葉秋霞,殷承啟,姜文婷,閆振華

（1中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210014；2河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098）

長(zhǎng)江流域是我國(guó)最發(fā)達(dá)的區(qū)域之一,擔(dān)負(fù)著行洪、供水、航運(yùn)、漁業(yè)、生態(tài)、景觀等眾多功能。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和兩岸人類活動(dòng)日益頻繁,長(zhǎng)江開發(fā)帶來的生態(tài)環(huán)境問題也日益嚴(yán)重,“長(zhǎng)江大保護(hù)”成為當(dāng)前和今后相當(dāng)長(zhǎng)一個(gè)時(shí)期內(nèi)急需完成的一項(xiàng)嚴(yán)峻任務(wù)[1-2]。2016年3月,中共中央政治局通過的 《長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展規(guī)劃綱要》也明確提出在加快構(gòu)建長(zhǎng)江綜合立體交通走廊的同時(shí),大力保護(hù)長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境。

過江通道的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)對(duì)連通長(zhǎng)江兩岸交通、構(gòu)建綜合立體交通走廊具有舉足輕重的作用,但在其建設(shè)階段的船舶溢油泄漏以及運(yùn)營(yíng)階段的?；愤\(yùn)輸事故泄漏對(duì)長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境具有重大威脅[3]。這些突發(fā)性事故往往會(huì)對(duì)長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞,威脅生態(tài)安全和人類健康,急需提前預(yù)測(cè)并做出相應(yīng)的防護(hù)措施。已有研究多關(guān)注過長(zhǎng)江航道的船舶溢油風(fēng)險(xiǎn)[4-5],但極少關(guān)注過江通道建設(shè)和運(yùn)營(yíng)對(duì)長(zhǎng)江的影響,尤其是在水情復(fù)雜的潮汐江段。

本研究以長(zhǎng)江下游的常泰過江通道為研究對(duì)象,采用水質(zhì)模型和平面二維溢油模型,預(yù)測(cè)過江通道運(yùn)營(yíng)期危化品運(yùn)輸泄露對(duì)沿江飲用水源地取水口的風(fēng)險(xiǎn),并提出相應(yīng)的防護(hù)措施,對(duì)確保長(zhǎng)江下游供水安全具有重要的指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)域

圖1 研究區(qū)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(zhǎng)度5.299 km,是 《長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶綜合立體交通走廊規(guī)劃(2014-2020年）》規(guī)劃的公鐵共用通道。本研究擬以該通道上游的長(zhǎng)江丹陽(yáng)黃港(江心洲）水源地為起點(diǎn),以下游的長(zhǎng)江太倉(cāng)瀏河水源地為終點(diǎn),基于數(shù)學(xué)模型分析該通道運(yùn)營(yíng)期危化品運(yùn)輸泄露對(duì)該江段內(nèi)19個(gè)飲用水水源地取水口的風(fēng)險(xiǎn)。研究區(qū)域位置見圖1。

2 預(yù)測(cè)方案

根據(jù)工程沿線企業(yè)和化工園區(qū)?；愤\(yùn)輸?shù)恼{(diào)查結(jié)果,綜合考慮危化品的水溶性和運(yùn)輸量,選擇以苯和汽油為典型的可溶性?；泛筒豢扇芪；反?假設(shè)在過江通道錄安洲右汊附近有裝載?；返倪\(yùn)輸車輛發(fā)生突發(fā)傾倒泄露事故,而后進(jìn)入長(zhǎng)江水體,造成水體污染?？紤]目前?；凡酃捃嚨淖畲笕莘e為40 m3,本次預(yù)測(cè)按50%化學(xué)品泄漏入水計(jì),泄漏時(shí)間為20 min。苯的飲用水源地的標(biāo)準(zhǔn)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(yù)測(cè)目標(biāo)。

結(jié)合現(xiàn)有長(zhǎng)江口潮汐特征,取不利漲潮及落潮期作為水文設(shè)計(jì)條件；考慮最不利風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng),風(fēng)速為5 m/s；污染物短時(shí)間降解能力假設(shè)為零,而后分別計(jì)算潮汐漲急和落急兩種方案。

3 預(yù)測(cè)模型

3.1 可溶性?；沸孤讹L(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)

該泄露風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)僅考慮污染物苯的輸移擴(kuò)散,采用垂向平均的二維水質(zhì)模型[6]。

二維水質(zhì)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(kuò)散系數(shù)；Ki為降解系數(shù),取零；Si為污染物底泥再釋放。

3.2 不可溶物?；沸孤讹L(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)

不可溶物?；返男孤讹L(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)采用 “油粒子”模型,該模型是將逸散的汽油假設(shè)離散為大量的油粒子,每個(gè)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(tuán)”。油膜在水體中的環(huán)境過程包括擴(kuò)展、傳輸、擴(kuò)散等輸移過程和分散、蒸發(fā)、乳化、溶解等風(fēng)化過程, “油粒子”模型針對(duì)油膜的水體運(yùn)動(dòng)特征和過程,結(jié)合多重因素的交互作用,預(yù)測(cè)汽油在水體中的遷移過程。該模型已在長(zhǎng)江流域得到實(shí)際應(yīng)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(kuò)展、漂移、擴(kuò)散等過程,這些過程主導(dǎo)油粒子的位置發(fā)生變化,且這些過程中油粒子的組分不發(fā)生變化。

(1）擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)

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

(2）漂移運(yùn)動(dòng)

油粒子在水流和風(fēng)的作用下進(jìn)行漂移,其總漂移速度為:

式中:Uw為水面以上10 m處的風(fēng)速；Us為表面流速；Cw為風(fēng)漂移系數(shù)。

(3）擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)

假定油粒子在水平上的擴(kuò)散各向同性,一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)α方向上的擴(kuò)散距離Sa為:

3.2.2 風(fēng)化過程模擬

油粒子的風(fēng)化包括蒸發(fā)、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(fā)生改變。

(1）蒸發(fā)過程

油粒子的蒸發(fā)過程和溫度、面積、風(fēng)速、油膜厚度等多因素有關(guān)。在假設(shè)油膜完全混合,油膜內(nèi)部擴(kuò)散不受限制等條件下,其蒸發(fā)率為:

式中:Ke為輸移系數(shù)；PSAT為蒸汽壓；Kei為蒸發(fā)系數(shù)。

(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(gè)形成過程,其中油從油膜擴(kuò)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(jìn)到水體的分量；Db是進(jìn)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(shù)率定

該模型參數(shù)率定采用2009年11月26日在泰州海事處長(zhǎng)江執(zhí)法基地東側(cè)發(fā)生油船泄露事故后下游的同步觀測(cè)數(shù)據(jù)。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(fēng)場(chǎng)條件為西風(fēng)2.92 m/s。

根據(jù)率定得到的長(zhǎng)江油粒子模型水平擴(kuò)散系數(shù)的取值范圍為0.15～0.2 m2/s,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值的平均相對(duì)誤差為15.93%。因此,建立的長(zhǎng)江油粒子模型可用于此次溢油事故風(fēng)險(xiǎn)事故預(yù)測(cè)。

4 計(jì)算結(jié)果與討論

4.1 可溶性危化品（苯）泄漏計(jì)算結(jié)果

4.1.1 方案一:漲急條件

入江地點(diǎn)為錄安洲右汊靠近岸邊魏村水源地二級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi),泄漏事故發(fā)生時(shí),苯分子污染團(tuán)沿河道向上游方向漂移,0.17 h后分子到達(dá)魏村水源地一級(jí)保護(hù)區(qū)水域,0.67 h后分子到達(dá)魏村水源地取水口,對(duì)魏村水源保護(hù)區(qū)水域持續(xù)污染時(shí)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(diǎn)為錄安洲右汊靠近岸邊魏村水源地二級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi),泄漏事故發(fā)生時(shí),苯分子沿河道向下游方向漂移,結(jié)果見圖2。其中,3.08 h后苯離開魏村水源地保護(hù)區(qū)水域,對(duì)魏村水源保護(hù)區(qū)水域持續(xù)污染時(shí)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(yù)測(cè)結(jié)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(fā)生苯泄漏的遷移過程,對(duì)上游保護(hù)目標(biāo)魏村水源保護(hù)區(qū)最不利,泄漏事故發(fā)生會(huì)較快到達(dá)保護(hù)目標(biāo)。各方案條件下苯泄漏上游除長(zhǎng)江魏村水源地受到影響外,均不會(huì)對(duì)上游其他保護(hù)目標(biāo)產(chǎn)生影響；苯泄漏各方案均會(huì)對(duì)下游保護(hù)目標(biāo)產(chǎn)生一定的影響,在落急條件下,下游最遠(yuǎn)可影響至長(zhǎng)江張家港三水廠水源保護(hù)區(qū)水域(見表1）。

表1 各方案苯泄漏對(duì)長(zhǎng)江上下游水源地影響預(yù)測(cè)結(jié)果Table 1 Impacts of benzene leakage to different water source under rising and falling conditions

4.2 不溶性?；罚ㄆ停┬孤┯?jì)算結(jié)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(dá)魏村水源地一級(jí)保護(hù)區(qū),厚度為0.10 mm,1.67 h后油粒子到達(dá)魏村水源地取水口,油膜厚度為0.05 mm(圖3）。由于油膜的擴(kuò)散、不利風(fēng)向和漲落潮的影響,持續(xù)污染影響6.83 h后,油膜才最終離開上游魏村水源地,不會(huì)對(duì)上游其他保護(hù)目標(biāo)造成影響。泄漏事故發(fā)生8.83 h后,到達(dá)窯港口水源地保護(hù)區(qū),油膜厚度0.08 mm,持續(xù)污染時(shí)間為12.17 h；9.08 h后到達(dá)西石橋水源地保護(hù)區(qū)水域,油膜厚度為0.08 mm,持續(xù)污染時(shí)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(huì)上溯至上游魏村水源地一級(jí)保護(hù)區(qū)以及取水口范圍內(nèi),也不會(huì)對(duì)上游其他保護(hù)目標(biāo)造成影響。對(duì)魏村水源地二級(jí)保護(hù)區(qū)持續(xù)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(fā)生4.5 h后到達(dá)窯港口水源地保護(hù)區(qū)水域,油膜厚度為0.10 mm,持續(xù)污染時(shí)間為11.83 h；在4.67 h后到達(dá)下游西石橋水源地保護(hù)區(qū)水域,油膜厚度為0.10 mm,持續(xù)污染時(shí)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(yù)測(cè)結(jié)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(fā)生對(duì)敏感目標(biāo)影響計(jì)算結(jié)果表Table 2 Impacts of gasoline leakage to different water source under rising and falling conditions

各方案?；沸孤┥嫌纬L(zhǎng)江魏村水源地受到影響外,均不會(huì)對(duì)上游其他保護(hù)目標(biāo)造成影響；漲急條件下,?；沸孤秾?duì)上游魏村水源地取水水質(zhì)產(chǎn)生影響,落急條件下,?；贩肿友睾拥老蛳掠芜\(yùn)動(dòng),雖受到漲潮影響,但不會(huì)移動(dòng)上游至魏村水源地一級(jí)保護(hù)區(qū)以及取水口。

5 保護(hù)措施

(1）跨江大橋護(hù)欄防撞等級(jí)設(shè)置為SS級(jí)以上,避免事故車輛沖入江中。

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

(3）在橋梁兩端設(shè)置禁止超車和警示標(biāo)志,防止交通事故的發(fā)生。

(4）公路運(yùn)營(yíng)單位制定專項(xiàng)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)事故應(yīng)急預(yù)案,配備應(yīng)急救援人員和必要的應(yīng)急救援器材、設(shè)備,并定期組織演練。

6 結(jié) 論

長(zhǎng)江江蘇段環(huán)境復(fù)雜多變,對(duì)于溢油事故模擬,需要考慮的因素較多,本次研究根據(jù)實(shí)測(cè)地形資料,采用數(shù)學(xué)模型對(duì)過江通道運(yùn)營(yíng)期危化品泄露事故進(jìn)行水環(huán)境影響模擬預(yù)測(cè)。考慮了不同水文條件,不同類型?；返那樾?。預(yù)測(cè)結(jié)果表明,漲落潮以及危化品的化學(xué)性質(zhì)對(duì)?；返臐舛取U(kuò)散范圍以及持續(xù)時(shí)間等有較為顯著的影響,研究結(jié)果對(duì)?；沸孤兜娘L(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急對(duì)策制定具有重要的指導(dǎo)意義。