王 鵬，申 霞，王船海，華祖林，馬乙心，劉曉東

（1.河海大學(xué)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，江蘇南京 210098；2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210098；3.南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京 210029；4.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇南京 210098）

1 研究背景

隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，世界各國對(duì)能源的需求與日俱增，海上石油運(yùn)輸量迅猛增長，水體溢油事故風(fēng)險(xiǎn)大為提升。為了預(yù)測溢油事故發(fā)生后的運(yùn)動(dòng)軌跡和擴(kuò)散范圍，科學(xué)評(píng)估其對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響程度，提高溢油事件處置的應(yīng)急響應(yīng)能力，通常采用數(shù)值模擬方法對(duì)溢油自身擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)、在水流和風(fēng)場作用下的漂移和擴(kuò)散以及各種風(fēng)化過程進(jìn)行預(yù)測。溢油模型的研究始于1960年代，主要經(jīng)歷三個(gè)階段：首先是油膜擴(kuò)展模型研究階段，以Fay理論為代表，考慮重力、慣性力、表面張力和黏性力作用，通過不同階段油膜擴(kuò)展的動(dòng)力機(jī)制建立油膜直徑經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式，取得了開創(chuàng)性成果［1］；第二階段為基于對(duì)流擴(kuò)散方程的數(shù)值離散模擬溢油運(yùn)動(dòng)，其可能會(huì)引入與物理擴(kuò)散無關(guān)的數(shù)值擴(kuò)散，甚至完全掩蓋溢油的實(shí)際物理擴(kuò)散過程，計(jì)算結(jié)果欠佳；第三階段為Johansen［2］和Elliott［3］等人提出的油粒子模型，該方法將水體中的溢油視為眾多離散油粒子的組合，粒子的平流過程具有拉格朗日性質(zhì)，而剪切流和紊流引起的擴(kuò)散過程屬于隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，可用隨機(jī)走動(dòng)法來模擬，即將紊流視為一種隨機(jī)流場，每個(gè)油粒子在紊流場中的運(yùn)動(dòng)類似于流體分子的布朗運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性使得整個(gè)粒子“云團(tuán)”在水體中擴(kuò)散，由于該方法對(duì)溢油擴(kuò)散過程的模擬更加接近真實(shí)情景，目前應(yīng)用較為廣泛［4-6］。

在國外，油粒子模型最先開發(fā)并應(yīng)用于海洋、海灣等水體的二維、三維溢油模擬，而在溢油概率較低的河網(wǎng)水系未得到應(yīng)用。然而，我國河網(wǎng)地區(qū)的航運(yùn)業(yè)普遍非常發(fā)達(dá)，隨著船舶流量和貨運(yùn)量的快速上升，船舶溢油事故風(fēng)險(xiǎn)驟增［7］。長江、淮河、珠江等流域下游廣泛分布著大量的復(fù)雜河網(wǎng)水系，這些地區(qū)河道溝渠縱橫交錯(cuò)，山丘區(qū)樹狀河網(wǎng)和平原區(qū)網(wǎng)狀河網(wǎng)并存，水系結(jié)構(gòu)高度分異。此外，流域內(nèi)水閘、泵站等水利工程眾多，水系連通性受人工高度控制，加上海洋潮汐的驅(qū)動(dòng)作用，導(dǎo)致河道水流流向往復(fù)不定，水動(dòng)力特征十分復(fù)雜。由于河網(wǎng)水流運(yùn)動(dòng)過程通常采用一維水動(dòng)力模型模擬，僅能輸出沿河道方向的斷面平均流速，無法據(jù)此判斷油粒子運(yùn)動(dòng)至河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)后流動(dòng)方向，導(dǎo)致現(xiàn)有油粒子模型不能直接在河網(wǎng)地區(qū)應(yīng)用。因此，在復(fù)雜河網(wǎng)水系采用油粒子模型開展溢油污染模擬，關(guān)鍵在于解決油粒子漂移至河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)后的遷移和分配問題。

本文以一維河網(wǎng)水動(dòng)力模型為基礎(chǔ)，針對(duì)油品在該類水體的擴(kuò)展、輸移和風(fēng)化特征，開發(fā)適用于河網(wǎng)水系溢油污染模擬的油粒子模型。一方面，使用隨機(jī)走動(dòng)法模擬溢油的慣性擴(kuò)展、黏性擴(kuò)展和表面張力擴(kuò)展等機(jī)械擴(kuò)展過程，解決了油粒子模型不能模擬溢油自身擴(kuò)展階段的難題［8］。另一方面，通過定義河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)出流河道流向因子，判斷油粒子運(yùn)動(dòng)至節(jié)點(diǎn)后的流動(dòng)去向，實(shí)現(xiàn)了油粒子模型與一維河網(wǎng)水動(dòng)力模型的結(jié)合。

2 材料與方法

2.1 模型構(gòu)建本研究在“數(shù)字流域系統(tǒng)”［9-10］基礎(chǔ)上進(jìn)行油粒子模型開發(fā)工作，該系統(tǒng)的模型庫包括流域水文模型、污染負(fù)荷模型、水動(dòng)力模型和水質(zhì)模型。由于河網(wǎng)地區(qū)各類水體的水深均較淺，系統(tǒng)采用一、二維耦合的水動(dòng)力模型對(duì)水流運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行模擬［11］，為油粒子模型提供流速信息。

溢油進(jìn)入水體后，其行為和歸宿包括兩個(gè)過程：空間上的傳輸以及同時(shí)發(fā)生的油品風(fēng)化?？臻g傳輸由自身擴(kuò)展和輸移兩個(gè)階段構(gòu)成：擴(kuò)展指油膜由于內(nèi)部張力而導(dǎo)致的面積增大；輸移過程指在環(huán)境動(dòng)力要素的作用下溢油的遷移運(yùn)動(dòng)，包括水平方向的漂移、擴(kuò)散過程。油品的風(fēng)化引起溢油組成性質(zhì)的改變，包含蒸發(fā)、乳化、分散、溶解、光氧化、生物降解、吸附沉降、水體混合擴(kuò)散以及生物體內(nèi)的代謝作用等。

2.1.1 對(duì)流過程 對(duì)流過程考慮水流流速和風(fēng)漂流流速對(duì)油粒子漂移的綜合影響。其對(duì)流過程的基本方程如下［12］：

式中：Si為油粒子位置；Uc為水流表面流速，m/s；Uw為風(fēng)漂流流速，m/s；α為水流運(yùn)動(dòng)對(duì)油膜漂移的影響因子，通常取1.1～1.2。

（1）一維河網(wǎng)模型。一維河網(wǎng)模型水流流速采用一維河網(wǎng)水動(dòng)力模型計(jì)算得到，風(fēng)引起的油膜漂移速度大小表示為：

式中：β為風(fēng)漂流系數(shù)，通常取3%～ 4%；w10為水面上10 m處風(fēng)速，m/s；φ為風(fēng)向與水流流向的夾角。

河網(wǎng)是由縱橫交錯(cuò)的河道構(gòu)成的水系，從物理結(jié)構(gòu)上看，河道交匯處形成了若干節(jié)點(diǎn)。根據(jù)河道水流流向與河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的關(guān)系，可以將與節(jié)點(diǎn)相連的河道分為入流河道和出流河道。其中入流河道指的是水流流入節(jié)點(diǎn)的河道，水流流出節(jié)點(diǎn)的河道稱為出流河道。由于河網(wǎng)地區(qū)地勢低平，河道比降小，加上受潮汐和水利工程調(diào)控的影響，造成河道水流流向不定，因此與節(jié)點(diǎn)相連的河道是入流河道，還是出流河道，需要根據(jù)河網(wǎng)水動(dòng)力模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)判斷。

對(duì)于出、入流河道交匯形成的節(jié)點(diǎn)，在河網(wǎng)數(shù)值模擬中通常將其作為零維模型對(duì)象處理，由于零維模型無法模擬水動(dòng)力過程，導(dǎo)致油粒子隨水流運(yùn)動(dòng)至河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)后，立即隨出流河道的水流繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，因此節(jié)點(diǎn)大小和屬性不會(huì)對(duì)油粒子漂移和歸宿產(chǎn)生影響。同時(shí)，由于出流河道數(shù)量可能不止一條，為了預(yù)測油粒子通過節(jié)點(diǎn)后的運(yùn)動(dòng)軌跡，除了利用一維河網(wǎng)水動(dòng)力模型預(yù)測流速之外，還需要判斷油粒子運(yùn)動(dòng)至河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)后的去向。

由于河網(wǎng)水系的河流寬度普遍較窄，溢油可以在較短的時(shí)間內(nèi)在寬度方向上擴(kuò)散均勻，加之絕大部分溢油漂浮于水面，則油粒子在節(jié)點(diǎn)處的流向概率與出流河道的寬度及其流速成正比。此外，考慮到這類地區(qū)的河道水深通常相差不大，因此，模型假設(shè)油粒子流入某條河道的概率與該條河道的出流流量大小成正比，即以與節(jié)點(diǎn)相連的各出流河道流量為權(quán)重判斷油粒子流向。具體計(jì)算方法如下：

首先，將與某一節(jié)點(diǎn)相連的所有出流河道的流量從小到大排列，定義各條出流河道的流向因子為dfi，并按下式計(jì)算：

式中：dfi為第i條出流河道的流向因子；qi為第i條出流河道的流量；n為出流河道數(shù)量。

其次，定義各條出流河道的流向因子判斷區(qū)間。其中，第1 條出流河道的流向因子判斷區(qū)間為［0，df1］，第i條出流河道的流向因子判斷區(qū)間為

最后，對(duì)于運(yùn)動(dòng)至河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)處的每一個(gè)油粒子，生成［0，1］的均勻隨機(jī)數(shù)Rd，如果Rd位于某條出流河道的流向因子判斷區(qū)間，則油粒子將隨水流漂移至該條出流河道。

（2）平面二維模型。對(duì)于平面二維模型，在風(fēng)力作用下，油粒子漂移方向與風(fēng)向成0°～40°夾角，此時(shí)風(fēng)引起的油膜漂移速度可表示為［12］：

式中：D為考慮風(fēng)向偏角的轉(zhuǎn)換矩陣；θ為地轉(zhuǎn)科氏力引起的風(fēng)向偏角。

2.1.2 機(jī)械擴(kuò)展和紊動(dòng)擴(kuò)散 溢油機(jī)械擴(kuò)展及剪切流和紊流引起的粒子紊動(dòng)擴(kuò)散過程，均采用隨機(jī)走動(dòng)方法模擬。通過在流場中追蹤各質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，得到每一時(shí)刻各個(gè)油粒子所處的空間位置，統(tǒng)計(jì)各時(shí)刻油粒子的位置可得到各時(shí)刻溢油的空間分布。

根據(jù)分子紊動(dòng)擴(kuò)散理論，在一維空間情況下，隨機(jī)走動(dòng)方差與擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系可以表示為［12］：

式中：x為隨機(jī)走動(dòng)距離，m；K為擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；Rn為均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為1.0的正態(tài)分布隨機(jī)數(shù)；Δt為時(shí)間步長，s。

因此，對(duì)于一維河網(wǎng)模型，油粒子每一個(gè)時(shí)間步長的隨機(jī)走動(dòng)速度可采用下式計(jì)算：

式中：Vt為紊流擴(kuò)散的隨機(jī)走動(dòng)速度，m/s；De為油膜機(jī)械擴(kuò)展系數(shù)，m2/s；DT為紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。

同理，對(duì)于平面二維模型，每一個(gè)時(shí)間步長的隨機(jī)走動(dòng)速度可表示為［8］：

式中δ為［0，π］之間的均勻分布隨機(jī)角。

機(jī)械擴(kuò)展系數(shù)和紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算采用Sayed［8］提出的方法。對(duì)于機(jī)械擴(kuò)展系數(shù)，將溢油的機(jī)械擴(kuò)展過程分為慣性、黏性、表面張力三個(gè)階段，首先計(jì)算油粒子實(shí)際厚度及油粒子厚度的臨界值，再根據(jù)兩者之間的大小關(guān)系確定擴(kuò)展階段，最后計(jì)算不同擴(kuò)展階段對(duì)應(yīng)的機(jī)械擴(kuò)展系數(shù)De。紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)考慮摩阻速度和水深的影響。

2.1.3 風(fēng)化過程 溢油事故發(fā)生后，除了伴隨著擴(kuò)展、對(duì)流、擴(kuò)散等動(dòng)力過程外，油品還經(jīng)歷如蒸發(fā)、乳化、分散、溶解、光氧化及生物降解等風(fēng)化過程，使油膜質(zhì)量、油膜物理化學(xué)性質(zhì)等發(fā)生一系列變化，這些變化主要和油品自身性質(zhì)以及海況條件如風(fēng)、波浪、水流、氣溫以及生物活動(dòng)等有關(guān)。本研究建立的溢油預(yù)測模型主要用于突發(fā)溢油污染應(yīng)急預(yù)測，分析溢油發(fā)生后短期內(nèi)的油膜遷移擴(kuò)散規(guī)律，為短期模型，而光氧化、生物降解等過程相比其它風(fēng)化過程是一個(gè)非常緩慢的過程。此外，分散會(huì)影響溢油的垂向分布特征，但是不會(huì)對(duì)溢油在水體中的整體質(zhì)量變化產(chǎn)生影響。因此，本研究重點(diǎn)對(duì)溢油初期風(fēng)化作用較突出的蒸發(fā)和乳化兩個(gè)過程進(jìn)行模擬。

（1）蒸發(fā)過程。蒸發(fā)是油品中的石油烴輕組分從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)的過程，是溢油初期階段油品與大氣物質(zhì)交換的重要過程，是使油品殘留量大幅減少的重要途徑。蒸發(fā)過程與油品組分、油膜厚度以及環(huán)境狀況等因素相關(guān)。對(duì)于原油泄露，模型采用目前廣泛使用的Stiver等［13］提出的計(jì)算模式。對(duì)于柴油或汽油等燃料油泄露導(dǎo)致的蒸發(fā)損失，采用Fingas 模型［14］計(jì)算，該模型將石油及其產(chǎn)品的蒸發(fā)表示為時(shí)間、溫度和180℃時(shí)質(zhì)量蒸餾比的函數(shù)，認(rèn)為蒸發(fā)過程滿足平方根函數(shù)或?qū)?shù)函數(shù)形式。

（2）乳化過程。溢油乳化是另一項(xiàng)重要的風(fēng)化過程，指油類吸收水而形成油包水乳化液的過程。乳化使油滴體積增加2～5倍，主要受風(fēng)速、波浪、油膜厚度、環(huán)境溫度、油風(fēng)化程度等因素的影響。乳化作用通常在油膜拓展較大、厚度較薄時(shí)發(fā)生。風(fēng)浪能量打碎油膜，水滴分散到油中，形成油包水的乳化液，呈黑褐色黏性泡沫乳油狀漂浮于水面。乳化物含水率采用Mackay 等提出的乳化作用方程［15］，該方程也被其它大多數(shù)溢油模型所采用。

2.1.4 河岸吸附 河網(wǎng)地區(qū)的河道寬度普遍較小，因此溢油在自身擴(kuò)展階段就可能接觸到水陸邊界。當(dāng)溢油接觸到河岸時(shí)，有可能被河岸本身或?yàn)┩?、坑洼和植物吸附。研究表明?6］，河岸對(duì)溢油的吸附作用有三種情況：完全吸收、完全反射和部分吸收。然而，由于河岸在材質(zhì)、形狀、水力條件、植被等方面存在較大差異，對(duì)其吸收能力只能進(jìn)行粗略分析。為了簡化計(jì)算，本研究對(duì)于河岸吸附作用模擬只考慮完全吸收和完全反射兩種情況，通過假設(shè)油粒子吸附概率，判斷其吸附狀態(tài)［17］。

2.2 輸入與輸出根據(jù)以上對(duì)溢油模型對(duì)流、擴(kuò)散和風(fēng)化過程的分析，模型輸入數(shù)據(jù)包括以下幾個(gè)方面：（1）溢油事件時(shí)空特征：溢油發(fā)生時(shí)間、溢油點(diǎn)坐標(biāo)等；（2）溢油質(zhì)量及油粒子數(shù)量；（3）油品初始理化性質(zhì)，具體包括油品的初始溫度、密度、蒸發(fā)參數(shù)；（4）氣象數(shù)據(jù)，包括風(fēng)速、風(fēng)向等。

為了反映溢油對(duì)水環(huán)境的影響范圍和程度，模型輸出部分包括各計(jì)算單元的油粒子數(shù)量、質(zhì)量、體積。其中油粒子體積考慮蒸發(fā)和乳化過程的影響，其剩余體積可表示為：

式中：V0為油粒子的初始體積，m3；Vi為蒸發(fā)和乳化后油粒子的剩余體積，m3；Fvi為第i個(gè)油粒子的蒸發(fā)率；Ywi為第i個(gè)油粒子乳化物的含水率。

初始密度由用戶根據(jù)油品種類設(shè)定，考慮溫度、蒸發(fā)和乳化作用的影響。

2.3 研究區(qū)選擇太湖流域位于長江下游地區(qū)，流域面積36 900 km2，流域內(nèi)河網(wǎng)密布，湖泊眾多，水面率達(dá)17%，平原地區(qū)河道密度達(dá)3.2 km/km2，屬于典型的平原河網(wǎng)水系。為了提升流域在水資源保護(hù)、水環(huán)境治理等方面的管理水平和決策能力，經(jīng)過二十多年的研制和不斷完善，以基于雙對(duì)象共享結(jié)構(gòu)的數(shù)字流域系統(tǒng)為支撐［9］，開發(fā)了“太湖流域水量水質(zhì)決策支持系統(tǒng)”。系統(tǒng)模型庫由水文模型、污染負(fù)荷模型、水動(dòng)力模型、水質(zhì)模型組成，可對(duì)流域產(chǎn)匯流過程、污染物在陸域和水體的遷移和轉(zhuǎn)化過程進(jìn)行模擬。系統(tǒng)分別采用零維、一維和二維模型對(duì)全流域的97 個(gè)小型湖泊、952 條河道及太湖湖體進(jìn)行概化，并包含188 座閘泵工程。其中一維模型共概化河道斷面4306 個(gè)，河道總長7958 km，二維模型生成網(wǎng)格2339個(gè)。太湖流域概化河網(wǎng)及太湖計(jì)算網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 太湖流域概化河網(wǎng)及太湖計(jì)算網(wǎng)格

2.4 模型率定和驗(yàn)證以“太湖流域水資源綜合規(guī)劃數(shù)模研制項(xiàng)目”為依托［18］，采用沿長江13座水利工程、沿杭州灣3 座水利工程、望亭水利樞紐及太浦閘全年引排水量資料作為“太湖流域河網(wǎng)水動(dòng)力模型”的邊界條件，對(duì)2000年太湖及12個(gè)水位代表站、4個(gè)流量代表站的全年水位和流量過程進(jìn)行了率定，同時(shí)利用環(huán)太湖流量巡測資料和流域供、用、耗、排水量調(diào)查資料對(duì)出入太湖水量和流域水量進(jìn)行了平衡分析；此外，還利用1998、1999年水量實(shí)測和調(diào)查資料，對(duì)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。率定和驗(yàn)證結(jié)果均表明，太湖及大部分代表站的特征水位、全年水位和流量過程線預(yù)測值與實(shí)測值相差較小，各控制線水量平衡分析成果能夠反映太湖流域的水流實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀況［19］。

由于溢油事故發(fā)生具有突發(fā)性和不可預(yù)見性，尤其對(duì)于水流流向多變的河網(wǎng)水系，很難在這類地區(qū)獲得水位、流量、溢油濃度的高頻率同步觀測資料，因此，基于觀測數(shù)據(jù)對(duì)溢油模型預(yù)測結(jié)果進(jìn)行率定驗(yàn)證的難度較高。本文通過設(shè)定溢油情景的方法開展數(shù)值試驗(yàn)，重點(diǎn)對(duì)油粒子在河網(wǎng)水系遷移和分配過程的合理性進(jìn)行分析。

2.5 溢油情景設(shè)置將太湖流域河網(wǎng)水系作為溢油污染數(shù)值試驗(yàn)場景，耦合油粒子模型與“太湖流域河網(wǎng)水動(dòng)力模型”，通過設(shè)置假想溢油事件，開展全流域溢油漂移和歸宿模擬。采用流向因子判斷法模擬油粒子在河網(wǎng)水系的遷移和分配過程，分析不同典型時(shí)刻油粒子空間分布特征，探討溢油預(yù)測結(jié)果的合理性及預(yù)測方法的科學(xué)性，評(píng)估自然風(fēng)化過程和人為打撈措施對(duì)油粒子漂移和擴(kuò)散的影響。

太湖流域自2002年開始實(shí)施“引江濟(jì)太”工程，以提升流域水資源與水環(huán)境承載能力。太浦河作為“引江濟(jì)太”工程的主要輸水通道、上海和嘉興等地的重要水源地及蕪申線（三級(jí)航道）重要組成部分，同時(shí)具有泄洪、排澇、供水、航運(yùn)等多種功能，一旦發(fā)生溢油事故，將對(duì)水源地水質(zhì)及周邊地區(qū)供水安全產(chǎn)生不利影響。因此，假定在太浦河太浦閘下游約5 km 處發(fā)生貨船碰撞溢油事故，泄漏油品為柴油，泄漏量為2 t，泄漏持續(xù)時(shí)間10 min，油粒子個(gè)數(shù)5000 個(gè)。模型計(jì)算時(shí)間為2000年1月1日8∶00至2000年1月20日8∶00，假設(shè)溢油事件發(fā)生在1月1日10∶00，時(shí)間步長5 min。

3 結(jié)果與討論

按上述設(shè)定的溢油情景開展河網(wǎng)突發(fā)溢油污染模擬。首先，以某一節(jié)點(diǎn)為例，分析油粒子運(yùn)動(dòng)至河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)后的流動(dòng)去向，驗(yàn)證出流河道油粒子數(shù)量與出流流量大小的關(guān)系。圖2為2000年1月5日油粒子漂移至某河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)處，并隨水流繼續(xù)向下游漂移的過程。如圖2所示，油粒子在1月5日00∶00 運(yùn)動(dòng)至太浦河與4條支流交匯形成的節(jié)點(diǎn)，隨后一部分油粒子沿太浦河繼續(xù)向下游運(yùn)動(dòng)，另一部分油粒子沿支流2運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，支流1、支流3和支流4均為入流河道，太浦河及支流2為出流河道，兩條河道的油粒子數(shù)量分別為1683 個(gè)和114 個(gè)，流量分別為297.3 m3/s 和20.3 m3/s。由此可見，出流河道油粒子數(shù)量與其流量大小成正比，說明流向因子判斷法能夠以出流河道流量為權(quán)重，正確模擬油粒子在河網(wǎng)水系的遷移和分配過程。

圖2 油粒子在河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的遷移和分配

對(duì)于復(fù)雜河網(wǎng)水系，由于其河流寬度普遍比較狹窄，加之油膜在溢油初始階段的機(jī)械擴(kuò)展速度較快，可以在溢油后的較短時(shí)間內(nèi)沿河寬方向擴(kuò)散均勻，因此，油粒子沿出流河道的漂移數(shù)量與出流河道寬度成正比，即出流河道寬度越大，向該河道漂移的油粒子數(shù)量越多。此外，出流河道流速大小也是影響油粒子漂移方向的關(guān)鍵因素，即出流河道流速越大，油粒子向該河道漂移的概率越高。同時(shí)，河網(wǎng)地區(qū)各河道水深通常相差不大。因此，綜合考慮油粒子流向概率與河寬、流速及水深的關(guān)系，以出流河道流量為權(quán)重判斷油粒子流向的方法是合理的。

目前，油粒子模型在河流溢油污染模擬中開展了一些應(yīng)用研究［20］，取得了較好的預(yù)測效果，但是在油粒子漂移方向判斷上，其與現(xiàn)有應(yīng)用于海洋、海岸等開敞水域的油粒子模型并無本質(zhì)區(qū)別，也是基于二維或三維水動(dòng)力模型的流場預(yù)測結(jié)果，按照對(duì)流方程計(jì)算其漂移軌跡，仍然無法應(yīng)用于眾多河流交匯形成的復(fù)雜河網(wǎng)水系，使油粒子模型的應(yīng)用場景受到一定限制。本研究通過定義出流河道流向因子及其判斷區(qū)間，在流向概率與流量大小間建立聯(lián)系，從實(shí)際預(yù)測效果來看，較好地解決了一維河網(wǎng)水動(dòng)力模型預(yù)測結(jié)果無法決定油粒子漂移方向的問題。

為了進(jìn)一步分析自然風(fēng)化過程對(duì)溢油漂移和歸宿預(yù)測的影響，將不同典型時(shí)刻油粒子的空間分布繪于圖3。如圖所示，在溢油發(fā)生的初始階段，由于各支流流向大部分為流入太浦河，因此，從1月1日10∶00 到1月5日00∶00，油粒子總體隨水流沿太浦河向下游移動(dòng)，部分溢油短時(shí)間進(jìn)入支流，最終又匯入太浦河，因此形成了兩條溢油帶，總長度約為900 m（圖2（a）），在蒸發(fā)和河岸吸附等風(fēng)化因素的作用下，油粒子總質(zhì)量減小為854 g，相對(duì)于初始質(zhì)量減少了57%。隨后，油粒子開始向周邊河網(wǎng)水系擴(kuò)散，進(jìn)入太浦河支流，影響范圍逐漸擴(kuò)大（圖2（b））。1月8日11∶00 溢油進(jìn)入攔路港，此時(shí)距事故發(fā)生169 h，油粒子總質(zhì)量為528 g。1月9日13∶00 油粒子進(jìn)入黃浦江，總質(zhì)量進(jìn)一步減至398 g。最后，受上游徑流和下游潮汐的雙重影響，溢油沿黃浦江往復(fù)震蕩并逐漸向下游入江口漂移。

圖3 典型時(shí)刻油粒子空間分布

除了自然風(fēng)化過程，人為打撈措施也是影響油粒子漂移和擴(kuò)散的重要因素，模型通過設(shè)置打撈范圍和打撈率，模擬圍油欄、吸油氈、消油劑等溢油回收和消除措施。假設(shè)在溢油事故發(fā)生24 h 后采取打撈措施，打撈率設(shè)置為50%。圖4為溢油打撈情景下典型時(shí)刻油粒子空間分布圖，由圖可見，油粒子進(jìn)入攔路港和黃浦江的時(shí)間與未采取打撈措施的方案幾乎沒有差別，進(jìn)一步說明對(duì)流過程是控制溢油在河網(wǎng)水系輸移的主導(dǎo)因素。從油粒子空間分布來看，打撈措施對(duì)減少局部水體的油粒子數(shù)量有較大影響，并且該影響隨著溢油輸移范圍的擴(kuò)大而增強(qiáng)。

圖4 溢油打撈情景下典型時(shí)刻油粒子空間分布

4 結(jié)論

近年來，油粒子模型在溢油輸運(yùn)和歸宿模擬方面獲得了巨大成功，已被廣泛應(yīng)用于海洋、海灣等開敞水域的二維、三維溢油數(shù)值模擬。然而，由于河網(wǎng)地區(qū)的水流運(yùn)動(dòng)模擬通常采用一維水動(dòng)力模型，導(dǎo)致現(xiàn)有的油粒子模型不能與其耦合，無法在河網(wǎng)水系開展溢油污染模擬。本研究通過定義河道流向因子及其判斷區(qū)間，確定油粒子運(yùn)動(dòng)至河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)處的流動(dòng)去向，開發(fā)了一種能夠與一維河網(wǎng)水動(dòng)力模型耦合的油粒子模型。通過在太湖流域開展溢油數(shù)值試驗(yàn)，分析了自然風(fēng)化過程和人為打撈措施對(duì)油粒子漂移和擴(kuò)散的影響。結(jié)果表明，流向因子判斷法能夠正確模擬油粒子在河網(wǎng)水系的遷移和分配過程，基于該方法開發(fā)的油粒子模型適用于水流條件多變的復(fù)雜河網(wǎng)水系，可對(duì)溢油在該類地區(qū)的擴(kuò)散范圍及其水質(zhì)影響進(jìn)行科學(xué)評(píng)估。目前，該研究成果已成功集成于《太湖流域水環(huán)境綜合治理總體方案》重點(diǎn)項(xiàng)目“太湖流域水資源監(jiān)控與保護(hù)預(yù)警系統(tǒng)”，具備了在該流域開展溢油污染模擬的應(yīng)用條件，為提升復(fù)雜河網(wǎng)水系突發(fā)水污染預(yù)警與決策的科學(xué)水平提供了有力的技術(shù)支撐。