徐 倩，逄 勇,2，宋為威

（1.河海大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 淺水湖泊綜合治理與資源開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；3.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098）

0 引言

石油是世界用量最大的油品，隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，石油能源需求進(jìn)一步增加。水運(yùn)在石油物資運(yùn)輸中占據(jù)絕對(duì)比重，其中內(nèi)河航運(yùn)是石油運(yùn)輸中重要的運(yùn)輸方式[1]。近年來(lái)，我國(guó)大力整治河道，開(kāi)發(fā)內(nèi)河航運(yùn)，內(nèi)河水運(yùn)事業(yè)迅速發(fā)展，通航里程約11 萬(wàn)km[2-3]。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中，內(nèi)河溢油污染問(wèn)題也日益突顯。溢油事故一旦發(fā)生，便會(huì)對(duì)河道水環(huán)境造成嚴(yán)重污染，甚至危害水源地用水安全及人類(lèi)健康[4－5]。

一直以來(lái)溢油問(wèn)題的研究重點(diǎn)主要是海上溢油，針對(duì)內(nèi)河溢油問(wèn)題的研究相對(duì)較少[6]。例如，陳家興等[7]將水動(dòng)力模型RMA2 和GNOME 結(jié)合，并引入GIS，模擬研究了三峽庫(kù)區(qū)輕油泄漏后的漂移、擴(kuò)散過(guò)程；王琰等[8]考慮到蒸發(fā)、溶解、生物降解效應(yīng)，對(duì)現(xiàn)有油粒子模型進(jìn)行了修正；田威等[9]建立EFDC模型，結(jié)合拉格朗日質(zhì)點(diǎn)追蹤法，對(duì)長(zhǎng)江下游靖江感潮江段油膜漂移行為進(jìn)行了預(yù)測(cè)；蔣文燕[10]建立了三維河道溢油數(shù)學(xué)模型并給出了解析解；錢(qián)琴等[11]采用EFDC模型和GNOME模型對(duì)湄洲灣溢油漂移擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究?？梢?jiàn)以往河道溢油問(wèn)題研究對(duì)象主要是大江大河，針對(duì)復(fù)雜河網(wǎng)溢油問(wèn)題的研究相對(duì)少見(jiàn)。

本文以嘉興內(nèi)河港口建設(shè)為背景，通過(guò)建立河網(wǎng)水動(dòng)力、水質(zhì)數(shù)學(xué)模型及油粒子模型，引入石油垂直分布系數(shù)加以訂正，對(duì)嘉興內(nèi)河航道運(yùn)營(yíng)期最不利條件下的船舶碰撞溢油事故進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，為復(fù)雜河網(wǎng)條件下溢油突發(fā)事故防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

嘉興市位于浙江省東北部、長(zhǎng)江三角洲杭嘉湖平原腹地，北緯30°21′～31°2′、東經(jīng)120°18′～121°16′之間，屬于平原感潮河網(wǎng)區(qū)，塘浦河渠縱橫密布，受季風(fēng)和潮汐影響顯著，存在往復(fù)流現(xiàn)象。全市河道長(zhǎng)1.38 萬(wàn)km，河湖面積312 km2，平均河網(wǎng)率達(dá)到8.9%，是全國(guó)內(nèi)河航運(yùn)最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一[12－13]。嘉興河網(wǎng)區(qū)地理位置及規(guī)劃碼頭、敏感目標(biāo)（10 處取水口）分布示意見(jiàn)圖1。

圖1 嘉興河網(wǎng)區(qū)地理位置及規(guī)劃碼頭、敏感目標(biāo)分布示意

2 研究方法

嘉興河網(wǎng)區(qū)位于杭嘉湖平原，平原河網(wǎng)區(qū)水系復(fù)雜且相互聯(lián)通，本文選取杭嘉湖平原河網(wǎng)模型對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行模擬。按照船舶碰撞事故溢油考慮，預(yù)測(cè)因子為船舶燃料油（柴油），根據(jù)河網(wǎng)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型計(jì)算得出嘉興區(qū)域流場(chǎng)，采用油粒子漂移到達(dá)敏感目標(biāo)時(shí)間的計(jì)算模型得到溢油到達(dá)時(shí)間，并參考逄勇等[14]對(duì)太湖流域河網(wǎng)區(qū)石油類(lèi)的濃度預(yù)測(cè)，采用石油垂直分布系數(shù)訂正，預(yù)測(cè)得到下游斷面石油濃度。

2.1 河網(wǎng)模型水動(dòng)力方程

（1）水動(dòng)力模型基本方程

水動(dòng)力模型基本方程為描述河道水流運(yùn)動(dòng)的圣維南方程組：式中：B，Z，Q，A 分別為河寬、水位、河道斷面流量和過(guò)水面積；q為旁側(cè)入流流量；α為動(dòng)量校正系數(shù)；K為流量模數(shù)；Vx為旁側(cè)入流流速在水流方向上的分量，一般近似為0。

（2）水質(zhì)模型基本方程

模型采用一維河流水質(zhì)模型，該模型的基本方程為：

式中：C為模擬物質(zhì)的濃度；t為時(shí)間坐標(biāo)；u為河流平均流速；x為空間坐標(biāo)；Ex為對(duì)流擴(kuò)散系數(shù)；K為模擬物質(zhì)的一級(jí)衰減系數(shù)。石油類(lèi)降解系數(shù)取最不利值0 d－1。

對(duì)流擴(kuò)散系數(shù)采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算：

式中：a 和b是設(shè)定的參數(shù)；V為水動(dòng)力計(jì)算得到的流速。

2.2 河網(wǎng)模型建立及率定驗(yàn)證

根據(jù)杭嘉湖平原河網(wǎng)區(qū)地形地貌水系資料，對(duì)河網(wǎng)區(qū)進(jìn)行概化，模型共概化392條河道，47 個(gè)邊界，總長(zhǎng)約2 568 km，河道斷面間距（計(jì)算水位點(diǎn)）為2 200～10 000 m，模型計(jì)算節(jié)點(diǎn)總數(shù)約1 489 個(gè)。杭嘉湖平原河網(wǎng)模型概化示意見(jiàn)圖2。

圖2 杭嘉湖平原河網(wǎng)模型概化示意

2.2.1 水動(dòng)力模型參數(shù)率定驗(yàn)證

根據(jù)杭嘉湖平原區(qū)各水位站2017年逐日水位數(shù)據(jù)，驗(yàn)證模型水動(dòng)力參數(shù)，得出河道糙率為0.027～0.032。根據(jù)模型驗(yàn)證計(jì)算得到的部分點(diǎn)位水位誤差分析結(jié)果可知：水位平均絕對(duì)誤差為8.7 cm，平均相對(duì)誤差為2.8%。計(jì)算值與實(shí)測(cè)值誤差較小，所建模型能夠較為準(zhǔn)確模擬杭嘉湖地區(qū)內(nèi)河水系水文變化過(guò)程。杭嘉湖平原河網(wǎng)區(qū)部分?jǐn)嗝嫠粚?shí)測(cè)值與模型參數(shù)驗(yàn)證過(guò)程計(jì)算值對(duì)比見(jiàn)圖3。

圖3 杭嘉湖平原河網(wǎng)區(qū)部分?jǐn)嗝嫠粚?shí)測(cè)值與模型參數(shù)驗(yàn)證過(guò)程計(jì)算值對(duì)比

2.2.2 水質(zhì)模型參數(shù)率定驗(yàn)證

利用浙江省地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站2017年杭嘉湖3 市水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算部分點(diǎn)位的COD，NH3－N，TP 計(jì)算值與實(shí)測(cè)值，結(jié)果見(jiàn)圖4～圖6。模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值誤差在20%以?xún)?nèi)，吻合結(jié)果較好。驗(yàn)證得到COD，NH3－N，TP 降解系數(shù)分別為0.09～0.13 d－1，0.04～0.07 d－1，0.045 d－1。

2.3 河網(wǎng)溢油計(jì)算方法

圖4 部分?jǐn)嗝鍯OD 實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

圖5 部分?jǐn)嗝鍺H3-N 實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

圖6 部分?jǐn)嗝鎀P 實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

2.3.1 油粒子漂移到達(dá)敏感目標(biāo)時(shí)間的計(jì)算方法

根據(jù)河網(wǎng)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型計(jì)算得出嘉興區(qū)域流場(chǎng)，在一維河網(wǎng)模型中加入油粒子模塊耦合，其原理公式如下：

利用粒子遷移擴(kuò)散距離公式（式4），同時(shí)考慮風(fēng)向、風(fēng)速影響對(duì)流速進(jìn)行訂正（式5）：

式中：L為油粒子遷移距離；Uτ為粒子遷移速度；t為油粒子擴(kuò)散時(shí)間；Uc為河流流速；UW為風(fēng)速；α為風(fēng)因子，一般取0.02～0.03。

設(shè)油膜上自ti時(shí)刻到ti+1= （ti+△t）時(shí)刻的位移可由積分拉格朗日速度求得：

設(shè)在△t 時(shí)段內(nèi)用歐拉漂移速度Uτ代替拉格朗日速度UL，用上式求出τi的近似值。考慮風(fēng)場(chǎng)和河流流場(chǎng)的連續(xù)變化，當(dāng)△t 夠小時(shí)，t(ti＜t ≤ti+1)時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)在x（t），y（t）處的拉格朗日速度可用ti時(shí)刻x（t），y（t）位置上的歐拉漂移速度的泰勒級(jí)數(shù)逼近，即：

若上式中△τ 取如下近似值：

2.3.2 油粒子漂移到達(dá)敏感目標(biāo)濃度的訂正方法

在一維非穩(wěn)態(tài)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，參考逄勇等[14]對(duì)太湖流域河網(wǎng)區(qū)石油類(lèi)的濃度預(yù)測(cè)，對(duì)溢油表層濃度采用石油垂直分布系數(shù)訂正，預(yù)測(cè)得到敏感目標(biāo)處石油平均濃度。式中：C為水體平均油濃度；Z0為水面處深度；C0為Z0處的濃度；Z1為斷面水深；α為水體垂直混合作用系數(shù)，內(nèi)河取2.4 m－1。如嘉興河網(wǎng)區(qū)平均水深取2.5 m，則C=0.14 C0，即石油垂直分布系數(shù)為0.14。

2.3.3 溢油點(diǎn)及溢油量確定

本文通過(guò)模擬最不利情況下，碼頭船舶碰撞導(dǎo)致的燃料油泄露事故，預(yù)測(cè)溢油對(duì)水源地取水口水質(zhì)的影響。溢油源強(qiáng)按單艙燃油100%泄露考慮。

根據(jù)港口規(guī)劃預(yù)測(cè)，碼頭最大船舶為1 000 噸級(jí)，總噸位為5 000 t，根據(jù)我國(guó)船舶噸位與燃油量關(guān)系，最大載油量為400 t，燃油實(shí)載率為10%～20%。船舶燃油艙按4 個(gè)計(jì)，船舶單艙載油量為10 t/次。

本次選取距離新塍塘水源地取水口較近的服務(wù)區(qū)；由于廣陳塘、太浦河水源地取水口附近沒(méi)有規(guī)劃碼頭，故不設(shè)置溢油點(diǎn)。本次共選取8 處溢油點(diǎn)，具體位置見(jiàn)圖7。

圖7 溢油點(diǎn)及敏感目標(biāo)位置分布示意

2.3.4 溢油風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)方案

從偏安全的角度，采用90%保證率下最枯月日均流量作為設(shè)計(jì)流量[15]。根據(jù)1954～2013年共60 a的年降水量資料進(jìn)行頻率分析，確定1971年的枯水月保證率為90%。根據(jù)嘉興內(nèi)河港各溢油點(diǎn)位置及事故溢油量，最不利風(fēng)向選取為與水流流速同方向，得出最不利條件下溢油事故計(jì)算方案，見(jiàn)表1。

表1 最不利水文條件下溢油事故計(jì)算方案

3 預(yù)測(cè)結(jié)果與討論

3.1 溢油預(yù)測(cè)結(jié)果

本次模擬主要預(yù)測(cè)航道運(yùn)營(yíng)期嘉興內(nèi)河船舶碰撞造成的溢油風(fēng)險(xiǎn)，旨在研究最不利情況下溢油事故發(fā)生后對(duì)平原河網(wǎng)區(qū)的污染影響，包括最快到達(dá)時(shí)間、到達(dá)濃度及持續(xù)影響時(shí)間等，并提出有效防治措施。根據(jù)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，飲用水水源地石油類(lèi)最高質(zhì)量濃度限值為0.05 mg/L，高于0.05 mg/L 即認(rèn)為該敏感目標(biāo)水體飲用水功能受到污染。具體模擬結(jié)果見(jiàn)表2 和表3。

表2 方案1～4 油粒子最快到達(dá)時(shí)間、到達(dá)質(zhì)量濃度及持續(xù)影響時(shí)間

表3 方案5～8 油粒子最快到達(dá)時(shí)間、到達(dá)質(zhì)量濃度及持續(xù)影響時(shí)間

3.2 預(yù)測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)表1溢油事故計(jì)算方案及預(yù)測(cè)結(jié)果，可知溢油主要影響河道為新塍塘、京杭古運(yùn)河、長(zhǎng)水塘、千畝蕩和海鹽塘等。

（1）新塍塘溢油結(jié)果分析

分析預(yù)測(cè)結(jié)果可知，方案1～4，7 情況下溢油均會(huì)對(duì)新塍塘水源地取水口造成污染。其中方案2 秀湖站發(fā)生溢油事故的情況下，油粒子會(huì)直接進(jìn)入新塍塘，并在1.7 h 后到達(dá)取水口，最初到達(dá)質(zhì)量濃度為0.31 mg/L，超標(biāo)高達(dá)5.2倍，持續(xù)影響時(shí)間長(zhǎng)達(dá)5 d，影響較為嚴(yán)重；應(yīng)在1.7 h 內(nèi)采取應(yīng)急措施，可供準(zhǔn)備的時(shí)間較短，操作難度較大，建議在取水口附近建設(shè)小型溢油事故應(yīng)急設(shè)備庫(kù)，并配備事故監(jiān)測(cè)、溢油圍控、回收及清運(yùn)等設(shè)備。方案1，7 溢油經(jīng)過(guò)京杭古運(yùn)河進(jìn)入新塍塘，方案3，4 溢油經(jīng)長(zhǎng)水塘進(jìn)入新塍塘。其中方案1 溢油點(diǎn)距離新塍塘取水口距離最近，經(jīng)11.4 h 到達(dá)取水口，最初到達(dá)質(zhì)量濃度為0.09 mg/L，持續(xù)影響時(shí)間為4 d。由于京杭古運(yùn)河與新塍塘交匯處存在眾多河道，溢油一旦擴(kuò)散將大大增加處理難度，應(yīng)在溢油到達(dá)眾多河道交匯處之前進(jìn)行攔截處理。

（2）京杭古運(yùn)河溢油結(jié)果分析

方案7 情況下，溢油直接進(jìn)入京杭古運(yùn)河，并在9.5 h 后到達(dá)運(yùn)河水源地取水口，最初到達(dá)質(zhì)量濃度為0.29 mg/L，超標(biāo)4.8倍，持續(xù)影響時(shí)間為3 d。由于京杭古運(yùn)河支流眾多，溢油影響范圍較廣，應(yīng)盡早采取措施，避免溢油進(jìn)入支流。由于方案7 距離最近的北永興港支流僅有200 m，且河道存在往復(fù)流現(xiàn)象，若無(wú)法在溢油到達(dá)支流之前處理完善，應(yīng)在南北兩條支流及河流東西側(cè)分別進(jìn)行攔截處理。

（3）長(zhǎng)水塘溢油結(jié)果分析

長(zhǎng)水塘存在2 個(gè)取水口，分別為長(zhǎng)水塘和長(zhǎng)山河取水口。方案3～5 情況下溢油，直接進(jìn)入新塍塘，對(duì)2 處取水口造成污染。方案3，4 情況下溢油分別在1.8，1.6 h 后到達(dá)長(zhǎng)水塘取水口，最初到達(dá)質(zhì)量濃度分別為0.34，0.36 mg/L，超標(biāo)分別高達(dá)5.8，6.2倍，持續(xù)影響時(shí)間長(zhǎng)達(dá)5 d。方案5 情況下溢油分別在7.9，2.8 h 后到達(dá)長(zhǎng)水塘、長(zhǎng)山河取水口，最初到達(dá)質(zhì)量濃度分別為0.07，0.08 mg/L，分別超標(biāo)為0.4，0.6倍，持續(xù)影響時(shí)間為3 d。方案5 情況下溢油事故涉及取水口眾多，會(huì)對(duì)千畝蕩、海鹽塘、長(zhǎng)水塘、長(zhǎng)山河取水口造成污染，因此方案5 情況下應(yīng)在溢油點(diǎn)南北側(cè)及東側(cè)分別進(jìn)行攔截處理，防止溢油對(duì)4 處取水口造成嚴(yán)重污染。

（4）千畝蕩、海鹽塘溢油結(jié)果分析

方案5，6 情況下，溢油會(huì)對(duì)千畝蕩、海鹽塘取水口造成污染。方案6 情況下溢油在1.7 h 后到達(dá)千畝蕩取水口，最初到達(dá)質(zhì)量濃度為0.44 mg/L，超標(biāo)高達(dá)7.8倍，持續(xù)影響時(shí)間為5 d；在10.8 h 后到達(dá)海鹽塘取水口，最初到達(dá)質(zhì)量濃度為0.29 mg/L，超標(biāo)4.8倍，持續(xù)影響時(shí)間為5 d。方案5 情況下溢油將在48 h 內(nèi)到達(dá)千畝蕩、海鹽塘取水口，最初到達(dá)質(zhì)量濃度分別為0.28，0.11 mg/L，分別超標(biāo)4.6，1.2倍，分別持續(xù)影響時(shí)間為5，3 d。

千畝蕩、海鹽塘下游支流眾多，溢油影響范圍較廣，應(yīng)盡早采取措施，避免溢油進(jìn)入支流。方案6 溢油點(diǎn)附近存在千畝蕩、海鹽塘2 處水源地取水口，且距離較近，溢油濃度較高，需在溢油到達(dá)前進(jìn)行攔截處理。方案5 情況下溢油事故涉及取水口較多，且溢油對(duì)千畝蕩、海鹽塘取水口影響較長(zhǎng)水塘、長(zhǎng)山河取水口更為嚴(yán)重，因此方案5 情況下應(yīng)在溢油點(diǎn)附近分別進(jìn)行及時(shí)攔截處理，防止溢油對(duì)多處取水口造成嚴(yán)重污染。

4 結(jié)論

本文以嘉興河網(wǎng)區(qū)域建設(shè)為例，研究航道運(yùn)營(yíng)期潛在的溢油風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)測(cè)溢油到達(dá)敏感目標(biāo)的時(shí)間、濃度及持續(xù)影響時(shí)間，分析溢油污染對(duì)水源地取水口影響程度，判斷突發(fā)溢油事故處理的預(yù)留時(shí)間。得出結(jié)論如下：

（1）溢油預(yù)測(cè)結(jié)果表明，嘉興河網(wǎng)地區(qū)存在往復(fù)流現(xiàn)現(xiàn)象，溢油隨水流方向在河網(wǎng)中往復(fù)漂移。

（2）方案6 情況下秀湖站發(fā)生溢油事故時(shí)，時(shí)間最短（1.7 h），質(zhì)量濃度最高達(dá)0.44 mg/L，持續(xù)影響時(shí)間長(zhǎng)達(dá)5 d；方案5 情況下歟城作業(yè)區(qū)發(fā)生溢油事故時(shí)影響范圍最廣，將對(duì)長(zhǎng)山河、長(zhǎng)水塘、千畝蕩、海鹽塘4 處取水口造成污染。

（3）枯水期為嘉興河網(wǎng)溢油事故發(fā)生時(shí)最不利條件，為保障飲水安全應(yīng)限制通航噸位及通航時(shí)間，建立應(yīng)急設(shè)備庫(kù)。