可溶性液体化学品泄漏对水环境影响的数值模拟应用

彭 超

（湖南葆华环保有限公司，湖南 长沙 410007）

0 引言

随着我国经济持续快速地发展，液体化学品的需求量日益增大。由于液化产品供需的地理位置不平衡，液体化学品以专用船舶散装运输，因其具有运量大、中间环节少、周转快、包装节省、运输费用低、货物损失少等优点，使其成为地区之间液化产品运输的主要方式，并呈现出逐年增长的快速发展趋势。我国的液化产品码头多离水源保护区较近，一旦由于不可抗力作用、设备故障、操作者疏忽、船舶灾难等因素造成泄漏，就可能引起对水源地的污染事故，威胁城镇居民的供水安全[1-2]。

国内外在海洋区域及河口区域的液化泄漏行为归宿数值模拟研究较多[3]，但针对狭长形的内陆河道液化数值模拟方面的研究却鲜有报道。本文以长江扬中段发生可溶性化学品（甲乙酮）泄漏事故为例，针对水动力采用三维水流水质模型，模拟可溶性污染物对下游水环境的影响。

1 典型案例泄漏污染源源强识别

拟建码头位于江苏省扬州市，前沿天然水深好、江面宽阔，具有良好的建港条件。拟利用本项目岸线规划建设1个成品油集散中心和1个化工品集散交易中心。本工程年设计吞吐量为1 271.45万吨，主要进行成品油、液体化工品和固体化工品的装卸。拟建设2座4万吨级杂货泊位、1座3万吨级油化泊位、2座1千吨级油化泊位、8座500吨级油化泊位、2座3万吨级液化泊位（其中1座预留，利用已建原料1号、2号码头）、5座500吨级杂货泊位。

本码头工程建成后运输液体化工物料代表船型以10 000 DWT居多；油品吞吐量相对较大，以大型船舶为主，按最大50 000 DWT考虑。根据《石油化工码头装卸工艺设计规范》（JTS165-8—2007），10 000 DWT船型货油泵参数为500 m3/h，50 000 DWT船型货油泵参数为1 200～1 500 m3/h（按1 350 m3/h计）。

2 非稳态三维水动力及水质方程

本次主要模拟对象是长江扬中段液体化学品码头泄漏对下游水厂取水口影响，因为要考虑取水口设置高度问题，故采用非稳态三维水流模型模拟长江扬中段的潮流特性，采用非稳态三维水质模型模拟可溶性液体化学品泄漏后污染分布情况。

2.1 水动力方程

结合笛卡尔坐标系，给出描述天然水域的三维水流运动的基本控制方程组。

状态方程（基于流体不可压缩，根据UNESCO公式得到）：

在深度为z处的压强可以通过对方程沿垂向积分得到：

方程变为：

其中：

式中：u、v、w分别为坐标x、y、z方向上的流速分量；ρ0为水流参考密度；ρ为液体密度；p为压强；f为柯氏参数，f= 2ΩsinØ，Ω= 2π/86 184为地球自转频率，Ø为当地纬度；g为重力加速度；vz为垂向涡粘系数；us、vs为源项排放速度在x、y方向上的流速分量；S为源项排放量；AM为水平涡粘系数[4]。

（1）水平紊动粘滞系数

水平方向上紊动粘滞系数采用Smagorinsky亚网格尺度紊动模型计算，该方程的解在模型中会被自动调用：

（2）垂向紊动粘滞系数

垂向紊动粘滞系数通过Kolmogorov-Prandl（柯莫哥洛夫-普朗特）求解，即：

式中：Cμ为经验常数，取值为0.09；k为紊动动能；ε为紊动动能耗散率。其中k和ε可以通过求解k-ε方程可以得到。

2.2 可溶性液体化学品扩散方程

式中：S为污染物浓度；t为时间坐标；u、v、w分别为纵向、横向、垂向速度；Ex、Ey、Ez分别为横向、纵向、垂向扩散系数；K为自净系数；S为污染物源强。

2.3 参数选取、率定及验证

文中建立的非稳态三维水动力水质扩散模型在长江小河口段至十二圩段已取得了很好的验证[5]，表明本次采用的模型模拟较为准确可靠。式中Ex=6.0 hU°，Ey = 0.5 hU°，Ez = 0.065 hU°，其中U°为摩阻流速。为了使甲乙酮模拟结果偏安全，不考虑甲乙酮自身降解，取K = 0。

2.4 边界条件

开边界：以大通水文站最枯月平均流量7 580 m3/s作为上边界条件；以平均水位作为下边界条件。

2.5 网格剖分

采用无结构三角网格划分计算区域，平面共布置2 322个节点，4 210个网格单元。垂向上采用等距离分层进行剖分，共分为10层，排口位置设在水体表层，新建取水口根据其高程，设在第3层。

图1 计算水域网格划分Fig.1 Computational water grid division

3 模拟工况

本次风险评估对距离拟建码头下游3 030 m处的魏村水厂（以下简称水厂）新建取水口进行评估，分析拟建液体化学品码头可溶性化学品泄漏对下游水厂取水头部口的影响，风险排放评价的可溶性污染物以甲乙酮为例，模拟排放持续时间为30 s，排放的污染物量为4.17 m3，装卸货种物料泄漏量见表1。

表1 码头事故泄漏量计算Tab.1 Calculation of accident leakage of wharf

目前在我国地表水水质标准中，尚未将甲乙酮作为识别因子。本次预测采用前苏联《生活饮用水和娱乐用水水体中有害物质的最大允许浓标准》中甲乙酮的限值1.0 mg/L。

4 预测结果分析与评价

4.1 污染带分析

表层的甲乙酮在事故发生32 min后超标（浓度＞1.0 mg/L）面积最大。甲乙酮超标面积最大时污染带包络线统计几何参数见表2。事故32 min后甲乙酮超标范围见图2。

表2 污染物最大超标范围包络线几何参数Tab.2 Geometric parameters of envelope of maximum exceeding standard range of pollutants

图2 事故32 min后甲乙酮超标范围图Fig.2 The exceeded standard range diagram of methyl ethyl ketone 32 minutes after the accident

由表2可知，甲乙酮增量大于1.0 mg/L的纵向分布范围为591 m，宽度为384 m，影响范围相对较小。

4.2 取水口沿线典型时刻污染物浓度立面分布

图3为事故泄露发生后300 min、420 min时刻甲乙酮浓度在纵立面图上的分布，甲乙酮在取水口垂线处浓度满足相应的水质标准。

图3 水厂取水口沿线甲乙酮浓度变化剖面图Fig.3 Profile of methyl ethyl ketone concentration change along water intake of waterworks

模拟结果显示，沿着水流方向，随着污水团不断向下游迁移，污水团中心可溶性污染物浓度沿流程逐渐减小。同一断面处的纵剖面的浓度变化呈现出一个典型的非稳态变化过程，即经历了从无影响→受到影响→影响增加→达到峰值→逐步衰减→影响消失的过程。

4.3 事故泄漏对取水口横断面水质的影响

重点分析事故排放对水厂新建取水口的影响。水厂新建取水口位于码头下沿下游3 030 m，距岸边260 m，拟定取水头部高程为-15 m。泄漏事故发生289 min后，水厂新建取水口处表层甲乙酮的浓度达到最大，由于底层流速小于表层流速，取水口部污染物浓度达到最大值的时间比表层晚12 min。取水口垂线处甲乙酮最大浓度为0.113 mg/L，取水口断面甲乙酮浓度满足相应水质标准（1.0 mg/L）要求。图4为事故排放后289 min（污水团中心到达取水口表层）取水口纵剖面甲乙酮的浓度分布图。

图4 事故排放后289 min取水口横断面甲乙酮浓度分布Fig.4 Concentration distribution of methyl ethyl ketone in cross section of water intake 289 minutes after discharge accident

5 结论及展望

本文利用三角形网格法，建立了三维水动力和可溶性污染物输运数学模型，采用无结构三角形网格划分计算区域，以江苏省扬中市某拟建化学品码头为研究案例，确定装卸泄漏的污染物源强，建立三维水动力模型、三维可溶污染物扩散模型，模拟泄漏事故发生后对下游取水口造成的水环境影响。此外，本文还模拟出污染团中心达到取水口位置的时间，为发生泄漏后下游取水口应急预案的制定提供技术依据。