重慶主城區(qū)江段溢油模型及數(shù)值試驗(yàn)研究＊

張 帆 黃立文 鄧 健 王 祥

(武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院1) 武漢430063) (長江海事局2) 武漢 430016)

0 引 言

三峽成庫后,水流明顯趨緩,橫向擴(kuò)散系數(shù)降低,污染帶加寬,水體稀釋自凈能力大大減弱,三峽庫區(qū)的污染問題引起各方面的廣泛關(guān)注.同時(shí),隨著航道條件的改善,三峽庫區(qū)船舶數(shù)量增多,油品運(yùn)量逐年增長.因船舶操作不當(dāng)、碼頭裝卸操作不當(dāng)和水上交通事故造成的溢油風(fēng)險(xiǎn)增大.

溢油數(shù)值模擬能夠預(yù)測溢油在漂移過程中的行為狀態(tài)及歸宿,為應(yīng)急決策評估提供依據(jù),是應(yīng)急決策中的重要組成部分.本文在對三峽庫區(qū)重慶主城區(qū)江段水動力數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上,研究了船用柴油泄漏后的行為與歸宿,并結(jié)合溢油模擬結(jié)果提出相應(yīng)的溢油應(yīng)急對策,以期為重慶主城區(qū)江段溢油事故的防污應(yīng)急及清污工作提供決策支持.

1 三峽庫區(qū)主城區(qū)江段水動力數(shù)值模擬

1.1 控制方程

本研究采用荷蘭 Delft水力研究所的Delft3D數(shù)學(xué)模型進(jìn)行區(qū)域河流的數(shù)值模擬[1].模型的控制方程如下.

沿水深積分的連續(xù)方程為

ξ和η方向的動量方程為

1.2 水動力模擬計(jì)算范圍及計(jì)算條件

重慶城區(qū)江段包括長江干流和支流嘉陵江其走勢見圖1.本次數(shù)學(xué)模型計(jì)算范圍長江上邊界為九龍坡-(長江上游航道里程672 km)斷面,下邊界為銅鑼?shí){-(長江上游航道里程643 km)斷面,嘉陵江取黃花園大橋斷面,計(jì)算區(qū)域內(nèi)河道總長約30 km.模型計(jì)算采用正交曲線網(wǎng)格進(jìn)行概化,它可較好地?cái)M合邊界,提高計(jì)算精度.模型計(jì)算地形采用2007年12月陸上電子平板測圖和水下數(shù)字化測圖,由原始的實(shí)測點(diǎn)數(shù)據(jù)在網(wǎng)格點(diǎn)上插值獲得,在原始樣點(diǎn)數(shù)據(jù)較多、密度較大的區(qū)域采用平均插值法,在原始數(shù)據(jù)相對較少的區(qū)域采用三角插值.對計(jì)算區(qū)域內(nèi)灘地干濕過程,采用干濕網(wǎng)格判別法處理,即當(dāng)某點(diǎn)水深小于一淺水深0.005 m時(shí),令該處流速為零,灘地干出,當(dāng)該處水深大于0.01 m時(shí),參與計(jì)算,江水上灘.

圖1 重慶市主城區(qū)江段走勢圖

2 溢油模型

本研究主要考慮了溢油擴(kuò)展、溢油蒸發(fā)和岸壁吸附3個(gè)過程,其分別采用的參數(shù)化模型如下.

2.1 溢油擴(kuò)展過程

油膜的擴(kuò)展過程采用Lehr提出的油膜橢圓擴(kuò)展模型[2]進(jìn)行計(jì)算.油膜橢圓擴(kuò)展模型考慮了流場及風(fēng)場對油膜擴(kuò)散的影響,認(rèn)為油膜成橢圓形擴(kuò)展,橢圓長軸在風(fēng)和流場的合成方向上.

式中：S為油膜在時(shí)間步長Δt的位移;S0為溢油位置;v為油膜漂移速度;vc,vw分別為水體表面流速和風(fēng)速;α為風(fēng)因子,一般取0.02～0.03.

2.2 溢油蒸發(fā)過程

溢油蒸發(fā)過程用Stiver&Mackay(1984)式計(jì)算[3]：

2.3 岸線吸附過程

當(dāng)油膜抵達(dá)岸邊,岸線對油膜進(jìn)行吸附和解吸.模型對不同岸線設(shè)定不同的吸附概率[4]計(jì)算油膜被岸線的吸附量.

3 溢油數(shù)值模擬試驗(yàn)

油膜在河流中的行為和歸宿受到溢油的位置、溢油量的大小、油品自身的理化特性、河道水流和風(fēng)等多因素的影響,會發(fā)生復(fù)雜的漂移、風(fēng)化等過程[4].

3.1 溢油模擬試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為檢驗(yàn)溢油模型的效果,本文針對與船舶發(fā)生操作性溢油和事故性溢油兩大類情況進(jìn)行了模擬研究[5-6],由于目前原油運(yùn)輸主要經(jīng)管道運(yùn)輸,所以目前溢油的品種主要考慮船用柴油.設(shè)計(jì)4種模擬試驗(yàn)方案見表1(風(fēng)向N,風(fēng)速2 m/s).

3.2 水動力場模擬結(jié)果分析

試驗(yàn)方案1模擬流場見圖2.由圖2可見,在該試驗(yàn)方案條件下重慶主城區(qū)江段河流呈天然狀態(tài),其中上游江段由于九坑子和珊瑚壩的作用,局部流速較大,達(dá)1 m/s以上,最大流速2.1 m/s.其他水域流速一般較小,兩江匯流水域及朝天門以下江段流速最大流速均低于0.8 m/s,平均流速在0.2～0.4 m/s之間.重慶江段計(jì)算區(qū)域局部流場見圖3～9.

表1 溢油模擬試驗(yàn)方案

圖2 方案1模擬流場

圖3 方案3模擬流場

圖4 方案1溢油運(yùn)動軌跡(4 h后)

圖5 方案2溢油運(yùn)動軌跡(4 h后)

圖6 方案3溢油運(yùn)動軌跡(4 h后)

圖7 方案4溢油運(yùn)動 軌跡(4 h后)

由圖3可見,在該試驗(yàn)方案3條件下寸灘水位達(dá)174.08m,重慶主城區(qū)河道寬度加寬,河道主槽內(nèi)流速一般約3.5 m/s,其中上游江段河道主槽流速較大,這是由于7、8月份長江上游來水量大,重慶主城區(qū)江段此時(shí)處于天然河道狀態(tài).由于嘉陵江來水量較大,兩江匯流后朝天門以下江段流速增大.

3.3 數(shù)值試驗(yàn)溢油模擬效果分析

對于試驗(yàn)結(jié)果分析后得出以下結(jié)論.

1)泄漏油品存在時(shí)間分析 航道中的溢油,泄漏后溢油主要沿河道中主流流向運(yùn)動,不同流速對重慶段輕質(zhì)汽油的蒸發(fā)有一定的影響,但影響不大,一般蒸發(fā)時(shí)間約為2～3 h.

2)泄漏油品污染面積及污染帶長度分析航道中發(fā)生溢油事故后,其溢油運(yùn)動距離與水流流速直接相關(guān).重慶段上游屬于三峽庫區(qū)自然航段,除枯水期外流速一般較大,隨著長江上游來流的增大,油膜運(yùn)動距離增大,污染范圍擴(kuò)大.從上述模擬結(jié)果來看枯水期流速較緩時(shí)發(fā)生溢油事故其水上運(yùn)動距離為6 km,當(dāng)流速較大時(shí)其水上運(yùn)動距離為20 km(從長江上游航道里程674 km運(yùn)動到長江上游航道里程645 km處僅需2.5 h).

圖8 方案1溢油歸宿

圖9 方案4溢油歸宿

4 結(jié)束語

在DELFT的水動力模型和相關(guān)溢油漂移擴(kuò)散模型基礎(chǔ)上,建立了三峽庫區(qū)重慶主城區(qū)段溢油模型,通過對與不同水位條件下、不同泄露地點(diǎn)和不同泄露量的數(shù)值模擬試驗(yàn),表明模型能夠適用于三峽庫區(qū)山區(qū)河段的溢油數(shù)值模擬,其結(jié)果分析對于溢油污染的防治也有良好的指導(dǎo)意義.

[1]Hamrick J M.A three-dimensional environmental fluid dynamics computer code：theoretical and computational aspects[R].Special Report No.317 in Applied Marine Science and Ocean Engineering,1992.

[2]Lehr W J,Cekirge H M,Fraga R J.Empirical studies of the spreading of oil spills[J].Oil and Petrochemical Pollution,1984(2)：7-12.

[3]Stiver W,MacKay D.Evaporation rate of spills of hydrocarbons and petroleum mixtures[J].Environmental Science and Technology,1984,18(11)：834-840.

[4] Shen H T,Yapa P D.Oil slick transport in rivers [J].Journal of Hydraulic Engineering,1988(14)：529-542.

[5]俞濟(jì)清,魏 敏,黃立文.中國舟山港溢油模擬信息系統(tǒng)研制[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版,2002,26(4)：39-41.

[6]婁安剛,王學(xué)昌,孫長青.膠州灣海面溢油軌跡的數(shù)值模擬[J].黃渤海海洋,2001,19(1)：1-8.