閩江航道建設對下游敏感目標溢油風險預測

肖 洵， 逄 勇,2， 劉一童， 鐘海濤

(1.河海大學， 江蘇 南京 210098； 2.河海大學 淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098)

1 研究背景

由于工業文明的迅速崛起，石油已然成為現代經濟的命脈，然而溢油事故也頻頻發生。溢油是由于人類活動導致的液態石油碳氫化合物向環境的釋放，是污染的一種形式。船舶溢油大致分為兩類：一類是因錯開閥門等操作不當導致的“操作性溢油”；一類是因碰撞、擱、觸礁等海損事故導致的“事故性溢油”[1]。據統計，1973-2008年的36年間，我國沿海發生了2826起船舶溢油事故。我國沿海船舶溢油事故，尤其10 t以上中型、大型、特大事故中，碰撞占據主要原因，其中10～49 t溢油事故中碰撞事故占到總事故的55%；50～699 t溢油事故中碰撞事故占到69%；700 t以上溢油事故中碰撞事故占到42%。沉痛的歷史和殘酷的現實告訴我們，溢油事故會污染水體，干擾毀壞生態系統，對環境造成不可逆的損害[2-4]。人類在震驚于事故破壞性的同時，也拉響了警鐘，開始著力于溢油事故的預防及事后控制[5]。

相對于海洋溢油，河流溢油事故規模較小。但河流溢油事故誘因偏多，并且河流功能豐富，既包括航運運輸，也包括取水水源地、工業用水、農業用水、水產養殖等諸多功能。因此，河流溢油的發生對人類生活用水、居住環境等均會產生不良影響[6-9]，需要積極預防和及時控制，對溢油事故易發區進行溢油風險評價是非常必要的。

本文通過建立閩江下游水動力模型及溢油預測模型，對閩江下游航道建設施工期及運營期最不利條件下的溢油事故風險進行模擬預測分析研究，以期為閩江應急事故處置、損害評價及取水口的安全管理提供支持。

2 研究區域概況

閩江下游從水口水電站經閩江南港到馬尾羅星塔干流航道的總長度為91.22 km。此段習慣通航里程79 km，是內河IV級航道。航道建設工程主要包含疏浚工程、錨地工程、碼頭新建工程。工程區域內有兩處疏浚區，分別為閩江南港航道疏浚區、閩清大橋疏浚區。為了滿足閩江干流通航后船舶錨泊待裝、待卸等需要，擬調整馬杭洲錨地；在白沙鎮附近設立白沙錨地；在閩清渡口作業區下游的馬坪村附近設立馬坪錨地，共計3 個1 000 t級錨地。重建灣邊水上搜救站躉船碼頭和永豐水上搜救站躉船碼頭。兩處疏浚區、三處錨地、兩處碼頭的具體平面位置詳見圖1。

評價范圍內水環境敏感目標有12個，分別為：西北區水廠取水口、福州市馬尾水廠閩江備用水源保護區、飛鳳山水廠水源保護區、義序水廠取水口、福清閩江調水工程峽南生活用水地表水源保護區、長樂市炎山飲用水源保護區、福州城門水廠飲用水源保護區、東南水廠取水口、上街鎮清源水廠侯官水源保護區、閩侯自來水廠水源地、閩清縣白石坑水廠取水口、閩江竹岐取水泵站。與本項目有關的生態濕地有4個，分別為：福州道慶洲-蘆岐洲濕地公園、福州帝封江濕地公園、福州塔礁洲濕地公園、閩侯江濱濕地公園。評價區域飲用水源地保護區、生態濕地位置示意圖見圖2。

圖1 工程位置分布圖 圖2 評價區域敏感目標位置示意圖

類比我國沿海和珠江口事故發生頻率，按照閩江貨物吞吐量考慮，同時兼顧進出港船舶數量增長水平，2015年操作性事故發生概率5～9起。隨著港口船舶安全和防污染管理水平和船員素質的提高，操作性事故發生概率會有所降低，但操作性溢油事故發生概率仍然保持在0.5～0.8年發生1次的范圍內。通過2001-2008年長江口與珠江口水域所發生的海損性溢油事故統計，同時參考天津港某作業區統計資料，依據天津港水域各類船舶數量、珠江口船舶數量，對本項目所在區域大型非油類船舶的事故發生概率進行分析和預測得到閩江航道海損性事故發生概率約為每8～20 a發生一起。因此，本文按照閩江貨物吞吐量考慮，同時兼顧進出口船舶數增長。對閩江航道施工期及運營期溢油風險進行操作性事故發生概率的預測分析。

3 研究方法

根據地形、邊界條件等建立閩江下游二維水動力模擬模型，確定模型計算條件并進行模型率定驗證；評價水域溢油的風險等級，確定船舶溢油量、液體化工品泄露量、溢油發生地點；確定溢油設計水文條件及風況，建立閩江溢油模型，對溢油發生位置、溢油擴展、溢油漂移路徑，油粒子蒸發、油的乳化等風化過程等進行模擬預測；通過閩江溢油模型，預測閩江水域溢油風險，評價溢油風險，提出預防措施[10-12]。

3.1 閩江下游水動力模型建立

溢油發生后在水體里的擴散主要受潮流、波浪等水動力的影響。因此，準確的水動力模擬條件是進行溢油數值模擬計算的基礎[13-14]。本次水動力模型的建立采用平面二維模型來研究工程水域的水動力情況。建立閩江水口電站-閩江外海水環境模型，全長160 km。模型的水下高程利用福建省航道管理局勘測中心2014年11月閩江水口-羅星塔測圖、金剛腿-川石的海圖資料以ETOPO1全球海底地形數據，模型計算基準面為閩江當地的羅零高程。模型計算使用三角形網格進行劃分，內河網格邊長約120～140 m，航道局部加密至50～100 m，外海網格邊長約為350～400 m，開邊界網格邊長800 m，并對部分深窄河道進行加密，共劃分節點28 504個、網格53 751個。該水動力模型的運算時間步長為t=30 s，計算總時長為1個月[15]。

已知2013年12月7日-8日在閩江竹岐、文山里、科貢、白巖潭、金剛腿、琯頭水文站同步水文監測資料，其中另有科貢、文山里和金剛腿水文站的同步監測流量資料。根據率定得到閩江及外海海域糙率系數為0.015～0.031；風拖曳系數為0.001～0.0015。各率定斷面水位及流量的計算誤差見表1、2，水位及流量的計算值與實測值對比見圖3、4。模型計算結果的水位絕對誤差最大為21 cm，流量相對誤差最大為24.95%，誤差基本滿足水位流量要求。

表1 各率定斷面水位計算值平均絕對誤差 cm

表2 各率定斷面流量計算值相對誤差 %

圖3 2013-12-07-08各率定斷面水位計算值與實測值對比

圖4 2013-12-07-08各率定斷面流量計算值與實測值對比

3.2 閩江下游溢油模型建立

3.2.1 溢油模型基本公式 溢出的油到達水體后會在水面上擴展、漂移，發生溶解、蒸發、沉淀、乳化等作用，然后漸漸消失。“油粒子”模型將油膜離散成相互獨立的油粒子，通過模擬每個油粒子的運動從而預測溢油的輸移、風化過程，以到達追蹤的目的。“油粒子”模型具有較高的可靠性和穩定性[16-18]。

(1)輸移過程。油粒子的輸移會導致油粒子的位置發生轉移，但并不影響其組分的改變。擴展、漂移、擴散等作用都屬于輸移過程。

①擴展運動：可用修正過的Fay重力-黏力公式描述油粒子的擴展運動情況[19]：

(1)

②漂移運動：漂移運動主要由水流以及風拽力決定，通過如下的權重公式計算油粒子總漂移速度：

Utot=Cw(z)·Uw+Us

(2)

式中：Cw為風漂移系數，通常在0.03～0.04之間取值；Uw為水面以上10 m處的風速，m/s；Us為水體表面流速,m/s。風速可通過氣象部的數據得知，而流速需要通過二維水動力模型計算得到平均垂向流速，從而估算得到垂向流速分布情況。

③紊動擴散：在各向同性的水平擴散的情況下，在Δt時間內，可通過公式(3)計算得到α方向上的可能擴散路程：

(3)

(2)風化過程。風化過程會影響油粒子的組分但不會影響油粒子的位置轉移。蒸發、溶解、乳化等作用均屬于風化過程。

①蒸發：蒸發的影響因素包括太陽照射強度、水體溫度、風速、氣溫等。假設：內部的油膜擴散是無限制的擴散(氣溫在0℃以上和油膜厚度小于5～10 cm時擴散基本是無限制的擴散)；油膜完全混合；與蒸汽壓相比，不考慮大氣中的油組分分壓。通過公式(4)計算蒸發率：

(4)

式中:Ne為蒸發率；M為分子量的大小；PSAT為蒸汽壓力值；ρ為油組分密度；T為溫度；ke為物質轉移系數；R為氣體常數值；i為各種油組分類型。kei可由公式(5)估算得到：

(5)

式中：Sci為表組分i的蒸氣Schmidts數 ；k為蒸發系數。

②乳化。

a．水包油乳化物：溢油發生后，油通過溶解、擴散、沉淀等方式向水中運動，其中擴散是較為重要的過程。擴散作用的發生是由于水流的紊動使油膜破裂，油滴被水分子包圍，進而形成了水包油的乳化物。這些乳化物有活性劑粘附于表面，活性劑的作用使得乳化物無法返回到油膜中去。通過公式(6)測算擴散過程中油膜的減少量：

D=Da·Db

(6)

式中:Da為水體中油的含量；Db為已經進入水體中無法返回油膜系統的油量。

(7)

(8)

式中:row為油-水界面的張力；μoil為油的黏度。

b．油包水乳化物：油在水中會吸收大量的水分，可通過下述的平衡方程得到油中含水率變化：

(9)

式中：R1為水的吸收速率；R2為水的釋出速率。

(10)

(11)

式中：ywmax為油膜所能達到的最大含水率；yw為實際油中的含水率；As為瀝青在油中的重量比含量；K1為吸收系數；K2為釋放系數；Wax為總石蠟在油中的重量比含量[20]。

③溶解：溶解率表示如下：

(12)

式中:Cisat為組分i的溶解度；Xmoli為i的摩爾分數；Mi為其摩爾重量、Ksi為表示組分傳質推動力大小的溶解傳質系數，可以通過公式(13)進行估算：

Ksi=2.36×10-6ei

(13)

(14)

3.2.2 評價水域溢油風險分析及溢油模型主要參數選取 船用燃料油是成品油中的一種，屬于易蒸發、易揮發的易燃性物質。根據物質的危險性，國家標準將物質的危害程度分為4個等級，通過中毒危害、致癌性等標準進行判別。根據殘渣型船用燃料油、重柴油的性質以及物質危險性評價標準[21]。分析可知，燃料油屬于易燃化學品但無毒無腐蝕性，可評定為Ⅲ類中度危害。

閩江下游二維溢油模型是在二維水動力模型基礎上建立的，重點在于定義各種模型參數值。根據閩江下游實際情況，以及參考文獻[22-24]，確定溢油模型參數，閩江下游溢油模型部分參數取值見表3。

表3 閩江下游溢油模型部分模型參數取值

3.2.3 船舶溢油量及溢油點確定

(1)施工期。根據施工船型資料，施工船舶均為小于1 000 t級的船舶。施工船舶型號多為988 t和豐5型，根據船舶噸位與燃料油的關系可知，其可裝載燃油總重為115 t，有2個燃油艙，其中單個燃油艙最大容積為70 m3。

綜合分析工程的實際情況，考慮在最不利的情況下，施工船舶發生碰撞造成較大型溢油事故，結合上述對船舶燃油艙的分析，模擬溢油情形為：施工期施工船舶因碰撞或擱淺而導致柴油泄露，最不利情形下，油艙單艙油全部泄露入江，即柴油的溢油量為60 t/次。

考慮到疏浚區域船舶通行頻繁，且南港疏浚區附近環境保護目標較多，故選取1-1#閩江南港航道疏浚區作為溢油事故預測點位。具體位置詳見圖5。

(2)營運期。水口水電站大壩以下至馬尾羅星塔航段屬于感潮區潮段，600～1 000 t級的貨船可乘潮在此感潮段通航。現階段閩江航道的主要通航船型為自卸式散貨船。1 000 t貨船尺寸為：(56.0～58.0 m)(長)×9.3 m(寬)×(2.5～2.7 m)(深)，600 t貨船尺寸為：(50.0～52.0 m)(長)×8.5 m(寬)×(2.0～2.2 m)(深)。

根據本航道通航船舶類型分析，考慮最不利情況，環境污染風險源強按1 000 t級標準船舶油艙全部泄漏考慮，即風險源強為燃油60 t/次。泄露時間為0.5 h。

營運期選取距離環境保護區較近的錨地，上游馬坪錨地距離環境敏感區較遠，不選取；選取距離北港飛鳳山水廠和西北區水廠取水口較近的永豐海事搜救站；灣邊大橋距離下游城門水廠取水口較近，選取為溢油點；馬杭洲錨地與烏龍江大橋較近，選擇烏龍江大橋作為溢油點。

因此運行期溢油點為：2-1#永豐海事搜救站、2-2#灣邊大橋、2-3#烏龍江大橋。具體位置詳見圖5。

3.2.4 設計水文條件及風況 根據國家相應規范、規程要求，從偏安全的角度，應采用90%保證率最枯月日均流量作為設計流量。本工程計算采用水口水庫下泄流量作為本河段流量。統計水口電站近幾十年的月平均流量，經頻率計算得到：枯水期90%保證率的最枯月平均流量為2003年10月份的447 m3/s。閩江為典型正規半日潮，一日內有2次高潮及2次低潮，漲潮落潮歷時基本相等，約為6 h。從偏安全角度考慮，選取最不利風向和強風速5 m/s時，分析船舶溢油事故發生后對敏感目標的影響。工程對敏感點不利情況下的溢油風險預測方案見表4，點位見圖5。

4 風險預測結果與討論

4.1 施工期溢油風險預測

施工期溢油風險影響的預測點位為閩江南港航道疏浚區，由于其上下游均有環境敏感目標，故模擬在最不利風向(西北風5 m/s、東南風5 m/s)的背景風場下以及最不利釋放時刻(漲潮和落潮)情況下發生溢油后的污染影響，預測閩江水域溢油風險，并提出有效預防措施。具體模擬結果見表5、6和圖6～9。

表4 對敏感點不利情況下的溢油風險預測方案

分析方案1～方案4，根據溢油張落潮釋放時刻以及背景風場情況可知，方案1和方案4為逆流風場情況下的溢油風險預測，而方案2和方案3為順流風場情況下的溢油風險預測。通過油膜12、24 h內上下游漂移面積的對比可知，方案2為落潮時刻釋放且處于順流風場的情況下，油膜向下游漂移的距離最遠，24 h內最遠達到23 095 m，且對義序水廠水源地、城門水廠水源地、福清市閩江調水工程峽南水源地、長樂市炎山水源地、福州帝封江濕地公園、福州塔礁洲濕地公園都造成影響。方案3溢油為漲潮時刻釋放且順流風場東南風的情況下，油膜向上游漂移的距離最遠，12 h內最遠達到8 235 m，且影響到上游福州市飛鳳山水廠水源保護區、上街鎮清源水廠候官水源保護區、閩江江濱濕地公園。方案2和方案3是逆流風場下的溢油風險模擬，油膜污染面積較順流風場下小，但仍然對水源地保護區、濕地保護區造成嚴重影響。綜合分析可知，若閩江南港航道疏浚區發生溢油事故，最不利情況下在4.17h后油膜會漂移到福州市飛鳳山水廠水源保護區，所以最好在4.17 h內采取必要的應急措施，遏制污染影響擴大。

圖5 溢油風險預測點位分布圖

表5 方案1～方案4油膜漂移至上游及下游的最遠距離

4.2 運營期溢油風險預測

鑒于篇幅有限，在此僅詳細討論運營期2-2#點位(灣邊海事搜救站碼頭)(方案9～方案12)溢油風險模擬情況。具體模擬結果見表7、8和圖10～13。

分析方案9～12，根據溢油漲落潮釋放時刻以及背景風場情況可知，方案10和方案11為逆流風場情況下的溢油風險預測，而方案9和方案12為順流風場西北風情況下的溢油風險預測。通過油膜12、24 h內上下游漂移面積的對比可知，方案10為落潮時刻釋放且處于順流風場的情況下，油膜向下游漂移的距離最遠，24 h內最遠達到22 530 m，且對義序水廠水源地、城門水廠水源地、福清市閩江調水工程峽南水源地、長樂市炎山水源地、福州帝封江濕地公園、福州塔礁洲濕地公園都造成影響。方案11溢油為漲潮時刻釋放且順流風場東南風的情況下，油膜向上游漂移的距離最遠，12 h內最遠達到10 838 m，且影響到馬尾水廠水源地、義序水廠水源地、城門水廠水源地、福清市閩江調水工程峽南水源地、福州帝封江濕地公園、福州塔礁洲濕地公園。方案10和11是逆流風場下的溢油風險模擬，油膜污染面積較順流風場下小，但仍然對水源地保護區、濕地保護區造成嚴重影響。綜合分析可知，若灣邊海事搜救站碼頭發生溢油事故，最不利情況下在3 h后油膜會漂移到義序水廠水源地，所以最好在3 h內采取必要的應急措施，遏制污染影響擴大。

表6 方案1～方案4發生溢油油膜影響范圍及影響持續時間

表7 方案9～方案12發生溢油油膜影響范圍及影響持續時間

表8 方案9～12油膜漂移至上游及下游的最遠距離

圖6 方案1發生溢油油膜影響范圍(1、5.5、12、24 h)(其中5.5 h為油膜到達上游最遠處的情形)

圖7 方案2發生溢油油膜影響范圍(1、7.6、12、24 h)(其中7.6 h為油膜到達下游最遠處的情形)

圖8 方案3發生溢油油膜影響范圍(1、5.7、12、24 h)(其中5.7 h為油膜到達上游最遠處的情形)

圖9 方案4發生溢油油膜影響范圍(1、7.5、12、24 h)(其中7.5 h為油膜到達下游最遠處的情形)

圖10 方案9發生溢油油膜影響范圍(1、6、12、24 h)(其中6 h為油膜到達上游最遠處的情形)

圖11 方案10發生溢油油膜影響范圍(1、7.7、12、24 h)(其中7.7 h為油膜到達下游最遠處的情形)

圖12 方案11發生溢油油膜影響范圍(1、6.3、12、24 h)(其中6.3 h為油膜到達上游最遠處的情形)

圖13 方案12發生溢油油膜影響范圍(1、7.8、12、24h)(其中7.8 h為油膜到達上游最遠處的情形)

5 結論與建議

(1)通過建立閩江下游水動力模型及溢油預測模型，對閩江下游航道建設施工期及運營期最不利條件下的溢油事故風險進行模擬預測分析研究。

(2)設定的16個方案模擬結果表明，溢油于漲潮時刻釋放時，油膜先向上游漂移，再隨潮流向下游漂移；落潮時刻釋放時，油膜隨潮流向下游漂移。漲潮時刻釋放的油膜向上游漂移面積較大，落潮時刻釋放的油膜向下游漂移面積較大。當風場為逆流風場時，油膜向下游的漂移運動減弱，當風場為順流風場時，油膜向下游的運動加快，對下游的影響范圍較逆流風場時大。在河道窄小彎曲處，油膜部分被岸灘所吸附，剩余部分隨潮流漂移。

(3)閩江下游航道建設區段灣邊水上搜救站碼頭下游的環境敏感目標較多，需要重點防范此處溢油事故的發生。

(4)油膜在72 h內不會漂入海洋，而是在潮汐的作用下于河道中往復漂移，但隨著時間的遷移，未降解的油膜會隨水流漂入海洋，污染海洋水體。故溢油事故發生后應及時采取措施，避免油膜遷移入海洋。

(5)應建立足夠的應急預防措施，竭力預防溢油事故的發生。具體的措施包括：建設方應在施工前制定船舶溢油事故風險應急預案；提前配備好一定數量的應急設備及應急器材；做好應急預案工作，如若發生溢油事故，立即啟動并實施應急預案，及時通知主管部門，盡快采取減緩措施，控制溢油影響面積的擴大；應對施工相關人員進行崗前培訓教育，督促工作人員按照要求進行施工操作，規避操作事故發生；嚴格管理船舶作業區的范圍，嚴禁船舶擅自擴大作業范圍，拒絕一切無關船只靠近或進入施工作業區域；在施工區域設置專用標志；定期檢查船舶性能等。

(6)由于研究方案有限，未能考慮到常風情況下溢油影響情況，也僅挑選了風險較大的溢油點進行模擬計算，未能考慮所有的溢油點，建議加強完善后續模擬工作，為溢油風險的預測提供更加全面的模擬支持，為預防溢油事故以及溢油事故的應急處置提供決策上的支持。