长江中游田家镇-龙坪河段突发溢油事故风险分析

吴 松，闵 洋，胡小燕

(长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430010)

1 研究背景

长江是中华民族的母亲河，拥有独特的生态系统，是我国重要的生态宝库，同时也是世界著名的黄金水道。目前，长江干流沿岸有近500个取水口；根据《长江流域及西南诸河水资源公报》[1]，长江流域2018年总用水量2 071.7亿m3，其中生活用水量328.3亿m3，占总用水量的15.8%。长江流域水生生境类型复杂多样，水生生物多样性极为丰富。据不完全统计[2]，长江流域已建立水生生物、内陆湿地自然保护区119处，其中国家级自然保护区19处，国家级水产种质资源保护区217处。自2005年以来，长江干线货运量已连续10多年稳居世界内河首位。2019年，长江干线货物通过量达29.3亿吨，同比增长8.9%。随着长江经济带发展的推动，长江船舶污染防治攻坚战全线打响，如何协调长江生态保护与航运发展成为我国面临的现实挑战。

统计长江海事局辖区2008～2015年安全状况通报，长江船舶事故总数呈下降趋势(船舶事故数量统计见图1)，其中碰撞、搁浅所占事故比例较高，约57%～73%。船舶碰撞、搁浅涉及的溢油污染具有突发性，极易造成水体污染，威胁下游生产生活日常取水和水生生物的正常繁衍[3～5]，严重危害区域生态环境、社会生产和经济发展。为了更好地应对突发溢油事故风险，模拟预测突发溢油的扩散漂移过程以及持续时间，在长江饮用水安全保障和生态环境保护方面尤显重要，可为应急决策、水源保护、污染消除及损害评估提供科学依据。

2 研究区概况

长江中流田家镇河段长约8.2km，自下巢湖至码头镇，该河段河床形态十分稳定，抗冲能力强，深泓一直贴近右岸下行。龙坪河段自码头镇至大树下，中段新洲汊道为鹅头型弯道，分汊前平面型态由窄逐渐展宽，汊道汇流后河道顺直，右岸侧有徐家湾边滩；总体而言，该河段左侧河床淤高、右侧深槽冲刷发展，主泓偏靠右岸，新洲汊道呈现左汊衰退右汊发展的态势。

长江中游田家镇-龙坪河段分布有长江江西段四大家鱼国家级水产种质资源保护区(简称“保护区”)以及多个集中式饮用水取水口等敏感目标，其位置概况见图2。长江江西段四大家鱼国家级水产种质资源保护区位于江西省九江市北部，自瑞昌市下巢湖至赤湖入江闸口止约26km的长江水域组成，分为核心区(754hm2)和实验区(1971 hm2)。此外，武穴市第一水厂、武穴市第二水厂、城子镇水厂、九江顺风水厂、瑞昌市润泉水厂、九江市第四水厂取水口分布于该河段两岸。

图2 研究区域示意图Fig.2 Sketch of the study region

3 MIKE21模型

本文采用丹麦水力研究院开发的MIKE21软件对长江中游田家镇、龙坪河段进行溢油模拟，建立该河段平面二维溢油模型，模拟丰水期和枯水期突发溢油事故，并分析不同风力条件下油膜的扩展、输移范围及其对下游造成的影响。软件包括水动力模块(HD)和溢油模块(OS)。

3.1 平面二维水动力模块(HD)

该模块控制方程是基于不可压缩和Reynolds值均布的Navier-Stokes方程，并遵从Boussinesq假设和静水压力假设，二维非恒定浅水方程组如下：

连续性方程：

(1)

X方向动量方程：

(2)

Y方向动量方程：

(3)

3.2 溢油模块(OS)

该模块通过众多单个油粒的集合来描述溢油。油粒子的输移包括了扩展、漂移、扩散等过程，这些过程是油粒子位置发生变化的主要原因，而油粒子的组分在这些过程中不发生变化。

油膜扩展方程：

(4)

漂移运动方程：

Up=Uc+Cw·Uw·sin(θ-π+θw)

(5)

Vp=Vc+Cw·Uw·cos(θ-π+θw)

(6)

式中，Up、Vp分别为油粒子在x、y方向的对流移动速度；Uc、Vc分别为水体表面在x、y方向的流速；Uw为水面上10m处的风速；Cw为风漂移系数；θ、θw分别为风向角和风偏转角。

扩散方程：

(7)

式中，Sα为在方向上的一个时间步长内可能扩散走动的距离，Dα为α方向上的扩散系数，R为-1到1的随机数。

此外，伴随着蒸发、乳化、生物降解、光氧化等过程[6]。其中，溢油蒸发方程为：

(8)

3.3 模型参数选取

按照溢油漂移扩展、蒸发乳化等过程，溢油模块中常见参数包括油最大含水率Fwc、横向扩散系数Dα、乳化率常数C3、蒸发系数α等参数。参照相关研究[7]，结合所在水域特点，各参数取值详见表1。

表1 相关参数取值表Tab.1 Value of related parameters

4 模型率定及验证

本江段水动力模型上边界采用上游武汉站实测流量，下边界为下游九江站水位。根据2015年1月12日～2015年1月16日武穴站水位监测资料，对本江段平面二维水动力模型进行率定，同时使用2015年9月12日～2015年9月16日武穴站水位资料进行验证。

武穴站水位率定、验证结果如图3、图4所示。根据率定得到的糙率系数为0.023～0.028，由率定结果可以看出，二维模型预测结果中水位绝对误差最大为0.012m。

图3 武穴站水位率定结果Fig.3 Water level calibration results of Wuxue hydrological station

图4 武穴站水位验证结果Fig.4 Water level verification results of Wuxue hydrological station

通过水位验证，预测水位与实测值吻合较好，两者绝对误差最大为0.23m，误差基本满足要求。上述验证成果表明，水动力模型参数设置合理，模型适用性较好，能够模拟本江段水流特性。

5 边界条件

根据船舶油污染事故中货船一般事故划分依据[8]，拟设计溢油点位置为保护区上边界中心处(该处南岸有一码头，存在船舶事故引发的突发溢油风险)，突发溢油量为5t，分别模拟枯期和汛期条件下的突发溢油事故情形。

风力条件是溢油事故中常见影响因子，应予以考虑[9]。根据武穴气象站资料统计，多年平均风速为2.3m/s，全年多东风和东南风。一般年份，1～8月东风最多，9月份西北风和西风渐盛，10～11月以西北风和西风为主，12月西北风和西风减少，东风和东南风增多。

采用三峡水库蓄水后，2003～2015年1月(枯期)、9月(汛期)汉口水文站的月均流量作为设计水文条件，分别为10 400 m3/s、30 900 m3/s；相应主导风向为E、NW，风速为2.3m/s。参照九江水文站水位资料，模型对应下游水位为7.5m、14.5m。

6 预测结果及分析

6.1 枯期

枯期田家镇-龙坪河段突发溢油的模拟结果如图5所示，枯期溢油事故污染统计见表2。在静风条件下，溢油事故发生于保护区上缘，溢油基本维持油膜聚集状态，初始最大油膜厚度为242.4μm，沿河道右岸向下游漂移，距离武穴市第一水产、第二水厂取水口横向最近距离约520m；溢油事故发生8h后，油膜前锋漂移至保护区核心区，此时油膜最大厚度约为0.75μm，对四大家鱼、长吻鮠、鲶等保护对象产生不利影响；溢油事故发生24h后，油膜抵达新洲右汊后，受水流条件影响，油膜破碎进而继续扩散，此时最大厚度约为1.18μm；溢油事故发生34h后，油膜漂移出保护区下缘，布满整个河段；溢油事故发生39h后，破碎油膜漂移出田家镇-龙坪河段。

在枯期主导风向条件下，溢油油膜漂移规律基本与静风条件一致，仅油膜后缘形态略有差异；对比相同时刻的油膜形态，油膜漂移扩展范围基本一致。预测结果表明，田家镇-龙坪河段枯期突发溢油漂移扩展过程受风力条件影响有限；相比静风条件，城子镇水厂、九江顺风水厂、瑞昌市润泉水厂及九江市第四水厂取水口仅最大油膜厚度略有差异。

表2 枯期溢油事故溢油事故污染统计Tab.2 Pollution statistics of oil spill accident in dry period

续表2

图5 溢油5t后油膜厚度分布图Fig.5 Oil film thickness distribution at 8h, 16h, 24h and 34h after 5t oil spill

6.2 汛期

汛期田家镇-龙坪河段突发溢油的模拟结果如图6所示，汛期溢油事故污染统计见表3。在静风条件下，溢油事故发生于保护区上缘，初始最大油膜厚度为242.4μm，溢油短暂维持油膜聚集状态，沿河道右岸向下游；溢油事故发生4h后，溢油进入保护区核心区，此时油膜已破碎进而继续扩展，油膜最大厚度约为0.637μm，距离武穴市第一水厂、第二水厂取水口横向最近距离约520m；溢油事故发生12h后，油膜抵达新洲右汊后，油膜前锋仍处于聚集状态，最大油膜厚度0.798nm，仅尾缘呈破碎状态；溢油事故发生16h后，油膜前锋略有破碎，油膜中心仍呈聚集状态，最大油膜厚度0.884μm；溢油事故发生19h后，破碎油膜漂移出田家镇-龙坪河段。受汛期大流量条件影响，溢油进入新洲汊道后，漂移轨迹随水流方向由河道右岸移至河道中心，城子镇水厂、九江顺风水厂、瑞昌市润泉水厂及九江市第四水厂取水口临近岸边，未受溢油事故影响。

在汛期主导风向条件下，溢油油膜漂移轨迹及扩展范围基本与静风条件一致，表明该河段汛期突发溢油主要受河道水力条件影响。

表3 汛期溢油事故污染统计Tab.3 Pollution statistics of oil spill accidents in flood

图6 溢油5t后油膜厚度分布图Fig.6 Oil film thickness distribution at4h, 8h, 12h and 16h after 5t oil spill

7 结 语

通过对长江中游田家镇-龙坪河段突发溢油事故的模拟，研究了汛期和枯期油膜漂移扩展特点，可为该河段突发溢油污染应急预案和事故处理提供依据。溢油漂移扩展过程主要受水力条件影响；风力条件未明显增加突发溢油的扩展尺度，基本未对溢油漂移扩展过程产生影响。在主导风向和静风条件下，枯期突发溢油在进入新洲汊道前油膜主要沿河道右岸漂移，基本未对左岸武穴市第一水厂、第二水厂取水口产生影响，但会对右岸长江江西段四大家鱼国家级水产种质资源保护区和右岸城子镇水厂、九江顺风水厂、瑞昌市润泉水厂、九江市第四水厂取水口造成油污染。

枯期该河段油膜漂移速度较缓，油膜厚度较薄，但油膜面积较大、在水域停留时间较长；该河段风力条件对油膜漂移扩展过程影响有限。当地应加强备用水源地建设，如遇枯期突发溢油事故，及时启用备用水源并适当延长备用水源取用时间，同时借助下游九江港应急溢油物资，采取拦截、抽取措施，限制油膜的扩散面积，减少其危害。汛期油膜漂移速度相对较快，油膜面积较小、厚度较厚，但抵达下游敏感目标时间较快。针对该情况，应加强事故预警机制，及时启动事故响应，提前在相应水域做好油污拦截清理准备，减小溢油事故造成的损失。