長江宜都港區(qū)溢油風(fēng)險數(shù)值模擬

游立新，龍藝晴，尹倩瑜

(中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，武漢 430060)

水體的油類污染通常來自于突發(fā)性石油泄漏，包括操作性泄漏和事故性泄漏[1]，此類溢油事件造成的環(huán)境污染會降低水體使用價值與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[2-4]；此外，溢油的發(fā)生會導(dǎo)致直接或間接接觸油污染水體的鳥類、水生生物大量死亡或累積毒素，并最終通過食物鏈傳遞危害人類健康[5-7]，構(gòu)建溢油事故風(fēng)險預(yù)測模型可為溢油發(fā)生后的應(yīng)急處置提供決策依據(jù)。

由于海上溢油事故頻發(fā)且影響范圍廣，目前國內(nèi)外對海洋溢油數(shù)值模擬的研究較多，對江河湖泊淡水生態(tài)系統(tǒng)的相關(guān)研究較少[8-11]；但淡水生態(tài)系統(tǒng)相較海洋生態(tài)系統(tǒng)更封閉，與人類所需的地表水、地下水關(guān)聯(lián)密切，尤其在水運(yùn)發(fā)達(dá)地區(qū)，油污染對人類健康的影響更直接，其威脅不容忽視。江河航道斷面狹窄、流速大，航運(yùn)多，一旦發(fā)生溢油事故，污染速度很快[12]，需采取及時的應(yīng)急響應(yīng)措施。

溢油模型依據(jù)計算原理的不同分為三類：油膜擴(kuò)展模型、對流擴(kuò)散模型和油粒子模型。油膜擴(kuò)展模型的研究始于Blokker提出的擴(kuò)展直徑公式，后續(xù)Fay、Mackay、Lehr等提出溢油不同階段的擴(kuò)散方程、進(jìn)行參數(shù)修正[13]，在預(yù)測油膜運(yùn)動軌跡、油膜厚度時應(yīng)用廣泛，但油膜延展范圍可信度不高[14]；對流擴(kuò)散模型是將溢油作為源項加入對流擴(kuò)散方程中進(jìn)行的計算，能較準(zhǔn)確地描述不同溢油量引起的擴(kuò)散面積差異，但可能出現(xiàn)的數(shù)值彌散會導(dǎo)致計算結(jié)果失真[15]；油粒子模型是當(dāng)前國內(nèi)外溢油預(yù)測中應(yīng)用最廣泛的模型，將溢油整體作為油滴微元的集合，基于歐拉-拉格朗日法，通過對粒子運(yùn)動路徑的追蹤和質(zhì)量損失體現(xiàn)溢油的物化變化，直接模擬擴(kuò)散方程的物理現(xiàn)象[16-17]，適合用于水文情勢復(fù)雜的航道溢油預(yù)測，能較真實模擬油膜的漂移擴(kuò)散[18]。

長江中游宜昌港宜都港區(qū)是長江黃金水道的重要樞紐，作為對接長三角和川渝地區(qū)重要的大宗散貨儲配中轉(zhuǎn)基地，貨運(yùn)量大，船舶碰撞溢油事故發(fā)生后油膜漂移較快，會對下游取水口及水源保護(hù)區(qū)產(chǎn)生影響，本文建立了長江宜都港區(qū)的二維水動力模型，耦合油粒子模型模擬預(yù)測枝城區(qū)鐵水聯(lián)運(yùn)碼頭建成后，碼頭前沿發(fā)生溢油事故后油膜的漂移擴(kuò)散過程，為宜都港區(qū)溢油事故應(yīng)急響應(yīng)提供理論依據(jù)，也可為長江的其他航道溢油風(fēng)險預(yù)測提供參考。

1 平面二維水動力模型的構(gòu)建

1.1 控制方程

模型滿足Boussinesq假定和靜水壓假定，采用基于三向不可壓縮雷諾平均的Navier-Stokes方程，即二維非恒定淺水方程[19]

(1)

(2)

(3)

式中：t為時間；x、y為笛卡爾坐標(biāo)系坐標(biāo)；η為水位；d為靜水深；h=η+d為總水深；u、v分別為x、y方向上的速度分量；f是科氏力系數(shù)，f=2ωsinφ(ω為地球自轉(zhuǎn)角速度，φ為當(dāng)?shù)鼐暥?；g為重力加速度；ρ為水的密度；ρ0為水參考密度；pa為大氣壓強(qiáng)；Sxx、Sxy、Syy分別為輻射應(yīng)力分量；S為源項；us、vs為源項水流流速；Tij為水平粘滯應(yīng)力項，包括粘性力、紊流應(yīng)力和水平對流。

擬建的鐵水聯(lián)運(yùn)碼頭位于湖北省宜昌市枝城長江大橋下游約400 m，處于枝城水道與關(guān)洲水道交接段，中游航道里程約為567.5 km。從碼頭上游0.5 km至碼頭下游20 km段構(gòu)建水動力模型并進(jìn)行溢油預(yù)測，計算區(qū)域采用三角形網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格平均尺度為50 m，整個江段共劃分出26 864個計算單元和14 077個計算節(jié)點，計算區(qū)域地形如圖1所示。

1.3 模擬結(jié)果驗證

經(jīng)率定并參考經(jīng)驗值確定本江段糙率取值：主槽的糙率取值范圍為0.015～0.025，灘地的糙率取值范圍為0.020～0.032。采用2012年11月12日的水文實測資料對模型進(jìn)行水位與流速驗證，實測斷面位置如圖2所示。

圖1 計算區(qū)域地形圖(單位:m)Fig.1 Calculation area topography圖2 監(jiān)測斷面分布圖Fig.2 Monitoring section distribution

(1)水位驗證。

表1給出了各斷面水位計算值與實測值的差值，由表可知，水位計算值與實測值基本吻合，最大誤差小于0.10 m，表明模型能夠較好地模擬江段的水位變化。

表1 各斷面水位計算值與實測值比較Tab.1 Comparison of calculated and measured water level of each section m

(2)流速驗證。

圖3給出了流速測驗斷面流速計算值與實測值的比較，由圖可知，計算值和實測值吻合較好，除個別值有所偏差，大多數(shù)測點的流速誤差基本控制在10%以內(nèi)，表明模型能夠較好地反映江段的流速情況。

3-a 1#3-b 2#

3-c 3#3-d 4#

3-e 5#圖3 監(jiān)測斷面流速分布驗證圖Fig.3 Verification of velocity distribution in monitoring section

2 溢油影響預(yù)測

2.1 溢油的漂移擴(kuò)散過程

(1)擴(kuò)展過程。

采用修正后的Fay擴(kuò)散方程分析油膜的擴(kuò)展過程

(4)

式中：KS為擴(kuò)散系數(shù)；V為油膜體積；A為油膜面積。

我廠戶內(nèi)大多裝設(shè)樹脂澆注絕緣干式變壓器，采用空氣自冷方式或強(qiáng)迫風(fēng)冷，干式變壓器制造參照《電力變壓器-干式變壓器部分》（GBT10 94.11-2007），變壓器的絕緣等級，并不是絕緣強(qiáng)度的概念，而是允許的溫升的標(biāo)準(zhǔn)，即絕緣等級是指其所用絕緣材料的耐熱等級，分Y、A、E、B、F、H、C級，要求干式變在運(yùn)行工況下不能高于其允許溫度，否則造成變壓器超溫跳閘甚至燒毀，因此保證干式變壓器運(yùn)行合理溫度是非常必要的。以下做了相關(guān)方面的探討。

(2)漂移過程。

油粒子的漂移速度是水流速和表面風(fēng)加速的矢量和

Up=Uc+Cw·W·sin(θ-π+θw)

(5)

Vp=Vc+Cw·W·cos(θ-π+θw)

(6)

式中：Up、Vp為油粒子的漂移速度；Uc、Vc為水流速；Cw為風(fēng)漂移系數(shù)；W為水面10 m處風(fēng)速；θ為風(fēng)向角；θw為風(fēng)偏轉(zhuǎn)角。

(3)紊動擴(kuò)散過程。

油粒子水平向的紊動擴(kuò)散源于水流脈動，每個時間步長油粒子的紊動擴(kuò)散距離L可表示為

(7)

2.2 預(yù)測情景

選擇鐵水聯(lián)運(yùn)碼頭前沿作為溢油點，溢油形式按突發(fā)性瞬間點源考慮，在豐水期35 000 m3/s流量和枯水期5 600 m3/s流量的水文條件下，不利風(fēng)向SSW、平均風(fēng)速1.0 m/s的風(fēng)況條件下，模擬5 000 t級散貨船發(fā)生碰撞、燃油艙的單艙61 m3燃料油(密度為850 kg/ m3)全部泄漏的情況。

2.3 預(yù)測結(jié)果分析

豐水期與枯水期溢油事故發(fā)生后，不同時刻油膜到達(dá)位置及污染情況分別見表2和表3。

表2 豐水期溢油計算表Tab.2 Oil slick calculation in high-water period

表3 枯水期溢油計算表Tab.3 Oil slick calculation in low-water period

在豐水期發(fā)生溢油事故時，油膜向下游方向漂移，第0.5 h到達(dá)洋溪鎮(zhèn)附近；第1.5 h到達(dá)伍家口附近；第2.67 h到達(dá)姚家港水廠取水口對岸水域，距取水口約1.70 km，不會對其取水口及保護(hù)區(qū)產(chǎn)生污染影響；第2.85 h到達(dá)枝江市百里洲鎮(zhèn)水廠(備用)取水口上游的二級水源保護(hù)區(qū)水域；第3.1 h到達(dá)枝江市百里洲鎮(zhèn)水廠(備用)取水口一級水源保護(hù)區(qū)水域；第3.27 h到達(dá)枝江市百里洲鎮(zhèn)水廠(備用)取水口水域；第3.28 h到達(dá)枝江市百里洲鎮(zhèn)水廠(備用)取水口下游的二級水源保護(hù)區(qū)水域；第3.41 h油膜到達(dá)模型下游邊界，此時油膜漂移長度3.89 km、油膜面積0.75 km2，油膜第3.93 h離開模型下游邊界，溢油污染總面積達(dá)8.30 km2。

在枯水期發(fā)生溢油事故時，油膜向下游方向漂移，第0.97 h到達(dá)洋溪鎮(zhèn)附近；第1.88 h到達(dá)關(guān)洲最東部，少量附著在關(guān)洲東南沿岸；第3.3 h到達(dá)伍家口附近；第6.8 h到達(dá)姚家港水廠取水口對岸水域，少量油膜逐漸附著在伍家口附近的長江右岸，距取水口約1.70 km，不會對其取水口及保護(hù)區(qū)產(chǎn)生污染影響；7～8 h大部分油膜逐漸附著在馬義渡附近的長江右岸，開始產(chǎn)生持續(xù)的污染影響；第7.17 h到達(dá)枝江市百里洲鎮(zhèn)水廠(備用)取水口上游的二級水源保護(hù)區(qū)水域；第7.58 h到達(dá)枝江市百里洲鎮(zhèn)水廠(備用)取水口一級水源保護(hù)區(qū)水域；第7.85 h到達(dá)枝江市百里洲鎮(zhèn)水廠(備用)取水口水域；第8 h到達(dá)枝江市百里洲鎮(zhèn)水廠(備用)取水口下游的二級水源保護(hù)區(qū)水域；第8.4 h后油膜到達(dá)模型下游邊界，油膜漂移長度11.17 km、油膜面積1.68 km2。溢油污染總面積可達(dá)10.01 km2。

豐水期與枯水期油膜的分布變化分別見圖4、5，溢油軌跡旁的數(shù)字表示溢油事故發(fā)生后油膜到達(dá)所在位置的時間。

由表與圖可見，在相同溢油條件以及SSW風(fēng)向、1.0 m/s風(fēng)速情況下，江段流量大小對油粒子漂移擴(kuò)散產(chǎn)生直接影響。豐水期模型中段主槽流速約1.6 m/s，油膜不在沿岸發(fā)生聚集，油膜擴(kuò)散面積小、對下游取水口及保護(hù)區(qū)影響時間短，油粒子的漂移擴(kuò)散主要受水流脈動影響；枯水期模型中段主槽流速約0.5 m/s，油膜漂移慢、油膜中心運(yùn)動軌跡靠近江岸，油膜大部分聚集在江段右岸后對水域產(chǎn)生持續(xù)污染影響，油膜擴(kuò)散面積大、對取水口和保護(hù)區(qū)影響時間長。

圖4 豐水期不同時刻油膜變化圖(單位:m)Fig.4 Variation of oil slick at different time point in high-water period圖5 枯水期不同時刻油膜變化圖(單位:m)Fig.5 Variation of oil slick at different time point in low-water period

3 結(jié)論

通過實測數(shù)據(jù)建立二維水動力模型，在進(jìn)行水位與流速驗證后，耦合油粒子模型，模擬豐水期與枯水期溢油的漂移擴(kuò)散過程，模擬結(jié)果表明：宜都港區(qū)鐵水聯(lián)運(yùn)碼頭前沿發(fā)生溢油事故，豐水期油膜漂移擴(kuò)散速度快，對下游取水口與保護(hù)區(qū)持續(xù)污染影響0.5～0.72 h，影響時間短；枯水期油膜漂移擴(kuò)散速度慢，在江右岸發(fā)生聚集后對下游取水口與保護(hù)區(qū)產(chǎn)生持續(xù)污染影響，影響時間長、范圍大。模擬效果直觀明確，可為宜都港區(qū)預(yù)防溢油事故風(fēng)險提供時間與工作量上的參考依據(jù)，二維水動力模型耦合油粒子模型在模擬預(yù)測內(nèi)陸江河航道溢油漂移擴(kuò)散的應(yīng)用上切實可行，具有指導(dǎo)意義。