栾国华 刘 付 李 鑫 储胜利

(1.中国石油集团安全环保技术研究院有限公司；2.中国石油大学(北京))

0 引 言

近年来，随着我国经济的快速发展，对石油和天然气等资源的需求量增加，管道建设迅猛发展，随之而来的风险也在增加。1973—2006年，我国沿海地区发生了2 600多起运输溢油事故，尤其自2005年以来，全国沿海和河流共发生了250多起运输溢油事故[1]，其中大型溢油事故具有较高的发生频率且多发生在入海口上游。沿海和河流受潮汐影响，更加快了泄漏油品的扩散速度。

目前国内有关河流水体的溢油模拟基本流程、影响因素、应急对策等方面的研究较少。本文运用MIKE 21软件对某河流水体进行模拟。精确地对溢油进行模拟，得出应急时间，可以大大提高溢油处置的成功率。

1 泄漏模拟技术介绍

1.1 水动力模拟技术原理

通过构建水动力模型，可对各种作用力而产生的水流、水位等水体多种变化进行模拟分析，详见公式(1)、(2)、(3)。

1)连续性方程

(1)

式中，h为水深；ζ为水位；t为时间；p为X方向上的流量通量。

2)X方向动量方程

(2)

3)Y方向动量方程

(3)

式中，q为Y方向上的流量通量；g为重力加速度；c为谢才数(Chezynumber)；ρ为海水密度；f为科氏力系数；fw为风阻力系数；Wx为风速在X方向上的分速度；Wy为风速在Y方向上的分速度；τxx，τxy，τyy为3个不同方向上的剪应力[2-5]。

1.2 溢油模拟技术及原理

MIKE 21 FM模型中的溢油模块(OS)主要用来预测海洋、河流中危险化学品的归宿，主要包括油的传输路径和化学组分的变化。该模块可对危险化学品在水中的漂移、扩展和风化等过程进行模拟研究，可分析溢油运动轨迹、油膜厚度、扫过面积以及危险化学品物理化学性质的改变情况等。溢油模块是将油膜概化为大量粒子的集合，每个粒子均有一定体积的危险化学品量[6-8]。油膜的漂移扩散过程主要通过粒子的随机运动来表示，而危险化学品风化过程可通过粒子的热量变化和质量损失进行描述[9-10]。

2 溢油风险与情景设计

东北地区跨越S河管道的长度为200 m，S河有3个水期，枯水期、平水期和汛期，流量分别为40，150，230 m3/s，如图1所示。

图1 泄漏点位置分布情况

根据调研情况，泄漏点的位置可能在穿越管道的任意位置，如果管道发生断裂(最坏的情况)，管道的泄漏速度为50 kg/s，泄漏15 min内关停阀门，停止压力输送。实际情况下，发生管道泄漏后，污染物在河流中的漂移扩散受很多因素的影响，包括：河流的流速、泄漏点的位置、风力条件等一系列环境因素。考虑S河的地理位置，做模拟时，只考虑了河流的流速和泄漏点的位置两个重要的影响因素，设置了9种泄漏事件情景，如表1所示。

表1 泄漏事件情景设置

3 水体溢油模拟研究

3.1 模型构建

建立水动力模型。利用MIKE Zero网格生成器创建地形网格。其中最大三角形面积为500 m2，最小允许角度为30°，区域内最大节点数为100 000，计算域内网格数为16 655个，为提高计算的精确度，将原油泄漏点附近的局部网格进行了加密处理，如图2所示。生成网格后，在网格编辑器中导入河底高程数据，并将其插值到各网格点，形成有效的计算网格，导出模拟区域的地形分布图，如图3所示。

图2 局部区域计算网格

图3 地形分布情况

3.2 率定与验证

图4中所示位置为验证点P、Q。根据水文站获取的实际监测资料，对模型参数进行率定与验证。经率定，底床摩擦力修正值为45 m1/3/s；Smagorinsky系数修正值为0.24 m2/s。

图4 验证点示意

根据P、Q两点2014年11月4日流速和水位实时数据对水动力模型进行验证，数据的日平均流量分别与近十年来该河段的枯水期、平水期和汛期平均流量相近。由图5可看出，流速与水位的计算值与实测

图5 水动力模型验证曲线

值的变化规律几乎一致，误差在合理的范围内，因此所建立的水动力模型能够表征S河的河流特征。

3.3 模拟结果

根据所设计的情景，模拟计算分别在枯水期、平水期和汛期管道A、B、C三点发生泄漏的漂移扩散状况。图6展示了在发生泄漏事故后不同时刻(0.5，2，3.5 h)的浓度分布情况。

图6 模拟结果

3.4 结果分析

1)浓度带轨迹分析。以枯水期浓度分布为例，由图6可看出，当原油从管道不同位置泄漏时，其漂移扩散规律有所不同。首先，当原油从管道A点泄漏后，其先沿着河流右岸边漂移边扩散；当原油从B点泄漏后，其浓度带主要顺着河流中心漂移扩散，遇到弯曲河道时，浓度带向外岸靠近；当原油从C点泄漏后，其浓度带首先沿着左岸进行漂移扩散运动，最终与A点浓度带位置保持一致。

2)浓度带影响面积分析。随着事故发生时间的推移，原油浓度带影响面积不断扩大，但在管道不同位置泄漏，其影响面积有所不同。其中当泄漏位置靠近河流沿岸时，受到河岸阻力的影响，扩散面积较大，且浓度带呈现明显的“拖尾”现象，导致部分原油在河岸处滞留，岸线污染严重；当泄漏位置靠近河中心时，原油在泄漏初期受河岸影响小，扩散面积相对较小，随着河道方向的不断改变，浓度带逐渐靠近河岸，对岸线产生一定影响，面积逐渐扩大，但仍具有较小的影响面积。

3)漂移扩散规律差异性分析。泄漏位置不同，原油运动规律的差异性主要体现在事故发生后的短时间内，随着原油漂移扩散的不断进行，其差异性越来越小，最终原油的运动规律由河流本身性质决定。

4)漂移扩散规律的应用。根据1)分析的规律，在设置应急处置断面时，需要在下游位置(溢油扩散轨迹与泄漏点无关的区域)并且流速缓慢的河段设置一个应急处置断面，以确保溢油被完全清理。根据2)分析的规律，可清楚看出河岸处溢油滞留的区域，在溢油清理过程中，可提高溢油清理的效率，缩短河岸处溢油清理的时间。

4 结 论

1)使用MIKE 21软件对模拟河段进行模拟，通过实时数据对模型进行率定与验证，验证了模型的可用性和稳定性。

2)根据模拟结果，考虑泄漏点位置和水期因素，设置了9种情景对模拟河段进行了模拟，得出了不同情景下的漂移扩散规律。为河流应急决策提供了支持。