基于遙感衛(wèi)星影像的內(nèi)河油品碼頭溢油事故風(fēng)險影響研究

基金項目：

廣西重點研發(fā)計劃資助“公路跨敏感水環(huán)境保護(hù)和風(fēng)險防控關(guān)鍵技術(shù)研究（自籌）”（編號：桂科AB22080021）

作者簡介：

馮進(jìn)仕（1976—），工程師，研究方向：市政工程、環(huán)境治理。

摘要：文章以貴港港總體規(guī)劃修編為例，基于遙感衛(wèi)星影像，通過高動態(tài)的影像更新解決水動力模型動邊界問題，利用MIKE21溢油模型，分析規(guī)劃的油品碼頭岸線在不同情景下發(fā)生溢油事故后對下游環(huán)境敏感區(qū)的影響，從規(guī)劃層面分析油品碼頭岸線布置的環(huán)境合理性，并提出相應(yīng)的調(diào)整建議和保護(hù)措施，從源頭降低規(guī)劃油品岸線對區(qū)域環(huán)境的風(fēng)險影響，以實現(xiàn)港口規(guī)劃與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：遙感影像；內(nèi)河油品碼頭；溢油模型；MIKE21

中圖分類號：U656.1+32文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 63 207 3

0 引言

過去二十年，我國成品油需求規(guī)模不斷增加，未來成品油需求仍將保持在一個較高的水平［1］。成品油水上運(yùn)輸作為成品油供應(yīng)鏈的重要一環(huán)，其運(yùn)輸量隨著成品油流通與貿(mào)易逐漸增長。為適應(yīng)這一需求，內(nèi)河港口規(guī)劃中往往新增配套布置有油品碼頭，用于成品油水上運(yùn)輸?shù)慕有丁?/p>

油品碼頭接卸過程操作不當(dāng)，是發(fā)生溢油事故的主要原因之一。根據(jù)統(tǒng)計，全世界溢油事故發(fā)生在港口的占比為92%，發(fā)生在水上的占比為8%［2］。河流中往往分布有大量的自然保護(hù)區(qū)、集中式飲用水水源保護(hù)區(qū)以及魚類產(chǎn)卵場、索餌場及越冬場等環(huán)境敏感區(qū)，若油品碼頭岸線選址不合理，一旦發(fā)生溢油事故，可能會對下游環(huán)境敏感區(qū)造成極大危害。

本文以貴港港總體規(guī)劃中擬設(shè)置的黃村油品碼頭岸線為例，采用溢油模型，分析不同情境下油品碼頭發(fā)生溢油事故后對下游環(huán)境敏感區(qū)的影響程度，判斷油品碼頭岸線選址的環(huán)境合理性，并提出相應(yīng)的調(diào)整建議和保護(hù)措施，為實現(xiàn)港口規(guī)劃與生態(tài)環(huán)境保護(hù)相協(xié)調(diào)提供參考。

1 規(guī)劃概況

貴港港總體規(guī)劃范圍為貴港市境內(nèi)的郁江、潯江以及黔江河段，規(guī)劃有黃村油品碼頭岸線，位于桂平市黃村附近的郁江河岸，主要運(yùn)輸油品均為汽油和柴油。岸線下游約5.3 km為桂平樞紐，岸線下游9.2 km處黔江與郁江匯合形成潯江。

黃村油品碼頭下游40 km內(nèi)分布有10處環(huán)境敏感區(qū)，包括6處集中式飲用水水源地取水口、1處魚類產(chǎn)卵場、3處魚類越冬場及1處魚類索餌場。其中，銅鼓灘桂平三江口東塔魚類產(chǎn)卵場是我國第二大、廣西第一大淡水魚類天然產(chǎn)卵場，系珠江水系西江段最大的草魚、青魚、鰱魚、鳙魚、鯪魚、鳊魚、鰣魚等魚類的天然產(chǎn)卵場。

2 基于遙感影像的河道邊界提取

由于天然河道中的江邊灘涂、江心洲的范圍會隨著季節(jié)、庫區(qū)調(diào)蓄造成的水位波動而發(fā)生改變，也給預(yù)測造成了一定困難。因此，本次研究選擇夏季豐水期最不利影響和平水期兩個時段，通過選擇研究區(qū)域Landsat8影像，經(jīng)過正射校正、大氣校正、圖像融合等預(yù)處理，選取band5、band6、band4三個波段進(jìn)行組合，較為精確地提取了河道邊界。如圖1所示。

3 溢油模型

3.1 模型簡介

當(dāng)溢油進(jìn)入水體后，油膜組分將經(jīng)歷一系列復(fù)雜的變化過程。首先，油膜會擴(kuò)展、漂移和擴(kuò)散，維持一定的輸移速率。與此同時，油膜中的組分保持相對恒定。然而，油膜在水體中會遭遇風(fēng)化過程，其中涉及蒸發(fā)、溶解和乳化等反應(yīng)。這些風(fēng)化過程會導(dǎo)致油膜中的組分發(fā)生改變，從而對水體環(huán)境產(chǎn)生影響?？傮w而言，溢油的影響是一個復(fù)雜的動態(tài)過程，受到多種因素的影響，包括水體流動性、環(huán)境溫度、化學(xué)性質(zhì)等［3-4］。丹麥水利研究所研發(fā)的MIKE21軟件是一個專業(yè)的工程軟件包，其中的溢油模塊（OS）采用粒子隨機(jī)走動法，在構(gòu)建完成二維水流模型的基礎(chǔ)上，考慮了溢油揮發(fā)、溶解、乳化等風(fēng)化過程，可預(yù)測油類在水體中的漂移擴(kuò)散路徑及對水域的污染范圍，定量分析溢油污染對環(huán)境敏感區(qū)的影響程度。

3.2 二維水流模型

3.2.1 模型的基本原理

研究河段河道水流特征較為平穩(wěn)，可采用水深平均的平面二維淺水?dāng)?shù)學(xué)模型，但同時也存在局部不規(guī)則區(qū)域的地形，針對這些較為復(fù)雜的區(qū)域，采用正交曲線坐標(biāo)求解后進(jìn)行網(wǎng)格數(shù)據(jù)的補(bǔ)充。

3.2.2 計算條件選取

根據(jù)收集到的當(dāng)?shù)氐乩憝h(huán)境特征，河道糙率系數(shù)為0.021～0.033。通過考慮事故源的位置和風(fēng)向的影響，能夠更全面地預(yù)測可能的風(fēng)險擴(kuò)散情況，這有助于制定針對性的應(yīng)急措施和風(fēng)險管理策略，以最大程度地減少可能的損害。風(fēng)速選取當(dāng)?shù)氐哪昶骄L(fēng)速為2.49 m/s，而風(fēng)向則選取西南風(fēng)（SW）吹向城市區(qū)域。

3.2.3 模型建立及驗證

3.2.3.1 河道范圍選取

黃村油品碼頭計算河段范圍選取郁江上至黃村、黔江上至黔江大橋，下至潯江大湟江口下游3.5 km，模型全長約40 km。計算范圍網(wǎng)格數(shù)為9 138個，節(jié)點數(shù)為5 677個。模型計算范圍地理位置及計算河段高程見圖2。

3.2.3.2 水位及流速驗證

黃村油品碼頭岸線計算河段沿程分布有桂平水文站及大湟江口水文站。經(jīng)綜合考慮，在沿程增設(shè)2個水文驗證斷面（即圖2中的1#、2#驗證斷面），對左、右岸水位、斷面流速分布等進(jìn)行觀測。

各水文驗證斷面水位計算值與實測值比較結(jié)果見表1，斷面流速計算值與實測值比較結(jié)果見圖3。對比結(jié)果顯示，水位計算值與實測值偏差均在0.1以下，流速計算的斷面流速分布與實測流速分布趨勢基本接近，大部分測點流速誤差均在0.05 m/s以內(nèi)，個別流速誤差為0.2 m/s，表明模型基本能夠反映本河段流速情況。

通過對模型水位和斷面流速分布進(jìn)行率定驗證，結(jié)果顯示選用的糙率系數(shù)在反映河道綜合阻力方面表現(xiàn)出良好的匹配性。 模型成功地模擬了河段內(nèi)水流的運(yùn)動規(guī)律，這意味著可以在特定情景下使用這個模型進(jìn)行有效的計算分析。 因此，這個模型具備了進(jìn)行溢油泄漏風(fēng)險評估的潛力。然而，模型的準(zhǔn)確性仍受到多種因素的影響，包括水流的復(fù)雜性、地形變化以及外界環(huán)境的變化等。 因此，在實際應(yīng)用中，需要結(jié)合實地數(shù)據(jù)和實際情況，綜合考慮不同因素，以保證模型的可靠性和精確性。

4 溢油事故情景設(shè)定

溢油事故發(fā)生地點選取在黃村油品碼頭前沿；泄露油品種類選取吞吐量較大的柴油作為預(yù)測因子；溢油量根據(jù)《水上溢油環(huán)境風(fēng)險評估技術(shù)導(dǎo)則》（JT/T1143-2017），按設(shè)計代表船型（3 000噸級）的1個貨油邊艙的容積確定，容積為320 m3；根據(jù)目前國內(nèi)船舶油品泄漏應(yīng)急處置相關(guān)要求，油品泄漏事故能在30 min內(nèi)將事故控制，因此模型按溢油在30 min均勻泄露完畢；水文條件根據(jù)《水上溢油環(huán)境風(fēng)險評估技術(shù)導(dǎo)則》（JT/T1143-2017），選擇豐水期、平水期分別進(jìn)行預(yù)測，其中豐水期流量采用10%保證率的月均流量，平水期流量采用多年平均流量。

5 溢油模擬結(jié)果分析

在豐水期、平水期條件下，黃村油品碼頭前沿水域發(fā)生溢油事故時，油膜達(dá)到下游環(huán)境敏感區(qū)時間如表2所示；油膜軌跡如圖4～5所示。

（1）根據(jù)預(yù)測結(jié)果，豐水期水文條件下，黃村油品碼頭發(fā)生溢油事故后，油膜最快2.68 h到達(dá)下游最近的環(huán)境敏感區(qū)；平水期水文條件下，油膜最快10.62 h達(dá)到下游最近的環(huán)境敏感區(qū)。

（2）在不同水期情況下，油膜達(dá)到各環(huán)境敏感區(qū)時間差異較大，說明河流流速是影響油膜向下游擴(kuò)散速度的主要影響因子。

6 溢油事故應(yīng)急措施建議

溢油事故發(fā)生后，油膜的漂移和擴(kuò)散將造成河流水質(zhì)污染，危害飲用水水質(zhì)安全及水生生物原有生存環(huán)境，造成污染水域內(nèi)短期的魚類急性中毒和長期的可能致突變性等問題，須制訂完善的環(huán)境風(fēng)險防范措施和應(yīng)急預(yù)案，在事故發(fā)生后及時響應(yīng)，防止溢油擴(kuò)散到下游環(huán)境敏感區(qū)，降低經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染。

（1）可在油品碼頭設(shè)置獨立的應(yīng)急資源儲備庫，按照《港口碼頭水上污染事故應(yīng)急防備能力要求》（JT/T451-2017）儲備常用的溢油應(yīng)急處置物資，包括圍油欄、吸油氈、收油機(jī)等。油品碼頭運(yùn)營單位制定環(huán)境風(fēng)險應(yīng)急預(yù)案，環(huán)境風(fēng)險預(yù)案應(yīng)加強(qiáng)與海事、交通、生態(tài)環(huán)境等相關(guān)部門的應(yīng)急聯(lián)動。

（2）加強(qiáng)油船在?？看a頭或作業(yè)期間的環(huán)境事故風(fēng)險防范，應(yīng)在周邊設(shè)置阻燃型圍油欄；一旦發(fā)生溢油事故，應(yīng)盡早在溢油事故點下游設(shè)置圍油欄，防止溢油進(jìn)一步向下游環(huán)境敏感區(qū)擴(kuò)散；同時，黃村油品碼頭下游有桂平樞紐，環(huán)境敏感區(qū)均位于桂平樞紐下游，一旦發(fā)生溢油事故時，可通知樞紐管理單位，減少樞紐下泄量，減緩河流流速，從而達(dá)到控制溢油向下游擴(kuò)散的目的。

7 結(jié)語

本研究利用遙感衛(wèi)星影像，通過預(yù)處理后解譯提出了較為精確的河道邊界。由于常見的Landsat、Sentinel-1衛(wèi)星影像周期一般在十余天，高動態(tài)的影像更新為解決水動力模型動邊界問題提供了一個新的解決思路。通過利用MIKE21的溢油模型，預(yù)測貴港港規(guī)劃的黃村油品碼頭發(fā)生溢油事故后對下游環(huán)境敏感區(qū)的影響。結(jié)果表明，在不利條件下，該碼頭前沿發(fā)生溢油事故后，油膜達(dá)到下游環(huán)境敏感區(qū)時間＞2 h，有較為充足的時間來啟動應(yīng)急預(yù)案；在及時采取相應(yīng)應(yīng)急措施前提下，可確保溢油不會對下游環(huán)境敏感區(qū)造成影響；從環(huán)境角度看，該油品岸線選址較為合理；發(fā)生溢油事故后，可在溢油事故點下游設(shè)置圍油欄，并聯(lián)動下游樞紐，采取減少樞紐下泄量等措施，控制溢油向下游擴(kuò)散范圍。

通過MIKE21溢油模型，可直觀體現(xiàn)規(guī)劃的油品碼頭岸線對下游環(huán)境敏感區(qū)的影響程度，反映岸線選址的合理性，從環(huán)境保護(hù)角度為港口規(guī)劃提供相關(guān)調(diào)整建議和保護(hù)措施，以實現(xiàn)港口規(guī)劃與生態(tài)環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展。

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