赣江南昌段突发溢油事故影响预测及分析

2024-01-06沈越张健黄一

江西化工 2023年6期

沈越，张健，黄一

（1.江西省生态环境监测中心，江西南昌，330039；2.江西省生态环境科学研究与规划院，江西南昌，330039）

0 引言

赣江是江西省主要的河流运输通道，水路货运量较大。随着赣江新干至南昌段二级航道、区域内综合性水利枢纽、码头等工程建设的加快推进，如何协调赣江水生态环境安全与航运、水利发展成为当前的现实挑战。

溢油事故产生的石油类污染物会影响水环境质量，危害区域水生生态［1-4］。目前对于现有水文条件多变的尾闾河流溢油事故研究较少［5-7］，为了更好地应对突发溢油事故风险，需预判在不利水文及气象条件下的油膜分布位置和停留时间［8，9］，为内河溢油事故发生时的有效快速处置提供技术手段。本文在区域典型水文特征及气象条件下，采用 MIKE21 模型预测软件建立二维溢油扩散模型［10］，以预测船舶碰撞情况下油膜的可能影响范围［11］。预测研究结果可为内河溢油环境决策和应急处置提供技术支持。

1 模型计算原理

1.1 水动力基本方程

笛卡尔坐标系下二维水动力控制方程可用如下公式表示：

连续方程：

动量方程：

式中：t表示时间；x,y是笛卡尔坐标；η表示水位；h表示总水深；和表示水深平均的值；Q表示点源的排放量；ρ表示水的密度；f=2Ωsinφ表示Coriolis 因子（Ω 是地球自转的角速度，ϕ是地理纬度）；s xx,sxy和为radiation 应力张量；g表示重力加速度；pa表示大气压；ρ0表示水的相对密度；(u s,vs)表示外界排放到环境水体的速率。

横向应力Tij可用垂向流速平均的涡粘方程来计算：

1.2 溢油模型

1.2.1 输移过程

（1）扩展运动

式中Aoil为油膜面积，Aoil=π，Roil为油膜直径；t为时间；Ka为系数。油膜体积为：Voil=∙π∙hs。

初始油膜厚度：hs=10cm

（2）漂移运动

油粒子漂移的作用力是水流和风拽力，油粒子总漂移速度由以下权重公式计算：Utot=cw（z）·Uw+Us。

其中Uw为水面以上10m 处的风速；Us为表面流速；cw为风漂移系数，一般在0.03 和0.04 之间。

其中，V(z)为对数流速关系；z为水面以下深度；kn为Nikuradse 阻力系数；κ为冯卡门常数（0.42）；Uf

其中Vmean为平均流速。

（3）紊动扩散

其中，为-1 到1 的随机数，Dα为α方向上的扩散系数。

1.2.2 风化过程

1.2.2.1 蒸发

蒸发率可由下式表示：

式中，N为蒸发率；PSAT为蒸汽压；ke为物质输移系数；R为气体常数；ρ为油组分密度；T为温度；M为分子量；i为各种油组分。kei由下式估算：

其中，Sci为组分i 的蒸气Schmidts 数；k为蒸发系数。

1.2.2.2 乳化

（1）形成水包油乳化物过程

从油膜扩散到水体中的油分损失量计算：

其中，Da是进入到水体的分量；Db是进入到水体后没有返回的分量，公式如下：

其中，row为油-水界面张力；µoil为油的黏度。

（2）形成油包水乳化物过程

R1和R2分别为水的吸收速率和释出速率：

其中：K1、K2分别为吸收系数和释放系数；yw为实际含水率；为最大含水率；As为油中沥青含量（重量比）；Wax为油中总石蜡含量（重量比）。

1.2.2.3 溶解

溶解率用下式表示：

其中为组分i 的溶解度；为组分i 的摩尔分数；Mi为组分i的摩尔重量；Ksi为溶解传质系数，由下式估算：Ksi= 2.36·10-6ei。

2 模型构建

构建赣江二维非稳态水质模型，水下高程利用带有高程数据的GoogleEarth 地形图及樟树-吴城赣江实际地形图的地形数据。模型范围如图1 所示。

图1 赣江二维模型计算范围图

模型初始水位的设定为赣江平均水位值（来自水文年鉴）；模型上边界流量输入为樟树水文站逐日实测流量；模型下边界水位输入为吴城、蒋埠、楼前、滁槎水位站逐日实测水位；模型划分为8341 个三角计算网格；模型计算时间步长为Dt=600s，全年计算总时长为365 天。

3 研究区域概况及事故地点选择

本研究模拟范围为赣江南昌段市汊至下游赣江四支入鄱阳湖湖区，共计约101.2km 的赣江河段。河段内外洲水文站历年洪水最大流量为20400m3/s，历年枯水最小流量为172m3/s，多年平均流量为2114m3/s。河道中最大流速为18.3m/s，最小流速为0.12m/s，平均流速为0.4m/s。根据南昌市多年的气象统计资料，主导风向为西南风或东南风，冬季主要风向是北风或西北风。夏季平均风速为3.4m/s，冬季平均风速为4.2m/s。

因评价范围内规划实施的赣抚航道整治工程中市汊船闸改建和南昌水利枢纽的建设可能存在船舶碰撞溢油事故风险，所以设置市汊、扬子洲头、焦叽洲头及南昌水利枢纽规划建设区域为模拟溢油事故发生地，详见表1 所示。考虑出现最不利情况下的较大溢油事故，按照燃料油单舱全部泄漏考虑，即溢油源强最大为30t/次，泄露时间持续半小时。预测区域内涉及的饮用水源地见表2。在枯水期水文条件下，从环保最不利因素角度考虑，选取区域风向和风速5m/s 时溢油事故，分析船舶溢油事故发生后油膜的分布特征和到达时间。

表1 施工发生地对敏感点不利情况下的释放点信息表

表2 赣江饮用水源地信息表

4 模型参数率定

选取赣江丰城站、市汊站、外洲站、南昌站4 个水位站作为水动力参数率定点位。模型计算结果的水位绝对误差不超过20cm，率定得到赣江河道的糙率为0.037，风拖曳系数为0.001，因此本次所建模型能够较好地反映计算区域的水动力特征。

5 预测结果及分析

5.1 赣江主航道发生溢油事故对南昌城区段饮用水源地影响分析

根据模型计算结果，泄漏事故发生后油膜受水流及风速影响飘移，到达取水口时间、最大油膜厚度及在饮用水水源地一级保护区停留时间（油膜到达取水口上游1000 米至油膜完全离开取水口下游500 米）见表3。油膜到达各敏感目标时的扩散范围见图2。

表3 赣江施工期溢油事故发生后对敏感目标影响计算结果表

图2 赣江主航道事故点油膜扩散范围图

市汊位置发生溢油事故时，对下游冈上镇长湖村、昌南、红角洲、青云、朝阳、长堎/牛行这6 个水源地（1 个乡镇级5 个县级）产生了影响，影响下游最远处为长堎/牛行水源地（未到取水口），油膜最终消失在长堎/牛行水厂取水口上游约500 米处。由图2 可知，市汊位置发生溢油事故时，对下游冈上镇和昌南水源地产生影响；扬子洲头发生溢油事故时，对城北及双港水源地产生影响；焦叽头发生溢油事故时，对下游的黄渡村水源地产生影响。其中，由于城北及双港水源地距离扬子洲头较近，因此比其他水源地受影响程度大，油膜厚度达50~70mm，其他水源地受影响相对较小。