河流溢油模擬及規律研究＊

欒國華 劉 付 李 鑫 儲勝利

(1.中國石油集團安全環保技術研究院有限公司；2.中國石油大學(北京))

0 引 言

近年來，隨著我國經濟的快速發展，對石油和天然氣等資源的需求量增加，管道建設迅猛發展，隨之而來的風險也在增加。1973—2006年，我國沿海地區發生了2 600多起運輸溢油事故，尤其自2005年以來，全國沿海和河流共發生了250多起運輸溢油事故[1]，其中大型溢油事故具有較高的發生頻率且多發生在入海口上游。沿海和河流受潮汐影響，更加快了泄漏油品的擴散速度。

目前國內有關河流水體的溢油模擬基本流程、影響因素、應急對策等方面的研究較少。本文運用MIKE 21軟件對某河流水體進行模擬。精確地對溢油進行模擬，得出應急時間，可以大大提高溢油處置的成功率。

1 泄漏模擬技術介紹

1.1 水動力模擬技術原理

通過構建水動力模型，可對各種作用力而產生的水流、水位等水體多種變化進行模擬分析，詳見公式(1)、(2)、(3)。

1)連續性方程

(1)

式中，h為水深；ζ為水位；t為時間；p為X方向上的流量通量。

2)X方向動量方程

(2)

3)Y方向動量方程

(3)

式中，q為Y方向上的流量通量；g為重力加速度；c為謝才數(Chezynumber)；ρ為海水密度；f為科氏力系數；fw為風阻力系數；Wx為風速在X方向上的分速度；Wy為風速在Y方向上的分速度；τxx，τxy，τyy為3個不同方向上的剪應力[2-5]。

1.2 溢油模擬技術及原理

MIKE 21 FM模型中的溢油模塊(OS)主要用來預測海洋、河流中危險化學品的歸宿，主要包括油的傳輸路徑和化學組分的變化。該模塊可對危險化學品在水中的漂移、擴展和風化等過程進行模擬研究，可分析溢油運動軌跡、油膜厚度、掃過面積以及危險化學品物理化學性質的改變情況等。溢油模塊是將油膜概化為大量粒子的集合，每個粒子均有一定體積的危險化學品量[6-8]。油膜的漂移擴散過程主要通過粒子的隨機運動來表示，而危險化學品風化過程可通過粒子的熱量變化和質量損失進行描述[9-10]。

2 溢油風險與情景設計

東北地區跨越S河管道的長度為200 m，S河有3個水期，枯水期、平水期和汛期，流量分別為40，150，230 m3/s，如圖1所示。

圖1 泄漏點位置分布情況

根據調研情況，泄漏點的位置可能在穿越管道的任意位置，如果管道發生斷裂(最壞的情況)，管道的泄漏速度為50 kg/s，泄漏15 min內關停閥門，停止壓力輸送。實際情況下，發生管道泄漏后，污染物在河流中的漂移擴散受很多因素的影響，包括：河流的流速、泄漏點的位置、風力條件等一系列環境因素。考慮S河的地理位置，做模擬時，只考慮了河流的流速和泄漏點的位置兩個重要的影響因素，設置了9種泄漏事件情景，如表1所示。

表1 泄漏事件情景設置

3 水體溢油模擬研究

3.1 模型構建

建立水動力模型。利用MIKE Zero網格生成器創建地形網格。其中最大三角形面積為500 m2，最小允許角度為30°，區域內最大節點數為100 000，計算域內網格數為16 655個，為提高計算的精確度，將原油泄漏點附近的局部網格進行了加密處理，如圖2所示。生成網格后，在網格編輯器中導入河底高程數據，并將其插值到各網格點，形成有效的計算網格，導出模擬區域的地形分布圖，如圖3所示。

圖2 局部區域計算網格

圖3 地形分布情況

3.2 率定與驗證

圖4中所示位置為驗證點P、Q。根據水文站獲取的實際監測資料，對模型參數進行率定與驗證。經率定，底床摩擦力修正值為45 m1/3/s；Smagorinsky系數修正值為0.24 m2/s。

圖4 驗證點示意

根據P、Q兩點2014年11月4日流速和水位實時數據對水動力模型進行驗證，數據的日平均流量分別與近十年來該河段的枯水期、平水期和汛期平均流量相近。由圖5可看出，流速與水位的計算值與實測

圖5 水動力模型驗證曲線

值的變化規律幾乎一致，誤差在合理的范圍內，因此所建立的水動力模型能夠表征S河的河流特征。

3.3 模擬結果

根據所設計的情景，模擬計算分別在枯水期、平水期和汛期管道A、B、C三點發生泄漏的漂移擴散狀況。圖6展示了在發生泄漏事故后不同時刻(0.5，2，3.5 h)的濃度分布情況。

圖6 模擬結果

3.4 結果分析

1)濃度帶軌跡分析。以枯水期濃度分布為例，由圖6可看出，當原油從管道不同位置泄漏時，其漂移擴散規律有所不同。首先，當原油從管道A點泄漏后，其先沿著河流右岸邊漂移邊擴散；當原油從B點泄漏后，其濃度帶主要順著河流中心漂移擴散，遇到彎曲河道時，濃度帶向外岸靠近；當原油從C點泄漏后，其濃度帶首先沿著左岸進行漂移擴散運動，最終與A點濃度帶位置保持一致。

2)濃度帶影響面積分析。隨著事故發生時間的推移，原油濃度帶影響面積不斷擴大，但在管道不同位置泄漏，其影響面積有所不同。其中當泄漏位置靠近河流沿岸時，受到河岸阻力的影響，擴散面積較大，且濃度帶呈現明顯的“拖尾”現象，導致部分原油在河岸處滯留，岸線污染嚴重；當泄漏位置靠近河中心時，原油在泄漏初期受河岸影響小，擴散面積相對較小，隨著河道方向的不斷改變，濃度帶逐漸靠近河岸，對岸線產生一定影響，面積逐漸擴大，但仍具有較小的影響面積。

3)漂移擴散規律差異性分析。泄漏位置不同，原油運動規律的差異性主要體現在事故發生后的短時間內，隨著原油漂移擴散的不斷進行，其差異性越來越小，最終原油的運動規律由河流本身性質決定。

4)漂移擴散規律的應用。根據1)分析的規律，在設置應急處置斷面時，需要在下游位置(溢油擴散軌跡與泄漏點無關的區域)并且流速緩慢的河段設置一個應急處置斷面，以確保溢油被完全清理。根據2)分析的規律，可清楚看出河岸處溢油滯留的區域，在溢油清理過程中，可提高溢油清理的效率，縮短河岸處溢油清理的時間。

4 結 論

1)使用MIKE 21軟件對模擬河段進行模擬，通過實時數據對模型進行率定與驗證，驗證了模型的可用性和穩定性。

2)根據模擬結果，考慮泄漏點位置和水期因素，設置了9種情景對模擬河段進行了模擬，得出了不同情景下的漂移擴散規律。為河流應急決策提供了支持。