基于EFDC模型的感潮江段溢油事故風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)

田 威，邱 利，李一平

(1.江蘇省水文水資源勘測(cè)局,江蘇南京 210029；2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇南京 210098)

基于EFDC模型的感潮江段溢油事故風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)

田 威1，邱 利2，李一平2

(1.江蘇省水文水資源勘測(cè)局,江蘇南京 210029；2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇南京 210098)

為了在溢油事故發(fā)生后能夠立即采取有效措施控制和減輕油污染,降低事故危害,采用環(huán)境流體動(dòng)力學(xué)模型(EFDC)對(duì)長(zhǎng)江下游靖江段某碼頭進(jìn)行溢油事故風(fēng)險(xiǎn)影響預(yù)測(cè)。通過(guò)EFDC準(zhǔn)確地模擬出該江段的二維流場(chǎng),在流場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)以及復(fù)雜地形等綜合條件下,采用拉格朗日質(zhì)點(diǎn)追蹤法計(jì)算油品入江后油膜漂移軌跡以及到達(dá)、離開(kāi)下游保護(hù)區(qū)的時(shí)間。結(jié)果表明：油膜沿水流方向逐漸被拉伸,覆蓋面積逐漸增大,且受長(zhǎng)江地形條件影響；在感潮江段,潮流場(chǎng)對(duì)油膜漂移行為的影響占主導(dǎo)作用,同時(shí)風(fēng)場(chǎng)也會(huì)影響油膜的漂移行為。受漲落潮的影響,油膜向下游來(lái)回震蕩漂移；溢油事故發(fā)生時(shí)刻的流場(chǎng)不同,油膜往下游漂移的速度也不同,當(dāng)溢油事故發(fā)生在落潮時(shí),油膜往下游漂移速度更快；不利風(fēng)向時(shí)風(fēng)速越大,油膜往下游漂移的速度越快。

感潮江段；溢油事故；環(huán)境流體動(dòng)力學(xué)模型；油膜；油污染；漂移軌跡；風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)

長(zhǎng)江是我國(guó)最重要的水源地,其水質(zhì)安全至關(guān)重要。作為我國(guó)第一大河,長(zhǎng)江中下游的航道水運(yùn)條件極為優(yōu)越,尤其是南京以下江段能夠通行萬(wàn)噸級(jí)的船舶。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展,船舶運(yùn)輸量大幅增長(zhǎng),同時(shí)溢油事故風(fēng)險(xiǎn)也相應(yīng)增加。油品泄漏進(jìn)入水體形成油膜,嚴(yán)重破壞了水生態(tài)平衡,主要表現(xiàn)為影響水生生物光合作用、消耗水中溶解氧等,其所含的毒稠環(huán)芳烴和有毒重金屬甚至能通過(guò)生物富集和食物鏈傳遞危害人體健康等[1]。因此,溢油事故的控制和避免面臨挑戰(zhàn),研究溢油在水體中的遷移變化成為備受關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。

了解油膜的漂移軌跡,對(duì)及時(shí)采取有效的控制措施和消減油污染具有重要意義。目前,針對(duì)事故性溢油的預(yù)測(cè),國(guó)內(nèi)外都取得了一系列研究成果[2-6]。然而,目前對(duì)溢油的研究主要集中于開(kāi)闊的海域,很少有對(duì)長(zhǎng)江等淺窄江道領(lǐng)域溢油的研究,且對(duì)于油膜擴(kuò)展過(guò)程,更多地集中在Fay[7]提出的三階段擴(kuò)展理論。筆者采用EFDC模擬出感潮江段的二維流場(chǎng),在建立流場(chǎng)的基礎(chǔ)上采用拉格朗日質(zhì)點(diǎn)追蹤法計(jì)算溢油入江后油膜的漂移軌跡以及到達(dá)、離開(kāi)水源保護(hù)區(qū)的時(shí)間；比較不同工況下的預(yù)測(cè)結(jié)果,分析流場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)以及地形條件對(duì)油膜漂移軌跡的影響。

1 研究區(qū)域概況

長(zhǎng)江南京段以下的長(zhǎng)江三角洲地區(qū),以分汊河型為主,綿延曲折,洲灘眾多,河道寬闊,除局部水面較窄外,寬度一般在1 km以上[8]。本次研究區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)江下游從江陰長(zhǎng)江大橋(鵝鼻嘴)至南通天生港的福姜沙河段,如圖1所示,呈“兩級(jí)分汊、三汊并存”的格局[8]。該江段為非正規(guī)半日淺海潮,水位受下游潮汐和上游下瀉徑流的雙重作用,水位呈潮汐周期變化,一天內(nèi)兩漲兩落。長(zhǎng)江從入江口開(kāi)始自下而上潮波變形逐漸明顯,漲潮歷時(shí)變短,落潮歷時(shí)變長(zhǎng),潮差沿程遞減,天生港年潮差平均達(dá)1.72m,而上游南京僅為0.5m[9-10]。根據(jù)區(qū)域常規(guī)氣象資料,常年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南偏東風(fēng),平均風(fēng)速為2.4m/s。本研究溢油事故發(fā)生地為靖江段某碼頭附近,碼頭周圍有以下保護(hù)區(qū):上游6 km為雅橋取水口,下游5 km處為工業(yè)取水口,下游7 km處為夏仕港清水通道維護(hù)區(qū),下游16.6 km為江心洲重要濕地,下游23 km處為如皋長(zhǎng)青沙取水口,具體位置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域及各保護(hù)區(qū)位置圖

2 研究方法

2.1 預(yù)測(cè)模型簡(jiǎn)介

本研究采用EFDC對(duì)長(zhǎng)江下游靖江段某碼頭溢油事故進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)。EFDC是在美國(guó)國(guó)家環(huán)保署資助下由維吉尼亞海洋研究所(Virginia Institute of Marine Science at the College of William and Mary, VIMS)的John Hamrick等根據(jù)多個(gè)數(shù)學(xué)模型集成開(kāi)發(fā)研制的綜合模型,被用于模擬水系統(tǒng)一維、二維和三維流場(chǎng),物質(zhì)輸運(yùn)(包括溫度、鹽度和泥沙的輸運(yùn)),生態(tài)過(guò)程以及淡水入流等。EFDC的優(yōu)勢(shì)為:具有靈活的變邊界處理技術(shù)和通用的文件輸入格式,能快速耦合水動(dòng)力、泥沙和水質(zhì)模塊,省略了不同模型接口程序的研發(fā)過(guò)程。同時(shí)EFDC有完整的前、后處理軟件EFDC-Explorer,采用可視化的界面操作,能快速生成網(wǎng)格數(shù)據(jù)和處理圖像文件。此外, EFDC模型的計(jì)算效率也較高。綜上原因,選取EFDC模擬碼頭溢油風(fēng)險(xiǎn)事故對(duì)長(zhǎng)江水環(huán)境影響。

2.2 研究區(qū)域網(wǎng)格建立

根據(jù)長(zhǎng)江段的實(shí)際地形情況,預(yù)測(cè)區(qū)域采用笛卡爾直角坐標(biāo)網(wǎng)格,網(wǎng)格尺寸為150m×150m,研究區(qū)域全程50 km,共概化出10 430個(gè)網(wǎng)格單元。根據(jù)研究區(qū)域長(zhǎng)江地形實(shí)際情況,配合數(shù)字高程模型(DEM)進(jìn)行單元高程插值,并設(shè)置初始水位、上下游水位、風(fēng)場(chǎng)等邊界條件。由于該江段的水深較淺(水深遠(yuǎn)小于河寬),可忽略流速垂向變化,因此不對(duì)垂向網(wǎng)格進(jìn)行分層,建立該江段的二維水動(dòng)力模型,模擬區(qū)域水力要素(流速、水位)隨時(shí)間的變化過(guò)程。在建立的流場(chǎng)基礎(chǔ)上,采用拉格朗日質(zhì)點(diǎn)追蹤法計(jì)算油品入江后油膜漂移軌跡。

2.3 模型計(jì)算條件及參數(shù)設(shè)置

長(zhǎng)江下游江陰至南通段是感潮河段,水流既受上游下泄徑流的影響,又受下游潮汐的影響,水流流態(tài)極為復(fù)雜,在確定設(shè)計(jì)水文條件時(shí)要同時(shí)考慮上游下泄徑流和下游潮汐的影響。大通水文站是長(zhǎng)江下游河段不受潮汐作用影響的水文站,其流量頻率分析結(jié)果可代表長(zhǎng)江下游河道的設(shè)計(jì)流量；下游的江陰水文站位于長(zhǎng)江口,其潮位代表潮汐作用的影響。因此,以大通站的設(shè)計(jì)流量和江陰站相應(yīng)的潮位過(guò)程為邊界條件,應(yīng)用一維感潮河段的水量模型計(jì)算得到本項(xiàng)目計(jì)算范圍的上、下游邊界的設(shè)計(jì)潮位過(guò)程。

根據(jù)國(guó)家相應(yīng)規(guī)范、規(guī)程要求,從偏安全的角度,應(yīng)采用90%保證率最枯月平均流量作為設(shè)計(jì)流量。統(tǒng)計(jì)大通水文站1950—2003年連續(xù)54 a逐月平均流量資料,經(jīng)頻率計(jì)算得到90%保證率的最枯月平均流量約為7670m3/s。為安全起見(jiàn),典型月的月平均流量應(yīng)該小于并接近7670m3/s。大通水文站1979年1月的平均流量為7220m3/s,該流量已達(dá)到97%保證率,更符合安全與接近的條件,因此確定以1979年1月為典型月,平均流量為7220m3/s。模型中各參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 預(yù)測(cè)模型主要參數(shù)取值

2.4 模型率定驗(yàn)證

采用總體一維水流配合局部二維水流水質(zhì)模型,先用一維水流模型對(duì)整個(gè)長(zhǎng)江江蘇段區(qū)域進(jìn)行模擬,后根據(jù)二維模擬計(jì)算區(qū)域的劃分,由一維模型為二維模型提供相應(yīng)的水流邊界條件,然后進(jìn)行二維區(qū)域水流水質(zhì)耦合數(shù)值模擬。

以具有實(shí)測(cè)資料的南京、鎮(zhèn)江、江陰、天生港和徐六涇作為檢驗(yàn)斷面,使用1996年7月1日1:00至7月9日2:00(共193h)、1997年7月19日0:00至7月26日11:00(共179 h)、1998年6月26日6:00至7月4日3:00(共計(jì)189 h)的資料進(jìn)行模型率定,分別比較實(shí)測(cè)水位與模擬計(jì)算水位。結(jié)果表明,沿程水面線與實(shí)測(cè)水面線基本一致,潮位率定誤差不超過(guò)20 cm的時(shí)段占總率定時(shí)段的百分比在80%～98%之間。以天生港站1996年7月1日1:00至7月9日2:00的時(shí)段為例,水位誤差不超過(guò)20 cm的時(shí)段占總驗(yàn)證時(shí)段的80%～90%,如圖2所示?？傮w而言,一維水流模型對(duì)區(qū)域的概化處理基本合理,選用的參數(shù)基本反映了河道的水力特性。

為檢驗(yàn)二維水流水質(zhì)耦合模型模擬污染帶的合理性,分別對(duì)南京八卦洲江段(南京長(zhǎng)江大橋至石埠橋)和靖江江段(新潛洲至江陰大橋)進(jìn)行模型的檢驗(yàn)率定。為了能較準(zhǔn)確地反映江段岸邊形狀及水下地形,采用無(wú)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行剖分,應(yīng)用程序自動(dòng)生成。網(wǎng)格單元中心點(diǎn)的高程從數(shù)字高程模型(DEM)中獲取。由率定驗(yàn)證結(jié)果可知,EFDC具有較好的匹配性,能夠較真實(shí)地模擬出水體的水動(dòng)力和水質(zhì)的變化情況[11]。

2.5 預(yù)測(cè)源強(qiáng)及方案

事故溢油主要為船舶自身的燃料油,一般千噸級(jí)以上船載儲(chǔ)油量可達(dá)到10 t以上,根據(jù)設(shè)計(jì)碼頭的實(shí)際情況,以1個(gè)泊位?？孔畲笤O(shè)計(jì)船型出現(xiàn)漏油事件考慮。按照一次最大溢油量計(jì)算,則千噸級(jí)輪船出現(xiàn)撞船等事故導(dǎo)致的溢油量為10 t,即單次事故流入長(zhǎng)江的燃料油量最大為10 t。

圖2 天生港站計(jì)算斷面水位的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較

本次研究預(yù)測(cè)江段水質(zhì)執(zhí)行GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn),石油類質(zhì)量濃度應(yīng)小于或等于0.05mg/L,模型中根據(jù)最不利條件可設(shè)石油類的本底質(zhì)量濃度為0.05mg/L。因此預(yù)測(cè)結(jié)果中石油類質(zhì)量濃度超過(guò)0.05mg/L的區(qū)域即認(rèn)為是溢油造成了不利影響。

從偏安全角度考慮,根據(jù)設(shè)計(jì)碼頭所在地的靖江市年常規(guī)氣象資料,選取其常年主導(dǎo)風(fēng)向(東南偏東)風(fēng)速2.4m/s和不利風(fēng)向(西風(fēng))瞬時(shí)最大風(fēng)速14m/s時(shí),溢油事故分別發(fā)生在漲潮和落潮時(shí)刻作為設(shè)計(jì)工況,分析碼頭溢油事故發(fā)生后對(duì)下游各保護(hù)區(qū)的影響并假設(shè)溢油事故為非持續(xù)性溢油。設(shè)計(jì)工況見(jiàn)表2。

表2 溢油事故發(fā)生時(shí)的設(shè)計(jì)工況

3 結(jié)果與討論

3.1 油膜的漂移軌跡及其對(duì)各保護(hù)區(qū)的影響

溢油事故發(fā)生后油膜主要沿長(zhǎng)江北岸漂移擴(kuò)散,受漲落潮影響,油膜呈來(lái)回震蕩并往下游漂移。不同流場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)情況下,油膜的漂移趨勢(shì)大致相同。研究江段分汊較多,油膜遇到淺灘或島嶼會(huì)被分割,然后又會(huì)合,最終緊鄰北岸擴(kuò)散。由于受到江段方向上往復(fù)流場(chǎng)的影響,油膜在往下游漂移擴(kuò)散過(guò)程中沿流速方向逐漸被拉伸,油膜面積逐漸增大。以工況3為例模擬油膜的漂移軌跡及形態(tài),結(jié)果如圖3所示。

當(dāng)油膜漂移擴(kuò)散到保護(hù)區(qū)邊界時(shí),會(huì)對(duì)保護(hù)區(qū)造成污染。由于溢油發(fā)生時(shí)刻的流場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)條件不同,油膜漂移擴(kuò)散至各保護(hù)區(qū)的時(shí)間也不同。根據(jù)以上5個(gè)工況的模型預(yù)測(cè)結(jié)果,得出油膜漂移到達(dá)和離開(kāi)各保護(hù)區(qū)的時(shí)間(表3)。

圖3 設(shè)計(jì)工況3下油膜的漂移軌跡和形態(tài)

表3 溢油到達(dá)和離開(kāi)保護(hù)區(qū)的時(shí)間

3.2 流場(chǎng)對(duì)油膜漂移擴(kuò)散的影響

工況1、3兩種情況下,油膜漂移擴(kuò)散到達(dá)和離開(kāi)各保護(hù)區(qū)的時(shí)間如圖4所示。預(yù)測(cè)結(jié)果表明,當(dāng)事故發(fā)生在落潮時(shí),油膜往下游的漂移速度更快,到達(dá)和離開(kāi)各保護(hù)區(qū)的時(shí)間都早于事故發(fā)生在漲潮時(shí)。具體為:油膜到達(dá)工業(yè)取水口的時(shí)間差為0.35 d,離開(kāi)的時(shí)間差為0.42 d；到達(dá)如皋長(zhǎng)青沙取水口的時(shí)間差為0.8 d,離開(kāi)的時(shí)間差為1.19 d。從圖4可見(jiàn),油膜越往下游漂移擴(kuò)散,到達(dá)同一個(gè)保護(hù)區(qū)的時(shí)間差越大。由此可以看出,流場(chǎng)對(duì)油膜漂移擴(kuò)散的速度影響較大,且當(dāng)溢油事故發(fā)生在落潮時(shí),油膜對(duì)下游保護(hù)區(qū)的影響時(shí)間更早。

圖4 不同流場(chǎng)時(shí)油膜漂移擴(kuò)散到達(dá)和離開(kāi)各保護(hù)區(qū)的時(shí)間

3.3 風(fēng)場(chǎng)對(duì)油膜漂移擴(kuò)散的影響

因?yàn)橛湍て七^(guò)程主要依賴于風(fēng)場(chǎng)和流場(chǎng)的作用,因此有必要研究風(fēng)場(chǎng)對(duì)油膜漂移軌跡的影響。當(dāng)溢油事故發(fā)生在漲潮時(shí),比較工況1、2、5的預(yù)測(cè)結(jié)果,分析風(fēng)向和風(fēng)速對(duì)油膜漂移擴(kuò)散的影響。

比較工況1、5的預(yù)測(cè)結(jié)果,油膜到達(dá)和離開(kāi)同一個(gè)保護(hù)區(qū)的時(shí)間不同,但時(shí)間差很小,詳見(jiàn)表3。具體為:西風(fēng)條件下,油膜到達(dá)和離開(kāi)工業(yè)取水口的時(shí)間比東南偏東風(fēng)情況下均提前了0.01 d；西風(fēng)條件下,油膜到達(dá)和離開(kāi)如皋長(zhǎng)青沙取水口的時(shí)間比東南偏東風(fēng)情況下分別提前了0.03 d和0.04 d。由此可以看出,當(dāng)溢油事故發(fā)生在相同流場(chǎng)、相同風(fēng)速的情況下,風(fēng)向?qū)τ湍て茢U(kuò)散的速度影響較小。

比較工況2、5的預(yù)測(cè)結(jié)果,油膜到達(dá)和離開(kāi)同一個(gè)保護(hù)區(qū)的時(shí)間明顯不同(圖5)。由此可以看出,當(dāng)溢油事故發(fā)生在相同流場(chǎng)、相同風(fēng)向的情況下,風(fēng)速對(duì)油膜漂移擴(kuò)散的速度影響較大。

圖5 相同流場(chǎng)、相同風(fēng)向、不同風(fēng)速情況下，油膜漂移擴(kuò)散到達(dá)和離開(kāi)各保護(hù)區(qū)的時(shí)間

4 結(jié) 論

a.基于EFDC構(gòu)建的長(zhǎng)江下游感潮江段二維水動(dòng)力模型能夠較為準(zhǔn)確地反映該江段的水動(dòng)力情況,尤其是感潮江段的漲潮和落潮變化。

b.油膜在漂移擴(kuò)散過(guò)程中,沿水流方向逐漸被拉伸,覆蓋面積逐漸增大。長(zhǎng)江地形條件是影響油膜漂移軌跡的關(guān)鍵因素,油膜緊鄰岸邊漂移擴(kuò)散,遇到淺灘或島嶼會(huì)被分割。

c.除了地形條件,流場(chǎng)是影響油膜漂移行為的主要因素。在感潮江段,油膜受漲落潮的影響往下游來(lái)回震蕩漂移。溢油事故發(fā)生時(shí)的流場(chǎng)不同,油膜往下游漂移擴(kuò)散的速度也不同,當(dāng)溢油事故發(fā)生在落潮時(shí),油膜向下游漂移速度更快,會(huì)更早地影響下游保護(hù)區(qū)。

d.風(fēng)場(chǎng)也會(huì)對(duì)油膜漂移行為產(chǎn)生影響,尤其是風(fēng)速的變化會(huì)明顯改變油膜的漂移速度。但風(fēng)場(chǎng)對(duì)油膜漂移軌跡的影響程度要小于流場(chǎng)的影響。

e.EFDC能夠很好地模擬預(yù)測(cè)感潮江段溢油事故風(fēng)險(xiǎn)影響,其預(yù)測(cè)結(jié)果能夠以圖形和動(dòng)畫的方式直觀地展現(xiàn)出油膜的漂移軌跡和擴(kuò)散范圍,以及到達(dá)和離開(kāi)周圍各保護(hù)區(qū)的時(shí)間和油膜形態(tài),該模型應(yīng)用可以為長(zhǎng)江下游感潮江段碼頭溢油事故風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警和應(yīng)急提供決策依據(jù)。

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Prediction of oil spill risk on tide sect of Yangtze River based on EFDC model

TIANW ei1,QIU Li2,LIYiping2
(1.Jiangsu Province Hydrology and Water Resources Investigation Bureau,Nanjing 210029,China；2.College of Environment,HohaiUniversity,Nanjing 210098,China)

In order to take effective measures in time to alleviate and control the oil pollution and minimize the damage after the accidents,Environmental Fluid Dynamic Code(EFDC)was applied to simulate the oil spill risk occurred in Jingjiang section in the downstream area of Yangtze River.Through EFDC,two-dimensional hydrodynamic of this section was accurately simulated.Considering the flow fields,wind fields and complex topographic conditions,Lagrange tracking method was used to calculate the oil film trajectory after oil spilling into the river,as well as the arrival and leave time to the Reserve in the downstream.The results showed that the oil film was stretched gradually along the flow direction,whose coverage area increased gradually,which was influenced by the terrain condition of Yangtze River.In the tide sect of the Yangtze River,flow fields played a dominant role in oil pollution diffusion,and wind fields also had an impact on oil pollution diffusion.The oil film moved downstream in terms ofdriftoscillation due to the alternative flood tide and ebb tide.When oilspill accident occurred in different flow field,the drift velocity of oil film was different.The oil film spread downstream faster when oil spill accident occurred at ebb tide.The larger the wind speed in theworstwind direction,the faster the oil film drifted downstream.

tide sect of Yangtze River；oil spill risk；Environmental Fluid Dynamic Code(EFDC)；oil film；oil pollution；drift trajectory；risk prediction

X143

：A

：1004 6933(2015)06 0098 05

10.3880/j.issn.1004 6933.2015.06.016

2015 03 11 編輯:徐 娟)

田威(1982—),男,工程師,碩士,主要從事水環(huán)境監(jiān)測(cè)分析與評(píng)價(jià)工作。E-mail:jarod323@163.com