高速公路水環境風險事故預測分析

常軼深

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

高速公路運營期對水環境影響主要為路橋面徑流和跨河路段發生事故造成污染[1]。前者研究較多，后者研究相對較少，但也有一些學者進行了研究，如黃合來[2]對山區高速公路隧道群路段危化品運輸風險評價體系進行了研究；陶健[3]采用貝葉斯網絡的方法對山區道路危險貨物運輸風險評價進行了研究；閆利勇[4]、任常興[5]、杜曉燕[6]等對高速公路危化品風險特點及對策進行了研究。但是，這些研究多為定性，且多側重對策及體系研究，很少有對風險事故進行定量研究的。因此，本文以江西省某高速公路為例，分可溶性危化品和不可溶危化品，對水環境的影響進行了定量預測，為高速公路水環境保護提供參考依據。

1 研究區概況

該高速公路按照雙向四車道高速公路標準建設，設計速度采用100 km/h，路基寬度24.5 m。全線共設大中橋梁6 406 m/20座，其中：大橋6 254 m/18座，中橋152 m/2座；全線設置涵洞通道227道，隧道2座，互通立交3處；收費站3處。研究區內地貌可劃分為風化剝蝕丘陵區、侵蝕和剝蝕山地區兩個地貌單元，年平均氣溫18.7℃，年平均降雨量1 640 mm。主導風向為西北風，年平均風速2.9 m/s。該高速公路跨越的河流有鎮崗河、新田河、早禾河，其中距離取水口最近的為跨越新田河的坎洋大橋，安定高速公路K192+150以坎洋大橋跨越新田河，該處下游最近集中式飲用水的取水口為上寨漂子湖自來水廠取水口，距離約7.6 km，取水規模0.05萬t/d。

2 研究方法

在現場調查的基礎上，采用瞬時點源一維河流水質模型和費伊油膜擴延公式進行定量分析。對可溶性危化品，此種污染屬于瞬時點源污染，采用瞬時點源一維河流水質模型預測污染的影響。對不溶性危化品，采用費伊（Fay）油膜擴延公式進行預測。

3 結果與分析

3.1 可溶性危化品（甲醇）發生事故的影響分析

可溶性危化品以甲醇為例，進行影響分析。運送危化品的車輛在橋上發生事故，泄漏后將隨水流擴散，造成水體嚴重污染。此種污染屬于瞬時點源污染，本次采用瞬時點源一維河流水質模型預測污染的影響。公式如式（1）：

其中u=Q/A，

式中：M為瞬時源的源強，等于運輸車的運載量，t，取3.5 t；Q為河流流量，m3/s，取5.83 m3/s；A 為河流過水斷面面積，m2，估算水域路段平均過水斷面面積，取 15 m2；DL為縱向離散系數，m2/s；x為預測點到污染源的距離，m，取7 600 m；t為污染源投放后的持續時間，s。

DL縱向離散系數是反映河道縱向混合特性的重要參數，縱向離散系數主要受水流條件、斷面及河道形態等因素的影響。在此采用經驗公式Fischer公式。公式如式（2）：

式中：U為平均流速，m/s，根據流量和過水斷面估算，取 0.39 m/s；H 為平均水深，m，取 1.5 m；B 為水面寬度，m，估算水域路段平均水面寬度，取10 m；v 為摩阻流速，m/s，根據公式計算，取 0.122 m/s；I為坡降，取1.02‰。

事故溢液預測結果表明：甲醇溢出后4.72 h后，在坎洋大橋下游6 610 m處濃度最大值達標（前蘇聯水體中有害物質最高允許濃度3.0 mg/L）。坎洋大橋下游7.6 km為上寨漂子湖自來水廠取水口。因此，在跨越新田河的坎洋大橋發生危化品泄漏事故，采取應急處理措施后，事故性溢液對下游取水口造成影響較小。

3.2 不溶性危化品發生事故的影響分析

運輸油品與類油品危化品的車輛發生撞車、翻車掉入水體的事故時，可能由于灌體破裂造成污染物泄漏污染水體水質。油品溢出后在水面擴展，同時漂移和平流使油膜的中心發生移動，隨著油膜表面積的不斷增大，加速揮發和溶解。揮發與溶解相比，揮發占主要地位。根據相關研究表明，揮發在溢油后24 h內可減少30%～50%的體積；溶解在溢油后1 h內即可完成其主要過程，以后便越來越少。由于揮發速率比溶解速率快得多，往往油膜來不及溶解便揮發到大氣中去，而溶解到水中的油，仍有可能進入大氣。

3.2.1 事故溢油擴散漂移預測模式

采用費伊（Fay）油膜擴延公式對柴油入河事故污染進行風險預測。費伊（Fay）油膜擴延公式目前被廣泛采用，費伊把擴展過程劃分為3個階段：

a）在慣性擴展階段，油膜直徑為：

b）在黏性擴展階段：

c）在表面張力擴展階段：

d）在擴展結束之后，油膜直徑保持不變：

式中：D 為油膜直徑，m；g 為重力加速度，m/s2，取g=9.8；V 為溢液總體積，m3，設運載量為 10 t，全部溢出時，溢油量為11.7 m3；t為從溢液開始計算所經歷的時間，s；vW為水的運動黏滯系數，m2/s，vW=9.025×10-7；β=1-ρ0/ρw，ρ0、ρw分別為油和水的密度，kg/m3，取ρ0=850，ρw=1 000；δ=δaw-δ0a-δ0w，δaw、δ0a、δ0w分別為空氣與水之間、油（液）與空氣之間、液與水之間的表面張力系數，N/m，取 δa=0.073，δ0a=0.025，δ0=0.018；K1、K2、K3分別為各擴展階段的經驗系數，一般可取K1=2.28、K2=2.90、K3=3.2。

上述各階段的分界時間可用兩相鄰階段擴展直徑相等的條件來確定。

在實際中，膜擴展使油膜面積增大，厚度減小。當膜厚度大于其臨界厚度時（即擴展結束之后，膜直徑保持不變時的厚度），膜保持整體性，膜厚度等于或小于臨界厚度時，膜開始分裂為碎片，并繼續擴散。

3.2.2 溢油漂移預測

油入水后很快擴展成膜，然后在水流、風生流作用下產生漂移，同時溢油本身擴散的等效圓膜還在不斷地擴散增大。因此溢油污染范圍就是這個不斷擴大而在漂移的等效圓膜。如果膜中心初始位置為S0，經過Δt時間后，其位置s由式（3）計算：

式中膜中心漂移速度V，由式（4）求得：

其中 vα=v風×α，

式中：vw為水流速度；v風為10 m高處的風速；α為風因子數，取值3.5%。

3.2.3 計算條件

據工程統計資料，新田河該河段實測平均流量為 5.83 m3/s，流速為 0.39 m/s，河寬 10 m，河深1.5 m，主導風向為西北風，平均風速為2.9 m/s。

3.2.4 預測結果

發生溢油事故時油膜的漂移擴散結果見表1。

表1 事故溢油順水流方向擴延預測結果

4 結論

a）可溶性危化品（甲醇）溢出后4.72 h后，在坎洋大橋下游6 610 m處濃度最大值達標（前蘇聯水體中有害物質最高允許濃度3.0 mg/L）。

b）由表1可知，一旦在坎洋大橋處發生柴油等不溶性危化品泄漏時，事故溢液油品將在約4.3 h（15 463 s）到達下游上寨漂子湖自來水廠取水口。即坎洋大橋發生不溶性危化品泄漏事故，該飲用取水口的應急響應時間不能超過4.3 h，一旦發生泄漏事故，需立即啟動應急預案，加強區域應急物資調配管理，采取應急果斷措施處理和應急監測等，用圍油欄和吸油氈等對取水口采取相應隔離措施，并實時監測取水口水質，一旦水質超標立即通知水廠停止取水。

c）應該對坎洋大橋設置橋面徑流收集系統和事故池，運管單位在日常運行管理中需加強事故應急池的日常管理，一旦在跨河橋梁處發生危化品運輸車輛泄漏事故時，需立即趕赴現場，啟動應急預案，同時確保泄漏的危險化學品收集在事故池中，委托有資質單位及時將事故池收集的泄漏物進行清運處置，可減少因發生危化品泄漏而對大橋所跨越水體產生的不利影響。