下幾種：部分溢油會在物理、化學和生物過程的綜合作用下逐漸分解和消散，最終轉化為無害物質；部分溢油可能會被海浪沖到岸邊，對海灘、濕地等海岸生態(tài)系統(tǒng)造成嚴重污染，影響濱海旅游、漁業(yè)等產業(yè)的發(fā)展；還有部分溢油可能會沉降到海底，對海底生態(tài)系統(tǒng)產生長期的影響，危害底棲生物的生存和繁殖。在一些淺海海域，海底的底棲生物豐富，溢油沉降后會覆蓋在海底表面，阻礙底棲生物與外界的物質交換，導致底棲生物缺氧、中毒，甚至死亡，破壞海底生態(tài)系統(tǒng)的平衡。溢油在海洋中的各種行為和歸宿過程對海洋生態(tài)環(huán)境的影響是多方面的，且往往是長期和深遠的。它不僅會直接危害海洋生物的生存和繁殖，破壞海洋食物鏈的平衡，還會對海洋生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能造成嚴重損害，影響海洋的自凈能力和生態(tài)服務功能。了解溢油在海洋中的行為及歸宿規(guī)律，對于評估溢油事故的危害程度、制定有效的應急處理措施以及保護海洋生態(tài)環(huán)境具有重要的意義。3.2溢油數值模擬基本原理溢油數值模擬旨在通過數學模型和計算機技術，對溢油在海洋環(huán)境中的復雜行為進行定量描述和預測。其基本思路是基于質量守恒、動量守恒等物理定律，建立一系列數學方程來刻畫溢油的各種過程，如漂移、擴散、蒸發(fā)、乳化等，并通過數值計算方法求解這些方程，從而得到溢油在不同時刻的位置、濃度分布以及物理化學性質等信息。在眾多的溢油數值模擬方法中，油粒子模型是一種廣泛應用且具有獨特優(yōu)勢的方法。油粒子模型基于拉格朗日方法，將溢油離散為大量具有統(tǒng)計意義的油粒子，每個油粒子代表一定質量的油。這些油粒子在海洋環(huán)境中，會受到海流、風和波浪等因素的作用而產生漂移運動。通過跟蹤每個油粒子的運動軌跡，就可以模擬出溢油的整體漂移情況。在海流速度為u，風速為v，風漂因子為k的情況下，油粒子在x方向的漂移速度u_p可表示為u_p=u+kv_x，其中v_x是風速在x方向的分量；在y方向的漂移速度v_p可表示為v_p=v+kv_y，v_y是風速在y方向的分量。通過這樣的計算方式，可以較為準確地描述油粒子在海洋環(huán)境中的漂移運動。除了漂移，油粒子在運動過程中還會受到湍流擴散的影響。湍流擴散使得油粒子在空間上逐漸分散，導致溢油的擴散范圍不斷擴大。在實際模擬中，通常采用隨機游走模型來模擬湍流擴散過程。根據這一模型，每個時間步長內，油粒子會在其當前位置的基礎上，隨機地向各個方向移動一定的距離，這個距離的大小與湍流擴散系數有關。通過多次隨機游走，油粒子會呈現出擴散的趨勢，從而模擬出溢油的擴散過程。在一個時間步長\Deltat內，油粒子在x方向的隨機位移\Deltax可表示為\Deltax=\sqrt{2D_x\Deltat}\xi_x，其中D_x是x方向的湍流擴散系數，\xi_x是服從標準正態(tài)分布的隨機數；在y方向的隨機位移\Deltay可表示為\Deltay=\sqrt{2D_y\Deltat}\xi_y，D_y是y方向的湍流擴散系數，\xi_y是服從標準正態(tài)分布的隨機數。通過不斷更新油粒子的位置，就可以模擬出溢油在海洋中的擴散情況。油粒子模型還能夠較好地考慮溢油的其他物理化學過程，如蒸發(fā)、乳化等。對于蒸發(fā)過程，可根據油品的性質和環(huán)境條件，確定每個油粒子的蒸發(fā)速率，隨著時間的推移，油粒子的質量會因蒸發(fā)而逐漸減少。對于乳化過程，可通過設置相應的參數，描述油粒子與海水相互作用形成乳化液的過程，以及乳化液的性質變化對油粒子運動的影響。在蒸發(fā)過程中，假設某油粒子的初始質量為m_0，蒸發(fā)速率為r，經過時間t后，該油粒子的質量m可表示為m=m_0e^{-rt}。在乳化過程中，可引入乳化系數\alpha，表示油粒子乳化的程度，隨著乳化的進行，油粒子的粘度、密度等物理性質會發(fā)生變化，進而影響其在海洋中的運動和擴散。擴散模型也是溢油數值模擬中常用的方法之一，它基于歐拉方法，通過求解擴散方程來描述溢油的擴散過程。在擴散模型中，將溢油的濃度作為基本變量，通過建立濃度隨時間和空間變化的偏微分方程，來模擬溢油在海洋中的擴散情況。在二維情況下，擴散方程可表示為：\frac{\partialC}{\partialt}=\frac{\partial}{\partialx}(D_{xx}\frac{\partialC}{\partialx})+\frac{\partial}{\partialy}(D_{yy}\frac{\partialC}{\partialy})+\frac{\partial}{\partialx}(D_{xy}\frac{\partialC}{\partialy})+\frac{\partial}{\partialy}(D_{yx}\frac{\partialC}{\partialx})+S其中，C為溢油濃度，t為時間，x和y為空間坐標，D_{xx}、D_{yy}、D_{xy}和D_{yx}為擴散系數張量的分量，它們反映了溢油在不同方向上的擴散能力，其取值與海洋環(huán)境條件、溢油的物理化學性質等因素有關，S為源匯項，用于考慮溢油的輸入、輸出以及其他物理化學過程對濃度的影響。在實際應用中，通常需要對擴散方程進行數值離散求解。常見的數值方法包括有限差分法、有限元法和有限體積法等。有限差分法通過將求解區(qū)域劃分為離散的網格，用網格節(jié)點上的函數值近似表示連續(xù)的物理量，將偏微分方程轉化為差分方程進行求解；有限元法則是將求解區(qū)域劃分為有限個單元，通過在每個單元上構造插值函數，將偏微分方程轉化為代數方程組進行求解；有限體積法基于守恒原理，將求解區(qū)域劃分為一系列控制體積，通過對每個控制體積內的物理量進行積分，得到離散的守恒方程。在采用有限差分法求解擴散方程時，對于\frac{\partialC}{\partialx}，可采用中心差分格式，其離散形式為\frac{C_{i+1,j}-C_{i-1,j}}{2\Deltax}，其中C_{i,j}表示在(i,j)網格節(jié)點上的溢油濃度，\Deltax為x方向的網格間距；對于\frac{\partial^2C}{\partialx^2}，其離散形式為\frac{C_{i+1,j}-2C_{i,j}+C_{i-1,j}}{\Deltax^2}。通過對擴散方程中的各項進行離散處理，得到一組關于網格節(jié)點上溢油濃度的代數方程組，然后通過迭代求解等方法得到溢油濃度在不同時刻和空間位置的數值解，從而實現對溢油擴散過程的模擬。油粒子模型和擴散模型各有優(yōu)缺點，適用于不同的場景。油粒子模型物理概念清晰，能夠直觀地反映溢油的運動軌跡，在處理復雜海洋環(huán)境和多物理過程耦合時具有優(yōu)勢，但其計算量較大，對于大規(guī)模溢油模擬可能需要較長的計算時間。擴散模型在計算效率上相對較高，能夠快速得到溢油濃度的分布情況，但其對溢油的物理過程描述相對較為宏觀，對于單個油粒子的運動軌跡難以精確追蹤。在實際的溢油數值模擬中，常常根據具體的研究需求和海洋環(huán)境特點，選擇合適的模型或結合多種模型的優(yōu)勢，以提高模擬的準確性和可靠性。3.3影響溢油數值模擬的因素溢油數值模擬結果的準確性受到多種因素的綜合影響，這些因素涵蓋了環(huán)境因素和油品性質等多個方面。深入研究這些影響因素，對于提高溢油數值模擬的精度和可靠性具有重要意義。環(huán)境因素在溢油數值模擬中起著至關重要的作用，其中風速、海流和海浪是最為關鍵的幾個因素。風速對溢油的漂移和擴散有著直接而顯著的影響。當風速較大時，風的切應力作用于油膜表面，會使油膜迅速擴散，擴大溢油的污染范圍。在一次強風天氣下的溢油事故模擬中，當風速達到15米/秒時，溢油在12小時內的擴散面積比無風時增加了近3倍。風速還會影響溢油的蒸發(fā)速率，較強的風速能夠加快油膜表面揮發(fā)物質的擴散，從而提高蒸發(fā)速度。有研究表明，風速每增加5米/秒，溢油的蒸發(fā)速率可提高20%-30%。海流是影響溢油漂移的核心因素之一，它能夠攜帶溢油在海洋中長距離移動，改變溢油的分布格局。不同類型的海流，如暖流、寒流、沿岸流等，其流速和流向各異，對溢油的影響也各不相同。在墨西哥灣暖流附近發(fā)生溢油事故時，由于暖流的流速較快，可達1-2米/秒，溢油會被迅速帶離事故發(fā)生地，可能對數百公里外的海岸生態(tài)系統(tǒng)造成威脅。海流的垂直結構也會對溢油的擴散產生影響，不同深度的海流速度和方向的差異，可能導致溢油在垂直方向上的分布發(fā)生變化，使溢油的擴散過程更加復雜。海浪的存在增加了溢油與海水的混合，對溢油的擴散和乳化過程產生重要影響。海浪的起伏和破碎會使油膜發(fā)生變形和分散，促使油滴進入水體，從而增加溢油的擴散范圍。在海浪高度為2-3米的情況下，溢油的擴散速度比平靜海面時提高了50%-80%。海浪還會加劇溢油的乳化過程，使油滴與海水充分混合，形成更穩(wěn)定的乳化液。研究發(fā)現，在海浪的作用下，溢油的乳化程度可在數小時內提高30%-50%，乳化后的溢油粘度和體積增大，更難以處理和清除，對海洋生態(tài)環(huán)境的危害也更大。油品性質也是影響溢油數值模擬結果的重要因素，其中密度和粘度是兩個關鍵參數。油品密度決定了溢油在海水中的垂直分布。密度小于海水的溢油會漂浮在海面，而密度大于海水的溢油則可能下沉至海底，對海底生態(tài)系統(tǒng)造成危害。輕質原油的密度通常在0.7-0.9克/立方厘米之間，明顯小于海水的密度（約1.02-1.03克/立方厘米），因此在海面上漂浮，容易受到風、流等因素的影響而擴散。而重質原油或含有大量雜質的油品，其密度可能大于海水，一旦泄漏，可能迅速沉降到海底，對海底的生物群落和生態(tài)環(huán)境產生長期的負面影響。油品粘度對溢油的擴散和漂移也有顯著影響。高粘度的油品流動性較差，在海面上的擴散速度較慢，且難以與海水混合，這使得溢油在一定范圍內相對集中，不易擴散。在模擬高粘度重油的溢油事故時，發(fā)現其在24小時內的擴散范圍僅為低粘度輕質油的1/3左右。高粘度油品還會影響溢油的乳化過程，由于其分子間作用力較強，形成乳化液的難度較大，乳化程度相對較低。這使得高粘度溢油在海洋中的行為與低粘度溢油有很大不同，在數值模擬中需要充分考慮粘度對溢油各種過程的影響，以提高模擬結果的準確性。除了風速、海流、海浪、密度和粘度外，還有其他一些因素也會對溢油數值模擬結果產生影響。海水的溫度和鹽度會影響油品的物理化學性質，進而影響溢油的蒸發(fā)、溶解和乳化等過程。較高的海水溫度會加快溢油的蒸發(fā)速度，而鹽度的變化則可能影響乳化液的穩(wěn)定性。溢油的初始狀態(tài)，如溢油的位置、溢油的規(guī)模和溢油的方式等，也會對模擬結果產生重要影響。在不同位置發(fā)生的溢油，由于所處的海洋環(huán)境條件不同，其漂移和擴散路徑會有很大差異；溢油規(guī)模越大，對海洋環(huán)境的影響范圍和程度也越大，在數值模擬中需要準確考慮溢油的初始量和分布情況。環(huán)境因素和油品性質等多種因素相互作用，共同影響著溢油數值模擬的結果。在進行溢油數值模擬時，需要全面、準確地考慮這些因素，合理設置模型參數，以提高模擬結果的精度和可靠性，為海上溢油事故的應急處理和海洋環(huán)境保護提供科學、有效的支持。四、基于POM的溢油數值模擬模型構建4.1模型構建思路與框架基于POM的溢油數值模擬模型構建，旨在綜合考慮海洋環(huán)境的復雜性以及溢油在其中的各種物理化學過程，通過將POM模型與溢油模型進行有效耦合，實現對溢油行為的準確模擬。其整體思路是以POM模型為基礎，利用其強大的海洋水動力模擬能力，為溢油模型提供精確的水動力條件，同時，構建考慮多種因素的溢油模型，全面描述溢油在海洋環(huán)境中的運動和變化。POM模型在整個模擬框架中起著核心作用，它主要負責模擬海洋的水動力過程，包括潮流、風生流、密度流等。通過求解POM模型的控制方程，能夠得到海洋中不同位置和時刻的流速、流向、水位等水動力參數。在模擬某一海域的潮流時，POM模型可以根據該海域的地形數據、邊界條件以及氣象數據等，準確計算出不同時刻各網格節(jié)點上的潮流速度和方向，為后續(xù)溢油模擬提供關鍵的水動力背景。溢油模型則是基于POM模型提供的水動力條件，對溢油的漂移、擴散、蒸發(fā)、乳化等過程進行模擬。在漂移過程中，溢油模型根據POM模型計算得到的海流速度和風速，確定溢油的漂移方向和速度；在擴散過程中，考慮到海洋中的湍流作用，利用合適的擴散模型來描述溢油在空間上的分散情況；對于蒸發(fā)和乳化過程，根據油品的性質以及環(huán)境條件，如溫度、濕度、波浪等，建立相應的物理模型，以準確模擬溢油的物理化學性質變化。整個模型框架可分為輸入模塊、POM水動力模擬模塊、溢油模擬模塊和輸出模塊。輸入模塊負責收集和整理模擬所需的數據，包括地形數據、氣象數據、海洋水文數據以及溢油的初始參數等。地形數據通常通過海底地形測量獲得，它能夠精確描繪海底的起伏狀況，為POM模型在處理復雜海底地形時提供準確的信息。氣象數據則涵蓋了風速、風向、氣溫、氣壓等要素，這些數據對于模擬風生流以及溢油的蒸發(fā)過程至關重要。海洋水文數據包括海水的溫度、鹽度、密度等，它們影響著海洋的水動力特性以及溢油在海水中的物理化學行為。溢油的初始參數包括溢油的位置、溢油量、油品性質等，這些信息是溢油模擬的起始條件。POM水動力模擬模塊根據輸入的地形數據和海洋水文數據，通過求解POM模型的控制方程，計算出海洋的水動力場。在這個過程中，需要選擇合適的數值求解方法，如有限差分法、有限元法等，對控制方程進行離散化處理，將連續(xù)的物理量在空間和時間上進行離散，轉化為可以在計算機上進行計算的代數方程組。在水平方向上，采用正交曲線網格和ArakawaC網格進行離散，能夠更好地擬合復雜的海岸線和地形，減少數值誤差。在垂直方向上，由于采用了σ坐標系，需要根據地形的變化對垂直分層進行合理設置，以確保在不同水深區(qū)域都能準確模擬水動力過程。通過迭代計算，得到不同時刻海洋中各位置的水動力參數，如流速、流向、水位等。溢油模擬模塊基于POM水動力模擬模塊輸出的水動力場，結合溢油的初始參數和環(huán)境條件，對溢油的各種過程進行模擬。在漂移模擬中，根據海流速度和風速，利用拉格朗日方法追蹤油粒子的運動軌跡，確定溢油的漂移路徑。在擴散模擬中，考慮海洋湍流的影響，采用合適的擴散模型，如隨機游走模型或擴散方程求解方法，計算溢油在空間上的擴散范圍。對于蒸發(fā)和乳化過程，根據油品的性質和環(huán)境條件，利用相應的物理模型進行模擬。在蒸發(fā)模型中，考慮溫度、風速、油膜厚度等因素對蒸發(fā)速率的影響，通過質量守恒原理計算溢油因蒸發(fā)而減少的質量。在乳化模型中，考慮波浪、海流等因素對乳化過程的促進作用，以及油品性質對乳化液穩(wěn)定性的影響，模擬溢油乳化后的物理性質變化。輸出模塊將溢油模擬的結果進行整理和可視化展示，包括溢油的漂移軌跡、擴散范圍、厚度分布以及油膜的物理化學性質隨時間的變化等信息。通過繪制溢油漂移軌跡圖，可以直觀地看到溢油在不同時刻的位置和移動方向；擴散范圍圖則能夠清晰地展示溢油在海洋中的擴散程度；厚度分布圖可以呈現溢油在不同位置的厚度變化，反映溢油的濃度分布情況。對于油膜的物理化學性質，如粘度、密度、含水率等，也可以通過圖表或數據表格的形式進行展示，以便于對溢油的變化過程進行分析和研究。通過這些輸出結果，能夠為溢油事故的應急處理和海洋環(huán)境保護提供科學依據，幫助決策者制定合理的應對策略。4.2模型參數設置與邊界條件確定在基于POM的溢油數值模擬模型中，合理設置模型參數和確定邊界條件是確保模擬結果準確性和可靠性的關鍵。這些參數和邊界條件的選取需要綜合考慮研究區(qū)域的海洋環(huán)境特征、溢油的性質以及模擬的目的和要求。時間步長和空間分辨率是模型中兩個重要的參數。時間步長的選擇直接影響到模擬的精度和計算效率。時間步長過小，雖然能夠提高模擬的精度，但會增加計算量和計算時間；時間步長過大，則可能導致模擬結果出現偏差，無法準確反映溢油的動態(tài)變化過程。在實際應用中，需要根據具體情況進行權衡。對于POM模型，通常采用時間分裂算法，將計算過程分為外模式（正壓模）和內模式（斜壓模）。外模式基于條件和重力外波波速，時間積分步長較短，一般在幾秒到幾十秒之間，以確保能夠準確捕捉到海平面高度和垂直平均速度的快速變化；內模式基于條件和內波波速，時間步長較長，通常為幾分鐘到幾十分鐘，用于求解各層密度和速度。在模擬某一近岸海域的溢油時，經過多次試驗和對比分析，確定外模式時間步長為5秒，內模式時間步長為300秒，這樣既能保證模擬精度，又能在可接受的時間內完成計算任務?？臻g分辨率決定了模型對海洋環(huán)境細節(jié)的刻畫能力。較高的空間分辨率能夠更準確地反映地形、海流等因素的變化，但也會增加計算資源的需求。在水平方向上，根據研究區(qū)域的大小和地形復雜程度，選擇合適的網格間距。對于地形復雜的近岸海域，如存在島嶼、海灣等特殊地形，網格間距可設置為幾十米到幾百米，以精細地模擬地形對海流和溢油擴散的影響；對于開闊海域，網格間距可以適當增大，設置為幾公里，以減少計算量。在模擬渤海海域的溢油時，考慮到渤海海域地形相對較為復雜，尤其是在遼東灣、渤海灣和萊州灣等區(qū)域，將水平方向的網格間距設置為200米，能夠較好地模擬這些區(qū)域的海流變化和溢油擴散情況。在垂直方向上，由于采用了σ坐標系，根據海底地形的變化對垂直分層進行合理設置。在淺海區(qū)域，海底地形變化較大，為了更準確地模擬水流的垂直結構和溢油在不同深度的分布，垂直分層可適當加密，如設置為10-20層；在深海區(qū)域，地形相對平緩，垂直分層可以適當放寬，設置為5-10層。模型的邊界條件主要包括開邊界條件和閉邊界條件。開邊界條件用于描述研究區(qū)域與外界的相互作用，通常包括水位、流速和溫度等參數。在設置開邊界水位時，可根據研究區(qū)域的地理位置和潮汐特征，采用調和分析法或數值模擬方法獲取邊界處的潮汐數據。對于流速邊界條件，可通過實測數據或其他水動力模型的模擬結果進行給定。在模擬長江口附近海域的溢油時，開邊界水位根據長江口附近潮汐站的實測潮汐數據進行設置，流速邊界條件則參考了該區(qū)域已有的水動力模擬結果。開邊界的溫度條件可根據實測的海洋溫度數據或氣候模式的輸出結果進行設定，以保證模型能夠準確反映海洋的熱狀況。閉邊界條件主要用于描述研究區(qū)域與陸地的相互作用，如海岸線、島嶼等。在閉邊界處，通常假設流速為零，即滿足無滑動條件。這是因為在固體邊界上，流體與邊界之間存在摩擦力，使得流體的流速為零。對于溢油模型，在閉邊界處還需要考慮溢油與陸地的相互作用，如溢油在岸邊的吸附、堆積等情況。當溢油到達海岸線時，可設置溢油的濃度為零，或者根據實際情況考慮溢油在岸邊的停留時間和再懸浮過程，以更準確地模擬溢油在閉邊界處的行為。除了上述主要參數和邊界條件外，模型中還涉及到一些其他參數，如水平和垂直渦動粘性系數、熱擴散系數、鹽擴散系數等。這些參數的取值與海洋的物理性質、地形、水流狀態(tài)等因素密切相關，通常通過實驗數據或經驗公式來確定。水平渦動粘性系數反映了海洋中水平方向上湍流對動量傳輸的影響，其取值范圍一般在10-1000平方米/秒之間，具體數值根據研究區(qū)域的海流特征和地形復雜程度進行調整。垂直渦動粘性系數則主要影響海洋中垂直方向上的動量傳輸和混合過程，其取值相對較小，一般在0.01-1平方米/秒之間。熱擴散系數和鹽擴散系數分別決定了溫度和鹽度在海洋中的擴散速度，它們的取值也與海洋的物理性質和湍流強度有關，通常通過實驗測量或經驗公式估算得到。模型參數設置和邊界條件的確定是一個復雜而關鍵的過程，需要充分考慮研究區(qū)域的實際情況和模擬的需求，通過合理的選擇和調整，確保模型能夠準確地模擬溢油在海洋環(huán)境中的運動和變化過程，為海上溢油事故的應急處理和海洋環(huán)境保護提供可靠的科學依據。4.3模型驗證與校準模型驗證與校準是確保基于POM的溢油數值模擬模型準確性和可靠性的關鍵環(huán)節(jié)。通過將模型模擬結果與實際溢油案例數據或實驗室實驗數據進行對比分析，可以評估模型在模擬溢油行為方面的性能，并對模型參數進行調整和優(yōu)化，以提高模型的模擬精度。在選擇實際溢油案例或實驗室實驗時，應充分考慮其代表性和數據的完整性。實際溢油案例應涵蓋不同的溢油規(guī)模、溢油位置、海洋環(huán)境條件以及油品類型，以全面驗證模型在各種情況下的適用性。對于發(fā)生在不同海域的溢油事故，其海洋環(huán)境條件（如風速、海流、海浪等）和油品性質（如密度、粘度等）存在差異，通過對這些案例的模擬和分析，可以檢驗模型對不同環(huán)境條件和油品類型的響應能力。實驗室實驗則可以在可控的條件下，精確測量溢油在不同階段的物理化學參數和運動軌跡，為模型驗證提供高精度的數據支持。在實驗室中，可以通過設置不同的風速、海流速度和方向，觀察溢油在這些條件下的擴散和漂移情況，并精確測量溢油的擴散范圍、油膜厚度等參數。以某一實際溢油案例為例，該案例發(fā)生在渤海海域，溢油規(guī)模為1000噸，溢油位置位于渤海灣的中心區(qū)域。在模型驗證過程中，首先將該案例的相關數據輸入到基于POM的溢油數值模擬模型中，包括溢油的初始位置、溢油量、油品性質、模擬起始時間以及模擬時長等。同時，輸入該海域的海洋環(huán)境數據，如模擬期間的風速、風向、海流速度和方向、海浪高度等。這些數據通過現場監(jiān)測和衛(wèi)星遙感等手段獲取，確保數據的準確性和可靠性。模型運行完成后，將模擬結果與實際觀測數據進行詳細對比分析。在漂移軌跡方面，對比模擬得到的溢油漂移路徑與實際觀測到的溢油位置隨時間的變化情況。通過繪制溢油漂移軌跡圖，可以直觀地看出模擬軌跡與實際軌跡的吻合程度。若模擬軌跡與實際軌跡存在偏差，進一步分析偏差產生的原因，可能是由于模型對海流的模擬精度不夠，或者對風的影響考慮不全面等。在擴散范圍方面，比較模擬得到的溢油擴散面積與實際觀測到的溢油覆蓋范圍。通過計算模擬擴散面積與實際擴散面積的相對誤差，評估模型在模擬溢油擴散方面的準確性。若相對誤差較大，檢查模型中擴散參數的設置是否合理，以及對海洋湍流等因素的考慮是否充分。在油膜厚度分布方面，對比模擬得到的油膜厚度與實際測量的油膜厚度。通過在不同位置測量實際油膜厚度，并與模型模擬結果進行對比，分析模型在模擬油膜厚度變化方面的性能。若模擬油膜厚度與實際油膜厚度存在差異，考慮模型中對溢油蒸發(fā)、乳化等過程的模擬是否準確，以及對海洋環(huán)境因素（如溫度、鹽度等）對油膜厚度影響的考慮是否周全。根據對比分析結果，對模型進行校準。若發(fā)現模型在模擬海流時存在偏差，可以調整POM模型中與海流計算相關的參數，如水平和垂直渦動粘性系數等，以提高海流模擬的精度。若模型對溢油蒸發(fā)過程的模擬與實際情況不符，可以重新評估蒸發(fā)模型中的參數，如蒸發(fā)速率常數等，并根據實際數據進行調整。在調整參數后，重新運行模型，再次將模擬結果與實際數據進行對比，直到模擬結果與實際數據的偏差在可接受的范圍內。除了與實際溢油案例數據進行對比驗證外，還可以通過與實驗室實驗數據進行對比來進一步驗證模型的準確性。在實驗室實驗中，設置了一個模擬海洋環(huán)境的水槽，通過控制水槽中的水流速度、風速和波浪等條件，模擬溢油在海洋中的運動。在實驗過程中，使用高精度的測量儀器，如激光粒度儀、紅外測油儀等，測量溢油的擴散范圍、油膜厚度、油滴粒徑分布等參數。將這些實驗數據與模型模擬結果進行對比，分析模型在模擬溢油微觀物理過程方面的能力。通過對比發(fā)現，模型在模擬油滴粒徑分布方面與實驗結果存在一定差異，進一步檢查模型中對溢油乳化和破碎過程的模擬算法，對相關參數進行調整和優(yōu)化，以提高模型對油滴粒徑分布的模擬精度。通過實際溢油案例數據和實驗室實驗數據的雙重驗證與校準，可以有效提高基于POM的溢油數值模擬模型的準確性和可靠性。這不僅為海上溢油事故的應急處理提供了更可靠的預測工具，也為海洋環(huán)境保護和管理提供了有力的技術支持，有助于降低溢油事故對海洋生態(tài)環(huán)境和人類社會造成的危害。五、案例研究5.1案例選取與數據收集為了深入驗證和分析基于POM的溢油數值模擬模型的性能和實際應用效果，本研究精心選取了具有代表性的“?？松?瓦爾迪茲號”油輪溢油事故作為案例進行研究。該事故發(fā)生于1989年3月24日，地點位于美國阿拉斯加州威廉王子灣。當時，?？松?瓦爾迪茲號超級油輪滿載原油行駛至該水域時不幸擱淺，導致8個油艙破裂，大量原油以6360立方米/小時的流速洶涌溢出。此次事故堪稱歷史上最為嚴重的溢油事故之一，其溢油量巨大，對當地海洋生態(tài)環(huán)境造成了毀滅性的打擊，具有極高的研究價值。在數據收集方面，本研究投入了大量的精力，廣泛收集了與該案例相關的各類數據，以確保模擬的準確性和可靠性。地理數據方面，通過高精度的海底地形測量和衛(wèi)星遙感技術，獲取了威廉王子灣詳細的海底地形數據，包括水深、海底坡度、海底地貌等信息。這些數據對于POM模型準確模擬該海域的水動力過程至關重要，因為海底地形的起伏會直接影響海流的流速和流向，進而影響溢油的漂移和擴散路徑。通過分析海底地形數據，發(fā)現威廉王子灣存在多處淺灘和海溝，這些特殊的地形地貌會導致海流在局部區(qū)域發(fā)生加速、減速和轉向等復雜變化，對溢油的擴散產生重要影響。氣象數據方面，收集了事故發(fā)生期間該海域的風速、風向、氣溫、氣壓等氣象要素的實時監(jiān)測數據。風速和風向是影響溢油漂移的重要因素之一，較強的風速會加快溢油的擴散速度，而風向則決定了溢油的漂移方向。在事故發(fā)生后的幾天內，該海域的平均風速達到了15米/秒，風向主要為西北風，這使得溢油迅速向東南方向漂移，擴大了污染范圍。氣溫和氣壓的變化也會影響溢油的物理化學性質，進而影響溢油的蒸發(fā)、乳化等過程。較低的氣溫會減緩溢油的蒸發(fā)速度，而氣壓的變化則可能導致海面的波動，增加溢油與海水的混合程度。水文數據方面，獲取了該海域的海流速度、海流方向、海水溫度、鹽度等水文參數。海流是推動溢油漂移的主要動力之一，準確掌握海流的速度和方向對于預測溢油的運動軌跡至關重要。在威廉王子灣，存在著復雜的海流系統(tǒng)，包括沿岸流、潮汐流等，這些海流的相互作用使得溢油的漂移路徑變得更加復雜。海水溫度和鹽度會影響溢油的物理化學性質，例如，較高的海水溫度會加快溢油的蒸發(fā)速度，而鹽度的變化則可能影響溢油的乳化程度和穩(wěn)定性。溢油信息方面，詳細收集了溢油的位置、溢油量、油品性質等關鍵數據。溢油的初始位置是模擬的起始點，準確確定溢油位置對于后續(xù)模擬的準確性至關重要。通過對事故現場的調查和相關資料的分析，確定了溢油發(fā)生的具體經緯度坐標。溢油量的準確掌握對于評估溢油事故的危害程度和模擬溢油的擴散范圍具有重要意義，本研究通過對事故報告和相關研究的綜合分析，確定了此次事故的溢油量約為26萬至75萬桶。油品性質是影響溢油行為的重要因素之一，不同性質的油品在海洋環(huán)境中的蒸發(fā)、乳化、溶解等過程存在差異。?？松?瓦爾迪茲號油輪泄漏的原油為輕質原油，其密度相對較低，揮發(fā)性較強，這使得溢油在海面上的蒸發(fā)速度較快，對大氣環(huán)境也造成了一定的污染。通過全面、系統(tǒng)地收集這些數據，并對其進行整理和分析，為基于POM的溢油數值模擬提供了堅實的數據基礎。這些數據將被準確地輸入到模擬模型中，以確保模擬結果能夠真實地反映?？松?瓦爾迪茲號油輪溢油事故的實際情況，從而為評估模型的性能和改進模型提供有力的依據。5.2基于POM模型的溢油模擬過程在構建基于POM的溢油數值模擬模型并收集整理好相關數據后，便進入到溢油模擬的具體實施階段。本研究以“?？松?瓦爾迪茲號”油輪溢油事故為案例，利用構建的模型對溢油過程進行模擬，旨在通過模擬結果深入了解溢油在復雜海洋環(huán)境中的行為特征。將收集到的威廉王子灣的地理數據、氣象數據、水文數據以及溢油信息等準確無誤地輸入到基于POM的溢油數值模擬模型中。在輸入地理數據時，確保海底地形數據的精度，將測量得到的詳細水深、海底坡