過江通道危化品運輸泄露對沿江水源地的風險預測*

葉秋霞,殷承啟,姜文婷,閆振華

（1中設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014；2河海大學環境學院，江蘇 南京 210098）

長江流域是我國最發達的區域之一,擔負著行洪、供水、航運、漁業、生態、景觀等眾多功能。隨著社會經濟快速發展和兩岸人類活動日益頻繁,長江開發帶來的生態環境問題也日益嚴重,“長江大保護”成為當前和今后相當長一個時期內急需完成的一項嚴峻任務[1-2]。2016年3月,中共中央政治局通過的 《長江經濟帶發展規劃綱要》也明確提出在加快構建長江綜合立體交通走廊的同時,大力保護長江生態環境。

過江通道的建設和運營對連通長江兩岸交通、構建綜合立體交通走廊具有舉足輕重的作用,但在其建設階段的船舶溢油泄漏以及運營階段的危化品運輸事故泄漏對長江生態環境具有重大威脅[3]。這些突發性事故往往會對長江生態環境造成嚴重破壞,威脅生態安全和人類健康,急需提前預測并做出相應的防護措施。已有研究多關注過長江航道的船舶溢油風險[4-5],但極少關注過江通道建設和運營對長江的影響,尤其是在水情復雜的潮汐江段。

本研究以長江下游的常泰過江通道為研究對象,采用水質模型和平面二維溢油模型,預測過江通道運營期危化品運輸泄露對沿江飲用水源地取水口的風險,并提出相應的防護措施,對確保長江下游供水安全具有重要的指導意義。

1 研究區域

圖1 研究區域Fig.1 Study areas

常泰過江通道位于江蘇省常州市和泰州市之間,總長度5.299 km,是 《長江經濟帶綜合立體交通走廊規劃(2014-2020年）》規劃的公鐵共用通道。本研究擬以該通道上游的長江丹陽黃港(江心洲）水源地為起點,以下游的長江太倉瀏河水源地為終點,基于數學模型分析該通道運營期危化品運輸泄露對該江段內19個飲用水水源地取水口的風險。研究區域位置見圖1。

2 預測方案

根據工程沿線企業和化工園區危化品運輸的調查結果,綜合考慮危化品的水溶性和運輸量,選擇以苯和汽油為典型的可溶性危化品和不可溶危化品代表,假設在過江通道錄安洲右汊附近有裝載危化品的運輸車輛發生突發傾倒泄露事故,而后進入長江水體,造成水體污染。考慮目前危化品槽罐車的最大容積為40 m3,本次預測按50%化學品泄漏入水計,泄漏時間為20 min。苯的飲用水源地的標準限值為0.01 mg/L；汽油分子則沒有特定限值,以其油膜厚度為預測目標。

結合現有長江口潮汐特征,取不利漲潮及落潮期作為水文設計條件；考慮最不利風向為東南風,風速為5 m/s；污染物短時間降解能力假設為零,而后分別計算潮汐漲急和落急兩種方案。

3 預測模型

3.1 可溶性危化品泄露風險預測

該泄露風險預測僅考慮污染物苯的輸移擴散,采用垂向平均的二維水質模型[6]。

二維水質輸移方程為:

式中:Ci為污染物的濃度；u、v、Ex、Ey分別為x、y方向上的流速分量和擴散系數；Ki為降解系數,取零；Si為污染物底泥再釋放。

3.2 不可溶物危化品泄露風險預測

不可溶物危化品的泄露風險預測采用 “油粒子”模型,該模型是將逸散的汽油假設離散為大量的油粒子,每個油粒子代表一定的油量,而油膜則是這些油粒子所組成的 “云團”。油膜在水體中的環境過程包括擴展、傳輸、擴散等輸移過程和分散、蒸發、乳化、溶解等風化過程, “油粒子”模型針對油膜的水體運動特征和過程,結合多重因素的交互作用,預測汽油在水體中的遷移過程。該模型已在長江流域得到實際應用,具有較高的可信度[4-5]。

3.2.1 輸移過程模擬

油粒子的輸移包括了擴展、漂移、擴散等過程,這些過程主導油粒子的位置發生變化,且這些過程中油粒子的組分不發生變化。

(1）擴展運動

式中:Aoil為油膜面積且等于l,Roil為油膜直徑；Ka為系數；t為時間；Voil為油膜體積。

(2）漂移運動

油粒子在水流和風的作用下進行漂移,其總漂移速度為:

式中:Uw為水面以上10 m處的風速；Us為表面流速；Cw為風漂移系數。

(3）擴散運動

假定油粒子在水平上的擴散各向同性,一個時間步長內α方向上的擴散距離Sa為:

3.2.2 風化過程模擬

油粒子的風化包括蒸發、溶解和形成乳化物等過程,這一過程油粒子的水平位置沒有變化,但組成發生改變。

(1）蒸發過程

油粒子的蒸發過程和溫度、面積、風速、油膜厚度等多因素有關。在假設油膜完全混合,油膜內部擴散不受限制等條件下,其蒸發率為:

式中:Ke為輸移系數；PSAT為蒸汽壓；Kei為蒸發系數。

(2）乳化過程

油粒子的乳化過程包括水包油乳化物和油包水乳化物兩個形成過程,其中油從油膜擴散到水體中的損失量和油中含水率變化分別為:

式中:Da是進到水體的分量；Db是進到水體后沒有返回的分量；R1和R2為水的吸收速率和釋出速率。

(3）溶解過程

油粒子的溶解率為:

3.2.3 油粒子模型參數率定

該模型參數率定采用2009年11月26日在泰州海事處長江執法基地東側發生油船泄露事故后下游的同步觀測數據。上邊界為水文年鑒中2009年11月大通逐日平均流量,水文年鑒中2009年11月江陰站水位資料作為下邊界,風場條件為西風2.92 m/s。

根據率定得到的長江油粒子模型水平擴散系數的取值范圍為0.15～0.2 m2/s,各監測點計算結果與實測值的平均相對誤差為15.93%。因此,建立的長江油粒子模型可用于此次溢油事故風險事故預測。

4 計算結果與討論

4.1 可溶性危化品（苯）泄漏計算結果

4.1.1 方案一:漲急條件

入江地點為錄安洲右汊靠近岸邊魏村水源地二級保護區內,泄漏事故發生時,苯分子污染團沿河道向上游方向漂移,0.17 h后分子到達魏村水源地一級保護區水域,0.67 h后分子到達魏村水源地取水口,對魏村水源保護區水域持續污染時間為11.17 h,最大污染濃度為6.27 mg/L(圖2）。

4.1.2 方案二:落急條件

入江地點為錄安洲右汊靠近岸邊魏村水源地二級保護區內,泄漏事故發生時,苯分子沿河道向下游方向漂移,結果見圖2。其中,3.08 h后苯離開魏村水源地保護區水域,對魏村水源保護區水域持續污染時間為3.08 h,最大污染濃度為5.96 mg/L。

圖2 漲急和落急條件下苯泄漏1、5、24 h預測結果Fig.2 Concentrations of benzene under rising and falling conditions after leakage for 1,5 and 24 h

在漲急條件下發生苯泄漏的遷移過程,對上游保護目標魏村水源保護區最不利,泄漏事故發生會較快到達保護目標。各方案條件下苯泄漏上游除長江魏村水源地受到影響外,均不會對上游其他保護目標產生影響；苯泄漏各方案均會對下游保護目標產生一定的影響,在落急條件下,下游最遠可影響至長江張家港三水廠水源保護區水域(見表1）。

表1 各方案苯泄漏對長江上下游水源地影響預測結果Table 1 Impacts of benzene leakage to different water source under rising and falling conditions

4.2 不溶性危化品（汽油）泄漏計算結果

4.2.1 方案一:漲急條件

漲急條件下,油膜在1.0 h后到達魏村水源地一級保護區,厚度為0.10 mm,1.67 h后油粒子到達魏村水源地取水口,油膜厚度為0.05 mm(圖3）。由于油膜的擴散、不利風向和漲落潮的影響,持續污染影響6.83 h后,油膜才最終離開上游魏村水源地,不會對上游其他保護目標造成影響。泄漏事故發生8.83 h后,到達窯港口水源地保護區,油膜厚度0.08 mm,持續污染時間為12.17 h；9.08 h后到達西石橋水源地保護區水域,油膜厚度為0.08 mm,持續污染時間為12.42 h(表2）。

4.2.2 方案二:落急條件

落急條件下,油膜不會上溯至上游魏村水源地一級保護區以及取水口范圍內,也不會對上游其他保護目標造成影響。對魏村水源地二級保護區持續污染影響1.67 h后,油膜才最終離開魏村水源地(圖3）。泄漏事故發生4.5 h后到達窯港口水源地保護區水域,油膜厚度為0.10 mm,持續污染時間為11.83 h；在4.67 h后到達下游西石橋水源地保護區水域,油膜厚度為0.10 mm,持續污染時間為12 h(表2）。

圖3 漲急和落急條件下汽油泄漏1、5、12、24 h預測結果Fig.3 Thickness of gasoline under rising and falling conditions after leakage for 1,5,12 and 24 h

表2 各方案條件下汽油泄漏事故發生對敏感目標影響計算結果表Table 2 Impacts of gasoline leakage to different water source under rising and falling conditions

各方案危化品泄漏上游除長江魏村水源地受到影響外,均不會對上游其他保護目標造成影響；漲急條件下,危化品泄露對上游魏村水源地取水水質產生影響,落急條件下,危化品分子沿河道向下游運動,雖受到漲潮影響,但不會移動上游至魏村水源地一級保護區以及取水口。

5 保護措施

(1）跨江大橋護欄防撞等級設置為SS級以上,避免事故車輛沖入江中。

(2）在跨江大橋設置橋面徑流收集系統,并在橋下設置事故池,確保事故廢水不排入長江。

(3）在橋梁兩端設置禁止超車和警示標志,防止交通事故的發生。

(4）公路運營單位制定專項環境風險事故應急預案,配備應急救援人員和必要的應急救援器材、設備,并定期組織演練。

6 結 論

長江江蘇段環境復雜多變,對于溢油事故模擬,需要考慮的因素較多,本次研究根據實測地形資料,采用數學模型對過江通道運營期危化品泄露事故進行水環境影響模擬預測。考慮了不同水文條件,不同類型危化品的情形。預測結果表明,漲落潮以及危化品的化學性質對危化品的濃度、擴散范圍以及持續時間等有較為顯著的影響,研究結果對危化品泄露的風險應急對策制定具有重要的指導意義。