CN112016226A

CN112016226A - 一种海上溢油的三维模拟方法及装置

Info

Publication number: CN112016226A
Application number: CN202010810772.7A
Authority: CN
Inventors: 牟林; 李琰; 秦浩; 许旺; 王力哲; 宋涛
Original assignee: Shenzhen Research Institute Of China University Of Geosicneces
Current assignee: SHENZHEN LIGHTSUN TECHNOLOGY Co.,Ltd.; SHENZHEN RESEARCH INSTITUTE OF CHINA University OF GEOSICNECES; Shenzhen University; Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory Guangzhou
Priority date: 2020-08-13
Filing date: 2020-08-13
Publication date: 2020-12-01
Anticipated expiration: 2040-08-13
Also published as: CN112016226B

Abstract

本发明提供了一种海上溢油的三维模拟方法及装置，涉及海洋环境科学技术领域，包括：获取海洋水深地形数据，构建风‑浪‑流耦合海洋学模型；构建2D油膜风化模型，对水面油膜的厚度和组分变化进行模拟；构建3D漂移扩散模型，对水下溢油的三维漂移扩散和所述水面油膜的二维漂移扩散进行一体化模拟计算；根据所述风‑浪‑流耦合海洋学模型、所述2D油膜风化模型和所述3D漂移扩散模型进行模型的嵌套模拟，实现对海上溢油的三维模拟。本发明通过构建准确的溢油模型，实现对溢油各个阶段的准确模拟，并基于模型嵌套模拟技术，既可提高溢油模型的模拟功能的全面性，又可将计算量集中于重要理化过程的模拟，兼顾了模型功能的全面性和模拟的高效性。

Description

一种海上溢油的三维模拟方法及装置

技术领域

本发明涉及海洋环境科学技术领域，具体而言，涉及一种海上溢油的三维模拟方法及装置。

背景技术

近年来，海上溢油污染已成为最为严重的海洋污染问题之一。突发性海上溢油事故以其不可预见性、极大的危害性、影响的长期性和处理的困难性成为海洋环境污染防治中首要难题。随着海上石油开采和海洋石油运输业的发展，油井溢流、油气集输管道破裂、井喷等意外事故，以及船舶碰撞、石油装卸污染等突发事件导致的海上溢油愈加频发，不仅造成巨大的经济损失，还严重威胁海洋生态环境和沿岸居民生产生活。

一旦发生海上溢油污染事故，不仅造成巨大的经济损失，使生态环境受到破坏，还会严重威胁人民群众生产和生活安全，影响社会稳定。当溢油污染事故突发时，通过对海上溢油状况进行准确模拟和预测，可对灾害救援起到参考作用，以最大限度地减小海洋溢油造成的损失和危害，是海洋与沿海经济可持续发展的必要条件之一。因此，为有效预防和治理溢油污染，促进沿海经济社会和谐发展，进行如何提高海上溢油模拟准确性的研究具有十分重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何有效提高海上溢油模拟的准确性，为达上述目的，第一方面，本发明提供了一种海上溢油的三维模拟方法，其包括：

获取海洋水深地形数据，构建风-浪-流耦合海洋学模型；

构建2D油膜风化模型，对水面油膜的厚度和组分变化进行模拟；

构建3D漂移扩散模型，对水下溢油的三维漂移扩散和所述水面油膜的二维漂移扩散进行一体化模拟计算；

根据所述风-浪-流耦合海洋学模型、所述2D油膜风化模型和所述3D漂移扩散模型进行3D/2D模型的嵌套模拟，实现对海上溢油的三维模拟。

进一步地，对水下溢油的三维漂移扩散和所述水面油膜的二维漂移扩散进行一体化模拟计算包括：

将所述3D漂移扩散模型的控制方程分解为质量守恒形式的对流项和扩散项；

分别求解所述对流项和所述扩散项进行所述一体化模拟计算。

进一步地，所述分别求解所述对流项和所述扩散项进行所述一体化模拟计算包括：

根据所述风-浪-流耦合海洋学模型确定油粒子的运动轨迹；

根据所述运动轨迹确定所述油粒子在t_n时刻的位置点；

确定所述位置点在t_n时刻的溢油浓度；

根据拉格朗日粒子漂移特性确定所述位置点在t_n+1时刻的溢油浓度，以求解所述对流项进行所述一体化模拟计算。

进一步地，所述根据所述风-浪-流耦合海洋学模型确定油粒子的运动轨迹包括：

根据所述风-浪-流耦合海洋学模型确定所述油粒子的初始位置和初始欧拉速度；

根据所述初始欧拉速度确定所述油粒子的初始拉格朗日速度；

根据所述初始拉格朗日速度确定所述油粒子在t_n时刻的拉格朗日速度；

根据所述油粒子在所述t_n时刻的拉格朗日速度确定所述油粒子的运动轨迹。

进一步地，所述确定所述位置点在t_n时刻的溢油浓度包括：

根据所述风-浪-流耦合海洋学模型的闭合边界生成欧拉-拉格朗日立体三角网格；

确定t_n时刻在所述位置点周围的所述欧拉-拉格朗日立体三角网格的多个网格点处的溢油浓度；

根据多个所述网格点处的溢油浓度进行插值，确定所述位置点在t_n时刻的溢油浓度。

根据油粒子在t_n时刻和t_n+1时刻的位置，确定所述油粒子在预设时间步长内的位移；

对所述位移分别进行一阶求导和二阶求导，以求解所述扩散项确定不同时刻的溢油扩散结果，进行所述一体化模拟计算。

进一步地，所述构建风-浪-流耦合海洋学模型包括：

根据所述海洋水深地形数据确定所述风-浪-流耦合海洋学模型的海上开边界位置和海岸线边界位置；

根据所述海上开边界位置和所述海岸线边界位置确定所述风-浪-流耦合海洋学模型的闭合边界；

根据所述闭合边界生成三角网格，将所述闭合边界所组成的闭合区域网格化；

基于大气模式、海浪模式和海流模式，在线传递任意两个模式之间的相关变量，实现风-浪-流耦合模拟。

进一步地，还包括：

构建溢油羽流动力模型，根据定义的多个控制单元体确定溢油轨迹，用于实现对水下溢油喷发阶段和浮力羽流阶段的模拟。

进一步地，所述根据定义的多个控制单元体确定溢油轨迹包括：

将溢油持续时间平均分为多个时间步长，每个所述时间步长对应一个小份溢油，将每个所述小份溢油定义为圆柱形的所述控制单元体；

根据每个所述控制单元体的移动速度确定每个所述控制单元体的中心位置；

根据每个所述控制单元体的中心位置确定所述溢油轨迹。

进一步地，所述对水面油膜的厚度和组分变化进行模拟包括：

采用整体协同算法对溢油的蒸发过程、溶解过程和乳化过程进行同步计算，以模拟所述水面油膜的厚度和组分变化。

进一步地，所述根据所述风-浪-流耦合海洋学模型、所述2D油膜风化模型和所述3D漂移扩散模型进行3D/2D模型的嵌套模拟包括：

根据所述风-浪-流耦合海洋学模型和所述3D漂移扩散模型进行全耦合求解；

将所述2D油膜风化模型的模拟结果以源汇项形式传递至所述3D漂移扩散模型，实现所述3D/2D模型的嵌套模拟。

进一步地，所述获取海洋水深地形数据，构建风-浪-流耦合海洋学模型之前，还包括：

根据插值算法建立海洋水深地形数据库。

为达上述目的，第二方面，本发明提供了一种海上溢油的三维模拟装置，其包括：

模型建立模块，用于获取海洋水深地形数据，构建风-浪-流耦合海洋学模型；还用于构建2D油膜风化模型，用于模拟水面油膜的厚度和组分变化，还用于构建3D漂移扩散模型，用于对水下溢油的三维漂移扩散和所述水面油膜的二维漂移扩散进行一体化模拟计算；

模拟模块，用于根据所述风-浪-流耦合海洋学模型、所述2D油膜风化模型和所述3D漂移扩散模型进行3D/2D模型的嵌套模拟，实现对海上溢油的三维模拟。

使用本发明的海上溢油的三维模拟方法或装置，通过构建准确的风-浪-流耦合海洋学模型、2D油膜风化模型以及3D漂移扩散模型，实现对溢油在各个阶段的准确模拟，提高了对海上溢油模拟的准确性。并基于3D/2D模型的嵌套模拟技术，既可提高溢油模型的模拟功能的全面性，又可将计算量集中于重要理化过程的模拟，兼顾了模型功能的全面性和模拟的高效性。

为达上述目的，第三方面，本发明提供了一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现根据本发明第一方面所述的海上溢油的三维模拟方法。

为达上述目的，第四方面，本发明提供了一种计算设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时，实现根据本发明第一方面所述的海上溢油的三维模拟方法。

根据本发明的非临时性计算机可读存储介质和计算设备，具有与根据本发明第一方面的海上溢油的三维模拟方法具有类似的有益效果，在此不再赘述。

附图说明

图1为根据本发明实施例的海上溢油的三维模拟方法的流程示意图一；

图2为根据本发明实施例的构建风-浪-流耦合海洋学模型的流程示意图；

图3为根据本发明实施例的求解对流项的流程示意图；

图4为根据本发明实施例的确定油粒子的运动轨迹的流程示意图；

图5为根据本发明实施例的确定溢油浓度的流程示意图；

图6为根据本发明实施例的欧拉-拉格朗日立体三角网格的示意图；

图7为根据本发明实施例的求解扩散项的流程示意图；

图8为根据本发明实施例的进行3D/2D模型的嵌套模拟的流程示意图；

图9为根据本发明实施例的海上溢油的三维模拟方法的流程示意图二；

图10为根据本发明实施例的根据定义的多个控制单元体确定溢油轨迹的流程示意图；

图11为根据本发明实施例的控制单元体的示意图；

图12为根据本发明实施例的建立海洋水深地形数据库的流程示意图；

图13为根据本发明实施例的散点示意图；

图14为根据本发明实施例的海上溢油的三维模拟装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图详细描述根据本发明的实施例，描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同附图标记表示相同或相似的要素。要说明的是，以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表本发明的所有实施方式。它们仅是与如权利要求书中所详述的、本发明公开的一些方面相一致的装置和方法的例子，本发明的范围并不局限于此。在不矛盾的前提下，本发明各个实施例中的特征可以相互组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

海洋石油污染是海洋污染中最严重、最复杂的污染问题之一。由于人类生活的需要不得不进行各种生产活动，例如石油勘探、开采、运输和生产等活动，因而石油就会不可避免地溢散到海洋环境中造成污染。随着海上石油工业和运输业的极大发展，油井井喷和油轮事故等海上石油污染事故也频繁发生。海上大量溢油所造成的危害是特别严重的，对海洋环境资源和沿海地区经济发展、人民生活都造成极大影响。如何最大限度地减少海上溢油事故造成的污染，已成为一个日益迫切的社会问题。

作为溢油应急反应系统的关键技术之一，能否正确预测和掌握海上溢油动态显得尤为重要。一旦发生溢油事故，溢油将在扩散、漂移、蒸发、溶解、分散、乳化、沉降、生物降解、氧化等多种作用下发生变化。这是一个由物理、化学、生物等多种机制共同作用的复杂过程。所以建立科学准确的溢油模拟模型是对事故进行重演与预测的重要手段，也是溢油应急反应系统的重要组成部分。溢油模型能够预测油膜在扩散漂移过程中性质和状态的变化及最终位置，能够为应急决策的制定和清除手段的选择及溢油损害的评估提供可靠的依据。而由于溢油事故的突发性、紧急性和现有观测条件的限制，目前还无法仅依靠实时观测提供溢油应急反应所需的全部数据。这种情况下，进一步提升溢油模拟的准确性显得尤为重要。

本发明通过构建准确的风-浪-流耦合海洋学模型、2D油膜风化模型以及3D漂移扩散模型，充分考虑了对溢油各个阶段的准确模拟，提高了对海上溢油模拟的准确性。并基于3D/2D模型的嵌套模拟技术进行耦合求解，提高模拟准确性的同时，也兼顾了模型功能的全面性和模拟的高效性。

图1所示为根据本发明实施例的海上溢油的三维模拟方法的流程示意图一，包括步骤S1至S4。

在步骤S1中，获取海洋水深地形数据，构建风-浪-流耦合海洋学模型。图2所示为根据本发明实施例的构建风-浪-流耦合海洋学模型的流程示意图，包括步骤S11至S14。

在步骤S11中，根据所述海洋水深地形数据确定所述风-浪-流耦合海洋学模型的海上开边界位置和海岸线边界位置。在本发明实施例中，根据研究海域的海洋环境特点和实际模拟需求，确定风-浪-流耦合海洋学模型的海上开边界位置；根据获取的海洋水深地形数据，确定风-浪-流耦合海洋学模型的海岸线边界位置。

在步骤S12中，根据所述海上开边界位置和所述海岸线边界位置确定所述风-浪-流耦合海洋学模型的闭合边界。在本发明实施例中，由上述确定的海上开边界和海岸线边界组成风-浪-流耦合海洋学模型的闭合边界，得到设置好边界的风-浪-流耦合海洋学模型。

在步骤S13中，根据所述闭合边界生成三角网格，将所述闭合边界所组成的闭合区域网格化。在本发明实施例中，根据上述确定的闭合边界，采用SMS软件生成三角网格，以将所述闭合边界所组成的闭合区域进行网格化。可以理解的是，对于网格的设置可根据实际模拟需求进行调整，本发明并不以此为限。

在步骤S14中，基于大气模式、海浪模式和海流模式，在线传递任意两个模式之间的相关变量，实现风-浪-流耦合模拟。在本发明实施例中，基于大气模式WRF、海浪模式SWAN和海流模式FVCOM，将任意两个模式之间的相关变量进行在线传递，实现对风-浪-流相关参数的耦合模拟，提升对海洋动力相关参数进行模拟的准确度。

在步骤S2中，构建2D油膜风化模型，对模拟水面油膜的厚度和组分变化进行模拟。在本发明实施例中，全面考虑水面油膜的风化过程及其引起的油膜组分变化，采用整体协同算法根据溢油事故数据对溢油的蒸发过程、溶解过程和乳化等子过程进行同步耦合计算，以模拟所述水面油膜的厚度和组分变化。以下给出一个2D油膜风化模型的具体示例，但可以理解的是，本发明并不以此为限。

蒸发过程表达式如下所示：

其中，EVAP表示蒸发率，K_e表示物质输移系数，P_vp表示蒸汽压，A_oil表示油膜面积，R表示气体常数，T表示温度，f表示油组分的蒸发分数，M表示油组分的摩尔重量。可以理解的是，溢油蒸发过程受油组分、温度、油膜厚度和面积、风速和太阳辐射等因素的影响，其中轻组分蒸发较快，重组分蒸发较困难。

其中，物质输移系数K_e的计算公式如下所示：

其中，k表示蒸发系数，S_c表示蒸汽施密特数，A_oil表示油膜面积，U_W表示水面以上10m处的风速。

溶解过程表达式如下所示：

其中，D_V、D_h分别表示油类挥发性组分的挥发性和重组分的溶解率，A_oil表示油膜面积，M_V、M_h分别表示挥发性和重组分油粒子质量，M_oil表示油粒子总质量，p_V、p_h分别表示挥发性和重组分的密度，f_d表示化学分散剂效果，C_V、C_h分别表示挥发性和重组分的溶解度。

乳化过程表达式如下所示：

其中，y_W表示实际含水率，R_u,R_r分别表示水的吸收速率和释放速率，k_u、k_r分别表示吸收系数和释放系数，

表示最大含水率，A_oil表示油膜面积，W_ax表示油中的石蜡含量(重量比)，u_oil表示油粘度，t表示时间，U_w表示水面以上10m处的风速。

在本发明实施例中，采用整体协同算法以油膜的组分和状态为纽带，通过计算风化过程中油膜内饱和烃、芳烃、胶质、沥青质和蜡的含量变化，根据油的组成、性质和行为的关系，将上述各风化子过程有机联系起来，进行同步计算。将各风化子过程的控制方程按时间分步计算，每一时间步同时计算各方程，即同时计算各风化子过程，计算过程中允许环境条件(如风速、温度、波浪等)随时间变化。这样，通过残留量同时受各子过程的影响，使其在量上得到关联，形成动态计算体系，而不是简单地用数学方式将其同时计算。将各风化子过程的控制方程按时间分步计算，在每一时间步同时计算上述各方程，即在每个dt时间步都进行溢油状态的更新，且计算过程中允许环境条件(例如风速、温度、波浪等)随时间变化。由此，本发明实施例的2D油膜风化模型可更为准确的对水面油膜的各个风化子过程进行准确模拟，提高整体模型对水面油膜的厚度和组分变化等的预测准确度。

在步骤S3中，构建3D漂移扩散模型，对水下溢油的三维漂移扩散和所述水面油膜的二维漂移扩散进行一体化模拟计算。在本发明实施例中，将所述3D漂移扩散模型的控制方程分解为质量守恒形式的对流项和扩散项，并分别求解所述对流项和所述扩散项进行所述一体化模拟计算。可以理解的是，所述对流项用于描述溢油的宏观流动，所述扩散项用于描述溢油的微观扩散。在本发明实施例中，构造质量守恒形式的对流项差分格式和扩散项差分格式。

在本发明实施例中，根据质量守恒改进的欧拉-拉格朗日方法求解所述对流项。在采用固定网格的欧拉描述中，整个计算过程中计算网格始终保持初始状态，从而可以描述流体质点远动的急剧变化。欧拉描述虽然可以有效地分析整个流场内部的运动，但很难精确跟踪流体的自由液面，即很难给出准确的自由面形状和位置。在拉格朗日描述中，网格结点与流体质点在整个运动过程中始终保持重合，流体质点与网格结点之间不存在相对远动，因此很容易跟踪自由液面。这不仅大大地简化了控制方程的求解，而且还能有效地跟踪流体质点的运动轨迹，准确地描述波动的自由液面。但是，在涉及求解带自由面流体大幅运动时，此时的晃动已经具有很强的非线性特征，如果还采用拉格朗日描述，由于流体质点运动的急剧变化，将导致计算网格的扭曲，会面临网格奇异问题，从而使计算无法继续进行。在本发明实施例中，采用基于质量守恒改进的欧拉-拉格朗日方法求解对流项，可提高计算的准确度，使得模拟的数据更符合实际情况，提高整体溢油模拟的可靠性。

图3所示为根据本发明实施例的求解对流项的流程示意图，包括步骤S31至S34。

在步骤S31中，根据所述风-浪-流耦合海洋学模型确定油粒子的运动轨迹。在本发明实施例中，根据所述风-浪-流耦合海洋学模型模拟的各项参数可确定所述油粒子的运动速度，从而确定油粒子的运动轨迹。图4所示为根据本发明实施例的确定油粒子的运动轨迹的流程示意图，包括步骤S311至S314。

在步骤S311中，根据所述风-浪-流耦合海洋学模型确定所述油粒子的初始位置和初始欧拉速度。在本发明实施例中，采用特征线技术进行求解即质点运动的轨迹和油粒子运动方向相同，定为

在投放初始，即t＝t₀时，标识质点的初始位置为

此时的初始欧拉速度为

在步骤S312中，根据所述初始欧拉速度确定所述油粒子的初始拉格朗日速度。在本发明实施例中，油粒子的拉格朗日速度与欧拉速度的关系为：

其中，

是油粒子的运动轨迹。

在步骤S313中，根据所述初始拉格朗日速度确定所述油粒子在t_n时刻的拉格朗日速度。在本发明实施例中，根据油粒子在t₀时刻的拉格朗日速度

可以推算出到t_n时刻的油粒子的拉格朗日速度为

在步骤S314中，根据所述油粒子在所述t_n时刻的拉格朗日速度确定所述油粒子的运动轨迹。在本发明实施例中，根据每个时间点t_n的油粒子的拉格朗日运动速度和时间步的长度Δt，就可以推算出油粒子的运动轨迹。

在步骤S32中，根据所述运动轨迹确定所述油粒子在t_n时刻的位置点。在本发明实施例中，根据油粒子的运动轨迹可确定该油粒子在t_n时刻的位置点D。

在步骤S33中，确定所述位置点在t_n时刻的溢油浓度。图5所示为根据本发明实施例的确定溢油浓度的流程示意图，包括步骤S331至S333。

在步骤S331中，根据所述风-浪-流耦合海洋学模型的闭合边界生成欧拉-拉格朗日立体三角网格。图6所示为根据本发明实施例的欧拉-拉格朗日立体三角网格的示意图。在本发明实施例中，可根据上述生成的三角网格在垂直方向上设定高度，生成欧拉-拉格朗日立体三角网格。

在步骤S332中，确定t_n时刻在所述位置点D周围的所述欧拉-拉格朗日立体三角网格的多个网格点处的溢油浓度。在本发明实施例中，确定在t_n时刻的位置点D(可以在非网格点处)周围的欧拉-拉格朗日立体三角网格的各个网格点处的溢油浓度，例如D1(t)、D2(t)和D3(t)处的溢油浓度。

在步骤S333中，根据多个所述网格点处的溢油浓度进行插值，确定所述位置点D在t_n时刻的溢油浓度。在本发明实施例中，位置点D在t_n时刻的溢油浓度由周围网格点处的溢油浓度在三个空间维度上分别应用一维保守恒插值方法插值得到，以保证质量守恒性。

在步骤S34中，根据拉格朗日粒子漂移特性确定所述位置点在t_n+1时刻的溢油浓度，以求解所述对流项进行所述一体化模拟计算。在本发明实施例中，知道溢油的背景流场，就可以知道油粒子的运动轨迹，根据拉格朗日粒子漂移特性，根据位置点D在t_n时刻的溢油浓度，可求解(i,j,k)网格处(如图6所示)在t_n+1时刻的溢油浓度。

图7所示为根据本发明实施例的求解扩散项的流程示意图，包括步骤S35至S36。

在步骤S35中，根据油粒子在t_n时刻和t_n+1时刻的位置，确定所述油粒子在预设时间步长内的位移。在本发明实施例中，因用于追踪前一时间步空间位置的追踪单元的边界与上述欧拉-拉格朗日立体三角网格不一致，可采用分片曲面样条函数来近似溢油浓度分布，进而得到在追踪单元边界处连续的扩散通量。在本发明实施例中，根据上述确定的溢油轨迹可确定油粒子分别在t_n时刻和t_n+1时刻的位置信息，并得到油粒子在一定时间步长内的位移量。

在步骤S36中，对所述位移分别进行一阶求导和二阶求导，以求解所述扩散项确定不同时刻的溢油扩散结果，进行所述一体化模拟计算。在本发明实施例中，分别对位移一阶求导得到油粒子的速度，对位移二阶求导得油粒子的加速度。通过油粒子的速度和加速度表示油粒子的扩散作用，可以得到不同时刻的溢油扩散状况结果。

在步骤S4中，根据所述风-浪-流耦合海洋学模型、所述2D油膜风化模型和所述3D漂移扩散模型进行3D/2D模型的嵌套模拟，实现对海上溢油的三维模拟。图8所示为根据本发明实施例的进行3D/2D模型的嵌套模拟的流程示意图，包括步骤S41至S42。

在步骤S41中，根据所述风-浪-流耦合海洋学模型和所述3D漂移扩散模型进行全耦合求解。在本发明实施例中，在考虑水下溢油漂移扩散时，3D漂移扩散模型与风-浪-流耦合海洋学模型进行全耦合求解，进行对溢油情况的3D模拟。

在步骤S42中，将所述2D油膜风化模型的模拟结果以源汇项形式传递至所述3D漂移扩散模型，实现所述3D/2D模型的嵌套模拟。在本发明实施例中，3D漂移扩散模型是纯物理的模型(对流扩散方程)，假定已经溢出的溢油是保守物质(总质量不变)；而风化过程会引起质量变化，此时，需要通过源汇项来将风化引起的质量变化考虑在内，引入到对流扩散方程里，由此基于3D/2D模型的嵌套模拟能更准确的对溢油情况进行模拟预测，有效提高三维模拟的准确度。

可以理解的是，在不考虑水下溢油漂移扩散时，上述3D漂移扩散模型可退化为2D形式，与2D油膜风化模型一起进行海面油膜的全过程模拟。由此，既可以提高溢油模型的模拟功能的全面性，又可以将计算量集中于重要理化过程的模拟，兼顾了模型功能的全面性和模拟的高效性。

图9所示为根据本发明实施例的海上溢油的三维模拟方法的流程示意图二，在本发明实施例中，所述海上溢油的三维模拟方法还包括步骤S5：构建溢油羽流动力模型，根据定义的多个控制单元体确定溢油轨迹，用于实现对水下溢油喷发阶段和浮力羽流阶段的模拟。图10所示为根据本发明实施例的根据定义的多个控制单元体确定溢油轨迹的流程示意图，包括步骤S51至S53。

在步骤S51中，将溢油持续时间平均分为多个时间步长，每个所述时间步长对应一个小份溢油，将每个所述小份溢油定义为圆柱形的所述控制单元体。图11所示为根据本发明实施例的控制单元体的示意图。在本发明实施例中，所述溢油羽流动力模型采用拉格朗日积分法模拟溢油的喷发阶段和浮力羽流阶段。将溢油持续时间平均分为若干等份，时间步长为Δt，每一个时间步对应一小份溢油，将每一小份溢油看作一个圆柱形的控制单元体，假设相邻两控制单元体之间互不影响。

在步骤S52中，根据每个所述控制单元体的移动速度确定每个所述控制单元体的中心位置。在本发明实施例中，控制单元体的半径为b(m)，厚度为

为控制单元体的移动速度(m/s)，控制单元体质量为m＝ρπb2h(kg)，ρ为控制单元体的密度(kg/m³)。控制单元体的底面法线平行于移动速度

根据每个控制单元体的移动速度可确定每个控制单元体的中心，即每个圆柱体的中心。

在步骤S53中，根据每个所述控制单元体的中心位置确定所述溢油轨迹。在本发明实施例中，确定某一时刻所有控制单元体的中心连线即为该时刻的溢油轨迹。水下溢油进入水体环境后，会与周围水体发生物质交换，导致控制单元体的温度、盐度和浓度发生变化，因此需满足相应的守恒方程。

溢油进入水环境后，卷吸作用是影响羽流形态和行为的主要因素卷吸作用是指羽流表面与水体之间相互作用，使周围海水进入羽流中。卷吸作用可以使得周围海水进入溢油羽流中，进而影响羽流形态和行为特征，通常包含剪切卷吸和强迫卷吸两部分，前者是由溢油运动导致的油团与水环境之间的剪切应力引起，即使水环境是静止的，剪切卷吸依然存在；后者是在流动的水环境中水流迫使海水通过羽流的迎风面进入油团内部而引起，强迫卷吸存在的前提是水环境是流动。据此，溢油模型将卷吸体积通量Q_e分为两部分计算，如下式所示：

Q_e＝Q_s+Q_f，

其中，Q_s表示剪切卷吸体积通量(m³/s)，Q_f表示强迫卷吸体积通量(m³/s)。在本发明实施例中，通过溢油羽流动力模型实现对水下溢油喷发和浮力羽流阶段的模拟预测，可提高整体溢油三维模拟的准确度。

在本发明实施例中，在步骤S1之前，还可包括根据插值算法建立海洋水深地形数据库的步骤。图12所示为根据本发明实施例的建立海洋水深地形数据库的流程示意图，包括步骤S01至S05。

在步骤S01中，输入原始数据，即采样点。在本发明实施例中，可将溢油模拟所需的多种海洋水深地形数据作为原始数据。

在步骤S02中，选择区域的范围和网格的大小，对区域进行网格化处理。在本发明实施例中，可通过网格的大小和密度来控制地形数据的准确性。

在步骤S03中，进行数据检验与分析，根据采样值是否合乎实际情况，剔除明显差异点。在本发明实施例中，获取原始数据后会进行明显差异点的剔除，保证数据库中数据的准确性。

在步骤S04中，确定半方差函数训练样本，根据所述半方差函数构建散点图。在本发明实施例中，半方差的获取公式如下所示：

半方差(Semivariance)＝0.5((x₁-x)²+(y₁-y)²)。

图13所示为根据本发明实施例的散点示意图。本发明实施例中，根据半方差函数训练样本构建如图13所示的散点图(x轴：距离，y轴：半方差值)。可以理解的是，散点图有助于掌握区域变化的分布规律，以便决定是否对原始数据进行转换。

在步骤S05中，采用克里金插值算法进行插值，建立海洋水深地形数据库。在本发明实施例中，对未知点的特定邻域范围的测量点或者特定数量的相邻测量点的数值进行加权相加，以求得未知点的数值，实现对未知点的预测。其中，周围测量点的权重根据半方差函数来确定。可以理解的是，克里金插值法根据未知样本点有限领域内的若干已知样本点数据，在考虑了样本点的形状、大小和空间方位，与未知样本点的相互空间关系，以及变异函数提供的结构信息之后，对未知样本点进行线性无偏最优估计。

在本发明实施例中，在根据插值算法建立海洋水深地形数据库的步骤之前，还可包括建立综合性海上溢油应急保障数据库的步骤，包括存储研究海域大气、海洋观测数据及再分析数据、沿海水深地形数据、海岸线数据和历史溢油事故数据；大气、海洋再分析数据包括多个相互独立的全球大气、海洋再分析数据集；历史溢油事故数据包括溢油点、溢油量、油品类型、事故发生时间等。基于上述溢油数据，可对海上溢油进行更全面的模拟。

采用本发明实施例的海上溢油的三维模拟方法，通过构建准确的风-浪-流耦合海洋学模型、溢油羽流动力模型、2D油膜风化模型以及3D漂移扩散模型，实现对溢油在各个阶段的准确模拟，提高了对海上溢油模拟的准确性。并基于3D/2D模型的嵌套模拟技术，既可提高溢油模型的模拟功能的全面性，又可将计算量集中于重要理化过程的模拟，兼顾了模型功能的全面性和模拟的高效性。

采用本发明实施例的海上溢油的三维模拟方法，相较于现有的溢油模拟方法，充分考虑了对溢油各个阶段的模拟，并根据多个模型进行耦合求解，更提高了对溢油模拟的准确性，在对海上油膜的轨迹预测等各方面均有改善，不但可提高对海上突发溢油事故的准确模拟，从而为应急救援的科学决策提供可靠依据，也可节省大量经济投入，具有良好的社会效益和经济效益。

本发明第二方面的实施例还提供了一种海上溢油的三维模拟装置。图14所示为根据本发明实施例的海上溢油的三维模拟装置1400的结构示意图，包括模型建立模块1401以及模拟模块1402。

模型建立模块1401用于获取海洋水深地形数据，构建风-浪-流耦合海洋学模型；还用于构建2D油膜风化模型，对水面油膜的厚度和组分变化进行模拟，还用于构建3D漂移扩散模型，对水下溢油的三维漂移扩散和所述水面油膜的二维漂移扩散进行一体化模拟计算。

模拟模块1402用于根据所述风-浪-流耦合海洋学模型、所述2D油膜风化模型和所述3D漂移扩散模型进行3D/2D模型的嵌套模拟，实现对海上溢油的三维模拟。

在本发明实施例中，模型建立模块1401还用于根据所述风-浪-流耦合海洋学模型确定油粒子的运动轨迹；根据所述运动轨迹确定所述油粒子在t_n时刻的位置点；确定所述位置点在t_n时刻的溢油浓度；根据拉格朗日粒子漂移特性确定所述位置点在t_n+1时刻的溢油浓度，以求解所述对流项进行所述一体化模拟计算。

在本发明实施例中，模型建立模块1401还用于构建溢油羽流动力模型，根据定义的多个控制单元体确定溢油轨迹，用于实现对水下溢油喷发阶段和浮力羽流阶段的模拟。

所述海上溢油的三维模拟装置1400的各个模块的更具体实现方式可以参见对于本发明的海上溢油的三维模拟方法的描述，且具有与之相似的有益效果，在此不再赘述。

本发明第三方面的实施例提出了一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时，实现根据本发明第一方面所述的海上溢油的三维模拟方法。

一般来说，用于实现本发明方法的计算机指令的可以采用一个或多个计算机可读的存储介质的任意组合来承载。非临时性计算机可读存储介质可以包括任何计算机可读介质，除了临时性地传播中的信号本身。

计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。

可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言，特别是可以使用适于神经网络计算的Python语言和基于TensorFlow、PyTorch等平台框架。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。

本发明第四方面的实施例提供了一种计算设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时，实现根据本发明第一方面所述的海上溢油的三维模拟方法。本发明的计算设备可以是服务器，也可以有限算力的终端设备。

根据本发明第三、四方面的非临时性计算机可读存储介质和计算设备，可以参照根据本发明第一方面实施例具体描述的内容实现，并具有与根据本发明第一方面实施例的海上溢油的三维模拟方法具有类似的有益效果，在此不再赘述。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，应当理解的是，上述实施例是示例性的，不能解释为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种海上溢油的三维模拟方法，其特征在于，包括：

获取海洋水深地形数据，构建风-浪-流耦合海洋学模型；

2.根据权利要求1所述的海上溢油的三维模拟方法，其特征在于，所述对水下溢油的三维漂移扩散和所述水面油膜的二维漂移扩散进行一体化模拟计算包括：

3.根据权利要求2所述的海上溢油的三维模拟方法，其特征在于，所述分别求解所述对流项和所述扩散项进行所述一体化模拟计算包括：

根据所述风-浪-流耦合海洋学模型确定油粒子的运动轨迹；

根据所述运动轨迹确定所述油粒子在t_n时刻的位置点；

确定所述位置点在t_n时刻的溢油浓度；

4.根据权利要求3所述的海上溢油的三维模拟方法，其特征在于，所述根据所述风-浪-流耦合海洋学模型确定油粒子的运动轨迹包括：

5.根据权利要求3所述的海上溢油的三维模拟方法，其特征在于，所述确定所述位置点在t_n时刻的溢油浓度包括：

6.根据权利要求2所述的海上溢油的三维模拟方法，其特征在于，所述分别求解所述对流项和所述扩散项进行所述一体化模拟计算包括：

7.根据权利要求1所述的海上溢油的三维模拟方法，其特征在于，所述构建风-浪-流耦合海洋学模型包括：

8.根据权利要求1-7中任一项所述的海上溢油的三维模拟方法，其特征在于，还包括：

9.根据权利要求8所述的海上溢油的三维模拟方法，其特征在于，所述根据定义的多个控制单元体确定溢油轨迹包括：

根据每个所述控制单元体的中心位置确定所述溢油轨迹。

10.根据权利要求1-7中任一项所述的海上溢油的三维模拟方法，其特征在于，所述对水面油膜的厚度和组分变化进行模拟包括：

11.根据权利要求1所述的海上溢油的三维模拟方法，其特征在于，所述根据所述风-浪-流耦合海洋学模型、所述2D油膜风化模型和所述3D漂移扩散模型进行3D/2D模型的嵌套模拟包括：

12.根据权利要求1所述的海上溢油的三维模拟方法，其特征在于，所述获取海洋水深地形数据，构建风-浪-流耦合海洋学模型之前，还包括：

根据插值算法建立海洋水深地形数据库。

13.一种海上溢油的三维模拟装置，其特征在于，包括：

模型建立模块，用于获取海洋水深地形数据，构建风-浪-流耦合海洋学模型；还用于构建2D油膜风化模型，对水面油膜的厚度和组分变化进行模拟，还用于构建3D漂移扩散模型，对水下溢油的三维漂移扩散和所述水面油膜的二维漂移扩散进行一体化模拟计算；

14.一种计算设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时，实现根据权利要求1-12中任一项所述的海上溢油的三维模拟方法。