Page 125 - 水利学报2021年第52卷第6期

移扩散规律，为短期模型，而光氧化、生物降解等过程相比其它风化过程是一个非常缓慢的过程。
此外，分散会影响溢油的垂向分布特征，但是不会对溢油在水体中的整体质量变化产生影响。因
此，本研究重点对溢油初期风化作用较突出的蒸发和乳化两个过程进行模拟。
（1）蒸发过程。蒸发是油品中的石油烃轻组分从液态变为气态的过程，是溢油初期阶段油品与大
气物质交换的重要过程，是使油品残留量大幅减少的重要途径。蒸发过程与油品组分、油膜厚度以
及环境状况等因素相关。对于原油泄露，模型采用目前广泛使用的 Stiver 等 ［13］ 提出的计算模式。对于
柴油或汽油等燃料油泄露导致的蒸发损失，采用 Fingas 模型 ［14］ 计算，该模型将石油及其产品的蒸发
表示为时间、温度和 180℃时质量蒸馏比的函数，认为蒸发过程满足平方根函数或对数函数形式。
（2）乳化过程。溢油乳化是另一项重要的风化过程，指油类吸收水而形成油包水乳化液的过程。
乳化使油滴体积增加 2 ~ 5 倍，主要受风速、波浪、油膜厚度、环境温度、油风化程度等因素的影
响。乳化作用通常在油膜拓展较大、厚度较薄时发生。风浪能量打碎油膜，水滴分散到油中，形成
油包水的乳化液，呈黑褐色黏性泡沫乳油状漂浮于水面。乳化物含水率采用 Mackay 等提出的乳化作
用方程 ［15］ ，该方程也被其它大多数溢油模型所采用。

2.1.4 河岸吸附 河网地区的河道宽度普遍较小，因此溢油在自身扩展阶段就可能接触到水陆边
界。当溢油接触到河岸时，有可能被河岸本身或滩涂、坑洼和植物吸附。研究表明 ［16］ ，河岸对溢油
的吸附作用有三种情况：完全吸收、完全反射和部分吸收。然而，由于河岸在材质、形状、水力条
件、植被等方面存在较大差异，对其吸收能力只能进行粗略分析。为了简化计算，本研究对于河岸
吸附作用模拟只考虑完全吸收和完全反射两种情况，通过假设油粒子吸附概率，判断其吸附状态 ［17］ 。
2.2 输入与输出 根据以上对溢油模型对流、扩散和风化过程的分析，模型输入数据包括以下几个
方面：（1）溢油事件时空特征：溢油发生时间、溢油点坐标等；（2）溢油质量及油粒子数量；（3）油品
初始理化性质，具体包括油品的初始温度、密度、蒸发参数；（4）气象数据，包括风速、风向等。
为了反映溢油对水环境的影响范围和程度，模型输出部分包括各计算单元的油粒子数量、质
量、体积。其中油粒子体积考虑蒸发和乳化过程的影响，其剩余体积可表示为：
0[
]
i
V =V 1 - F [ 1 - Y w i ] （10）
i
v
i
式中：V 为油粒子的初始体积，m ；V 为蒸发和乳化后油粒子的剩余体积，m ；F 为第 i 个油粒子的
3
3
0 i v
i
蒸发率；Y 为第 i 个油粒子乳化物的含水率。
w
初始密度由用户根据油品种类设定，考虑温度、蒸发和乳化作用的影响。
2.3 研究区选择 太湖流域位于长江下游地区，流域面积 36 900 km ，流域内河网密布，湖泊众
2
多，水面率达 17%，平原地区河道密度达 3.2 km/km ，属于典型的平原河网水系。为了提升流域在水
2
资源保护、水环境治理等方面的管理水平和决策能力，经过二十多年的研制和不断完善，以基于双
［9］
对象共享结构的数字流域系统为支撑 ，开发了“太湖流域水量水质决策支持系统”。系统模型库由水
文模型、污染负荷模型、水动力模型、水质模型组成，可对流域产汇流过程、污染物在陆域和水体
的迁移和转化过程进行模拟。系统分别采用零维、一维和二维模型对全流域的 97 个小型湖泊、952
条河道及太湖湖体进行概化，并包含 188 座闸泵工程。其中一维模型共概化河道断面 4306 个，河道
总长 7958 km，二维模型生成网格 2339 个。太湖流域概化河网及太湖计算网格如图 1 所示。
2.4 模型率定和验证 以“太湖流域水资源综合规划数模研制项目”为依托 ［18］ ，采用沿长江 13 座水利
工程、沿杭州湾 3 座水利工程、望亭水利枢纽及太浦闸全年引排水量资料作为“太湖流域河网水动力
模型”的边界条件，对 2000 年太湖及 12 个水位代表站、4 个流量代表站的全年水位和流量过程进行了
率定，同时利用环太湖流量巡测资料和流域供、用、耗、排水量调查资料对出入太湖水量和流域水
量进行了平衡分析；此外，还利用 1998、1999 年水量实测和调查资料，对模型计算结果进行了验
证。率定和验证结果均表明，太湖及大部分代表站的特征水位、全年水位和流量过程线预测值与实
测值相差较小，各控制线水量平衡分析成果能够反映太湖流域的水流实际运动状况 ［19］ 。
由于溢油事故发生具有突发性和不可预见性，尤其对于水流流向多变的河网水系，很难在这类

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