贛江南昌段突發溢油事故影響預測及分析

沈越，張健，黃一

（1.江西省生態環境監測中心，江西南昌，330039；2.江西省生態環境科學研究與規劃院，江西南昌，330039）

0 引言

贛江是江西省主要的河流運輸通道，水路貨運量較大。隨著贛江新干至南昌段二級航道、區域內綜合性水利樞紐、碼頭等工程建設的加快推進，如何協調贛江水生態環境安全與航運、水利發展成為當前的現實挑戰。

溢油事故產生的石油類污染物會影響水環境質量，危害區域水生生態［1-4］。目前對于現有水文條件多變的尾閭河流溢油事故研究較少［5-7］，為了更好地應對突發溢油事故風險，需預判在不利水文及氣象條件下的油膜分布位置和停留時間［8，9］，為內河溢油事故發生時的有效快速處置提供技術手段。本文在區域典型水文特征及氣象條件下，采用 MIKE21 模型預測軟件建立二維溢油擴散模型［10］，以預測船舶碰撞情況下油膜的可能影響范圍［11］。預測研究結果可為內河溢油環境決策和應急處置提供技術支持。

1 模型計算原理

1.1 水動力基本方程

笛卡爾坐標系下二維水動力控制方程可用如下公式表示：

連續方程：

動量方程：

式中：t表示時間；x,y是笛卡爾坐標；η表示水位；h表示總水深；和表示水深平均的值；Q表示點源的排放量；ρ表示水的密度；f=2Ωsinφ表示Coriolis 因子（? 是地球自轉的角速度，?是地理緯度）；s xx,sxy和為radiation 應力張量；g表示重力加速度；pa表示大氣壓；ρ0表示水的相對密度；(u s,vs)表示外界排放到環境水體的速率。

橫向應力Tij可用垂向流速平均的渦粘方程來計算：

1.2 溢油模型

1.2.1 輸移過程

（1）擴展運動

式中Aoil為油膜面積，Aoil=π，Roil為油膜直徑；t為時間；Ka為系數。油膜體積為：Voil=?π?hs。

初始油膜厚度：hs=10cm

（2）漂移運動

油粒子漂移的作用力是水流和風拽力，油粒子總漂移速度由以下權重公式計算：Utot=cw（z）·Uw+Us。

其中Uw為水面以上10m 處的風速；Us為表面流速；cw為風漂移系數，一般在0.03 和0.04 之間。

其中，V(z)為對數流速關系；z為水面以下深度；kn為Nikuradse 阻力系數；κ為馮卡門常數（0.42）；Uf

其中Vmean為平均流速。

（3）紊動擴散

其中，為-1 到1 的隨機數，Dα為α方向上的擴散系數。

1.2.2 風化過程

1.2.2.1 蒸發

蒸發率可由下式表示：

式中，N為蒸發率；PSAT為蒸汽壓；ke為物質輸移系數；R為氣體常數；ρ為油組分密度；T為溫度；M為分子量；i為各種油組分。kei由下式估算：

其中，Sci為組分i 的蒸氣Schmidts 數；k為蒸發系數。

1.2.2.2 乳化

（1）形成水包油乳化物過程

從油膜擴散到水體中的油分損失量計算：

其中，Da是進入到水體的分量；Db是進入到水體后沒有返回的分量，公式如下：

其中，row為油-水界面張力；μoil為油的黏度。

（2）形成油包水乳化物過程

R1和R2分別為水的吸收速率和釋出速率：

其中：K1、K2分別為吸收系數和釋放系數；yw為實際含水率；為最大含水率；As為油中瀝青含量（重量比）；Wax為油中總石蠟含量（重量比）。

1.2.2.3 溶解

溶解率用下式表示：

其中為組分i 的溶解度；為組分i 的摩爾分數；Mi為組分i的摩爾重量；Ksi為溶解傳質系數，由下式估算：Ksi= 2.36·10-6ei。

2 模型構建

構建贛江二維非穩態水質模型，水下高程利用帶有高程數據的GoogleEarth 地形圖及樟樹-吳城贛江實際地形圖的地形數據。模型范圍如圖1 所示。

圖1 贛江二維模型計算范圍圖

模型初始水位的設定為贛江平均水位值（來自水文年鑒）；模型上邊界流量輸入為樟樹水文站逐日實測流量；模型下邊界水位輸入為吳城、蔣埠、樓前、滁槎水位站逐日實測水位；模型劃分為8341 個三角計算網格；模型計算時間步長為Dt=600s，全年計算總時長為365 天。

3 研究區域概況及事故地點選擇

本研究模擬范圍為贛江南昌段市汊至下游贛江四支入鄱陽湖湖區，共計約101.2km 的贛江河段。河段內外洲水文站歷年洪水最大流量為20400m3/s，歷年枯水最小流量為172m3/s，多年平均流量為2114m3/s。河道中最大流速為18.3m/s，最小流速為0.12m/s，平均流速為0.4m/s。根據南昌市多年的氣象統計資料，主導風向為西南風或東南風，冬季主要風向是北風或西北風。夏季平均風速為3.4m/s，冬季平均風速為4.2m/s。

因評價范圍內規劃實施的贛撫航道整治工程中市汊船閘改建和南昌水利樞紐的建設可能存在船舶碰撞溢油事故風險，所以設置市汊、揚子洲頭、焦嘰洲頭及南昌水利樞紐規劃建設區域為模擬溢油事故發生地，詳見表1 所示?？紤]出現最不利情況下的較大溢油事故，按照燃料油單艙全部泄漏考慮，即溢油源強最大為30t/次，泄露時間持續半小時。預測區域內涉及的飲用水源地見表2。在枯水期水文條件下，從環保最不利因素角度考慮，選取區域風向和風速5m/s 時溢油事故，分析船舶溢油事故發生后油膜的分布特征和到達時間。

表1 施工發生地對敏感點不利情況下的釋放點信息表

表2 贛江飲用水源地信息表

4 模型參數率定

選取贛江豐城站、市汊站、外洲站、南昌站4 個水位站作為水動力參數率定點位。模型計算結果的水位絕對誤差不超過20cm，率定得到贛江河道的糙率為0.037，風拖曳系數為0.001，因此本次所建模型能夠較好地反映計算區域的水動力特征。

5 預測結果及分析

5.1 贛江主航道發生溢油事故對南昌城區段飲用水源地影響分析

根據模型計算結果，泄漏事故發生后油膜受水流及風速影響飄移，到達取水口時間、最大油膜厚度及在飲用水水源地一級保護區停留時間（油膜到達取水口上游1000 米至油膜完全離開取水口下游500 米）見表3。油膜到達各敏感目標時的擴散范圍見圖2。

表3 贛江施工期溢油事故發生后對敏感目標影響計算結果表

圖2 贛江主航道事故點油膜擴散范圍圖

市汊位置發生溢油事故時，對下游岡上鎮長湖村、昌南、紅角洲、青云、朝陽、長堎/牛行這6 個水源地（1 個鄉鎮級5 個縣級）產生了影響，影響下游最遠處為長堎/牛行水源地（未到取水口），油膜最終消失在長堎/牛行水廠取水口上游約500 米處。由圖2 可知，市汊位置發生溢油事故時，對下游岡上鎮和昌南水源地產生影響；揚子洲頭發生溢油事故時，對城北及雙港水源地產生影響；焦嘰頭發生溢油事故時，對下游的黃渡村水源地產生影響。其中，由于城北及雙港水源地距離揚子洲頭較近，因此比其他水源地受影響程度大，油膜厚度達50~70mm，其他水源地受影響相對較小。

5.2 贛江四支規劃南昌樞紐發生溢油事故對鄱陽湖區影響分析

贛江四支規劃南昌樞紐泄漏事故發生后油膜受水流及風速影響飄移，到達鄱陽湖口處的時間分別為4.7h、19.5h、14h、3.5h，到達鄱陽湖入湖口處時間、最大油膜厚度及在湖區停留時間結果如表4 所示。事故發生后油膜運動軌跡如圖3 所示。

表4 贛江四支規劃南昌樞紐溢油事故發生后對鄱陽湖影響計算結果表

圖3 贛江四支事故點油膜擴散范圍圖

6 結論

應用MIKE21 模型能客觀反映贛江南昌段油膜擴散的時空分布。用水文的實測值對模型進行率定，水文誤差值不超過30%，表明模型模擬精度較高，能夠較好地模擬油膜擴散過程，為內河溢油研究提供一定的參考價值。

贛江四支規劃南昌樞紐溢油施工事故情況對下游鄱陽湖區影響較大，因此本次模擬從偏安全角度考慮，選取不利風向和風速情況，預測一旦發生溢油事故，相關部門應在3.5h 內完成應急響應工作，控制溢油擴散面積，減少其危害。同時，因贛江為南昌城區單一飲用水來源，應加強備用水源地建設。