京杭運(yùn)河蘇北段溢油擴(kuò)散數(shù)值模擬研究

齊慶輝，東培華，曲紅玲，熊偉

（江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司江蘇省水運(yùn)工程技術(shù)研究中心，南京210014）

京杭運(yùn)河蘇北段溢油擴(kuò)散數(shù)值模擬研究

齊慶輝，東培華，曲紅玲，熊偉

（江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司江蘇省水運(yùn)工程技術(shù)研究中心，南京210014）

基于Mike21/3SA模塊建立京杭運(yùn)河蘇北段溢油擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)溢油突發(fā)事故油膜漂移軌跡和擴(kuò)散范圍。研究結(jié)果表明：水動(dòng)力場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)對(duì)內(nèi)河溢油擴(kuò)散有著重要的影響；流速對(duì)油膜的漂移過(guò)程起主導(dǎo)作用，油膜移動(dòng)速度隨著水流流速的增大而增大；不利風(fēng)向作用下，油膜下游漂移影響范圍明顯增大；一旦發(fā)生漏油事故，應(yīng)及時(shí)監(jiān)測(cè)溢油河段水流狀況與氣象條件，及時(shí)采取應(yīng)急救援措施。

Mike21/3SA；溢油；水動(dòng)力場(chǎng)；風(fēng)場(chǎng)；京杭運(yùn)河蘇北段

京杭運(yùn)河蘇北段（蘇北運(yùn)河）是南水北調(diào)中線工程線路，利用泵站從揚(yáng)州江都水利樞紐提水，通過(guò)十三級(jí)閘逐級(jí)調(diào)水北方地區(qū)。隨著水上貨運(yùn)量快速增長(zhǎng)，交通日益繁忙，船舶突發(fā)事故的風(fēng)險(xiǎn)逐漸加大。溢油污染給內(nèi)河生態(tài)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)帶來(lái)嚴(yán)重的影響，如何有效預(yù)防事故的發(fā)生和預(yù)測(cè)事故影響范圍顯得尤為重要。因此，建立京杭運(yùn)河突發(fā)性船舶溢油污染擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)不同水動(dòng)力與風(fēng)況條件下油膜擴(kuò)散影響范圍十分必要。

溢油擴(kuò)散是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程，受油品的物理、化學(xué)性質(zhì)及事故發(fā)生地的氣象條件和水動(dòng)力特性等共同影響，進(jìn)入水體的石油將發(fā)生擴(kuò)展、漂移、擴(kuò)散、蒸發(fā)、溶解等變化過(guò)程［1］。國(guó)內(nèi)外對(duì)溢油擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行了大量的研究，數(shù)值模擬研究主要利用Mike21/3SA、DELFT3D、OILMAP等模型模擬和預(yù)測(cè)溢油擴(kuò)散后油膜的時(shí)空分布及上溯距離。陳新永等［2］建立了渤海灣海域潮流數(shù)學(xué)模型，對(duì)溢油擴(kuò)散的水動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行模擬，進(jìn)一步針對(duì)碼頭油泄漏事故采用費(fèi)伊擴(kuò)展模式預(yù)測(cè)油膜面積、厚度、飄移距離等溢油特性。劉欽政、張存智等［3］建立了渤海溢油數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，采用“油粒子”方法來(lái)研究溢油在海洋環(huán)境中的漂移擴(kuò)散過(guò)程。婁安剛、王學(xué)昌［4-5］考慮風(fēng)場(chǎng)對(duì)海面溢油的影響，對(duì)油輪在砂礁觸礁后的油膜膜漂移軌跡進(jìn)行了模擬計(jì)算，研究結(jié)果與事故后觀測(cè)到的結(jié)果基本相符，并對(duì)溢油數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行了探討。黃立文等［6-7］開(kāi)發(fā)了舟山港溢油模擬信息系統(tǒng)，對(duì)溢油運(yùn)動(dòng)軌跡、擴(kuò)散范圍、影響區(qū)域進(jìn)行了深入的研究。以往研究主要關(guān)注海面溢油事故的影響，對(duì)內(nèi)河和湖泊溢油研究較少；本文利用Mike21/3SA模式，建立京杭運(yùn)河溢油擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型，重點(diǎn)考慮不同溢油量在靜風(fēng)、不利風(fēng)況作用下油膜的擴(kuò)展、漂移速度和影響范圍。

1 溢油模型建立及影響預(yù)測(cè)研究

1.1 水流控制方程

連續(xù)方程動(dòng)量方程

式中：t為時(shí)間；x、y為笛卡爾平面坐標(biāo)；η為水面相對(duì)于計(jì)算基準(zhǔn)面的水位；d為計(jì)算基面下的靜止水深；h為總水深；uˉ、vˉ分別為沿深度平均的流速在x、y方向上的分量；pa為當(dāng)?shù)卮髿鈮?；S為源匯項(xiàng)；f為科氏力參量；g為重力加速度；ρ為水密度，ρ0為參考水密度；sxx、sxy、syx、syy為輻射應(yīng)力張量。

1.2 溢油擴(kuò)散過(guò)程

本研究采用丹麥水利所Mike21/3的SA（spill analysis）模塊建立研究區(qū)域的二維溢油模型。油膜的漂移軌跡和擴(kuò)散范圍是溢油污染影響范圍評(píng)價(jià)的關(guān)鍵性指標(biāo)。油粒子輸移過(guò)程主要包括擴(kuò)展、漂移、擴(kuò)散等變化過(guò)程。

（1）擴(kuò)展過(guò)程。

本文采用Mackay修正的Fay理論，即重力—粘滯力公式計(jì)算油粒子的擴(kuò)展

式中：Aoil為油膜面積，；Roil為油膜直徑；t為時(shí)間；Ka為一常系數(shù)；Voil為油膜體積，Voil=πR2

oil·hs；hs為油膜初始厚度，hs=10 cm，t=0。當(dāng)單個(gè)油粒子的傾點(diǎn)超過(guò)當(dāng)?shù)厮疁貢r(shí)，擴(kuò)展過(guò)程結(jié)束。

（2）漂移過(guò)程。

油粒子漂移主要考慮水流和風(fēng)的作用力，其總的漂移速度矢量可由以下權(quán)重公式求得

（3）紊動(dòng)擴(kuò)散。

溢油擴(kuò)散過(guò)程實(shí)際上是湍流的一個(gè)彌散過(guò)程，具有隨機(jī)性。本模型采用抽取隨機(jī)數(shù)的辦法來(lái)計(jì)算一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)粒子可能擴(kuò)散的距離。河流中的溢油在徑向上的擴(kuò)散明顯大于橫向擴(kuò)散，故一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)α方向上可能擴(kuò)散距離Sα可表示為

1.3 模型基本參數(shù)

Mike21/3 SA模型部分參數(shù)在各種溢油計(jì)算過(guò)程中變化幅度較小，在合理范圍內(nèi)取值對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大。擴(kuò)散系數(shù)對(duì)溢油擴(kuò)散研究具有重要的作用，縱向擴(kuò)散系數(shù)反映了油膜的擴(kuò)散強(qiáng)度，橫向擴(kuò)散系數(shù)反映了油膜隨機(jī)紊動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大。本文模擬可能發(fā)生的溢油事故，沒(méi)有實(shí)測(cè)資料進(jìn)行驗(yàn)證，擴(kuò)散系數(shù)取值主要參考同類(lèi)研究和項(xiàng)目［8-9］，由于河道中溢油的縱向擴(kuò)散大于橫向擴(kuò)散，在查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，縱向擴(kuò)散系數(shù)取值為0.25，橫向擴(kuò)散系數(shù)取值為0.1。

模型參數(shù)主要取值如表1所示。本文選取油品為輕油，密度取0.96×103kg/m3；氣溫采用揚(yáng)州市地區(qū)6月份平均氣溫24.7℃，水溫比氣溫略高，取26℃；本河段不考慮鹽度影響，鹽度值取0。

2 溢油模型建立

2.1 模型計(jì)算域

京杭運(yùn)河蘇北段（蘇北運(yùn)河）北起徐州藺家壩，南至揚(yáng)州六圩口，是全線貨運(yùn)量最大的航段之一，也是江蘇省“兩縱四橫”干線航道網(wǎng)的中樞骨干航道，在長(zhǎng)三角地區(qū)綜合交通運(yùn)輸體系中發(fā)揮著獨(dú)特的作用。

溢油模型研究范圍與水動(dòng)力模型相同，研究范圍為蘇北運(yùn)河高郵至寶應(yīng)段，該河段全長(zhǎng)約26 km，河寬約150m，最大水深約為14m。模型采用無(wú)結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格布設(shè)綜合考慮地形差異、水深梯度、計(jì)算精度要求以及計(jì)算效率，整個(gè)計(jì)算區(qū)域包括20 345個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)、38 121個(gè)網(wǎng)格單元，三角形網(wǎng)格最小邊長(zhǎng)為20m。

2.2 事故溢油量及模型計(jì)算工況

根據(jù)近年來(lái)事故統(tǒng)計(jì)資料，內(nèi)河船舶突發(fā)性漏油事故一般不超過(guò)20 t，并且采用接油盆、圍油欄、吸油墊等措施阻止或減小漏油，90%石油將被回收，即一般進(jìn)入河道下游的溢油量為2 t。為了研究河道溢油事故的影響，分別對(duì)內(nèi)河最大溢油量20 t和采取回收措施后漏油2 t的情況進(jìn)行了模擬。本文考慮正常排水（流向?yàn)樽员毕蚰希?、南水北調(diào)提水（流向?yàn)樽阅舷虮保﹥煞N不同流態(tài)下溢油事故的影響范圍；風(fēng)對(duì)油膜擴(kuò)展尺度影響較大，風(fēng)與水流同向時(shí)，加快油膜下游漂移過(guò)程，并且增大了油膜的擴(kuò)展尺度；風(fēng)與水流逆向時(shí)，油膜的擴(kuò)展尺度與風(fēng)速、水流流速的相對(duì)大小有關(guān)；結(jié)合揚(yáng)州地區(qū)6月風(fēng)速風(fēng)向情況，本文考慮靜風(fēng)及順風(fēng)情況下3.2m/s的油膜的擴(kuò)散情況。模型計(jì)算工況如表1所示。

2.3 事故河段水動(dòng)力情況

蘇北運(yùn)河主槽寬闊、順直，河道水流流向順直，基本平行于岸線，流速在橫斷面內(nèi)分布均勻。正常排水條件下水流自北向南，深槽流速為0.1～0.3m/s；南水北調(diào)情況下水流自南向北，水流流速相對(duì)較大，深槽流速0.3～0.5m/s。正常排水流場(chǎng)圖見(jiàn)圖1，南水北調(diào)流場(chǎng)見(jiàn)圖2。

2.4 溢油擴(kuò)散預(yù)測(cè)結(jié)果

圖3為工況T3情況下，溢油2 h40min后油膜達(dá)到臨界厚度0.04mm時(shí)，油膜擴(kuò)散范圍示意圖；圖4為工況T7情況下，溢油7 h10min后油膜達(dá)到臨界厚度0.04mm時(shí)，油膜擴(kuò)散范圍示意圖。圖中粗線位置為事故發(fā)生地。

（1）工況T1和T2溢油量為2 t，油膜下游漂移距離分別為2.07 km和2.65 km；工況T5和T6溢油量為20 t，油膜下游漂移距離分別為4.90 km和5.91 km，油膜的臨界厚度為0.04mm。因此正常排水情況下，水流流向?yàn)樽员毕蚰?，不利風(fēng)向主導(dǎo)下，油膜下游漂移距離增大0.6～1.0 km，風(fēng)作用下影響范圍明顯增大。

表1 計(jì)算工況表Tab.1 Calculation scheme

圖1 正常排水流場(chǎng)分布圖Fig.1 Flow field distribution of normal drainage time

圖2 南水北調(diào)流場(chǎng)分布圖Fig.2 Flow field distribution of the south?north water diversion period

表2 溢油擴(kuò)散影響范圍Tab.2 Oil film diffusion scope

圖3 正常排水期漏油事故2.0 t油粒擴(kuò)散范圍預(yù)測(cè)結(jié)果（工況T3）Fig.3 Oil spill 2 t particle diffusion range forecast results of normal drainage period(T3)

圖4 南水北調(diào)期漏油事故20.0 t油粒擴(kuò)散范圍預(yù)測(cè)結(jié)果（工況T7）Fig.4 Oil spill 20 t particle diffusion range forecast results of the south?north water diversion period(T7)

（2）工況T3和T4溢油量為2 t，油膜下游漂移距離分別為3.79 km和4.59 km；工況T7溢油量為20 t，油膜下游漂移距離為10.37 km，油膜的臨界厚度為0.04mm。工況T8情況下，油膜下游漂移距離為11.60 km，由于河道寶應(yīng)方向河段呈S型彎曲，在南向風(fēng)主導(dǎo)下，油膜沿河道西岸呈帶狀分布，此時(shí)油膜厚度為0.32mm，逐漸漂移出模型研究范圍。因此南水北調(diào)情況下，水流流向自南向北，不利風(fēng)向主導(dǎo)下，油膜下游漂移距離增大1 km以上，風(fēng)作用下影響范圍明顯增大。

（3）油膜達(dá)到臨界厚度后將會(huì)被破壞，呈分散狀，在水動(dòng)力和風(fēng)力作用下繼續(xù)發(fā)生蒸發(fā)、溶解、分散、乳化、氧化、生物降解等變化，逐步消散。

（4）內(nèi)河船舶突發(fā)性漏油事故一般不超過(guò)20 t，采取有效阻油和攔油措施后進(jìn)入河道下游的溢油量一般為2 t。工況5～工況8與工況1～工況4進(jìn)行對(duì)比分析可知，在相同流速、風(fēng)況條件下，采取有效阻油措施后，油膜下游漂移距離縮小一半。因此一旦發(fā)生漏油事故，應(yīng)盡快采取有效措施，切斷污染源，減小溢油擴(kuò)散影響范圍。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）京杭運(yùn)河蘇北段為南水北調(diào)東線工程關(guān)鍵性河段，需要較高的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確保華北地區(qū)飲用水安全。但是該河段為江蘇省“兩縱四橫”干線航道網(wǎng)的中樞骨干航道，船舶流量較大，發(fā)生事故性漏油事故可能性較大。本文研究認(rèn)為，內(nèi)河航道較為順直，油膜向下游漂移影響范圍較大。溢油事故發(fā)生后，應(yīng)根據(jù)事故河段水流流態(tài)、氣象條件、河道走勢(shì)等特點(diǎn)，開(kāi)展漏油阻攔及回收工作，切斷污染源，確保南水北調(diào)東線水質(zhì)達(dá)標(biāo)。

（2）流速對(duì)溢油擴(kuò)散起主導(dǎo)作用，蘇北運(yùn)河揚(yáng)州段正常排水期水流自北向南，深槽流速為0.1～0.3m/s；南水北調(diào)期水流自南向北，深槽流速0.3～0.5m/s。南水北調(diào)情況下，流速增大2倍左右，油膜下游擴(kuò)散距離亦增大2倍左右，同一河段油膜移動(dòng)速度隨著流速的增大而增大。風(fēng)對(duì)溢油污染的影響較大，不利風(fēng)向3.2m/s的風(fēng)速作用下，油膜下游影響距離增大1 km以上；因此，突發(fā)性漏油事故一旦發(fā)生，應(yīng)根據(jù)風(fēng)應(yīng)力條件，采取有效的救援措施。

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Oil spill diffusion numerical simulation research in Subei canal section

QI Qing?hui,DONG Pei?hua,QU Hong?ling,XIONG Wei
（Jiangsu Provincial Communications Planning and Design Institute Co.Ltd.，Jiangsu Technology Research Center for Water Transport Engineering,Nanjing 210014,China）

Oil spill diffusion numerical simulationmodule was established based onmike21/3SAmodule.The oil film trajectory and diffusion range were predicted in the oil spill accident.The research results show that∶the oil spill trajectory ismainly influenced by current field and wind field.The oil film drift process ismainly influenced by flow velocity,and the oil filmmovement speed is increased with the increase of flow velocity.Against the wind, oil film drift downstream distance increases obviously.Once the oil spill occurs,water flow condition andmeteoro?logical conditions should bemonitored,and emergency rescuemeasures should be adopted in time.

Mike21/3SA;oil spill;tidal field;wind field;Subei canal

X 52

A

1005-8443（2015）03-0253-05

2014-10-29；

2015-01-04

江蘇省交通運(yùn)輸科技項(xiàng)目《江蘇內(nèi)河航運(yùn)安全綠色關(guān)鍵技術(shù)研究重大專(zhuān)項(xiàng)》（2013Y02）；江蘇交通運(yùn)輸科研項(xiàng)目《江蘇沿海建港條件及關(guān)鍵技術(shù)集成研究》（2011Y01）

齊慶輝（1985-），男，河南省新鄉(xiāng)人，工程師，主要從事海岸河口水動(dòng)力、水環(huán)境及泥沙運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究。

Biography：QI Qing?hui（1985-），male，engineer.