李 森，逄 勇, 2，羅 縉, 2

(1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210098；2.河海大學(xué) 淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098)

伴隨內(nèi)河航運(yùn)的蓬勃發(fā)展，安全隱患逐漸凸顯出來。其中，溢油事件屢見不鮮，給社會(huì)生活發(fā)展帶來巨大損失之余還會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境帶來毀滅性的打擊。溢油污染事故往往是突發(fā)性的，是由船舶發(fā)生碰撞、擱淺或機(jī)械故障等意外原因?qū)е?，事故發(fā)生后極易造成船艙內(nèi)的燃料油或運(yùn)載油品泄漏，加大內(nèi)河取水口的安全隱患，引發(fā)水源地供水的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重地影響了人們正常的生產(chǎn)與生活。構(gòu)建數(shù)值模型對(duì)溢油事故進(jìn)行預(yù)測分析是當(dāng)前盛行的研究方法。盡管國內(nèi)外在溢油風(fēng)險(xiǎn)的模擬預(yù)測方面日趨成熟，但相比較廣闊的海域，針對(duì)內(nèi)河水域的溢油風(fēng)險(xiǎn)研究并沒有引發(fā)足夠的重視[1～4]。然而，各江河流域的溢油事故頻發(fā)，事故的防控面臨巨大的挑戰(zhàn)，構(gòu)建相關(guān)數(shù)值模型研究溢油在水體中的遷移變化已成為了需要迫切關(guān)注的熱點(diǎn)問題。如研究者[5～7]通過建立感潮河流溢油模型，精準(zhǔn)地模擬演示了黃浦江“8.5”特大溢油事故，對(duì)油膜漂移擴(kuò)散的距離及范圍進(jìn)行了預(yù)測分析；祁佩時(shí)等[8]通過建立松花江豐水期溢油模型，分析了河道溢油模型中油粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及油膜污染情況，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了河流形態(tài)特征會(huì)對(duì)油膜的運(yùn)動(dòng)過程產(chǎn)生影響；宋澤坤等[9]通過建立長江口-杭州灣潮流數(shù)學(xué)模型，基于MIKE21溢油模塊預(yù)測分析了取水口油膜運(yùn)行軌跡及厚度與時(shí)間的變化關(guān)系。因此，面對(duì)如此嚴(yán)峻的環(huán)境挑戰(zhàn)，溢油事故風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測已成為行之有效的防范措施，同時(shí)，利用溢油模型研究[10～12]相關(guān)水域溢油事故發(fā)生后對(duì)水源地取水安全的影響，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

為此，本文將基于閩江水口至沙溪口航道整治工程，假定江面溢油事故發(fā)生地點(diǎn)，運(yùn)用二維非穩(wěn)態(tài)水環(huán)境數(shù)值模擬，建立相應(yīng)的水動(dòng)力模型，并在基礎(chǔ)上采用“油粒子”模型[13]理論對(duì)水源地取水口的溢油風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測分析，對(duì)此可提出相應(yīng)的防護(hù)措施。

1 研究區(qū)域

閩江是福建省也是我國東南沿海的最大一條河流，而沙溪為閩江的主流，至沙溪口與富屯溪匯合。閩江水口至沙溪口航道整治工程正位于閩江干流的上游、沙溪干流的下游，從水口水電站至沙溪口，航道全程約114.66km，共分為閩江干流水口至延福門航段和延福門至沙溪口鐵路橋航段兩部分。河段航道通過渠化已基本達(dá)到維持航道水深、改善流速流態(tài)的作用。本次工程在現(xiàn)有航道基礎(chǔ)上增深、拓寬，以疏浚、炸礁工程為主。研究區(qū)域位置分布圖見圖1。

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Studied area

2 研究方法

2.1 二維非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型

2.1.1 水動(dòng)力模型基本方程

本文水動(dòng)力計(jì)算采用質(zhì)量與動(dòng)量守恒型平面二維方程組，公式為[14]：

(1)

橫向應(yīng)力Tij包括粘滯阻力、紊流摩擦阻力和差動(dòng)平流摩擦阻力，可用垂向流速平均的渦粘方程來計(jì)算：

(2)

2.1.2 溢油模型基本方程

“油粒子”模型是溢油預(yù)測常用的數(shù)學(xué)模型，主要思路是利用拉格朗日的性質(zhì)追蹤進(jìn)入水體的油粒子。大量離散的具有一定油量的油粒子集合形成油膜分子，通過相關(guān)數(shù)學(xué)公式建立油粒子位置和組分的變化關(guān)系，模擬水中油膜在擴(kuò)展、漂移、擴(kuò)散等輸移過程中的組分恒定和蒸發(fā)、溶解、乳化等風(fēng)化過程中的組分變化狀態(tài)，從而能夠準(zhǔn)確地預(yù)測油膜的運(yùn)動(dòng)軌跡、厚度以及分析運(yùn)動(dòng)過程中油膜表面含水率等理化性質(zhì)的變化情況[15]。

該計(jì)算模型針對(duì)油膜運(yùn)動(dòng)過程，綜合考慮多因素的相互作用，已成功應(yīng)用于長江、閩江等內(nèi)河水域[13,16]，因此本文在水動(dòng)力提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的條件下對(duì)油粒子模型進(jìn)行了直接應(yīng)用。

其中，輸移過程是導(dǎo)致油粒子位置移動(dòng)的主要原因，模型采用修正的費(fèi)伊公式進(jìn)行油膜擴(kuò)展計(jì)算；漂移計(jì)算受水流和風(fēng)應(yīng)力影響，主要由油粒子總漂移速度決定；擴(kuò)散方程主要是計(jì)算單位時(shí)間步長內(nèi)某一方向上的距離。除此之外，風(fēng)化過程則是模型預(yù)測中油粒子組分發(fā)生變化的重要原因，主要包括蒸發(fā)、溶解和形成乳化物等過程。以下為相關(guān)方程[17～19]：

(1)擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)

(3)

(2)漂移運(yùn)動(dòng)

Utot=cwz·Uw+Us

(4)

其中Uw為水面以上10m處的風(fēng)速；Us為模型流場提供的表層流速；cw為風(fēng)漂移系數(shù)，一般在0.03和0.04之間。

(3)紊動(dòng)擴(kuò)散

(5)

(4)蒸發(fā)過程

(6)

(5)溶解過程

(7)

(6)乳化過程

(8)

2.2 地形概化及網(wǎng)格建立

本次工程構(gòu)建的是沙溪口至水口水電站航段水環(huán)境模型。模型的水下高程數(shù)據(jù)采用最新地形，由福建省港航管理局勘測中心提供的臺(tái)江大橋至沙溪口1∶1 000測圖(2015年5～6月和2008年7月測圖)和沙溪口至水口水庫1∶1000測圖(2015年5～6月和2006年11月測圖)。模型計(jì)算基面統(tǒng)一至85國家高程。

模型計(jì)算采用能夠較好地模擬流場的非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格。網(wǎng)格邊長約50m，部分深窄河道進(jìn)行加密，局部加密到15m左右，共劃分節(jié)點(diǎn)37 445個(gè)、網(wǎng)格68 870個(gè)，模型計(jì)算時(shí)間為△t=30s。

2.3 模型率定及驗(yàn)證

水動(dòng)力模型的上邊界可取沙溪口水電站下泄流量，而水口壩上同期平均庫水位可作為模型下邊界。其他支流邊界可取多年平均流量；降雨蒸發(fā)及風(fēng)場資料均來源于沙溪地區(qū)水文測站資料。

根據(jù)2015年8月28日14∶30～17∶30監(jiān)測的沙溪口壩下至南平延福門實(shí)時(shí)同步水文監(jiān)測資料，選定了4個(gè)監(jiān)測斷面和12個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位實(shí)施監(jiān)測，用收集到的同步水文監(jiān)測資料對(duì)建立的沙溪口至水口電站二維模型進(jìn)行水動(dòng)力率定，同時(shí)使用2016年2月26日二次監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行水位驗(yàn)證。各監(jiān)測點(diǎn)位、斷面位置分布情況見圖2，相關(guān)參數(shù)率定結(jié)果見表1和表2。，水位驗(yàn)證結(jié)果如圖3所示?！癦”代表左岸，“Y”代表右岸，1#和2#監(jiān)測斷面位于鯉魚洲左右兩汊。

圖2 航道主要工程段及監(jiān)測點(diǎn)位、斷面位置分布圖Fig.2 Main sections of the channel and monitoring points, section location distribution

測次測點(diǎn)距沙溪口電站距離(km)絕對(duì)誤差(m)測次測點(diǎn)距沙溪口電站距離(km)絕對(duì)誤差(m)Z1065021Y1055004Z2135024Y2135003Z3217014Y3275013Z4280016Z5362002Z6466001Z7762009Z81010013Z91353025

表2 各斷面流量、流速參數(shù)率定結(jié)果Tab.2 Parameter calibration results of cross-section flow, and flow rate (%)

根據(jù)率定得到的閩江航道糙率系數(shù)為0.025～0.031；風(fēng)拖曳系數(shù)為0.001～0.001 5，由率定結(jié)果可以看出，二維模型計(jì)算結(jié)果的水位絕對(duì)誤差最大為0.25m，流量相對(duì)誤差最大為13.19%，流速相對(duì)誤差最大為4.76%，而1#和2#監(jiān)測斷面的分流比實(shí)測為1.1∶1，模擬結(jié)果為1.4∶1，誤差基本滿足要求。

圖3 監(jiān)測點(diǎn)位水位驗(yàn)證結(jié)果Fig.3 Water level verification results of monitoring points

而通過對(duì)左右兩岸監(jiān)測點(diǎn)位水位的驗(yàn)證，計(jì)算水位值與實(shí)測值吻合較好，誤差基本滿足要求。根據(jù)以上率定驗(yàn)證結(jié)論可以表明，水動(dòng)力模塊參數(shù)設(shè)置合理，模型穩(wěn)定性好，能夠模擬整治工程段航道的水流特性。

3 溢油事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

3.1 風(fēng)險(xiǎn)因子識(shí)別

類比其它河道航段治理工程，底泥疏浚、清理石渣實(shí)施過程中，水上運(yùn)輸船只和施工船只較多，可能導(dǎo)致局部河段事故風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生概率上升，而本工程運(yùn)輸物品中無有毒、有害物質(zhì)，也無可燃、易燃物質(zhì)，事故風(fēng)險(xiǎn)主要來源為突發(fā)性事故溢油引起的水質(zhì)污染。因此，本工程風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)為船用燃料油。

3.2 源強(qiáng)及溢油地點(diǎn)確定

根據(jù)航道等級(jí)及施工船型調(diào)查可知，目前船舶等級(jí)為500t級(jí)以下甲板駁船，通過油艙容積及油料密度可計(jì)算得到500t船舶的最大單艙載量約為30t。假定貨運(yùn)船舶與進(jìn)出航道線的施工船舶發(fā)生碰撞等風(fēng)險(xiǎn)事故，單艙載量全部泄漏，源強(qiáng)取值為30t/次。

施工期應(yīng)主要考慮距離敏感區(qū)、工程區(qū)較近，且水文情勢(shì)復(fù)雜等易于發(fā)生溢油的地方，該航段有新建村取水口和雙塔鐵路附近取水口兩處水源地取水口敏感區(qū)域，結(jié)合整治工程和通航情況，共選取3處溢油點(diǎn)，溢油點(diǎn)1#位于鯉魚洲沙溪口壩下工程段附近，溢油點(diǎn)2#位于水南大橋附近疏浚、炸礁區(qū)，溢油點(diǎn)3#位于雙塔鐵路大橋附近疏浚、炸礁區(qū)，具體位置詳見圖2。

3.3 溢油模塊建立

結(jié)合工程實(shí)際情況，本文溢油模擬選擇燃料油為代表物質(zhì)，預(yù)測以靜止點(diǎn)源的形式持續(xù)釋放10min進(jìn)行計(jì)算。從偏安全角度考慮，本工程計(jì)算采用沙溪口90%保證率最枯月平均下泄流量代表本河段流量。選取靜風(fēng)狀態(tài)、常風(fēng)向(西風(fēng))1.3m/s和強(qiáng)風(fēng)向(不利風(fēng)向)5m/s時(shí)的溢油事故模擬對(duì)取水口造成的影響，風(fēng)速取值考慮本區(qū)域南平測站多年統(tǒng)計(jì)資料。各種設(shè)計(jì)方案見表3。

表3 溢油設(shè)計(jì)方案Tab.3 Oil spill design

3.4 溢油計(jì)算結(jié)果及分析

施工期各溢油點(diǎn)在設(shè)計(jì)方案下泄漏后，追蹤72h內(nèi)各時(shí)刻(以h為單位)油粒子到達(dá)的最遠(yuǎn)點(diǎn)，相應(yīng)的油膜累積影響水面面積及油膜漂移最遠(yuǎn)距離，見表4。表5給出了各方案溢油對(duì)取水口敏感目標(biāo)的影響過程和結(jié)果，同時(shí)繪制了各方案不同時(shí)刻溢油運(yùn)行軌跡圖，見圖4。

表4 各溢油點(diǎn)泄漏后72小時(shí)內(nèi)油膜累積影響水面面積統(tǒng)計(jì)表Tab.4 The accumulation influence of oil film on the surface area within 72 hours after the spill point leaks

表5 各溢油點(diǎn)泄漏后對(duì)取水口敏感區(qū)的影響結(jié)果表Tab.5 The impact of spill point on the sensitive area of the water intake

圖4 同一溢油方案不同時(shí)刻油膜軌跡圖Fig.4 Oil film trajectory at different time of the same oil spill schedule

通過以上結(jié)果可以看出：

(1)靜風(fēng)狀態(tài)下(方案1、4、7)的溢油風(fēng)險(xiǎn)模擬，油粒子皆是沿水流方向進(jìn)行漂移過程，流場條件作為內(nèi)河江面溢油的主要影響因素；

(2)有風(fēng)場條件加入(例：方案1與方案2、3對(duì)比)下的溢油風(fēng)險(xiǎn)模擬，風(fēng)場作用會(huì)加速油粒子的運(yùn)動(dòng)，有助于擴(kuò)大漂移距離，但從實(shí)際角度考慮，狹長彎曲的河道走向、凹凸不平的河流岸灘以及復(fù)雜交錯(cuò)的河道水系等江河溢油的特點(diǎn)，油粒子漂移到一定距離會(huì)在流場和風(fēng)場的綜合作用下易緊貼岸邊運(yùn)動(dòng)并最終被河岸吸附；

(3)溢油發(fā)生位置(例：方案2、方案5、方案8對(duì)比)以及風(fēng)況條件(例：方案1、方案2、方案3對(duì)比)的不同對(duì)下游取水口的風(fēng)險(xiǎn)影響結(jié)果也不同，由此，水源地采取應(yīng)急處理措施的準(zhǔn)備時(shí)間及影響取水的時(shí)間也會(huì)有所不同；

(4)當(dāng)1#溢油點(diǎn)發(fā)生事故時(shí)，新建村取水口、取水口(雙塔鐵路附近)等兩個(gè)取水口敏感區(qū)域可供準(zhǔn)備應(yīng)急措施的最短時(shí)間分別為6.7h、7.8h，水源地影響供水的最長時(shí)間分別為15.5h、7.4h；當(dāng)2#溢油點(diǎn)發(fā)生事故時(shí)，取水口(雙塔鐵路附近)敏感區(qū)域可供準(zhǔn)備應(yīng)急措施的最短時(shí)間為1.2h，水源地影響供水的最長時(shí)間為2.4h；當(dāng)3#溢油點(diǎn)發(fā)生事故時(shí)，取水口(雙塔鐵路附近)敏感區(qū)域可供準(zhǔn)備應(yīng)急措施的最短時(shí)間為0.2h，水源地影響供水的最長時(shí)間為2.3h。

4 結(jié) 論

在一定區(qū)域發(fā)生相關(guān)溢油事故時(shí)，可能會(huì)對(duì)航段內(nèi)下游取水口水質(zhì)造成污染，通過二維非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)取水口的溢油風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測，可統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)油膜累積污染水面面積以及油膜漂移的最遠(yuǎn)距離，同時(shí)計(jì)算得出最快到達(dá)取水口的時(shí)間、污染油膜厚度以及持續(xù)污染的時(shí)間。

為了確保取水安全，各有關(guān)部門應(yīng)協(xié)同建立防污應(yīng)急聯(lián)動(dòng)機(jī)制，制定切實(shí)可行的溢油風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急計(jì)劃，一旦污染事故發(fā)生，應(yīng)當(dāng)立即啟動(dòng)相關(guān)應(yīng)急預(yù)案停止取水，充分利用應(yīng)急設(shè)施等控制、消除溢油對(duì)環(huán)境的影響程度，同時(shí)加強(qiáng)水口的水質(zhì)監(jiān)測，待水質(zhì)監(jiān)測穩(wěn)定達(dá)標(biāo)后，即可恢復(fù)取水，最大限度地減少施工事故污染對(duì)水域水源地的災(zāi)害性損失。

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