MIKE在內(nèi)河港口規(guī)劃環(huán)評(píng)中的應(yīng)用研究
——以南昌港為例

王國(guó)鋒，李 媛，譚艷斌，譚文津，胡麗珍

(1.江西省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究與規(guī)劃院，330039，南昌；2.核工業(yè)二七〇研究所，330200，南昌；3.安徽環(huán)境科技研究院股份有限公司，230071，合肥)

0 引言

南昌港總體規(guī)劃(修訂)中主要液體散貨泊位位于樵舍港區(qū)，營(yíng)運(yùn)期溢油事故將對(duì)贛江下游水質(zhì)造成影響[1]。為加強(qiáng)水生生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，保障生態(tài)安全[2]，降低突發(fā)溢油事故對(duì)水生生態(tài)環(huán)境的威脅[3-8]，本研究在區(qū)域典型水文特征及氣象條件下，選用MIKE[9]預(yù)測(cè)油膜的可能影響范圍[10-12]，為下游飲用水源取水口事故預(yù)警、應(yīng)急處置及相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案提供現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 樵舍港區(qū)概況

樵舍港區(qū)位于贛江西支左岸新建區(qū)樵舍鎮(zhèn)境內(nèi)，下設(shè)3個(gè)作業(yè)區(qū)，以散貨、液體散貨運(yùn)輸為主。環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)保護(hù)目標(biāo)為下游15 km象山鎮(zhèn)水廠(chǎng)取水口(最大取水量為75 000 m3/d)。

1.2 歷史事故回顧

2004—2020年未發(fā)生船舶溢油污染事故或因交通事故引起的船舶溢油污染事件。

1.3 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

可能發(fā)生的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)事故主要是碼頭操作事故及船舶在航行過(guò)程中的碰撞事故。

1.4 源項(xiàng)分析和風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度

贛江中型碼頭千噸級(jí)貨船碰撞性溢油發(fā)生率約為20 a一遇。

1.4.1 貨油泄漏量預(yù)測(cè)

1)泄漏量預(yù)測(cè)。按MARPOL73/78公約附則Ⅰ第24條對(duì)油船假定泄油量的計(jì)算方法，側(cè)向破損計(jì)算參數(shù)取值表見(jiàn)表1。底部破損計(jì)算參數(shù)取值表詳見(jiàn)表2。

表1 側(cè)向破損計(jì)算參數(shù)取值表

表2 底部破損計(jì)算參數(shù)取值表

對(duì)于側(cè)向破損：Oc=ΣWi+ΣKiCi。

對(duì)于底部破損：Osi=1/3(ΣZiWi+ΣZiC)。

W為損壞導(dǎo)致破裂的一個(gè)邊艙容積(m3)。

對(duì)于SBT，W=0；

C為損壞導(dǎo)致破裂的一個(gè)中艙容積(m3)。

對(duì)于SBT，C=0；

Ki=1-bi/tc；當(dāng)bi≥tc時(shí)；

Zi=1-hi/vs；當(dāng)hi≥vs時(shí)。

bi為所考慮的邊船寬度(m)，在相應(yīng)于核定的夏季干弦水平面，自般側(cè)向船內(nèi)中心線(xiàn)垂直量取；hi為所考慮的雙層底最小高度；若無(wú)雙層底，則hi=0。

船舶在進(jìn)出港時(shí)的最高航速為14.816 km/h，設(shè)定船舶發(fā)生事故時(shí)，最多破損不超過(guò)個(gè)1貨艙(裝載貨油約250 t)。經(jīng)計(jì)算，側(cè)向破損時(shí)最大可能溢油量約為188 t，底部破損最大可能溢油量為58 t。

2)最可能泄漏量預(yù)測(cè)。按《港口建設(shè)項(xiàng)目船舶污染環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)導(dǎo)則(試用稿)》推薦方法預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)公式如下：

M=ΣOi×Pi(i=1,3,5)

其中：M為油船發(fā)生泄漏時(shí)導(dǎo)致貨油泄漏的最可能泄漏量，Oi為貨油艙的泄漏量，Pi為各油輪的年船舶數(shù)量占到樵舍港區(qū)的油船的年船舶總數(shù)的百分比(取40%)。

油船實(shí)載率為85%～95%，經(jīng)計(jì)算，到達(dá)港口的油船最可能發(fā)生的溢油量為95 t。

綜上所述，對(duì)于本港口船舶事故可能導(dǎo)致的貨油泄漏，預(yù)測(cè)最大可能泄漏量為188 t，最可能泄漏量為95 t。

1.4.2 操作性溢油量預(yù)測(cè) 按5 min關(guān)閉泵閥或糾正來(lái)確定溢油量。本港口設(shè)計(jì)為2 000噸級(jí)的油船泊位，每個(gè)碼頭設(shè)3根DN200的管道；汽油和柴油的最大卸船效率為3 400 m3/h。經(jīng)計(jì)算，本港區(qū)油船操作性溢油量為：汽油溢油量為167 t，柴油溢油量為116 t。

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)測(cè)模型

采用MIKE預(yù)測(cè)油膜的擴(kuò)散面積、運(yùn)動(dòng)軌跡、污染范圍[13-21]。

在每一時(shí)間步Δt中，用子區(qū)間δtk計(jì)算油滴的漂移位移：

V'=(4ET/δt)1/2，

ET為紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)；δt為時(shí)間步長(zhǎng)；Rn為均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為1的正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)；方向角θ'為均勻分布的隨機(jī)角，取值為0～π。

2.1.4 油膜的擴(kuò)展 根據(jù)Fay的三階理論，油膜擴(kuò)展停止時(shí)油膜的面積Af為：

Af=105?3/4

?為油膜體積，當(dāng)油膜厚度減少到10-5?1/4m時(shí)，擴(kuò)展停止。

2.1.5 河岸邊界條件 根據(jù)Torgrimson衰減公式計(jì)算每個(gè)時(shí)段Δt內(nèi)返回水中的油量Δ?b為：

Δ?b/?b=1-0.5Δt/λ

式中：?b為吸附在岸邊的總油量，λ為半衰期。

2.2 預(yù)測(cè)方案

2.2.1 水文條件 樵舍港區(qū)上游30 km處為外洲水文站，歷年洪水最大流量20 400 m3/s，歷年枯水最小流量172 m3/s，多年平均流量2 114 m3/s。河道中最大流速1.83 m/s，最小流速0.12 m/s，平均流速0.4 m/s。

2.2.2 氣象條件 根據(jù)南昌市多年的氣象統(tǒng)計(jì)資料，夏季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)或東南風(fēng)，冬季主要風(fēng)向是北風(fēng)或西北風(fēng)。夏季平均風(fēng)速3.4 m/s，冬季平均風(fēng)速4.6 m/s，多年最大風(fēng)速21.7 m/s。

2.2.3 預(yù)測(cè)情景 采用MIKE對(duì)碼頭前沿操作性事故(樵舍港區(qū)劉家作業(yè)區(qū)液體散貨碼頭)以及船舶在航行過(guò)程中碰撞事故(船撞規(guī)劃G316跨江橋梁)進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)。

選取2期水文條件(枯水期和豐水期)，分別在常風(fēng)向和最不利風(fēng)況下進(jìn)行預(yù)測(cè)，重點(diǎn)分析溢油事故對(duì)下游象山鎮(zhèn)水廠(chǎng)取水口的影響，溢油模擬情景設(shè)置見(jiàn)表3。溢油點(diǎn)位置見(jiàn)圖1。

圖1 溢油點(diǎn)位置示意圖

表3 溢油預(yù)測(cè)情景

2.3 預(yù)測(cè)結(jié)果

2.3.1 操作性溢油事故 樵舍港區(qū)劉家作業(yè)區(qū)豐水期、枯水期、常風(fēng)向和最不利風(fēng)向下，碼頭前沿操作性溢油事故油膜漂移擴(kuò)散軌跡及溢油污染油膜影響范圍見(jiàn)圖2。

(a)豐水期、常風(fēng)向(3.4 m/s、SE) (b)豐水期、最不利風(fēng)況(21.7 m/s、S)

(a) 枯水期、常風(fēng)向(4.6 m/s、NW)(b) 枯水期、最不利風(fēng)況(21.7 m/s、S)

2.3.2 船舶碰撞溢油事故 樵舍港區(qū)劉家作業(yè)區(qū)豐水期、枯水期、常風(fēng)向和最不利風(fēng)向下，船舶碰撞(船撞規(guī)劃G316跨江橋梁)溢油事故油膜漂移擴(kuò)散軌跡及溢油污染油膜影響范圍見(jiàn)圖3。

2.3.3 小結(jié) 碼頭前沿操作性溢油事故預(yù)測(cè)結(jié)果：豐水期在樵舍港區(qū)劉家作業(yè)區(qū)液散碼頭前沿發(fā)生溢油事故后，夏季定常風(fēng)下4.8 h后油膜到達(dá)下游象山水廠(chǎng)取水口附近；最不利風(fēng)況下4 h后油膜到達(dá)下游象山水廠(chǎng)取水口附近；枯水期在樵舍港區(qū)劉家作業(yè)區(qū)液散碼頭前沿發(fā)生溢油事故后，冬季定常風(fēng)下15 h后油膜到達(dá)下游象山水廠(chǎng)取水口附近；最不利風(fēng)況下13.5 h后油膜到達(dá)下游象山水廠(chǎng)取水口附近。

船舶碰撞溢油事故預(yù)測(cè)結(jié)果：豐水期在航道發(fā)生溢油事故后，夏季定常風(fēng)下3.7 h后油膜到達(dá)下游象山水廠(chǎng)取水口附近；最不利風(fēng)況下3 h后油膜到達(dá)下游象山水廠(chǎng)取水口附近；枯水期在航道發(fā)生溢油事故后，冬季定常風(fēng)下14 h后油膜到達(dá)下游象山水廠(chǎng)取水口附近；最不利風(fēng)況下12.4 h后油膜到達(dá)下游象山水廠(chǎng)取水口附近。

(a)豐水期、常風(fēng)向(3.4 m/s、SE) (b)豐水期、最不利風(fēng)況(21.7 m/s、S)

(a) 枯水期、常風(fēng)向(4.6 m/s、NW)(b) 枯水期、最不利風(fēng)況(21.7 m/s、S)

各個(gè)工況溢油污染油膜漂移到達(dá)下游取水口的時(shí)間見(jiàn)表4所示。

表4 溢油污染油膜達(dá)到下游取水口的時(shí)間

3 結(jié)論

豐水期溢油事故對(duì)下游取水口影響較大，一旦發(fā)生溢油事故，相關(guān)部門(mén)應(yīng)在3 h內(nèi)應(yīng)急相應(yīng)并啟用備用水源。管理部門(mén)應(yīng)加強(qiáng)通航管理，降低船舶交通事故發(fā)生的概率，同時(shí)應(yīng)制定應(yīng)急預(yù)案，準(zhǔn)備必要的應(yīng)急物資，使溢油事故風(fēng)險(xiǎn)處于可接受的水平。