河流突发性溢油事故数值模拟研究

祁佩时，曹 猛 ，刘云芝

(哈尔滨工业大学市政环境工程学院，哈尔滨150090)

随着石油运输业的不断发展，突发性溢油事故逐渐成为目前水体污染的主要形式之一[1]，特别在一些港湾、沿海、河道区域，溢油事故频繁发生，污染的严重性更显得突出.为了有效地预防控制溢油污染，利用水质模型软件来研究溢油事故发生后油膜的运移规律无疑对溢油应急预警与决策支持系统的建立具有重要的意义[2].

1 水体溢油行为归宿

溢油事故发生后，水体中油会发生扩展、漂移、乳化、蒸发等物理化学过程[3].从图1中可以看出，溢油事故造成的大量石油泄漏进入水体后，其一方面随表面水流的“携带”而一起流动，另一方面受水面上方风力的“拖曳”作用而漂移，漂浮在水面上的溢油在重力、惯性力、表面张力以及黏滞力等作用下很快向四周扩散变薄，在水面扩展成油膜.而石油中一些易挥发的轻组分的石油在泄漏到水面数小时乃至几天里就能蒸发到大气中，随着在大气中扩散的同时逐渐被氧化.漂浮于水面的油膜在波浪和河流湍流的作用下，有一部分以油包水或以水包油的形式进入水中，随表面的水流扩散开去，另一部分则凝成较重的油团而沉于河底，漂在水面上的和沉在水底的部分油被嗜油微生物降解.

图1 溢油行为归宿示意图

2 溢油数学模型

本研究采用“油粒子”模型[4]，将整个油团看成是由有限个彼此独立，互不干扰的油质点组成的.它们分别受水流、风速的影响，独自漂移.

2.1 扩展模型

Fay扩展模式是考虑溢油重力、惯性力、黏性力和表面张力在不同扩展阶段所起的作用，本模型忽略工况因素对溢油的影响，建立的溢油扩展分阶段模式，公式如下[5].

重力-惯性力阶段:

重力-黏性力阶段:

黏性力-表面张力阶段:

其中:Vo为油粒子体积，ρ0、ρw分别为油和水的密度，μw为水的运动黏性系数，σ 为表面张力，k1、k2、k3为经验系数分别为1.14、1.45、2.30.

2.2 漂移模型

溢油漂移是指油膜在表层、表层流的合力以及风的剪切力等环境动力作用下进行拉格朗日的漂移过程.

漂移数学公式[6]如下

其中:X、Y是溢油质点经过时间步长漂移后的新位置，X0、Y0是溢油质点时间步长前的旧位置，US、VS分别为X方向和Y方向的表层流速，[R]10是随机常数(0～1).

2.3 吸附模型

河岸对溢油的吸附作用可能有3种情况:完全吸收、完全反射和部分吸收.为了使模型简单明了，本研究只考虑完全吸附和完全反射，设油粒子被吸附的概率为P，当P=1时，表明该油粒子被河岸完全吸收，当P=0时，表明该油粒子被河岸完全反射，计算公式如下[4]:

其中:[Rn]10是[0，1]之间均匀分布的随机数，ηa为吸附率，Am为某区域河岸最大的吸附能力，A=∑Vp为某区域河岸已经吸附的溢油.

3 模型案例应用与分析

松花江永兴村至哈尔滨河段蜿蜒曲折，河形变化较大，末端为哈尔滨市(即为敏感区域)，模拟此河段水域发生溢油事故后的油污扩散对模拟研究具有重要意义.

模型溢油和环境参数如下:

溢油地点:东经126°12＇56″，北纬45°41＇43″;

溢油种类:0#柴油;

溢油量:30 t;

油粒子数:600 000;

油泄漏方式:瞬时溢油;

风场:风速0.3～1 m/s;

事故发生时间:1990-6-2:12:00:00(丰水期).

图2为溢油事故发生后6 h内油膜漂移扩散情况.

由于模型模拟时期为松花江丰水期溢油工况，河流径流量较大，流速很快(平均为2 m/s)，因此河流流速对油膜作用很明显.事故发生瞬间，油迅速倾入江面，形成厚厚的油层，随着时间延续，油膜在自身扩展和水流的推动作用下迅速扩散，厚度也随之逐渐减小.从图2(图a～图f)可分析得知，油膜的形态沿着河势呈带状变化发展.事故发生0.5 h后油膜开始接触到岸边，1 h以后，油膜的中心漂移到位置(126°14＇53″E，45°41＇57″N)，最前端抵达下游3.12 km处，河流纵向污染范围为2.59 km，并且河流岸线两侧均有油量吸附.2 h后油膜的中心漂移到位置(126°15＇24″E，45°42＇01″N)，最前端抵达下游4.03 km处，2 h后油膜的中心漂移到位置(126°15＇24″E，45°42＇01″N)，最前端抵达下游4.03 km处，河流纵向污染长度范围为4.31 km，岸线污染范围为2.70 km.3 h后油膜中心随着水流漂移至(126°18＇36″E，45°42＇38″N)处，前端漂移至处7.94 km，油膜长度扩展到5.69 km，河岸线油污染带增加至5.38 km;4 h后油膜中心漂移抵达位置(126°22＇07″E，45°41＇47″N)，油膜的最前端到达下游11.66 km处，河流纵向污染范围为7.53 km，岸线污染范围长达14.95km.5 h后油膜中心抵达位置(126°22＇20″E，45°43＇14″N)，油膜前端到达事故下游19.54 km处，河流纵向污染范围为9.31km，岸线污染范围长达18.77 km.事故6 h后油膜中心抵达位置(126°25＇04″E，45°43＇55″N)，油膜的最前端漂移至下游24.48 km处，河流纵向污染范围为12.09 km，岸线污染范围长达25.60 km.

图2 事故发生不同时间后油膜的扩散分布

以上分析可知，油膜的运移规律主要受到表层流速及河型的影响，油膜中心位置和纵向污染范围随着流速及沿河道形势变化发展，岸线上的油污也会随着时间的延续累积污染.为了明确河段不同位置溢油污染空间和时间范围，分别在距事故点-1、35、47 km处设为监测断面.图3是3个监测断面测得的油污染浓度随时间变化曲线.由于监测点1(obs01)位于事故发生点上游处，因此油污染范围和时间均有限.586 min后，油膜前端在风力和表层流等环境因素的作用下漂移至监测点2(obs02)，从图3可以看出627 min后油膜中心达到监测点1，油污质量浓度达到12.54 kg/m3，而油膜全部通过监测断面需历时1 500 min.1 270 min后，油膜前端抵达监测点3(obs03)，1 327min后油膜中心漂移至监测断面，此时监测质量浓度为28.05 kg/m3，远高于监测点2测得的质量浓度，这是由于监测点2处于直道并且河道较宽，而监测点3处于河段弯道狭窄处.由于岸壁的约束，凹岸的水流指向河底，而凸岸的水流指向水面，这样就会形成螺旋流运动，其在横断面的投影称为环流，由于环流的存在，使得推移质除了向下游运动外，宜有向对岸输移的倾向，因此油膜漂移至此处时受到地形等阻力因素造成油量向凸岸堆积的倾向.

图3 监测点处溢油污染浓度分布

4 结论

1)分析了水体溢油的行为归宿，并且建立了溢油数学模型.计算过程采用“油粒子”模型，以永兴村至哈尔滨河段为研究区域构建二维溢油模型.

2)该模型有效地模拟了松花江丰水期船舶溢油情况.运行结果表明:河流溢油油膜呈带状，油膜长度和中心位置随河道形势变化发展.最后通过在模型中设置不同的溢油监测断面分析监测点处油膜污染情况.

3)本模型的建立能够减少溢油事故发生应急处理的盲目性，对建立松花江溢油事故风险评估与决策管理系统具有重要意义.

4)建议与不足:松花江河段缺乏突发性溢油事故实测资料，因此对该模型的验证存在缺陷，可考虑通过建立实验室条件下的模型实验对其进行验证分析.

[1]SPAULDINGM L，ANDERSON E L.Simulation of the Oil Trajectory and Fate in the Arabian Gulf from the Mina Al Ahmadi Spill[J].Marine Environmental Research，2008，36:79-115.

[2]SAYED M，M MANSARD S E.Oil Spill Drift and FateModel[M].NATO Science for Peace and Security Series C:Environmental Security，Oil Spill Response:A Global Per-spective，2008.

[3]KINGB，BRUSHETT B，LEMCKER C.A case study of consensusmodelling for tracking oil spills[J].Earth and Environmental Science，2010:1-6

[4]张艳军，雒文生，雷阿林，等.河道溢油模型在三峡水质预警系统中的研究与应用[J].环境科学与技术，2010，33(1):128-131.

[5]程聪.黄浦江突发性溢油事故模拟模型研究与应用[D].上海:同济大学，2007.

[6]高振会，杨建强，王培刚，等.海洋溢油生态损害评估的理论、方法及案例研究[M].北京:海洋出版社，2007.