京杭運河蘇北段溢油擴散數值模擬研究

齊慶輝，東培華，曲紅玲，熊偉

（江蘇省交通規劃設計院股份有限公司江蘇省水運工程技術研究中心，南京210014）

京杭運河蘇北段溢油擴散數值模擬研究

齊慶輝，東培華，曲紅玲，熊偉

（江蘇省交通規劃設計院股份有限公司江蘇省水運工程技術研究中心，南京210014）

基于Mike21/3SA模塊建立京杭運河蘇北段溢油擴散數學模型，預測溢油突發事故油膜漂移軌跡和擴散范圍。研究結果表明：水動力場、風場對內河溢油擴散有著重要的影響；流速對油膜的漂移過程起主導作用，油膜移動速度隨著水流流速的增大而增大；不利風向作用下，油膜下游漂移影響范圍明顯增大；一旦發生漏油事故，應及時監測溢油河段水流狀況與氣象條件，及時采取應急救援措施。

Mike21/3SA；溢油；水動力場；風場；京杭運河蘇北段

京杭運河蘇北段（蘇北運河）是南水北調中線工程線路，利用泵站從揚州江都水利樞紐提水，通過十三級閘逐級調水北方地區。隨著水上貨運量快速增長，交通日益繁忙，船舶突發事故的風險逐漸加大。溢油污染給內河生態、環境、經濟帶來嚴重的影響，如何有效預防事故的發生和預測事故影響范圍顯得尤為重要。因此，建立京杭運河突發性船舶溢油污染擴散數學模型，預測不同水動力與風況條件下油膜擴散影響范圍十分必要。

溢油擴散是一個很復雜的過程，受油品的物理、化學性質及事故發生地的氣象條件和水動力特性等共同影響，進入水體的石油將發生擴展、漂移、擴散、蒸發、溶解等變化過程［1］。國內外對溢油擴散過程進行了大量的研究，數值模擬研究主要利用Mike21/3SA、DELFT3D、OILMAP等模型模擬和預測溢油擴散后油膜的時空分布及上溯距離。陳新永等［2］建立了渤海灣海域潮流數學模型，對溢油擴散的水動力學過程進行模擬，進一步針對碼頭油泄漏事故采用費伊擴展模式預測油膜面積、厚度、飄移距離等溢油特性。劉欽政、張存智等［3］建立了渤海溢油數值預報系統，采用“油粒子”方法來研究溢油在海洋環境中的漂移擴散過程。婁安剛、王學昌［4-5］考慮風場對海面溢油的影響，對油輪在砂礁觸礁后的油膜膜漂移軌跡進行了模擬計算，研究結果與事故后觀測到的結果基本相符，并對溢油數學模型的準確性進行了探討。黃立文等［6-7］開發了舟山港溢油模擬信息系統，對溢油運動軌跡、擴散范圍、影響區域進行了深入的研究。以往研究主要關注海面溢油事故的影響，對內河和湖泊溢油研究較少；本文利用Mike21/3SA模式，建立京杭運河溢油擴散數學模型，重點考慮不同溢油量在靜風、不利風況作用下油膜的擴展、漂移速度和影響范圍。

1 溢油模型建立及影響預測研究

1.1 水流控制方程

連續方程動量方程

式中：t為時間；x、y為笛卡爾平面坐標；η為水面相對于計算基準面的水位；d為計算基面下的靜止水深；h為總水深；uˉ、vˉ分別為沿深度平均的流速在x、y方向上的分量；pa為當地大氣壓；S為源匯項；f為科氏力參量；g為重力加速度；ρ為水密度，ρ0為參考水密度；sxx、sxy、syx、syy為輻射應力張量。

1.2 溢油擴散過程

本研究采用丹麥水利所Mike21/3的SA（spill analysis）模塊建立研究區域的二維溢油模型。油膜的漂移軌跡和擴散范圍是溢油污染影響范圍評價的關鍵性指標。油粒子輸移過程主要包括擴展、漂移、擴散等變化過程。

（1）擴展過程。

本文采用Mackay修正的Fay理論，即重力—粘滯力公式計算油粒子的擴展

式中：Aoil為油膜面積，；Roil為油膜直徑；t為時間；Ka為一常系數；Voil為油膜體積，Voil=πR2

oil·hs；hs為油膜初始厚度，hs=10 cm，t=0。當單個油粒子的傾點超過當地水溫時，擴展過程結束。

（2）漂移過程。

油粒子漂移主要考慮水流和風的作用力，其總的漂移速度矢量可由以下權重公式求得

（3）紊動擴散。

溢油擴散過程實際上是湍流的一個彌散過程，具有隨機性。本模型采用抽取隨機數的辦法來計算一個時間步長內粒子可能擴散的距離。河流中的溢油在徑向上的擴散明顯大于橫向擴散，故一個時間步長內α方向上可能擴散距離Sα可表示為

1.3 模型基本參數

Mike21/3 SA模型部分參數在各種溢油計算過程中變化幅度較小，在合理范圍內取值對計算結果影響不大。擴散系數對溢油擴散研究具有重要的作用，縱向擴散系數反映了油膜的擴散強度，橫向擴散系數反映了油膜隨機紊動強度，對計算結果影響較大。本文模擬可能發生的溢油事故，沒有實測資料進行驗證，擴散系數取值主要參考同類研究和項目［8-9］，由于河道中溢油的縱向擴散大于橫向擴散，在查閱相關文獻資料的基礎上，縱向擴散系數取值為0.25，橫向擴散系數取值為0.1。

模型參數主要取值如表1所示。本文選取油品為輕油，密度取0.96×103kg/m3；氣溫采用揚州市地區6月份平均氣溫24.7℃，水溫比氣溫略高，取26℃；本河段不考慮鹽度影響，鹽度值取0。

2 溢油模型建立

2.1 模型計算域

京杭運河蘇北段（蘇北運河）北起徐州藺家壩，南至揚州六圩口，是全線貨運量最大的航段之一，也是江蘇省“兩縱四橫”干線航道網的中樞骨干航道，在長三角地區綜合交通運輸體系中發揮著獨特的作用。

溢油模型研究范圍與水動力模型相同，研究范圍為蘇北運河高郵至寶應段，該河段全長約26 km，河寬約150m，最大水深約為14m。模型采用無結構三角形網格，網格布設綜合考慮地形差異、水深梯度、計算精度要求以及計算效率，整個計算區域包括20 345個網格節點、38 121個網格單元，三角形網格最小邊長為20m。

2.2 事故溢油量及模型計算工況

根據近年來事故統計資料，內河船舶突發性漏油事故一般不超過20 t，并且采用接油盆、圍油欄、吸油墊等措施阻止或減小漏油，90%石油將被回收，即一般進入河道下游的溢油量為2 t。為了研究河道溢油事故的影響，分別對內河最大溢油量20 t和采取回收措施后漏油2 t的情況進行了模擬。本文考慮正常排水（流向為自北向南）、南水北調提水（流向為自南向北）兩種不同流態下溢油事故的影響范圍；風對油膜擴展尺度影響較大，風與水流同向時，加快油膜下游漂移過程，并且增大了油膜的擴展尺度；風與水流逆向時，油膜的擴展尺度與風速、水流流速的相對大小有關；結合揚州地區6月風速風向情況，本文考慮靜風及順風情況下3.2m/s的油膜的擴散情況。模型計算工況如表1所示。

2.3 事故河段水動力情況

蘇北運河主槽寬闊、順直，河道水流流向順直，基本平行于岸線，流速在橫斷面內分布均勻。正常排水條件下水流自北向南，深槽流速為0.1～0.3m/s；南水北調情況下水流自南向北，水流流速相對較大，深槽流速0.3～0.5m/s。正常排水流場圖見圖1，南水北調流場見圖2。

2.4 溢油擴散預測結果

圖3為工況T3情況下，溢油2 h40min后油膜達到臨界厚度0.04mm時，油膜擴散范圍示意圖；圖4為工況T7情況下，溢油7 h10min后油膜達到臨界厚度0.04mm時，油膜擴散范圍示意圖。圖中粗線位置為事故發生地。

（1）工況T1和T2溢油量為2 t，油膜下游漂移距離分別為2.07 km和2.65 km；工況T5和T6溢油量為20 t，油膜下游漂移距離分別為4.90 km和5.91 km，油膜的臨界厚度為0.04mm。因此正常排水情況下，水流流向為自北向南，不利風向主導下，油膜下游漂移距離增大0.6～1.0 km，風作用下影響范圍明顯增大。

表1 計算工況表Tab.1 Calculation scheme

圖1 正常排水流場分布圖Fig.1 Flow field distribution of normal drainage time

圖2 南水北調流場分布圖Fig.2 Flow field distribution of the south?north water diversion period

表2 溢油擴散影響范圍Tab.2 Oil film diffusion scope

圖3 正常排水期漏油事故2.0 t油粒擴散范圍預測結果（工況T3）Fig.3 Oil spill 2 t particle diffusion range forecast results of normal drainage period(T3)

圖4 南水北調期漏油事故20.0 t油粒擴散范圍預測結果（工況T7）Fig.4 Oil spill 20 t particle diffusion range forecast results of the south?north water diversion period(T7)

（2）工況T3和T4溢油量為2 t，油膜下游漂移距離分別為3.79 km和4.59 km；工況T7溢油量為20 t，油膜下游漂移距離為10.37 km，油膜的臨界厚度為0.04mm。工況T8情況下，油膜下游漂移距離為11.60 km，由于河道寶應方向河段呈S型彎曲，在南向風主導下，油膜沿河道西岸呈帶狀分布，此時油膜厚度為0.32mm，逐漸漂移出模型研究范圍。因此南水北調情況下，水流流向自南向北，不利風向主導下，油膜下游漂移距離增大1 km以上，風作用下影響范圍明顯增大。

（3）油膜達到臨界厚度后將會被破壞，呈分散狀，在水動力和風力作用下繼續發生蒸發、溶解、分散、乳化、氧化、生物降解等變化，逐步消散。

（4）內河船舶突發性漏油事故一般不超過20 t，采取有效阻油和攔油措施后進入河道下游的溢油量一般為2 t。工況5～工況8與工況1～工況4進行對比分析可知，在相同流速、風況條件下，采取有效阻油措施后，油膜下游漂移距離縮小一半。因此一旦發生漏油事故，應盡快采取有效措施，切斷污染源，減小溢油擴散影響范圍。

3 結語

（1）京杭運河蘇北段為南水北調東線工程關鍵性河段，需要較高的水質標準來確保華北地區飲用水安全。但是該河段為江蘇省“兩縱四橫”干線航道網的中樞骨干航道，船舶流量較大，發生事故性漏油事故可能性較大。本文研究認為，內河航道較為順直，油膜向下游漂移影響范圍較大。溢油事故發生后，應根據事故河段水流流態、氣象條件、河道走勢等特點，開展漏油阻攔及回收工作，切斷污染源，確保南水北調東線水質達標。

（2）流速對溢油擴散起主導作用，蘇北運河揚州段正常排水期水流自北向南，深槽流速為0.1～0.3m/s；南水北調期水流自南向北，深槽流速0.3～0.5m/s。南水北調情況下，流速增大2倍左右，油膜下游擴散距離亦增大2倍左右，同一河段油膜移動速度隨著流速的增大而增大。風對溢油污染的影響較大，不利風向3.2m/s的風速作用下，油膜下游影響距離增大1 km以上；因此，突發性漏油事故一旦發生，應根據風應力條件，采取有效的救援措施。

參考文獻：

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［3］劉欽政,張存智,劉煜，等.渤海溢油數值預報研究［J］.海洋預報,2005（S1）∶70-76. LIU Q Z,ZHANG C Z,LIU Y,et al.on the oil?spill forecast system in the Bohai sea［J］.Marine forecast,2005（S1）∶70-76.

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Oil spill diffusion numerical simulation research in Subei canal section

QI Qing?hui,DONG Pei?hua,QU Hong?ling,XIONG Wei
（Jiangsu Provincial Communications Planning and Design Institute Co.Ltd.，Jiangsu Technology Research Center for Water Transport Engineering,Nanjing 210014,China）

Oil spill diffusion numerical simulationmodule was established based onmike21/3SAmodule.The oil film trajectory and diffusion range were predicted in the oil spill accident.The research results show that∶the oil spill trajectory ismainly influenced by current field and wind field.The oil film drift process ismainly influenced by flow velocity,and the oil filmmovement speed is increased with the increase of flow velocity.Against the wind, oil film drift downstream distance increases obviously.Once the oil spill occurs,water flow condition andmeteoro?logical conditions should bemonitored,and emergency rescuemeasures should be adopted in time.

Mike21/3SA;oil spill;tidal field;wind field;Subei canal

X 52

A

1005-8443（2015）03-0253-05

2014-10-29；

2015-01-04

江蘇省交通運輸科技項目《江蘇內河航運安全綠色關鍵技術研究重大專項》（2013Y02）；江蘇交通運輸科研項目《江蘇沿海建港條件及關鍵技術集成研究》（2011Y01）

齊慶輝（1985-），男，河南省新鄉人，工程師，主要從事海岸河口水動力、水環境及泥沙運動機理研究。

Biography：QI Qing?hui（1985-），male，engineer.