基于MIKE21的洪泽湖溢油事故风险研究

柴霁森，逄 勇，王啸天

(1.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；2.河海大学环境学院，南京 210098)

引 言

我国水路运输不断发展，发展定会带来更多的风险和挑战。由于内河水路运输时，内河航道相对狭窄，船舶意外事故发生不可避免[1]，进而会引起油类泄露对周围水环境造成一定污染[2]。所以针对溢油事故，应当提前对事故风险进行预测，以便提出预警方案来降低溢油事故带来的损失[3]。对溢油事故进行预测时，通常采用对油粒子的扩散迁移进行模拟研究[4]。MIKE 21模型可以很好的模拟反应出流域水文水质情况[5]，并且其中包含ECO lab模块能够对油粒子很好地进行预测模拟[6-7]。油膜扩散运动过程较为复杂，受多方面因素影响，包括但不限于当地风场、流场、事故发生点的设置等[8-9]。为了很好地预测溢油事故对水环境造成的影响，设置预测方案应考虑对附近敏感目标最不利情况下的风场、事故发生点[10-11]。模拟得到油膜的扩散面积、油膜厚度等结果，可以量化溢油事故带来的影响，直观反应溢油事故带来的后果[12]。对溢油风险进行预测，为在事故发生时，能够及时作出应对方案以减少损失有重要意义[13]。

本文基于MIKE 21，建立洪泽湖水动力模型及溢油模型，预测金宝航线的建设对洪泽湖敏感目标可能造成的溢油风险。考虑发生溢油事故时最不利情况，选取金宝航线淮安段与淮河出海航道交叉点位和金宝航线最靠近洪泽湖东部湿地省级自然保护区核心区点位作为溢油风险预测点，并分别选取两点位发生溢油事故时，影响附近敏感目标的最不利风向对溢油事故进行模拟预测。根据模拟结果给出油膜的扩散过程、扩散面积、局部厚度，为洪泽湖安全管理提供参考依据，以便在应急时间内做好预案，对降低事故发生概率以及降低事故发生后带来的损失有重要意义。

1 研究区域概况

洪泽湖，位于江苏西部淮河下游，苏北平原中部西侧，淮安、宿迁两市境内，地理位置在北纬33°06′～33°40′，东经118°10′～118°52′之间，为淮河中下游结合部[14]。作为中国第四大淡水湖，湖面辽阔，资源丰富，历史悠久，既是淮河流域大型水库、航运枢纽，又是渔业、特产品、禽畜产品的生产基地。东有淮河入海水道直通黄海[15]，南有三河通过高邮湖连接长江，是重要的水运枢纽[16]。

金宝航线起自洪泽湖14号标，流经洪泽、盱眙、金湖、宝应后汇入京杭运河，全长84.8 km[17]，是连接淮河入海水道和长江的重要纽带。本次施工范围见图1。

图1 研究区域、施工范围及敏感目标分布Fig.1 Distribution of study area，construction scope and sensitive targets

2 研究方法

2.1 水动力模型构建

2.1.1 水动力模型基本方程及模型概化

本次模拟基于二维水环境数学模型，笛卡尔坐标系下的二维水动力控制方程是不可压流体三维雷诺Navier-Stokes平均方程沿水深方向积分的连续方程和动量方程，可用如下方程表示[18]：

连续性方程：

(1)

动量方程:

(2)

(3)

本次建立洪泽湖水环境模型，模型计算范围水下高程利用湖体实际地形数据(中国科学院计算机网络信息中心)和资料地形图，洪泽湖区域模型划分为17805个网格。模型高程及网格划分见图2。

图2 湖底高程及模型网格划分Fig.2 Lake bottom elevation and model meshing

2.1.2 水动力模型参数率定

模型初始水位设为12.5m取水位年鉴资料平均水位，起始时刻流速设为0。模型以各入湖河流断面作为入湖边界，根据2016年水文年鉴、风向风速实测资料以及污染源统计数据，边界耦合河网模型计算结果，对湖区高良涧和蒋坝两个断面进行水位率定。

模型计算高良涧及蒋坝水位与实测值率定结果见图3，率定结果值见表1。由计算结果可见，高良涧站及蒋坝站水位计算值与实测值绝对误差小于10 cm。由此可见，该模型可以用于模拟并描述洪泽湖湖体水动力的变化过程。模型水平涡粘系数Cs取值0.28。底床的摩擦力采用河道糙率值，选用曼宁数表示，介于0.018～0.022之间。风拖曳系数0.0012～0.0016。洪泽湖模拟流场见图4。

图3 洪泽湖水位率定点计算值与实测值对比Fig.3 Comparison between calculated value and measured value of fixed-point water level of Hung-tse Lake

表1 模型水位率定结果Tab.1 Calibrated water level of model

图4 洪泽湖模拟流场图Fig.4 Simulation flow field diagram of Hung-tse Lake

2.2 溢油模型构建

溢油风险模型以水动力模型为基础，将油膜概化为相互独立的油粒子的集合，受水流、风场、太阳辐射等外界因素的影响及油膜自身物化性质的作用。溢油进入水体后发生扩展、漂移、扩散等油膜组分保持恒定的输移过程和蒸发、溶解、乳化等油膜组分发生变化的风化过程[19]。本研究溢油模型采用“油粒子”模型，该模型可以很好地模拟上述物理化学过程[4]。

2.2.1 溢油模型基本方程

2.2.1.1 扩展：

(4)

(5)

式中A0为油膜面积；t为时间；Kα为扩散系数；V0为油膜体积；R0为油膜半径，h0为初始油膜厚度，取10cm。

2.2.1.2 漂移：

USW=cw(Z)·Uw+Us

(6)

式中Uw为水面上10m处的风速，Us为表面流速，Cw为漂移系数，一般取值0.02～0.03。

2.2.1.3 扩散：

(7)

2.2.2 溢油模型参数设置

结合油粒子的特性和溢油模型基本方程，参考已有研究中的模型参数取值范围[9]，并结合洪泽湖实际情况，确定溢油模型参数，其中乳化物的含水率取0.85，风漂移系数取0.035，溶解传质系数取2.36×10-6，蒸发系数k取0.029。

2.2.3 溢油计算方案设置

2.2.3.1 溢油量及泄漏点选取

(1)施工期

根据现有航道通行能力，施工期挖泥船吨位按载重吨500t以下计，假定挖泥船船发生碰撞，造成燃油箱破损柴油泄漏入河事故，泄漏量按30m3估算[20]。假设单个货舱的油品全部泄漏，船舶用燃料油密度取850kg/m3，则施工期最终泄漏进入环境的最大溢油量约为25t，泄露时间设置为0.5h。

(2)运营期

根据2018～2020年洪泽湖区运营船舶数据统计资料，洪泽湖无危化品运输和成品油货船，近三年洪泽湖区300～1000t级运营船舶数量占比88.3%，按最不利条件计算，本次运营期货船取1000吨级，1000吨级散货船燃油舱单舱燃油量最大61m3[20]。假设单个货舱的油品全部泄漏，船舶用燃料油密度取850kg/m3，则运营期最终泄漏进入环境的最大溢油量约为50t，泄露时间设置为0.5h。

施工期和运营期结合工程与洪泽湖湖区敏感目标、现有航道交通线的位置关系，在施工线路上，金宝航线淮安段与淮河出海航道交点处是两航道交汇的地方，容易发生碰撞，设置该点为溢油点1，金宝航线淮安段与省级自然保护核心区距离最近点较为敏感，设置该点为溢油点2。溢油事故风险计算点位及周围敏感目标分布图见图5。

2.2.3.2 溢油工况确定

选取枯水期水文条件，从偏安全角度考虑，溢油风险考虑最不利情况，选取最不利风向和在风速5m/s时发生溢油事故，分析船舶溢油事故发生后对敏感目标的影响。洪泽湖溢油风险模拟工况见表2。

表2 洪泽湖溢油风险模拟工况Tab.2 Simulated conditions for oil spill in Hung-tse Lake

图5 溢油点位及敏感目标分布Fig.5 Distribution of oil spill points and sensitive targets

3 结果分析与讨论

方案一模型计算结果见图6。西风条件下，由于水动力的影响，油膜由事故点向东北方向扩散，并在漂移过程中，油膜面积逐渐扩大，局部油膜厚度有所减小。

图6 方案一发生溢油油膜影响范围(18h、48h)Fig.6 Influence range of oil film in Scheme I (18h，48h)

在风场和水动力的条件下，油膜向水产种质资源保护区扩散，对洪泽湖银鱼国家级水产种质资源保护区造成影响。溢油事故发生18h后，油膜往东北方向漂移2.5km，此时油膜最大厚度为0.16mm，油膜扩散面积7.6km2；溢油事故发生48小时后油膜将要扩散至水产种质资源保护区，油膜往东北方向漂移10.3km，此时油膜最大厚度为0.10mm，油膜扩散面积为16.8km2。

方案二模型计算结果见图7。东风条件下，并在水动力的影响下，油膜由事故点主要向东扩散，这主要由于溢油点位靠近湖岸，油膜大部分被吸附在岸边[9，21]，在漂移过程中，油膜逐渐扩大，局部厚度有所减小。

在风场和水动力条件下，油膜在8h到达洪泽湖东部湿地省级自然保护区核心区，但并未进一步向其扩散，主要是因为湖岸对油膜的吸附作用，使得油膜在溢油点位东边的岸边扩散开来。溢油事故发生8h后，油膜扩散最远距离1.4km，此时油膜最大厚度为0.16mm，油膜扩散面积5.12km2；溢油事故发生48h后，油膜扩散最远距离6.2km，此时油膜最大厚度为0.10mm，油膜扩散面积13.8km2。

图7 方案二发生溢油油膜影响范围(8h、48h)Fig.7 Influence range of oil film in Scheme Ⅱ (8h，48h)

方案三模型计算结果见图8。西风条件下，并在水动力的影响下，油膜由事故点向东北方向扩散，并在漂移过程中，油膜面积逐渐扩大，局部油膜厚度有所减小。

在风场和水动力的条件下，油膜向水产种质资源保护区扩散，对洪泽湖银鱼国家级水产种质资源保护区造成影响。溢油事故发生18h后，油膜往东北方向漂移3km，此时油膜最大厚度为0.16mm，油膜扩散面积6.8km2；溢油事故发生48小时后油膜将要扩散至水产种质资源保护区，油膜往东北方向漂移10.3km，此时油膜最大厚度为0.10mm，油膜扩散面积为17.2km2。

方案四模型计算结果见图9。东风条件下，并在水动力的影响下，油膜由事故点主要向东扩散，这主要由于溢油点位靠近湖岸，油膜大部分被吸附在岸边，在漂移过程中，油膜逐渐扩大，局部厚度有所减小。

在风场和水动力条件下，油膜在8h到达洪泽湖东部湿地省级自然保护区核心区，但并未进一步向其扩散，主要是因为湖岸对油膜的吸附作用，使得油膜在溢油点位东边的岸边扩散开来。溢油事故发生8h后，油膜扩散最远距离3km，此时油膜最大厚度为0.13mm，油膜扩散面积13.5km2；溢油事故发生48h后，油膜扩散最远距离6km，此时油膜最大厚度为0.12mm，油膜扩散面积17.2km2。

图8 方案三发生溢油油膜影响范围(18h、48h)Fig.8 Influence range of oil film in Scheme Ⅲ (18h，48h)

图9 方案四发生溢油油膜影响范围(8h、48h)Fig.9 Influence range of oil film in Scheme Ⅳ (8h，48h)

各溢油风险方案对洪泽湖敏感目标影响情况总结见表3。

表3 各溢油风险方案对敏感目标影响情况Tab.3 Impacts of oil spill risk plans on sensitive targets

4 结 论

本文通过金宝航线建设对洪泽湖敏感目标溢油风险预测的研究，主要得出以下结论。

油膜在漂移扩散过程中，油膜面积逐渐扩大，局部厚度有所减小。

溢油点位1发生溢油事故后，在西风条件下，油膜总会向东北方向扩散，能够对洪泽湖银鱼国家级水产种质资源保护区造成影响，溢油量在25t和50t时，对其造成影响几乎一致。

溢油点位2发生溢油事故时，东风条件下，由于溢油点位东侧湖岸对油膜吸附作用，油膜大部分被吸附在岸边，对洪泽湖湿地省级自然保护区西核心区影响不明显。

应建立足够应急预防措施，避免发生溢油事故。

由于研究方案有限，只考虑了风险较大溢油点及最不利风向，建议加强完善模拟工作，为洪泽湖安全管理提供更多支持。