可溶性液體化學品泄漏對水環境影響的數值模擬應用

彭 超

（湖南葆華環保有限公司，湖南 長沙 410007）

0 引言

隨著我國經濟持續快速地發展，液體化學品的需求量日益增大。由于液化產品供需的地理位置不平衡，液體化學品以專用船舶散裝運輸，因其具有運量大、中間環節少、周轉快、包裝節省、運輸費用低、貨物損失少等優點，使其成為地區之間液化產品運輸的主要方式，并呈現出逐年增長的快速發展趨勢。我國的液化產品碼頭多離水源保護區較近，一旦由于不可抗力作用、設備故障、操作者疏忽、船舶災難等因素造成泄漏，就可能引起對水源地的污染事故，威脅城鎮居民的供水安全[1-2]。

國內外在海洋區域及河口區域的液化泄漏行為歸宿數值模擬研究較多[3]，但針對狹長形的內陸河道液化數值模擬方面的研究卻鮮有報道。本文以長江揚中段發生可溶性化學品（甲乙酮）泄漏事故為例，針對水動力采用三維水流水質模型，模擬可溶性污染物對下游水環境的影響。

1 典型案例泄漏污染源源強識別

擬建碼頭位于江蘇省揚州市，前沿天然水深好、江面寬闊，具有良好的建港條件。擬利用本項目岸線規劃建設1個成品油集散中心和1個化工品集散交易中心。本工程年設計吞吐量為1 271.45萬噸，主要進行成品油、液體化工品和固體化工品的裝卸。擬建設2座4萬噸級雜貨泊位、1座3萬噸級油化泊位、2座1千噸級油化泊位、8座500噸級油化泊位、2座3萬噸級液化泊位（其中1座預留，利用已建原料1號、2號碼頭）、5座500噸級雜貨泊位。

本碼頭工程建成后運輸液體化工物料代表船型以10 000 DWT居多；油品吞吐量相對較大，以大型船舶為主，按最大50 000 DWT考慮。根據《石油化工碼頭裝卸工藝設計規范》（JTS165-8—2007），10 000 DWT船型貨油泵參數為500 m3/h，50 000 DWT船型貨油泵參數為1 200～1 500 m3/h（按1 350 m3/h計）。

2 非穩態三維水動力及水質方程

本次主要模擬對象是長江揚中段液體化學品碼頭泄漏對下游水廠取水口影響，因為要考慮取水口設置高度問題，故采用非穩態三維水流模型模擬長江揚中段的潮流特性，采用非穩態三維水質模型模擬可溶性液體化學品泄漏后污染分布情況。

2.1 水動力方程

結合笛卡爾坐標系，給出描述天然水域的三維水流運動的基本控制方程組。

狀態方程（基于流體不可壓縮，根據UNESCO公式得到）：

在深度為z處的壓強可以通過對方程沿垂向積分得到：

方程變為：

其中：

式中：u、v、w分別為坐標x、y、z方向上的流速分量；ρ0為水流參考密度；ρ為液體密度；p為壓強；f為柯氏參數，f= 2Ωsin?，Ω= 2π/86 184為地球自轉頻率，?為當地緯度；g為重力加速度；vz為垂向渦粘系數；us、vs為源項排放速度在x、y方向上的流速分量；S為源項排放量；AM為水平渦粘系數[4]。

（1）水平紊動粘滯系數

水平方向上紊動粘滯系數采用Smagorinsky亞網格尺度紊動模型計算，該方程的解在模型中會被自動調用：

（2）垂向紊動粘滯系數

垂向紊動粘滯系數通過Kolmogorov-Prandl（柯莫哥洛夫-普朗特）求解，即：

式中：Cμ為經驗常數，取值為0.09；k為紊動動能；ε為紊動動能耗散率。其中k和ε可以通過求解k-ε方程可以得到。

2.2 可溶性液體化學品擴散方程

式中：S為污染物濃度；t為時間坐標；u、v、w分別為縱向、橫向、垂向速度；Ex、Ey、Ez分別為橫向、縱向、垂向擴散系數；K為自凈系數；S為污染物源強。

2.3 參數選取、率定及驗證

文中建立的非穩態三維水動力水質擴散模型在長江小河口段至十二圩段已取得了很好的驗證[5]，表明本次采用的模型模擬較為準確可靠。式中Ex=6.0 hU°，Ey = 0.5 hU°，Ez = 0.065 hU°，其中U°為摩阻流速。為了使甲乙酮模擬結果偏安全，不考慮甲乙酮自身降解，取K = 0。

2.4 邊界條件

開邊界：以大通水文站最枯月平均流量7 580 m3/s作為上邊界條件；以平均水位作為下邊界條件。

2.5 網格剖分

采用無結構三角網格劃分計算區域，平面共布置2 322個節點，4 210個網格單元。垂向上采用等距離分層進行剖分，共分為10層，排口位置設在水體表層，新建取水口根據其高程，設在第3層。

圖1 計算水域網格劃分Fig.1 Computational water grid division

3 模擬工況

本次風險評估對距離擬建碼頭下游3 030 m處的魏村水廠（以下簡稱水廠）新建取水口進行評估，分析擬建液體化學品碼頭可溶性化學品泄漏對下游水廠取水頭部口的影響，風險排放評價的可溶性污染物以甲乙酮為例，模擬排放持續時間為30 s，排放的污染物量為4.17 m3，裝卸貨種物料泄漏量見表1。

表1 碼頭事故泄漏量計算Tab.1 Calculation of accident leakage of wharf

目前在我國地表水水質標準中，尚未將甲乙酮作為識別因子。本次預測采用前蘇聯《生活飲用水和娛樂用水水體中有害物質的最大允許濃標準》中甲乙酮的限值1.0 mg/L。

4 預測結果分析與評價

4.1 污染帶分析

表層的甲乙酮在事故發生32 min后超標（濃度＞1.0 mg/L）面積最大。甲乙酮超標面積最大時污染帶包絡線統計幾何參數見表2。事故32 min后甲乙酮超標范圍見圖2。

表2 污染物最大超標范圍包絡線幾何參數Tab.2 Geometric parameters of envelope of maximum exceeding standard range of pollutants

圖2 事故32 min后甲乙酮超標范圍圖Fig.2 The exceeded standard range diagram of methyl ethyl ketone 32 minutes after the accident

由表2可知，甲乙酮增量大于1.0 mg/L的縱向分布范圍為591 m，寬度為384 m，影響范圍相對較小。

4.2 取水口沿線典型時刻污染物濃度立面分布

圖3為事故泄露發生后300 min、420 min時刻甲乙酮濃度在縱立面圖上的分布，甲乙酮在取水口垂線處濃度滿足相應的水質標準。

圖3 水廠取水口沿線甲乙酮濃度變化剖面圖Fig.3 Profile of methyl ethyl ketone concentration change along water intake of waterworks

模擬結果顯示，沿著水流方向，隨著污水團不斷向下游遷移，污水團中心可溶性污染物濃度沿流程逐漸減小。同一斷面處的縱剖面的濃度變化呈現出一個典型的非穩態變化過程，即經歷了從無影響→受到影響→影響增加→達到峰值→逐步衰減→影響消失的過程。

4.3 事故泄漏對取水口橫斷面水質的影響

重點分析事故排放對水廠新建取水口的影響。水廠新建取水口位于碼頭下沿下游3 030 m，距岸邊260 m，擬定取水頭部高程為-15 m。泄漏事故發生289 min后，水廠新建取水口處表層甲乙酮的濃度達到最大，由于底層流速小于表層流速，取水口部污染物濃度達到最大值的時間比表層晚12 min。取水口垂線處甲乙酮最大濃度為0.113 mg/L，取水口斷面甲乙酮濃度滿足相應水質標準（1.0 mg/L）要求。圖4為事故排放后289 min（污水團中心到達取水口表層）取水口縱剖面甲乙酮的濃度分布圖。

圖4 事故排放后289 min取水口橫斷面甲乙酮濃度分布Fig.4 Concentration distribution of methyl ethyl ketone in cross section of water intake 289 minutes after discharge accident

5 結論及展望

本文利用三角形網格法，建立了三維水動力和可溶性污染物輸運數學模型，采用無結構三角形網格劃分計算區域，以江蘇省揚中市某擬建化學品碼頭為研究案例，確定裝卸泄漏的污染物源強，建立三維水動力模型、三維可溶污染物擴散模型，模擬泄漏事故發生后對下游取水口造成的水環境影響。此外，本文還模擬出污染團中心達到取水口位置的時間，為發生泄漏后下游取水口應急預案的制定提供技術依據。