環(huán)境風(fēng)險評價中溢油模式選擇及實例分析

■范紅兵

（南京科泓環(huán)保技術(shù)有限責(zé)任公司江蘇南京210000）

環(huán)境風(fēng)險評價中溢油模式選擇及實例分析

■范紅兵

（南京科泓環(huán)保技術(shù)有限責(zé)任公司江蘇南京210000）

《建設(shè)項目環(huán)境風(fēng)險評價技術(shù)導(dǎo)則》（HJ/T 169-2004）中，突發(fā)事故溢油的油膜計算采用P,C,Blokker公式，該模式假設(shè)油膜在無風(fēng)的條件下呈圓形擴展，具有一定局限性。Fay理論揭示了油膜自身的擴展機制，但在實際應(yīng)用中應(yīng)考慮流場及風(fēng)場對油膜擴散的影響，在風(fēng)和流場油膜成橢圓形擴展，橢圓長軸在風(fēng)和流場的合成方向上。建議在環(huán)境風(fēng)險影響評價中采用Fay模式并考慮風(fēng)速和流速影響，實例研究表明該模型操作性和可行性較好。

環(huán)境影響評價環(huán)境風(fēng)險評價溢油模式Fay模式

1 引言

船舶對水體的污染包含船舶的機艙艙底污水、油船壓載污水、洗艙污水以及海難事故及裝卸事故中的溢油等，其中又以石油溢油污染為主。溢油事故發(fā)生后，隨著張力和水流的作用，油膜會迅速擴散，在水面形成一片大面積的浮油。這將會對水域產(chǎn)生諸如降低浮游植物的光合作用，破壞動植物的細胞質(zhì)膜和線粒體膜，損害生物的酶系統(tǒng)和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而引起生態(tài)平衡失調(diào)等重大環(huán)境影響。因此，為減低溢油事故的環(huán)境影響，必須加強前期環(huán)境影響評價工作，從而環(huán)境影響評價中選擇合適的溢油模式以準確預(yù)測油膜污染范圍尤為重要。

在現(xiàn)有的《建設(shè)項目環(huán)境風(fēng)險評價技術(shù)導(dǎo)則》（HJ/T 169-2004）中[1]，突發(fā)事故溢油的油膜計算采用P,C,Blokker公式，該模式假設(shè)油膜在無風(fēng)的條件下呈圓形擴展，計算公式如下：

式中：Di—t時刻后油膜的直徑，m；Do—油膜初始時刻的直徑，m；rw、ro—水和石油的比重；VO—計算的溢油量，m3；K—常數(shù)，對中東原油一般取15000/min；t—時間，min；

由于Blokker（1964）只考慮重力和溢油體積的影響，忽略了表面張力和粘性力，所以該油膜擴展理論存在很大的局限性。故而提出一種可行、準確的易操作的溢油預(yù)測模型十分必要。

2 溢油擴散機理

2.1 溢油擴散定性說明

事故溢油進入水體后，溢油的行為和歸宿受物理、化學(xué)、生物等過程的影響呈現(xiàn)復(fù)雜的過程，為時間的函數(shù)。溢油在海上的行為隨時間的變化和歸宿主要考慮擴散、漂移和風(fēng)化過程。其中風(fēng)化過程為油的蒸發(fā)、溶解、分散、乳化、氧化、生物降解等，即受環(huán)境因素（風(fēng)、流、日照等）影響所發(fā)生的物理、化學(xué)變化過程。

一開始由于油膜很厚，溢油會迅速向四周擴散。一般油膜自身擴展持續(xù)時間較短，大約為數(shù)十分鐘到數(shù)小時。在此時間由于油膜很厚，剪切流的湍流作用不足以破壞油膜的連續(xù)性，因此水流的湍流效應(yīng)對油膜的擴散的影響并不明顯。隨著油膜自身擴展的進行，油膜越來越薄，湍流作用表現(xiàn)明顯。湍流擴散是水流的隨機脈動所導(dǎo)致每個油粒子的空間位移波動。剪切流主要影響油膜的變形，而作為一種隨機運動的湍流則直接影響油膜的擴展尺度。油粒子在垂直方向上的運動過程，主要表現(xiàn)為油粒子在波浪的擾動下以微滴的形式進入水體內(nèi)部，入水油滴在垂向上湍流運動，在浮力作用下上浮。油膜在海面的漂移運動主要受制于表面流驅(qū)動，而油膜的上邊界直接受風(fēng)的切應(yīng)力作用而影響油膜對流。

2.2 溢油模型[2~8]

在溢油擴展模擬理論方面，Okubo(1962)總結(jié)現(xiàn)場資料，建立了油膜擴散的經(jīng)驗?zāi)Ｊ?。Blokker（1964）只考慮重力和溢油體積的影響，忽略表面張力和粘性力，得到了油膜擴展理論。Fay(1969,1971)在這方面進行了開創(chuàng)性的工作，他基于重力、表面張力、慣性力和粘性力的作用，提出了油膜擴展三階段理論，它們兩兩平衡，形成擴展過程的三個階段。包含慣性擴散階段、粘性擴散階段以及表面張力擴散階段。Lehr模式考慮了流場及風(fēng)場對油膜擴散的影響，認為油膜成橢圓形擴展，橢圓長軸在風(fēng)和流場的合成方向上。該模式正確反映了油膜在風(fēng)向上拉長的現(xiàn)象。

在溢油模型模擬方面，國外的相關(guān)模型多數(shù)是針對海洋溢油擴散的模擬，也有少數(shù)針對或可被應(yīng)用于內(nèi)河的模型，其中比較著名的模型有RiverSpill、Wpmb、NRDAM、MIKE21/3和ROSS系列。國內(nèi)比較成功的系統(tǒng)包括俞濟清、魏敏、黃立文等在舟山港建立的溢油模擬信息系統(tǒng)，焦俊超、熊德琪、楊立等在珠江口區(qū)域海上溢油應(yīng)急預(yù)報信息系統(tǒng)、馬安青等在渤海灣建立的溢油預(yù)測系統(tǒng)、安偉、王永剛等建立的中國近海海上溢油預(yù)測和決策支持系統(tǒng)。

2.3 Fay模型

根據(jù)以上分析推薦采用采用費伊（Fay）油膜擴延公式作為溢油事故污染風(fēng)險預(yù)測模型。費伊把擴展過程劃分為三個階段：

在慣性擴展階段，油膜直徑為：

在粘性擴展階段：

在表面張力擴展階段：

在擴展結(jié)束之后，油膜直徑保持不變：

在實際中，膜擴散使油膜面積增大，厚度減小。當(dāng)膜厚度大于其臨界厚度時（即擴散結(jié)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(xù)擴散。一旦擴展成膜后，油膜會在水流、風(fēng)生流作用下產(chǎn)生漂移，同時溢油本身擴散的等效圓膜還在不斷的擴散增大。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在S0，經(jīng)過Δt時間后，其位置S由下式計算：

油膜運移矢量預(yù)測模型見下式：

其中，V油，油膜運移速度；V流，水面流速；V風(fēng)，水面10m高處風(fēng)速；Q，風(fēng)速對水流的貢獻率，取經(jīng)驗值3%。計算油膜漂移的主要目的在于確定油膜質(zhì)心的運動軌跡，預(yù)測油膜的登陸時間和地點。

3 實例

江蘇省泰州引江河二線船閘等級為Ⅲ級，近期船型主要以500噸級、300噸級頂推船隊和100噸級拖帶船隊為主。由于船閘位于引江河，為安全起見，假設(shè)運輸船舶有溢油事故發(fā)生。事故溢油主要為船舶自身的燃料油，根據(jù)500噸級船載儲油量按照一天計約5噸，一旦發(fā)生船舶相撞導(dǎo)致漏油現(xiàn)象，船方會立即啟動應(yīng)急程序，對燃料油進行圍堵、蘸、吸，并通過相關(guān)部門應(yīng)急救. ，但會有少部分油會泄露。如果發(fā)生泄漏事故，風(fēng)向因素對不溶于水的在水面漂浮的污染物的移動影響較大，如果風(fēng)向為朝岸，則對岸邊的生物有影響，如果為離岸風(fēng)，則對岸邊敏感目標影響較小。根據(jù)區(qū)域氣象條件相關(guān)資料，本地區(qū)春夏季主導(dǎo)風(fēng)向東南、東，秋冬季主導(dǎo)風(fēng)向東北、東，常風(fēng)向東北，年平均風(fēng)速3.2m/s。引江河平均流速0.88m/s,水面寬100米，在主導(dǎo)風(fēng)向、平均風(fēng)速情況下，計算結(jié)果見表1和2。

由表中事故溢油預(yù)測結(jié)果表明：在不采取措施時漲急情況下燃料油污染的最大擴散距離7.36km；落急情況下燃料油污染的最大擴散距離16.85km。在約226分鐘后，油膜達到臨界厚度0.06mm，繼而油膜將會被破壞，呈分散狀，油膜破壞后，將在水力和風(fēng)力作用下繼續(xù)發(fā)生蒸發(fā)、溶解、分散、乳化、氧化、生物降解等，即受環(huán)境因素影響所發(fā)生的物理化學(xué)變化，逐步消散。因此溢油事故一旦發(fā)生對引江河水質(zhì)產(chǎn)生污染影響。長江位于高港樞紐二線船閘上游約2km，漲急情況下，發(fā)生溢油事故若不采取措施將會對長江水質(zhì)造成影響。泰州市備用水源地位于船閘下游約17km,落急情況下，發(fā)生溢油事故，若不采取措施將會對泰州市備用水源地水質(zhì)造成影響。

表1 高港樞紐二線船閘溢油事故影響范圍(漲急)

表2 高港樞紐二線船閘溢油事故影響范圍(落急)

4 結(jié)論

Fay理論揭示了油膜自身的擴展機制，但在實際應(yīng)用中應(yīng)考慮流場及風(fēng)場對油膜擴散的影響。在風(fēng)速和流速影響下，油膜成橢圓形擴展，橢圓長軸在風(fēng)和流場的合成方向上。建議在環(huán)境風(fēng)險影響評價采用Fay模式及考慮風(fēng)速和流速模型，實例研究表明其操作性和可行性較好。

[1]建設(shè)項目環(huán)境風(fēng)險評價技術(shù)導(dǎo)則.HJ/T 169-2004

[2]胡二邦.環(huán)境風(fēng)險評價實用技術(shù)、方法和案例.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2009.2

[3]交通部科學(xué)技術(shù)情報研究所.海上溢油防治新技術(shù).北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，1991

[4]夏永明.石油儲運過程中環(huán)境污染控制.北京：中國石化出版社，1992

[5]S Contini,A Servidal.Risk analysis in environmental im原pact studies.Environmental Impact Assessment,1992:79-103 [6]Asian Development Bank.Environmental risk assessment. Office of the Environment.ADB.1990

[7]于立見.定量風(fēng)險評價中泄漏概率的確定方法探討.中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2007,3（6）

[8]中石化青島安全工程研究所.石化裝置定量評估指南.北京：中國石化出版社，2007:

X4[文獻碼]B

1000-405X（2016）-6-384-2