南海深水溢油三维仿真系统开发关键技术研究

1 引言

2010年美国墨西哥湾“深水地平线”溢油事故发生后，开发深水油气资源的国家和公司高度重视深水溢油的预防和治理。我国南海深水海域也蕴藏丰富的油气资源，但特殊的区域环境和复杂油气藏特性，以及勘探开发技术和工程装备尚不完善，给深水油气开发带来更多的挑战。面对突发事故风险日益增加的现状，我国深水溢油事故防范经验不足，应急处置能力薄弱，研发深水溢油应急处置技术势在必行。溢油事故发生后，快速获取海底溢油上升至海面的时间和地点是现场应急作业最为重要的资料，因此建立深水溢油三维仿真系统能够为溢油应急提供重要决策。

国外早在20世纪70年代就开展水下溢油模拟研究，Winiarski等[1]就提出用Lagrange方法模拟水体羽流。CDOG[2]和DEEPBLOW[3]两个溢油模型成功模拟了深水区水下溢油整个过程，其结果与实验数据验证效果较好，为溢油应急处置工作提供决策支持。国内学者也开展了水下溢油模拟研究，水下溢油模型日益准确并能应用于实践[4-7]。然而，现有水下溢油模型模拟结果的可视化以二维可视化展现为主[8-11]（例如国内的SIMPACT-SOS[12]和国外的OSCAR[13]、OILMAP软件），不能够以更为直观形象的三维展示方式为深水溢油应急决策提供科学支持。

鉴于国内外缺乏溢油模拟结果的三维仿真系统及工程管理系统的现状，本文在深水溢油模型建立的基础上，开发了溢油仿真子系统和数据管理子系统，实现了深水溢油模拟结果的可视化和工程项目的管理，为水下溢油事故应急处置和环境影响评价等方面提高技术支撑，并在南海深水油气田开发应急计划编制过程中得到了应用。

2 深水区水下溢油过程

深水区的溢油过程较为复杂，高压低温环境条件生成水合物，当水合物上升至水深较浅的低压水域后分解并将释放气体。水合物形成时，会很大程度上降低羽流浮力，油滴仅在自身浮力的作用下上浮，油滴运动受水平横流的影响较为明显，造成粒径大小不同的油滴相互分离，较大油滴先到达海面，而较小油滴抵达海面时间慢并在海流的作用下漂移到更远的距离。此外，海洋扩散过程也会影响油滴在水体中滞留时间，进而加剧了油滴的分离程度。根据上述溢油行为把溢油分为3个阶段，即喷射阶段、羽流阶段和和对流扩散阶段，其中喷射阶段和羽流阶段为浮射羽流过程，对流扩散阶段为对流扩散过程。溢油模型描述见表1[14]（其中水合物合成与分解判定算法及公式来源于Yapa[15]研究成果），具体建模路线和细节详见研究成果[7]。

2.1 浮射羽流过程

本过程需要考虑考虑油、气、海水和水合物的质量守恒过程，水动力学过程和热力学过程，通常采用Lagrange方法对控制体的位置和状态进行追踪和描述。具体需要考虑流体的质量守恒、水合物形成和气体溶解造成的质量损失、水合物的分解和溶解造成水合物的质量损失、动量守恒过程、热量守恒过程、盐度守恒过程，同时气体体积变化和卷吸作用也是考虑的重要因素。

2.2 对流扩散过程

本过程需考虑油、气和水合物三者的运动和相互作用，通常采用随机走动法，将油、气和水合物看作是一个由大量粒子组成的集合。其中，每个粒子所包含的物质（油滴、气泡或水合物颗粒）及尺寸互不相同，这些粒子都可以在三维空间中运动，并且其质量和体积等特征也随时间变化。

上述两个过程要考虑水合物的形成和分解、油气分离和气体溶解。其中乳化过程以及水体中油与沉积物的相互作用也是需要考虑的重要过程[16]。在射流羽流过程和对流扩散过程研究基础上通过Lagrange积分法和粒子追踪法建立深水区水下溢油模型[17]

蒋介石对于军权的崇尚，造成其对于党的建设、对党义的研究和宣传相对较为漠视，使国民党的意识形态宣导日趋贫乏无力。国民党在三民主义意识形态的理论建构方面，基本上毫无建树。王子壮在日记里曾谈及:“自北伐迄今已达十余载，而党义著作之贫乏，不特未能表现于社会科学各方面，甚且解释主义之著作亦寥寥可数。”㉗

3 深水溢油三维仿真系统的开发

3.1 系统研发需求

溢油24 h后，油粒子在自身浮力和海流的作用下向东、西、北3个方向有不同程度的运移，油污总体上处于泄漏点的北侧，同时抵达海面油粒子在海流作用下继续向东北方向扩散（不考虑风场的作用），水平最远扩散距离15.8 km（见图9a）。溢油48 h后，泄漏点位置处的油粒子向东运移，浅水区和海面的油粒子向西北运移，水平最远扩散距离25.7 km，同时有部分中油滴和全部的小油滴分布于水下，而小油滴几乎处于悬浮状态，仍处于1 000 m以深的深水区（见图9b）。

3.2 系统总体架构

图1给出了三维可视化仿真系统框架图。由图可知，系统包括可视化界面显示、三维数据渲染和底层数据库管理三层结构。图2为深水溢油三维仿真系统可视化技术开发路线。下面采用“由下至上”的方式介绍系统的开发过程。

 

表1 深水溢油模型描述[16]

  

羽流阶段喷射阶段阶段模型模拟对象物理化学过程羽流动力模型水卷吸油水合物 溶解 扩散气体溶解 油气分离 水合物对流扩散阶段对流扩散模型油对流 扩散 上浮 溶解 对流气体扩散 上浮 溶解 油气分离 水合物质量守恒方程： 对流扩散方程：d m d t= ρaQe-∑i=1 n ∂C∂t+V→ ⋅∇C= ∇ ⋅(K→ ⋅∇C)+∑i=1 d m dif d t动量守恒方程：d mi d tm Si描述方法Lagrange粒子追踪法：→→d(mV→)d t = ρaQeV→d(m dis+dif V→)d t-ρ2bhCD(|V→|-V′a)2 a+m Δρ ρgk →-d S dt=V→ +V→ ′+wbk V→|V→|V→′=Δt(Rx Kh,Ry Kh,Rz Kz)6

  

图1 三维仿真系统开发框架图

（1）底层数据库管理主要应用ACCESS数据对项目基础信息、地理背景信息、溢油位置信息、模式计算参数等数据库结构进行设计，实现对溢油模型生成的数据高效管理。

（2）三维数据渲染主要应用MFC（Microsoft Foundation Classes）界 面 库 和 OSG（Open Scene Graph）三维渲染引擎完成深水溢油数据的可视化渲染，同时多线程技术把界面操作和数据渲染隔离，创造操作便捷、动态显示的三维环境平台。通过OSG三维渲染引擎对GPU（Graphic Processing Unit）并行计算技术、三维场景交互技术、粒子系统和Delaunay快速地形建模技术等研究实现对海底地形、海面、海流和溢油粒子的三维动态仿真。

(2)语言文字：来稿力求做到文字通顺、精炼，逻辑性强，避免口语化和非专业用语。使用国家规范汉字，不用繁体字和非规范的简化字，遵守规范化的标点符号使用规则。

（3）可视化界面显示主要借助MFC界面库来实现。MFC界面库包含一个基于视图结构的应用程序框架，程序的数据由文档对象来维护，通过视图对象提供给用户，而OSG提供了场景管理、图形渲染有关的可视化接口和对键盘与鼠标等设备的操作器接口。因此，基于MFC用户交互框架，集成OSG可视化图形库，能够构建具有友好用户交互界面的三维可视化场景。

目前，《中图法》的国籍分类标引规则面临着多方面的质疑。有的编目机构认为同一作者的同类文学作品不能集中归类，这违背分类法同类聚合的初衷。有的认为海外华人的文学作品如果归入外国文学，不符合读者借阅习惯，甚至经常为此接到读者的投诉和质疑。有的为了将某作家作品集中排架在一起，采取维持原类号，或硬性规定按某种国籍分类。笔者认为，这些质疑或做法都有欠妥之处。

3.3 仿真系统开发可视化关键技术

三维可视化技术是溢油仿真系统的关键技术。本文重点介绍海底地形的实时绘制、海面仿真、三维海流显示、溢油粒子仿真等技术的实现方法。

3.3.1 海底地形的实时绘制技术

海底地形一般起伏较大，呈凹凸不平状态，因此，地形仿真数据区别于规则的行列网格数据，具有不规则性。应用Delaunay技术快速完成不规则网格数据地形建模，并结合OSG三维渲染引擎的顶点数组索引绑定技术，减少绘制三角面片过程中顶点数据计算量，实现大规模海洋地形数据的高效快速渲染。

  

图2 系统开发技术路线图

光照环境是复杂海洋地形的三维立体渲染过程中必须考虑的影响因素。OpenGL（Open Graphics Library）主要通过面法线和顶点法线的方式实现关照效果。面法线只考虑单个面单元的反射光，由于地形凹凸起伏的差异，会造成相邻面单元对光的反射量存在较大差异。为了整体光照效果更加光滑，顶点法线需要考虑共用此顶点的所有面单元的贡献值。

仿真系统可调用深水溢油预测模型和三维水动力预报数据，实现深水区水下溢油漂移动态预测。用户能够快速录入事故参数和模型参数，以完成预测模拟计算，并在三维可视化系统中快速显示水下溢油漂移轨迹，确定水下油污上升的时间地点和动态信息。在计算过程中也实时计算水下溢油归宿量，包括溢油总量、上升至海面的油量以及水体中的油量。

3.3.2 海面仿真技术

相比其他海洋环境的三维可视化，海面的仿真更为复杂，不仅需要考虑波浪的不规则运动，还要考虑光照及其反射因素，系统采用基于纹理的海面仿真可以快速高效实现海面的渲染。

②浓汤菜品：以香为主，入口首先体现香味而后要有咸味或其他口味，但绝不能加油来体现，要靠汤汁熬出的鲜香味和相关佐辅料来体现。

现实的海面波浪凹凸起伏，在海风的影响下呈现出褶皱的现象。主要采用凸凹贴图技术和Normal Mapping技术。凸凹贴图技术主要实现海面起伏的仿真效果，Normal Mapping技术则依靠纹理采样坐标动态变化实现海面模型表面运动的视觉效果。另外基于GPU实现纹理坐标的变化提高渲染效率，实现具有不同跳动细节的高频波纹的海面仿真。

3.3.3 三维海流显示技术

  

图3 海底地形效果显示图

海流显示是为了更好的仿真海洋环境，更清晰的观察海流对溢油的影响，基于海流矢量箭头绘制方法，实现三维空间海流动态展示。海流三维仿真主要基于OSG的几何体绘制技术，应用场景树、节点访问和回调机制来实现，是在一个几何体上添加多个图形基元，并通过VBO（Vertex Buffer Object）顶点缓存的方式提高绘制效率。同时应用箭头绘制算法来实现海流大小和方向的控制，获得箭头绘制的4个点后通过PrimitiveSet设置绘制基元。最后加入叶结点绘制并渲染，通过节点回调更新数据动态显示。箭头绘制的大小、方向依据格点海流的经纬度矢量值来确定。三维流场显示效果见图4。

3.3.4 溢油粒子仿真技术

Study of Effect of Rudder Angle for Effective Power Based on CFD……………XUE Zhenyu， CHEN Xiaping， REN Haikui(1·6)

溢油粒子系统是溢油可视化的核心模块，采用的粒子系统是目前为止针对不规则模糊对象最成功的生成算法。粒子系统描述单个粒子某一时刻的综合状态依靠三维坐标、时间、速度、方向、半径等多维属性，并通过粒子群对不同种类、数目众多、时刻改变状态的海量粒子三维仿真，具有通过简单的体素单元模拟复杂对象的优点。

  

图4 三维流场显示效果图

水下溢油数值模拟过程中会产生模型参数、历史工程信息以及模拟结果等大批量数据，为有效地管理数据开发了数据库管理模块。数据库主要包含历史工程信息、新建工程参数设置以及详细信息查看等功能。历史工程管理用于显示历史记录、按条件筛选、选择性删除等功能，对系统内历史事件进行统一化的管理，提高系统的有效性。模型参数设置是启动深水溢油模型前提条件，设置完毕后把数据流传递给模型作为运算初始条件，并实时查看历史工程的模型参数。详细信息查看通过友好的人机交互界面，提供深水溢油数值模拟参数的输入、修改、删除、查询等功能，对数据进行管理和调用。

3.4 仿真系统功能实现

3.4.1 深水溢油动态预测

结合顶点法线实现的光照效果和地形高度凸显的差异效果，系统采用GPU点渲染和GLSL（Open GL Shading Language）高级着色语言实现对地形不同高度值的差异化颜色着色。海底地形效果显示见图3。

陈 雷：刘振伟委员提的问题非常好。小型农田水利工程量大、面广、点多，全国的小型水利工程大概有2 000万处，目前我们已经实行小型农田水利产权制度改革的工程有700多万处，接近1/3。但是因为小型水利工程资金来源主要是国家投入、集体投入和农民个人投入，产权性质也不同，特别是农村土地经营机制发生变化以后，产权制度改革一度出现了滞后的情况，产权不清晰、管理主体不明确、管理不到位的问题也非常突出。为了解决好这个问题，水利部专门制定了农村小型水利工程产权制度改革的指导意见，总的采取措施如下:

3.4.2 三维仿真与操控

各高度小风时风频结果表明，各高度E风向风频值略大，但同其他风频相差不大，小风时风频呈现均匀散布的状况。

三维仿真与操控是本系统的核心单元，控制整个界面的显示过程。场景控制通过人机交互方式实现，系统提供的菜单栏、工具栏、对话框、浮动栏等交互界面，方便操作控制并提供必要的信息反馈，并通过放大、缩小、旋转、平移、视距伸缩等扩展功能，优化人机交互。最终系统实现了海底地形、海面、溢油的三维仿真以及海洋三维流场同步显示。

  

图5 溢油粒子仿真

为了增强三维可视化系统的显示效果，系统可以对常见海洋石油设施进行加载显示，包括平台、管道和船舶模型等，同时在三维海洋场景中提供三维标注功能。

3.4.3 结果输出

所谓逆推顺述，就是将在自己的田野点观察到的、依然活着的结构要素，推到它们有材料可证的历史起点，然后再从这个起点，将这些结构要素一一向晚近叙述，最后概括出该区域历史的结构过程。

系统模拟结果主要通过图像、视频和智能报告等多种形式输出。根据应急现场需求，系统可以对整个模拟过程以图像或视频的格式输出存储，也可快速化生成事故报告和预测报告，为溢油应急指挥人员提供技术支持。

3.4.4 数据管理

针对海洋环境中复杂、多变的油污扩散现象，粒子系统对溢油粒子状态进行模拟和动态绘制具有重要意义。但由于溢油粒子数据量比较大，对CPU处理能力和渲染速度要求极高。粒子系统仿真基于GPU的并行计算能力，降低渲染对CPU（Central Processing Unit）的依赖，最大程度提高了渲染效率，主要采用VBO顶点缓存技术。VBO技术仅在数据初始化或是更新时写操作，大量减少CPU与GPU间的数据拷贝，并且VBO支持图元更新，可以应用 VA（Vertex Array）和 DL（Display List）的数据方式提高渲染效率。粒子的种类可以通过不同的颜色设置加以区分，主要包括不同粒径的油粒子、气泡、水合物等，其在显示过程中黄色代表水合物，红色代表天然气，绿色代表大油滴（粒径大于1 000μm），蓝色代表中油滴（粒径介于500μm和1 000μm之间），黑色代表小油滴（粒径小于500μm），下文如同。溢油粒子效果如图5所示。

3.5 系统服务

  

图6 系统主界面

本系统功能全面，系统稳定，操控响应速度快，支持鼠标拖动、键盘操作、按钮操作等三维视角方式，计算模式通讯接口使用方便易用，通讯效率较高。系统采用模块化设计，海洋水动力数据、溢油模拟以及三维可视化为独立的功能模块，可提供针对性的技术服务，为用户量身定制。系统界面见图6。

4 系统案例应用

[3]JohansenØ.Development and verification of deep-water blowout models[J].Marine Pollution Bulletin,2003,47(9-12):360-368.

模拟过程中南海海流、温度、盐度以及海水密度数据来源于国家海洋局第一海洋研究所三维潮流预报系统[18]。南海大部分地区水深在1 000～2 000 m之间，北部大部分陆架区域属于不规则半日潮流，深水区域主要为不规则全日潮流为主。模拟过程中溢油模型设置10 000个拉格朗日粒子用于模拟溢油运移轨迹，粒径采用在6～5 000μm范围的偏态分布，平均粒径250μm，标准偏差75μm。

根据系统模拟数值结果可知，发生溢油1.5 min后在低温高压环境下泄漏的天然气上升至水深1 362.7 m处生成水合物（见图7a），溢油1.3 h后上升至756.9 m处水合物又分解成天然气（见图7b）。大油滴上浮速度较快，在溢油发生3.5 h后抵达海面，由于水平海流存在一定的垂向分布结构，在泄漏点位置处的油粒子运移方向是东偏北，随后在840 m左右水深处转向西北方向运移，最终大油滴在溢油点的西北侧4.9 km处露出海面（见图8a）。溢油4.5 h后，中油滴抵达海面，其溢出海面的位置在溢油点西北方向6.3 km处，比大油滴浮出位置更加偏北（见图8b）。

通过可视化界面实时显示水下溢油事故的全过程,建立一套操作便捷、稳定运行和界面友好的三维可视化系统，实现模拟结果实时显示和信息快速发布。系统同时能够实现对工程项目信息、溢油信息、模拟结果等数据的管理，为溢油应急演习演练、应急计划编制和溢油事故决策提供技术支撑。

 

表2 溢油模拟参数表

  

项目信息溢油点模拟时间溢油水深/m溢油时长/h模拟时长/h喷口直径/m原油密度/kg/m3溢油量/m3参数值115°25′E，19°55′N 2012年11月7日—2012年11月9日1 442 24 48 0.1 811 1 000

  

图7 水合物变化过程

  

图8 油滴抵达海面

  

图9 油滴运移扩散图

5 结语

针对南海深水溢油应急能力提升的需求，基于MFC界面库和OSG三维渲染引擎，重点对海底地形绘制、海面仿真、三维海流显示和油粒子仿真等关键技术进行了研究，开发了一套操作便捷、稳定运行和界面友好的三维可视化系统。系统主要服

务于井喷井涌、海底管线破裂和沉船等水下溢油事故，提供深水溢油水下运移轨迹、水体溢油浓度分布和溢油抵达海面的时间地点，为现场溢油应急处置和海洋环境影响评价提供技术支持。

[4]廖国祥,杨建强,高振会.深海环境中溢油输移扩散的初步数值模拟[J].海洋通报,2011,30(6):707-712.

第十二次：1981年“中华人民共和国粮食部军用价购粮票”“中华人民共和国粮食部军用供给粮票”（面粉、大米、粗粮各“伍拾斤”“壹佰斤”“伍佰斤”“壹仟斤”版）。

[1]Winiarski L D,Frick W E.Cooling tower plume model[R].Report EPA-600/3-76-100,1976.

[2]Yapa P D,Dissanayake A L.Bubble plume modelling with new functional relationships[J].Journal of Hydraulic Research,2012,50(6):646-648.

翻译注释对庄子形象的社会建构研究——翻译注释的内容分析 ……………………… 张广法 文 军（2.71）

溢油三维仿真系统已在南海荔湾3-1区块、荔湾43-11区块、雪佛龙公司42-05区块和白云区块溢油应急计划编制过程中应用。为阐释系统有效性和可靠性，本次案例选择荔湾3-1区块位置（115°25′E，19°54′N）假设发生溢油，水深为1 378 m，溢油时长为24 h，模拟时长48 h（2012年11月7日—2012年11月9日），原油密度为811 kg/m3，原油温度为90℃，含气成分为甲烷，井口半径为0.1 m，井口的喷射速度为2 m/s，溢油量1 000 m3。溢油模拟参数详细表2。

参考文献：

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[7]Chen H B,An W,You Y X,et al.Numerical study of underwater fate of oil spilled from deepwater blowout[J].Ocean Engineering,2015,110:227-243.

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目前，部分区域虽然已经开始重视公路路基加宽施工工作，但是，在实际建设期间还是存在很多问题，不能创建优化性的工作体系，难以结合实际工作特点与要求进行协调控制。

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利用双极晶体管在中子辐照下的硅位移损伤特性，成功研制了晶体管直流增益在线测试系统。该系统以LabVIEW为开发平台，通过多任务并行处理的模块化程序设计，实现了快速响应、高效率同步采集、实时数据处理、存储及显示；采用回读技术建立了电压补偿方法，解决了远程监测中因电压损耗带来的测量误差，系统的测试精度高达0.2%。

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[17]Reed M,Emilsen M H,Hetland B,et al.Numerical model for estimation of pipeline oil spill volumes[J].Environmental Modelling&Software,2006,21(2):178-189.

定义学生的预期学习产出是OBE教育模式的关键环节。为了得到更合理、更适切的产出成果，我们把专业认证和行业能力需求两个方面作为主要参考而确定产出目标。[1]

[18]Wang Y G,Wei Z X,Lian Z,et al.Development of an ocean current forecast system for the South China Sea[J].Aquatic Procedia,2015,3:157-164.