MIKE在内河港口规划环评中的应用研究——以南昌港为例

王国锋，李 媛，谭艳斌，谭文津，胡丽珍

(1.江西省生态环境科学研究与规划院，330039，南昌；2.核工业二七〇研究所，330200，南昌；3.安徽环境科技研究院股份有限公司，230071，合肥)

0 引言

南昌港总体规划(修订)中主要液体散货泊位位于樵舍港区，营运期溢油事故将对赣江下游水质造成影响[1]。为加强水生生态环境质量，保障生态安全[2]，降低突发溢油事故对水生生态环境的威胁[3-8]，本研究在区域典型水文特征及气象条件下，选用MIKE[9]预测油膜的可能影响范围[10-12]，为下游饮用水源取水口事故预警、应急处置及相应的应急预案提供现实指导。

1 材料与方法

1.1 樵舍港区概况

樵舍港区位于赣江西支左岸新建区樵舍镇境内，下设3个作业区，以散货、液体散货运输为主。环境风险保护目标为下游15 km象山镇水厂取水口(最大取水量为75 000 m3/d)。

1.2 历史事故回顾

2004—2020年未发生船舶溢油污染事故或因交通事故引起的船舶溢油污染事件。

1.3 风险识别

可能发生的环境风险事故主要是码头操作事故及船舶在航行过程中的碰撞事故。

1.4 源项分析和风险强度

赣江中型码头千吨级货船碰撞性溢油发生率约为20 a一遇。

1.4.1 货油泄漏量预测

1)泄漏量预测。按MARPOL73/78公约附则Ⅰ第24条对油船假定泄油量的计算方法，侧向破损计算参数取值表见表1。底部破损计算参数取值表详见表2。

表1 侧向破损计算参数取值表

表2 底部破损计算参数取值表

对于侧向破损：Oc=ΣWi+ΣKiCi。

对于底部破损：Osi=1/3(ΣZiWi+ΣZiC)。

W为损坏导致破裂的一个边舱容积(m3)。

对于SBT，W=0；

C为损坏导致破裂的一个中舱容积(m3)。

对于SBT，C=0；

Ki=1-bi/tc；当bi≥tc时；

Zi=1-hi/vs；当hi≥vs时。

bi为所考虑的边船宽度(m)，在相应于核定的夏季干弦水平面，自般侧向船内中心线垂直量取；hi为所考虑的双层底最小高度；若无双层底，则hi=0。

船舶在进出港时的最高航速为14.816 km/h，设定船舶发生事故时，最多破损不超过个1货舱(装载货油约250 t)。经计算，侧向破损时最大可能溢油量约为188 t，底部破损最大可能溢油量为58 t。

2)最可能泄漏量预测。按《港口建设项目船舶污染环境风险评价专项技术导则(试用稿)》推荐方法预测，预测公式如下：

M=ΣOi×Pi(i=1,3,5)

其中：M为油船发生泄漏时导致货油泄漏的最可能泄漏量，Oi为货油舱的泄漏量，Pi为各油轮的年船舶数量占到樵舍港区的油船的年船舶总数的百分比(取40%)。

油船实载率为85%～95%，经计算，到达港口的油船最可能发生的溢油量为95 t。

综上所述，对于本港口船舶事故可能导致的货油泄漏，预测最大可能泄漏量为188 t，最可能泄漏量为95 t。

1.4.2 操作性溢油量预测 按5 min关闭泵阀或纠正来确定溢油量。本港口设计为2 000吨级的油船泊位，每个码头设3根DN200的管道；汽油和柴油的最大卸船效率为3 400 m3/h。经计算，本港区油船操作性溢油量为：汽油溢油量为167 t，柴油溢油量为116 t。

2 结果与讨论

2.1 预测模型

采用MIKE预测油膜的扩散面积、运动轨迹、污染范围[13-21]。

在每一时间步Δt中，用子区间δtk计算油滴的漂移位移：

V'=(4ET/δt)1/2，

ET为紊动扩散系数；δt为时间步长；Rn为均值为0，标准差为1的正态分布的随机数；方向角θ'为均匀分布的随机角，取值为0～π。

2.1.4 油膜的扩展 根据Fay的三阶理论，油膜扩展停止时油膜的面积Af为：

Af=105∀3/4

∀为油膜体积，当油膜厚度减少到10-5∀1/4m时，扩展停止。

2.1.5 河岸边界条件 根据Torgrimson衰减公式计算每个时段Δt内返回水中的油量Δ∀b为：

Δ∀b/∀b=1-0.5Δt/λ

式中：∀b为吸附在岸边的总油量，λ为半衰期。

2.2 预测方案

2.2.1 水文条件 樵舍港区上游30 km处为外洲水文站，历年洪水最大流量20 400 m3/s，历年枯水最小流量172 m3/s，多年平均流量2 114 m3/s。河道中最大流速1.83 m/s，最小流速0.12 m/s，平均流速0.4 m/s。

2.2.2 气象条件 根据南昌市多年的气象统计资料，夏季主导风向为西南风或东南风，冬季主要风向是北风或西北风。夏季平均风速3.4 m/s，冬季平均风速4.6 m/s，多年最大风速21.7 m/s。

2.2.3 预测情景 采用MIKE对码头前沿操作性事故(樵舍港区刘家作业区液体散货码头)以及船舶在航行过程中碰撞事故(船撞规划G316跨江桥梁)进行模拟预测。

选取2期水文条件(枯水期和丰水期)，分别在常风向和最不利风况下进行预测，重点分析溢油事故对下游象山镇水厂取水口的影响，溢油模拟情景设置见表3。溢油点位置见图1。

图1 溢油点位置示意图

表3 溢油预测情景

2.3 预测结果

2.3.1 操作性溢油事故 樵舍港区刘家作业区丰水期、枯水期、常风向和最不利风向下，码头前沿操作性溢油事故油膜漂移扩散轨迹及溢油污染油膜影响范围见图2。

(a)丰水期、常风向(3.4 m/s、SE) (b)丰水期、最不利风况(21.7 m/s、S)

(a) 枯水期、常风向(4.6 m/s、NW)(b) 枯水期、最不利风况(21.7 m/s、S)

2.3.2 船舶碰撞溢油事故 樵舍港区刘家作业区丰水期、枯水期、常风向和最不利风向下，船舶碰撞(船撞规划G316跨江桥梁)溢油事故油膜漂移扩散轨迹及溢油污染油膜影响范围见图3。

2.3.3 小结 码头前沿操作性溢油事故预测结果：丰水期在樵舍港区刘家作业区液散码头前沿发生溢油事故后，夏季定常风下4.8 h后油膜到达下游象山水厂取水口附近；最不利风况下4 h后油膜到达下游象山水厂取水口附近；枯水期在樵舍港区刘家作业区液散码头前沿发生溢油事故后，冬季定常风下15 h后油膜到达下游象山水厂取水口附近；最不利风况下13.5 h后油膜到达下游象山水厂取水口附近。

船舶碰撞溢油事故预测结果：丰水期在航道发生溢油事故后，夏季定常风下3.7 h后油膜到达下游象山水厂取水口附近；最不利风况下3 h后油膜到达下游象山水厂取水口附近；枯水期在航道发生溢油事故后，冬季定常风下14 h后油膜到达下游象山水厂取水口附近；最不利风况下12.4 h后油膜到达下游象山水厂取水口附近。

(a)丰水期、常风向(3.4 m/s、SE) (b)丰水期、最不利风况(21.7 m/s、S)

(a) 枯水期、常风向(4.6 m/s、NW)(b) 枯水期、最不利风况(21.7 m/s、S)

各个工况溢油污染油膜漂移到达下游取水口的时间见表4所示。

表4 溢油污染油膜达到下游取水口的时间

3 结论

丰水期溢油事故对下游取水口影响较大，一旦发生溢油事故，相关部门应在3 h内应急相应并启用备用水源。管理部门应加强通航管理，降低船舶交通事故发生的概率，同时应制定应急预案，准备必要的应急物资，使溢油事故风险处于可接受的水平。