嘉興河網溢油事故對敏感目標影響風險預測

徐 倩，逄 勇,2，宋為威

（1.河海大學 環境學院，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；3.河海大學 水文水資源學院，江蘇 南京 210098）

0 引言

石油是世界用量最大的油品，隨著經濟快速發展，石油能源需求進一步增加。水運在石油物資運輸中占據絕對比重，其中內河航運是石油運輸中重要的運輸方式[1]。近年來，我國大力整治河道，開發內河航運，內河水運事業迅速發展，通航里程約11 萬km[2-3]。在經濟發展過程中，內河溢油污染問題也日益突顯。溢油事故一旦發生，便會對河道水環境造成嚴重污染，甚至危害水源地用水安全及人類健康[4－5]。

一直以來溢油問題的研究重點主要是海上溢油，針對內河溢油問題的研究相對較少[6]。例如，陳家興等[7]將水動力模型RMA2 和GNOME 結合，并引入GIS，模擬研究了三峽庫區輕油泄漏后的漂移、擴散過程；王琰等[8]考慮到蒸發、溶解、生物降解效應，對現有油粒子模型進行了修正；田威等[9]建立EFDC模型，結合拉格朗日質點追蹤法，對長江下游靖江感潮江段油膜漂移行為進行了預測；蔣文燕[10]建立了三維河道溢油數學模型并給出了解析解；錢琴等[11]采用EFDC模型和GNOME模型對湄洲灣溢油漂移擴散過程進行了數值模擬研究。可見以往河道溢油問題研究對象主要是大江大河，針對復雜河網溢油問題的研究相對少見。

本文以嘉興內河港口建設為背景，通過建立河網水動力、水質數學模型及油粒子模型，引入石油垂直分布系數加以訂正，對嘉興內河航道運營期最不利條件下的船舶碰撞溢油事故進行模擬預測，為復雜河網條件下溢油突發事故防治提供科學依據。

1 研究區域概況

嘉興市位于浙江省東北部、長江三角洲杭嘉湖平原腹地，北緯30°21′～31°2′、東經120°18′～121°16′之間，屬于平原感潮河網區，塘浦河渠縱橫密布，受季風和潮汐影響顯著，存在往復流現象。全市河道長1.38 萬km，河湖面積312 km2，平均河網率達到8.9%，是全國內河航運最發達的地區之一[12－13]。嘉興河網區地理位置及規劃碼頭、敏感目標（10 處取水口）分布示意見圖1。

圖1 嘉興河網區地理位置及規劃碼頭、敏感目標分布示意

2 研究方法

嘉興河網區位于杭嘉湖平原，平原河網區水系復雜且相互聯通，本文選取杭嘉湖平原河網模型對研究區域進行模擬。按照船舶碰撞事故溢油考慮，預測因子為船舶燃料油（柴油），根據河網水環境數學模型計算得出嘉興區域流場，采用油粒子漂移到達敏感目標時間的計算模型得到溢油到達時間，并參考逄勇等[14]對太湖流域河網區石油類的濃度預測，采用石油垂直分布系數訂正，預測得到下游斷面石油濃度。

2.1 河網模型水動力方程

（1）水動力模型基本方程

水動力模型基本方程為描述河道水流運動的圣維南方程組：式中：B，Z，Q，A 分別為河寬、水位、河道斷面流量和過水面積；q為旁側入流流量；α為動量校正系數；K為流量模數；Vx為旁側入流流速在水流方向上的分量，一般近似為0。

（2）水質模型基本方程

模型采用一維河流水質模型，該模型的基本方程為：

式中：C為模擬物質的濃度；t為時間坐標；u為河流平均流速；x為空間坐標；Ex為對流擴散系數；K為模擬物質的一級衰減系數。石油類降解系數取最不利值0 d－1。

對流擴散系數采用經驗公式進行估算：

式中：a 和b是設定的參數；V為水動力計算得到的流速。

2.2 河網模型建立及率定驗證

根據杭嘉湖平原河網區地形地貌水系資料，對河網區進行概化，模型共概化392條河道，47 個邊界，總長約2 568 km，河道斷面間距（計算水位點）為2 200～10 000 m，模型計算節點總數約1 489 個。杭嘉湖平原河網模型概化示意見圖2。

圖2 杭嘉湖平原河網模型概化示意

2.2.1 水動力模型參數率定驗證

根據杭嘉湖平原區各水位站2017年逐日水位數據，驗證模型水動力參數，得出河道糙率為0.027～0.032。根據模型驗證計算得到的部分點位水位誤差分析結果可知：水位平均絕對誤差為8.7 cm，平均相對誤差為2.8%。計算值與實測值誤差較小，所建模型能夠較為準確模擬杭嘉湖地區內河水系水文變化過程。杭嘉湖平原河網區部分斷面水位實測值與模型參數驗證過程計算值對比見圖3。

圖3 杭嘉湖平原河網區部分斷面水位實測值與模型參數驗證過程計算值對比

2.2.2 水質模型參數率定驗證

利用浙江省地表水水質自動監測站2017年杭嘉湖3 市水質監測數據，計算部分點位的COD，NH3－N，TP 計算值與實測值，結果見圖4～圖6。模型計算值與實測值誤差在20%以內，吻合結果較好。驗證得到COD，NH3－N，TP 降解系數分別為0.09～0.13 d－1，0.04～0.07 d－1，0.045 d－1。

2.3 河網溢油計算方法

圖4 部分斷面COD 實測值與計算值對比

圖5 部分斷面NH3-N 實測值與計算值對比

圖6 部分斷面TP 實測值與計算值對比

2.3.1 油粒子漂移到達敏感目標時間的計算方法

根據河網水環境數學模型計算得出嘉興區域流場，在一維河網模型中加入油粒子模塊耦合，其原理公式如下：

利用粒子遷移擴散距離公式（式4），同時考慮風向、風速影響對流速進行訂正（式5）：

式中：L為油粒子遷移距離；Uτ為粒子遷移速度；t為油粒子擴散時間；Uc為河流流速；UW為風速；α為風因子，一般取0.02～0.03。

設油膜上自ti時刻到ti+1= （ti+△t）時刻的位移可由積分拉格朗日速度求得：

設在△t 時段內用歐拉漂移速度Uτ代替拉格朗日速度UL，用上式求出τi的近似值。考慮風場和河流流場的連續變化，當△t 夠小時，t(ti＜t ≤ti+1)時刻質點在x（t），y（t）處的拉格朗日速度可用ti時刻x（t），y（t）位置上的歐拉漂移速度的泰勒級數逼近，即：

若上式中△τ 取如下近似值：

2.3.2 油粒子漂移到達敏感目標濃度的訂正方法

在一維非穩態水環境數學模型的基礎上，參考逄勇等[14]對太湖流域河網區石油類的濃度預測，對溢油表層濃度采用石油垂直分布系數訂正，預測得到敏感目標處石油平均濃度。式中：C為水體平均油濃度；Z0為水面處深度；C0為Z0處的濃度；Z1為斷面水深；α為水體垂直混合作用系數，內河取2.4 m－1。如嘉興河網區平均水深取2.5 m，則C=0.14 C0，即石油垂直分布系數為0.14。

2.3.3 溢油點及溢油量確定

本文通過模擬最不利情況下，碼頭船舶碰撞導致的燃料油泄露事故，預測溢油對水源地取水口水質的影響。溢油源強按單艙燃油100%泄露考慮。

根據港口規劃預測，碼頭最大船舶為1 000 噸級，總噸位為5 000 t，根據我國船舶噸位與燃油量關系，最大載油量為400 t，燃油實載率為10%～20%。船舶燃油艙按4 個計，船舶單艙載油量為10 t/次。

本次選取距離新塍塘水源地取水口較近的服務區；由于廣陳塘、太浦河水源地取水口附近沒有規劃碼頭，故不設置溢油點。本次共選取8 處溢油點，具體位置見圖7。

圖7 溢油點及敏感目標位置分布示意

2.3.4 溢油風險預測方案

從偏安全的角度，采用90%保證率下最枯月日均流量作為設計流量[15]。根據1954～2013年共60 a的年降水量資料進行頻率分析，確定1971年的枯水月保證率為90%。根據嘉興內河港各溢油點位置及事故溢油量，最不利風向選取為與水流流速同方向，得出最不利條件下溢油事故計算方案，見表1。

表1 最不利水文條件下溢油事故計算方案

3 預測結果與討論

3.1 溢油預測結果

本次模擬主要預測航道運營期嘉興內河船舶碰撞造成的溢油風險，旨在研究最不利情況下溢油事故發生后對平原河網區的污染影響，包括最快到達時間、到達濃度及持續影響時間等，并提出有效防治措施。根據GB 3838—2002《地表水環境質量標準》，飲用水水源地石油類最高質量濃度限值為0.05 mg/L，高于0.05 mg/L 即認為該敏感目標水體飲用水功能受到污染。具體模擬結果見表2 和表3。

表2 方案1～4 油粒子最快到達時間、到達質量濃度及持續影響時間

表3 方案5～8 油粒子最快到達時間、到達質量濃度及持續影響時間

3.2 預測結果分析

根據表1溢油事故計算方案及預測結果，可知溢油主要影響河道為新塍塘、京杭古運河、長水塘、千畝蕩和海鹽塘等。

（1）新塍塘溢油結果分析

分析預測結果可知，方案1～4，7 情況下溢油均會對新塍塘水源地取水口造成污染。其中方案2 秀湖站發生溢油事故的情況下，油粒子會直接進入新塍塘，并在1.7 h 后到達取水口，最初到達質量濃度為0.31 mg/L，超標高達5.2倍，持續影響時間長達5 d，影響較為嚴重；應在1.7 h 內采取應急措施，可供準備的時間較短，操作難度較大，建議在取水口附近建設小型溢油事故應急設備庫，并配備事故監測、溢油圍控、回收及清運等設備。方案1，7 溢油經過京杭古運河進入新塍塘，方案3，4 溢油經長水塘進入新塍塘。其中方案1 溢油點距離新塍塘取水口距離最近，經11.4 h 到達取水口，最初到達質量濃度為0.09 mg/L，持續影響時間為4 d。由于京杭古運河與新塍塘交匯處存在眾多河道，溢油一旦擴散將大大增加處理難度，應在溢油到達眾多河道交匯處之前進行攔截處理。

（2）京杭古運河溢油結果分析

方案7 情況下，溢油直接進入京杭古運河，并在9.5 h 后到達運河水源地取水口，最初到達質量濃度為0.29 mg/L，超標4.8倍，持續影響時間為3 d。由于京杭古運河支流眾多，溢油影響范圍較廣，應盡早采取措施，避免溢油進入支流。由于方案7 距離最近的北永興港支流僅有200 m，且河道存在往復流現象，若無法在溢油到達支流之前處理完善，應在南北兩條支流及河流東西側分別進行攔截處理。

（3）長水塘溢油結果分析

長水塘存在2 個取水口，分別為長水塘和長山河取水口。方案3～5 情況下溢油，直接進入新塍塘，對2 處取水口造成污染。方案3，4 情況下溢油分別在1.8，1.6 h 后到達長水塘取水口，最初到達質量濃度分別為0.34，0.36 mg/L，超標分別高達5.8，6.2倍，持續影響時間長達5 d。方案5 情況下溢油分別在7.9，2.8 h 后到達長水塘、長山河取水口，最初到達質量濃度分別為0.07，0.08 mg/L，分別超標為0.4，0.6倍，持續影響時間為3 d。方案5 情況下溢油事故涉及取水口眾多，會對千畝蕩、海鹽塘、長水塘、長山河取水口造成污染，因此方案5 情況下應在溢油點南北側及東側分別進行攔截處理，防止溢油對4 處取水口造成嚴重污染。

（4）千畝蕩、海鹽塘溢油結果分析

方案5，6 情況下，溢油會對千畝蕩、海鹽塘取水口造成污染。方案6 情況下溢油在1.7 h 后到達千畝蕩取水口，最初到達質量濃度為0.44 mg/L，超標高達7.8倍，持續影響時間為5 d；在10.8 h 后到達海鹽塘取水口，最初到達質量濃度為0.29 mg/L，超標4.8倍，持續影響時間為5 d。方案5 情況下溢油將在48 h 內到達千畝蕩、海鹽塘取水口，最初到達質量濃度分別為0.28，0.11 mg/L，分別超標4.6，1.2倍，分別持續影響時間為5，3 d。

千畝蕩、海鹽塘下游支流眾多，溢油影響范圍較廣，應盡早采取措施，避免溢油進入支流。方案6 溢油點附近存在千畝蕩、海鹽塘2 處水源地取水口，且距離較近，溢油濃度較高，需在溢油到達前進行攔截處理。方案5 情況下溢油事故涉及取水口較多，且溢油對千畝蕩、海鹽塘取水口影響較長水塘、長山河取水口更為嚴重，因此方案5 情況下應在溢油點附近分別進行及時攔截處理，防止溢油對多處取水口造成嚴重污染。

4 結論

本文以嘉興河網區域建設為例，研究航道運營期潛在的溢油風險，預測溢油到達敏感目標的時間、濃度及持續影響時間，分析溢油污染對水源地取水口影響程度，判斷突發溢油事故處理的預留時間。得出結論如下：

（1）溢油預測結果表明，嘉興河網地區存在往復流現現象，溢油隨水流方向在河網中往復漂移。

（2）方案6 情況下秀湖站發生溢油事故時，時間最短（1.7 h），質量濃度最高達0.44 mg/L，持續影響時間長達5 d；方案5 情況下歟城作業區發生溢油事故時影響范圍最廣，將對長山河、長水塘、千畝蕩、海鹽塘4 處取水口造成污染。

（3）枯水期為嘉興河網溢油事故發生時最不利條件，為保障飲水安全應限制通航噸位及通航時間，建立應急設備庫。