重慶主城區江段溢油模型及數值試驗研究＊

張 帆 黃立文 鄧 健 王 祥

(武漢理工大學航運學院1) 武漢430063) (長江海事局2) 武漢 430016)

0 引 言

三峽成庫后,水流明顯趨緩,橫向擴散系數降低,污染帶加寬,水體稀釋自凈能力大大減弱,三峽庫區的污染問題引起各方面的廣泛關注.同時,隨著航道條件的改善,三峽庫區船舶數量增多,油品運量逐年增長.因船舶操作不當、碼頭裝卸操作不當和水上交通事故造成的溢油風險增大.

溢油數值模擬能夠預測溢油在漂移過程中的行為狀態及歸宿,為應急決策評估提供依據,是應急決策中的重要組成部分.本文在對三峽庫區重慶主城區江段水動力數值模擬的基礎上,研究了船用柴油泄漏后的行為與歸宿,并結合溢油模擬結果提出相應的溢油應急對策,以期為重慶主城區江段溢油事故的防污應急及清污工作提供決策支持.

1 三峽庫區主城區江段水動力數值模擬

1.1 控制方程

本研究采用荷蘭 Delft水力研究所的Delft3D數學模型進行區域河流的數值模擬[1].模型的控制方程如下.

沿水深積分的連續方程為

ξ和η方向的動量方程為

1.2 水動力模擬計算范圍及計算條件

重慶城區江段包括長江干流和支流嘉陵江其走勢見圖1.本次數學模型計算范圍長江上邊界為九龍坡-(長江上游航道里程672 km)斷面,下邊界為銅鑼峽-(長江上游航道里程643 km)斷面,嘉陵江取黃花園大橋斷面,計算區域內河道總長約30 km.模型計算采用正交曲線網格進行概化,它可較好地擬合邊界,提高計算精度.模型計算地形采用2007年12月陸上電子平板測圖和水下數字化測圖,由原始的實測點數據在網格點上插值獲得,在原始樣點數據較多、密度較大的區域采用平均插值法,在原始數據相對較少的區域采用三角插值.對計算區域內灘地干濕過程,采用干濕網格判別法處理,即當某點水深小于一淺水深0.005 m時,令該處流速為零,灘地干出,當該處水深大于0.01 m時,參與計算,江水上灘.

圖1 重慶市主城區江段走勢圖

2 溢油模型

本研究主要考慮了溢油擴展、溢油蒸發和岸壁吸附3個過程,其分別采用的參數化模型如下.

2.1 溢油擴展過程

油膜的擴展過程采用Lehr提出的油膜橢圓擴展模型[2]進行計算.油膜橢圓擴展模型考慮了流場及風場對油膜擴散的影響,認為油膜成橢圓形擴展,橢圓長軸在風和流場的合成方向上.

式中：S為油膜在時間步長Δt的位移;S0為溢油位置;v為油膜漂移速度;vc,vw分別為水體表面流速和風速;α為風因子,一般取0.02～0.03.

2.2 溢油蒸發過程

溢油蒸發過程用Stiver&Mackay(1984)式計算[3]：

2.3 岸線吸附過程

當油膜抵達岸邊,岸線對油膜進行吸附和解吸.模型對不同岸線設定不同的吸附概率[4]計算油膜被岸線的吸附量.

3 溢油數值模擬試驗

油膜在河流中的行為和歸宿受到溢油的位置、溢油量的大小、油品自身的理化特性、河道水流和風等多因素的影響,會發生復雜的漂移、風化等過程[4].

3.1 溢油模擬試驗方案設計

為檢驗溢油模型的效果,本文針對與船舶發生操作性溢油和事故性溢油兩大類情況進行了模擬研究[5-6],由于目前原油運輸主要經管道運輸,所以目前溢油的品種主要考慮船用柴油.設計4種模擬試驗方案見表1(風向N,風速2 m/s).

3.2 水動力場模擬結果分析

試驗方案1模擬流場見圖2.由圖2可見,在該試驗方案條件下重慶主城區江段河流呈天然狀態,其中上游江段由于九坑子和珊瑚壩的作用,局部流速較大,達1 m/s以上,最大流速2.1 m/s.其他水域流速一般較小,兩江匯流水域及朝天門以下江段流速最大流速均低于0.8 m/s,平均流速在0.2～0.4 m/s之間.重慶江段計算區域局部流場見圖3～9.

表1 溢油模擬試驗方案

圖2 方案1模擬流場

圖3 方案3模擬流場

圖4 方案1溢油運動軌跡(4 h后)

圖5 方案2溢油運動軌跡(4 h后)

圖6 方案3溢油運動軌跡(4 h后)

圖7 方案4溢油運動 軌跡(4 h后)

由圖3可見,在該試驗方案3條件下寸灘水位達174.08m,重慶主城區河道寬度加寬,河道主槽內流速一般約3.5 m/s,其中上游江段河道主槽流速較大,這是由于7、8月份長江上游來水量大,重慶主城區江段此時處于天然河道狀態.由于嘉陵江來水量較大,兩江匯流后朝天門以下江段流速增大.

3.3 數值試驗溢油模擬效果分析

對于試驗結果分析后得出以下結論.

1)泄漏油品存在時間分析 航道中的溢油,泄漏后溢油主要沿河道中主流流向運動,不同流速對重慶段輕質汽油的蒸發有一定的影響,但影響不大,一般蒸發時間約為2～3 h.

2)泄漏油品污染面積及污染帶長度分析航道中發生溢油事故后,其溢油運動距離與水流流速直接相關.重慶段上游屬于三峽庫區自然航段,除枯水期外流速一般較大,隨著長江上游來流的增大,油膜運動距離增大,污染范圍擴大.從上述模擬結果來看枯水期流速較緩時發生溢油事故其水上運動距離為6 km,當流速較大時其水上運動距離為20 km(從長江上游航道里程674 km運動到長江上游航道里程645 km處僅需2.5 h).

圖8 方案1溢油歸宿

圖9 方案4溢油歸宿

4 結束語

在DELFT的水動力模型和相關溢油漂移擴散模型基礎上,建立了三峽庫區重慶主城區段溢油模型,通過對與不同水位條件下、不同泄露地點和不同泄露量的數值模擬試驗,表明模型能夠適用于三峽庫區山區河段的溢油數值模擬,其結果分析對于溢油污染的防治也有良好的指導意義.

[1]Hamrick J M.A three-dimensional environmental fluid dynamics computer code：theoretical and computational aspects[R].Special Report No.317 in Applied Marine Science and Ocean Engineering,1992.

[2]Lehr W J,Cekirge H M,Fraga R J.Empirical studies of the spreading of oil spills[J].Oil and Petrochemical Pollution,1984(2)：7-12.

[3]Stiver W,MacKay D.Evaporation rate of spills of hydrocarbons and petroleum mixtures[J].Environmental Science and Technology,1984,18(11)：834-840.

[4] Shen H T,Yapa P D.Oil slick transport in rivers [J].Journal of Hydraulic Engineering,1988(14)：529-542.

[5]俞濟清,魏 敏,黃立文.中國舟山港溢油模擬信息系統研制[J].武漢理工大學學報：交通科學與工程版,2002,26(4)：39-41.

[6]婁安剛,王學昌,孫長青.膠州灣海面溢油軌跡的數值模擬[J].黃渤海海洋,2001,19(1)：1-8.