一种溶解-挥发型危化品泄漏扩散模型的构建方法及应用与流程

1.本发明属于仓储物流技术领域，尤其涉及一种易溶解和挥发的危化品泄漏扩散模型的构建方法、接收用户输入程序存储介质、存储在计算机可读介质上的计算机程序产品、在海洋运输危化品中的应用。


背景技术：

2.一般情况下，危化品均以液态形式进行海上运输，但其泄漏进入海洋后，由于密度、溶解度、挥发性等性质千差万别，导致的运动形式也不尽相同。总的来说，性质相近的危化品以某一主要运动形式为主，目前关于海上危化品泄漏扩散类型主要包括4类：(1)不溶于水的，在水面以二维形式进行输移和扩散，如油类物质；(2)易溶于水的，较均匀地分布在水体中，以三维形式输移、扩散，包括各类无机酸和碱；(3)难溶于水且比重大于或接近于水的，沉降至水底或悬浮在水体中进行输运，如氯苯；(4)挥发性强的，直接进入大气中进行输移和扩散，如液氨。于是，根据这四类运动形式，将海上危化品对应地为漂移型、溶解型、悬浮型和易挥发性型四种类型(见表1)。
3.表1危化品模型总结
[0004][0005][0006]
其中，前三种模型基本都以模块形式耦合在海洋模式中(如roms和fvcom等区域海洋模式)，其中海面漂移型和悬浮输移型采用粒子(floats)模块，溶解扩散型多采用惰性示踪物(tracer)模块。而易挥发型基本以示踪物模块形式耦合在大气模式中，例如wrf模式中的惰性示踪物(passive tracer)模块，wrf-chem模式的各类污染物模块。
[0007]
以往的研究多基于上述的四种模型，单独采用海洋模式开展漂移型、悬浮型和溶解型危化品泄漏的数值模拟工作，或者单独采用大气模式开展易挥发性危化品的数值模拟工作，模拟的情况比较单一。真实的危化品泄漏事件中，有的类型的危化品会在海表处会存在挥发。如苯乙烯属于海面漂移型危化品，但同时又易挥发。液氨，凝析油等危化品属于溶解型危化品，但同时在海表也易挥发。因此需要考虑危化品泄漏入海后，在海洋中和大气中的共同输移扩散。例如2001年4月的长江口大勇轮泄漏事件，大勇轮泄漏了大量的苯乙烯，
苯乙烯漂浮于海面，随着海水流动在海面上不断扩散，污染长江口海域，同时又不断挥发进入到大气中，对泄漏区域周围的大气产生污染。而2018年1月份发生的桑吉轮事件中，桑吉轮沉没入海后携有大量的凝析油，凝析油是一种轻质油，可以溶于水，入水后在海表会快速挥发、容易被自然风化。国内外研究表明，凝析油5小时左右挥发量大概达到99％；24小时内，几乎完全挥发。因此桑吉轮沉没后泄漏的凝析油在海水中以三维形式输移扩散，当垂向运动到海洋表层时，会快速挥发到大气中，从而在大气中漂移扩散。
[0008]
上述的危化品泄漏过程简单概括为：危化品泄漏入海后迅速溶解于海水，在海洋内部输移和扩散，到达海洋表层的危化品则以一定的速率挥发进入到大气底层中，进而在大气中三维输移和扩散。目前单一的危化品泄漏模型难以刻画危这类海气界面的危化品泄漏输移扩散过程。


技术实现要素：

[0009]
为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种易溶解和挥发的危化品泄漏扩散模型的构建方法、接收用户输入程序存储介质、存储在计算机可读介质上的计算机程序产品、在海洋运输危化品中的应用。所述技术方案如下：
[0010]
该易溶解和挥发的危化品泄漏扩散模型的构建方法为：
[0011]
对易溶解和挥发的危化品发生泄漏入海后，快速溶于海水，以三维运动形式在海洋内部输移和扩散，海洋表层的危化品以一定的速率挥发进入到大气中，导致表层的危化品浓度衰减，而挥发的危化品则进入到大气底层中，进而在大气中三维输移和扩散；
[0012]
将该模型嵌入到大气-海洋耦合模式系统中，实现溶解-挥发型危化品泄漏后在海洋和大气中的输移和扩散的数值模拟，模拟结果包括危化品泄漏后在海洋中和大气中的三维浓度分布和时间变化。
[0013]
在一个实施例中，溶解-挥发型危化品的三维扩散时海洋表层的扩散方程为：
[0014][0015]
其中t为时间；x、y、z空间位置坐标；u、v、w为x、y、z方向的流速分量(m/s)；k
x
为x方向的涡动扩散系数(m2/s)；ky为y方向的涡动扩散系数(m2/s)；kz为z方向的涡动扩散系数(m2/s)；v
θ
为分子扩散系数(m2/s)；c为水体中污染物的浓度(g/m3)；fc为污染物的源强(g/m3·
s)，dc为污染物的耗散项(g/m3·
s)，减少的v
c1
为海洋表层危化品挥发导致的浓度降低(volatilization作用，单位为g/m3·
s)。
[0016]
在一个实施例中，溶解-挥发型危化品的三维扩散时大气底层的扩散方程为：
[0017][0018]
增加的v
c2
为海洋的挥发的危化品进入大气中导致危化品浓度增加(单位为g/m3·
s)。
[0019]
在一个实施例中，溶解-挥发型危化品的三维扩散时，海洋下层的扩散方程为：
[0020][0021]
在一个实施例中，溶解-挥发型危化品的三维扩散时，大气上层的扩散方程为：
[0022][0023]
其中海洋表层危化品挥发量的计算参考半衰期浓度计算公式，设t时刻，海洋表层的危化品浓度为c
t
，危化品挥发的半衰期为t，dt为计算时间步长，则t dt时刻，海洋表层的危化品浓度为则单个网格内挥发的危化品量为：其中h为海洋表层的厚度；
[0024]
海洋表层挥发的危化品都进入到大气底层，因为大气底层厚度跟海洋表层厚度一般不一致，因此大气底层危化品浓度增加为：其中h为海洋表层的厚度，h为大气底层的厚度。
[0025]
在一个实施例中，溶解-挥发型危化品模型构建完成后，将该模型嵌入到大气-海洋耦合模式系统中，具体流程如下：
[0026]
步骤一、在wrf模式中，启用passive tracer模块选项；
[0027]
步骤二、在wrf模式中，增加污染物变量，定义为tracer_atm；
[0028]
步骤三、在wrf模式中，增加海洋表层污染物蒸发变量，定义为ctracer；
[0029]
步骤四、在roms模式中，启用passive tracer模块选项；
[0030]
步骤五、在roms模式中，增加污染物变量，定义为tracer_oc；
[0031]
步骤六、在roms模式tracer_oc的计算程序中，对表层的tracer_oc增加挥发衰减项，随着时间步长增加，海洋表层的tracer_oc不断衰减；
[0032]
步骤七、在mct耦合器中，将roms模式中表层的tracer_oc挥发的量传递给ctracer变量；
[0033]
步骤八、在wrf模式的tracer_atm计算模块中，对最底层的tracer_atm，每一个时间步长计算时，从耦合器中读入ctracer变量，令tracer_atm＝tracer_atm ctracer，实现海洋表层挥发的危化品进入到大气底层危化品的计算；
[0034]
步骤九、在wrf模式中增加输出项：tracer_atm和ctracer。
[0035]
在一个实施例中，还包括，在代码移植完毕后，模式耦合计算过程实现了溶解-挥发型危化品入海后，溶解以三维运动形式在海洋内部输移和扩散，而海洋表层的危化品以一定的速率挥发，导致表层的危化品浓度衰减，而挥发的危化品则进入到大气底层中，以三维运动形式在大气中输移和扩散。
[0036]
本发明的另一目的在于提供一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行所述易溶解和挥发的危化品泄漏扩散模型的构建方法，包括：
[0037]
对易溶解和挥发的危化品发生泄漏入海后，快速溶于海水，以三维运动形式在海洋内部输移和扩散，海洋表层的危化品以一定的速率挥发进入到大气中，导致表层的危化品浓度衰减，而挥发的危化品则进入到大气底层中，进而在大气中三维输移和扩散；
[0038]
将该模型嵌入到大气-海洋耦合模式系统中，实现溶解-挥发型危化品泄漏后在海洋和大气中的输移和扩散的数值模拟，模拟结果包括危化品泄漏后在海洋中和大气中的三维浓度分布和时间变化。
[0039]
本发明的另一目的在于提供一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包
括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施所述易溶解和挥发的危化品泄漏扩散模型的构建方法。
[0040]
本发明的另一目的在于提供一种所述易溶解和挥发的危化品泄漏扩散模型的构建方法在海洋运输危化品中的应用。
[0041]
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
[0042]
目前针对海上危化品泄漏的模拟预测，模拟的情景比较有限，只能针对单一类型(漂移型、悬浮型、溶解型和挥发型)的危化品泄漏事件开展模拟预测，都是单独采用海洋模式开展漂移型、悬浮型和溶解型危化品泄漏的数值模拟工作，或者单独采用大气模式开展易挥发性危化品的数值模拟工作。而真实的危化品泄漏事件中，危化品存在多种属性，如液氨，凝析油等危化品属于溶解型危化品，溶于海水在海流的作用下输移扩散，但同时在海表也易挥发进入大气中，在大气中扩散。单一的大气危化品泄漏模拟和海洋危化品模拟，只能模拟危化品泄漏后在大气或者海洋中的输移扩散，无法考虑危化品在海洋中输移过程中持续向大气挥发的过程，即对大气危化品模拟而言，存在一个持续动态移动的泄漏面源。因此需要考虑复合型危化品泄漏入海后，在海洋中和大气中的共同输移扩散。本发明构建了一种溶解-挥发型危化品的泄漏扩散模型，该类型危化品发生泄漏入海后，快速溶于海水，以三维运动形式在海洋内部输移和扩散，而海洋表层的危化品以一定的速率挥发进入到大气中，进而在大气中输移和扩散。进一步，将该模型嵌入到大气-海洋耦合模式系统中，并进行了理想案例模拟，实现溶解-挥发型危化品泄漏后在海洋和大气中的输移和扩散的数值模拟。本模型主要针对危化品入海后漂移扩散，同时又挥发进入大气中的工况，具有较好的创新性和实际应用价值，对于评估溶解-挥发型危化品泄漏入海后对海洋环境和大气环境影响有着更准确的过程刻画。
[0043]
当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明的公开。
附图说明
[0044]
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
[0045]
图1是本发明实施例提供的溶解-挥发型危化品泄漏扩散模型示意图。
[0046]
其中，s、分表代表海洋垂向分层和大气垂向分层，h代表大气最底层厚度，h代表海洋最上层厚度。
[0047]
图2是本发明实施例提供的溶解-挥发型危化品入海后蒸发量和海洋中残余量的时间变化曲线图。
[0048]
图3是本发明实施例提供的理想案例模拟，黑色方块区域为溶解-挥发型危化品泄漏区域示意图。
[0049]
图4是本发明实施例提供的模拟的溶解-挥发型危化品泄漏后不同时刻的浓度分布；左图为海洋表层，右图为大气底层；
[0050]
其中，a为模拟的溶解-挥发型危化品泄漏24小时后在海洋模式表层和大气模式底层的浓度分布图；b为模拟的溶解-挥发型危化品泄漏48小时后在海洋模式表层和大气模式底层的浓度分布图；c为模拟的溶解-挥发型危化品泄漏96小时后在海洋模式表层和大气模
式底层的浓度分布图；d为模拟的溶解-挥发型危化品泄漏192小时后在海洋模式表层和大气模式底层的浓度分布图。
[0051]
图5是本发明实施例提供的模拟的溶解-挥发型危化品模型嵌入到大气-海洋耦合模式系统的流程图。
具体实施方式
[0052]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
[0053]
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本发明所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
[0054]
除非另有定义，本发明所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本发明所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0055]
本发明构建了一种易溶解和挥发的危化品泄漏扩散模型的构建方法，易溶解和挥发的危化品发生泄漏入海后，快速溶于海水，以三维运动形式在海洋内部输移和扩散，海洋表层的危化品以一定的速率挥发进入到大气中，进而在大气中输移和扩散。将该模型嵌入到大气-海洋耦合模式系统中，实现溶解-挥发型危化品泄漏后在海洋和大气中的输移和扩散的数值模拟，模拟的结果主要包括危化品泄漏后在海洋中和大气中的三维浓度分布和时间变化。
[0056]
如图1所示，危化品在海洋中发生泄漏，入海后，快速溶于海水，以三维运动形式在海洋内部输移和扩散，海洋表层的危化品以一定的速率挥发，导致表层的危化品浓度衰减，而挥发的危化品则进入到大气底层中，进而在大气中三维输移和扩散。该溶解-挥发型危化品的三维扩散方程为：
[0057]
1、海洋表层：
[0058][0059]
其中t为时间；x、y、z空间位置坐标；u、v、w为x、y、z方向的流速分量(m/s)；k
x
为x方向的涡动扩散系数(m2/s)；ky为y方向的涡动扩散系数(m2/s)；kz为z方向的涡动扩散系数(m2/s)；v
θ
为分子扩散系数(m2/s)；c为水体中污染物的浓度(g/m3)；fc为污染物的源强(g/m3·
s)，dc为污染物的耗散项(g/m3·
s)，减少的v
c1
为海洋表层危化品挥发导致的浓度降低(volatilization作用，单位为g/m3·
s)
[0060]
2、大气底层：
[0061]
[0062]
增加的v
c2
为海洋的挥发的危化品进入大气中导致危化品浓度增加(单位为g/m3·
s)
[0063]
3、海洋下层：
[0064][0065]
4、大气上层：
[0066][0067]
其中海洋表层危化品挥发量的计算参考半衰期浓度计算公式，假设t时刻，海洋表层的危化品浓度为c
t
，危化品挥发的半衰期为t，则t dt时刻(dt为计算时间步长)，海洋表层的危化品浓度为则单个网格内挥发的危化品量为：其中h为海洋表层的厚度。海洋表层挥发的危化品都进入到大气底层，因为大气底层厚度跟海洋表层厚度一般不一致，因此大气底层危化品浓度增加为：其中h为海洋表层的厚度，h为大气底层的厚度。
[0068]
图2给出了理想的溶解-挥发型危化品蒸发量和残余量时间变化曲线图，半衰期设定为12小时，时间计算步长为1分钟，计算时间为120个小时，初始浓度设定为100。
[0069]
溶解-挥发型危化品模型构建完成后，将该模型嵌入到大气-海洋耦合模式系统(coawst模式，由wrf大气模式和roms海洋模式构成)中，具体流程如下：
[0070]
s101、在wrf模式中启用passive tracer模块选项；
[0071]
s102、在wrf模式中增加污染物变量(定义为tracer_atm)；
[0072]
s103、在wrf模式中增加海洋表层污染物蒸发变量(定义为ctracer)；
[0073]
s104、在roms模式中启用passive tracer模块选项；
[0074]
s105、在roms模式中增加污染物变量(定义为tracer_oc)；
[0075]
s106、在roms模式中tracer_oc的计算程序中，对表层的tracer_oc增加挥发衰减项，随着时间步长增加，海洋表层的tracer_oc不断衰减；
[0076]
s107、在mct耦合器中，将roms模式中表层的tracer_oc挥发的量传递给ctracer变量；
[0077]
s108、在wrf模式中的tracer_atm计算模块中，对最底层的tracer_atm，每一个时间步长计算时，从耦合器中读入ctracer变量，令tracer_atm＝tracer_atm ctracer。实现海洋表层挥发的危化品进入到大气底层危化品的计算。
[0078]
s109、在wrf模式中增加输出项：tracer_atm和ctracer。
[0079]
代码移植完毕后，模式耦合计算过程实现了溶解-挥发型危化品入海后，迅速溶解以三维运动形式在海洋内部输移和扩散，而海洋表层的危化品以一定的速率挥发，导致表层的危化品浓度衰减，而挥发的危化品则进入到大气底层中，以三维运动形式在大气中输移和扩散。
[0080]
案例模拟：
[0081]
溶解-挥发型危化品植入到大气-海洋耦合模式后，为测试模型模拟效果，开展了
理想案例模拟，假设在台湾以东黑潮区域发生溶解-挥发型危化品泄漏事件，危化品释放位置见图3，从表到底均匀释放，初始浓度为100，模拟时间为2018年1月1日，模拟时间为9天。
[0082]
图4给出了模拟的溶解-挥发型危化品泄漏后不同时刻在海洋模式表层和大气模式底层的浓度分布。从图4左边一列图可以看出，危化品泄漏后，海洋表层给的危化品随着黑潮的流动向东北方向扩展，由于在海洋中的溶解扩散和表层的挥发，浓度不断降低，第192个小时的海洋表层危化品的分布刻画了黑潮流轴。而从图4右边一列图可以看出，海洋表层的危化品在随海流漂移的过程中，持续挥发进入大气底层，进而在大气中漂移扩散，并且随着风场的变化，危化品向不同方向漂移扩散，如模拟的第24小时，挥发进入到大气中的污染物先向西漂移到台湾省东北，然后再转向西南；到第48小时，则之前漂移到台湾省南部的危化品向西北漂移，进入到广东省上方；到第96小时，风向转为西北，因此海洋表层危化品主要向西北漂移，之前挥发的危化品此时已经浓度降至较低，到第192小时时，此时海洋表层的危化品沿黑潮主轴分布，由于此时为西北风，因此挥发的危化品主要沿着黑潮主轴向西南漂移扩散。
[0083]
本发明构建了一种易溶解和挥发的危化品泄漏扩散模型的构建方法，该类型危化品发生泄漏入海后，快速溶于海水，以三维运动形式在海洋内部输移和扩散，而海洋表层的危化品以一定的速率挥发进入到大气中，进而在大气中输移和扩散。进一步，将该模型嵌入到大气-海洋耦合模式系统中，并进行了理想案例模拟，实现溶解-挥发型危化品泄漏后在海洋和大气中的输移和扩散的数值模拟。本模型主要针对危化品入海后漂移扩散，同时又挥发进入大气中的工况，具有较好的创新性和实际应用价值，对于评估溶解-挥发型危化品泄漏入海后对海洋环境和大气环境影响有着更准确的过程刻画。
[0084]
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本技术旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
[0085]
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围应由所附的权利要求来限制。