基于油粒子模型的水庫水質(zhì)應(yīng)急預(yù)警

韓龍喜，張 琳，金文龍，黃 瑞，2，張巧玲

(1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210098;2.揚(yáng)州環(huán)境資源職業(yè)技術(shù)學(xué)院資源系，江蘇揚(yáng)州 225000)

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，石油運(yùn)輸需求量急速增長，導(dǎo)致突發(fā)性水污染事故頻繁發(fā)生。為了預(yù)防和控制潛在的水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，準(zhǔn)確預(yù)測水體中污染物的遷移和擴(kuò)散情況很必要。隨著水質(zhì)模型研究的深入，國際上已經(jīng)有很多成熟的水質(zhì)模型軟件，然而這些模型輸入?yún)?shù)多、分析工作量大，對突發(fā)性水污染事故風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測具有一定難度。基于油粒子模型的典型水域溢油應(yīng)急預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)，能夠快速獲取數(shù)據(jù)、模擬污染團(tuán)的遷移軌跡和空間分布，實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)校正，為有關(guān)部門制定與實(shí)施應(yīng)急預(yù)案提供科學(xué)依據(jù)，對于制定切實(shí)可行的應(yīng)急措施、實(shí)施對事故危害的有效控制具有重要的技術(shù)支撐作用。

油粒子模型建立的主要思路是將溢油離散化為大量油粒子，每個(gè)粒子代表一定的油量［1］。在流場中追蹤其運(yùn)動(dòng)軌跡，得到每一時(shí)刻各個(gè)油粒子所處的空間位置，統(tǒng)計(jì)各時(shí)刻油粒子的位置可得到各時(shí)刻溢油的空間分布［2］。目前，針對事故性溢油預(yù)報(bào)工作，國內(nèi)外取得了一系列研究成果。婁安剛等［3］根據(jù)膠州灣灣口兩側(cè)團(tuán)島和薛家島的潮位觀測資料，同時(shí)考慮風(fēng)場對海面溢油的影響，建立預(yù)測膠州灣溢油飄移軌跡的數(shù)值模型;沈永明等［4］建立了統(tǒng)一考慮物理、化學(xué)和生物過程綜合作用的近岸海域多組分三維水質(zhì)動(dòng)力學(xué)模型;熊德琪等［5］以風(fēng)場和流場數(shù)據(jù)庫為強(qiáng)迫條件，建立了大連港溢油應(yīng)急預(yù)報(bào)系統(tǒng)，利用HAMSOM三維海洋模式進(jìn)行潮流調(diào)和分析，用于流場預(yù)報(bào)，模擬珠江口水域的溢油;汪守東等［6-7］將溢油輸運(yùn)和歸宿模型由二維擴(kuò)展到三維，用POM模式作為水動(dòng)力模型，研究溢油粒子在流、風(fēng)、浪多要素誘導(dǎo)情況下的遷移過程;Manuel等［8］采用區(qū)域海洋模式ROMS模擬的流場、NCEP每6 h一次的風(fēng)場作為驅(qū)動(dòng)，結(jié)合拉格朗日油粒子模型(LPTM)對“威望號”船舶溢油事件進(jìn)行了模擬。

總體而言，目前相關(guān)研究成果主要集中于開敞海域，鮮見關(guān)于油粒子模型在水庫應(yīng)急預(yù)警中的研究報(bào)道;基于油粒子模型的研究主要集中在溢油的漂移擴(kuò)散過程，對于擴(kuò)展過程，則主要采用FAY提出的三階段擴(kuò)展理論［9］。FAY模型假設(shè)油膜在自身擴(kuò)展階段不會(huì)碰到水陸邊界，該假設(shè)在開敞海域上基本適用，但由于河流和水庫比較狹窄，實(shí)際情況下溢油在自身擴(kuò)展階段可能接觸到水陸邊界，因此將該假設(shè)用于河道和水庫溢油模擬會(huì)出現(xiàn)比較多的問題［10］。筆者以遼寧省大伙房水庫為典型案例，依據(jù)枯水期三維水動(dòng)力數(shù)值模擬的表層流場，在溢油的自身擴(kuò)展階段采用油粒子模型，并對近岸水域油粒子的遷移軌跡進(jìn)行修正，模擬、分析溢油隨時(shí)間的遷移及其空間分布特征，有效解決了水庫溢油在自身擴(kuò)展階段可能碰到水陸邊界的問題。

1 油粒子模型數(shù)學(xué)描述

油粒子模型建立的主要思路是將溢油離散化為大量油粒子，以每個(gè)油粒子代表一定的油量。Δt時(shí)間內(nèi)將油粒子的運(yùn)動(dòng)過程分成3個(gè)組成部分，即隨流過程、風(fēng)導(dǎo)漂移和隨機(jī)游走過程。單個(gè)油粒子在(n+1)Δt時(shí)刻的空間位置為

式中:Xn+1——某油粒子在(n+1)Δt時(shí)刻空間位置的列向量;Xn——油粒子在nΔt時(shí)刻空間位置的列向量;ΔXC——因表層水流隨流運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的油粒子空間位置變化的列向量;ΔXW——因風(fēng)應(yīng)力而產(chǎn)生的油粒子空間位置變化的列向量;ΔXD——因水體紊動(dòng)擴(kuò)散產(chǎn)生的油粒子空間位置變化的列向量(又叫隨機(jī)游走距離)。

1.1 溢油隨流運(yùn)動(dòng)

用確定性方法模擬溢油油粒子的隨流過程。Δt時(shí)段后，因表層水流隨流運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的油粒子空間位置變化的列向量為

式中:un——某粒子在nΔt時(shí)刻空間位置的水流流速;un+1——某粒子在(n+1)Δt時(shí)刻空間位置的水流流速。

1.2 溢油的風(fēng)導(dǎo)(應(yīng)力)漂移運(yùn)動(dòng)

風(fēng)導(dǎo)漂移是指風(fēng)直接作用于油膜上的切應(yīng)力使油膜產(chǎn)生的漂移。用確定性方法［1］模擬溢油風(fēng)導(dǎo)(應(yīng)力)漂移過程:

其中

式中:α——風(fēng)漂移因子，取值范圍為0.03～0.04［11］;W10——水面以上10 m高處的風(fēng)速向量;D——考慮風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)換矩陣;θ——風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角度，取值與W10有關(guān)。

1.3 溢油的隨機(jī)游走運(yùn)動(dòng)

溢油粒子的隨機(jī)游走距離列向量表示為

其中

式中:A，B，C——位于(-0.5，0.5)之間均勻分布的隨機(jī)數(shù);Kx，Ky——x，y方向上的紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)［12］，取Ky=0.25 m/s2，Kx=0.10 m/s2。

1.4 近岸水域油粒子遷移軌跡修正

近岸水域水流總體表現(xiàn)為順岸流特征，但臨近岸邊網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的流速與岸線可能存在一定的夾角。當(dāng)油粒子遷移至近岸水域時(shí)，按隨流、風(fēng)導(dǎo)漂移及隨機(jī)游走計(jì)算其遷移路徑，可能導(dǎo)致油粒子落在岸上這一不合理現(xiàn)象。筆者按照距離最近規(guī)則，將上岸油粒子時(shí)段末坐標(biāo)修正為距落岸點(diǎn)最近水域的計(jì)算網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。

2 油粒子模型驗(yàn)證

由于缺少實(shí)測資料，取水面不存在邊界的情況，將模型計(jì)算結(jié)果與改進(jìn)的FAY模型［13］計(jì)算結(jié)果相比較，進(jìn)行模型驗(yàn)證，結(jié)果見表1。由表1可知，在水面不存在邊界的情況下，油粒子模型計(jì)算結(jié)果與改進(jìn)的FAY模型結(jié)果吻合較好，因此認(rèn)為油粒子模型計(jì)算結(jié)果合理、可信。

表1 溢油油膜尺寸Table 1 Sizes of oil slicks km

3 基于油粒子模型的大伙房水庫水質(zhì)應(yīng)急預(yù)報(bào)

大伙房水庫位于遼寧省東北部，是中國第一個(gè)五年計(jì)劃時(shí)期(1953—1957年)的第一個(gè)大型水庫，是沈陽、撫順兩市居民的重要飲用水水源地。S202國道和G1212吉沈高速公路從大伙房水庫渾河入庫區(qū)域北側(cè)經(jīng)過，最近點(diǎn)距大伙房水庫83 m，車輛泄漏的危險(xiǎn)載運(yùn)物品和燃油有可能流入大伙房水庫，因此選取附近水域?yàn)橥话l(fā)性溢油風(fēng)險(xiǎn)源研究水域，其位置如圖1所示。

圖1 大伙房水庫假設(shè)突發(fā)性溢油污染研究區(qū)域Fig.1 Research area of hypothetically accidental oil spill pollution in Dahuofang Reservoir

研究區(qū)域突發(fā)性溢油主要以岸邊排放方式進(jìn)入水庫，考慮研究方案的代表性，選取岸邊排放和離岸排放2種方式進(jìn)行研究。在保持水庫穩(wěn)定出、入庫流量的基礎(chǔ)上，以1月平均風(fēng)速2.3 m/s和主導(dǎo)風(fēng)向(NE)作為自由表面條件，模擬水庫枯水期三維風(fēng)生流流場，在大伙房水庫三維水動(dòng)力數(shù)值模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上提取表層流場。參照貨車載質(zhì)量及油箱容量，源強(qiáng)取為200 kg，污染物瞬時(shí)排放進(jìn)入水庫，劃分為5 000個(gè)質(zhì)點(diǎn)。根據(jù)石油類污染物隨時(shí)間遷移及空間分布的特征，選取風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警時(shí)段長為24 h，時(shí)間步長為200 s，共432個(gè)時(shí)段。

3.1 岸邊排放污染物遷移特征

大伙房水庫枯水期表層水體流向基本為自渾河入庫口向壩址處流動(dòng)，排放點(diǎn)附近岸邊水深較淺處水流運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出良好的順岸流特征。如圖2(a)所示，從不同時(shí)刻油膜的空間分布可以看出，溢油進(jìn)入水庫后，主要以隨流過程和風(fēng)導(dǎo)漂移過程為主，在東北向順岸水流的影響下自事故點(diǎn)沿東北岸線向研究區(qū)域南面庫灣處運(yùn)動(dòng);由于溢油的隨機(jī)游走運(yùn)動(dòng)，在遷移過程中油膜的形狀發(fā)生變化，并且面積逐漸增大。排放點(diǎn)附近由于水深較淺，流速相對較大，因而污染物質(zhì)運(yùn)動(dòng)快，如圖3(a)(b)所示。當(dāng)t=5 h時(shí)污染團(tuán)中心位于排放點(diǎn)下游541 m處，當(dāng)t=10 h時(shí)污染團(tuán)中心位于排放點(diǎn)下游922 m處;當(dāng)污染團(tuán)中心位于排放點(diǎn)下游1 000 m處時(shí)水域較封閉，表層水體流速相對較小，因而油膜遷移較慢，污染團(tuán)滯留于庫灣，如圖3(c)所示。當(dāng)t=20 h時(shí)污染團(tuán)中心位于排放點(diǎn)下游1112 m處，相對于t=10 h時(shí)刻，僅向下游運(yùn)動(dòng)了190 m。

3.2 離岸排放污染物遷移特征

從不同時(shí)刻油膜的空間分布(圖2(b)、圖4)可以看出，溢油主要以隨流過程和風(fēng)導(dǎo)漂移過程為主。受地形和風(fēng)力的共同作用，研究區(qū)域表層水體出現(xiàn)2個(gè)明顯環(huán)流，環(huán)流方向分別為逆時(shí)針方向和順時(shí)針方向。溢油離岸排放進(jìn)入水體后受環(huán)流的影響，隨西北向水流自事故點(diǎn)向水庫西岸遷移，隨后，在東北向順岸水流的影響下污染團(tuán)沿東北岸線向研究區(qū)域南面庫灣處運(yùn)動(dòng)。由于溢油的隨機(jī)游走運(yùn)動(dòng)，在遷移過程中油膜的形狀發(fā)生變化，并且面積逐漸增大。排放點(diǎn)附近由于水深較深，表層水體流速相對較小，因而污染物運(yùn)動(dòng)較慢(如圖3(a)所示)，當(dāng)t=5 h時(shí)污染團(tuán)中心距排放點(diǎn)僅163 m;當(dāng)t=10 h時(shí)污染團(tuán)中心位于庫區(qū)岸邊，由于岸邊水深較淺，流速相對較大，因而污染物運(yùn)動(dòng)快，如圖4(c)所示;當(dāng)t=20 h時(shí)，污染團(tuán)中心位于排放點(diǎn)下游1317 m處，相對于t=10 h時(shí)刻，其向下游運(yùn)動(dòng)了876 m。

圖2 油膜遷移軌跡Fig.2 Pathway of oil slick

圖3 岸邊排放各時(shí)刻油粒子空間分布Fig.3 Spatial distribution of oil particles at different times under onshore discharge conditions

圖4 離岸排放各時(shí)刻油粒子空間分布Fig.4 Spatial distribution of oil particles at different times under offshore discharge conditions

4 結(jié)語

根據(jù)水體溢油的行為，對近岸水域油粒子的遷移軌跡進(jìn)行修正，建立油粒子數(shù)學(xué)模型。以大伙房水庫為典型研究區(qū)域，運(yùn)用該模型模擬了大伙房水庫枯水期突發(fā)性溢油事故發(fā)生后油膜的遷移特征。模擬結(jié)果表明，受枯水期主導(dǎo)風(fēng)向(NE)的影響，事故風(fēng)險(xiǎn)瞬時(shí)源的中心排放和岸邊排放2種狀況時(shí)，總體上其溢油隨表層水流自排放點(diǎn)向壩址方向遷移，由于庫灣的特殊水動(dòng)力特征，最終滯留于研究區(qū)域南端庫灣處。該模型的建立旨在完善水庫溢油應(yīng)急反應(yīng)體系，為建立水庫突發(fā)性溢油事故風(fēng)險(xiǎn)評估與決策管理系統(tǒng)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐，在一定程度上間接提高溢油事故的應(yīng)急反應(yīng)水平。

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