长江宜都港区溢油风险数值模拟

游立新，龙艺晴，尹倩瑜

(中交第二航务工程勘察设计院有限公司，武汉 430060)

水体的油类污染通常来自于突发性石油泄漏，包括操作性泄漏和事故性泄漏[1]，此类溢油事件造成的环境污染会降低水体使用价值与生态系统服务功能[2-4]；此外，溢油的发生会导致直接或间接接触油污染水体的鸟类、水生生物大量死亡或累积毒素，并最终通过食物链传递危害人类健康[5-7]，构建溢油事故风险预测模型可为溢油发生后的应急处置提供决策依据。

由于海上溢油事故频发且影响范围广，目前国内外对海洋溢油数值模拟的研究较多，对江河湖泊淡水生态系统的相关研究较少[8-11]；但淡水生态系统相较海洋生态系统更封闭，与人类所需的地表水、地下水关联密切，尤其在水运发达地区，油污染对人类健康的影响更直接，其威胁不容忽视。江河航道断面狭窄、流速大，航运多，一旦发生溢油事故，污染速度很快[12]，需采取及时的应急响应措施。

溢油模型依据计算原理的不同分为三类：油膜扩展模型、对流扩散模型和油粒子模型。油膜扩展模型的研究始于Blokker提出的扩展直径公式，后续Fay、Mackay、Lehr等提出溢油不同阶段的扩散方程、进行参数修正[13]，在预测油膜运动轨迹、油膜厚度时应用广泛，但油膜延展范围可信度不高[14]；对流扩散模型是将溢油作为源项加入对流扩散方程中进行的计算，能较准确地描述不同溢油量引起的扩散面积差异，但可能出现的数值弥散会导致计算结果失真[15]；油粒子模型是当前国内外溢油预测中应用最广泛的模型，将溢油整体作为油滴微元的集合，基于欧拉-拉格朗日法，通过对粒子运动路径的追踪和质量损失体现溢油的物化变化，直接模拟扩散方程的物理现象[16-17]，适合用于水文情势复杂的航道溢油预测，能较真实模拟油膜的漂移扩散[18]。

长江中游宜昌港宜都港区是长江黄金水道的重要枢纽，作为对接长三角和川渝地区重要的大宗散货储配中转基地，货运量大，船舶碰撞溢油事故发生后油膜漂移较快，会对下游取水口及水源保护区产生影响，本文建立了长江宜都港区的二维水动力模型，耦合油粒子模型模拟预测枝城区铁水联运码头建成后，码头前沿发生溢油事故后油膜的漂移扩散过程，为宜都港区溢油事故应急响应提供理论依据，也可为长江的其他航道溢油风险预测提供参考。

1 平面二维水动力模型的构建

1.1 控制方程

模型满足Boussinesq假定和静水压假定，采用基于三向不可压缩雷诺平均的Navier-Stokes方程，即二维非恒定浅水方程[19]

(1)

(2)

(3)

式中：t为时间；x、y为笛卡尔坐标系坐标；η为水位；d为静水深；h=η+d为总水深；u、v分别为x、y方向上的速度分量；f是科氏力系数，f=2ωsinφ(ω为地球自转角速度，φ为当地纬度)；g为重力加速度；ρ为水的密度；ρ0为水参考密度；pa为大气压强；Sxx、Sxy、Syy分别为辐射应力分量；S为源项；us、vs为源项水流流速；Tij为水平粘滞应力项，包括粘性力、紊流应力和水平对流。

拟建的铁水联运码头位于湖北省宜昌市枝城长江大桥下游约400 m，处于枝城水道与关洲水道交接段，中游航道里程约为567.5 km。从码头上游0.5 km至码头下游20 km段构建水动力模型并进行溢油预测，计算区域采用三角形网格剖分，网格平均尺度为50 m，整个江段共划分出26 864个计算单元和14 077个计算节点，计算区域地形如图1所示。

1.3 模拟结果验证

经率定并参考经验值确定本江段糙率取值：主槽的糙率取值范围为0.015～0.025，滩地的糙率取值范围为0.020～0.032。采用2012年11月12日的水文实测资料对模型进行水位与流速验证，实测断面位置如图2所示。

图1 计算区域地形图(单位:m)Fig.1 Calculation area topography图2 监测断面分布图Fig.2 Monitoring section distribution

(1)水位验证。

表1给出了各断面水位计算值与实测值的差值，由表可知，水位计算值与实测值基本吻合，最大误差小于0.10 m，表明模型能够较好地模拟江段的水位变化。

表1 各断面水位计算值与实测值比较Tab.1 Comparison of calculated and measured water level of each section m

(2)流速验证。

图3给出了流速测验断面流速计算值与实测值的比较，由图可知，计算值和实测值吻合较好，除个别值有所偏差，大多数测点的流速误差基本控制在10%以内，表明模型能够较好地反映江段的流速情况。

3-a 1#3-b 2#

3-c 3#3-d 4#

3-e 5#图3 监测断面流速分布验证图Fig.3 Verification of velocity distribution in monitoring section

2 溢油影响预测

2.1 溢油的漂移扩散过程

(1)扩展过程。

采用修正后的Fay扩散方程分析油膜的扩展过程

(4)

式中：KS为扩散系数；V为油膜体积；A为油膜面积。

我厂户内大多装设树脂浇注绝缘干式变压器，采用空气自冷方式或强迫风冷，干式变压器制造参照《电力变压器-干式变压器部分》（GBT10 94.11-2007），变压器的绝缘等级，并不是绝缘强度的概念，而是允许的温升的标准，即绝缘等级是指其所用绝缘材料的耐热等级，分Y、A、E、B、F、H、C级，要求干式变在运行工况下不能高于其允许温度，否则造成变压器超温跳闸甚至烧毁，因此保证干式变压器运行合理温度是非常必要的。以下做了相关方面的探讨。

(2)漂移过程。

油粒子的漂移速度是水流速和表面风加速的矢量和

Up=Uc+Cw·W·sin(θ-π+θw)

(5)

Vp=Vc+Cw·W·cos(θ-π+θw)

(6)

式中：Up、Vp为油粒子的漂移速度；Uc、Vc为水流速；Cw为风漂移系数；W为水面10 m处风速；θ为风向角；θw为风偏转角。

(3)紊动扩散过程。

油粒子水平向的紊动扩散源于水流脉动，每个时间步长油粒子的紊动扩散距离L可表示为

(7)

2.2 预测情景

选择铁水联运码头前沿作为溢油点，溢油形式按突发性瞬间点源考虑，在丰水期35 000 m3/s流量和枯水期5 600 m3/s流量的水文条件下，不利风向SSW、平均风速1.0 m/s的风况条件下，模拟5 000 t级散货船发生碰撞、燃油舱的单舱61 m3燃料油(密度为850 kg/ m3)全部泄漏的情况。

2.3 预测结果分析

丰水期与枯水期溢油事故发生后，不同时刻油膜到达位置及污染情况分别见表2和表3。

表2 丰水期溢油计算表Tab.2 Oil slick calculation in high-water period

表3 枯水期溢油计算表Tab.3 Oil slick calculation in low-water period

在丰水期发生溢油事故时，油膜向下游方向漂移，第0.5 h到达洋溪镇附近；第1.5 h到达伍家口附近；第2.67 h到达姚家港水厂取水口对岸水域，距取水口约1.70 km，不会对其取水口及保护区产生污染影响；第2.85 h到达枝江市百里洲镇水厂(备用)取水口上游的二级水源保护区水域；第3.1 h到达枝江市百里洲镇水厂(备用)取水口一级水源保护区水域；第3.27 h到达枝江市百里洲镇水厂(备用)取水口水域；第3.28 h到达枝江市百里洲镇水厂(备用)取水口下游的二级水源保护区水域；第3.41 h油膜到达模型下游边界，此时油膜漂移长度3.89 km、油膜面积0.75 km2，油膜第3.93 h离开模型下游边界，溢油污染总面积达8.30 km2。

在枯水期发生溢油事故时，油膜向下游方向漂移，第0.97 h到达洋溪镇附近；第1.88 h到达关洲最东部，少量附着在关洲东南沿岸；第3.3 h到达伍家口附近；第6.8 h到达姚家港水厂取水口对岸水域，少量油膜逐渐附着在伍家口附近的长江右岸，距取水口约1.70 km，不会对其取水口及保护区产生污染影响；7～8 h大部分油膜逐渐附着在马义渡附近的长江右岸，开始产生持续的污染影响；第7.17 h到达枝江市百里洲镇水厂(备用)取水口上游的二级水源保护区水域；第7.58 h到达枝江市百里洲镇水厂(备用)取水口一级水源保护区水域；第7.85 h到达枝江市百里洲镇水厂(备用)取水口水域；第8 h到达枝江市百里洲镇水厂(备用)取水口下游的二级水源保护区水域；第8.4 h后油膜到达模型下游边界，油膜漂移长度11.17 km、油膜面积1.68 km2。溢油污染总面积可达10.01 km2。

丰水期与枯水期油膜的分布变化分别见图4、5，溢油轨迹旁的数字表示溢油事故发生后油膜到达所在位置的时间。

由表与图可见，在相同溢油条件以及SSW风向、1.0 m/s风速情况下，江段流量大小对油粒子漂移扩散产生直接影响。丰水期模型中段主槽流速约1.6 m/s，油膜不在沿岸发生聚集，油膜扩散面积小、对下游取水口及保护区影响时间短，油粒子的漂移扩散主要受水流脉动影响；枯水期模型中段主槽流速约0.5 m/s，油膜漂移慢、油膜中心运动轨迹靠近江岸，油膜大部分聚集在江段右岸后对水域产生持续污染影响，油膜扩散面积大、对取水口和保护区影响时间长。

图4 丰水期不同时刻油膜变化图(单位:m)Fig.4 Variation of oil slick at different time point in high-water period图5 枯水期不同时刻油膜变化图(单位:m)Fig.5 Variation of oil slick at different time point in low-water period

3 结论

通过实测数据建立二维水动力模型，在进行水位与流速验证后，耦合油粒子模型，模拟丰水期与枯水期溢油的漂移扩散过程，模拟结果表明：宜都港区铁水联运码头前沿发生溢油事故，丰水期油膜漂移扩散速度快，对下游取水口与保护区持续污染影响0.5～0.72 h，影响时间短；枯水期油膜漂移扩散速度慢，在江右岸发生聚集后对下游取水口与保护区产生持续污染影响，影响时间长、范围大。模拟效果直观明确，可为宜都港区预防溢油事故风险提供时间与工作量上的参考依据，二维水动力模型耦合油粒子模型在模拟预测内陆江河航道溢油漂移扩散的应用上切实可行，具有指导意义。