劉增賢，王元元，蔡 梅

（太湖流域管理局水利發(fā)展研究中心，上海 200434）

近年來，隨著石油工業(yè)和石油運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，船舶溢油泄漏、企業(yè)事故排放以及公路事故泄漏等都易引起河流突發(fā)性水污染事故。河道溢油事故規(guī)模相對較小，一旦在河流中發(fā)生溢油事故，對工業(yè)生產(chǎn)用水、日常生活用水、生態(tài)環(huán)境等造成較大的影響[1-3]。

溢油事件的數(shù)值模擬主要在溢油水域的水動(dòng)力模型基礎(chǔ)上，結(jié)合溢油事件特定的油品種類、溢油量、風(fēng)向、風(fēng)速、水溫、氣溫等因素，模擬油性物質(zhì)在運(yùn)移過程中面積、厚度、組分、性質(zhì)的變化及漂散速度，為制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案、調(diào)度方案、處理方式和事件損害評估提供科學(xué)依據(jù)和決策支持。

1 研究背景

塊能提供油膜隨時(shí)間變化的漂移位置、厚度，以及漂移過程中粘度、油膜表面溫度、傾點(diǎn)等屬性的變化[4-8]。

太浦河全長57.6 km，沿途跨越江蘇省、浙江省和上海市，既是太湖流域的主要排水出路，又是流域水資源供需調(diào)度的主要通道，同時(shí)還擔(dān)負(fù)著干旱年份向上海市供水的重任，對流域航運(yùn)和水環(huán)境起重要作用?，F(xiàn)狀太浦河平望以西段為Ⅴ級航道，平望以東段、京杭運(yùn)河和頔塘為Ⅳ航道，航運(yùn)也增加了突發(fā)船運(yùn)污染事件發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

2013年10月，上海市批復(fù)同意《黃浦江上游水源地規(guī)劃》，新建金澤水庫供水工程。金澤水庫工程位于青浦區(qū)金澤鎮(zhèn)西、太浦河北岸（見圖1）。工程占地約2.7 km2，其中水面積1.92 km2，總庫容910萬m3。經(jīng)過近3年的建設(shè)，2016年12月29日，上海市太浦河金澤水庫正式投入使用，日供水規(guī)模351萬m3。研究太浦河突發(fā)溢油事件，并提出相應(yīng)的應(yīng)急處置措施，對于保證上海市青浦、松江、金山、閔行和奉賢5區(qū)的供水安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2.1 水動(dòng)力模擬原理

本文采用MIKE 21HD模塊模擬的水動(dòng)力結(jié)果為溢油擴(kuò)散模型提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過隨機(jī)走動(dòng)法來模擬粒子軌跡，其對流擴(kuò)散方程組為

2.2 風(fēng)化過程原理

溢油在漂移、輸運(yùn)等物理過程中經(jīng)歷著蒸發(fā)、乳化等風(fēng)化過程，直接影響溢油性質(zhì)、溢油量的變化[9]。其中蒸發(fā)率公式為

圖1 金澤水庫工程位置示意圖

2 太浦河二維溢油模型的建立

本研究選用丹麥水環(huán)境研究所開發(fā)的MIKE21溢油分析（SA）模塊開展模擬，它是基于歐拉—拉格朗日理論體系，通過對油膜在水體中的擴(kuò)展、傳輸（水流和風(fēng)場作用）、紊動(dòng)擴(kuò)散、分散（夾帶）、蒸發(fā)、乳化、溶解等各種過程的模擬，MIKE21 SA模Aoil為油膜面積；X為摩爾質(zhì)量；P為飽和蒸汽壓；R為氣體常數(shù)。

乳化過程主要采用含水率來表示乳化程度，其公式如下：

式中：

YW—乳化物的含水量，KA=4.5×10-6；KB=1/YFW；YFW—最終含水率，取0.8。

2.3 太浦河二維水動(dòng)力模型的建立

二維溢油模型計(jì)算的水動(dòng)力條件是建立在二維水動(dòng)力模型計(jì)算成果的基礎(chǔ)上的，本次太浦河二維水動(dòng)力模型建模范圍為整條太浦河全長57.6 km，定義太浦閘為模型上邊界，采用流量邊界，太浦河出口800畝斷面為模型下邊界，采用太湖流域管理局研發(fā)的太湖流域水量水質(zhì)模型為太浦河二維水動(dòng)力模型提供上下邊界及太浦河兩岸支流源匯項(xiàng)，其他岸線則定義為陸地邊界，河道底寬128～150 m，河底高程-1.5～-5.0 m。

根據(jù)太浦河地形特點(diǎn)通過多邊形控制，采用三角網(wǎng)格和曲線網(wǎng)格相結(jié)合，對汾湖湖蕩區(qū)域以及金澤取水口附近區(qū)域采用三角網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，以提高模擬的精確度，最終生成的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格共包含3545個(gè)節(jié)點(diǎn)，4415個(gè)網(wǎng)格單元。建模成果如圖2所示。

采用2014年太浦河調(diào)水試驗(yàn)期（2月24日～3月26日，共31 d）監(jiān)測數(shù)據(jù)率定模型參數(shù)，根據(jù)參數(shù)分析及計(jì)算成果的合理性，繪制太浦河各率定斷面水量水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算值與實(shí)測值的對比圖，金澤站水位過程如圖3所示，金澤取水口斷面各濃度過程對比見圖4所示。根據(jù)以上率定成果分析，太浦河二維水量水質(zhì)模型的率定結(jié)果能較好地反映模擬區(qū)的水流運(yùn)動(dòng)過程和水質(zhì)分布特征，展現(xiàn)該區(qū)域真實(shí)的流場情況，模型計(jì)算所選取的參數(shù)較為合理，可為本次溢油模型研究提供基本的流場背景。

2.4 太浦河二維溢油模型參數(shù)設(shè)置

太浦河二維溢油模型模擬時(shí)長為8月份共31 d，計(jì)算時(shí)間步長為1800 s。本次溢油模型重要的參數(shù)值分別為：太浦河水溫30.02℃；氣溫33.5℃；風(fēng)速3.8 m/s，風(fēng)向135°（東南風(fēng)）；鹵化量0.75；油品類型為輕油。

3 太浦河突發(fā)水污染事故模擬分析

3.1 太浦河突發(fā)溢油事件情景設(shè)置

3.1.1溢油事件位置

本研究借鑒2013年上海朱涇鎮(zhèn)發(fā)生的苯乙烯水污染事故，假設(shè)平望大橋或汾湖大橋附近有裝載化學(xué)品的運(yùn)輸車輛傾倒或者船舶泄露，造成太浦河水體受到污染。

3.1.2溢油事件時(shí)間

圖2 太浦河二維地形概化圖

圖3 金澤斷面率定水位過程

模擬太浦河平望大橋或者汾湖大橋發(fā)生10 t油性物質(zhì)泄漏事件，發(fā)生時(shí)間為8月3日10點(diǎn)，泄露事件持續(xù)時(shí)間30 min。詳見表1。

圖4 金澤取水口斷面各指標(biāo)濃度過程對比

3.2 事故影響分析

3.2.1 常規(guī)調(diào)度下平望大橋發(fā)生溢油事件模擬

在枯水年8月份常規(guī)調(diào)度下，太浦閘下泄流量為90 m3/s，當(dāng)8月3日10：00平望大橋發(fā)生10 t油性物質(zhì)泄漏，30 min質(zhì)泄漏完畢，此時(shí)油膜面積約0.059 km2，最大厚度為1.755 mm，平均厚度為0.559 mm。油膜約以800 m/h度往下游漂散，油膜厚度也隨著水流的運(yùn)動(dòng)而不斷變化。油膜抵達(dá)太浦河沿線重要監(jiān)測點(diǎn)時(shí)間及油膜面積、厚度如表2所示。

表1 太湖下游地區(qū)發(fā)生突發(fā)水污染事件計(jì)算方案

表2 平望大橋漏油事件油膜污染統(tǒng)計(jì)表

當(dāng)平望大橋發(fā)生油性物質(zhì)泄漏時(shí)，油膜以較快的速度往太浦河下游擴(kuò)散，油膜面積不斷擴(kuò)大，油膜的平均厚度受水流的沖散作用，越來越薄。油膜會在76.5 h到達(dá)金澤水庫斷面，對金澤水庫取水口水質(zhì)影響時(shí)長約為49.5 h油性污染物約112 h后，到達(dá)太浦河出口，油性物質(zhì)泄漏202 h后，大部分油性物質(zhì)完全漂離太浦河，仍有部分在河灣中滯留的油膜不斷釋放油性物質(zhì)，對太浦河造成持續(xù)污染。

3.2.2常規(guī)調(diào)度下汾湖大橋發(fā)生溢油事件模擬

當(dāng)8月3日10：00時(shí)汾湖大橋處發(fā)生10 t油性物質(zhì)泄漏，在30 min后油性物質(zhì)泄漏完畢，此時(shí)油膜面積約0.059 km2，最大厚度為2.182 mm，平均厚度為0.483 mm。油膜約以800 m/h的速度往下游漂散，油膜厚度也隨著水流的運(yùn)動(dòng)而不斷變化，見表3。

在距離金澤水庫較近的汾湖大橋附近發(fā)生大量油性物質(zhì)泄漏時(shí)，若不采取任何應(yīng)急措施，油膜會在8 h到達(dá)金澤水庫取水口，滯留約3.5 h會對金澤水庫取水口水質(zhì)產(chǎn)生影響。

3.3 應(yīng)急調(diào)度方案及效果分析

3.3.1應(yīng)急方案設(shè)計(jì)

根據(jù)《太湖流域洪水與水量調(diào)度方案》確定的太浦河閘泵工程水量調(diào)度原則：為保障太湖下游地區(qū)供水安全，原則上太浦閘下泄流量不低于50 m3/s；當(dāng)太湖下游地區(qū)發(fā)生飲用水水源地水質(zhì)惡化或突發(fā)水污染事件時(shí)，可加大太浦閘供水流量，必要時(shí)啟動(dòng)太浦河泵站增加流量。另外，2013年上海朱涇鎮(zhèn)發(fā)生的苯乙烯水污染應(yīng)急監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，太浦河大流量供水對抑制污染物隨潮水上溯、增大水體稀釋能力，加快污染物下移、減短取水口受影響時(shí)間，起到了積極的作用。

借鑒以往應(yīng)對突發(fā)水污染事件經(jīng)驗(yàn)，采取增大太浦河下泄流量來應(yīng)對污染事件。本研究共擬定了2套應(yīng)急方案，詳見表4。

3.3.2平望大橋發(fā)生突發(fā)溢油事件應(yīng)急模擬

針對平望大橋發(fā)生突發(fā)溢油事件，太浦閘（泵）分別加大下泄流量至200 m3/s或者300 m3/s，發(fā)生溢油事故后油膜抵達(dá)各斷面歷時(shí)及油膜變化情況對比如圖5所示。

表3 汾湖大橋漏油事件油膜污染統(tǒng)計(jì)表

圖5 平望大橋發(fā)生溢油事故后油膜變化情況對比

較大的下泄量會加劇油膜的沖散作用，不利于進(jìn)行打撈、投加吸附劑等物理、化學(xué)處置。應(yīng)急方案1下，太浦閘按200 m3/s下泄，既能推動(dòng)油膜向下游擴(kuò)散，又不至于把油膜沖散，且在油膜在河道湖灣處集聚明顯，利于進(jìn)行打撈、投加吸附劑等物理、化學(xué)處置，故而在情景A下，推薦采取應(yīng)急方案1。

3.3.3汾湖大橋發(fā)生突發(fā)溢油事件應(yīng)急模擬

針對汾湖大橋發(fā)生突發(fā)溢油事件，太浦閘（泵）分別加大下泄流量至200 m3/s或者300 m3/s，發(fā)生溢油事故后油膜抵達(dá)各斷面歷時(shí)及油膜形狀變化情況對比如圖6所示。

圖6 汾湖大橋發(fā)生溢油事故后油膜變化情況對比

綜合油膜面積和油膜厚度來看，情景B下，太浦閘按90 m3/s下泄，油膜面積維持在0.05～0.25 km2之間，油膜平均厚度在0.25～0.5 mm之間；實(shí)施應(yīng)急方案1和應(yīng)急方案2，均會推動(dòng)油膜快速向下游移動(dòng)，由于太浦閘距離事故點(diǎn)較遠(yuǎn)，加大流量對油膜擴(kuò)散影響較小，應(yīng)急方案1和應(yīng)急方案2起到的作用相當(dāng)，相比而言，應(yīng)急方案2在金澤水庫取水口處油膜面積和厚度均最小，推薦應(yīng)急方案2。

4 太浦河突發(fā)溢油事件應(yīng)對措施

根據(jù)特定年份常規(guī)數(shù)值的模擬分析，總結(jié)得出太浦河發(fā)生突發(fā)溢油事件的一般規(guī)律，提出突發(fā)溢油事件應(yīng)對措施及響應(yīng)分級如下：

4.1 突發(fā)油性物質(zhì)泄漏事件響應(yīng)時(shí)間及應(yīng)急響應(yīng)等級

當(dāng)平望大橋發(fā)生漏油事件時(shí)，3種調(diào)度方案中油膜最快可在30.5 h之后到達(dá)金澤水庫，而當(dāng)汾湖大橋發(fā)生漏油事件之后，油膜在4 h之后即可到達(dá)，因此盡量當(dāng)油膜尚未到達(dá)金澤水庫時(shí)，要適當(dāng)控制太浦河閘泵的下泄量，給油膜處置預(yù)留好充分的時(shí)間。

建議以溢油事故點(diǎn)與金澤水庫的距離和油膜運(yùn)動(dòng)速度來劃分響應(yīng)等級：①當(dāng)溢油事故點(diǎn)距離金澤水庫30 km以上，且油膜運(yùn)動(dòng)速度小于800 m/h時(shí)，啟動(dòng)Ⅲ級應(yīng)急響應(yīng)，需在72 h內(nèi)完成應(yīng)急處置；②當(dāng)溢油事故點(diǎn)距離金澤水庫30 km以上，且油膜運(yùn)動(dòng)速度大于800 m/h且小于1200 m/h時(shí)，啟動(dòng)Ⅱ級應(yīng)急響應(yīng)。需在48 h內(nèi)完成應(yīng)急處置；③當(dāng)溢油事故點(diǎn)距離金澤水庫30 km以上，且油膜運(yùn)動(dòng)速度大于1500 m/h時(shí)，或當(dāng)溢油事故點(diǎn)距離金澤水庫10 km以內(nèi)時(shí)，啟動(dòng)I級應(yīng)急響應(yīng)，需在24 h內(nèi)基本消除水中污染物，以保障金澤水庫供水安全。

4.2 金澤水庫取水口關(guān)閉時(shí)間

通過分析油膜在金澤水庫監(jiān)測點(diǎn)的滯留時(shí)間，可以看出油膜對金澤的影響時(shí)間在20～50 h之間，因此金澤水庫應(yīng)當(dāng)在監(jiān)測到上游發(fā)生輕油泄漏事件后，提前做好蓄水準(zhǔn)備，以便在48 h（2 d）之內(nèi)無法取水時(shí)，充分利用應(yīng)急水源。

4.3 太浦河閘泵調(diào)度

通過上述不同情景方案模擬統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果來看，盲目加大太浦河閘泵下泄量，對于控制油性物質(zhì)污染物、減少其影響并不完全可行。需要根據(jù)實(shí)時(shí)情況做出分析決策，當(dāng)突發(fā)污染事件剛發(fā)生，距離水源地取水口較遠(yuǎn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)減少閘泵下泄量，以實(shí)現(xiàn)將油性污染物圍起來集中處置；當(dāng)油性污染物接近水源地或者已經(jīng)影響到水源地取水時(shí)，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)加大閘泵下泄量，以實(shí)現(xiàn)將油性污染物沖散，降低污染物厚度。太浦閘200 m3/s的下泄量能夠使得油膜面積較小，相對厚度較大，有利于針對油膜開展包圍打撈等應(yīng)急處理。

4.4 太浦河兩岸及支流對于污染物的控制

根據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)場和河道形態(tài)是影響油膜在河道中漂移速度和影響范圍的重要因素。當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，油膜在漂移過程中極易在彎曲河道靠岸，在河灣處集聚，這是河道中油膜有別于海洋中的特殊運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對應(yīng)急決策和現(xiàn)場清污有重要的意義。同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)太浦河兩岸支流口門建筑物的控制，在突發(fā)水污染事件期間，盡量將沿岸口門關(guān)閉，避免污染物向支流擴(kuò)散，減少兩岸支流對污染物形態(tài)、面積、厚度所引起的不確定性變化，加大污染物清理難度。

5 結(jié)論

通過構(gòu)建太浦河二維溢油模型，模擬平望大橋、汾湖大橋發(fā)生突發(fā)溢油事件后油性物質(zhì)的運(yùn)移過程。結(jié)合溢油事件特性，設(shè)計(jì)太浦河突發(fā)溢油事件短期應(yīng)急調(diào)控方案，定量分析了不同調(diào)水方案對污染物擴(kuò)散的影響。從模型結(jié)果可以看出，當(dāng)太浦河上發(fā)生油性物質(zhì)泄漏，實(shí)施加大太浦閘下泄量應(yīng)急調(diào)度時(shí)，并非流量越大越好，要根據(jù)事故發(fā)生位置和調(diào)度目的作具體分析。采用數(shù)值模型的方法能夠?yàn)橥话l(fā)溢油處理提供應(yīng)急決策依據(jù)，為保障金澤水庫供水安全提出了科學(xué)的應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案。

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