河流溢油模擬及規(guī)律研究＊

欒國華 劉 付 李 鑫 儲(chǔ)勝利

(1.中國石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司；2.中國石油大學(xué)(北京))

0 引 言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)石油和天然氣等資源的需求量增加，管道建設(shè)迅猛發(fā)展，隨之而來的風(fēng)險(xiǎn)也在增加。1973—2006年，我國沿海地區(qū)發(fā)生了2 600多起運(yùn)輸溢油事故，尤其自2005年以來，全國沿海和河流共發(fā)生了250多起運(yùn)輸溢油事故[1]，其中大型溢油事故具有較高的發(fā)生頻率且多發(fā)生在入?？谏嫌巍Ｑ睾：秃恿魇艹毕绊?，更加快了泄漏油品的擴(kuò)散速度。

目前國內(nèi)有關(guān)河流水體的溢油模擬基本流程、影響因素、應(yīng)急對(duì)策等方面的研究較少。本文運(yùn)用MIKE 21軟件對(duì)某河流水體進(jìn)行模擬。精確地對(duì)溢油進(jìn)行模擬，得出應(yīng)急時(shí)間，可以大大提高溢油處置的成功率。

1 泄漏模擬技術(shù)介紹

1.1 水動(dòng)力模擬技術(shù)原理

通過構(gòu)建水動(dòng)力模型，可對(duì)各種作用力而產(chǎn)生的水流、水位等水體多種變化進(jìn)行模擬分析，詳見公式(1)、(2)、(3)。

1)連續(xù)性方程

(1)

式中，h為水深；ζ為水位；t為時(shí)間；p為X方向上的流量通量。

2)X方向動(dòng)量方程

(2)

3)Y方向動(dòng)量方程

(3)

式中，q為Y方向上的流量通量；g為重力加速度；c為謝才數(shù)(Chezynumber)；ρ為海水密度；f為科氏力系數(shù)；fw為風(fēng)阻力系數(shù)；Wx為風(fēng)速在X方向上的分速度；Wy為風(fēng)速在Y方向上的分速度；τxx，τxy，τyy為3個(gè)不同方向上的剪應(yīng)力[2-5]。

1.2 溢油模擬技術(shù)及原理

MIKE 21 FM模型中的溢油模塊(OS)主要用來預(yù)測海洋、河流中危險(xiǎn)化學(xué)品的歸宿，主要包括油的傳輸路徑和化學(xué)組分的變化。該模塊可對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品在水中的漂移、擴(kuò)展和風(fēng)化等過程進(jìn)行模擬研究，可分析溢油運(yùn)動(dòng)軌跡、油膜厚度、掃過面積以及危險(xiǎn)化學(xué)品物理化學(xué)性質(zhì)的改變情況等。溢油模塊是將油膜概化為大量粒子的集合，每個(gè)粒子均有一定體積的危險(xiǎn)化學(xué)品量[6-8]。油膜的漂移擴(kuò)散過程主要通過粒子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)來表示，而危險(xiǎn)化學(xué)品風(fēng)化過程可通過粒子的熱量變化和質(zhì)量損失進(jìn)行描述[9-10]。

2 溢油風(fēng)險(xiǎn)與情景設(shè)計(jì)

東北地區(qū)跨越S河管道的長度為200 m，S河有3個(gè)水期，枯水期、平水期和汛期，流量分別為40，150，230 m3/s，如圖1所示。

圖1 泄漏點(diǎn)位置分布情況

根據(jù)調(diào)研情況，泄漏點(diǎn)的位置可能在穿越管道的任意位置，如果管道發(fā)生斷裂(最壞的情況)，管道的泄漏速度為50 kg/s，泄漏15 min內(nèi)關(guān)停閥門，停止壓力輸送。實(shí)際情況下，發(fā)生管道泄漏后，污染物在河流中的漂移擴(kuò)散受很多因素的影響，包括：河流的流速、泄漏點(diǎn)的位置、風(fēng)力條件等一系列環(huán)境因素?？紤]S河的地理位置，做模擬時(shí)，只考慮了河流的流速和泄漏點(diǎn)的位置兩個(gè)重要的影響因素，設(shè)置了9種泄漏事件情景，如表1所示。

表1 泄漏事件情景設(shè)置

3 水體溢油模擬研究

3.1 模型構(gòu)建

建立水動(dòng)力模型。利用MIKE Zero網(wǎng)格生成器創(chuàng)建地形網(wǎng)格。其中最大三角形面積為500 m2，最小允許角度為30°，區(qū)域內(nèi)最大節(jié)點(diǎn)數(shù)為100 000，計(jì)算域內(nèi)網(wǎng)格數(shù)為16 655個(gè)，為提高計(jì)算的精確度，將原油泄漏點(diǎn)附近的局部網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理，如圖2所示。生成網(wǎng)格后，在網(wǎng)格編輯器中導(dǎo)入河底高程數(shù)據(jù)，并將其插值到各網(wǎng)格點(diǎn)，形成有效的計(jì)算網(wǎng)格，導(dǎo)出模擬區(qū)域的地形分布圖，如圖3所示。

圖2 局部區(qū)域計(jì)算網(wǎng)格

圖3 地形分布情況

3.2 率定與驗(yàn)證

圖4中所示位置為驗(yàn)證點(diǎn)P、Q。根據(jù)水文站獲取的實(shí)際監(jiān)測資料，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定與驗(yàn)證。經(jīng)率定，底床摩擦力修正值為45 m1/3/s；Smagorinsky系數(shù)修正值為0.24 m2/s。

圖4 驗(yàn)證點(diǎn)示意

根據(jù)P、Q兩點(diǎn)2014年11月4日流速和水位實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)水動(dòng)力模型進(jìn)行驗(yàn)證，數(shù)據(jù)的日平均流量分別與近十年來該河段的枯水期、平水期和汛期平均流量相近。由圖5可看出，流速與水位的計(jì)算值與實(shí)測

圖5 水動(dòng)力模型驗(yàn)證曲線

值的變化規(guī)律幾乎一致，誤差在合理的范圍內(nèi)，因此所建立的水動(dòng)力模型能夠表征S河的河流特征。

3.3 模擬結(jié)果

根據(jù)所設(shè)計(jì)的情景，模擬計(jì)算分別在枯水期、平水期和汛期管道A、B、C三點(diǎn)發(fā)生泄漏的漂移擴(kuò)散狀況。圖6展示了在發(fā)生泄漏事故后不同時(shí)刻(0.5，2，3.5 h)的濃度分布情況。

圖6 模擬結(jié)果

3.4 結(jié)果分析

1)濃度帶軌跡分析。以枯水期濃度分布為例，由圖6可看出，當(dāng)原油從管道不同位置泄漏時(shí)，其漂移擴(kuò)散規(guī)律有所不同。首先，當(dāng)原油從管道A點(diǎn)泄漏后，其先沿著河流右岸邊漂移邊擴(kuò)散；當(dāng)原油從B點(diǎn)泄漏后，其濃度帶主要順著河流中心漂移擴(kuò)散，遇到彎曲河道時(shí)，濃度帶向外岸靠近；當(dāng)原油從C點(diǎn)泄漏后，其濃度帶首先沿著左岸進(jìn)行漂移擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，最終與A點(diǎn)濃度帶位置保持一致。

2)濃度帶影響面積分析。隨著事故發(fā)生時(shí)間的推移，原油濃度帶影響面積不斷擴(kuò)大，但在管道不同位置泄漏，其影響面積有所不同。其中當(dāng)泄漏位置靠近河流沿岸時(shí)，受到河岸阻力的影響，擴(kuò)散面積較大，且濃度帶呈現(xiàn)明顯的“拖尾”現(xiàn)象，導(dǎo)致部分原油在河岸處滯留，岸線污染嚴(yán)重；當(dāng)泄漏位置靠近河中心時(shí)，原油在泄漏初期受河岸影響小，擴(kuò)散面積相對(duì)較小，隨著河道方向的不斷改變，濃度帶逐漸靠近河岸，對(duì)岸線產(chǎn)生一定影響，面積逐漸擴(kuò)大，但仍具有較小的影響面積。

3)漂移擴(kuò)散規(guī)律差異性分析。泄漏位置不同，原油運(yùn)動(dòng)規(guī)律的差異性主要體現(xiàn)在事故發(fā)生后的短時(shí)間內(nèi)，隨著原油漂移擴(kuò)散的不斷進(jìn)行，其差異性越來越小，最終原油的運(yùn)動(dòng)規(guī)律由河流本身性質(zhì)決定。

4)漂移擴(kuò)散規(guī)律的應(yīng)用。根據(jù)1)分析的規(guī)律，在設(shè)置應(yīng)急處置斷面時(shí)，需要在下游位置(溢油擴(kuò)散軌跡與泄漏點(diǎn)無關(guān)的區(qū)域)并且流速緩慢的河段設(shè)置一個(gè)應(yīng)急處置斷面，以確保溢油被完全清理。根據(jù)2)分析的規(guī)律，可清楚看出河岸處溢油滯留的區(qū)域，在溢油清理過程中，可提高溢油清理的效率，縮短河岸處溢油清理的時(shí)間。

4 結(jié) 論

1)使用MIKE 21軟件對(duì)模擬河段進(jìn)行模擬，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行率定與驗(yàn)證，驗(yàn)證了模型的可用性和穩(wěn)定性。

2)根據(jù)模擬結(jié)果，考慮泄漏點(diǎn)位置和水期因素，設(shè)置了9種情景對(duì)模擬河段進(jìn)行了模擬，得出了不同情景下的漂移擴(kuò)散規(guī)律。為河流應(yīng)急決策提供了支持。