劉曉東 ，徐少南 ，賈慶林 ，薛紅琴 ，王 玨

（1.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 河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.中交上海航道局有限公司江蘇交通建設(shè)工程分公司，江蘇 南京 210000；3.南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037）

0 引言

長江是我國最重要的水源地，其水質(zhì)安全至關(guān)重要。作為我國第一大河，長江中下游航運(yùn)尤為發(fā)達(dá)，尤其近年來石油開采業(yè)和運(yùn)輸業(yè)蓬勃發(fā)展，長江江面上碼頭數(shù)量日益增多，航道運(yùn)輸業(yè)不斷擴(kuò)大，但同時(shí)溢油事故風(fēng)險(xiǎn)也相應(yīng)增加，僅在 2006—2012 年，長江江蘇段便發(fā)生溢油事故 43 起[1]。溢油事故一旦發(fā)生，將會(huì)造成極大的水環(huán)境破壞，嚴(yán)重影響長江水質(zhì)，危害水生態(tài)，因此，對(duì)溢油事故通過構(gòu)建指標(biāo)體系量化其風(fēng)險(xiǎn)影響，及時(shí)采取有效控制措施和消減油污染具有重要的實(shí)際價(jià)值。

目前的溢油風(fēng)險(xiǎn)研究成果大多數(shù)針對(duì)發(fā)生在海上的溢油事故[2–4]，但長江下游屬于感潮河段，與海洋環(huán)境的差異較多，油膜漂移情況十分復(fù)雜，溢油發(fā)生時(shí)刻不同其影響也完全不同[5]，同時(shí)其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)還需重點(diǎn)分析對(duì)敏感點(diǎn)（區(qū)）的影響[6]。前人就長江下游感潮河段的溢油風(fēng)險(xiǎn)也進(jìn)行了一定的研究[7–9]，但模擬研究往往只闡述了油膜的流場(chǎng)在各種環(huán)境動(dòng)力條件下的變化，缺乏比較系統(tǒng)的指標(biāo)體系的建立，用于指導(dǎo)預(yù)測(cè)結(jié)果的關(guān)注點(diǎn)及定量化描述。本研究通過對(duì)長江感潮河段油膜往復(fù)漂移過程的分析，從對(duì)上游水域、途經(jīng)敏感點(diǎn)、途經(jīng)敏感區(qū)影響 3 個(gè)方面提出風(fēng)險(xiǎn)影響危害區(qū)、危害期特征指標(biāo)，建立了指標(biāo)體系，并在長江南京段水域某碼頭風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中進(jìn)行應(yīng)用。

1 長江感潮河段溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

1.1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)特征指標(biāo)遴選

1）危害區(qū)。油品泄露進(jìn)入水體會(huì)快速擴(kuò)散形成油膜，漂浮在水面上，其覆蓋區(qū)嚴(yán)重影響水生生物光合作用并消耗水中的溶解氧，極大地破壞了水生態(tài)平衡[10]，因此了解危害區(qū)的大小對(duì)于判別其影響程度具有重要意義。就船舶原油泄漏事故而言，表征溢油行為的主要指標(biāo)是油膜面積和溢油軌跡。受長江橫向剪切流的影響，油膜往往呈不規(guī)則形狀，但由于長江主流縱向流速往往遠(yuǎn)大于橫向流速，所以實(shí)際油膜總體為狹長近似橢圓形狀，可以通過計(jì)算油膜長度、寬度和面積等關(guān)鍵特征值刻畫溢油危害區(qū)范圍。

2）危害期。危害期指的是油膜到達(dá)關(guān)注點(diǎn)及流經(jīng)持續(xù)的時(shí)間，預(yù)測(cè)油膜到達(dá)關(guān)注點(diǎn)的快慢是溢油應(yīng)急反應(yīng)系統(tǒng)及時(shí)開展的關(guān)鍵，持續(xù)時(shí)間的長短則與其危害程度有著顯著的相關(guān)性。因此油膜到達(dá)、離開關(guān)注點(diǎn)和持續(xù)的時(shí)間是危害期風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的特征指標(biāo)。

1.2 溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

基于層次分析的思想，長江感潮河段溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系包括目標(biāo)層、要素層和指標(biāo)層?？紤]長江感潮河段水動(dòng)力特征，落潮歷時(shí)長，漲潮歷時(shí)短，油膜總體為向下游漂移，要素層確定為溢油事故點(diǎn)上游、敏感點(diǎn)、敏感區(qū) 3 類評(píng)價(jià)要素?；谀康男?、可操作性、整體性、適用性 4 個(gè)原則[11]，選取 23 個(gè)指標(biāo)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如表1 所示。

表1 長江感潮河段溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

根據(jù) 3 類評(píng)價(jià)要素，溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)選取具體如下：

1）對(duì)溢油事故點(diǎn)上游的影響。若溢油事故在漲潮時(shí)刻發(fā)生，油膜將會(huì)先向上游漂移一段時(shí)間達(dá)到最遠(yuǎn)距離，而后隨落潮向下游漂移。將油膜所能到達(dá)的溢油事故點(diǎn)上游最遠(yuǎn)距離設(shè)為關(guān)注點(diǎn)，通過模擬確定出此關(guān)注點(diǎn)的位置a1，以及到達(dá)關(guān)注點(diǎn)的危害區(qū)（a3，a4，a5）與危害期a2，可由此評(píng)價(jià)溢油事故對(duì)上游造成的影響。

2）對(duì)敏感點(diǎn)的影響。敏感點(diǎn)為評(píng)價(jià)水域空間概化為點(diǎn)狀的保護(hù)目標(biāo)，如長江沿線分布的眾多取水口。油膜漂移途中到達(dá)敏感點(diǎn)為影響起始，離開敏感點(diǎn)為影響結(jié)束，由在這一過程中油膜危害區(qū)的變化（b2，b3，b4，b6，b7，b8）及危害期的大?。╞1，b9）評(píng)價(jià)溢油事故對(duì)敏感點(diǎn)造成的影響。

3）對(duì)敏感區(qū)的影響。在長江評(píng)價(jià)水域，保護(hù)目標(biāo)除可概化為點(diǎn)狀外，還可概化為面狀敏感區(qū)，如水源、生態(tài)紅線保護(hù)區(qū)等。以油膜到達(dá)敏感區(qū)的上邊界為影響起始，離開敏感區(qū)下邊界為影響結(jié)束，由在這一過程中油膜危害區(qū)的變化（c2，c3，c4，c6，c7，c8）及危害期的大?。╟1，c9）評(píng)價(jià)溢油事故對(duì)敏感區(qū)造成的影響。

現(xiàn)狀水質(zhì)和目標(biāo)水質(zhì)差距較大的水功能區(qū)，綜合考慮水功能區(qū)水質(zhì)現(xiàn)狀、水功能區(qū)達(dá)標(biāo)需求、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等因素，確定限制排污總量。滹沱河上中游各個(gè)水功能區(qū)限制排污總量詳見表2。

2 應(yīng)用案例

以長江南京江寧濱江段水域碼頭溢油風(fēng)險(xiǎn)事故為例，應(yīng)用構(gòu)建的溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系開展碼頭溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究。

2.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域確定為南京江寧濱江經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)內(nèi)的子匯洲長江干流段，計(jì)算范圍選擇自長江蘇皖交界斷面起至江寧河入長江口下游 3.4 km 斷面止，總計(jì)27.4 km 的長江南京江寧河段。某碼頭位于取水口上游 1.3 km 處，船舶裝卸作業(yè)有可能發(fā)生溢油事故，取水口為本案例風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的敏感點(diǎn)，取水口上游500 m 至下游 500 m 為一級(jí)保護(hù)區(qū)，視為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的敏感區(qū)，具體位置如圖1 所示。

2.2 研究內(nèi)容

本案例采用 EFDC 模型對(duì)長江南京江寧濱江段水域某碼頭溢油事故進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)。EFDC 模型集水動(dòng)力與水質(zhì)模塊于一體，無需再次人工耦合，操作省時(shí)簡便，具有一系列的優(yōu)勢(shì)，目前已廣泛應(yīng)用于我國湖泊、水庫、河道等各類水體進(jìn)行水環(huán)境模擬。

2.2.1 研究區(qū)域網(wǎng)格建立

根據(jù)研究區(qū)域?qū)嶋H地形情況，網(wǎng)格布置采用矩形網(wǎng)格，共生成 134（縱向）×104（橫向）個(gè)節(jié)點(diǎn)（網(wǎng)格），其中縱向網(wǎng)格步長為 150 m，橫向網(wǎng)格步長為 150 m。根據(jù)長江地形實(shí)際情況，配合數(shù)字高程模型（DEM）進(jìn)行單元高程差值，并設(shè)置初始水文、上下游水位、風(fēng)場(chǎng)等邊界條件。由于該江段的水深較淺（水深遠(yuǎn)小于河寬），可忽略流速垂向變化，因此不對(duì)垂向網(wǎng)格進(jìn)行分層，建立該江段的二維水動(dòng)力模型，模擬區(qū)域水力要素（流速、水位）隨時(shí)間的變化過程。在建立的流場(chǎng)基礎(chǔ)上，采用 Fay公式擴(kuò)展后的油粒子模型模擬溢油事故發(fā)生后的油膜漂移軌跡，不僅考慮了溢油自身擴(kuò)展與漂移階段，而且使自身的擴(kuò)展與漂移階段能夠同時(shí)進(jìn)行。

圖1 碼頭與敏感點(diǎn)、敏感區(qū)之間的位置關(guān)系

2.2.2 設(shè)計(jì)水文、氣象條件

取 1979 年 1 月 14 日 6:00—18日 6:00 大通站的流量作為枯水期水文條件，以大通站流量過程、海門青龍港與太倉瀏河口潮位過程為上，下游邊界條件，應(yīng)用一維感潮河段的水量模型進(jìn)行設(shè)計(jì)水文條件的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果作為二維模擬計(jì)算的水文條件。風(fēng)向取最不利風(fēng)向西南風(fēng)，風(fēng)速為 5.0 m/s。

2.2.3 溢油風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)方案

大件碼頭所在的感潮河段潮汐為非正規(guī)半日潮混合型，潮位每日兩漲兩落，變化規(guī)律明顯。事故發(fā)生時(shí)刻對(duì)油膜的漂移有較大的影響，所以結(jié)合水流狀況，將事故發(fā)生時(shí)間選為漲急時(shí)刻（漲潮過程中速度最大時(shí)刻）、落急時(shí)刻（落潮過程中速度最大時(shí)刻）、漲憩時(shí)刻（開始落潮時(shí)刻）、落憩時(shí)刻（開始漲潮時(shí)刻）4 種典型工況。將事故溢油主要為船舶自身的燃料油，一般 1 000 t 級(jí)以上船載儲(chǔ)油量可達(dá) 10 t 以上，設(shè)計(jì)事故導(dǎo)致的溢油量為 10 t。

2.3 預(yù)測(cè)結(jié)果

2.3.1 水流特性模擬結(jié)果

通過 EFDC 水動(dòng)力模型的計(jì)算，模擬評(píng)價(jià)區(qū)域水動(dòng)力流場(chǎng)，流場(chǎng)分布圖如圖2 所示。流場(chǎng)圖能夠較好地反映該河段水流運(yùn)動(dòng)狀況，主流基本沿主槽方向流動(dòng)，潮流流向西南，落潮流向東北，流向變幅不大。

圖2 EFDC 水動(dòng)力模型模擬流程分布圖

2.3.2 溢油風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果

采用油粒子模型模擬溢油事故發(fā)生于 4 種不同時(shí)刻油膜漂移過程，統(tǒng)計(jì)得到溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)值如表2 所示。

由表2 分析可知，溢油具體影響如下：

1）對(duì)溢油事故點(diǎn)上游的影響。事故發(fā)生在落急或漲憩時(shí)刻時(shí)，油膜漂移不會(huì)對(duì)上游水域產(chǎn)生影響。但發(fā)生在漲急或落憩時(shí)刻時(shí)，油膜漂移會(huì)對(duì)上游水域產(chǎn)生影響，且當(dāng)事故發(fā)生在落憩時(shí)刻時(shí)影響距離最遠(yuǎn)，事故發(fā)生 186 min 后到達(dá)最遠(yuǎn)距離 1 350 m，此時(shí)油膜長度為 1 050 m，寬度為 30 m，面積為26 000 m2。

表2 長江南京段某碼頭溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

2）對(duì)敏感點(diǎn)的影響。事故發(fā)生在落急時(shí)刻時(shí)最快影響到取水口，50 min 后到達(dá)取水口，115 min 后油膜離開取水口，持續(xù)危害時(shí)間為 65 min。事故發(fā)生在漲急時(shí)刻時(shí)持續(xù)危害時(shí)間最短，為 27 min，事故發(fā)生在漲憩時(shí)刻時(shí)持續(xù)危害時(shí)間最長，達(dá) 91 min。

3）對(duì)敏感區(qū)的影響。事故發(fā)生在落急時(shí)刻時(shí)最快影響到一級(jí)保護(hù)區(qū)，20 min 后到達(dá)保護(hù)區(qū)上邊界，155 min 后油膜離開保護(hù)區(qū)下邊界，持續(xù)危害時(shí)間為 65 min。

3 結(jié)語

基于層次分析的思想，構(gòu)建了長江感潮河段溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，包括目標(biāo)層、要素層和指標(biāo)層。要素層依據(jù)長江感潮河段水動(dòng)力特征確定為溢油事故點(diǎn)上游、敏感點(diǎn)、敏感區(qū) 3 類評(píng)價(jià)要素，涵蓋 23 個(gè)危害區(qū)或危害時(shí)間指標(biāo)。

將建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)用于長江南京江寧濱江段水域某碼頭溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，計(jì)算了 4 種不同典型事故發(fā)生時(shí)刻下風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)值，依據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)分析了事故發(fā)生時(shí)間對(duì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)后果的影響。結(jié)果表明，事故發(fā)生在落急或漲憩時(shí)刻時(shí)不會(huì)對(duì)上游水域產(chǎn)生影響，在落憩時(shí)刻時(shí)對(duì)事故點(diǎn)上游水域影響距離最遠(yuǎn)；事故發(fā)生在落急時(shí)刻時(shí)將最快影響到下游的敏感點(diǎn)和敏感區(qū)，持續(xù)時(shí)間與水動(dòng)力特性密切相關(guān)。

案例應(yīng)用表明評(píng)價(jià)指標(biāo)可以較好地反映溢油事故的風(fēng)險(xiǎn)影響，覆蓋面較廣，能夠較好地反映漲落潮流速的變化導(dǎo)致油膜軌跡的變化情況，可為長江感潮河段溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供量化指標(biāo)，亦可為其他化學(xué)品事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供參考，具有較好的工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。