詹水芬，王明超 ，陳學(xué)民 ，蔣文新

（1. 蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2. 交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院，天津 300456；3. 天津東方泰瑞科技有限公司，天津 300192）

非溶解性危險(xiǎn)化學(xué)品（危化品）一旦在內(nèi)河中泄漏將形成?；沸孤﹫F(tuán)，造成水體以及沿岸環(huán)境的污染［1］。開展內(nèi)河船運(yùn)危化品泄漏擴(kuò)散規(guī)律研究，預(yù)測(cè)?；沸孤﹨^(qū)域變化范圍，對(duì)于事故應(yīng)急處置及?；坊厥盏染哂兄匾囊饬x。KACHIASIVILI等［2-3］利用擴(kuò)散模型對(duì)危化品在水體中的擴(kuò)散情況進(jìn)行了研究。DUAN等［4］設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)M了?；吩趶澢壑械牧鲃?dòng)和擴(kuò)散過程。部分學(xué)者對(duì)內(nèi)河溢油的特殊情況建立了擴(kuò)散模型，采用不同方式對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行求解［5-7］。SONG等［8］探討了柴油泄漏事故對(duì)河水及周圍環(huán)境的污染情況。有學(xué)者探討了感潮河網(wǎng)和河口溢油事故的擴(kuò)散運(yùn)輸過程［9-10］，但研究成果主要針對(duì)海上溢油事故［11-15］。屈長(zhǎng)龍等［16-17］對(duì)甲醇泄漏進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。王冰等［18-19］利用IWIND-LR模型對(duì)油品在內(nèi)河中的遷移過程進(jìn)行了快速模擬。閆潔潔等［20］使用ALOHA軟件對(duì)泄漏的液氯進(jìn)行量化模擬，可準(zhǔn)確快捷地評(píng)估液氯泄漏對(duì)周邊環(huán)境的影響。但內(nèi)河?；沸孤U(kuò)散的研究仍存在不足：1）內(nèi)河水面危化品的泄漏擴(kuò)散研究較少；2）危化品泄漏團(tuán)的尺寸、個(gè)數(shù)以及影響范圍等未做深入研究。

本工作對(duì)非溶解性?；吩趦?nèi)河中泄漏擴(kuò)散過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，對(duì)?；返男孤⑵坪蛿U(kuò)散過程進(jìn)行研究，分析危化品泄漏擴(kuò)散范圍隨時(shí)間的變化規(guī)律。

1 危化品泄漏擴(kuò)散模型

1.1 泄漏區(qū)域

內(nèi)河中?；愤\(yùn)輸船舶與其他物體（船舶、橋墩等）發(fā)生剮蹭/撞擊后，可能會(huì)將船舶撕開一個(gè)泄漏口。此時(shí)，船舶內(nèi)儲(chǔ)存的?；穼男孤┛诹鞒觯M(jìn)入內(nèi)河水體。當(dāng)?；访芏刃∮谒拿芏惹也蝗苡谒畷r(shí)，泄漏的?；穼⑵≡谒妫纬晌；返男孤﹫F(tuán)，并隨河水向下游流動(dòng)。針對(duì)內(nèi)河船舶危化品泄漏擴(kuò)散問題，同時(shí)考慮到河道邊界的不規(guī)則性，本研究利用地圖軟件獲取河道區(qū)域的衛(wèi)星地圖，采用繪圖軟件對(duì)河道、船舶以及建構(gòu)筑物等進(jìn)行準(zhǔn)確刻畫，獲得了完整的二維內(nèi)河?；愤\(yùn)輸船舶泄漏擴(kuò)散區(qū)域。?；穬?nèi)河運(yùn)輸泄漏擴(kuò)散區(qū)域見圖1。由圖1可見：黃色實(shí)線圍成的區(qū)域?yàn)槲；沸孤U(kuò)散區(qū)域，長(zhǎng)度約4.0 km，河面寬度約1.0 km；河道中有一艘3 000 t的?；愤\(yùn)輸船舶，位于區(qū)域上游，船舶長(zhǎng)寬分別為81.0 m和13.6 m；由于船舶碰撞剮蹭等原因，船尾部出現(xiàn)了1.0 m的泄漏口。

圖1 ?；穬?nèi)河運(yùn)輸泄漏擴(kuò)散區(qū)域

1.2 數(shù)學(xué)模型

內(nèi)河非溶解性?；沸孤┖髮⑵≡诤用嫔?，形成?；沸孤﹫F(tuán)的泄漏帶。采用流體體積（VOF）方法捕捉危化品泄漏團(tuán)的泄漏、漂移和擴(kuò)散過程。內(nèi)河?；愤\(yùn)輸船舶的實(shí)際尺寸較大，危化品泄漏過程中雷諾數(shù)Re較高，流動(dòng)過程屬于湍流。例如，對(duì)于3 000 t級(jí)的柴油船舶，當(dāng)泄漏口尺寸為1 m、泄漏流速為1.5 m/s時(shí)，?；沸孤┻^程Re約為4.0×105，流動(dòng)屬于湍流。基于此，本研究采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型模擬其湍流過程。內(nèi)河危化品泄漏擴(kuò)散控制方程見式（1）～（3）［21］。

式中：ρ為危化品密度，kg/m3；t為泄漏時(shí)間，min；u為?；沸孤U(kuò)散速度，m/s；Q為?；沸孤┝髁?，kg/s；ρw為水的密度，kg/m3；p為水的壓力，Pa；ρhc為?；访芏?，kg/m3；μeff為有效黏度，Pa·s，由μeff=μ+μtur計(jì)算，其中，μ為流體動(dòng)力黏度，μtur為湍流黏度；σ為?；繁砻鎻埩Γ琋/m；κ為界面曲率，1/m，κ= Δ·n，n為界面法向量，由計(jì)算［19］；α為控制容積中水相的體積分?jǐn)?shù)，%。

內(nèi)河危化品泄漏過程中，計(jì)算區(qū)域的?；敷w積分?jǐn)?shù)將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致區(qū)域流體物性密度、黏度發(fā)生變化，本研究中將采用式（4）和式（5）來計(jì)算。

式中，μw和μhc分別為水和?；返酿ざ?。

計(jì)算區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)屬于湍流，可采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程分別計(jì)算湍動(dòng)能k、湍動(dòng)能耗散率ε和湍流黏度μtur，見式（6）～（8）。

式中：c1，c2，cμ，σk，σε均為常數(shù)，其取值分別為1.44，1.92，0.09，1.0，1.3；Gk為湍動(dòng)能生成項(xiàng)，其計(jì)算式為Gk=μturS2，其中，S為平均形變速率張量的模，Sij為形變速率張量，s-1。

1.3 邊界條件和初始條件

1.3.1 邊界條件

邊界條件包括河流邊界條件和船舶邊界條件。對(duì)于河流邊界條件，計(jì)算區(qū)域左邊界為速度入口邊界且入口流速恒定，河流沿岸為無滑移邊界，計(jì)算區(qū)域右邊界為速度出口邊界。對(duì)于船舶邊界條件，船尾部?；沸孤┛跒樗俣热肟谶吔?，船體其余部分為無滑移邊界。

1.3.2 初始條件

初始時(shí)刻，危化品還未泄漏，計(jì)算區(qū)域內(nèi)只有河水流動(dòng)，且流動(dòng)過程達(dá)到穩(wěn)定。在某個(gè)時(shí)刻，船尾部泄漏口處開始有?；妨鞒?，計(jì)時(shí)從此開始。

2 數(shù)值計(jì)算方法和算例設(shè)置

2.1 數(shù)值計(jì)算方法

在本文計(jì)算中，壓力和速度采用SIMPLE算法耦合，對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)分別采用二階迎風(fēng)格式和中心差分格式離散，非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)采用全隱格式離散，收斂標(biāo)準(zhǔn)為連續(xù)性方程余量和動(dòng)量方程余量同時(shí)小于1.0×10-5。

2.2 算例設(shè)置

在算例設(shè)置之前，首先要選取計(jì)算區(qū)域。本研究中選擇長(zhǎng)江主干線南京段八卦洲北汊河段為計(jì)算區(qū)域，如圖1所示。其中，河流上游為散貨碼頭，河流下游為中國(guó)石化揚(yáng)子石化公司?；愤\(yùn)輸碼頭，主要開展石油類危化品儲(chǔ)存、運(yùn)輸以及裝卸等作業(yè)。以長(zhǎng)江水上事故救援機(jī)制和能力作為參考，本研究中設(shè)置?；沸孤r(shí)間為30.0 min。

采用三角形網(wǎng)格離散整個(gè)計(jì)算區(qū)域，計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格分布見圖2。如圖2所示，在船舶附近尤其是船尾泄漏口處網(wǎng)格加密，泄漏口處網(wǎng)格尺寸取0.05 m。通過對(duì)多套網(wǎng)格和多組時(shí)間步長(zhǎng)試算結(jié)果的比較，選取總網(wǎng)格數(shù)為199 615，時(shí)間步長(zhǎng)為0.1 s。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 模型驗(yàn)證

液態(tài)非溶解性?；吩谒w中泄漏、擴(kuò)散數(shù)值模擬的關(guān)鍵是兩種非互溶液體物質(zhì)的相互作用。本研究采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型描述這一泄漏、擴(kuò)散過程，并采用經(jīng)典的方腔內(nèi)液柱倒塌算例來驗(yàn)證模型的正確性。本文計(jì)算的液柱底部水平方向長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化曲線見圖3。由圖3可見，本文計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果［22-23］吻合良好。

3.2 ?；沸孤U(kuò)散規(guī)律研究

?；沸孤U(kuò)散范圍的準(zhǔn)確確定對(duì)于泄漏?；返膰?、事故應(yīng)急處置以及后續(xù)連鎖事故的預(yù)防具有重要的意義。對(duì)?；沸孤U(kuò)散過程進(jìn)行計(jì)算的模擬結(jié)果見圖4。由圖4可見，在泄漏初期，最大泄漏團(tuán)面積隨泄漏時(shí)間的延長(zhǎng)近似均勻增大，增長(zhǎng)率約為34.42 m2/min，到泄漏25.0 min時(shí)，最大泄漏團(tuán)面積已經(jīng)超過900 m2。由圖4a可見，?；窂男孤┛诹鞒龊螅诤铀疀_擊作用下在船尾部堆積、拉伸，最終形成橢圓形的?；沸孤﹫F(tuán)。此時(shí)?；沸孤﹫F(tuán)尚未脫離泄漏口，如圖4b所示。隨著泄漏過程的繼續(xù)進(jìn)行，泄漏出來的?；吩谛孤┧俣群退魉俣鹊墓餐饔孟麻_始順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，并向河流下游漂移，如圖4c和圖4d所示。在這一階段，橢圓形的?；沸孤﹫F(tuán)繼續(xù)快速旋轉(zhuǎn)，逐漸恢復(fù)成圓形，直徑達(dá)到20 m，直至完全脫離泄漏口。從泄漏口釋放的?；沸孤﹫F(tuán)為主泄漏團(tuán)。當(dāng)主泄漏團(tuán)脫離泄漏口后，位于邊緣處的部分?；穼⒈凰Τ觯谛孤﹫F(tuán)周圍形成一圈規(guī)則的?；芬旱挝槽E，如圖4e所示。隨著泄漏過程的進(jìn)行，河水也會(huì)被卷入危化品主泄漏團(tuán)中，形成危化品與河水的混合物。隨著泄漏團(tuán)的旋轉(zhuǎn)，泄漏團(tuán)被撕裂，河水又被釋放，不規(guī)則的?；沸孤﹫F(tuán)逐漸形成，見圖4f～圖4h。此時(shí)，主泄漏團(tuán)及其周圍的?；芬旱纬霈F(xiàn)了分裂和融合，?；放c河水的流動(dòng)過程趨于復(fù)雜?？傮w來看，?；烦掷m(xù)不斷地從泄漏口流出，在下游河道中形成了一系列近似規(guī)則的?；沸孤﹫F(tuán)分布，如圖4e～圖4h，直至船舶內(nèi)?；吠耆孤?/p>

圖2 計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格分布

?；沸孤﹨^(qū)域長(zhǎng)度和寬度隨泄漏時(shí)間的變化見圖5。由圖5可見，隨著泄漏時(shí)間的延長(zhǎng)，?；沸孤﹫F(tuán)泄漏區(qū)域的長(zhǎng)度和寬度均逐漸增大，平均增長(zhǎng)速率約為0.65 m/s和0.10 m/s。分析其原因可知，泄漏團(tuán)釋放后漂浮在水面，且以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的方式隨水流向河流下游流動(dòng)，因此，泄漏區(qū)域長(zhǎng)度平均增長(zhǎng)速率與水流速率（0.5 m/s）存在一定的差異。而且，當(dāng)泄漏團(tuán)到達(dá)河道轉(zhuǎn)彎處時(shí)（距離泄漏口約900 m），在離心力、泄漏團(tuán)內(nèi)聚力以及泄漏團(tuán)之間的黏滯力的共同作用下，泄漏區(qū)域長(zhǎng)度增長(zhǎng)過程明顯變慢。在泄漏區(qū)域?qū)挾茸兓矫?，由于危化品泄漏團(tuán)在向內(nèi)河下游漂移時(shí)會(huì)發(fā)生順時(shí)針的旋轉(zhuǎn)并甩出?；芬旱?，同時(shí)因受到河水流動(dòng)的沖擊作用，主泄漏團(tuán)和危化品液滴的縱向擴(kuò)散過程受到抑制。此外，?；沸孤﹫F(tuán)在漂移時(shí)還會(huì)發(fā)生泄漏團(tuán)的融合。在這些因素的綜合作用下，泄漏區(qū)域?qū)挾缺憩F(xiàn)出波動(dòng)式增長(zhǎng)的特點(diǎn)。

圖3 液柱底部水平方向長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化曲線

圖4 ?；沸孤┖蛿U(kuò)散過程模擬結(jié)果

圖5 ?；沸孤﹨^(qū)域長(zhǎng)度和寬度隨泄漏時(shí)間的變化

危化品泄漏團(tuán)數(shù)量和最大泄漏團(tuán)面積能夠反映泄漏?；返奈ｋU(xiǎn)程度。?；沸孤﹫F(tuán)數(shù)量隨泄漏時(shí)間的變化見圖6。由圖6可見，泄漏危化品泄漏團(tuán)數(shù)量隨泄漏時(shí)間表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)。

圖6 ?；沸孤﹫F(tuán)數(shù)量隨泄漏時(shí)間的變化

危化品泄漏后泄漏團(tuán)數(shù)量和最大泄漏團(tuán)面積的變化見圖7。

圖7 危化品泄漏后泄漏團(tuán)數(shù)量和最大泄漏團(tuán)面積的變化

由圖7可見：在泄漏初期，泄漏團(tuán)面積較小，旋轉(zhuǎn)速率較大，泄漏團(tuán)融合僅發(fā)生在主泄漏團(tuán)和被甩出的?；芬旱沃g，泄漏團(tuán)面積變化不大；隨著泄漏時(shí)間的延長(zhǎng)，泄漏團(tuán)旋轉(zhuǎn)速率逐漸減小，泄漏團(tuán)面積逐漸增大，主泄漏團(tuán)之間的融合過程加速，導(dǎo)致泄漏團(tuán)數(shù)量增長(zhǎng)率逐漸減小，最大泄漏團(tuán)面積快速增大；到泄漏27.5 min時(shí)，泄漏團(tuán)數(shù)量超過40個(gè)，最大泄漏團(tuán)面積接近1 800 m2，事故風(fēng)險(xiǎn)增大。隨著泄漏時(shí)間延長(zhǎng)，泄漏團(tuán)在多個(gè)作用力下逐漸分解成多個(gè)小的泄漏團(tuán)，最大泄漏團(tuán)面積逐漸減小。

4 結(jié)論

a）針對(duì)內(nèi)河非溶解性危化品運(yùn)輸船舶泄漏后?；返男孤U(kuò)散規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)記錄結(jié)果吻合度高。將該法應(yīng)用到內(nèi)河化學(xué)品泄漏擴(kuò)散結(jié)果的預(yù)測(cè)和評(píng)估過程，有利于發(fā)生泄漏后應(yīng)急措施的盡早決策。

b）?；窂拇残孤┛诹鞒龊髮⑿纬梢幌盗写笮〔灰?、形狀各異的泄漏團(tuán)。泄漏團(tuán)釋放后，將以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的方式向河流下游漂移，并甩出大量?；芬旱?。隨泄漏時(shí)間的延長(zhǎng)，泄漏團(tuán)面積逐漸增大，到泄漏25.0 min時(shí)，未融合的最大泄漏團(tuán)面積超過900 m2。此外，當(dāng)泄漏團(tuán)靠近河道轉(zhuǎn)彎處時(shí)，泄漏團(tuán)將發(fā)生融合。泄漏后27.5 min時(shí)，泄漏團(tuán)數(shù)量超過40個(gè)，最大泄漏團(tuán)面積接近1 800 m2，次生事故風(fēng)險(xiǎn)顯著增加。

致謝 本研究得到中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（TKS190114）支持。