整治航段江面溢油对取水口的风险预测

李 森，逄 勇, 2，罗 缙, 2

(1.河海大学环境学院，南京 210098；2.河海大学 浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，南京 210098)

伴随内河航运的蓬勃发展，安全隐患逐渐凸显出来。其中，溢油事件屡见不鲜，给社会生活发展带来巨大损失之余还会对生态环境带来毁灭性的打击。溢油污染事故往往是突发性的，是由船舶发生碰撞、搁浅或机械故障等意外原因导致，事故发生后极易造成船舱内的燃料油或运载油品泄漏，加大内河取水口的安全隐患，引发水源地供水的环境风险，严重地影响了人们正常的生产与生活。构建数值模型对溢油事故进行预测分析是当前盛行的研究方法。尽管国内外在溢油风险的模拟预测方面日趋成熟，但相比较广阔的海域，针对内河水域的溢油风险研究并没有引发足够的重视[1～4]。然而，各江河流域的溢油事故频发，事故的防控面临巨大的挑战，构建相关数值模型研究溢油在水体中的迁移变化已成为了需要迫切关注的热点问题。如研究者[5～7]通过建立感潮河流溢油模型，精准地模拟演示了黄浦江“8.5”特大溢油事故，对油膜漂移扩散的距离及范围进行了预测分析；祁佩时等[8]通过建立松花江丰水期溢油模型，分析了河道溢油模型中油粒子的运动状态及油膜污染情况，同时发现了河流形态特征会对油膜的运动过程产生影响；宋泽坤等[9]通过建立长江口-杭州湾潮流数学模型，基于MIKE21溢油模块预测分析了取水口油膜运行轨迹及厚度与时间的变化关系。因此，面对如此严峻的环境挑战，溢油事故风险预测已成为行之有效的防范措施，同时，利用溢油模型研究[10～12]相关水域溢油事故发生后对水源地取水安全的影响，具有十分重要的现实意义。

为此，本文将基于闽江水口至沙溪口航道整治工程，假定江面溢油事故发生地点，运用二维非稳态水环境数值模拟，建立相应的水动力模型，并在基础上采用“油粒子”模型[13]理论对水源地取水口的溢油风险进行预测分析，对此可提出相应的防护措施。

1 研究区域

闽江是福建省也是我国东南沿海的最大一条河流，而沙溪为闽江的主流，至沙溪口与富屯溪汇合。闽江水口至沙溪口航道整治工程正位于闽江干流的上游、沙溪干流的下游，从水口水电站至沙溪口，航道全程约114.66km，共分为闽江干流水口至延福门航段和延福门至沙溪口铁路桥航段两部分。河段航道通过渠化已基本达到维持航道水深、改善流速流态的作用。本次工程在现有航道基础上增深、拓宽，以疏浚、炸礁工程为主。研究区域位置分布图见图1。

图1 研究区域Fig.1 Studied area

2 研究方法

2.1 二维非稳态数学模型

2.1.1 水动力模型基本方程

本文水动力计算采用质量与动量守恒型平面二维方程组，公式为[14]：

(1)

横向应力Tij包括粘滞阻力、紊流摩擦阻力和差动平流摩擦阻力，可用垂向流速平均的涡粘方程来计算：

(2)

2.1.2 溢油模型基本方程

“油粒子”模型是溢油预测常用的数学模型，主要思路是利用拉格朗日的性质追踪进入水体的油粒子。大量离散的具有一定油量的油粒子集合形成油膜分子，通过相关数学公式建立油粒子位置和组分的变化关系，模拟水中油膜在扩展、漂移、扩散等输移过程中的组分恒定和蒸发、溶解、乳化等风化过程中的组分变化状态，从而能够准确地预测油膜的运动轨迹、厚度以及分析运动过程中油膜表面含水率等理化性质的变化情况[15]。

该计算模型针对油膜运动过程，综合考虑多因素的相互作用，已成功应用于长江、闽江等内河水域[13,16]，因此本文在水动力提供基础数据的条件下对油粒子模型进行了直接应用。

其中，输移过程是导致油粒子位置移动的主要原因，模型采用修正的费伊公式进行油膜扩展计算；漂移计算受水流和风应力影响，主要由油粒子总漂移速度决定；扩散方程主要是计算单位时间步长内某一方向上的距离。除此之外，风化过程则是模型预测中油粒子组分发生变化的重要原因，主要包括蒸发、溶解和形成乳化物等过程。以下为相关方程[17～19]：

(1)扩展运动

(3)

(2)漂移运动

Utot=cwz·Uw+Us

(4)

其中Uw为水面以上10m处的风速；Us为模型流场提供的表层流速；cw为风漂移系数，一般在0.03和0.04之间。

(3)紊动扩散

(5)

(4)蒸发过程

(6)

(5)溶解过程

(7)

(6)乳化过程

(8)

2.2 地形概化及网格建立

本次工程构建的是沙溪口至水口水电站航段水环境模型。模型的水下高程数据采用最新地形，由福建省港航管理局勘测中心提供的台江大桥至沙溪口1∶1 000测图(2015年5～6月和2008年7月测图)和沙溪口至水口水库1∶1000测图(2015年5～6月和2006年11月测图)。模型计算基面统一至85国家高程。

模型计算采用能够较好地模拟流场的非结构三角形网格。网格边长约50m，部分深窄河道进行加密，局部加密到15m左右，共划分节点37 445个、网格68 870个，模型计算时间为△t=30s。

2.3 模型率定及验证

水动力模型的上边界可取沙溪口水电站下泄流量，而水口坝上同期平均库水位可作为模型下边界。其他支流边界可取多年平均流量；降雨蒸发及风场资料均来源于沙溪地区水文测站资料。

根据2015年8月28日14∶30～17∶30监测的沙溪口坝下至南平延福门实时同步水文监测资料，选定了4个监测断面和12个监测点位实施监测，用收集到的同步水文监测资料对建立的沙溪口至水口电站二维模型进行水动力率定，同时使用2016年2月26日二次监测结果进行水位验证。各监测点位、断面位置分布情况见图2，相关参数率定结果见表1和表2。，水位验证结果如图3所示。“Z”代表左岸，“Y”代表右岸，1#和2#监测断面位于鲤鱼洲左右两汊。

图2 航道主要工程段及监测点位、断面位置分布图Fig.2 Main sections of the channel and monitoring points, section location distribution

测次测点距沙溪口电站距离(km)绝对误差(m)测次测点距沙溪口电站距离(km)绝对误差(m)Z1065021Y1055004Z2135024Y2135003Z3217014Y3275013Z4280016Z5362002Z6466001Z7762009Z81010013Z91353025

表2 各断面流量、流速参数率定结果Tab.2 Parameter calibration results of cross-section flow, and flow rate (%)

根据率定得到的闽江航道糙率系数为0.025～0.031；风拖曳系数为0.001～0.001 5，由率定结果可以看出，二维模型计算结果的水位绝对误差最大为0.25m，流量相对误差最大为13.19%，流速相对误差最大为4.76%，而1#和2#监测断面的分流比实测为1.1∶1，模拟结果为1.4∶1，误差基本满足要求。

图3 监测点位水位验证结果Fig.3 Water level verification results of monitoring points

而通过对左右两岸监测点位水位的验证，计算水位值与实测值吻合较好，误差基本满足要求。根据以上率定验证结论可以表明，水动力模块参数设置合理，模型稳定性好，能够模拟整治工程段航道的水流特性。

3 溢油事故风险评价

3.1 风险因子识别

类比其它河道航段治理工程，底泥疏浚、清理石渣实施过程中，水上运输船只和施工船只较多，可能导致局部河段事故风险的发生概率上升，而本工程运输物品中无有毒、有害物质，也无可燃、易燃物质，事故风险主要来源为突发性事故溢油引起的水质污染。因此，本工程风险物质为船用燃料油。

3.2 源强及溢油地点确定

根据航道等级及施工船型调查可知，目前船舶等级为500t级以下甲板驳船，通过油舱容积及油料密度可计算得到500t船舶的最大单舱载量约为30t。假定货运船舶与进出航道线的施工船舶发生碰撞等风险事故，单舱载量全部泄漏，源强取值为30t/次。

施工期应主要考虑距离敏感区、工程区较近，且水文情势复杂等易于发生溢油的地方，该航段有新建村取水口和双塔铁路附近取水口两处水源地取水口敏感区域，结合整治工程和通航情况，共选取3处溢油点，溢油点1#位于鲤鱼洲沙溪口坝下工程段附近，溢油点2#位于水南大桥附近疏浚、炸礁区，溢油点3#位于双塔铁路大桥附近疏浚、炸礁区，具体位置详见图2。

3.3 溢油模块建立

结合工程实际情况，本文溢油模拟选择燃料油为代表物质，预测以静止点源的形式持续释放10min进行计算。从偏安全角度考虑，本工程计算采用沙溪口90%保证率最枯月平均下泄流量代表本河段流量。选取静风状态、常风向(西风)1.3m/s和强风向(不利风向)5m/s时的溢油事故模拟对取水口造成的影响，风速取值考虑本区域南平测站多年统计资料。各种设计方案见表3。

表3 溢油设计方案Tab.3 Oil spill design

3.4 溢油计算结果及分析

施工期各溢油点在设计方案下泄漏后，追踪72h内各时刻(以h为单位)油粒子到达的最远点，相应的油膜累积影响水面面积及油膜漂移最远距离，见表4。表5给出了各方案溢油对取水口敏感目标的影响过程和结果，同时绘制了各方案不同时刻溢油运行轨迹图，见图4。

表4 各溢油点泄漏后72小时内油膜累积影响水面面积统计表Tab.4 The accumulation influence of oil film on the surface area within 72 hours after the spill point leaks

表5 各溢油点泄漏后对取水口敏感区的影响结果表Tab.5 The impact of spill point on the sensitive area of the water intake

图4 同一溢油方案不同时刻油膜轨迹图Fig.4 Oil film trajectory at different time of the same oil spill schedule

通过以上结果可以看出：

(1)静风状态下(方案1、4、7)的溢油风险模拟，油粒子皆是沿水流方向进行漂移过程，流场条件作为内河江面溢油的主要影响因素；

(2)有风场条件加入(例：方案1与方案2、3对比)下的溢油风险模拟，风场作用会加速油粒子的运动，有助于扩大漂移距离，但从实际角度考虑，狭长弯曲的河道走向、凹凸不平的河流岸滩以及复杂交错的河道水系等江河溢油的特点，油粒子漂移到一定距离会在流场和风场的综合作用下易紧贴岸边运动并最终被河岸吸附；

(3)溢油发生位置(例：方案2、方案5、方案8对比)以及风况条件(例：方案1、方案2、方案3对比)的不同对下游取水口的风险影响结果也不同，由此，水源地采取应急处理措施的准备时间及影响取水的时间也会有所不同；

(4)当1#溢油点发生事故时，新建村取水口、取水口(双塔铁路附近)等两个取水口敏感区域可供准备应急措施的最短时间分别为6.7h、7.8h，水源地影响供水的最长时间分别为15.5h、7.4h；当2#溢油点发生事故时，取水口(双塔铁路附近)敏感区域可供准备应急措施的最短时间为1.2h，水源地影响供水的最长时间为2.4h；当3#溢油点发生事故时，取水口(双塔铁路附近)敏感区域可供准备应急措施的最短时间为0.2h，水源地影响供水的最长时间为2.3h。

4 结 论

在一定区域发生相关溢油事故时，可能会对航段内下游取水口水质造成污染，通过二维非稳态数学模型可以实现对取水口的溢油风险预测，可统计一段时间内油膜累积污染水面面积以及油膜漂移的最远距离，同时计算得出最快到达取水口的时间、污染油膜厚度以及持续污染的时间。

为了确保取水安全，各有关部门应协同建立防污应急联动机制，制定切实可行的溢油风险应急计划，一旦污染事故发生，应当立即启动相关应急预案停止取水，充分利用应急设施等控制、消除溢油对环境的影响程度，同时加强水口的水质监测，待水质监测稳定达标后，即可恢复取水，最大限度地减少施工事故污染对水域水源地的灾害性损失。

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