一种实现分散剂响应的溢油扩散预测方法及装置与流程

本发明涉及海面溢油模拟，尤其涉及一种实现分散剂响应的溢油扩散预测方法及装置。

背景技术：

1、在海洋溢油事故中，分散剂能加快分散海面上的溢油，形成微小的油滴分布于水体中。然后利用自然降解过程加速油污的去除。利用溢油模型对溢油事件进行模拟和预测，可以了解油污的分散效果和环境的恢复情况，以便及时调整应急响应措施。

2、在实际海洋环境中，海上的破碎波浪和湍流会将溢油分散到海水中，海表的浮油被带到一定的深度，呈现为一群油滴的形式，每个油滴都有各自的大小；并且随着时间的推移，由于风化使溢油的粘度不断变大，分散剂作用可能会无效；由于破碎波浪夹带的过程是随机的，现有的溢油模型无法对该过程进行模拟，且现有的溢油模型在溢油模拟中默认油滴大小均值是不变的，同时其在模拟过程中并没有考虑到分散剂响应的情况，因此，现有的溢油模型对真实溢油过程模拟较为简单不够精细，其预测的溢油扩散结果精确度低。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种实现分散剂响应的溢油扩散预测方法及装置，用于实现模拟溢油受波浪夹带的过程、油滴在海中的破碎和聚合过程、风化使粘度变大影响夹带率和油滴大小的过程以及溢油入水比例高时出现的水平扩散性变大的现象，以此提高溢油扩散预测结果的精确度。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种实现分散剂响应的溢油扩散预测方法，包括：

4、获取溢油区的模拟参数以及分散剂作用参数；所述模拟参数至少包括溢油区各油粒子的初始位置；

5、根据所述分散剂作用参数和所述模拟参数，通过夹带算法确定所述溢油区的目标夹带概率；

6、根据所述分散剂作用参数和所述模拟参数，采用油滴粒径公式和对数正态分布概率密度函数确定所述溢油区内各油粒子的目标粒子直径；

7、基于所述初始位置、模拟参数、目标夹带概率、目标粒子直径以及溢油模型，确定各油粒子的目标位置；

8、基于所述目标位置确定溢油区扩散的预测结果；所述预测结果包括各油粒子形成的浓度场以及各油粒子的目标位置。

9、可选的，所述分散剂作用参数包括第一油水间界面张力、第一油动力粘度、第二油水间界面张力以及第二油动力粘度；所述根据所述分散剂作用参数和所述模拟参数，通过夹带算法确定所述溢油区的目标夹带概率包括：

10、根据所述第一油动力粘度、所述第一油水间界面张力以及模拟参数，采用夹带公式：

11、；

12、计算得到油粒子每秒被夹带的第一夹带概率；

13、其中，,，<mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><msub><mi>d</mi><mi>o</mi></msub><mi>=</mi><mn>4</mn><mi>×</mi><msup><mrow><mo>[</mo><mfrac><mi>ift</mi><mrow><mi>(</mi><msub><mi>ρ</mi><mi>w</mi></msub><mi>−</mi><msub><mi>ρ</mi><mi>o</mi></msub><mi>)</mi><mi>×</mi><mi>g</mi></mrow></mfrac><mo>]</mo></mrow><mrow><mn>0</mn><mi>.</mi><mn>5</mn></mrow></msup></mstyle>，为第一夹带概率或第二夹带概率，海面破波覆盖比例，为海水密度，为重力加速度，为有效波高，为第一油水间界面张力或第二油水间界面张力，为第一油动力粘度或第二油动力粘度，为油密度；，，为常数；

14、根据所述第二油动力粘度、所述第二油水间界面张力以及模拟参数，采用所述夹带公式，计算得到溢油粒子每秒被夹带的第二夹带概率；

15、将所述第一夹带概率和第二夹带概率中的最大值代入公式：

16、；

17、计算得到所述溢油区内油粒子每个时间步长被夹带的目标夹带概率；

18、其中，为目标夹带概率，为时间步长。

19、可选的，所述根据所述分散剂作用参数和所述模拟参数，通过油滴粒径公式和对数正态分布概率密度函数确定所述溢油区内各油粒子的目标粒子直径包括：

20、根据所述第一油动力粘度和所述第一油水间界面张力，采用体积均值直径公式：

21、；

22、计算得到溢油区的第一油滴体积均值；

23、其中，为第一油滴体积均值或第二油滴体积均值，、、为常数；

24、根据所述第二油动力粘度和所述第二油水间界面张力，采用所述体积均值直径公式，计算得到溢油区的第二油滴体积均值；

25、将所述第一油滴体积均值和所述第二油滴体积均值中的最小值确定为目标均值直径；

26、根据所述目标均值直径，采用对数正态分布概率密度函数：

27、；

28、对所述溢油区内各油粒子的粒径进行还原，得到所述溢油区内各油粒子的目标粒子直径；

29、其中，为自然对数标准差，为目标粒子直径，为目标均值直径。

30、可选的，所述溢油模型包括水平第一分量计算函数、水平第二分量计算函数以及垂向分量计算函数；所述基于所述初始位置、模拟参数、目标夹带概率、目标粒子直径以及溢油模型，确定各油粒子的目标位置包括：

31、根据所述初始位置将所述溢油区的油粒子分为第一油粒子、第二油粒子以及第三油粒子；所述第一油粒子为位于第一预设深度范围内的油粒子；所述第二油粒子为位于第二预设深度范围内的油粒子；所述第三油粒子为位于第三预设深度范围内的油粒子；

32、根据所述目标粒子直径和模拟参数，采用所述垂向分量计算函数，并通过二阶精度的欧拉方法求解得到位移垂向分量；

33、基于所述模拟参数、目标夹带概率、位移垂向分量以及溢油模型确定第一油粒子的偏移位移；

34、基于所述模拟参数、位移垂向分量以及溢油模型确定第二油粒子的偏移位移以及第三油粒子的偏移位移；

35、根据所述初始位置和各油粒子的偏移位移确定各油粒子的目标位置。

36、可选的，所述根据所述目标粒子直径和模拟参数，采用所述垂向分量计算函数，并通过二阶精度的欧拉方法求解得到位移垂向分量包括：

37、采用公式：

38、；

39、计算得到速度垂向分量；

40、其中，，为速度垂向分量；为海流速度的垂向分量，浮力作用速度，为湍流速度的垂向分量；为重力加速度，为油密度，为海水密度，为目标粒子直径，为临界粒径，为海水的运动粘度；

41、将所述速度垂向分量与时间步长的乘积确定为位移垂向分量。

42、可选的，所述基于所述模拟参数、目标夹带概率、位移垂向分量以及溢油模型确定第一油粒子的偏移位移包括：

43、根据所述目标夹带概率确定所述第一油粒子中的夹带粒子；所述夹带粒子的数量为所述第一油粒子的数量与所述目标夹带概率的乘积；

44、为所述夹带粒子随机分配夹带位移，得到第一油粒子的夹带位移；所述夹带位移为0-1.5倍破碎波高中的数值，或所述夹带位移符合以1.5倍破碎波高为均值，0.35倍破碎波高为标准差的高斯分布；所述第一油粒子中除所述夹带粒子外的粒子的夹带位移为0；

45、基于所述夹带位移和位移垂向分量确定第一油粒子的偏移位移。

46、可选的，基于所述模拟参数、位移垂向分量以及溢油模型确定第二油粒子的偏移位移包括：

47、采用公式：

48、；

49、计算得到水平速度第一分量；

50、其中，为水平速度第一分量；为海流速度在x轴方向上的分量，为海流速度在y轴方向上的分量，为海面上10m高风速在x轴方向上的分量，为海面上10m高风速在y轴方向上的分量，为非线性波产生的波余流带来的油粒子漂移速度在x轴上的分量；

51、将所述水平速度第一分量与时间步长的乘积确认为水平位移第一分量；

52、采用公式：

53、；

54、计算得到水平速度第二分量；

55、其中，为水平速度第二分量；为非线性波产生的波余流带来的油粒子漂移速度在y轴上的分量，为海流速度在y轴方向上的分量；

56、将所述水平速度第二分量和时间步长的乘积确认为水平位移第二分量；

57、将所述水平位移第一分量、水平位移第二分量以及位移垂向分量合成得到第二油粒子的偏移位移。

58、可选的，所述根据所述初始位置和各油粒子的偏移位移确定各油粒子的目标位置包括：

59、将所述初始位置与各油粒子的偏移位移累加得到各油粒子经过第一时间步长后的迁移位置；

60、将各油粒子的迁移位置作为新的初始位置，并根据新的初始位置、模拟参数、目标夹带概率、目标粒子直径以及溢油模型，继续确定下一时间步长各油粒子的迁移位置，直到累积时间达到预设时间为止，得到各油粒子的目标位置。

61、可选的，所述基于所述目标位置确定溢油区扩散的预测结果包括：

62、统计各油粒子位于海水面0.05m以下深度的滞留时间，将所述滞留时间代入公式：

63、；

64、计算得到各油粒子对应的标准差；

65、其中，为第个油粒子的标准差，为滞留时间，为扩散系数；

66、根据所述标准差为所述目标位置处的每个油粒子赋予目标体积，形成浓度场，得到溢油区扩散的预测结果；所述目标体积的横向剖面为以标准差为半径的圆，所述目标体积的纵向剖面为以2倍的标准差为短轴的椭圆。

67、与现有技术相比，本发明提供的一种实现分散剂响应的溢油扩散预测方法，包括获取溢油区的模拟参数以及分散剂作用参数；根据分散剂作用参数和模拟参数，通过夹带算法确定溢油区的目标夹带概率，可以实现对波浪夹带将海表的粒子带到海中的情况的模拟；采用油滴粒径公式和对数正态分布概率密度函数可以得到溢油区内每个油粒子的目标粒子直径；基于初始位置、模拟参数、目标夹带概率、目标粒子直径以及溢油模型，确定各油粒子的目标位置；基于目标位置确定溢油区扩散的预测结果。本发明可以实现加入分散剂之后的溢油扩散的模拟，既考虑了波浪夹带率问题以及波浪夹带对油粒子的扩散的深度的影响，又考虑了油粒子在海中的破碎和聚合导致的油粒子直径变化的情况，基于此得到的各油粒子的目标位置更加准确，从而得到的溢油扩散预测结果更加准确。

68、第二方面，本发明还提供一种实现分散剂响应的溢油扩散预测装置，包括：

69、参数获取模块，用于获取溢油区的模拟参数以及分散剂作用参数；所述模拟参数至少包括溢油区各油粒子的初始位置；

70、目标夹带概率计算模块，用于根据所述分散剂作用参数和所述模拟参数，通过夹带算法确定所述溢油区的目标夹带概率；

71、目标粒子直径计算模块，用于根据所述分散剂作用参数和所述模拟参数，采用油滴粒径公式和对数正态分布概率密度函数确定所述溢油区内各油粒子的目标粒子直径；

72、目标位置计算模块，用于基于所述初始位置、模拟参数、目标夹带概率、目标粒子直径以及溢油模型，确定各油粒子的目标位置；

73、预测结果输出模块，用于基于所述目标位置确定溢油区扩散的预测结果；所述预测结果包括各油粒子形成的浓度场以及各油粒子的目标位置。

74、与现有技术相比，本发明提供的实现分散剂响应的溢油扩散预测装置的有益效果与上述技术方案所述一种分散剂响应的溢油扩散预测方法的有益效果相同，此处不做赘述。