暴雨洪峰流量计算在环境影响评价中的应用

王同成，赵艳艳，贺苏宁

（1.南京国环科技股份有限公司；2.南京交通职业技术学院；3.环境保护部南京环境科学研究所）

暴雨洪峰流量计算在环境影响评价中的应用

王同成1，赵艳艳2，贺苏宁3

（1.南京国环科技股份有限公司；2.南京交通职业技术学院；3.环境保护部南京环境科学研究所）

成品油管道穿越具有饮用水功能河道，事故泄漏油品会对穿越的河道水质产生污染风险。针对山区河道无实测水文资料，评价根据地形高程和经验公式计算出各条河流径流量，利用一元不稳定流的基本方程组计算出河流的流速，进而估算泄漏油品到达水库时间，为管道工程穿越山区具有饮用水功能河流的环境风险影响分析提供参考。

暴雨；流量；环境影响评价

1　概况

某成品油管道工程管道全长 768.8km，其中干线长595.4km，支线长173.4km，途经山东、江苏、安徽三省。管道在济南南部山区穿越了卧虎山水库和锦绣川水库地表水饮用二级保护区，工程环境影响评价中需分析管道发生泄漏事故对上述两个水库水质的影响。

济南南部山区河流均为季节性河流，河流的水源主要来自降水径流补给，不降雨时河流呈断流状态。评价考虑风险最大影响原则，即管道在河流穿越处发生破裂，同时当地正降暴雨，形成较大的地面径流，从而导致泄漏成品油以较快的流速向下游水库漂流、扩散。

管道所穿河道无实测水文资料，评价根据地形和经验公式计算出各条河流径流量，利用一元不稳定流的基本方程组计算出河流的流速，进而估算泄漏油品到达水库时间，为工程环境风险应急提供参考。

2　汇流面积确定

评价利用卫星高程图绘制出河流汇水区域，将两条河流按汇水区域分为若干区段，见图1。

由图1可知，管道发生事故风险情况下，罗家河和玉带河为下游水库的主要汇入河流，罗家河泄漏油品漂移的线路是由图上所示6→5→4→0，玉带河泄漏油品漂移的线路是由图上所示10→3→2→1→0，其中离管道最近的点是6和3，管道成品油泄漏后，将沿这两条河流分别下行至锦绣川水库和卧虎山水库，从而对水库水质造成污染。为了预测管道成品油泄漏后对锦绣川水库和卧虎山水库水质的影响，须计算6→5→4→0和10→3→2→1→0两条河流的水力参数。

3　最大洪水量计算

3.1计算公式

最大洪水流量的计算方法较多。目前，我国常用的暴雨洪峰流量计算有地区性经验公式法、推理公式法和洪水调查法[1～3]，因两河流缺少实测水文资料，故采用地区性经验公式法中的水利科学院水文研究所经验公式来计算，公式如下：

对汇水面积小于100km2的经验公式如下：

Qp=Kp·F2/3

式中：Qp——最大洪峰流量，m3/s；

Kp——随地区及洪水频率而变化的流量模数；除按实测、调查得到该值外，还可根据地形条件，选用下列数值：

对于山区：Kp=0.72Sp；

对于平原地区Kp=0.5Sp。

F——流域面积，km2。

当汇水面积F＜3km2时，经验公式为：

Qp=0.6Sp·F

式中：Sp——设计雨力，mm/h。

3.2参数选择

（1）Kp

预测地为山区，所以选Kp=0.72Sp。

（2）Sp

根据《给水排水设计手册》，山东济南的暴雨强度公式为：

式中：q——为暴雨强度L（s·hm2）；

P——为设计降雨重现期（a）；

T——为降雨历时（min）。

（3）重现期P取2年。

（4）降雨历时t

根据河流地面径流情况，取t=60min。

则：对汇水面积小于 100km2：Qp=Kp·F2/3=0.72Sp·F2/3= 34.93380108F2/3

当汇水面积F＜3km2时：Qp=0.6Sp·F=29.1115009F。

3.3各河段流量计算

各河段流量计算结果见表1。

4　水流流速计算

天然河道里的洪水波运行属于不稳定流，当无旁侧入流时，洪水波的演进与变形可用一元不稳定流的基本方程组（圣维南方程组）描述。但是求解这些方程组比较烦琐，而且需要详细的河道地形和糙率资料，因资料缺乏，且汇水面积径流量均由起点进入，可假设两河流沿线流量不变，坡度也不变，可按明渠均匀流来计算。明渠均匀流水力计算的基本公式是谢才公式。

表1　各河段汇流流量计算表

式中：v——流速，m/s；

C——谢才系数；

R——水力半径（过水断面面积与湿周的比值），m；

i——水力坡度（等于水面坡度，也等于河床坡度）；Q——流量，m3/s；

A——过水断面面积，m2；

K——流量模数。

式中：n——曼宁公式粗糙系数；

x——湿周，m。

明渠均匀流时的水深称为正常水深，以h0表示，与其相应的水力要素均加下角“0”，如过水断面为A0，湿周为X0，水力半径为R0，谢才系数为C0，流量模数为K0，则：

用曼宁公式计算谢才系数C时：

河宽取50m，因河宽大于30m，断面不整齐，河床粗糙，曼宁公式粗糙系数取0.068，河道断面按按矩形断面计算，两条河流各河段水流流速计算详见表2。经查阅《锦阳川河道综合治理可行性研究报告》，表2中2-3河段二十年一遇河道过水流量为1006m3/s，本次流量计算与其流量相当。

表2　各河段水流流速计算表

5　管道成品油泄漏事故影响分析

根据汽油、柴油的扩散特点，评价采用费伊油膜扩延公式计算油品入河流事故的风险预测。费伊（Fay）油膜扩延公式目前广泛采用，费伊把扩展过程划分为三个阶段：

（1）在惯性扩展阶段，油膜直径为：

D=K1（βgV）1/4t1/2

（2）在粘性扩展阶段：

（3）在表面张力扩展阶段：

（4）在扩展结束之后，油膜直径保持不变：

D=356.8V3/8

上述各阶段的分段时间可用两相邻阶段扩展直径相等来判断。

在实际中，膜扩展使油膜面积增大，厚度减小。当膜厚度大于其临界厚度时（即扩展结束之后，膜直径保持不变时的厚度），膜保持整体性，膜厚度等于或小于临界厚度时，膜开始分裂为碎片，并继续扩散。

油品入水后很快扩展成膜，然后在水流、风生流作用下产生漂移，同时溢油本身扩散的等效圆膜还在不断地扩散增大。因此溢油污染范围就是这个不断扩大而在漂移的等效圆膜。如果膜中心初始位置为S0，经过△t时间后，其位置s由下式计算：

式中膜中心漂移速度V0，由下式求得：

式中：U1——10m高处的风速。

K——风因子数。

如果发生泄漏事故，风向因素对不溶于水的油在水面漂浮移动将有一定的影响。由于罗家河、玉带河均属于山区河流，油膜在漂移过程中受风力影响较小，本次预测风速按静风考虑。

管道成品油泄漏事故预测结果详见表3。

由表3可知，在济南南部降暴雨时，鲁皖管道一期工程在罗家河、玉带河穿越处一旦发生管道破裂事故，在仅采取及时关闭输油泵和截断阀，不采取其它油膜拦截措施情况下，成品油油膜到达锦绣川水库仅需约29min，成品油油膜到达卧虎山水库需约76min，此时油膜处在张力扩展阶段。

表3　油泄漏事故预测结果表

一旦管道在上述两条河流发生管道破裂事故时，泄漏的成品油将会以油膜形式较快地进入下游的锦绣川水库、卧虎山水库，对水库水质产生较大的影响。考虑到锦绣川水库、卧虎山水库均为具有饮用水源功能的水库，评价要求在该段管道发生管道破裂或打孔盗油事故时，应及时启动应急措施，在河流、水库沿线采取拦截、吸油等措施对油膜进行收集、去除，并根据水质污染的实际情况，启动下游水库水厂的备用水源应急响应机制。

6　结论

评价根据区域卫星高程图绘制出河流汇水区域，将河流按汇水区域分为若干区段，利用降雨强度、各区段汇水面积计算山区河流各段暴雨洪峰流量，采用一元不稳定流的基本方程组计算出各段河流的流速，进而估算泄漏油品到达保护目标水体时间，解决了工程穿越无水文资料地区河流环境影响预测难题，为同类项目环境影响评价提供借鉴参考。

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[2]陈述良，曹茂中，蒋 平.小流域设计洪水计算方法探讨[J].水利建设，2015（2）：124～125.

[3]刘 星，许长亭，孙红光.辽宁省无资料地区暴雨洪峰流量简化计算[J].水土保持应用技术，2006（1）：48～49.

P333.2

A

2095-2066（2016）31-0003-03

2016-10-21

王同成（1979-），男，汉族，江苏连云港灌云人，工程师，硕士研究生，研究方向是环境影响评价。