沈越，張健，黃一

（1.江西省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，江西南昌，330039；2.江西省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究與規(guī)劃院，江西南昌，330039）

0 引言

贛江是江西省主要的河流運(yùn)輸通道，水路貨運(yùn)量較大。隨著贛江新干至南昌段二級(jí)航道、區(qū)域內(nèi)綜合性水利樞紐、碼頭等工程建設(shè)的加快推進(jìn)，如何協(xié)調(diào)贛江水生態(tài)環(huán)境安全與航運(yùn)、水利發(fā)展成為當(dāng)前的現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)。

溢油事故產(chǎn)生的石油類污染物會(huì)影響水環(huán)境質(zhì)量，危害區(qū)域水生生態(tài)［1-4］。目前對(duì)于現(xiàn)有水文條件多變的尾閭河流溢油事故研究較少［5-7］，為了更好地應(yīng)對(duì)突發(fā)溢油事故風(fēng)險(xiǎn)，需預(yù)判在不利水文及氣象條件下的油膜分布位置和停留時(shí)間［8，9］，為內(nèi)河溢油事故發(fā)生時(shí)的有效快速處置提供技術(shù)手段。本文在區(qū)域典型水文特征及氣象條件下，采用 MIKE21 模型預(yù)測(cè)軟件建立二維溢油擴(kuò)散模型［10］，以預(yù)測(cè)船舶碰撞情況下油膜的可能影響范圍［11］。預(yù)測(cè)研究結(jié)果可為內(nèi)河溢油環(huán)境決策和應(yīng)急處置提供技術(shù)支持。

1 模型計(jì)算原理

1.1 水動(dòng)力基本方程

笛卡爾坐標(biāo)系下二維水動(dòng)力控制方程可用如下公式表示：

連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

式中：t表示時(shí)間；x,y是笛卡爾坐標(biāo)；η表示水位；h表示總水深；和表示水深平均的值；Q表示點(diǎn)源的排放量；ρ表示水的密度；f=2Ωsinφ表示Coriolis 因子（? 是地球自轉(zhuǎn)的角速度，?是地理緯度）；s xx,sxy和為radiation 應(yīng)力張量；g表示重力加速度；pa表示大氣壓；ρ0表示水的相對(duì)密度；(u s,vs)表示外界排放到環(huán)境水體的速率。

橫向應(yīng)力Tij可用垂向流速平均的渦粘方程來(lái)計(jì)算：

1.2 溢油模型

1.2.1 輸移過(guò)程

（1）擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)

式中Aoil為油膜面積，Aoil=π，Roil為油膜直徑；t為時(shí)間；Ka為系數(shù)。油膜體積為：Voil=?π?hs。

初始油膜厚度：hs=10cm

（2）漂移運(yùn)動(dòng)

油粒子漂移的作用力是水流和風(fēng)拽力，油粒子總漂移速度由以下權(quán)重公式計(jì)算：Utot=cw（z）·Uw+Us。

其中Uw為水面以上10m 處的風(fēng)速；Us為表面流速；cw為風(fēng)漂移系數(shù)，一般在0.03 和0.04 之間。

其中，V(z)為對(duì)數(shù)流速關(guān)系；z為水面以下深度；kn為Nikuradse 阻力系數(shù)；κ為馮卡門常數(shù)（0.42）；Uf

其中Vmean為平均流速。

（3）紊動(dòng)擴(kuò)散

其中，為-1 到1 的隨機(jī)數(shù)，Dα為α方向上的擴(kuò)散系數(shù)。

1.2.2 風(fēng)化過(guò)程

1.2.2.1 蒸發(fā)

蒸發(fā)率可由下式表示：

式中，N為蒸發(fā)率；PSAT為蒸汽壓；ke為物質(zhì)輸移系數(shù)；R為氣體常數(shù)；ρ為油組分密度；T為溫度；M為分子量；i為各種油組分。kei由下式估算：

其中，Sci為組分i 的蒸氣Schmidts 數(shù)；k為蒸發(fā)系數(shù)。

1.2.2.2 乳化

（1）形成水包油乳化物過(guò)程

從油膜擴(kuò)散到水體中的油分損失量計(jì)算：

其中，Da是進(jìn)入到水體的分量；Db是進(jìn)入到水體后沒(méi)有返回的分量，公式如下：

其中，row為油-水界面張力；μoil為油的黏度。

（2）形成油包水乳化物過(guò)程

R1和R2分別為水的吸收速率和釋出速率：

其中：K1、K2分別為吸收系數(shù)和釋放系數(shù)；yw為實(shí)際含水率；為最大含水率；As為油中瀝青含量（重量比）；Wax為油中總石蠟含量（重量比）。

1.2.2.3 溶解

溶解率用下式表示：

其中為組分i 的溶解度；為組分i 的摩爾分?jǐn)?shù)；Mi為組分i的摩爾重量；Ksi為溶解傳質(zhì)系數(shù)，由下式估算：Ksi= 2.36·10-6ei。

2 模型構(gòu)建

構(gòu)建贛江二維非穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型，水下高程利用帶有高程數(shù)據(jù)的GoogleEarth 地形圖及樟樹(shù)-吳城贛江實(shí)際地形圖的地形數(shù)據(jù)。模型范圍如圖1 所示。

圖1 贛江二維模型計(jì)算范圍圖

模型初始水位的設(shè)定為贛江平均水位值（來(lái)自水文年鑒）；模型上邊界流量輸入為樟樹(shù)水文站逐日實(shí)測(cè)流量；模型下邊界水位輸入為吳城、蔣埠、樓前、滁槎水位站逐日實(shí)測(cè)水位；模型劃分為8341 個(gè)三角計(jì)算網(wǎng)格；模型計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為Dt=600s，全年計(jì)算總時(shí)長(zhǎng)為365 天。

3 研究區(qū)域概況及事故地點(diǎn)選擇

本研究模擬范圍為贛江南昌段市汊至下游贛江四支入鄱陽(yáng)湖湖區(qū)，共計(jì)約101.2km 的贛江河段。河段內(nèi)外洲水文站歷年洪水最大流量為20400m3/s，歷年枯水最小流量為172m3/s，多年平均流量為2114m3/s。河道中最大流速為18.3m/s，最小流速為0.12m/s，平均流速為0.4m/s。根據(jù)南昌市多年的氣象統(tǒng)計(jì)資料，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)或東南風(fēng)，冬季主要風(fēng)向是北風(fēng)或西北風(fēng)。夏季平均風(fēng)速為3.4m/s，冬季平均風(fēng)速為4.2m/s。

因評(píng)價(jià)范圍內(nèi)規(guī)劃實(shí)施的贛撫航道整治工程中市汊船閘改建和南昌水利樞紐的建設(shè)可能存在船舶碰撞溢油事故風(fēng)險(xiǎn)，所以設(shè)置市汊、揚(yáng)子洲頭、焦嘰洲頭及南昌水利樞紐規(guī)劃建設(shè)區(qū)域?yàn)槟M溢油事故發(fā)生地，詳見(jiàn)表1 所示。考慮出現(xiàn)最不利情況下的較大溢油事故，按照燃料油單艙全部泄漏考慮，即溢油源強(qiáng)最大為30t/次，泄露時(shí)間持續(xù)半小時(shí)。預(yù)測(cè)區(qū)域內(nèi)涉及的飲用水源地見(jiàn)表2。在枯水期水文條件下，從環(huán)保最不利因素角度考慮，選取區(qū)域風(fēng)向和風(fēng)速5m/s 時(shí)溢油事故，分析船舶溢油事故發(fā)生后油膜的分布特征和到達(dá)時(shí)間。

表1 施工發(fā)生地對(duì)敏感點(diǎn)不利情況下的釋放點(diǎn)信息表

表2 贛江飲用水源地信息表

4 模型參數(shù)率定

選取贛江豐城站、市汊站、外洲站、南昌站4 個(gè)水位站作為水動(dòng)力參數(shù)率定點(diǎn)位。模型計(jì)算結(jié)果的水位絕對(duì)誤差不超過(guò)20cm，率定得到贛江河道的糙率為0.037，風(fēng)拖曳系數(shù)為0.001，因此本次所建模型能夠較好地反映計(jì)算區(qū)域的水動(dòng)力特征。

5 預(yù)測(cè)結(jié)果及分析

5.1 贛江主航道發(fā)生溢油事故對(duì)南昌城區(qū)段飲用水源地影響分析

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，泄漏事故發(fā)生后油膜受水流及風(fēng)速影響飄移，到達(dá)取水口時(shí)間、最大油膜厚度及在飲用水水源地一級(jí)保護(hù)區(qū)停留時(shí)間（油膜到達(dá)取水口上游1000 米至油膜完全離開(kāi)取水口下游500 米）見(jiàn)表3。油膜到達(dá)各敏感目標(biāo)時(shí)的擴(kuò)散范圍見(jiàn)圖2。

表3 贛江施工期溢油事故發(fā)生后對(duì)敏感目標(biāo)影響計(jì)算結(jié)果表

圖2 贛江主航道事故點(diǎn)油膜擴(kuò)散范圍圖

市汊位置發(fā)生溢油事故時(shí)，對(duì)下游岡上鎮(zhèn)長(zhǎng)湖村、昌南、紅角洲、青云、朝陽(yáng)、長(zhǎng)堎/牛行這6 個(gè)水源地（1 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)5 個(gè)縣級(jí)）產(chǎn)生了影響，影響下游最遠(yuǎn)處為長(zhǎng)堎/牛行水源地（未到取水口），油膜最終消失在長(zhǎng)堎/牛行水廠取水口上游約500 米處。由圖2 可知，市汊位置發(fā)生溢油事故時(shí)，對(duì)下游岡上鎮(zhèn)和昌南水源地產(chǎn)生影響；揚(yáng)子洲頭發(fā)生溢油事故時(shí)，對(duì)城北及雙港水源地產(chǎn)生影響；焦嘰頭發(fā)生溢油事故時(shí)，對(duì)下游的黃渡村水源地產(chǎn)生影響。其中，由于城北及雙港水源地距離揚(yáng)子洲頭較近，因此比其他水源地受影響程度大，油膜厚度達(dá)50~70mm，其他水源地受影響相對(duì)較小。

5.2 贛江四支規(guī)劃南昌樞紐發(fā)生溢油事故對(duì)鄱陽(yáng)湖區(qū)影響分析

贛江四支規(guī)劃南昌樞紐泄漏事故發(fā)生后油膜受水流及風(fēng)速影響飄移，到達(dá)鄱陽(yáng)湖口處的時(shí)間分別為4.7h、19.5h、14h、3.5h，到達(dá)鄱陽(yáng)湖入湖口處時(shí)間、最大油膜厚度及在湖區(qū)停留時(shí)間結(jié)果如表4 所示。事故發(fā)生后油膜運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3 所示。

表4 贛江四支規(guī)劃南昌樞紐溢油事故發(fā)生后對(duì)鄱陽(yáng)湖影響計(jì)算結(jié)果表

圖3 贛江四支事故點(diǎn)油膜擴(kuò)散范圍圖

6 結(jié)論

應(yīng)用MIKE21 模型能客觀反映贛江南昌段油膜擴(kuò)散的時(shí)空分布。用水文的實(shí)測(cè)值對(duì)模型進(jìn)行率定，水文誤差值不超過(guò)30%，表明模型模擬精度較高，能夠較好地模擬油膜擴(kuò)散過(guò)程，為內(nèi)河溢油研究提供一定的參考價(jià)值。

贛江四支規(guī)劃南昌樞紐溢油施工事故情況對(duì)下游鄱陽(yáng)湖區(qū)影響較大，因此本次模擬從偏安全角度考慮，選取不利風(fēng)向和風(fēng)速情況，預(yù)測(cè)一旦發(fā)生溢油事故，相關(guān)部門應(yīng)在3.5h 內(nèi)完成應(yīng)急響應(yīng)工作，控制溢油擴(kuò)散面積，減少其危害。同時(shí)，因贛江為南昌城區(qū)單一飲用水來(lái)源，應(yīng)加強(qiáng)備用水源地建設(shè)。