嘉兴河网溢油事故对敏感目标影响风险预测

徐 倩，逄 勇,2，宋为威

（1.河海大学 环境学院，江苏 南京 210098；2.河海大学 浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏 南京 210098；3.河海大学 水文水资源学院，江苏 南京 210098）

0 引言

石油是世界用量最大的油品，随着经济快速发展，石油能源需求进一步增加。水运在石油物资运输中占据绝对比重，其中内河航运是石油运输中重要的运输方式[1]。近年来，我国大力整治河道，开发内河航运，内河水运事业迅速发展，通航里程约11 万km[2-3]。在经济发展过程中，内河溢油污染问题也日益突显。溢油事故一旦发生，便会对河道水环境造成严重污染，甚至危害水源地用水安全及人类健康[4－5]。

一直以来溢油问题的研究重点主要是海上溢油，针对内河溢油问题的研究相对较少[6]。例如，陈家兴等[7]将水动力模型RMA2 和GNOME 结合，并引入GIS，模拟研究了三峡库区轻油泄漏后的漂移、扩散过程；王琰等[8]考虑到蒸发、溶解、生物降解效应，对现有油粒子模型进行了修正；田威等[9]建立EFDC模型，结合拉格朗日质点追踪法，对长江下游靖江感潮江段油膜漂移行为进行了预测；蒋文燕[10]建立了三维河道溢油数学模型并给出了解析解；钱琴等[11]采用EFDC模型和GNOME模型对湄洲湾溢油漂移扩散过程进行了数值模拟研究。可见以往河道溢油问题研究对象主要是大江大河，针对复杂河网溢油问题的研究相对少见。

本文以嘉兴内河港口建设为背景，通过建立河网水动力、水质数学模型及油粒子模型，引入石油垂直分布系数加以订正，对嘉兴内河航道运营期最不利条件下的船舶碰撞溢油事故进行模拟预测，为复杂河网条件下溢油突发事故防治提供科学依据。

1 研究区域概况

嘉兴市位于浙江省东北部、长江三角洲杭嘉湖平原腹地，北纬30°21′～31°2′、东经120°18′～121°16′之间，属于平原感潮河网区，塘浦河渠纵横密布，受季风和潮汐影响显著，存在往复流现象。全市河道长1.38 万km，河湖面积312 km2，平均河网率达到8.9%，是全国内河航运最发达的地区之一[12－13]。嘉兴河网区地理位置及规划码头、敏感目标（10 处取水口）分布示意见图1。

图1 嘉兴河网区地理位置及规划码头、敏感目标分布示意

2 研究方法

嘉兴河网区位于杭嘉湖平原，平原河网区水系复杂且相互联通，本文选取杭嘉湖平原河网模型对研究区域进行模拟。按照船舶碰撞事故溢油考虑，预测因子为船舶燃料油（柴油），根据河网水环境数学模型计算得出嘉兴区域流场，采用油粒子漂移到达敏感目标时间的计算模型得到溢油到达时间，并参考逄勇等[14]对太湖流域河网区石油类的浓度预测，采用石油垂直分布系数订正，预测得到下游断面石油浓度。

2.1 河网模型水动力方程

（1）水动力模型基本方程

水动力模型基本方程为描述河道水流运动的圣维南方程组：式中：B，Z，Q，A 分别为河宽、水位、河道断面流量和过水面积；q为旁侧入流流量；α为动量校正系数；K为流量模数；Vx为旁侧入流流速在水流方向上的分量，一般近似为0。

（2）水质模型基本方程

模型采用一维河流水质模型，该模型的基本方程为：

式中：C为模拟物质的浓度；t为时间坐标；u为河流平均流速；x为空间坐标；Ex为对流扩散系数；K为模拟物质的一级衰减系数。石油类降解系数取最不利值0 d－1。

对流扩散系数采用经验公式进行估算：

式中：a 和b是设定的参数；V为水动力计算得到的流速。

2.2 河网模型建立及率定验证

根据杭嘉湖平原河网区地形地貌水系资料，对河网区进行概化，模型共概化392条河道，47 个边界，总长约2 568 km，河道断面间距（计算水位点）为2 200～10 000 m，模型计算节点总数约1 489 个。杭嘉湖平原河网模型概化示意见图2。

图2 杭嘉湖平原河网模型概化示意

2.2.1 水动力模型参数率定验证

根据杭嘉湖平原区各水位站2017年逐日水位数据，验证模型水动力参数，得出河道糙率为0.027～0.032。根据模型验证计算得到的部分点位水位误差分析结果可知：水位平均绝对误差为8.7 cm，平均相对误差为2.8%。计算值与实测值误差较小，所建模型能够较为准确模拟杭嘉湖地区内河水系水文变化过程。杭嘉湖平原河网区部分断面水位实测值与模型参数验证过程计算值对比见图3。

图3 杭嘉湖平原河网区部分断面水位实测值与模型参数验证过程计算值对比

2.2.2 水质模型参数率定验证

利用浙江省地表水水质自动监测站2017年杭嘉湖3 市水质监测数据，计算部分点位的COD，NH3－N，TP 计算值与实测值，结果见图4～图6。模型计算值与实测值误差在20%以内，吻合结果较好。验证得到COD，NH3－N，TP 降解系数分别为0.09～0.13 d－1，0.04～0.07 d－1，0.045 d－1。

2.3 河网溢油计算方法

图4 部分断面COD 实测值与计算值对比

图5 部分断面NH3-N 实测值与计算值对比

图6 部分断面TP 实测值与计算值对比

2.3.1 油粒子漂移到达敏感目标时间的计算方法

根据河网水环境数学模型计算得出嘉兴区域流场，在一维河网模型中加入油粒子模块耦合，其原理公式如下：

利用粒子迁移扩散距离公式（式4），同时考虑风向、风速影响对流速进行订正（式5）：

式中：L为油粒子迁移距离；Uτ为粒子迁移速度；t为油粒子扩散时间；Uc为河流流速；UW为风速；α为风因子，一般取0.02～0.03。

设油膜上自ti时刻到ti+1= （ti+△t）时刻的位移可由积分拉格朗日速度求得：

设在△t 时段内用欧拉漂移速度Uτ代替拉格朗日速度UL，用上式求出τi的近似值。考虑风场和河流流场的连续变化，当△t 够小时，t(ti＜t ≤ti+1)时刻质点在x（t），y（t）处的拉格朗日速度可用ti时刻x（t），y（t）位置上的欧拉漂移速度的泰勒级数逼近，即：

若上式中△τ 取如下近似值：

2.3.2 油粒子漂移到达敏感目标浓度的订正方法

在一维非稳态水环境数学模型的基础上，参考逄勇等[14]对太湖流域河网区石油类的浓度预测，对溢油表层浓度采用石油垂直分布系数订正，预测得到敏感目标处石油平均浓度。式中：C为水体平均油浓度；Z0为水面处深度；C0为Z0处的浓度；Z1为断面水深；α为水体垂直混合作用系数，内河取2.4 m－1。如嘉兴河网区平均水深取2.5 m，则C=0.14 C0，即石油垂直分布系数为0.14。

2.3.3 溢油点及溢油量确定

本文通过模拟最不利情况下，码头船舶碰撞导致的燃料油泄露事故，预测溢油对水源地取水口水质的影响。溢油源强按单舱燃油100%泄露考虑。

根据港口规划预测，码头最大船舶为1 000 吨级，总吨位为5 000 t，根据我国船舶吨位与燃油量关系，最大载油量为400 t，燃油实载率为10%～20%。船舶燃油舱按4 个计，船舶单舱载油量为10 t/次。

本次选取距离新塍塘水源地取水口较近的服务区；由于广陈塘、太浦河水源地取水口附近没有规划码头，故不设置溢油点。本次共选取8 处溢油点，具体位置见图7。

图7 溢油点及敏感目标位置分布示意

2.3.4 溢油风险预测方案

从偏安全的角度，采用90%保证率下最枯月日均流量作为设计流量[15]。根据1954～2013年共60 a的年降水量资料进行频率分析，确定1971年的枯水月保证率为90%。根据嘉兴内河港各溢油点位置及事故溢油量，最不利风向选取为与水流流速同方向，得出最不利条件下溢油事故计算方案，见表1。

表1 最不利水文条件下溢油事故计算方案

3 预测结果与讨论

3.1 溢油预测结果

本次模拟主要预测航道运营期嘉兴内河船舶碰撞造成的溢油风险，旨在研究最不利情况下溢油事故发生后对平原河网区的污染影响，包括最快到达时间、到达浓度及持续影响时间等，并提出有效防治措施。根据GB 3838—2002《地表水环境质量标准》，饮用水水源地石油类最高质量浓度限值为0.05 mg/L，高于0.05 mg/L 即认为该敏感目标水体饮用水功能受到污染。具体模拟结果见表2 和表3。

表2 方案1～4 油粒子最快到达时间、到达质量浓度及持续影响时间

表3 方案5～8 油粒子最快到达时间、到达质量浓度及持续影响时间

3.2 预测结果分析

根据表1溢油事故计算方案及预测结果，可知溢油主要影响河道为新塍塘、京杭古运河、长水塘、千亩荡和海盐塘等。

（1）新塍塘溢油结果分析

分析预测结果可知，方案1～4，7 情况下溢油均会对新塍塘水源地取水口造成污染。其中方案2 秀湖站发生溢油事故的情况下，油粒子会直接进入新塍塘，并在1.7 h 后到达取水口，最初到达质量浓度为0.31 mg/L，超标高达5.2倍，持续影响时间长达5 d，影响较为严重；应在1.7 h 内采取应急措施，可供准备的时间较短，操作难度较大，建议在取水口附近建设小型溢油事故应急设备库，并配备事故监测、溢油围控、回收及清运等设备。方案1，7 溢油经过京杭古运河进入新塍塘，方案3，4 溢油经长水塘进入新塍塘。其中方案1 溢油点距离新塍塘取水口距离最近，经11.4 h 到达取水口，最初到达质量浓度为0.09 mg/L，持续影响时间为4 d。由于京杭古运河与新塍塘交汇处存在众多河道，溢油一旦扩散将大大增加处理难度，应在溢油到达众多河道交汇处之前进行拦截处理。

（2）京杭古运河溢油结果分析

方案7 情况下，溢油直接进入京杭古运河，并在9.5 h 后到达运河水源地取水口，最初到达质量浓度为0.29 mg/L，超标4.8倍，持续影响时间为3 d。由于京杭古运河支流众多，溢油影响范围较广，应尽早采取措施，避免溢油进入支流。由于方案7 距离最近的北永兴港支流仅有200 m，且河道存在往复流现象，若无法在溢油到达支流之前处理完善，应在南北两条支流及河流东西侧分别进行拦截处理。

（3）长水塘溢油结果分析

长水塘存在2 个取水口，分别为长水塘和长山河取水口。方案3～5 情况下溢油，直接进入新塍塘，对2 处取水口造成污染。方案3，4 情况下溢油分别在1.8，1.6 h 后到达长水塘取水口，最初到达质量浓度分别为0.34，0.36 mg/L，超标分别高达5.8，6.2倍，持续影响时间长达5 d。方案5 情况下溢油分别在7.9，2.8 h 后到达长水塘、长山河取水口，最初到达质量浓度分别为0.07，0.08 mg/L，分别超标为0.4，0.6倍，持续影响时间为3 d。方案5 情况下溢油事故涉及取水口众多，会对千亩荡、海盐塘、长水塘、长山河取水口造成污染，因此方案5 情况下应在溢油点南北侧及东侧分别进行拦截处理，防止溢油对4 处取水口造成严重污染。

（4）千亩荡、海盐塘溢油结果分析

方案5，6 情况下，溢油会对千亩荡、海盐塘取水口造成污染。方案6 情况下溢油在1.7 h 后到达千亩荡取水口，最初到达质量浓度为0.44 mg/L，超标高达7.8倍，持续影响时间为5 d；在10.8 h 后到达海盐塘取水口，最初到达质量浓度为0.29 mg/L，超标4.8倍，持续影响时间为5 d。方案5 情况下溢油将在48 h 内到达千亩荡、海盐塘取水口，最初到达质量浓度分别为0.28，0.11 mg/L，分别超标4.6，1.2倍，分别持续影响时间为5，3 d。

千亩荡、海盐塘下游支流众多，溢油影响范围较广，应尽早采取措施，避免溢油进入支流。方案6 溢油点附近存在千亩荡、海盐塘2 处水源地取水口，且距离较近，溢油浓度较高，需在溢油到达前进行拦截处理。方案5 情况下溢油事故涉及取水口较多，且溢油对千亩荡、海盐塘取水口影响较长水塘、长山河取水口更为严重，因此方案5 情况下应在溢油点附近分别进行及时拦截处理，防止溢油对多处取水口造成严重污染。

4 结论

本文以嘉兴河网区域建设为例，研究航道运营期潜在的溢油风险，预测溢油到达敏感目标的时间、浓度及持续影响时间，分析溢油污染对水源地取水口影响程度，判断突发溢油事故处理的预留时间。得出结论如下：

（1）溢油预测结果表明，嘉兴河网地区存在往复流现现象，溢油随水流方向在河网中往复漂移。

（2）方案6 情况下秀湖站发生溢油事故时，时间最短（1.7 h），质量浓度最高达0.44 mg/L，持续影响时间长达5 d；方案5 情况下欤城作业区发生溢油事故时影响范围最广，将对长山河、长水塘、千亩荡、海盐塘4 处取水口造成污染。

（3）枯水期为嘉兴河网溢油事故发生时最不利条件，为保障饮水安全应限制通航吨位及通航时间，建立应急设备库。