高速公路水環(huán)境風(fēng)險事故預(yù)測分析

常軼深

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

高速公路運(yùn)營期對水環(huán)境影響主要為路橋面徑流和跨河路段發(fā)生事故造成污染[1]。前者研究較多，后者研究相對較少，但也有一些學(xué)者進(jìn)行了研究，如黃合來[2]對山區(qū)高速公路隧道群路段?；愤\(yùn)輸風(fēng)險評價體系進(jìn)行了研究；陶健[3]采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的方法對山區(qū)道路危險貨物運(yùn)輸風(fēng)險評價進(jìn)行了研究；閆利勇[4]、任常興[5]、杜曉燕[6]等對高速公路危化品風(fēng)險特點(diǎn)及對策進(jìn)行了研究。但是，這些研究多為定性，且多側(cè)重對策及體系研究，很少有對風(fēng)險事故進(jìn)行定量研究的。因此，本文以江西省某高速公路為例，分可溶性?；泛筒豢扇芪；?，對水環(huán)境的影響進(jìn)行了定量預(yù)測，為高速公路水環(huán)境保護(hù)提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

該高速公路按照雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)速度采用100 km/h，路基寬度24.5 m。全線共設(shè)大中橋梁6 406 m/20座，其中：大橋6 254 m/18座，中橋152 m/2座；全線設(shè)置涵洞通道227道，隧道2座，互通立交3處；收費(fèi)站3處。研究區(qū)內(nèi)地貌可劃分為風(fēng)化剝蝕丘陵區(qū)、侵蝕和剝蝕山地區(qū)兩個地貌單元，年平均氣溫18.7℃，年平均降雨量1 640 mm。主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，年平均風(fēng)速2.9 m/s。該高速公路跨越的河流有鎮(zhèn)崗河、新田河、早禾河，其中距離取水口最近的為跨越新田河的坎洋大橋，安定高速公路K192+150以坎洋大橋跨越新田河，該處下游最近集中式飲用水的取水口為上寨漂子湖自來水廠取水口，距離約7.6 km，取水規(guī)模0.05萬t/d。

2 研究方法

在現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上，采用瞬時點(diǎn)源一維河流水質(zhì)模型和費(fèi)伊油膜擴(kuò)延公式進(jìn)行定量分析。對可溶性?；?，此種污染屬于瞬時點(diǎn)源污染，采用瞬時點(diǎn)源一維河流水質(zhì)模型預(yù)測污染的影響。對不溶性?；?，采用費(fèi)伊（Fay）油膜擴(kuò)延公式進(jìn)行預(yù)測。

3 結(jié)果與分析

3.1 可溶性?；罚状迹┌l(fā)生事故的影響分析

可溶性危化品以甲醇為例，進(jìn)行影響分析。運(yùn)送危化品的車輛在橋上發(fā)生事故，泄漏后將隨水流擴(kuò)散，造成水體嚴(yán)重污染。此種污染屬于瞬時點(diǎn)源污染，本次采用瞬時點(diǎn)源一維河流水質(zhì)模型預(yù)測污染的影響。公式如式（1）：

其中u=Q/A，

式中：M為瞬時源的源強(qiáng)，等于運(yùn)輸車的運(yùn)載量，t，取3.5 t；Q為河流流量，m3/s，取5.83 m3/s；A 為河流過水?dāng)嗝婷娣e，m2，估算水域路段平均過水?dāng)嗝婷娣e，取 15 m2；DL為縱向離散系數(shù)，m2/s；x為預(yù)測點(diǎn)到污染源的距離，m，取7 600 m；t為污染源投放后的持續(xù)時間，s。

DL縱向離散系數(shù)是反映河道縱向混合特性的重要參數(shù)，縱向離散系數(shù)主要受水流條件、斷面及河道形態(tài)等因素的影響。在此采用經(jīng)驗(yàn)公式Fischer公式。公式如式（2）：

式中：U為平均流速，m/s，根據(jù)流量和過水?dāng)嗝婀浪?，?0.39 m/s；H 為平均水深，m，取 1.5 m；B 為水面寬度，m，估算水域路段平均水面寬度，取10 m；v 為摩阻流速，m/s，根據(jù)公式計(jì)算，取 0.122 m/s；I為坡降，取1.02‰。

事故溢液預(yù)測結(jié)果表明：甲醇溢出后4.72 h后，在坎洋大橋下游6 610 m處濃度最大值達(dá)標(biāo)（前蘇聯(lián)水體中有害物質(zhì)最高允許濃度3.0 mg/L）?？惭蟠髽蛳掠?.6 km為上寨漂子湖自來水廠取水口。因此，在跨越新田河的坎洋大橋發(fā)生危化品泄漏事故，采取應(yīng)急處理措施后，事故性溢液對下游取水口造成影響較小。

3.2 不溶性?；钒l(fā)生事故的影響分析

運(yùn)輸油品與類油品危化品的車輛發(fā)生撞車、翻車掉入水體的事故時，可能由于灌體破裂造成污染物泄漏污染水體水質(zhì)。油品溢出后在水面擴(kuò)展，同時漂移和平流使油膜的中心發(fā)生移動，隨著油膜表面積的不斷增大，加速揮發(fā)和溶解。揮發(fā)與溶解相比，揮發(fā)占主要地位。根據(jù)相關(guān)研究表明，揮發(fā)在溢油后24 h內(nèi)可減少30%～50%的體積；溶解在溢油后1 h內(nèi)即可完成其主要過程，以后便越來越少。由于揮發(fā)速率比溶解速率快得多，往往油膜來不及溶解便揮發(fā)到大氣中去，而溶解到水中的油，仍有可能進(jìn)入大氣。

3.2.1 事故溢油擴(kuò)散漂移預(yù)測模式

采用費(fèi)伊（Fay）油膜擴(kuò)延公式對柴油入河事故污染進(jìn)行風(fēng)險預(yù)測。費(fèi)伊（Fay）油膜擴(kuò)延公式目前被廣泛采用，費(fèi)伊把擴(kuò)展過程劃分為3個階段：

a）在慣性擴(kuò)展階段，油膜直徑為：

b）在黏性擴(kuò)展階段：

c）在表面張力擴(kuò)展階段：

d）在擴(kuò)展結(jié)束之后，油膜直徑保持不變：

式中：D 為油膜直徑，m；g 為重力加速度，m/s2，取g=9.8；V 為溢液總體積，m3，設(shè)運(yùn)載量為 10 t，全部溢出時，溢油量為11.7 m3；t為從溢液開始計(jì)算所經(jīng)歷的時間，s；vW為水的運(yùn)動黏滯系數(shù)，m2/s，vW=9.025×10-7；β=1-ρ0/ρw，ρ0、ρw分別為油和水的密度，kg/m3，取ρ0=850，ρw=1 000；δ=δaw-δ0a-δ0w，δaw、δ0a、δ0w分別為空氣與水之間、油（液）與空氣之間、液與水之間的表面張力系數(shù)，N/m，取 δa=0.073，δ0a=0.025，δ0=0.018；K1、K2、K3分別為各擴(kuò)展階段的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般可取K1=2.28、K2=2.90、K3=3.2。

上述各階段的分界時間可用兩相鄰階段擴(kuò)展直徑相等的條件來確定。

在實(shí)際中，膜擴(kuò)展使油膜面積增大，厚度減小。當(dāng)膜厚度大于其臨界厚度時（即擴(kuò)展結(jié)束之后，膜直徑保持不變時的厚度），膜保持整體性，膜厚度等于或小于臨界厚度時，膜開始分裂為碎片，并繼續(xù)擴(kuò)散。

3.2.2 溢油漂移預(yù)測

油入水后很快擴(kuò)展成膜，然后在水流、風(fēng)生流作用下產(chǎn)生漂移，同時溢油本身擴(kuò)散的等效圓膜還在不斷地擴(kuò)散增大。因此溢油污染范圍就是這個不斷擴(kuò)大而在漂移的等效圓膜。如果膜中心初始位置為S0，經(jīng)過Δt時間后，其位置s由式（3）計(jì)算：

式中膜中心漂移速度V，由式（4）求得：

其中 vα=v風(fēng)×α，

式中：vw為水流速度；v風(fēng)為10 m高處的風(fēng)速；α為風(fēng)因子數(shù)，取值3.5%。

3.2.3 計(jì)算條件

據(jù)工程統(tǒng)計(jì)資料，新田河該河段實(shí)測平均流量為 5.83 m3/s，流速為 0.39 m/s，河寬 10 m，河深1.5 m，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，平均風(fēng)速為2.9 m/s。

3.2.4 預(yù)測結(jié)果

發(fā)生溢油事故時油膜的漂移擴(kuò)散結(jié)果見表1。

表1 事故溢油順?biāo)鞣较驍U(kuò)延預(yù)測結(jié)果

4 結(jié)論

a）可溶性?；罚状迹┮绯龊?.72 h后，在坎洋大橋下游6 610 m處濃度最大值達(dá)標(biāo)（前蘇聯(lián)水體中有害物質(zhì)最高允許濃度3.0 mg/L）。

b）由表1可知，一旦在坎洋大橋處發(fā)生柴油等不溶性?；沸孤r，事故溢液油品將在約4.3 h（15 463 s）到達(dá)下游上寨漂子湖自來水廠取水口。即坎洋大橋發(fā)生不溶性?；沸孤┦鹿?，該飲用取水口的應(yīng)急響應(yīng)時間不能超過4.3 h，一旦發(fā)生泄漏事故，需立即啟動應(yīng)急預(yù)案，加強(qiáng)區(qū)域應(yīng)急物資調(diào)配管理，采取應(yīng)急果斷措施處理和應(yīng)急監(jiān)測等，用圍油欄和吸油氈等對取水口采取相應(yīng)隔離措施，并實(shí)時監(jiān)測取水口水質(zhì)，一旦水質(zhì)超標(biāo)立即通知水廠停止取水。

c）應(yīng)該對坎洋大橋設(shè)置橋面徑流收集系統(tǒng)和事故池，運(yùn)管單位在日常運(yùn)行管理中需加強(qiáng)事故應(yīng)急池的日常管理，一旦在跨河橋梁處發(fā)生危化品運(yùn)輸車輛泄漏事故時，需立即趕赴現(xiàn)場，啟動應(yīng)急預(yù)案，同時確保泄漏的危險化學(xué)品收集在事故池中，委托有資質(zhì)單位及時將事故池收集的泄漏物進(jìn)行清運(yùn)處置，可減少因發(fā)生?；沸孤┒鴮Υ髽蛩缭剿w產(chǎn)生的不利影響。