三峽庫區(qū)溢油快速預(yù)報(bào)模型在回水變動(dòng)區(qū)的應(yīng)用研究

范賢華 張 帆 鄧 健 黃立文 王 祥

（武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1） 武漢 430063） （長(zhǎng)江海事局2） 武漢 430019）

（武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院3） 武漢 430063） （武漢市港航管理局4） 武漢 430030）

0 引 言

隨著國(guó)家西部大開發(fā)的不斷深入、長(zhǎng)江黃金水道建設(shè)的大力發(fā)展，三峽庫區(qū)危險(xiǎn)品碼頭數(shù)量和吞吐量逐年增加，危險(xiǎn)品船舶流量逐漸增大，尤其是回水變動(dòng)區(qū)，長(zhǎng)年庫區(qū)航段與自然航段交替出現(xiàn)，航道、水文、氣候條件變化較大，水上交通安全風(fēng)險(xiǎn)隱患較多，發(fā)生溢油事故風(fēng)險(xiǎn)較高.

長(zhǎng)壽段是三峽庫區(qū)回水變動(dòng)區(qū)的典型河段，該段磧壩較多，蓄水前江面較窄，河彎較大，建庫后河彎引起的橫向流雖有減弱，但在彎曲劇變段仍可發(fā)生，且長(zhǎng)壽港被重慶市規(guī)劃為化工基地，相應(yīng)的危險(xiǎn)品碼頭數(shù)量及危險(xiǎn)品吞吐量將大幅增加，溢油風(fēng)險(xiǎn)不斷增大.

溢油快速預(yù)報(bào)模型能較為迅速地模擬計(jì)算溢油在不同環(huán)境下漂移擴(kuò)散的過程，包括其性質(zhì)、組分、性質(zhì)及最終歸宿，為應(yīng)急策略的制定、清污方法的選擇及油污損害評(píng)估提供相關(guān)依據(jù)［1］.針對(duì)河流溢油 國(guó) 內(nèi) 外 建 立 了 RiverSpill［2］，Wpmb［3］，NRDAM［4］，ROSS系 列［5－7］，MIKE21／3［8］，ROSA［9］等模型.

從現(xiàn)階段看，針對(duì)于庫區(qū)回水變動(dòng)區(qū)的溢油應(yīng)急處置工作還處于起步階段.所以，開展三峽庫區(qū)溢油污染預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模型及其應(yīng)用研究，有利于提高庫區(qū)水域船舶溢油應(yīng)急預(yù)報(bào)的水平，采取科學(xué)合理的應(yīng)急方法處置溢油，提高庫區(qū)溢油應(yīng)急反應(yīng)處置能力，從而降低因溢油造成的環(huán)境資源損害.

1 三峽庫區(qū)水動(dòng)力模型

溢油在水上遷移擴(kuò)散的動(dòng)力就是河流、庫區(qū)水域環(huán)境中的水流、風(fēng)、波浪，要模擬溢油行為及歸宿則首要了解水域中的水動(dòng)力要素，對(duì)溢油所處水域環(huán)境動(dòng)力過程進(jìn)行準(zhǔn)確的描述.本文采用EFDC模型對(duì)上述選取的典型河段——長(zhǎng)壽段進(jìn)行水動(dòng)力的數(shù)值模擬，為溢油模擬提供實(shí)時(shí)高精度的水動(dòng)力要素.

模型控制方程為［10］

式中：v和u分別為曲線坐標(biāo)y和x方向上的水平速度分量；H＝h＋ζ為總水深，mx和my分別為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換因子，m＝mxmy；h為河底高程；p為壓強(qiáng)；ρ為密度；ζ為水位；f為Coriolis系數(shù)；Qu和Qv分別為動(dòng)量源匯項(xiàng)；Av為垂向紊動(dòng)黏性系數(shù).

2 溢油模型

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(huì)發(fā)生復(fù)雜的擴(kuò)散、漂移、蒸發(fā)、分散、乳化、光化學(xué)氧化分解、沉降和以及生物降解等過程［11］.

漂移和擴(kuò)散是溢油在流場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)和浪等作用下的物理運(yùn)動(dòng)過程.漂移的過程可以用拉格朗日公式模擬，而擴(kuò)散過程可以用隨機(jī)行走公式進(jìn)行模擬計(jì)算.

在計(jì)算漂移的過程中，每個(gè)溢油粒可看作一拉格朗日粒子.溢油粒在t時(shí)刻的位置分量用xt（m）表示.式中：Δt為時(shí)間，s；xt為t時(shí)刻溢油粒位置，m；Uoil為溢油粒漂移速度，m／s.

擴(kuò)展由波浪、重力、慣性力、粘度、表面張力相互作用產(chǎn)生.溢油擴(kuò)展面積直接影響溢油蒸發(fā)、溶解、分散和光氧化作用所占比例.擴(kuò)展模型采用經(jīng)Mackay［12］和 Kolluru［13］修正的 Fay三階段擴(kuò)展理論.獨(dú)立溢油粒表面積變化速度Atk（m2／s）為

式中：Atk為獨(dú)立溢油粒表面積，m2；k1為擴(kuò)展速度常數(shù)，1／s；Vm為獨(dú)立溢油粒體積，m3；Rs為獨(dú)立溢油粒半徑，m；Re為表面油膜有效半徑，m；t為時(shí)間，s.

表面油膜有效半徑公式為

式中：Atk為獨(dú)立溢油粒表面積，m2；N 為表面油膜的油粒數(shù)目.

事實(shí)上溢油自身的表面擴(kuò)展過程持續(xù)時(shí)間很短，而持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)形式主要表現(xiàn)為平流輸運(yùn)和湍流擴(kuò)散.因此本文還考慮了隨機(jī)擴(kuò)散過程，增加了流動(dòng)中的水平擴(kuò)散.Udd（m／s）和Vdd（m／s）表示擴(kuò)散速度東、北方向分量，定義如下

式中：Dx為東西方向水平擴(kuò)散系數(shù)，m2／s；Dy為南北方向水平擴(kuò)散系數(shù)，m2／s；Δt為時(shí)間步長(zhǎng)，s；r為隨機(jī)系數(shù)，取值－1到1.

蒸發(fā)模型采用Stiver ＆Mackay提出的解析法進(jìn)行溢油蒸發(fā)計(jì)算，計(jì)算公式為

式中：Fe為溢油蒸發(fā)體積分量；T為溢油溫度；As為油膜面積；Vo為溢油初始體積；Ke為質(zhì)量遷移系數(shù)，由Buchanan ＆ Hurford提出的下式計(jì)算得到：Ke＝2.5×10－3W0.78；A，B 為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；T0為初始沸點(diǎn)；TG為蒸餾曲線梯度.

對(duì)于原油：

對(duì)于成品油：

岸線沉積模型基于Reed等提出的計(jì)算方法，計(jì)算不同類型岸線的吸附能力和清除率指數(shù).

3 三峽庫區(qū)溢油快速預(yù)報(bào)模型構(gòu)建

三峽庫區(qū)溢油快速預(yù)報(bào)模型主要組成部分是溢油運(yùn)動(dòng)模型和環(huán)境動(dòng)力模型，其中溢油運(yùn)動(dòng)模型又是由漂移擴(kuò)散模型和溢油歸宿模型所組成，環(huán)境動(dòng)力模型又是由風(fēng)動(dòng)力模型和水動(dòng)力模型所組成.根據(jù)三峽庫區(qū)特點(diǎn)，對(duì)計(jì)算耗時(shí)量比較大的模型（如水動(dòng)力模型等）進(jìn)行條件化設(shè)置調(diào)整，最后將多個(gè)模型耦合在一起，最終形成三峽庫區(qū)溢油快速預(yù)報(bào)模型.三峽庫區(qū)溢油快速預(yù)報(bào)模型組成見圖1.

圖1 三峽庫區(qū)溢油快速預(yù)報(bào)模型組成圖

4 模型的應(yīng)用

二維水動(dòng)力模擬區(qū)域長(zhǎng)壽上界限為長(zhǎng)壽長(zhǎng)江鐵路大橋附近，下界限為黃草峽信號(hào)塔附近，計(jì)算區(qū)域內(nèi)河道總長(zhǎng)約22km.模型計(jì)算采用正交曲線擬合邊界進(jìn)行內(nèi)插數(shù)值模擬.計(jì)算地形數(shù)據(jù)采用2006年8月陸上電子平板測(cè)圖和2006年5月水下數(shù)字化測(cè)圖.長(zhǎng)壽河段風(fēng)向與河道走向基本一致，計(jì)算中不考慮風(fēng)的影響.

圖2為模擬的水位150.8m，流量9 484.5 m3／s情況下長(zhǎng)壽段二維平均流速分布，在該試驗(yàn)方案下長(zhǎng)壽段河道較窄，上游段水深相對(duì)要淺，水流流速較大，最大流速2.4m／s.

圖2 方案1長(zhǎng)壽江段流速大小

而后以該水動(dòng)力模擬計(jì)算結(jié)果作為數(shù)據(jù)，對(duì)輕柴油的漂移擴(kuò)散進(jìn)行模擬.圖3為溢漏3h后的模擬結(jié)果，從結(jié)果來看，主油膜的軌跡與河流的主流方向比較吻合，由于流速較急，溢油事故后主油膜的遷移擴(kuò)散距離較長(zhǎng).

圖3 輕柴油漂移擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)軌跡（3h后）

圖4 輕質(zhì)無鉛汽油漂移擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)軌跡（2h后）

對(duì)輕質(zhì)無鉛汽油的漂移擴(kuò)散進(jìn)行模擬.圖4為溢漏2h后的模擬結(jié)果，輕質(zhì)無鉛汽油2h及揮發(fā)完畢.

圖5為模擬的水位165.0m，流量13 000 m3／s情況下長(zhǎng)壽段二維平均流速分布，河道主槽內(nèi)流速一般在0.9～1.1m／s.圖6為模擬的水位175.0m，流量2 840m3／s情況下長(zhǎng)壽段二維平均流速分布，主槽內(nèi)流速在0.15～0.2m／s.

圖5 方案2長(zhǎng)壽江段流速大小

圖6 方案3長(zhǎng)壽江段流速大小

圖7 方案2重質(zhì)原油漂移擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)軌跡（5h后）

以上述2種水文條件作為驅(qū)動(dòng)場(chǎng)，模擬重質(zhì)原油的漂移擴(kuò)散.由圖7可見溢油漂移距離長(zhǎng)，溢油在凸岸一側(cè)吸附量較大.由圖8可見，由于水位高流量下，溢油漂移距離短，油膜覆蓋整個(gè)江面在兩岸吸附相當(dāng).

圖8 方案3重質(zhì)原油漂移擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)軌跡（10h后）

5 溢油控制策略

由上述模擬可見，對(duì)于輕質(zhì)無鉛汽油由于其可在短時(shí)間內(nèi)揮發(fā)完畢，一般不需采取清污措施，為防止輕質(zhì)無鉛汽油燃燒影響安全，可通過交通管制，提醒輕質(zhì)無鉛汽油可能影響范圍內(nèi)的碼頭船舶采取相應(yīng)的安全防范措施.

而對(duì)于輕柴油和重質(zhì)原油，由于其難以在短時(shí)間內(nèi)揮發(fā)完畢，不采取清污措施勢(shì)必對(duì)生態(tài)、漁業(yè)、取水等造成損害，因此需采取相應(yīng)的清污手段.通過模擬可見，不同水文條件下溢油漂移的速度和距離不同，當(dāng)水位較低，水流流量較大時(shí)，長(zhǎng)壽段水流流速較大，要求的溢油響應(yīng)速度要快，可通過多層圍油欄導(dǎo)流布設(shè)的方式導(dǎo)流到溢油回收地點(diǎn)進(jìn)行回收；當(dāng)水位較高，水流流量較小時(shí)，長(zhǎng)壽段水流流速平緩，易于采取清污行動(dòng)，此時(shí)可通過船艇拖帶圍油欄等方式進(jìn)行清污.

6 結(jié) 論

隨著三峽175m蓄水，庫區(qū)的通航條件得以改善，加之長(zhǎng)江上游化工園區(qū)的興建，長(zhǎng)江水上港口危險(xiǎn)品吞吐量和危險(xiǎn)品船舶流量的不斷上升，作為化工基地的長(zhǎng)壽溢油風(fēng)險(xiǎn)不斷加大.本文利用基于流體動(dòng)力學(xué)模型和溢油漂移擴(kuò)散模型建立的溢油快速預(yù)報(bào)模型，對(duì)不同假定情景下的溢油事故進(jìn)行模擬，并提出對(duì)于在不同水文條件下的不同油品的溢油控制策略，可指導(dǎo)實(shí)際溢油應(yīng)急處置行動(dòng).

［1］張 帆，鄧 健.三峽庫區(qū)溢油預(yù)報(bào)模型構(gòu)建及數(shù)值模［J］.中國(guó)航海，2011，34（4）：22－24.

［2］SAMUELS W B，BAHADUR R，PICKUS J，et al.A real－time emergency response and planning tool［C］／／Proceeding of the Water Security in the 21st Century，Washington，DC.，USA.，July 30－Aug.1，2003.

［3］FINGAS M F，F(xiàn)IELD H B.Water－in－oil emulsions results of formation studies and applicability to oil spill modeling［C］／／Marine Environmenta1Modeling Seminar，Lillehammer，Norway，1998.

［4］CEKIRGE H M，KOCH M，LONG C.State－of－the art techniques in oil spill modeling.Oil Spill Conference.USA：Library of Congress Catalog，1995，75：67－72.

［5］YAPA P D，SHEN，H T，WANG D S，et al.An integrated computer model for simulating oil spills in the upper St.Lawrenee River［J］.Great Lake Research，1983，18（2）：340－351.

［6］SHEN H T，YAPA P D，PETROSKI M E.A Simulation model for oil slick transport in lakes［C］.Water Resources Research，1987，23（10）：949－957.

［7］SHEN H T，YAPA P D.Oil slick transport in rivers［C］.Journal of Hydraulic Engineering，1988，114（5）：529－543.

［8］蔣衛(wèi)星.黃浦江溢油事故的數(shù)值模擬研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.

［9］SERGEI V，ZHU B.ROSA：Mathematical background and application［EB／OL］.［2012－05－13］http：／／www.simuserve.com／rosa／

［10］TETRA TECH，Inc.：Hydrodynamic and transport extension to the EFDC model［R］.A Report to the U.S.Environmental Protection Agency，F(xiàn)airfax，VA.，2002.

［11］SHEN H T，YAPA P D，PETROSKI M E.A simulation model for oil slick transport in lakes［J］.Water Resources Research，1987，23（10）：949－957.

［12］鄧 健，黃立文，趙 前，等.基于一、二維水動(dòng)力耦合模擬的三峽庫區(qū)溢油預(yù)測(cè)模型研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2011，35（40）：793－796.

［13］KOLLURNU V S.Lnfluence of number of spollets on spill model predictions［R］.Applied Science Assocites internal report，Narragansett，R1.1992.