基于波浪水槽模拟的沉潜油形成影响因素及机理研究

论文摘要

海洋沉潜油形成机理复杂,主要通过油滴与悬浮颗粒物碰撞进而聚合形成较为稳定的油-悬浮颗粒物凝聚体（OSAs）而沉潜于海洋环境中。由于其运动特性不同于海面溢油,监测手段有限,且有效回收设备缺乏,会对海洋生物及生态环境造成长期影响。本文以渤海海域水动力和水化学环境为研究背景,批量小型锥形瓶模拟试验为筛选基础,首先研究了不同悬浮颗粒物对沉潜油形成的时间尺度影响,系统性地开展了油品性质、悬浮颗粒物性质、温度和溢油分散剂等多种因素对沉潜油形成规律的综合影响研究,然后通过中尺度波浪水槽模拟试验及数值拟合进一步验证、修正了锥形瓶模拟试验建立的沉潜油形成随时间变化的预测模型,同时筛选典型油品和悬浮颗粒物深入开展了不同因素作用下的波浪水槽模拟试验,研究了破碎波作用下沉潜油的形成规律和粒径分布,并探讨了不同剂量溢油分散剂对沉潜油形成的作用机理,最后基于中尺度波浪水槽试验数据初步构建了溢油分散剂和悬浮颗粒物联合作用下沉潜油的生成模型。主要研究结果如下:（1）在前期的锥形瓶模拟试验中,三种悬浮颗粒物（沙砾,沙土和石英砂）与马瑞原油的试验结果均表明,油品沉潜率随混合时间开始迅速增加,达到最大值后趋于稳定,且形成的沉潜油中沉底油含量占40-95%,对海洋底栖生物存在巨大的潜在风险。根据沉潜率的时间序列,本文建立了沉潜油形成率随时间变化的预测模型,以确定沉潜油形成的平衡时间。研究发现,在一定范围内增加悬浮颗粒物浓度,可以显著缩短沉潜油形成的平衡时间,且三种悬浮颗粒物中沙砾作用下形成速率最快,平衡时间最短,其次为石英砂,沙土最慢,这主要是由于三种颗粒物的粒径和疏水性不同而导致的。（2）根据确定的沉潜油形成平衡时间,通过锥形瓶模拟试验开展了石油类型、悬浮颗粒物类型和浓度、温度及消油剂等多因素作用下的沉潜油形成研究。结果发现,沙砾、沙土和石英砂三种悬浮颗粒物作用下,阿曼原油和马瑞原油均可形成大量沉潜油,且存在一个最优悬浮颗粒物浓度使溢油沉潜达到最大,其中马瑞原油偏向于形成负浮力沉底油,阿曼原油则形成较多的半潜油,而380#燃料油则几乎没有沉潜油形成,这主要是由于油品粘度和沥青质含量共同影响而导致的,且温度也是基于此机理而影响沉潜油的形成,随温度升高,溢油沉潜率随之增大。本文基于现有数据,建立了沉潜率与油品粘度和沥青质含量之间的经验公式,用以预测不同油品和温度对沉潜油形成的影响。此外,溢油分散剂和三种悬浮颗粒物联合作用均可以促进三种试验油品的沉潜过程,且油品粘度越高,溢油分散剂和颗粒物的联合增强作用越显著。然而,由于溢油分散剂作用机理复杂,随剂量比（DOR）增加,二者联合作用下的沉潜率并非总呈现上升趋势,当DOR增加到1:5时,沉潜率达到最大。（3）在锥形瓶模拟试验基础上,本文进一步开展了中尺度波浪水槽的模拟试验,研究发现,破碎波作用下,油品沉潜率随混合时间增加表现出与锥形瓶模拟试验相同的变化规律,且后者建立的沉潜油形成随时间变化的预测模型也适用,但由于研究尺度和混合能量的不同,波浪水槽模拟试验中沉潜油形成达到平衡的时间远短于锥形瓶试验,因此需要进行参数校正。此外,随混合时间增加,波浪水槽中沉底油平均粒径先增大后下降,随后呈小幅度波动趋势。（4）破碎波作用下,同样存在一个最优的悬浮颗粒物浓度使波浪水槽中溢油沉潜率达到最大,且随悬浮颗粒物粒径减小,水体中试验油品沉潜率呈增大趋势,而沉底率则在小粒径作用下有所下降。同时,悬浮颗粒物可以明显细化水体中的油滴,且颗粒物粒径越小,细化作用越明显。基于以上数据分析,本文建立了悬浮颗粒物浓度和粒径对沉潜率影响的经验关系式,初步构建了悬浮颗粒物作用下的沉潜油生成模型。（5）破碎波作用下,溢油分散剂和颗粒物的联合作用可以明显促进溢油的自然沉潜,细化水体中的分散油滴,且大于溢油分散剂或沙砾单独作用。然而,溢油分散剂虽然可以改变油滴和颗粒物的粒径比,但同时也会减弱油滴的黏附作用,因此随DOR增加,沉潜率呈线性增大,而沉底率则会在高DOR条件下有所下降,甚至低于颗粒物单独作用下的沉底率。基于以上数据分析,本文建立了溢油分散剂对沉潜率影响的经验关系式,初步构建了溢油分散剂和悬浮颗粒物联合作用下的沉潜油生成模型。（6）沉底油和半潜油的形成在海水中是动态变化的可逆过程。不同条件下,波浪水槽水体中半潜颗粒呈现多峰分布,而沉底油则呈现单峰分布。通过对波浪水槽试验数据进行数值拟合发现,Log Normal粒径分布函数更适用于半潜油,而Rosin-Rammler则更适用于沉底油,其模拟误差最大不超过7%。由于沉潜油的粒径分布与其在水体中的输运、微生物降解速率密切相关,因此本文相关研究可以为完善沉潜油输运和归宿模型提供理论支撑,同时也为沉潜油的生态风险预测提供数据支持。

论文目录

• 创新点摘要
• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 沉潜油简介及污染现状
•     1.1.1 沉潜油的定义和来源
•     1.1.2 沉潜油污染现状
•     1.1.3 沉潜油的危害
•   1.2 沉潜油机理研究现状及进展
•     1.2.1 油-悬浮颗粒物相互作用研究进展
•     1.2.2 溢油分散剂作用下油-悬浮颗粒物相互作用研究进展
•     1.2.3 海上溢油行为数值模拟模型方面研究进展
•     1.2.4 现有波浪水槽及其开展的相关研究
•     1.2.5 存在的问题及不足
•   1.3 研究目的、意义、内容及技术路线
•     1.3.1 研究目的及意义
•     1.3.2 主要研究内容
•     1.3.3 技术路线图
• 第2章 沉潜油形成时间的锥形瓶批量模拟研究
•   2.1 实验材料及仪器
•     2.1.1 实验油品及其理化性质
•     2.1.2 实验悬浮颗粒物
•     2.1.3 实验海水
•     2.1.4 实验药品及仪器
•   2.2 沉潜油形成的锥形瓶批量模拟试验
•     2.2.1 试验方案设计
•     2.2.2 沉潜油样品的制备过程
•     2.2.3 沉潜油样品的分离过程
•     2.2.4 油浓度的测定
•     2.2.5 数据分析与计算
•   2.3 实验结果
•     2.3.1 沉潜油形成随混合时间的变化研究
•     2.3.2 沉潜油形成随时间变化的预测模型
•   2.4 讨论
•   2.5 小结
• 第3章 不同影响因素对沉潜油形成影响的锥形瓶批量模拟研究
•   3.1 实验油品
•     3.1.1 实验油品理化性质对比
•     3.1.2 实验油品粘度随温度变化规律
•   3.2 悬浮颗粒物类型和浓度
•   3.3 实验温度
•   3.4 溢油分散剂类型及DOR
•   3.5 不同影响因素对沉潜油形成影响的锥形瓶批量模拟实验
•     3.5.1 试验方案设计
•     3.5.2 不同影响因素作用下沉潜油样品的制备和分离
•     3.5.3 油浓度的测定
•     3.5.4 数据分析与计算
•   3.6 实验结果
•     3.6.1 油品、悬浮颗粒物类型和浓度对溢油沉潜的影响
•     3.6.2 温度对溢油沉潜的影响
•     3.6.3 溢油分散剂类型和DOR对溢油沉潜的影响
•   3.7 讨论
•     3.7.1 悬浮颗粒物类型和浓度对溢油沉潜的影响
•     3.7.2 油品和温度对溢油沉潜的影响
•     3.7.3 溢油分散剂和颗粒物联合作用对溢油沉潜的影响
•   3.8 小结
• 第4章 沉潜油形成时间的波浪水槽模拟研究
•   4.1 实验材料及仪器
•     4.1.1 实验油品及其理化性质
•     4.1.2 实验悬浮颗粒物
•     4.1.3 实验海水
•     4.1.4 实验药品及仪器
•     4.1.5 波浪水槽装置及其能量耗散率
•   4.2 沉潜油形成的波浪水槽模拟实验
•     4.2.1 试验方案设计
•     4.2.2 沉潜油样品的制备和分离
•     4.2.3 油浓度的测定
•     4.2.4 数据分析与计算
•     4.2.5 实时油浓度监测
•     4.2.6 半潜油原位油滴粒径分布
•     4.2.7 沉底油油滴粒径分布
•   4.3 实验结果
•     4.3.1 沉潜油形成随混合时间的变化规律及数值模拟
•     4.3.2 半潜油粒径随混合时间的变化研究
•     4.3.3 沉底油粒径随混合时间的变化研究
•   4.4 讨论
•     4.4.1 不同模拟尺度沉潜油形成时间的对比分析
•     4.4.2 混合时间对沉底油粒径分布的影响
•   4.5 小结
• 第5章 不同影响因素对沉潜油形成的波浪水槽模拟研究
•   5.1 实验材料及仪器
•     5.1.1 实验油品及其理化性质
•     5.1.2 实验悬浮颗粒物浓度和粒径
•     5.1.3 实验海水
•     5.1.4 实验温度
•     5.1.5 实验药品及仪器
•     5.1.6 波浪水槽装置及其能量耗散率
•   5.2 不同影响因素对沉潜油形成影响的波浪水槽模拟实验
•     5.2.1 试验方案设计
•     5.2.2 不同影响因素作用下沉潜油样品的制备和分离
•     5.2.3 油浓度的测定
•     5.2.4 数据分析与计算
•     5.2.5 实时油浓度监测
•     5.2.6 半潜油原位油滴粒径分布
•     5.2.7 沉底油油滴粒径分布
•   5.3 实验结果
•     5.3.1 破碎波作用下悬浮颗粒物浓度对溢油沉潜的影响
•     5.3.2 破碎波作用下悬浮颗粒物粒径对溢油沉潜的影响
•     5.3.3 破碎波作用下温度对溢油沉潜的影响
•   5.4 讨论
•     5.4.1 悬浮颗粒物浓度对溢油沉潜率和粒径分布的影响
•     5.4.2 悬浮颗粒物粒径对溢油沉潜率和粒径分布的影响
•     5.4.3 沉潜率和悬浮颗粒物浓度及粒径的相互关系
•     5.4.4 温度对溢油沉潜率和粒径分布的影响
•   5.5 小结
• 第6章 溢油分散剂作用下沉潜油形成的波浪水槽模拟研究
•   6.1 试验材料及仪器
•     6.1.1 实验油品及其理化性质
•     6.1.2 悬浮颗粒物浓度和粒径
•     6.1.3 溢油分散剂类型及DOR
•     6.1.4 实验海水
•     6.1.5 实验温度
•     6.1.6 实验药品及仪器
•     6.1.7 波浪水槽装置及其能量耗散率
•   6.2 溢油分散剂作用下沉潜油形成的波浪水槽模拟实验
•     6.2.1 试验方案设计
•     6.2.2 沉潜油样品的制备和分离
•     6.2.3 油浓度的测定
•     6.2.4 数据分析与计算
•     6.2.5 实时油浓度监测
•     6.2.6 半潜油原位油滴粒径分布
•     6.2.7 沉底油油滴粒径分布
•   6.3 实验结果
•     6.3.1 溢油分散剂和悬浮颗粒物单独作用对溢油沉潜影响
•     6.3.2 溢油分散剂和悬浮颗粒物联合作用对溢油沉潜影响
•   6.4 小结
•     6.4.1 溢油分散剂单独作用对沉潜油形成和粒径分布的影响
•     6.4.2 溢油分散剂和颗粒物联合作用对沉潜油形成和粒径分布的影响
•   6.5 结论
• 第7章 结论与展望
•   7.1 研究结论
•   7.2 研究展望
• 参考文献
• 作者简历及攻读博士学位期间的科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 高亚丽

导师: 熊德琪

关键词: 溢油,波浪水槽,悬浮颗粒物,溢油分散剂,聚合

来源: 大连海事大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 海洋学,环境科学与资源利用

单位: 大连海事大学

分类号: X55

DOI: 10.26989/d.cnki.gdlhu.2019.000445

总页数: 155

文件大小: 19893K

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