基于EFDC模型的感潮江段溢油事故風險預測

田 威，邱 利，李一平

(1.江蘇省水文水資源勘測局,江蘇南京 210029；2.河海大學環境學院,江蘇南京 210098)

基于EFDC模型的感潮江段溢油事故風險預測

田 威1，邱 利2，李一平2

(1.江蘇省水文水資源勘測局,江蘇南京 210029；2.河海大學環境學院,江蘇南京 210098)

為了在溢油事故發生后能夠立即采取有效措施控制和減輕油污染,降低事故危害,采用環境流體動力學模型(EFDC)對長江下游靖江段某碼頭進行溢油事故風險影響預測。通過EFDC準確地模擬出該江段的二維流場,在流場、風場以及復雜地形等綜合條件下,采用拉格朗日質點追蹤法計算油品入江后油膜漂移軌跡以及到達、離開下游保護區的時間。結果表明：油膜沿水流方向逐漸被拉伸,覆蓋面積逐漸增大,且受長江地形條件影響；在感潮江段,潮流場對油膜漂移行為的影響占主導作用,同時風場也會影響油膜的漂移行為。受漲落潮的影響,油膜向下游來回震蕩漂移；溢油事故發生時刻的流場不同,油膜往下游漂移的速度也不同,當溢油事故發生在落潮時,油膜往下游漂移速度更快；不利風向時風速越大,油膜往下游漂移的速度越快。

感潮江段；溢油事故；環境流體動力學模型；油膜；油污染；漂移軌跡；風險預測

長江是我國最重要的水源地,其水質安全至關重要。作為我國第一大河,長江中下游的航道水運條件極為優越,尤其是南京以下江段能夠通行萬噸級的船舶。隨著社會經濟的迅猛發展,船舶運輸量大幅增長,同時溢油事故風險也相應增加。油品泄漏進入水體形成油膜,嚴重破壞了水生態平衡,主要表現為影響水生生物光合作用、消耗水中溶解氧等,其所含的毒稠環芳烴和有毒重金屬甚至能通過生物富集和食物鏈傳遞危害人體健康等[1]。因此,溢油事故的控制和避免面臨挑戰,研究溢油在水體中的遷移變化成為備受關注的熱點問題。

了解油膜的漂移軌跡,對及時采取有效的控制措施和消減油污染具有重要意義。目前,針對事故性溢油的預測,國內外都取得了一系列研究成果[2-6]。然而,目前對溢油的研究主要集中于開闊的海域,很少有對長江等淺窄江道領域溢油的研究,且對于油膜擴展過程,更多地集中在Fay[7]提出的三階段擴展理論。筆者采用EFDC模擬出感潮江段的二維流場,在建立流場的基礎上采用拉格朗日質點追蹤法計算溢油入江后油膜的漂移軌跡以及到達、離開水源保護區的時間；比較不同工況下的預測結果,分析流場和風場以及地形條件對油膜漂移軌跡的影響。

1 研究區域概況

長江南京段以下的長江三角洲地區,以分汊河型為主,綿延曲折,洲灘眾多,河道寬闊,除局部水面較窄外,寬度一般在1 km以上[8]。本次研究區域為長江下游從江陰長江大橋(鵝鼻嘴)至南通天生港的福姜沙河段,如圖1所示,呈“兩級分汊、三汊并存”的格局[8]。該江段為非正規半日淺海潮,水位受下游潮汐和上游下瀉徑流的雙重作用,水位呈潮汐周期變化,一天內兩漲兩落。長江從入江口開始自下而上潮波變形逐漸明顯,漲潮歷時變短,落潮歷時變長,潮差沿程遞減,天生港年潮差平均達1.72m,而上游南京僅為0.5m[9-10]。根據區域常規氣象資料,常年主導風向為東南偏東風,平均風速為2.4m/s。本研究溢油事故發生地為靖江段某碼頭附近,碼頭周圍有以下保護區:上游6 km為雅橋取水口,下游5 km處為工業取水口,下游7 km處為夏仕港清水通道維護區,下游16.6 km為江心洲重要濕地,下游23 km處為如皋長青沙取水口,具體位置如圖1所示。

圖1 研究區域及各保護區位置圖

2 研究方法

2.1 預測模型簡介

本研究采用EFDC對長江下游靖江段某碼頭溢油事故進行風險預測。EFDC是在美國國家環保署資助下由維吉尼亞海洋研究所(Virginia Institute of Marine Science at the College of William and Mary, VIMS)的John Hamrick等根據多個數學模型集成開發研制的綜合模型,被用于模擬水系統一維、二維和三維流場,物質輸運(包括溫度、鹽度和泥沙的輸運),生態過程以及淡水入流等。EFDC的優勢為:具有靈活的變邊界處理技術和通用的文件輸入格式,能快速耦合水動力、泥沙和水質模塊,省略了不同模型接口程序的研發過程。同時EFDC有完整的前、后處理軟件EFDC-Explorer,采用可視化的界面操作,能快速生成網格數據和處理圖像文件。此外, EFDC模型的計算效率也較高。綜上原因,選取EFDC模擬碼頭溢油風險事故對長江水環境影響。

2.2 研究區域網格建立

根據長江段的實際地形情況,預測區域采用笛卡爾直角坐標網格,網格尺寸為150m×150m,研究區域全程50 km,共概化出10 430個網格單元。根據研究區域長江地形實際情況,配合數字高程模型(DEM)進行單元高程插值,并設置初始水位、上下游水位、風場等邊界條件。由于該江段的水深較淺(水深遠小于河寬),可忽略流速垂向變化,因此不對垂向網格進行分層,建立該江段的二維水動力模型,模擬區域水力要素(流速、水位)隨時間的變化過程。在建立的流場基礎上,采用拉格朗日質點追蹤法計算油品入江后油膜漂移軌跡。

2.3 模型計算條件及參數設置

長江下游江陰至南通段是感潮河段,水流既受上游下泄徑流的影響,又受下游潮汐的影響,水流流態極為復雜,在確定設計水文條件時要同時考慮上游下泄徑流和下游潮汐的影響。大通水文站是長江下游河段不受潮汐作用影響的水文站,其流量頻率分析結果可代表長江下游河道的設計流量；下游的江陰水文站位于長江口,其潮位代表潮汐作用的影響。因此,以大通站的設計流量和江陰站相應的潮位過程為邊界條件,應用一維感潮河段的水量模型計算得到本項目計算范圍的上、下游邊界的設計潮位過程。

根據國家相應規范、規程要求,從偏安全的角度,應采用90%保證率最枯月平均流量作為設計流量。統計大通水文站1950—2003年連續54 a逐月平均流量資料,經頻率計算得到90%保證率的最枯月平均流量約為7670m3/s。為安全起見,典型月的月平均流量應該小于并接近7670m3/s。大通水文站1979年1月的平均流量為7220m3/s,該流量已達到97%保證率,更符合安全與接近的條件,因此確定以1979年1月為典型月,平均流量為7220m3/s。模型中各參數取值見表1。

表1 預測模型主要參數取值

2.4 模型率定驗證

采用總體一維水流配合局部二維水流水質模型,先用一維水流模型對整個長江江蘇段區域進行模擬,后根據二維模擬計算區域的劃分,由一維模型為二維模型提供相應的水流邊界條件,然后進行二維區域水流水質耦合數值模擬。

以具有實測資料的南京、鎮江、江陰、天生港和徐六涇作為檢驗斷面,使用1996年7月1日1:00至7月9日2:00(共193h)、1997年7月19日0:00至7月26日11:00(共179 h)、1998年6月26日6:00至7月4日3:00(共計189 h)的資料進行模型率定,分別比較實測水位與模擬計算水位。結果表明,沿程水面線與實測水面線基本一致,潮位率定誤差不超過20 cm的時段占總率定時段的百分比在80%～98%之間。以天生港站1996年7月1日1:00至7月9日2:00的時段為例,水位誤差不超過20 cm的時段占總驗證時段的80%～90%,如圖2所示。總體而言,一維水流模型對區域的概化處理基本合理,選用的參數基本反映了河道的水力特性。

為檢驗二維水流水質耦合模型模擬污染帶的合理性,分別對南京八卦洲江段(南京長江大橋至石埠橋)和靖江江段(新潛洲至江陰大橋)進行模型的檢驗率定。為了能較準確地反映江段岸邊形狀及水下地形,采用無結構網格對計算域進行剖分,應用程序自動生成。網格單元中心點的高程從數字高程模型(DEM)中獲取。由率定驗證結果可知,EFDC具有較好的匹配性,能夠較真實地模擬出水體的水動力和水質的變化情況[11]。

2.5 預測源強及方案

事故溢油主要為船舶自身的燃料油,一般千噸級以上船載儲油量可達到10 t以上,根據設計碼頭的實際情況,以1個泊位停靠最大設計船型出現漏油事件考慮。按照一次最大溢油量計算,則千噸級輪船出現撞船等事故導致的溢油量為10 t,即單次事故流入長江的燃料油量最大為10 t。

圖2 天生港站計算斷面水位的實測值與計算值比較

本次研究預測江段水質執行GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅲ類水標準,石油類質量濃度應小于或等于0.05mg/L,模型中根據最不利條件可設石油類的本底質量濃度為0.05mg/L。因此預測結果中石油類質量濃度超過0.05mg/L的區域即認為是溢油造成了不利影響。

從偏安全角度考慮,根據設計碼頭所在地的靖江市年常規氣象資料,選取其常年主導風向(東南偏東)風速2.4m/s和不利風向(西風)瞬時最大風速14m/s時,溢油事故分別發生在漲潮和落潮時刻作為設計工況,分析碼頭溢油事故發生后對下游各保護區的影響并假設溢油事故為非持續性溢油。設計工況見表2。

表2 溢油事故發生時的設計工況

3 結果與討論

3.1 油膜的漂移軌跡及其對各保護區的影響

溢油事故發生后油膜主要沿長江北岸漂移擴散,受漲落潮影響,油膜呈來回震蕩并往下游漂移。不同流場和風場情況下,油膜的漂移趨勢大致相同。研究江段分汊較多,油膜遇到淺灘或島嶼會被分割,然后又會合,最終緊鄰北岸擴散。由于受到江段方向上往復流場的影響,油膜在往下游漂移擴散過程中沿流速方向逐漸被拉伸,油膜面積逐漸增大。以工況3為例模擬油膜的漂移軌跡及形態,結果如圖3所示。

當油膜漂移擴散到保護區邊界時,會對保護區造成污染。由于溢油發生時刻的流場、風場條件不同,油膜漂移擴散至各保護區的時間也不同。根據以上5個工況的模型預測結果,得出油膜漂移到達和離開各保護區的時間(表3)。

圖3 設計工況3下油膜的漂移軌跡和形態

表3 溢油到達和離開保護區的時間

3.2 流場對油膜漂移擴散的影響

工況1、3兩種情況下,油膜漂移擴散到達和離開各保護區的時間如圖4所示。預測結果表明,當事故發生在落潮時,油膜往下游的漂移速度更快,到達和離開各保護區的時間都早于事故發生在漲潮時。具體為:油膜到達工業取水口的時間差為0.35 d,離開的時間差為0.42 d；到達如皋長青沙取水口的時間差為0.8 d,離開的時間差為1.19 d。從圖4可見,油膜越往下游漂移擴散,到達同一個保護區的時間差越大。由此可以看出,流場對油膜漂移擴散的速度影響較大,且當溢油事故發生在落潮時,油膜對下游保護區的影響時間更早。

圖4 不同流場時油膜漂移擴散到達和離開各保護區的時間

3.3 風場對油膜漂移擴散的影響

因為油膜漂移過程主要依賴于風場和流場的作用,因此有必要研究風場對油膜漂移軌跡的影響。當溢油事故發生在漲潮時,比較工況1、2、5的預測結果,分析風向和風速對油膜漂移擴散的影響。

比較工況1、5的預測結果,油膜到達和離開同一個保護區的時間不同,但時間差很小,詳見表3。具體為:西風條件下,油膜到達和離開工業取水口的時間比東南偏東風情況下均提前了0.01 d；西風條件下,油膜到達和離開如皋長青沙取水口的時間比東南偏東風情況下分別提前了0.03 d和0.04 d。由此可以看出,當溢油事故發生在相同流場、相同風速的情況下,風向對油膜漂移擴散的速度影響較小。

比較工況2、5的預測結果,油膜到達和離開同一個保護區的時間明顯不同(圖5)。由此可以看出,當溢油事故發生在相同流場、相同風向的情況下,風速對油膜漂移擴散的速度影響較大。

圖5 相同流場、相同風向、不同風速情況下，油膜漂移擴散到達和離開各保護區的時間

4 結 論

a.基于EFDC構建的長江下游感潮江段二維水動力模型能夠較為準確地反映該江段的水動力情況,尤其是感潮江段的漲潮和落潮變化。

b.油膜在漂移擴散過程中,沿水流方向逐漸被拉伸,覆蓋面積逐漸增大。長江地形條件是影響油膜漂移軌跡的關鍵因素,油膜緊鄰岸邊漂移擴散,遇到淺灘或島嶼會被分割。

c.除了地形條件,流場是影響油膜漂移行為的主要因素。在感潮江段,油膜受漲落潮的影響往下游來回震蕩漂移。溢油事故發生時的流場不同,油膜往下游漂移擴散的速度也不同,當溢油事故發生在落潮時,油膜向下游漂移速度更快,會更早地影響下游保護區。

d.風場也會對油膜漂移行為產生影響,尤其是風速的變化會明顯改變油膜的漂移速度。但風場對油膜漂移軌跡的影響程度要小于流場的影響。

e.EFDC能夠很好地模擬預測感潮江段溢油事故風險影響,其預測結果能夠以圖形和動畫的方式直觀地展現出油膜的漂移軌跡和擴散范圍,以及到達和離開周圍各保護區的時間和油膜形態,該模型應用可以為長江下游感潮江段碼頭溢油事故風險的預警和應急提供決策依據。

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Prediction of oil spill risk on tide sect of Yangtze River based on EFDC model

TIANW ei1,QIU Li2,LIYiping2
(1.Jiangsu Province Hydrology and Water Resources Investigation Bureau,Nanjing 210029,China；2.College of Environment,HohaiUniversity,Nanjing 210098,China)

In order to take effective measures in time to alleviate and control the oil pollution and minimize the damage after the accidents,Environmental Fluid Dynamic Code(EFDC)was applied to simulate the oil spill risk occurred in Jingjiang section in the downstream area of Yangtze River.Through EFDC,two-dimensional hydrodynamic of this section was accurately simulated.Considering the flow fields,wind fields and complex topographic conditions,Lagrange tracking method was used to calculate the oil film trajectory after oil spilling into the river,as well as the arrival and leave time to the Reserve in the downstream.The results showed that the oil film was stretched gradually along the flow direction,whose coverage area increased gradually,which was influenced by the terrain condition of Yangtze River.In the tide sect of the Yangtze River,flow fields played a dominant role in oil pollution diffusion,and wind fields also had an impact on oil pollution diffusion.The oil film moved downstream in terms ofdriftoscillation due to the alternative flood tide and ebb tide.When oilspill accident occurred in different flow field,the drift velocity of oil film was different.The oil film spread downstream faster when oil spill accident occurred at ebb tide.The larger the wind speed in theworstwind direction,the faster the oil film drifted downstream.

tide sect of Yangtze River；oil spill risk；Environmental Fluid Dynamic Code(EFDC)；oil film；oil pollution；drift trajectory；risk prediction

X143

：A

：1004 6933(2015)06 0098 05

10.3880/j.issn.1004 6933.2015.06.016

2015 03 11 編輯:徐 娟)

田威(1982—),男,工程師,碩士,主要從事水環境監測分析與評價工作。E-mail:jarod323@163.com