非溶解性危險化學品在內河中的泄漏擴散規律

詹水芬，王明超 ，陳學民 ，蔣文新

（1. 蘭州交通大學 環境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730070；2. 交通運輸部天津水運工程科學研究院，天津 300456；3. 天津東方泰瑞科技有限公司，天津 300192）

非溶解性危險化學品（危化品）一旦在內河中泄漏將形成?；沸孤﹫F，造成水體以及沿岸環境的污染［1］。開展內河船運危化品泄漏擴散規律研究，預測?；沸孤﹨^域變化范圍，對于事故應急處置及?；坊厥盏染哂兄匾囊饬x。KACHIASIVILI等［2-3］利用擴散模型對?；吩谒w中的擴散情況進行了研究。DUAN等［4］設計實驗模擬了危化品在彎曲水槽中的流動和擴散過程。部分學者對內河溢油的特殊情況建立了擴散模型，采用不同方式對數值模型進行求解［5-7］。SONG等［8］探討了柴油泄漏事故對河水及周圍環境的污染情況。有學者探討了感潮河網和河口溢油事故的擴散運輸過程［9-10］，但研究成果主要針對海上溢油事故［11-15］。屈長龍等［16-17］對甲醇泄漏進行了數值模擬研究。王冰等［18-19］利用IWIND-LR模型對油品在內河中的遷移過程進行了快速模擬。閆潔潔等［20］使用ALOHA軟件對泄漏的液氯進行量化模擬，可準確快捷地評估液氯泄漏對周邊環境的影響。但內河?；沸孤U散的研究仍存在不足：1）內河水面危化品的泄漏擴散研究較少；2）?；沸孤﹫F的尺寸、個數以及影響范圍等未做深入研究。

本工作對非溶解性危化品在內河中泄漏擴散過程進行數值計算，對?；返男孤?、漂移和擴散過程進行研究，分析危化品泄漏擴散范圍隨時間的變化規律。

1 ?；沸孤U散模型

1.1 泄漏區域

內河中?；愤\輸船舶與其他物體（船舶、橋墩等）發生剮蹭/撞擊后，可能會將船舶撕開一個泄漏口。此時，船舶內儲存的?；穼男孤┛诹鞒?，進入內河水體。當危化品密度小于水的密度且不溶于水時，泄漏的危化品將漂浮在水面，形成?；返男孤﹫F，并隨河水向下游流動。針對內河船舶危化品泄漏擴散問題，同時考慮到河道邊界的不規則性，本研究利用地圖軟件獲取河道區域的衛星地圖，采用繪圖軟件對河道、船舶以及建構筑物等進行準確刻畫，獲得了完整的二維內河?；愤\輸船舶泄漏擴散區域。?；穬群舆\輸泄漏擴散區域見圖1。由圖1可見：黃色實線圍成的區域為?；沸孤U散區域，長度約4.0 km，河面寬度約1.0 km；河道中有一艘3 000 t的?；愤\輸船舶，位于區域上游，船舶長寬分別為81.0 m和13.6 m；由于船舶碰撞剮蹭等原因，船尾部出現了1.0 m的泄漏口。

圖1 ?；穬群舆\輸泄漏擴散區域

1.2 數學模型

內河非溶解性?；沸孤┖髮⑵≡诤用嫔希纬晌；沸孤﹫F的泄漏帶。采用流體體積（VOF）方法捕捉?；沸孤﹫F的泄漏、漂移和擴散過程。內河?；愤\輸船舶的實際尺寸較大，?；沸孤┻^程中雷諾數Re較高，流動過程屬于湍流。例如，對于3 000 t級的柴油船舶，當泄漏口尺寸為1 m、泄漏流速為1.5 m/s時，?；沸孤┻^程Re約為4.0×105，流動屬于湍流?；诖耍狙芯坎捎脴藴蔾-ε模型模擬其湍流過程。內河危化品泄漏擴散控制方程見式（1）～（3）［21］。

式中：ρ為?；访芏龋琸g/m3；t為泄漏時間，min；u為危化品泄漏擴散速度，m/s；Q為?；沸孤┝髁?，kg/s；ρw為水的密度，kg/m3；p為水的壓力，Pa；ρhc為?；访芏龋琸g/m3；μeff為有效黏度，Pa·s，由μeff=μ+μtur計算，其中，μ為流體動力黏度，μtur為湍流黏度；σ為?；繁砻鎻埩?，N/m；κ為界面曲率，1/m，κ= Δ·n，n為界面法向量，由計算［19］；α為控制容積中水相的體積分數，%。

內河危化品泄漏過程中，計算區域的?；敷w積分數將發生變化，從而導致區域流體物性密度、黏度發生變化，本研究中將采用式（4）和式（5）來計算。

式中，μw和μhc分別為水和?；返酿ざ?。

計算區域內的流動狀態屬于湍流，可采用標準k-ε方程分別計算湍動能k、湍動能耗散率ε和湍流黏度μtur，見式（6）～（8）。

式中：c1，c2，cμ，σk，σε均為常數，其取值分別為1.44，1.92，0.09，1.0，1.3；Gk為湍動能生成項，其計算式為Gk=μturS2，其中，S為平均形變速率張量的模，Sij為形變速率張量，s-1。

1.3 邊界條件和初始條件

1.3.1 邊界條件

邊界條件包括河流邊界條件和船舶邊界條件。對于河流邊界條件，計算區域左邊界為速度入口邊界且入口流速恒定，河流沿岸為無滑移邊界，計算區域右邊界為速度出口邊界。對于船舶邊界條件，船尾部?；沸孤┛跒樗俣热肟谶吔?，船體其余部分為無滑移邊界。

1.3.2 初始條件

初始時刻，?；愤€未泄漏，計算區域內只有河水流動，且流動過程達到穩定。在某個時刻，船尾部泄漏口處開始有危化品流出，計時從此開始。

2 數值計算方法和算例設置

2.1 數值計算方法

在本文計算中，壓力和速度采用SIMPLE算法耦合，對流項和擴散項分別采用二階迎風格式和中心差分格式離散，非穩態項采用全隱格式離散，收斂標準為連續性方程余量和動量方程余量同時小于1.0×10-5。

2.2 算例設置

在算例設置之前，首先要選取計算區域。本研究中選擇長江主干線南京段八卦洲北汊河段為計算區域，如圖1所示。其中，河流上游為散貨碼頭，河流下游為中國石化揚子石化公司危化品運輸碼頭，主要開展石油類?；穬Υ?、運輸以及裝卸等作業。以長江水上事故救援機制和能力作為參考，本研究中設置?；沸孤r間為30.0 min。

采用三角形網格離散整個計算區域，計算區域的網格分布見圖2。如圖2所示，在船舶附近尤其是船尾泄漏口處網格加密，泄漏口處網格尺寸取0.05 m。通過對多套網格和多組時間步長試算結果的比較，選取總網格數為199 615，時間步長為0.1 s。

3 計算結果與分析

3.1 模型驗證

液態非溶解性?；吩谒w中泄漏、擴散數值模擬的關鍵是兩種非互溶液體物質的相互作用。本研究采用標準k-ε模型描述這一泄漏、擴散過程，并采用經典的方腔內液柱倒塌算例來驗證模型的正確性。本文計算的液柱底部水平方向長度隨時間的變化曲線見圖3。由圖3可見，本文計算結果與文獻結果［22-23］吻合良好。

3.2 ?；沸孤U散規律研究

?；沸孤U散范圍的準確確定對于泄漏?；返膰?、事故應急處置以及后續連鎖事故的預防具有重要的意義。對危化品泄漏擴散過程進行計算的模擬結果見圖4。由圖4可見，在泄漏初期，最大泄漏團面積隨泄漏時間的延長近似均勻增大，增長率約為34.42 m2/min，到泄漏25.0 min時，最大泄漏團面積已經超過900 m2。由圖4a可見，危化品從泄漏口流出后，在河水沖擊作用下在船尾部堆積、拉伸，最終形成橢圓形的?；沸孤﹫F。此時?；沸孤﹫F尚未脫離泄漏口，如圖4b所示。隨著泄漏過程的繼續進行，泄漏出來的?；吩谛孤┧俣群退魉俣鹊墓餐饔孟麻_始順時針旋轉，并向河流下游漂移，如圖4c和圖4d所示。在這一階段，橢圓形的危化品泄漏團繼續快速旋轉，逐漸恢復成圓形，直徑達到20 m，直至完全脫離泄漏口。從泄漏口釋放的危化品泄漏團為主泄漏團。當主泄漏團脫離泄漏口后，位于邊緣處的部分危化品將被甩出，在泄漏團周圍形成一圈規則的危化品液滴尾跡，如圖4e所示。隨著泄漏過程的進行，河水也會被卷入?；分餍孤﹫F中，形成危化品與河水的混合物。隨著泄漏團的旋轉，泄漏團被撕裂，河水又被釋放，不規則的危化品泄漏團逐漸形成，見圖4f～圖4h。此時，主泄漏團及其周圍的?；芬旱纬霈F了分裂和融合，危化品與河水的流動過程趨于復雜?？傮w來看，危化品持續不斷地從泄漏口流出，在下游河道中形成了一系列近似規則的?；沸孤﹫F分布，如圖4e～圖4h，直至船舶內?；吠耆孤?。

圖2 計算區域的網格分布

危化品泄漏區域長度和寬度隨泄漏時間的變化見圖5。由圖5可見，隨著泄漏時間的延長，?；沸孤﹫F泄漏區域的長度和寬度均逐漸增大，平均增長速率約為0.65 m/s和0.10 m/s。分析其原因可知，泄漏團釋放后漂浮在水面，且以順時針旋轉的方式隨水流向河流下游流動，因此，泄漏區域長度平均增長速率與水流速率（0.5 m/s）存在一定的差異。而且，當泄漏團到達河道轉彎處時（距離泄漏口約900 m），在離心力、泄漏團內聚力以及泄漏團之間的黏滯力的共同作用下，泄漏區域長度增長過程明顯變慢。在泄漏區域寬度變化方面，由于?；沸孤﹫F在向內河下游漂移時會發生順時針的旋轉并甩出?；芬旱?，同時因受到河水流動的沖擊作用，主泄漏團和?；芬旱蔚目v向擴散過程受到抑制。此外，?；沸孤﹫F在漂移時還會發生泄漏團的融合。在這些因素的綜合作用下，泄漏區域寬度表現出波動式增長的特點。

圖3 液柱底部水平方向長度隨時間的變化曲線

圖4 ?；沸孤┖蛿U散過程模擬結果

圖5 危化品泄漏區域長度和寬度隨泄漏時間的變化

?；沸孤﹫F數量和最大泄漏團面積能夠反映泄漏?；返奈ｋU程度。?；沸孤﹫F數量隨泄漏時間的變化見圖6。由圖6可見，泄漏?；沸孤﹫F數量隨泄漏時間表現出逐漸增加的趨勢。

圖6 ?；沸孤﹫F數量隨泄漏時間的變化

危化品泄漏后泄漏團數量和最大泄漏團面積的變化見圖7。

圖7 ?；沸孤┖笮孤﹫F數量和最大泄漏團面積的變化

由圖7可見：在泄漏初期，泄漏團面積較小，旋轉速率較大，泄漏團融合僅發生在主泄漏團和被甩出的危化品液滴之間，泄漏團面積變化不大；隨著泄漏時間的延長，泄漏團旋轉速率逐漸減小，泄漏團面積逐漸增大，主泄漏團之間的融合過程加速，導致泄漏團數量增長率逐漸減小，最大泄漏團面積快速增大；到泄漏27.5 min時，泄漏團數量超過40個，最大泄漏團面積接近1 800 m2，事故風險增大。隨著泄漏時間延長，泄漏團在多個作用力下逐漸分解成多個小的泄漏團，最大泄漏團面積逐漸減小。

4 結論

a）針對內河非溶解性?；愤\輸船舶泄漏后?；返男孤U散規律進行數值模擬計算，計算結果與文獻記錄結果吻合度高。將該法應用到內河化學品泄漏擴散結果的預測和評估過程，有利于發生泄漏后應急措施的盡早決策。

b）?；窂拇残孤┛诹鞒龊髮⑿纬梢幌盗写笮〔灰弧⑿螤罡鳟惖男孤﹫F。泄漏團釋放后，將以順時針旋轉的方式向河流下游漂移，并甩出大量危化品液滴。隨泄漏時間的延長，泄漏團面積逐漸增大，到泄漏25.0 min時，未融合的最大泄漏團面積超過900 m2。此外，當泄漏團靠近河道轉彎處時，泄漏團將發生融合。泄漏后27.5 min時，泄漏團數量超過40個，最大泄漏團面積接近1 800 m2，次生事故風險顯著增加。

致謝 本研究得到中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金項目（TKS190114）支持。