第４２卷第９期 ２０１３年９月 当 代 化 工 Ｃｏｎｔｅｍｐｏｒａｒｙ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｖｏ１．４２．Ｎ０．９ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，２０１ ３ 管道渗流对表层土壤影响的数值模拟 王 琪 ， 施 雯 （Ｉ．广东省石化装备故障诊断重点实验室，广东石油化工学院，广东茂名５２５０００；２．广东石油化工学院，广东茂名５２５０００） 摘 要：采用有限容积法建立埋地管道泄漏多孔介质流同耦合相变数学模型，对油品管道下侧泄漏进行压 力场和体积分数的数值模拟。研究表明管道泄漏后，压力对于表层土的影响极小，可以忽略不计。体积分数经 过一定时间后，等值线形成一个正苹果形。由于重力作用Ｙ轴比ｘ轴扩散快，之后油品最外层等值线到达表层 土下缘，油品开始渗入表层土，密集的等值线继续向上扩散，当等值线前锋到到表层土上缘时外界就会发现有泄 漏现象发生，但是最大等值线前锋并没有到达表层土。当表层区域都向表层有油品输出，并且比较密集的等值 线前锋已经处在表层土，这时地表应该会出现油品液体的流动。再经过一段时间，外层等值线到达土壤最下缘， 这就意味着开始有油品开始污染地下水。 关键词：埋地管道；渗流；泄漏；表层土；数值模拟 文献标识码： Ａ 文章编号： １６７１—０４６０（２０１３）０９—１３２８—０３ 中图分类号：ＴＥ ９７３．９１ Ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｐｉｐｅ ｓｅｅｐａｇｅ ｔｏ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｏｉｌ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ＷＡＮＧ Ｑｉ ，ＳＨＩ Ｗｅｎ （１．Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｉｎ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｍａｏｍｉｎｇ ５２５０００，Ｃｈｉｎａ；２．Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｍａｏｍｉｎｇ ５２５０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｖｏｌｕｍｅ ｍｅｔｈｏｄ，ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ｔｈｅ ｂｕｒｉｅｄ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｌｅａｋａｇｅ ｐｏｒｏｕｓ ｍｅｄｉｕｍ ｆｌｕｉｄ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅ１．ｔｈｅ ｐｈａｓｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｏｉｌ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｌｅａｋａｇｅ ｕｎｄｅｒ ｌａｔｅｒａ１ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｖｏｌｕｍｅ ｆｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｌｅａｋａｇｅ．ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｏｉ１ ｉＳ ｔｉｎｙ ａｎｄ ｉＳ ｎｅｇｌｅｃｔｅｄ．Ｖｏｌｕｍｅ ｆｒａｃｔｉｏｎ ａｆｔｅｒ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｔｉｍｅ．ｃｏｎｔｏｕｒ ｌｉｎｅ ｆｏｒｍ ａ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ａｐｐｌｅ ｓｈａｐｅ．Ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｇｒａｖｉｔｙ Ｙ ｔｈａｎ ｘ ａｘｉｓ ｓｐｒｅａｄ ｆａｓｔ，ａｆｔｅｒ ｏｉｌ ｏｕｔｅｒｍｏｓｔ ｃｏｎｔｏｕｒ ｔｏ ｔｏｐｓｏｉｌ ｌｏｗｅｒ ｅｄｇｅ，ｏｉｌ ｂｅｇａｎ ｔｏ ｓｅｅｐ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｏｉｌ，ｔｈｅ ｄｅｎｓｅ ｃｏｎｔｏｕｒ ｔｏ ｃｏｎｔｉｎｕｅ ｕｐｗａｒｄ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ，ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｏｕｒ ｓｔｒｉｋｅｒ ｔｏ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｏｉｌ ｏｎ ｅｄｇｅ．ｔｈｅ ｏｕｔｓｉｄｅ ｗｏｒｌｄ ｗｉｌｌ ｉｆｎｄ １ｅａｋａｇｅ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ．ｂｕｔ ｔｈｅ ｂｉｇｇｅｓｔ ｉｓｏｌｉｎｅ ｓｔｒｉｋｅｒ ｄｏｅｓ ｎｏｔ ｒｅａｃｈ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｏｉｌ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ａｒｅａ ｏｕｔｐｕｔ ｏｉ１ ｔｏ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ．ａｎｄ ｔｏ ｃｏｍｐａｒｅ ｔｈｅ ｉｎｔｅｎｓｉｖｅ ｉｓｏｌｉｎｅ ｓｔｒｉｋｅｒ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｉｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｏｉｌ，ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｉｎ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｏｆ ｔｈｅ １ｉｑｕｉｄ ｐｒｏｄｕｃｔ．ｉｎ ａ ｐｅｒｉｏｄ ｏｆ ｔｉｍｅ．ｔｈｅ ｏｕｔｅｒ ｃｏｎｔｏｕｒ ａｒｒｉｖｅｄ ａｔ ｔｈｅ ｌｏｗｅｒ ｅｄｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｉｌ，ｗｈｉｃｈ ｍｅａｎｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｏｉｌ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｓｔａｒｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｐｉｐｅｌｉｎｅ；Ｓｅｅｐａｇｅ：Ｌｅａｋａｇｅ；Ｓｕｒｆａｃｅ ｓｏｉｌ；Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 由于目前我国输线往往已经服役达到２０ 年，所以其泄露事件频发，而我国的管线大部分是 于对温度的研究 川，对扩散油品分布的研究甚少。 而对于表层土的扩散分布就几乎没有了。基于以 埋地管线。特别是小口径渗透更是不容易被发现的。 其漏油不但会带来一定的经济损失，也会带来严重 的污染 。 。埋地管线油品的泄露向下会污染地下水， 向上会污染土壤特别是对于表层土。表层土不同于 下面的其它土层，表层土含有作物、植被生长所需 要的元素。一旦表层土被污染，其土壤将无法种植 考虑利用ＣＦＤ对管道原油泄漏后的扩散状态进行 数值模拟，得到了原油泄漏后压力和体积分数的分 布规律 ，以及在扩散过程中随着时间和泄漏量的 变化，对土壤中原油的体积分数分布的影响。 １数学模型 在建模的过程中，我们要考虑以下方面的内容， 首先是土壤，土壤本身是一种多孑Ｌ介质，所以土壤 的模型必须是多孔介质模型，而且在土粒与土粒的 孑Ｌ隙中充满了空气和少量的水气。这在以前的模型 中是很少考虑水份的。其次是泄露位置，管道最容 作物。这对农民来说是一种巨大的损失。所以研究 被污染的表面土为后期土壤的开挖，农民的赔偿， 都提供了理论依据。 目前的管道泄漏扩散数学模型多适用于埋地管 道和架空输气管道 ，在埋地管道泄漏方面多局限 基金项目：广东省石化装备故障诊断重点实验室开放基金资助，项目号：５１ ２０２１。 收稿日期：２０１ ３－０３—０２ 作者简介：王琪（１９８２一），女，辽宁抚顺人，讲师，硕士，２００９年毕业于辽宁石油化工大学油气储运专业，从事土壤温度场的研究。Ｅ－ｍａｉｌ ｗａｎｇｑｉ １ ９８２．ｇｏｏｄ＠ｌ ６３．ｃｏｍ。 通讯作者：程丽华（１９６５一），女，教授，硕士，从事石油化工清洁生活与水污染控制的研究工作。Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈｅｎｇｌｉｈｕａ６５＠１ ３９．ｃｏｍ。 第４２卷第９期 王琪，等：水分对渗流管道周围土壤影响的数值模拟 １ ３２９ 易发生泄露的位置就是管道下方。最后表层土的孔 隙度不同与下面的土壤，由于表层土要种庄稼，会 经常翻动，所以表层土的孔隙度要大于次表层土。 土壤间隙有１０％水分，９０％空气表层土厚度为０．５ ｍ。管内原油密度８６０ ｋｇ／ｍ。比热容１８８ Ｊ／（ｋｇ Ｋ）， 粘度４．８ Ｘ １０～Ｐａ ｓ，导热系数０．１２ Ｗ／（ｍ Ｋ）。设地 质量守恒方程： 下５ ｍ为地下水位线，以管道下侧泄漏为例，建立二 ＋Ｖ ｆＶ）＝０ 式中：Ｕ一流体速度，ｍＹｓ； Ｐｆ一流体密度，ｋｇ／ｍ ； ｆ－－ｍｌｆ７，Ｓ。￣ 维泄漏模型（图１）。模拟区域采用自由网格进行单元 划分采用５ ｍ ｘ ５ ｍ（图２）区域。因泄漏口附近渗流 速度分布梯度较大且表层土是我们观察的重点。该处 节点要适量多取以保证泄漏口处网格的划分加密，确 动量守恒方程： ＋ ＋．８ｔ 瓠 ｏ（ｐ０ｙ Ｓ）：旦 ａｘ ａｘ）］ ＋ （孝］一 －４－（ “＋ｃ １ ＰｆＩ Ｉ ］ ＋ ＋ ：旦 ＋ ［ ］一 ＋（ Ｖ＋ｃ： １ Ｐｆ ）一 ｇ 能量守恒方程： 导（ Ｅｆ＋（１—７，）ｐ。 ）＋Ｖ（ （ｐ Ｅｆ＋ｐ ＝ ＩＶ 一【ＺｈＪ小一 ・ ）ｌ＋ｓ 式中：Ｕ、ｖ一流体速度Ｕ在 、Ｙ方向的分量，ｍ／ｓ； ａ＝Ｄｐ ｅ３／［１５０（１一ｓ） 】，一多孔介质的渗透率，ｍ ； Ｃ＝３ ５（１一ｓ）／（印 Ｅ３）～惯性损失系数，ｍ－ ； ｓ一多孔介质的孔隙比； Ｐ一多孑Ｌ介质的 Ｌ隙压力，Ｐａ； Ｄ。一多孔介质的粒子直径，ｍｍ； 流体的动力粘度，Ｐａ・ｓ； Ｅｆ一流体总能，Ｊ； Ｅｓ一多孔介质总能，Ｊ； ｒ一多孔介质的 Ｌ隙度； Ｓ ｆ一流体焓源项，Ｊ／ｋｇ； ｋｅ 一多孔介质的有效导热率，ｗ／（ｍ・Ｋ）。 ＝蜥＋（１一ｙ） ，砖一流体热导率，Ｗ／（ｍ・Ｋ）； 固体热导率，、Ｖ／（ｍ・Ｋ）。 多介质中液体流动为层流所以公式中的参数 为层流时对应的量。 边界条件：泄漏口边界 ｆ Ｖ０；空气边界 ＝ｐ。，管壁及土壤分布的下左右边界均为Ｗａｌｌ， 表层为出口。 ２物理模型 某输道覆土深度１．６ ｍ，管道直径７００ ｍｍ， 泄漏口直径２０ ｍｍ，泄漏口处流速为０．１４７ ｍ／ｓ，周 围土壤密度ｌ ６８０ ｋ ｍ，比热容２ ２２５￣／（ｋｇ Ｋ），导 热系数０．１５２ Ｗ／（ｍ Ｉ９，表层土壤孔隙度为０．４８７， 次表层土壤孔隙度为Ｏ．４５，土壤颗粒直径０．０２ ｍｍ。 保准确捕捉压力场和体积分数分布的变化。 ＾ 图２单元网格划分 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｐａｒｔｉｔｉｏｎ ｍａｐ ｏｆ ｅｌｅｍｅｎｔ ｇｒｉｄ ３模拟结果分析 ３．１压力场分布 埋地输道泄漏后，特别是这种低速渗漏， 由于压力很小，而且土壤有很高的渗透性和储溶性。 油品泄漏后在压力波从土壤孔隙中推进。埋地管道 泄漏后原油压力随时问变化的等值线（图３）。 由５ Ｓ时压力等值线可以看出泄漏初期压力从 管内迅速释放，但压力波并没有进入表层土。之后 随着时间（５０，１００ Ｓ）的变化压力波向下扩散，但变 化极小。这也是由土壤有吸收压力的能力引起的。 这后由于泄漏点的位置及重力作用，压力波向下缓 慢传播。但向上几乎没有什么变化。所以压力对于 渗流管道表层土几乎没有什么影响。 第４２卷第９期 冯苹苹，等：基于ＡＮＦＩＳ的一类免疫聚类建模方法的研究 １３４３ （３）计算反应抗原与抗体、抗体与抗体之间 相似度的亲合力及个体更新，选择欧距氏离为亲和 力指标，定义抗原的分组判断函数为： ｋ ，小的节点，以获得更好的控制规则数目和网络参数， 达到函数的最佳逼近效果。 ｋ ， 、 尼）＝∑Ｊｉ＝∑∑ Ｊｆ 一 ｉ＝ｌ ｉ＝ｌ ：１ （９） 芑 。 这里 ，是向量 属于ｋｉ（ｉ＝１，２…．， 的程度，它 的值在０和１之间。在每次分组时根据亲和力属于 不同的ｋｉ（ｉ＝ｌ，２，…， 。 ≯ｉ ． Ｉ 、 （４）根据ａｉＮｅｒ免疫网络中有向搜索来寻找抗 体优化的方法，由公式Ｋ＝Ｋ－ａｆ ∞及计算出的亲 和力的大小来重新选择最佳抗体 。。其中 代表抗 体， 代表抗原， 代表学习率。 詈１ ≮＿ 一 图４函数逼近结果 Ｆｉｇ．４ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｔ’ｓ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ （５）根据抗体抑制理论：当新抗体产生时，保 留每组中的最优秀抗体并清除其它所有不佳抗体。 反复进行上述（１）一（５）的步骤，直到满足设定的 目标要求。 ４结论 从生物处理信息的机制中感受启发，借助其较 强的学习、记忆及自适应调节的能力，把人工免疫 系统的原理应用于数据聚类分析的研究中，用来提 取和优化模糊规则的数目，从而进行模糊辨识。该 ３仿真实验 为了验证本文中所提方法的有效性，引用文献 ［５］中的一个函数的逼近问题的例子，函数式为： 方法提供的初始化方案为克服ＡＮＦＩＳ网络自身的缺 ｆ（ｘ， ）＝０．５ｅｘｐ（一２０（（ｘ一０．５） ＋（ 一０．５） ））＋ｅｘｐ（一１０（ｘ ＋ｙ ）） 陷提供了一个有效的途径。 （１０） 其中输入变量Ｘ和 都定义在上，每个变量都 按均匀的概率密度函数随机的产生，函数产生４００ 个输入输出对作为训练数据。试验中，如下所述设 置各个学习参数：最大训练步数为３ ０００，学习率为 ０．００３，惯性系数为０．５１，合成时刻的误差，目标误 参考文献： ［１］王洪瑞，张永兴，刘聪娜．基于ＡＮＦＩＳ的机器人系统建模的研究【Ｊ Ｊ ｌ控制工程，２０１０，９（１１：５５—５８． ［２］童树鸿，沈毅，刘志言．基于聚类分析的模糊分类系统构造方法【Ｊ Ｊ ｌ控制与决策．２００１，１６（Ｉ １）：７３７—７４４． ［３］张利平，吴秀玲．基于人工免疫的聚类算法的图像检索技术研究Ｉ Ｊ】 ｌ情报探索，２０１０，１８（２）：１８—２１． ［４］王莉．人工免疫的图像聚类算法的研究【Ｄ】．太原：太原理工大 差，预设阈值。 先利用人工免疫聚类算法对数据进行聚类，当 聚类数为１５时函数的有效值最大，因此建立的初始 模糊规则库中包含ｌ５条模糊规则。接着按照所需算 法调整规则参数和网络权值，为进行网络结构的优 化，当计算误差小于合成误差时，除掉那些影响最 ［５］陈文清．基于免疫机理的水泥生产ｌＴ艺故障智能诊断方法的研究［Ｄ］． ［６］郝敏．基于模糊聚类算法的自适应模糊神经网络研究［Ｄ］哈尔滨：哈 （上接第１３３０页） ［２］陈志刚，张来斌，梁伟，等．复杂工况下热道泄漏识别与定 位方法研究ＩＪ１＿西南石油大学学报，２００８，３０（６）：１５１—１６０． ［３］叶峰，廖开贵，张亚明，等．天然气管道泄漏数值模拟的研究Ⅲ．油 气田地面］：程，２００８，２７（６）：１９—２０． 析『Ｊ］．西安石油大学学报，２００７，２２（２）：１６６—１６８；１ ７２． ［６］张东领，王树青，张敏．热输道泄漏定位技术的研究【Ｊ１＿石油 学报，２００７，２８（１）：１３５—１３８． ［７］李朝阳马贵阳刘亮埋地输道泄漏油品扩散模拟［Ｊ］油气储 运，２０１１，３０（９）：６７４—６７６． ［４］李军．基于瞬态模拟的燃气管道泄漏检测与定位技术研究［Ｄ１ｌ天 津：天津城市建设学院，２００８：５－１５． ［８］高雪利，马贵阳．埋地输道泄漏渗流数值模拟ｌＪ１．辽宁石油化工 大学学报，２０１ ｌ，３１（２）：２０—２３． ［５］袁朝庆，庞鑫峰，张敏政．埋地管道泄漏三维大地温度场仿真分
