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水 利 学 报

2021 年 6 月 SHUILI XUEBAO 第 52 卷 第 6 期

文章编号：0559-9350（2021）06-0750-08

复杂河网水系油粒子模型开发及溢油污染模拟

王 鹏 ，申 霞 ，王船海 ，华祖林 ，马乙心 ，刘晓东 1，2
1，2
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1，2
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（1. 河海大学 浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏 南京 210098；2. 河海大学 环境学院，江苏 南京 210098；
3. 南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；4. 河海大学 水文水资源学院，江苏 南京 210098）
摘要：近年来，油粒子模型在海洋、海湾等水体的二、三维溢油数值模拟中获得广泛应用。然而，河网地区的水
流模拟通常采用一维水动力模型，无法根据模型预测结果判断油粒子运动至河网节点后的流动方向，导致现有油
粒子模型不能应用于河网水系溢油污染模拟。本研究针对水网地区溢油输移特征，通过定义河网节点出流河道流
向因子，判断油粒子运动至河网节点后的流动去向，提出了一种基于油粒子模型的复杂河网水系突发溢油污染模
拟方法。将改进的油粒子模型应用于太湖流域重要输水通道太浦河溢油污染模拟，结果表明，流向因子判断法能
够正确模拟油粒子在复杂河网水系的迁移和分配过程，基于流向因子判断法开发的油粒子模型适用于水系结构复
杂、水流条件多变的河网地区溢油模拟。成果对于提升复杂水网地区溢油风险预警和应急处置能力具有重要的理
论价值和应用前景。
关键词：油膜漂移；机械扩展；风化过程；河岸吸附；太湖流域
中图分类号：TV143 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20200649

1 研究背景

随着全球经济的发展，世界各国对能源的需求与日俱增，海上石油运输量迅猛增长，水体溢油
事故风险大为提升。为了预测溢油事故发生后的运动轨迹和扩散范围，科学评估其对生态环境的影
响程度，提高溢油事件处置的应急响应能力，通常采用数值模拟方法对溢油自身扩展运动、在水流
和风场作用下的漂移和扩散以及各种风化过程进行预测。溢油模型的研究始于 1960 年代，主要经历
三个阶段：首先是油膜扩展模型研究阶段，以 Fay 理论为代表，考虑重力、惯性力、表面张力和黏性
［1］
力作用，通过不同阶段油膜扩展的动力机制建立油膜直径经验表达式，取得了开创性成果 ；第二阶
段为基于对流扩散方程的数值离散模拟溢油运动，其可能会引入与物理扩散无关的数值扩散，甚至
［3］
［2］
完全掩盖溢油的实际物理扩散过程，计算结果欠佳；第三阶段为 Johansen 和 Elliott 等人提出的油粒
子模型，该方法将水体中的溢油视为众多离散油粒子的组合，粒子的平流过程具有拉格朗日性质，
而剪切流和紊流引起的扩散过程属于随机运动，可用随机走动法来模拟，即将紊流视为一种随机流
场，每个油粒子在紊流场中的运动类似于流体分子的布朗运动，运动的随机性使得整个粒子“云团”
在水体中扩散，由于该方法对溢油扩散过程的模拟更加接近真实情景，目前应用较为广泛 ［4-6］ 。
在国外，油粒子模型最先开发并应用于海洋、海湾等水体的二维、三维溢油模拟，而在溢油概
率较低的河网水系未得到应用。然而，我国河网地区的航运业普遍非常发达，随着船舶流量和货运
［7］
量的快速上升，船舶溢油事故风险骤增 。长江、淮河、珠江等流域下游广泛分布着大量的复杂河网
水系，这些地区河道沟渠纵横交错，山丘区树状河网和平原区网状河网并存，水系结构高度分异。
此外，流域内水闸、泵站等水利工程众多，水系连通性受人工高度控制，加上海洋潮汐的驱动作

收稿日期：2020-08-18；网络首发时间：2021-03-22
网络首发地址：http：/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20210319.115.001.html
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基金项目：国家自然科学基金重点项目（51739002，U2040209）；江苏省高校优秀科技创新团队（2019 年）
作者简介：王鹏（1979-），博士，讲师，主要从事污染物迁移转化机理与水环境数值模拟研究。E-mail：hhwp@hhu.edu.cn
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