重庆主城区江段溢油模型及数值试验研究＊

张 帆 黄立文 邓 健 王 祥

(武汉理工大学航运学院1) 武汉430063) (长江海事局2) 武汉 430016)

0 引 言

三峡成库后,水流明显趋缓,横向扩散系数降低,污染带加宽,水体稀释自净能力大大减弱,三峡库区的污染问题引起各方面的广泛关注.同时,随着航道条件的改善,三峡库区船舶数量增多,油品运量逐年增长.因船舶操作不当、码头装卸操作不当和水上交通事故造成的溢油风险增大.

溢油数值模拟能够预测溢油在漂移过程中的行为状态及归宿,为应急决策评估提供依据,是应急决策中的重要组成部分.本文在对三峡库区重庆主城区江段水动力数值模拟的基础上,研究了船用柴油泄漏后的行为与归宿,并结合溢油模拟结果提出相应的溢油应急对策,以期为重庆主城区江段溢油事故的防污应急及清污工作提供决策支持.

1 三峡库区主城区江段水动力数值模拟

1.1 控制方程

本研究采用荷兰 Delft水力研究所的Delft3D数学模型进行区域河流的数值模拟[1].模型的控制方程如下.

沿水深积分的连续方程为

ξ和η方向的动量方程为

1.2 水动力模拟计算范围及计算条件

重庆城区江段包括长江干流和支流嘉陵江其走势见图1.本次数学模型计算范围长江上边界为九龙坡-(长江上游航道里程672 km)断面,下边界为铜锣峡-(长江上游航道里程643 km)断面,嘉陵江取黄花园大桥断面,计算区域内河道总长约30 km.模型计算采用正交曲线网格进行概化,它可较好地拟合边界,提高计算精度.模型计算地形采用2007年12月陆上电子平板测图和水下数字化测图,由原始的实测点数据在网格点上插值获得,在原始样点数据较多、密度较大的区域采用平均插值法,在原始数据相对较少的区域采用三角插值.对计算区域内滩地干湿过程,采用干湿网格判别法处理,即当某点水深小于一浅水深0.005 m时,令该处流速为零,滩地干出,当该处水深大于0.01 m时,参与计算,江水上滩.

图1 重庆市主城区江段走势图

2 溢油模型

本研究主要考虑了溢油扩展、溢油蒸发和岸壁吸附3个过程,其分别采用的参数化模型如下.

2.1 溢油扩展过程

油膜的扩展过程采用Lehr提出的油膜椭圆扩展模型[2]进行计算.油膜椭圆扩展模型考虑了流场及风场对油膜扩散的影响,认为油膜成椭圆形扩展,椭圆长轴在风和流场的合成方向上.

式中：S为油膜在时间步长Δt的位移;S0为溢油位置;v为油膜漂移速度;vc,vw分别为水体表面流速和风速;α为风因子,一般取0.02～0.03.

2.2 溢油蒸发过程

溢油蒸发过程用Stiver&Mackay(1984)式计算[3]：

2.3 岸线吸附过程

当油膜抵达岸边,岸线对油膜进行吸附和解吸.模型对不同岸线设定不同的吸附概率[4]计算油膜被岸线的吸附量.

3 溢油数值模拟试验

油膜在河流中的行为和归宿受到溢油的位置、溢油量的大小、油品自身的理化特性、河道水流和风等多因素的影响,会发生复杂的漂移、风化等过程[4].

3.1 溢油模拟试验方案设计

为检验溢油模型的效果,本文针对与船舶发生操作性溢油和事故性溢油两大类情况进行了模拟研究[5-6],由于目前原油运输主要经管道运输,所以目前溢油的品种主要考虑船用柴油.设计4种模拟试验方案见表1(风向N,风速2 m/s).

3.2 水动力场模拟结果分析

试验方案1模拟流场见图2.由图2可见,在该试验方案条件下重庆主城区江段河流呈天然状态,其中上游江段由于九坑子和珊瑚坝的作用,局部流速较大,达1 m/s以上,最大流速2.1 m/s.其他水域流速一般较小,两江汇流水域及朝天门以下江段流速最大流速均低于0.8 m/s,平均流速在0.2～0.4 m/s之间.重庆江段计算区域局部流场见图3～9.

表1 溢油模拟试验方案

图2 方案1模拟流场

图3 方案3模拟流场

图4 方案1溢油运动轨迹(4 h后)

图5 方案2溢油运动轨迹(4 h后)

图6 方案3溢油运动轨迹(4 h后)

图7 方案4溢油运动 轨迹(4 h后)

由图3可见,在该试验方案3条件下寸滩水位达174.08m,重庆主城区河道宽度加宽,河道主槽内流速一般约3.5 m/s,其中上游江段河道主槽流速较大,这是由于7、8月份长江上游来水量大,重庆主城区江段此时处于天然河道状态.由于嘉陵江来水量较大,两江汇流后朝天门以下江段流速增大.

3.3 数值试验溢油模拟效果分析

对于试验结果分析后得出以下结论.

1)泄漏油品存在时间分析 航道中的溢油,泄漏后溢油主要沿河道中主流流向运动,不同流速对重庆段轻质汽油的蒸发有一定的影响,但影响不大,一般蒸发时间约为2～3 h.

2)泄漏油品污染面积及污染带长度分析航道中发生溢油事故后,其溢油运动距离与水流流速直接相关.重庆段上游属于三峡库区自然航段,除枯水期外流速一般较大,随着长江上游来流的增大,油膜运动距离增大,污染范围扩大.从上述模拟结果来看枯水期流速较缓时发生溢油事故其水上运动距离为6 km,当流速较大时其水上运动距离为20 km(从长江上游航道里程674 km运动到长江上游航道里程645 km处仅需2.5 h).

图8 方案1溢油归宿

图9 方案4溢油归宿

4 结束语

在DELFT的水动力模型和相关溢油漂移扩散模型基础上,建立了三峡库区重庆主城区段溢油模型,通过对与不同水位条件下、不同泄露地点和不同泄露量的数值模拟试验,表明模型能够适用于三峡库区山区河段的溢油数值模拟,其结果分析对于溢油污染的防治也有良好的指导意义.

[1]Hamrick J M.A three-dimensional environmental fluid dynamics computer code：theoretical and computational aspects[R].Special Report No.317 in Applied Marine Science and Ocean Engineering,1992.

[2]Lehr W J,Cekirge H M,Fraga R J.Empirical studies of the spreading of oil spills[J].Oil and Petrochemical Pollution,1984(2)：7-12.

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[6]娄安刚,王学昌,孙长青.胶州湾海面溢油轨迹的数值模拟[J].黄渤海海洋,2001,19(1)：1-8.