葉秋霞,殷承啟,姜文婷,閆振華

（1中設(shè)設(shè)計集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210014；2河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098）

長江流域是我國最發(fā)達(dá)的區(qū)域之一,擔(dān)負(fù)著行洪、供水、航運、漁業(yè)、生態(tài)、景觀等眾多功能。隨著社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和兩岸人類活動日益頻繁,長江開發(fā)帶來的生態(tài)環(huán)境問題也日益嚴(yán)重,“長江大保護(hù)”成為當(dāng)前和今后相當(dāng)長一個時期內(nèi)急需完成的一項嚴(yán)峻任務(wù)[1-2]。2016年3月,中共中央政治局通過的 《長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展規(guī)劃綱要》也明確提出在加快構(gòu)建長江綜合立體交通走廊的同時,大力保護(hù)長江生態(tài)環(huán)境。

過江通道的建設(shè)和運營對連通長江兩岸交通、構(gòu)建綜合立體交通走廊具有舉足輕重的作用,但在其建設(shè)階段的船舶溢油泄漏以及運營階段的危化品運輸事故泄漏對長江生態(tài)環(huán)境具有重大威脅[3]。這些突發(fā)性事故往往會對長江生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞,威脅生態(tài)安全和人類健康,急需提前預(yù)測并做出相應(yīng)的防護(hù)措施。已有研究多關(guān)注過長江航道的船舶溢油風(fēng)險[4-5],但極少關(guān)注過江通道建設(shè)和運營對長江的影響,尤其是在水情復(fù)雜的潮汐江段。

本研究以長江下游的常泰過江通道為研究對象,采用水質(zhì)模型和平面二維溢油模型,預(yù)測過江通道運營期危化品運輸泄露對沿江飲用水源地取水口的風(fēng)險,并提出相應(yīng)的防護(hù)措施,對確保長江下游供水安全具有重要的指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)域

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Study areas

常泰過江通道位于江蘇省常州市和泰州市之間,總長度5.299 km,是 《長江經(jīng)濟(jì)帶綜合立體交通走廊規(guī)劃(2014-2020年）》規(guī)劃的公鐵共用通道。本研究擬以該通道上游的長江丹陽黃港(江心洲）水源地為起點,以下游的長江太倉瀏河水源地為終點,基于數(shù)學(xué)模型分析該通道運營期?；愤\輸泄露對該江段內(nèi)19個飲用水水源地取水口的風(fēng)險。研究區(qū)域位置見圖1。

2 預(yù)測方案

根據(jù)工程沿線企業(yè)和化工園區(qū)?；愤\輸?shù)恼{(diào)查結(jié)果,綜合考慮危化品的水溶性和運輸量,選擇以苯和汽油為典型的可溶性?；泛筒豢扇芪；反?假設(shè)在過江通道錄安洲右汊附近有裝載?；返倪\輸車輛發(fā)生突發(fā)傾倒泄露事故,而后進(jìn)入長江水體,造成水體污染。考慮目前?；凡酃捃嚨淖畲笕莘e為40 m3,本次預(yù)測按50%化學(xué)品泄漏入水計,泄漏時間為20 min。苯的飲用水源地的標(biāo)準(zhǔn)限值為0.01 mg/L；汽油分子則沒有特定限值,以其油膜厚度為預(yù)測目標(biāo)。

結(jié)合現(xiàn)有長江口潮汐特征,取不利漲潮及落潮期作為水文設(shè)計條件；考慮最不利風(fēng)向為東南風(fēng),風(fēng)速為5 m/s；污染物短時間降解能力假設(shè)為零,而后分別計算潮汐漲急和落急兩種方案。

3 預(yù)測模型

3.1 可溶性?；沸孤讹L(fēng)險預(yù)測

該泄露風(fēng)險預(yù)測僅考慮污染物苯的輸移擴(kuò)散,采用垂向平均的二維水質(zhì)模型[6]。

二維水質(zhì)輸移方程為:

式中:Ci為污染物的濃度；u、v、Ex、Ey分別為x、y方向上的流速分量和擴(kuò)散系數(shù)；Ki為降解系數(shù),取零；Si為污染物底泥再釋放。

3.2 不可溶物?；沸孤讹L(fēng)險預(yù)測

不可溶物危化品的泄露風(fēng)險預(yù)測采用 “油粒子”模型,該模型是將逸散的汽油假設(shè)離散為大量的油粒子,每個油粒子代表一定的油量,而油膜則是這些油粒子所組成的 “云團(tuán)”。油膜在水體中的環(huán)境過程包括擴(kuò)展、傳輸、擴(kuò)散等輸移過程和分散、蒸發(fā)、乳化、溶解等風(fēng)化過程, “油粒子”模型針對油膜的水體運動特征和過程,結(jié)合多重因素的交互作用,預(yù)測汽油在水體中的遷移過程。該模型已在長江流域得到實際應(yīng)用,具有較高的可信度[4-5]。

3.2.1 輸移過程模擬

油粒子的輸移包括了擴(kuò)展、漂移、擴(kuò)散等過程,這些過程主導(dǎo)油粒子的位置發(fā)生變化,且這些過程中油粒子的組分不發(fā)生變化。

(1）擴(kuò)展運動

式中:Aoil為油膜面積且等于l,Roil為油膜直徑；Ka為系數(shù)；t為時間；Voil為油膜體積。

(2）漂移運動

油粒子在水流和風(fēng)的作用下進(jìn)行漂移,其總漂移速度為:

式中:Uw為水面以上10 m處的風(fēng)速；Us為表面流速；Cw為風(fēng)漂移系數(shù)。

(3）擴(kuò)散運動

假定油粒子在水平上的擴(kuò)散各向同性,一個時間步長內(nèi)α方向上的擴(kuò)散距離Sa為:

3.2.2 風(fēng)化過程模擬

油粒子的風(fēng)化包括蒸發(fā)、溶解和形成乳化物等過程,這一過程油粒子的水平位置沒有變化,但組成發(fā)生改變。

(1）蒸發(fā)過程

油粒子的蒸發(fā)過程和溫度、面積、風(fēng)速、油膜厚度等多因素有關(guān)。在假設(shè)油膜完全混合,油膜內(nèi)部擴(kuò)散不受限制等條件下,其蒸發(fā)率為:

式中:Ke為輸移系數(shù)；PSAT為蒸汽壓；Kei為蒸發(fā)系數(shù)。

(2）乳化過程

油粒子的乳化過程包括水包油乳化物和油包水乳化物兩個形成過程,其中油從油膜擴(kuò)散到水體中的損失量和油中含水率變化分別為:

式中:Da是進(jìn)到水體的分量；Db是進(jìn)到水體后沒有返回的分量；R1和R2為水的吸收速率和釋出速率。

(3）溶解過程

油粒子的溶解率為:

3.2.3 油粒子模型參數(shù)率定

該模型參數(shù)率定采用2009年11月26日在泰州海事處長江執(zhí)法基地東側(cè)發(fā)生油船泄露事故后下游的同步觀測數(shù)據(jù)。上邊界為水文年鑒中2009年11月大通逐日平均流量,水文年鑒中2009年11月江陰站水位資料作為下邊界,風(fēng)場條件為西風(fēng)2.92 m/s。

根據(jù)率定得到的長江油粒子模型水平擴(kuò)散系數(shù)的取值范圍為0.15～0.2 m2/s,各監(jiān)測點計算結(jié)果與實測值的平均相對誤差為15.93%。因此,建立的長江油粒子模型可用于此次溢油事故風(fēng)險事故預(yù)測。

4 計算結(jié)果與討論

4.1 可溶性?；罚ū剑┬孤┯嬎憬Y(jié)果

4.1.1 方案一:漲急條件

入江地點為錄安洲右汊靠近岸邊魏村水源地二級保護(hù)區(qū)內(nèi),泄漏事故發(fā)生時,苯分子污染團(tuán)沿河道向上游方向漂移,0.17 h后分子到達(dá)魏村水源地一級保護(hù)區(qū)水域,0.67 h后分子到達(dá)魏村水源地取水口,對魏村水源保護(hù)區(qū)水域持續(xù)污染時間為11.17 h,最大污染濃度為6.27 mg/L(圖2）。

4.1.2 方案二:落急條件

入江地點為錄安洲右汊靠近岸邊魏村水源地二級保護(hù)區(qū)內(nèi),泄漏事故發(fā)生時,苯分子沿河道向下游方向漂移,結(jié)果見圖2。其中,3.08 h后苯離開魏村水源地保護(hù)區(qū)水域,對魏村水源保護(hù)區(qū)水域持續(xù)污染時間為3.08 h,最大污染濃度為5.96 mg/L。

圖2 漲急和落急條件下苯泄漏1、5、24 h預(yù)測結(jié)果Fig.2 Concentrations of benzene under rising and falling conditions after leakage for 1,5 and 24 h

在漲急條件下發(fā)生苯泄漏的遷移過程,對上游保護(hù)目標(biāo)魏村水源保護(hù)區(qū)最不利,泄漏事故發(fā)生會較快到達(dá)保護(hù)目標(biāo)。各方案條件下苯泄漏上游除長江魏村水源地受到影響外,均不會對上游其他保護(hù)目標(biāo)產(chǎn)生影響；苯泄漏各方案均會對下游保護(hù)目標(biāo)產(chǎn)生一定的影響,在落急條件下,下游最遠(yuǎn)可影響至長江張家港三水廠水源保護(hù)區(qū)水域(見表1）。

表1 各方案苯泄漏對長江上下游水源地影響預(yù)測結(jié)果Table 1 Impacts of benzene leakage to different water source under rising and falling conditions

4.2 不溶性?；罚ㄆ停┬孤┯嬎憬Y(jié)果

4.2.1 方案一:漲急條件

漲急條件下,油膜在1.0 h后到達(dá)魏村水源地一級保護(hù)區(qū),厚度為0.10 mm,1.67 h后油粒子到達(dá)魏村水源地取水口,油膜厚度為0.05 mm(圖3）。由于油膜的擴(kuò)散、不利風(fēng)向和漲落潮的影響,持續(xù)污染影響6.83 h后,油膜才最終離開上游魏村水源地,不會對上游其他保護(hù)目標(biāo)造成影響。泄漏事故發(fā)生8.83 h后,到達(dá)窯港口水源地保護(hù)區(qū),油膜厚度0.08 mm,持續(xù)污染時間為12.17 h；9.08 h后到達(dá)西石橋水源地保護(hù)區(qū)水域,油膜厚度為0.08 mm,持續(xù)污染時間為12.42 h(表2）。

4.2.2 方案二:落急條件

落急條件下,油膜不會上溯至上游魏村水源地一級保護(hù)區(qū)以及取水口范圍內(nèi),也不會對上游其他保護(hù)目標(biāo)造成影響。對魏村水源地二級保護(hù)區(qū)持續(xù)污染影響1.67 h后,油膜才最終離開魏村水源地(圖3）。泄漏事故發(fā)生4.5 h后到達(dá)窯港口水源地保護(hù)區(qū)水域,油膜厚度為0.10 mm,持續(xù)污染時間為11.83 h；在4.67 h后到達(dá)下游西石橋水源地保護(hù)區(qū)水域,油膜厚度為0.10 mm,持續(xù)污染時間為12 h(表2）。

圖3 漲急和落急條件下汽油泄漏1、5、12、24 h預(yù)測結(jié)果Fig.3 Thickness of gasoline under rising and falling conditions after leakage for 1,5,12 and 24 h

表2 各方案條件下汽油泄漏事故發(fā)生對敏感目標(biāo)影響計算結(jié)果表Table 2 Impacts of gasoline leakage to different water source under rising and falling conditions

各方案危化品泄漏上游除長江魏村水源地受到影響外,均不會對上游其他保護(hù)目標(biāo)造成影響；漲急條件下,?；沸孤秾ι嫌挝捍逅吹厝∷|(zhì)產(chǎn)生影響,落急條件下,危化品分子沿河道向下游運動,雖受到漲潮影響,但不會移動上游至魏村水源地一級保護(hù)區(qū)以及取水口。

5 保護(hù)措施

(1）跨江大橋護(hù)欄防撞等級設(shè)置為SS級以上,避免事故車輛沖入江中。

(2）在跨江大橋設(shè)置橋面徑流收集系統(tǒng),并在橋下設(shè)置事故池,確保事故廢水不排入長江。

(3）在橋梁兩端設(shè)置禁止超車和警示標(biāo)志,防止交通事故的發(fā)生。

(4）公路運營單位制定專項環(huán)境風(fēng)險事故應(yīng)急預(yù)案,配備應(yīng)急救援人員和必要的應(yīng)急救援器材、設(shè)備,并定期組織演練。

6 結(jié) 論

長江江蘇段環(huán)境復(fù)雜多變,對于溢油事故模擬,需要考慮的因素較多,本次研究根據(jù)實測地形資料,采用數(shù)學(xué)模型對過江通道運營期?；沸孤妒鹿蔬M(jìn)行水環(huán)境影響模擬預(yù)測?？紤]了不同水文條件,不同類型危化品的情形。預(yù)測結(jié)果表明,漲落潮以及?；返幕瘜W(xué)性質(zhì)對?；返臐舛取U(kuò)散范圍以及持續(xù)時間等有較為顯著的影響,研究結(jié)果對?；沸孤兜娘L(fēng)險應(yīng)急對策制定具有重要的指導(dǎo)意義。