吳 松，閔 洋，胡小燕

(長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，武漢 430010)

1 研究背景

長江是中華民族的母親河，擁有獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)，是我國重要的生態(tài)寶庫，同時(shí)也是世界著名的黃金水道。目前，長江干流沿岸有近500個(gè)取水口；根據(jù)《長江流域及西南諸河水資源公報(bào)》[1]，長江流域2018年總用水量2 071.7億m3，其中生活用水量328.3億m3，占總用水量的15.8%。長江流域水生生境類型復(fù)雜多樣，水生生物多樣性極為豐富。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)[2]，長江流域已建立水生生物、內(nèi)陸濕地自然保護(hù)區(qū)119處，其中國家級自然保護(hù)區(qū)19處，國家級水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)217處。自2005年以來，長江干線貨運(yùn)量已連續(xù)10多年穩(wěn)居世界內(nèi)河首位。2019年，長江干線貨物通過量達(dá)29.3億噸，同比增長8.9%。隨著長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展的推動，長江船舶污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)全線打響，如何協(xié)調(diào)長江生態(tài)保護(hù)與航運(yùn)發(fā)展成為我國面臨的現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)。

統(tǒng)計(jì)長江海事局轄區(qū)2008～2015年安全狀況通報(bào)，長江船舶事故總數(shù)呈下降趨勢(船舶事故數(shù)量統(tǒng)計(jì)見圖1)，其中碰撞、擱淺所占事故比例較高，約57%～73%。船舶碰撞、擱淺涉及的溢油污染具有突發(fā)性，極易造成水體污染，威脅下游生產(chǎn)生活日常取水和水生生物的正常繁衍[3～5]，嚴(yán)重危害區(qū)域生態(tài)環(huán)境、社會生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。為了更好地應(yīng)對突發(fā)溢油事故風(fēng)險(xiǎn)，模擬預(yù)測突發(fā)溢油的擴(kuò)散漂移過程以及持續(xù)時(shí)間，在長江飲用水安全保障和生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面尤顯重要，可為應(yīng)急決策、水源保護(hù)、污染消除及損害評估提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

長江中流田家鎮(zhèn)河段長約8.2km，自下巢湖至碼頭鎮(zhèn)，該河段河床形態(tài)十分穩(wěn)定，抗沖能力強(qiáng)，深泓一直貼近右岸下行。龍坪河段自碼頭鎮(zhèn)至大樹下，中段新洲汊道為鵝頭型彎道，分汊前平面型態(tài)由窄逐漸展寬，汊道匯流后河道順直，右岸側(cè)有徐家灣邊灘；總體而言，該河段左側(cè)河床淤高、右側(cè)深槽沖刷發(fā)展，主泓偏靠右岸，新洲汊道呈現(xiàn)左汊衰退右汊發(fā)展的態(tài)勢。

長江中游田家鎮(zhèn)-龍坪河段分布有長江江西段四大家魚國家級水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)(簡稱“保護(hù)區(qū)”)以及多個(gè)集中式飲用水取水口等敏感目標(biāo)，其位置概況見圖2。長江江西段四大家魚國家級水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)位于江西省九江市北部，自瑞昌市下巢湖至赤湖入江閘口止約26km的長江水域組成，分為核心區(qū)(754hm2)和實(shí)驗(yàn)區(qū)(1971 hm2)。此外，武穴市第一水廠、武穴市第二水廠、城子鎮(zhèn)水廠、九江順風(fēng)水廠、瑞昌市潤泉水廠、九江市第四水廠取水口分布于該河段兩岸。

圖2 研究區(qū)域示意圖Fig.2 Sketch of the study region

3 MIKE21模型

本文采用丹麥水力研究院開發(fā)的MIKE21軟件對長江中游田家鎮(zhèn)、龍坪河段進(jìn)行溢油模擬，建立該河段平面二維溢油模型，模擬豐水期和枯水期突發(fā)溢油事故，并分析不同風(fēng)力條件下油膜的擴(kuò)展、輸移范圍及其對下游造成的影響。軟件包括水動力模塊(HD)和溢油模塊(OS)。

3.1 平面二維水動力模塊(HD)

該模塊控制方程是基于不可壓縮和Reynolds值均布的Navier-Stokes方程，并遵從Boussinesq假設(shè)和靜水壓力假設(shè)，二維非恒定淺水方程組如下：

連續(xù)性方程：

(1)

X方向動量方程：

(2)

Y方向動量方程：

(3)

3.2 溢油模塊(OS)

該模塊通過眾多單個(gè)油粒的集合來描述溢油。油粒子的輸移包括了擴(kuò)展、漂移、擴(kuò)散等過程，這些過程是油粒子位置發(fā)生變化的主要原因，而油粒子的組分在這些過程中不發(fā)生變化。

油膜擴(kuò)展方程：

(4)

漂移運(yùn)動方程：

Up=Uc+Cw·Uw·sin(θ-π+θw)

(5)

Vp=Vc+Cw·Uw·cos(θ-π+θw)

(6)

式中，Up、Vp分別為油粒子在x、y方向的對流移動速度；Uc、Vc分別為水體表面在x、y方向的流速；Uw為水面上10m處的風(fēng)速；Cw為風(fēng)漂移系數(shù)；θ、θw分別為風(fēng)向角和風(fēng)偏轉(zhuǎn)角。

擴(kuò)散方程：

(7)

式中，Sα為在方向上的一個(gè)時(shí)間步長內(nèi)可能擴(kuò)散走動的距離，Dα為α方向上的擴(kuò)散系數(shù)，R為-1到1的隨機(jī)數(shù)。

此外，伴隨著蒸發(fā)、乳化、生物降解、光氧化等過程[6]。其中，溢油蒸發(fā)方程為：

(8)

3.3 模型參數(shù)選取

按照溢油漂移擴(kuò)展、蒸發(fā)乳化等過程，溢油模塊中常見參數(shù)包括油最大含水率Fwc、橫向擴(kuò)散系數(shù)Dα、乳化率常數(shù)C3、蒸發(fā)系數(shù)α等參數(shù)。參照相關(guān)研究[7]，結(jié)合所在水域特點(diǎn)，各參數(shù)取值詳見表1。

表1 相關(guān)參數(shù)取值表Tab.1 Value of related parameters

4 模型率定及驗(yàn)證

本江段水動力模型上邊界采用上游武漢站實(shí)測流量，下邊界為下游九江站水位。根據(jù)2015年1月12日～2015年1月16日武穴站水位監(jiān)測資料，對本江段平面二維水動力模型進(jìn)行率定，同時(shí)使用2015年9月12日～2015年9月16日武穴站水位資料進(jìn)行驗(yàn)證。

武穴站水位率定、驗(yàn)證結(jié)果如圖3、圖4所示。根據(jù)率定得到的糙率系數(shù)為0.023～0.028，由率定結(jié)果可以看出，二維模型預(yù)測結(jié)果中水位絕對誤差最大為0.012m。

圖3 武穴站水位率定結(jié)果Fig.3 Water level calibration results of Wuxue hydrological station

圖4 武穴站水位驗(yàn)證結(jié)果Fig.4 Water level verification results of Wuxue hydrological station

通過水位驗(yàn)證，預(yù)測水位與實(shí)測值吻合較好，兩者絕對誤差最大為0.23m，誤差基本滿足要求。上述驗(yàn)證成果表明，水動力模型參數(shù)設(shè)置合理，模型適用性較好，能夠模擬本江段水流特性。

5 邊界條件

根據(jù)船舶油污染事故中貨船一般事故劃分依據(jù)[8]，擬設(shè)計(jì)溢油點(diǎn)位置為保護(hù)區(qū)上邊界中心處(該處南岸有一碼頭，存在船舶事故引發(fā)的突發(fā)溢油風(fēng)險(xiǎn))，突發(fā)溢油量為5t，分別模擬枯期和汛期條件下的突發(fā)溢油事故情形。

風(fēng)力條件是溢油事故中常見影響因子，應(yīng)予以考慮[9]。根據(jù)武穴氣象站資料統(tǒng)計(jì)，多年平均風(fēng)速為2.3m/s，全年多東風(fēng)和東南風(fēng)。一般年份，1～8月東風(fēng)最多，9月份西北風(fēng)和西風(fēng)漸盛，10～11月以西北風(fēng)和西風(fēng)為主，12月西北風(fēng)和西風(fēng)減少，東風(fēng)和東南風(fēng)增多。

采用三峽水庫蓄水后，2003～2015年1月(枯期)、9月(汛期)漢口水文站的月均流量作為設(shè)計(jì)水文條件，分別為10 400 m3/s、30 900 m3/s；相應(yīng)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镋、NW，風(fēng)速為2.3m/s。參照九江水文站水位資料，模型對應(yīng)下游水位為7.5m、14.5m。

6 預(yù)測結(jié)果及分析

6.1 枯期

枯期田家鎮(zhèn)-龍坪河段突發(fā)溢油的模擬結(jié)果如圖5所示，枯期溢油事故污染統(tǒng)計(jì)見表2。在靜風(fēng)條件下，溢油事故發(fā)生于保護(hù)區(qū)上緣，溢油基本維持油膜聚集狀態(tài)，初始最大油膜厚度為242.4μm，沿河道右岸向下游漂移，距離武穴市第一水產(chǎn)、第二水廠取水口橫向最近距離約520m；溢油事故發(fā)生8h后，油膜前鋒漂移至保護(hù)區(qū)核心區(qū)，此時(shí)油膜最大厚度約為0.75μm，對四大家魚、長吻鮠、鯰等保護(hù)對象產(chǎn)生不利影響；溢油事故發(fā)生24h后，油膜抵達(dá)新洲右汊后，受水流條件影響，油膜破碎進(jìn)而繼續(xù)擴(kuò)散，此時(shí)最大厚度約為1.18μm；溢油事故發(fā)生34h后，油膜漂移出保護(hù)區(qū)下緣，布滿整個(gè)河段；溢油事故發(fā)生39h后，破碎油膜漂移出田家鎮(zhèn)-龍坪河段。

在枯期主導(dǎo)風(fēng)向條件下，溢油油膜漂移規(guī)律基本與靜風(fēng)條件一致，僅油膜后緣形態(tài)略有差異；對比相同時(shí)刻的油膜形態(tài)，油膜漂移擴(kuò)展范圍基本一致。預(yù)測結(jié)果表明，田家鎮(zhèn)-龍坪河段枯期突發(fā)溢油漂移擴(kuò)展過程受風(fēng)力條件影響有限；相比靜風(fēng)條件，城子鎮(zhèn)水廠、九江順風(fēng)水廠、瑞昌市潤泉水廠及九江市第四水廠取水口僅最大油膜厚度略有差異。

表2 枯期溢油事故溢油事故污染統(tǒng)計(jì)Tab.2 Pollution statistics of oil spill accident in dry period

續(xù)表2

圖5 溢油5t后油膜厚度分布圖Fig.5 Oil film thickness distribution at 8h, 16h, 24h and 34h after 5t oil spill

6.2 汛期

汛期田家鎮(zhèn)-龍坪河段突發(fā)溢油的模擬結(jié)果如圖6所示，汛期溢油事故污染統(tǒng)計(jì)見表3。在靜風(fēng)條件下，溢油事故發(fā)生于保護(hù)區(qū)上緣，初始最大油膜厚度為242.4μm，溢油短暫維持油膜聚集狀態(tài)，沿河道右岸向下游；溢油事故發(fā)生4h后，溢油進(jìn)入保護(hù)區(qū)核心區(qū)，此時(shí)油膜已破碎進(jìn)而繼續(xù)擴(kuò)展，油膜最大厚度約為0.637μm，距離武穴市第一水廠、第二水廠取水口橫向最近距離約520m；溢油事故發(fā)生12h后，油膜抵達(dá)新洲右汊后，油膜前鋒仍處于聚集狀態(tài)，最大油膜厚度0.798nm，僅尾緣呈破碎狀態(tài)；溢油事故發(fā)生16h后，油膜前鋒略有破碎，油膜中心仍呈聚集狀態(tài)，最大油膜厚度0.884μm；溢油事故發(fā)生19h后，破碎油膜漂移出田家鎮(zhèn)-龍坪河段。受汛期大流量條件影響，溢油進(jìn)入新洲汊道后，漂移軌跡隨水流方向由河道右岸移至河道中心，城子鎮(zhèn)水廠、九江順風(fēng)水廠、瑞昌市潤泉水廠及九江市第四水廠取水口臨近岸邊，未受溢油事故影響。

在汛期主導(dǎo)風(fēng)向條件下，溢油油膜漂移軌跡及擴(kuò)展范圍基本與靜風(fēng)條件一致，表明該河段汛期突發(fā)溢油主要受河道水力條件影響。

表3 汛期溢油事故污染統(tǒng)計(jì)Tab.3 Pollution statistics of oil spill accidents in flood

圖6 溢油5t后油膜厚度分布圖Fig.6 Oil film thickness distribution at4h, 8h, 12h and 16h after 5t oil spill

7 結(jié) 語

通過對長江中游田家鎮(zhèn)-龍坪河段突發(fā)溢油事故的模擬，研究了汛期和枯期油膜漂移擴(kuò)展特點(diǎn)，可為該河段突發(fā)溢油污染應(yīng)急預(yù)案和事故處理提供依據(jù)。溢油漂移擴(kuò)展過程主要受水力條件影響；風(fēng)力條件未明顯增加突發(fā)溢油的擴(kuò)展尺度，基本未對溢油漂移擴(kuò)展過程產(chǎn)生影響。在主導(dǎo)風(fēng)向和靜風(fēng)條件下，枯期突發(fā)溢油在進(jìn)入新洲汊道前油膜主要沿河道右岸漂移，基本未對左岸武穴市第一水廠、第二水廠取水口產(chǎn)生影響，但會對右岸長江江西段四大家魚國家級水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)和右岸城子鎮(zhèn)水廠、九江順風(fēng)水廠、瑞昌市潤泉水廠、九江市第四水廠取水口造成油污染。

枯期該河段油膜漂移速度較緩，油膜厚度較薄，但油膜面積較大、在水域停留時(shí)間較長；該河段風(fēng)力條件對油膜漂移擴(kuò)展過程影響有限。當(dāng)?shù)貞?yīng)加強(qiáng)備用水源地建設(shè)，如遇枯期突發(fā)溢油事故，及時(shí)啟用備用水源并適當(dāng)延長備用水源取用時(shí)間，同時(shí)借助下游九江港應(yīng)急溢油物資，采取攔截、抽取措施，限制油膜的擴(kuò)散面積，減少其危害。汛期油膜漂移速度相對較快，油膜面積較小、厚度較厚，但抵達(dá)下游敏感目標(biāo)時(shí)間較快。針對該情況，應(yīng)加強(qiáng)事故預(yù)警機(jī)制，及時(shí)啟動事故響應(yīng)，提前在相應(yīng)水域做好油污攔截清理準(zhǔn)備，減小溢油事故造成的損失。