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1、大连湾易溶保守液体化学品污染扩散初探 雷孝平朱国林 ( 大连海事大学 中国大连) 摘要 本文根据船运液体化学品的性质，将其溢漏后运动形式分成五类以大连湾为依托 对其中 易 溶保守 液体 化学品 的 扩散 形式 进厅 初步 研究。 根 据浅 水 潮波理论， 采用A D 法， 计 算 大 连 湾 m : 分 潮流 场。 利 用即 得 潮 流的 潮 位 资 料 ， 采 用 深 度 平 均 二 维扩 散 模型， 对易 溶 保 守液体化学品进行扩散计算，取得直观上较为准确的污染物浓度时空分布。为环境应急反应 决策，污染损失计算提供了依据 ，引言 近年来大连湾海上散装液体化学品运输业发展迅猛，除大连港该类
2、货品吞吐量稳步增长 外， 以多种融资形式兴建的液体储罐码头规 模宏大。 如大连港湾液体储罐码头公司 D M T T C ) 和大连化学工 业公司 等。鉴于 该类货品的危害 特性，为保护大连湾环境及资源，9 -Tk 待制订溢 漏事故应急反应计划，解决损害赔偿处理中污染损失计算等实际问题。这就必须以获取溢漏 物在海水中的运动状况为前提。 2大连湾易溶保守液体化学品污染扩散数学模型的建立 2 . ，船运散装液体化学品 溢漏 扩散的 主要运动形式 一般而言，其溢漏后的某一阶段以 某一运动形式为主，且辅以多种形式在环境中输移、 扩散。 可 将其主 要运动形式分 成五 类: ( I ) 强 挥发性 类 蒸
3、 汽在空气中的 输移 和 扩散: ( 2 ) 不 溶 于 水， 在水 面以 二维形式 进行 输移 和 扩散: ( 3 ) 溶于 水， 在水白以 三 维形 式 输移、 扩散; ( 4 ) 比 重大且不溶于水，沉降于水底: ( 5 ) 与空气和水发生反应 对某一类物质而言， 应根据其理化性 质， 分析其在环境中 主要的运动形式， 给出该类物质在 不同时期、介质中的输移、扩散的数学模型。对其进行模拟，以获取其运动的时空分布和归 宿。 2 . 2模型的建立和流场的准备 因水域环境的不同，易溶保守物质扩散形式不同。适当的 输移、扩散 和水动力模型取决 于液体化学品的 特性以及关心海域水动力特胜。大连湾内
4、水流土要是潮汐流，正规的半日 潮 流，水体混合较为充分，对易 溶保守 液体化学品 可采用 深度平均的 二维潮流数学模型和输移、 扩散模型。 为做好流场的准备， 根据浅水潮波理论 建立了 大连湾潮流数学模型， 采用A D I 法、开 边界强 迫水位和二维信息 控 制， 得出 大连湾 M : 分 潮流场、 潮位值 计算结果的 实侧资 料吻 合较好且缩短了计算时间口 3基本方程及定解条件 根据大连湾的水深条件及扩散范围， 本文选用深度平均浓度扩散方程: a ( H P ) a ( H U P ) + 一 下一 一 一+ a x a ( HV P ) a y二 a (H K ,cx豁氦 、 L apa
5、y ) 、 (1) 其中，H= h + 4 ; h为平均海平面以下的水深:J 为平均海平面以上的海面高度; P为 液 体 化 学 品 在 水 中 的 浓 度 : U . V 为X , Y 方 向 上 潮 流的 速 度 分 量 : 凡、 凡为X , Y 方向 上 的 扩散系数;:i 1 为液体化学品单位时间内溢漏的数量。 3)叼 在大连湾潮流和潮汐的数值计算基础上，由方程 ( 1 ) 求解P 的定解条件为 在r - 0 的初始时刻有:尸 = 口 在计算区域 的开 边界P : 上， 有: aP (“ ”1) aP- + (u n,)-at one 一 。(4 m ) 尸 = 0( 涨潮) 在计算区
6、域的闭 边界r ， 上， 有: ( 2 ) ( 5 ) n曰 护一抓. 几 其 中 : n n 2 分 别 为 开 边 界 及 闭 边 界 的 单 位 法 向 矢 量 ; u = L 十 V “ : D , 为 液 体 化 学 品 浓 度 扩 散 系 数在n : 上 的 投 影 在建立方程 ( 功 的A D 有限差分格式时，使用 同潮流计算一样的交错式网格 ( 图 1 ) a P的差分点 与弓 的相同，K , . K , V 的差分点相同。 的差分点分别与潮流分量 U和 由于方程 ( 1 )中的平流输运项 a y 汉H U P ) 以H V P ) 的空间非对称性而不可使用空 fa l T 嵘
7、 分， 否则战 腿雌 。因此，对平澎睬一 用 “ 迎风” 差分格式图I交错式网 格 按 照A D I 法， 在 前半时间 步长k o t - ( k + I ! 2 ) A t 上，得: A , “ p -, 少十 B ,., P ,丫 2 十 C “ I“J 牟 群一 D ,; (6 ) 同 理可 得 后 半 时 间 步长( k + 1 / 2 ) A t - - ( k + l ) .l t 的 差 分 方 程。 对 于任 意 行 或 列， 应 用 ( 6 ) 式 可 得二 对角方 程组 脚 ， 夕 I = D 1 . 用追赶 法求解。 在 k ,A t - ( k + 1 /2 ) A
8、时间半步 长， 进行隐 式 行计 算: 在 ( k + 1 1 2 ) 4 t-(k+1) A t 时间 半 步长 ， 进行隐式 列计 算。 如此循环， 可得 扩散 结果。 4输入条件和计算程序 输入条件如表 表I输入条件 输入内容取 值 坐标及计算网格如图 1 水深 从海图 1 1 3 8 1上读取，每一水深取其四周的平均值， 然后订正 到平 均海平面深度、闭边界上的水深不小于当 地大潮潮高。 步长0 X = A Y = A S = 1 0 0 0 m , t = 1 2 m i n 流速和水位第八个潮周期输出的潮流场和潮位场 扩散系数 K 二 一 : .9 3 H J n h 一 ， 6
9、U l ， K , 二 5 .9 3 H g- n h - “ jV J 污染源航行、锚泊、装卸货的散化船或液体化学品储库四个事故溢漏源 初始值 本 计 算 取 为。 ， 可 根 据 实 际 情 况 具 体 选 取 计算程序用F O R T R A N 5 . 1 语言编制而成，在金长城P C机上运行通过; 绘图程序用C语 言编制而成 ( 程序结构见框图2 ) 。 在扩散模型中 潮流作为已 知量提供， 本文利用第八周期计 算的潮流场进行计算。 5溢漏事故模拟试算 根据大连湾内散化码头分布、散化船通航密度、 散化储库的 位置分布， 就以 下 位置作为 事故发生潜在地点进行溢漏事故模拟:大连港湾液
10、体储罐码头 ( D M T T C ) : 海湾中部航道; 大连化学工 业公司的散化储库。溢漏物为易 溶保守散装液体化学品， 模拟计 算追踪至观测点 相邻周期 浓度差 值小于 1 0仪 到 砰。 经 1 0 0多 个 潮周 期的 计算， 此时 各计算 点的 液体 化学品 浓 度基本为0 ( 1 0 - 6 k 岁 rn ) 。 以 溢漏 地点 1 1 1 2为 例， 其计算 点 位于大 连湾中 部的 主航 道， 因 碰撞而致的 溢漏事故 发生在低潮后1 3分 钟，入 海的 溢漏物数量为3 0 0 0 吨， 溢漏在短时间内 完成。计算显示，溢漏点的污染物浓度在最初时 达到最大值， 随后总趋势呈指
11、数形下降，并 有周期性波动，其周期为 1个太阴日。大约至第 1 7个潮周期，溢漏点浓度基本降为 0 . 0 0 0 3 k g / M o 湾内各点溢漏物浓度与溢漏的数量、事故地点及溢漏形式有关 ( 如PA时溢漏或者长时间 连续入水) 。以无机氮溢漏物为例，大连湾属 3类水质区域，水体中该物质最高允许浓度为 0 .0 0 0 3 k 后呈 指数 形 下 降， 至2 3 .2 5 个 潮 周 期 降 至。 .0 0 0 3 k g ,M : 约 有2 2 .5 个 潮 周 期 该区域浓 度超过0 .0 0 0 3 k g N ( 4 A 图5 ) 。点0 8 1 7 位 于 和尚 岛航 道以 北
12、的 贻贝 养殖区， 溢 漏 事故在6 小时内 对该海域没有影aR: 6 小时后呈指数形上升， 1 8 小时后超过3 类水质标准: 然 后 缓 慢 地下 降 ， 其 浓 度 处 于。 .0 0 0 3 k g 1 M 以 上 的 时 间 达1 1 .2 5 天。 观 测 点1 5 1 8 ( 大 孤山 养 殖区附近) ，因该区域水体比 较活跃，事故后 6小时污染物波及该区域;并在 3 4小时后达到 浓 度最高 值。 0 0 3 5 k g / M 3 ; 然 后 污 染 物 浓 度 迅速下 降， 至1 4 4 小 时， 浓 度 降 至0 .0 0 0 3 k g / M ; 有7 2 小时的时间
13、，污染物浓度超过0 .0 0 0 3 k g / M 3 o 图 2( 见下页) 较直观地反映了 溢漏模拟事故发生后海湾内各个区域内液体化学品 扩散 规律。 在海湾内部因水体流速较慢， 污染 物浓度变化较为缓慢，且浓度梯度较大， 在第 拍 周期污染 物浓度降 至。 0 0 1 k g / M 。 而 在海 湾入口 处则 变化 较快， 基本上在 第3 周期 污染物 浓 度降至。 .0 0 1 k g / M 3 。 若己 知 该 溢漏物的 危险 浓度， 经 计算 可得出 模拟事 故的 危险浓 度范围， 并可绘图显示其随时间的扩展。有关部门如大连化学工业公司和和尚岛华能电厂取水口 及其 他敏感区等
14、可据此在相应时间内采取适当应急保护措施。 000 e. 月 0 . 0 1 6 - - - 蕙 9 1 00 8 0. 0 0 2 3 - - , 、 0 0 0 3 2 一 一 、 牛蘸 于 。 040 0. 0 1 2厅 。 。 。 礴 a ，/ 0. 0 1 4一 / 0白0 刁 口一 - - = : .0 0 0 8 汇t ) 0 1 6 64气亡 00的DO ( a ) T A时浓度分布( b ) 3 T 1 4时浓度分布( C) 2 T时浓度分布 00 01 0 0 .0 0 0 0，自 口 u 4 DC 义 u s 自口 0C . 言 0刀G O , 二 0口 r f1 4 匕
15、自自0卫 Q 0 口 6 0.0( 如5 00 0 0 4 r _ . 7 0 0 0 6 00 0 切 l 云 C - 0 0 01 O . ,X 0 0 0 04 二0 1 10 f . k - 了0 o o1 r i 一 0 口口 A 器1“ Il l - ( d ) 扣 T 时 浓度 分 布( e ) 2 0 T 时 浓度 分 布( f ) 8 1 T 时 浓度 分 布 图 2模拟重故 T ( 4 - - 8 1 T 等浓彦线变化图 s .结果分析 大连湾内水流主要是潮汐流，是正规少口潮流，水体混合较为充分，上述方法用于易溶 保守液体化学品 污染扩散计算稳定、 可行。事故模拟显示，靠
16、近湾口 处易溶保守液体化学溢 漏物扩散最快， 且浓度周期 性变化 最为明显，浓度变 化r N 度最大， 浓度极小值可达 。值。与 其它区域的浓度变化相比， 该区域达到浓度最亮 值的口 洲 司 较短。危险浓度范M - 明显较小， 持 续时间较短。在海湾的内部湾角处，如:臭水套、红土堆子湾等，扩散输移速度极IC 浓度 周期性不明显， 浓度波动较小，经较长时间达到浓度最高值。危险浓度范围较少 、 ， 危险浓度 范围持续时间较长。海湾中部区域介于两者之间 本文采用的 潮流模型、易溶保守液体化学品污染 输移和解算方法可准广用于 水体混合良 好、浅水滩涂较少、涨落潮岸线变化不大的浅水海湾，对于封闭较好的港湾效果更佳。溢漏 物为溶解组分较多、与环境不产生生化反应和生物现象的保守性液体化学品 一.一一一一一一一.一一一一一一一. 主要参考文献 1 . 窦振兴等，渤海潮流污染扩散的数值模拟， 海洋学报 ，V
