基于MIKE21的洪澤湖溢油事故風(fēng)險研究

柴霽森，逄 勇，王嘯天

(1.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，南京 210098；2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210098)

引 言

我國水路運輸不斷發(fā)展，發(fā)展定會帶來更多的風(fēng)險和挑戰(zhàn)。由于內(nèi)河水路運輸時，內(nèi)河航道相對狹窄，船舶意外事故發(fā)生不可避免[1]，進而會引起油類泄露對周圍水環(huán)境造成一定污染[2]。所以針對溢油事故，應(yīng)當(dāng)提前對事故風(fēng)險進行預(yù)測，以便提出預(yù)警方案來降低溢油事故帶來的損失[3]。對溢油事故進行預(yù)測時，通常采用對油粒子的擴散遷移進行模擬研究[4]。MIKE 21模型可以很好的模擬反應(yīng)出流域水文水質(zhì)情況[5]，并且其中包含ECO lab模塊能夠?qū)τ土Ｗ雍芎玫剡M行預(yù)測模擬[6-7]。油膜擴散運動過程較為復(fù)雜，受多方面因素影響，包括但不限于當(dāng)?shù)仫L(fēng)場、流場、事故發(fā)生點的設(shè)置等[8-9]。為了很好地預(yù)測溢油事故對水環(huán)境造成的影響，設(shè)置預(yù)測方案應(yīng)考慮對附近敏感目標(biāo)最不利情況下的風(fēng)場、事故發(fā)生點[10-11]。模擬得到油膜的擴散面積、油膜厚度等結(jié)果，可以量化溢油事故帶來的影響，直觀反應(yīng)溢油事故帶來的后果[12]。對溢油風(fēng)險進行預(yù)測，為在事故發(fā)生時，能夠及時作出應(yīng)對方案以減少損失有重要意義[13]。

本文基于MIKE 21，建立洪澤湖水動力模型及溢油模型，預(yù)測金寶航線的建設(shè)對洪澤湖敏感目標(biāo)可能造成的溢油風(fēng)險?？紤]發(fā)生溢油事故時最不利情況，選取金寶航線淮安段與淮河出海航道交叉點位和金寶航線最靠近洪澤湖東部濕地省級自然保護區(qū)核心區(qū)點位作為溢油風(fēng)險預(yù)測點，并分別選取兩點位發(fā)生溢油事故時，影響附近敏感目標(biāo)的最不利風(fēng)向?qū)σ缬褪鹿蔬M行模擬預(yù)測。根據(jù)模擬結(jié)果給出油膜的擴散過程、擴散面積、局部厚度，為洪澤湖安全管理提供參考依據(jù)，以便在應(yīng)急時間內(nèi)做好預(yù)案，對降低事故發(fā)生概率以及降低事故發(fā)生后帶來的損失有重要意義。

1 研究區(qū)域概況

洪澤湖，位于江蘇西部淮河下游，蘇北平原中部西側(cè)，淮安、宿遷兩市境內(nèi)，地理位置在北緯33°06′～33°40′，東經(jīng)118°10′～118°52′之間，為淮河中下游結(jié)合部[14]。作為中國第四大淡水湖，湖面遼闊，資源豐富，歷史悠久，既是淮河流域大型水庫、航運樞紐，又是漁業(yè)、特產(chǎn)品、禽畜產(chǎn)品的生產(chǎn)基地。東有淮河入海水道直通黃海[15]，南有三河通過高郵湖連接長江，是重要的水運樞紐[16]。

金寶航線起自洪澤湖14號標(biāo)，流經(jīng)洪澤、盱眙、金湖、寶應(yīng)后匯入京杭運河，全長84.8 km[17]，是連接淮河入海水道和長江的重要紐帶。本次施工范圍見圖1。

圖1 研究區(qū)域、施工范圍及敏感目標(biāo)分布Fig.1 Distribution of study area，construction scope and sensitive targets

2 研究方法

2.1 水動力模型構(gòu)建

2.1.1 水動力模型基本方程及模型概化

本次模擬基于二維水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，笛卡爾坐標(biāo)系下的二維水動力控制方程是不可壓流體三維雷諾Navier-Stokes平均方程沿水深方向積分的連續(xù)方程和動量方程，可用如下方程表示[18]：

連續(xù)性方程：

(1)

動量方程:

(2)

(3)

本次建立洪澤湖水環(huán)境模型，模型計算范圍水下高程利用湖體實際地形數(shù)據(jù)(中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心)和資料地形圖，洪澤湖區(qū)域模型劃分為17805個網(wǎng)格。模型高程及網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2 湖底高程及模型網(wǎng)格劃分Fig.2 Lake bottom elevation and model meshing

2.1.2 水動力模型參數(shù)率定

模型初始水位設(shè)為12.5m取水位年鑒資料平均水位，起始時刻流速設(shè)為0。模型以各入湖河流斷面作為入湖邊界，根據(jù)2016年水文年鑒、風(fēng)向風(fēng)速實測資料以及污染源統(tǒng)計數(shù)據(jù)，邊界耦合河網(wǎng)模型計算結(jié)果，對湖區(qū)高良澗和蔣壩兩個斷面進行水位率定。

模型計算高良澗及蔣壩水位與實測值率定結(jié)果見圖3，率定結(jié)果值見表1。由計算結(jié)果可見，高良澗站及蔣壩站水位計算值與實測值絕對誤差小于10 cm。由此可見，該模型可以用于模擬并描述洪澤湖湖體水動力的變化過程。模型水平渦粘系數(shù)Cs取值0.28。底床的摩擦力采用河道糙率值，選用曼寧數(shù)表示，介于0.018～0.022之間。風(fēng)拖曳系數(shù)0.0012～0.0016。洪澤湖模擬流場見圖4。

圖3 洪澤湖水位率定點計算值與實測值對比Fig.3 Comparison between calculated value and measured value of fixed-point water level of Hung-tse Lake

表1 模型水位率定結(jié)果Tab.1 Calibrated water level of model

圖4 洪澤湖模擬流場圖Fig.4 Simulation flow field diagram of Hung-tse Lake

2.2 溢油模型構(gòu)建

溢油風(fēng)險模型以水動力模型為基礎(chǔ)，將油膜概化為相互獨立的油粒子的集合，受水流、風(fēng)場、太陽輻射等外界因素的影響及油膜自身物化性質(zhì)的作用。溢油進入水體后發(fā)生擴展、漂移、擴散等油膜組分保持恒定的輸移過程和蒸發(fā)、溶解、乳化等油膜組分發(fā)生變化的風(fēng)化過程[19]。本研究溢油模型采用“油粒子”模型，該模型可以很好地模擬上述物理化學(xué)過程[4]。

2.2.1 溢油模型基本方程

2.2.1.1 擴展：

(4)

(5)

式中A0為油膜面積；t為時間；Kα為擴散系數(shù)；V0為油膜體積；R0為油膜半徑，h0為初始油膜厚度，取10cm。

2.2.1.2 漂移：

USW=cw(Z)·Uw+Us

(6)

式中Uw為水面上10m處的風(fēng)速，Us為表面流速，Cw為漂移系數(shù)，一般取值0.02～0.03。

2.2.1.3 擴散：

(7)

2.2.2 溢油模型參數(shù)設(shè)置

結(jié)合油粒子的特性和溢油模型基本方程，參考已有研究中的模型參數(shù)取值范圍[9]，并結(jié)合洪澤湖實際情況，確定溢油模型參數(shù)，其中乳化物的含水率取0.85，風(fēng)漂移系數(shù)取0.035，溶解傳質(zhì)系數(shù)取2.36×10-6，蒸發(fā)系數(shù)k取0.029。

2.2.3 溢油計算方案設(shè)置

2.2.3.1 溢油量及泄漏點選取

(1)施工期

根據(jù)現(xiàn)有航道通行能力，施工期挖泥船噸位按載重噸500t以下計，假定挖泥船船發(fā)生碰撞，造成燃油箱破損柴油泄漏入河事故，泄漏量按30m3估算[20]。假設(shè)單個貨艙的油品全部泄漏，船舶用燃料油密度取850kg/m3，則施工期最終泄漏進入環(huán)境的最大溢油量約為25t，泄露時間設(shè)置為0.5h。

(2)運營期

根據(jù)2018～2020年洪澤湖區(qū)運營船舶數(shù)據(jù)統(tǒng)計資料，洪澤湖無危化品運輸和成品油貨船，近三年洪澤湖區(qū)300～1000t級運營船舶數(shù)量占比88.3%，按最不利條件計算，本次運營期貨船取1000噸級，1000噸級散貨船燃油艙單艙燃油量最大61m3[20]。假設(shè)單個貨艙的油品全部泄漏，船舶用燃料油密度取850kg/m3，則運營期最終泄漏進入環(huán)境的最大溢油量約為50t，泄露時間設(shè)置為0.5h。

施工期和運營期結(jié)合工程與洪澤湖湖區(qū)敏感目標(biāo)、現(xiàn)有航道交通線的位置關(guān)系，在施工線路上，金寶航線淮安段與淮河出海航道交點處是兩航道交匯的地方，容易發(fā)生碰撞，設(shè)置該點為溢油點1，金寶航線淮安段與省級自然保護核心區(qū)距離最近點較為敏感，設(shè)置該點為溢油點2。溢油事故風(fēng)險計算點位及周圍敏感目標(biāo)分布圖見圖5。

2.2.3.2 溢油工況確定

選取枯水期水文條件，從偏安全角度考慮，溢油風(fēng)險考慮最不利情況，選取最不利風(fēng)向和在風(fēng)速5m/s時發(fā)生溢油事故，分析船舶溢油事故發(fā)生后對敏感目標(biāo)的影響。洪澤湖溢油風(fēng)險模擬工況見表2。

表2 洪澤湖溢油風(fēng)險模擬工況Tab.2 Simulated conditions for oil spill in Hung-tse Lake

圖5 溢油點位及敏感目標(biāo)分布Fig.5 Distribution of oil spill points and sensitive targets

3 結(jié)果分析與討論

方案一模型計算結(jié)果見圖6。西風(fēng)條件下，由于水動力的影響，油膜由事故點向東北方向擴散，并在漂移過程中，油膜面積逐漸擴大，局部油膜厚度有所減小。

圖6 方案一發(fā)生溢油油膜影響范圍(18h、48h)Fig.6 Influence range of oil film in Scheme I (18h，48h)

在風(fēng)場和水動力的條件下，油膜向水產(chǎn)種質(zhì)資源保護區(qū)擴散，對洪澤湖銀魚國家級水產(chǎn)種質(zhì)資源保護區(qū)造成影響。溢油事故發(fā)生18h后，油膜往東北方向漂移2.5km，此時油膜最大厚度為0.16mm，油膜擴散面積7.6km2；溢油事故發(fā)生48小時后油膜將要擴散至水產(chǎn)種質(zhì)資源保護區(qū)，油膜往東北方向漂移10.3km，此時油膜最大厚度為0.10mm，油膜擴散面積為16.8km2。

方案二模型計算結(jié)果見圖7。東風(fēng)條件下，并在水動力的影響下，油膜由事故點主要向東擴散，這主要由于溢油點位靠近湖岸，油膜大部分被吸附在岸邊[9，21]，在漂移過程中，油膜逐漸擴大，局部厚度有所減小。

在風(fēng)場和水動力條件下，油膜在8h到達洪澤湖東部濕地省級自然保護區(qū)核心區(qū)，但并未進一步向其擴散，主要是因為湖岸對油膜的吸附作用，使得油膜在溢油點位東邊的岸邊擴散開來。溢油事故發(fā)生8h后，油膜擴散最遠距離1.4km，此時油膜最大厚度為0.16mm，油膜擴散面積5.12km2；溢油事故發(fā)生48h后，油膜擴散最遠距離6.2km，此時油膜最大厚度為0.10mm，油膜擴散面積13.8km2。

圖7 方案二發(fā)生溢油油膜影響范圍(8h、48h)Fig.7 Influence range of oil film in Scheme Ⅱ (8h，48h)

方案三模型計算結(jié)果見圖8。西風(fēng)條件下，并在水動力的影響下，油膜由事故點向東北方向擴散，并在漂移過程中，油膜面積逐漸擴大，局部油膜厚度有所減小。

在風(fēng)場和水動力的條件下，油膜向水產(chǎn)種質(zhì)資源保護區(qū)擴散，對洪澤湖銀魚國家級水產(chǎn)種質(zhì)資源保護區(qū)造成影響。溢油事故發(fā)生18h后，油膜往東北方向漂移3km，此時油膜最大厚度為0.16mm，油膜擴散面積6.8km2；溢油事故發(fā)生48小時后油膜將要擴散至水產(chǎn)種質(zhì)資源保護區(qū)，油膜往東北方向漂移10.3km，此時油膜最大厚度為0.10mm，油膜擴散面積為17.2km2。

方案四模型計算結(jié)果見圖9。東風(fēng)條件下，并在水動力的影響下，油膜由事故點主要向東擴散，這主要由于溢油點位靠近湖岸，油膜大部分被吸附在岸邊，在漂移過程中，油膜逐漸擴大，局部厚度有所減小。

在風(fēng)場和水動力條件下，油膜在8h到達洪澤湖東部濕地省級自然保護區(qū)核心區(qū)，但并未進一步向其擴散，主要是因為湖岸對油膜的吸附作用，使得油膜在溢油點位東邊的岸邊擴散開來。溢油事故發(fā)生8h后，油膜擴散最遠距離3km，此時油膜最大厚度為0.13mm，油膜擴散面積13.5km2；溢油事故發(fā)生48h后，油膜擴散最遠距離6km，此時油膜最大厚度為0.12mm，油膜擴散面積17.2km2。

圖8 方案三發(fā)生溢油油膜影響范圍(18h、48h)Fig.8 Influence range of oil film in Scheme Ⅲ (18h，48h)

圖9 方案四發(fā)生溢油油膜影響范圍(8h、48h)Fig.9 Influence range of oil film in Scheme Ⅳ (8h，48h)

各溢油風(fēng)險方案對洪澤湖敏感目標(biāo)影響情況總結(jié)見表3。

表3 各溢油風(fēng)險方案對敏感目標(biāo)影響情況Tab.3 Impacts of oil spill risk plans on sensitive targets

4 結(jié) 論

本文通過金寶航線建設(shè)對洪澤湖敏感目標(biāo)溢油風(fēng)險預(yù)測的研究，主要得出以下結(jié)論。

油膜在漂移擴散過程中，油膜面積逐漸擴大，局部厚度有所減小。

溢油點位1發(fā)生溢油事故后，在西風(fēng)條件下，油膜總會向東北方向擴散，能夠?qū)闈珊y魚國家級水產(chǎn)種質(zhì)資源保護區(qū)造成影響，溢油量在25t和50t時，對其造成影響幾乎一致。

溢油點位2發(fā)生溢油事故時，東風(fēng)條件下，由于溢油點位東側(cè)湖岸對油膜吸附作用，油膜大部分被吸附在岸邊，對洪澤湖濕地省級自然保護區(qū)西核心區(qū)影響不明顯。

應(yīng)建立足夠應(yīng)急預(yù)防措施，避免發(fā)生溢油事故。

由于研究方案有限，只考慮了風(fēng)險較大溢油點及最不利風(fēng)向，建議加強完善模擬工作，為洪澤湖安全管理提供更多支持。