三峽庫區溢油快速預報模型在回水變動區的應用研究

范賢華 張 帆 鄧 健 黃立文 王 祥

（武漢理工大學交通學院1） 武漢 430063） （長江海事局2） 武漢 430019）

（武漢理工大學航運學院3） 武漢 430063） （武漢市港航管理局4） 武漢 430030）

0 引 言

隨著國家西部大開發的不斷深入、長江黃金水道建設的大力發展，三峽庫區危險品碼頭數量和吞吐量逐年增加，危險品船舶流量逐漸增大，尤其是回水變動區，長年庫區航段與自然航段交替出現，航道、水文、氣候條件變化較大，水上交通安全風險隱患較多，發生溢油事故風險較高.

長壽段是三峽庫區回水變動區的典型河段，該段磧壩較多，蓄水前江面較窄，河彎較大，建庫后河彎引起的橫向流雖有減弱，但在彎曲劇變段仍可發生，且長壽港被重慶市規劃為化工基地，相應的危險品碼頭數量及危險品吞吐量將大幅增加，溢油風險不斷增大.

溢油快速預報模型能較為迅速地模擬計算溢油在不同環境下漂移擴散的過程，包括其性質、組分、性質及最終歸宿，為應急策略的制定、清污方法的選擇及油污損害評估提供相關依據［1］.針對河流溢油 國 內 外 建 立 了 RiverSpill［2］，Wpmb［3］，NRDAM［4］，ROSS系 列［5－7］，MIKE21／3［8］，ROSA［9］等模型.

從現階段看，針對于庫區回水變動區的溢油應急處置工作還處于起步階段.所以，開展三峽庫區溢油污染預測預報模型及其應用研究，有利于提高庫區水域船舶溢油應急預報的水平，采取科學合理的應急方法處置溢油，提高庫區溢油應急反應處置能力，從而降低因溢油造成的環境資源損害.

1 三峽庫區水動力模型

溢油在水上遷移擴散的動力就是河流、庫區水域環境中的水流、風、波浪，要模擬溢油行為及歸宿則首要了解水域中的水動力要素，對溢油所處水域環境動力過程進行準確的描述.本文采用EFDC模型對上述選取的典型河段——長壽段進行水動力的數值模擬，為溢油模擬提供實時高精度的水動力要素.

模型控制方程為［10］

式中：v和u分別為曲線坐標y和x方向上的水平速度分量；H＝h＋ζ為總水深，mx和my分別為坐標轉換因子，m＝mxmy；h為河底高程；p為壓強；ρ為密度；ζ為水位；f為Coriolis系數；Qu和Qv分別為動量源匯項；Av為垂向紊動黏性系數.

2 溢油模型

油膜在河流中的行為和歸宿受到溢油的位置、溢油量的大小、油品自身的理化特性、河道水流和風等多因素的影響，會發生復雜的擴散、漂移、蒸發、分散、乳化、光化學氧化分解、沉降和以及生物降解等過程［11］.

漂移和擴散是溢油在流場、風場和浪等作用下的物理運動過程.漂移的過程可以用拉格朗日公式模擬，而擴散過程可以用隨機行走公式進行模擬計算.

在計算漂移的過程中，每個溢油粒可看作一拉格朗日粒子.溢油粒在t時刻的位置分量用xt（m）表示.式中：Δt為時間，s；xt為t時刻溢油粒位置，m；Uoil為溢油粒漂移速度，m／s.

擴展由波浪、重力、慣性力、粘度、表面張力相互作用產生.溢油擴展面積直接影響溢油蒸發、溶解、分散和光氧化作用所占比例.擴展模型采用經Mackay［12］和 Kolluru［13］修正的 Fay三階段擴展理論.獨立溢油粒表面積變化速度Atk（m2／s）為

式中：Atk為獨立溢油粒表面積，m2；k1為擴展速度常數，1／s；Vm為獨立溢油粒體積，m3；Rs為獨立溢油粒半徑，m；Re為表面油膜有效半徑，m；t為時間，s.

表面油膜有效半徑公式為

式中：Atk為獨立溢油粒表面積，m2；N 為表面油膜的油粒數目.

事實上溢油自身的表面擴展過程持續時間很短，而持續時間較長的運動形式主要表現為平流輸運和湍流擴散.因此本文還考慮了隨機擴散過程，增加了流動中的水平擴散.Udd（m／s）和Vdd（m／s）表示擴散速度東、北方向分量，定義如下

式中：Dx為東西方向水平擴散系數，m2／s；Dy為南北方向水平擴散系數，m2／s；Δt為時間步長，s；r為隨機系數，取值－1到1.

蒸發模型采用Stiver ＆Mackay提出的解析法進行溢油蒸發計算，計算公式為

式中：Fe為溢油蒸發體積分量；T為溢油溫度；As為油膜面積；Vo為溢油初始體積；Ke為質量遷移系數，由Buchanan ＆ Hurford提出的下式計算得到：Ke＝2.5×10－3W0.78；A，B 為經驗系數；T0為初始沸點；TG為蒸餾曲線梯度.

對于原油：

對于成品油：

岸線沉積模型基于Reed等提出的計算方法，計算不同類型岸線的吸附能力和清除率指數.

3 三峽庫區溢油快速預報模型構建

三峽庫區溢油快速預報模型主要組成部分是溢油運動模型和環境動力模型，其中溢油運動模型又是由漂移擴散模型和溢油歸宿模型所組成，環境動力模型又是由風動力模型和水動力模型所組成.根據三峽庫區特點，對計算耗時量比較大的模型（如水動力模型等）進行條件化設置調整，最后將多個模型耦合在一起，最終形成三峽庫區溢油快速預報模型.三峽庫區溢油快速預報模型組成見圖1.

圖1 三峽庫區溢油快速預報模型組成圖

4 模型的應用

二維水動力模擬區域長壽上界限為長壽長江鐵路大橋附近，下界限為黃草峽信號塔附近，計算區域內河道總長約22km.模型計算采用正交曲線擬合邊界進行內插數值模擬.計算地形數據采用2006年8月陸上電子平板測圖和2006年5月水下數字化測圖.長壽河段風向與河道走向基本一致，計算中不考慮風的影響.

圖2為模擬的水位150.8m，流量9 484.5 m3／s情況下長壽段二維平均流速分布，在該試驗方案下長壽段河道較窄，上游段水深相對要淺，水流流速較大，最大流速2.4m／s.

圖2 方案1長壽江段流速大小

而后以該水動力模擬計算結果作為數據，對輕柴油的漂移擴散進行模擬.圖3為溢漏3h后的模擬結果，從結果來看，主油膜的軌跡與河流的主流方向比較吻合，由于流速較急，溢油事故后主油膜的遷移擴散距離較長.

圖3 輕柴油漂移擴散運動軌跡（3h后）

圖4 輕質無鉛汽油漂移擴散運動軌跡（2h后）

對輕質無鉛汽油的漂移擴散進行模擬.圖4為溢漏2h后的模擬結果，輕質無鉛汽油2h及揮發完畢.

圖5為模擬的水位165.0m，流量13 000 m3／s情況下長壽段二維平均流速分布，河道主槽內流速一般在0.9～1.1m／s.圖6為模擬的水位175.0m，流量2 840m3／s情況下長壽段二維平均流速分布，主槽內流速在0.15～0.2m／s.

圖5 方案2長壽江段流速大小

圖6 方案3長壽江段流速大小

圖7 方案2重質原油漂移擴散運動軌跡（5h后）

以上述2種水文條件作為驅動場，模擬重質原油的漂移擴散.由圖7可見溢油漂移距離長，溢油在凸岸一側吸附量較大.由圖8可見，由于水位高流量下，溢油漂移距離短，油膜覆蓋整個江面在兩岸吸附相當.

圖8 方案3重質原油漂移擴散運動軌跡（10h后）

5 溢油控制策略

由上述模擬可見，對于輕質無鉛汽油由于其可在短時間內揮發完畢，一般不需采取清污措施，為防止輕質無鉛汽油燃燒影響安全，可通過交通管制，提醒輕質無鉛汽油可能影響范圍內的碼頭船舶采取相應的安全防范措施.

而對于輕柴油和重質原油，由于其難以在短時間內揮發完畢，不采取清污措施勢必對生態、漁業、取水等造成損害，因此需采取相應的清污手段.通過模擬可見，不同水文條件下溢油漂移的速度和距離不同，當水位較低，水流流量較大時，長壽段水流流速較大，要求的溢油響應速度要快，可通過多層圍油欄導流布設的方式導流到溢油回收地點進行回收；當水位較高，水流流量較小時，長壽段水流流速平緩，易于采取清污行動，此時可通過船艇拖帶圍油欄等方式進行清污.

6 結 論

隨著三峽175m蓄水，庫區的通航條件得以改善，加之長江上游化工園區的興建，長江水上港口危險品吞吐量和危險品船舶流量的不斷上升，作為化工基地的長壽溢油風險不斷加大.本文利用基于流體動力學模型和溢油漂移擴散模型建立的溢油快速預報模型，對不同假定情景下的溢油事故進行模擬，并提出對于在不同水文條件下的不同油品的溢油控制策略，可指導實際溢油應急處置行動.

［1］張 帆，鄧 健.三峽庫區溢油預報模型構建及數值模［J］.中國航海，2011，34（4）：22－24.

［2］SAMUELS W B，BAHADUR R，PICKUS J，et al.A real－time emergency response and planning tool［C］／／Proceeding of the Water Security in the 21st Century，Washington，DC.，USA.，July 30－Aug.1，2003.

［3］FINGAS M F，FIELD H B.Water－in－oil emulsions results of formation studies and applicability to oil spill modeling［C］／／Marine Environmenta1Modeling Seminar，Lillehammer，Norway，1998.

［4］CEKIRGE H M，KOCH M，LONG C.State－of－the art techniques in oil spill modeling.Oil Spill Conference.USA：Library of Congress Catalog，1995，75：67－72.

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［6］SHEN H T，YAPA P D，PETROSKI M E.A Simulation model for oil slick transport in lakes［C］.Water Resources Research，1987，23（10）：949－957.

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［10］TETRA TECH，Inc.：Hydrodynamic and transport extension to the EFDC model［R］.A Report to the U.S.Environmental Protection Agency，Fairfax，VA.，2002.

［11］SHEN H T，YAPA P D，PETROSKI M E.A simulation model for oil slick transport in lakes［J］.Water Resources Research，1987，23（10）：949－957.

［12］鄧 健，黃立文，趙 前，等.基于一、二維水動力耦合模擬的三峽庫區溢油預測模型研究［J］.武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2011，35（40）：793－796.

［13］KOLLURNU V S.Lnfluence of number of spollets on spill model predictions［R］.Applied Science Assocites internal report，Narragansett，R1.1992.