计算溢油表面张力-黏性力阶段水面溢油浓度的方法

摘要

本发明公开了一种计算溢油表面张力-黏性力阶段水面溢油浓度的方法，基于垂向溢油浓度分布公式，将石油类污染物垂向溢油浓度分布公式沿水深方向积分得到浓度垂向分布平均值，考虑溢油最不利风险情况，建立垂向平均浓度与水面溢油浓度的响应关系，进一步得到基准点溢油浓度。据此，根据垂向溢油浓度分布公式，可进一步预测计算石油类污染物浓度的垂向分布特征，使垂向溢油浓度分布公式的应用成为可能，为饮用水水源地等敏感目标的水质应急预警影响提供水质污染特征参数。

主权项

一种计算溢油表面张力‑黏性力阶段水面溢油浓度的方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1)考虑当溢油扩散处在表面张力‑黏性力阶段时，假设溢油全部发生溶解、乳化且均匀分散至水体中；将基准点设置在水体表面；单位水柱中垂向平均浓度表示为：$\bar{C}=\frac{{\rho }_o\mathrm{gD}}{H}---\left(2\right)$式中，为平均溢油浓度，mg/L；ρ_o为油密度，kg/m³；g为重力加速度；D为油膜厚度，mm；H为水柱深度，m；步骤2)根据垂向溢油浓度分布公式积分求得单位面积水柱中的平均溢油浓度垂向溢油浓度分布公式$C\left(z\right)=C_0\exp [-\frac{V}{D_z}(z-a)]---\left(1\right)$z为计算点距水面距离，C(z)为计算点溢油浓度，C₀为基准点溢油浓度；V为油滴在水体中的上浮速度；D_z为垂向紊动扩散系数，a为基准点距水面距离；$\bar{C}=\frac{{\int }_0^{H}C\left(z\right)d_Z}{H}---\left(3\right)$d_Z为积分变量沿垂向上微元；步骤3)化简式(2)、式(3)后得出基准点溢油浓度C₀表达式为：$C_0=\frac{-K{\rho }_{o}D}{e^{-\mathrm{KH}}-1}---\left(4\right)$式中$K=\frac{V}{D_z};$步骤4)油滴在水体中的上浮速度V：考虑到油滴颗粒与水体的相对运动较小，油滴在水体中的上浮速度V可用下式计算得出：$V=\frac{({\rho }_w-{\rho }_o)g{d}^2}{18{\mu }_w}---\left(5\right)$其中，ρ_w为水的密度，kg/m³；g为重力加速度；d为油滴颗粒直径，m；μ_w为水的粘性系数，N·S/m²；步骤5)垂向紊动扩散系数D_Z：作为溢油垂向扩散的一个重要参数，垂向紊动扩散系数可根据下式计算得到：$u=C\sqrt{\mathrm{RJ}}---\left(8\right)$$C=\frac{1}{n}{R}^{\frac{1}{6}}---\left(9\right)$式中α_z为经验系数；h为水深，m；为模阻流速；l为水力坡度；u为平均流速，m/s；C为谢才系数；R为水力半径；n为糙率；步骤6)油膜厚度D：采用二维水动力模型模拟水动力特征，采用油粒子模型模拟溢油的迁移扩散，通过模型模拟得到经一段时间迁移后的油膜厚度；步骤7)将相应参数代入式(4)，求出水体表面即基准点溢油浓度C₀，再代回垂向溢油浓度分布公式(1)即可得到不同水深处的溢油浓度。