三峡库区溢油快速预报模型在回水变动区的应用研究

范贤华 张 帆 邓 健 黄立文 王 祥

（武汉理工大学交通学院1） 武汉 430063） （长江海事局2） 武汉 430019）

（武汉理工大学航运学院3） 武汉 430063） （武汉市港航管理局4） 武汉 430030）

0 引 言

随着国家西部大开发的不断深入、长江黄金水道建设的大力发展，三峡库区危险品码头数量和吞吐量逐年增加，危险品船舶流量逐渐增大，尤其是回水变动区，长年库区航段与自然航段交替出现，航道、水文、气候条件变化较大，水上交通安全风险隐患较多，发生溢油事故风险较高.

长寿段是三峡库区回水变动区的典型河段，该段碛坝较多，蓄水前江面较窄，河弯较大，建库后河弯引起的横向流虽有减弱，但在弯曲剧变段仍可发生，且长寿港被重庆市规划为化工基地，相应的危险品码头数量及危险品吞吐量将大幅增加，溢油风险不断增大.

溢油快速预报模型能较为迅速地模拟计算溢油在不同环境下漂移扩散的过程，包括其性质、组分、性质及最终归宿，为应急策略的制定、清污方法的选择及油污损害评估提供相关依据［1］.针对河流溢油 国 内 外 建 立 了 RiverSpill［2］，Wpmb［3］，NRDAM［4］，ROSS系 列［5－7］，MIKE21／3［8］，ROSA［9］等模型.

从现阶段看，针对于库区回水变动区的溢油应急处置工作还处于起步阶段.所以，开展三峡库区溢油污染预测预报模型及其应用研究，有利于提高库区水域船舶溢油应急预报的水平，采取科学合理的应急方法处置溢油，提高库区溢油应急反应处置能力，从而降低因溢油造成的环境资源损害.

1 三峡库区水动力模型

溢油在水上迁移扩散的动力就是河流、库区水域环境中的水流、风、波浪，要模拟溢油行为及归宿则首要了解水域中的水动力要素，对溢油所处水域环境动力过程进行准确的描述.本文采用EFDC模型对上述选取的典型河段——长寿段进行水动力的数值模拟，为溢油模拟提供实时高精度的水动力要素.

模型控制方程为［10］

式中：v和u分别为曲线坐标y和x方向上的水平速度分量；H＝h＋ζ为总水深，mx和my分别为坐标转换因子，m＝mxmy；h为河底高程；p为压强；ρ为密度；ζ为水位；f为Coriolis系数；Qu和Qv分别为动量源汇项；Av为垂向紊动黏性系数.

2 溢油模型

油膜在河流中的行为和归宿受到溢油的位置、溢油量的大小、油品自身的理化特性、河道水流和风等多因素的影响，会发生复杂的扩散、漂移、蒸发、分散、乳化、光化学氧化分解、沉降和以及生物降解等过程［11］.

漂移和扩散是溢油在流场、风场和浪等作用下的物理运动过程.漂移的过程可以用拉格朗日公式模拟，而扩散过程可以用随机行走公式进行模拟计算.

在计算漂移的过程中，每个溢油粒可看作一拉格朗日粒子.溢油粒在t时刻的位置分量用xt（m）表示.式中：Δt为时间，s；xt为t时刻溢油粒位置，m；Uoil为溢油粒漂移速度，m／s.

扩展由波浪、重力、惯性力、粘度、表面张力相互作用产生.溢油扩展面积直接影响溢油蒸发、溶解、分散和光氧化作用所占比例.扩展模型采用经Mackay［12］和 Kolluru［13］修正的 Fay三阶段扩展理论.独立溢油粒表面积变化速度Atk（m2／s）为

式中：Atk为独立溢油粒表面积，m2；k1为扩展速度常数，1／s；Vm为独立溢油粒体积，m3；Rs为独立溢油粒半径，m；Re为表面油膜有效半径，m；t为时间，s.

表面油膜有效半径公式为

式中：Atk为独立溢油粒表面积，m2；N 为表面油膜的油粒数目.

事实上溢油自身的表面扩展过程持续时间很短，而持续时间较长的运动形式主要表现为平流输运和湍流扩散.因此本文还考虑了随机扩散过程，增加了流动中的水平扩散.Udd（m／s）和Vdd（m／s）表示扩散速度东、北方向分量，定义如下

式中：Dx为东西方向水平扩散系数，m2／s；Dy为南北方向水平扩散系数，m2／s；Δt为时间步长，s；r为随机系数，取值－1到1.

蒸发模型采用Stiver ＆Mackay提出的解析法进行溢油蒸发计算，计算公式为

式中：Fe为溢油蒸发体积分量；T为溢油温度；As为油膜面积；Vo为溢油初始体积；Ke为质量迁移系数，由Buchanan ＆ Hurford提出的下式计算得到：Ke＝2.5×10－3W0.78；A，B 为经验系数；T0为初始沸点；TG为蒸馏曲线梯度.

对于原油：

对于成品油：

岸线沉积模型基于Reed等提出的计算方法，计算不同类型岸线的吸附能力和清除率指数.

3 三峡库区溢油快速预报模型构建

三峡库区溢油快速预报模型主要组成部分是溢油运动模型和环境动力模型，其中溢油运动模型又是由漂移扩散模型和溢油归宿模型所组成，环境动力模型又是由风动力模型和水动力模型所组成.根据三峡库区特点，对计算耗时量比较大的模型（如水动力模型等）进行条件化设置调整，最后将多个模型耦合在一起，最终形成三峡库区溢油快速预报模型.三峡库区溢油快速预报模型组成见图1.

图1 三峡库区溢油快速预报模型组成图

4 模型的应用

二维水动力模拟区域长寿上界限为长寿长江铁路大桥附近，下界限为黄草峡信号塔附近，计算区域内河道总长约22km.模型计算采用正交曲线拟合边界进行内插数值模拟.计算地形数据采用2006年8月陆上电子平板测图和2006年5月水下数字化测图.长寿河段风向与河道走向基本一致，计算中不考虑风的影响.

图2为模拟的水位150.8m，流量9 484.5 m3／s情况下长寿段二维平均流速分布，在该试验方案下长寿段河道较窄，上游段水深相对要浅，水流流速较大，最大流速2.4m／s.

图2 方案1长寿江段流速大小

而后以该水动力模拟计算结果作为数据，对轻柴油的漂移扩散进行模拟.图3为溢漏3h后的模拟结果，从结果来看，主油膜的轨迹与河流的主流方向比较吻合，由于流速较急，溢油事故后主油膜的迁移扩散距离较长.

图3 轻柴油漂移扩散运动轨迹（3h后）

图4 轻质无铅汽油漂移扩散运动轨迹（2h后）

对轻质无铅汽油的漂移扩散进行模拟.图4为溢漏2h后的模拟结果，轻质无铅汽油2h及挥发完毕.

图5为模拟的水位165.0m，流量13 000 m3／s情况下长寿段二维平均流速分布，河道主槽内流速一般在0.9～1.1m／s.图6为模拟的水位175.0m，流量2 840m3／s情况下长寿段二维平均流速分布，主槽内流速在0.15～0.2m／s.

图5 方案2长寿江段流速大小

图6 方案3长寿江段流速大小

图7 方案2重质原油漂移扩散运动轨迹（5h后）

以上述2种水文条件作为驱动场，模拟重质原油的漂移扩散.由图7可见溢油漂移距离长，溢油在凸岸一侧吸附量较大.由图8可见，由于水位高流量下，溢油漂移距离短，油膜覆盖整个江面在两岸吸附相当.

图8 方案3重质原油漂移扩散运动轨迹（10h后）

5 溢油控制策略

由上述模拟可见，对于轻质无铅汽油由于其可在短时间内挥发完毕，一般不需采取清污措施，为防止轻质无铅汽油燃烧影响安全，可通过交通管制，提醒轻质无铅汽油可能影响范围内的码头船舶采取相应的安全防范措施.

而对于轻柴油和重质原油，由于其难以在短时间内挥发完毕，不采取清污措施势必对生态、渔业、取水等造成损害，因此需采取相应的清污手段.通过模拟可见，不同水文条件下溢油漂移的速度和距离不同，当水位较低，水流流量较大时，长寿段水流流速较大，要求的溢油响应速度要快，可通过多层围油栏导流布设的方式导流到溢油回收地点进行回收；当水位较高，水流流量较小时，长寿段水流流速平缓，易于采取清污行动，此时可通过船艇拖带围油栏等方式进行清污.

6 结 论

随着三峡175m蓄水，库区的通航条件得以改善，加之长江上游化工园区的兴建，长江水上港口危险品吞吐量和危险品船舶流量的不断上升，作为化工基地的长寿溢油风险不断加大.本文利用基于流体动力学模型和溢油漂移扩散模型建立的溢油快速预报模型，对不同假定情景下的溢油事故进行模拟，并提出对于在不同水文条件下的不同油品的溢油控制策略，可指导实际溢油应急处置行动.

［1］张 帆，邓 健.三峡库区溢油预报模型构建及数值模［J］.中国航海，2011，34（4）：22－24.

［2］SAMUELS W B，BAHADUR R，PICKUS J，et al.A real－time emergency response and planning tool［C］／／Proceeding of the Water Security in the 21st Century，Washington，DC.，USA.，July 30－Aug.1，2003.

［3］FINGAS M F，FIELD H B.Water－in－oil emulsions results of formation studies and applicability to oil spill modeling［C］／／Marine Environmenta1Modeling Seminar，Lillehammer，Norway，1998.

［4］CEKIRGE H M，KOCH M，LONG C.State－of－the art techniques in oil spill modeling.Oil Spill Conference.USA：Library of Congress Catalog，1995，75：67－72.

［5］YAPA P D，SHEN，H T，WANG D S，et al.An integrated computer model for simulating oil spills in the upper St.Lawrenee River［J］.Great Lake Research，1983，18（2）：340－351.

［6］SHEN H T，YAPA P D，PETROSKI M E.A Simulation model for oil slick transport in lakes［C］.Water Resources Research，1987，23（10）：949－957.

［7］SHEN H T，YAPA P D.Oil slick transport in rivers［C］.Journal of Hydraulic Engineering，1988，114（5）：529－543.

［8］蒋卫星.黄浦江溢油事故的数值模拟研究［D］.上海：同济大学，2007.

［9］SERGEI V，ZHU B.ROSA：Mathematical background and application［EB／OL］.［2012－05－13］http：／／www.simuserve.com／rosa／

［10］TETRA TECH，Inc.：Hydrodynamic and transport extension to the EFDC model［R］.A Report to the U.S.Environmental Protection Agency，Fairfax，VA.，2002.

［11］SHEN H T，YAPA P D，PETROSKI M E.A simulation model for oil slick transport in lakes［J］.Water Resources Research，1987，23（10）：949－957.

［12］邓 健，黄立文，赵 前，等.基于一、二维水动力耦合模拟的三峡库区溢油预测模型研究［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2011，35（40）：793－796.

［13］KOLLURNU V S.Lnfluence of number of spollets on spill model predictions［R］.Applied Science Assocites internal report，Narragansett，R1.1992.