一种用于评估内陆湖泊石油泄漏事件污染风险的分析框架：石油泄漏模型及中国巢湖的案例研究

《Regional Studies in Marine Science》：A Framework for Assessing the Pollution Risk Analysis of Oil Spill Incidents on Inland Lakes: Oil Spill Models and Case Studies of Lake Chaohu, China

油 spill 风险评估方法与综合风险指数研究：以巢湖为例，结合水动力模型与 ESI 指数，构建内陆湖泊油 spill 综合评估框架，模拟不同 spill 点和风向下的油膜迁移路径，提出基于时空特征和风场条件的综合风险指数，揭示风场主导作用及 spill 位置对污染累积的影响规律，为制定差异化应急措施提供科学依据。

　　

刘泽夫|黄爱萍|马冰|董飞|刘晓波

中国北京，流域水循环模拟与调控国家重点实验室，100038

摘要

作为引江济淮工程的一项重要功能，巢湖地区的航运面临潜在的石油泄漏风险。为了应对石油泄漏对湖泊日益增加的威胁，提出了一个综合框架来评估内陆湖泊的石油泄漏风险。该框架整合了湖泊流体动力学（石油泄漏建模）和环境敏感性指数（ESI）。该框架应用于中国的巢湖，在巢湖航运段的多个石油泄漏事故点模拟了油膜迁移路径。提出了一种湖泊石油泄漏综合风险指数方法，用于评估石油泄漏事件的严重程度，并量化单一风向对油膜迁移的影响。结果表明，风向和流场共同影响油膜的迁移，其中风向起主导作用。石油泄漏的位置也影响油膜的积聚。在派河口，石油泄漏对巢湖的生态岸线影响最大；而在白石-天河河口，不同风向下的石油泄漏可能会污染巢湖西南部的水域。在24小时内，派河口的石油泄漏综合风险指数最高；在72小时内，白石-天河河口的指数最高。建议根据不同泄漏位置、不同时间段以及最坏情况下的风向特征，针对高风险区域实施有针对性的应对措施。

? 2012 Elsevier Ltd. 选稿和/或同行评审由Global Science and Technology Forum Pte Ltd负责

引言

作为陆地生态系统网络的重要组成部分，浅水湖泊系统在维持流域水生生态稳定性方面发挥着关键作用（Bai等人，2020；Liu等人，2006）。然而，航运贸易的扩张显著增加了内陆水体的交通密度，加速了内陆湖泊航运的发展，从而提高了大陆湖泊环境中石油烃污染事件的发生概率（Gan等人，2022；Kvocka等人，2021）。湖泊中的石油泄漏可能对周围的饮用水源、水生生态系统和整体水环境造成严重后果（Jinghua等人，2022）。目前，关于石油泄漏风险的研究主要集中在河流通道、海洋、海湾和其他水体上，而对湖泊（尤其是浅水湖泊）的石油泄漏风险的研究相对不足（Chen等人，2022；Han等人，2022；Murphy等人，2016；Song等人，2024；Xun等人，2019）。因此，分析湖泊中的石油泄漏污染风险对于预防湖泊石油泄漏污染和建立湖泊石油泄漏应急响应系统具有重要意义。

长江至淮河调水工程连接了长江和淮河流域，具有多种用途，包括水资源分配、防洪、航运和生态供水，同时确保了跨流域和省份的战略性和大规模水资源管理及综合利用（Zhihong等人，2023；Sun等人，2019；Yaoguo等人，2024）。巢湖是中国五大淡水湖之一，是一个受风和水流影响的典型浅水湖泊（Cao等人，2013；Wang等人，2024a，Wang等人，2024b）。

它还是江淮水运航线上的一个关键节点（Min等人，2022a，Min等人，2022b）。巢湖周边地区人口密度高，对生活和经济发展有大量的水资源需求（Mezzanotte等人，2011）。因此，确保该地区的饮用水源的安全和质量至关重要。随着长江至淮河调水工程航线的完成，巢湖段的航运密度显著增加，导致运输过程中石油泄漏的风险上升，这可能对巢湖区域的水质产生不利影响。

石油泄漏建模受到水动力条件、风场以及石油本身特性的影响，使其模拟和验证尤为具有挑战性。然而，随着该领域的不断进步，石油泄漏模拟和预测模型已逐渐成熟，并成功应用于海洋环境、港口和某些自然河流通道（Cao等人，2021；Jiang等人，2021；Liu等人，2022）。近年来，基于物理过程的石油泄漏模拟取得了显著进展。Lu等人（2024）为澜沧江穿越管道流域建立了二维水动力和石油泄漏模型，模拟了不同情景下的泄漏传输，并探讨了流速、风速和泄漏模式对泄漏行为的影响。Wang等人（2022a，Wang等人，2022b）使用三维水下石油泄漏模型（通过卫星图像验证）模拟了蓬莱19-3号石油泄漏事件，对背景风速、水流和泄漏时间的不确定性进行了敏感性分析。Jiang等人（2021）开发了一种适用于内陆水道的拉格朗日石油泄漏模型，并将其应用于长江罗岐河段的三个情景中分析轨迹。Liu等人（2022）构建了胶州湾的耦合水动力石油泄漏模型，并通过“11.22”黄岛事故进行了验证，研究了影响石油运动和风化的关键因素。虽然遥感和机器学习在石油泄漏监测中起到辅助作用（Ma等人，2023；Prajapati等人，2025；Yekeen等人，2020），但它们在基于过程的建模中的应用仍然有限。值得注意的是，近年来关于内陆水体（特别是内陆湖泊水道）的石油泄漏模拟和风险评估的研究相对较少。Huang等人（2015）为南京长江下游开发段开发了一个石油泄漏事故模型，并研究了不同风向对下游保护区域的影响。Yu等人（2024）模拟了长江泾江开发段多码头区域的石油泄漏事件，并使用综合污染风险指数评估了不同码头的污染事件。Wang等人（2024a，Wang等人，2024b）提出了一种结合风险矩阵方法、石油轨迹建模和环境敏感性指数（ESI）方法的综合河流石油泄漏影响评估框架，并将其应用于中国嫩江中游，模拟和评估了不同季节假设石油泄漏事件的动态影响，为决策者提供了评估和应对石油泄漏事件的宝贵工具。目前，内陆湖泊面临石油泄漏的潜在风险。尽管在水生系统（包括湖泊）中已经进行了长期的石油泄漏建模研究，但在复杂的内陆湖泊系统中，由于水流运动复杂和岸线形状不规则，关于风驱动水流和湖泊水流共同作用下石油泄漏的迁移和扩散机制的研究仍然不足。此外，缺乏适合湖泊特性的参数化方案，以及模型在湖泊水域适用性的验证也相对较少。因此，评估此类特定湖泊系统石油泄漏风险的理论基础、实际应用和框架整合仍需加强。

为填补这一研究空白，本研究选择了巢湖作为研究区域，并在巢湖航运路线的三个关键区域设置了石油泄漏点进行了一次性泄漏模拟。鉴于巢湖是一个浅水湖泊，使用环境流体动力学代码（EFDC）建立了三维水动力模型。EFDC模型中的拉格朗日粒子跟踪（LPT）模块用于模拟油粒子的漂移和扩散，从而确定石油泄漏的影响范围。此外，本研究通过整合石油泄漏综合评估方法和环境敏感性指数（ESI）方法，开发了湖泊石油泄漏综合风险指数（LOSCRI）。该指数能够量化并比较三个泄漏点对周围取水口、水资源保护区和巢湖岸线的影响。

本文的其余部分组织如下：第2节详细介绍了研究区域特征和方法论框架。第3节展示了水动力验证结果和关键指标的典型情景结果。第4节进行了全面讨论，并与现有研究进行了比较分析，并提出了缓解策略。最后，第5节总结了主要结论及其实际意义。

研究区域和背景

研究区域和背景

巢湖位于安徽省中部（北纬117°17′27.90″～117°50′35.78″东经），是中国五大淡水湖之一。它是一个典型的浅水湖泊，受风驱动。巢湖的流域面积约为9,185平方公里，周围的河流流入巢湖。直接流入巢湖的河流包括杭浦河、派河、施坞里河、南淝河、 Jiyu河、Zhegao河、白石天河河、Yuxi河和Zhao河。

石油泄漏迁移过程分析

本研究模拟了三个假设石油泄漏风险点的所有风向，并分析了不同条件下的石油泄漏轨迹。在各个时间节点，提取了污染区域、岸线污染长度以及石油泄漏影响取水口的时间数据，以分析这些情景。目的是识别不同点石油泄漏的主要污染特征，并确定最坏情况下的石油污染情景。

巢湖中石油泄漏的漂移特性

本研究解决了巢湖的水安全问题，并从三个方面分析了石油泄漏的影响：单一风条件下石油泄漏扩散区域的变化模式、巢湖石油泄漏引起的岸线污染的时空特征，以及污染对巢湖周围取水点的时间持续性。根据第3.2节的定量结果，得出以下结论：漂移方向和

结论

本研究提出了一种评估内陆湖泊石油泄漏风险的框架，整合了湖泊流体动力学（石油泄漏建模）、环境敏感性指数（ESI）和计算机视觉（CV）的概念。该框架包括一个基于数值模拟的石油泄漏评估系统，用于分析和估计石油泄漏对巢湖的全面影响。

具体而言，本研究使用EFDC模型建立了巢湖的三维流场

未引用的参考文献

(Duan等人，2022；Keramea等人，2021)

资助

本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFC3207803）和IWHR研究与发展支持计划（WE0145C022025）的支持。

CRediT作者贡献声明

刘泽夫：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，软件，资源，方法论，数据管理，概念化。董飞：撰写——审稿与编辑，调查，资金获取。刘晓波：项目管理，调查，资金获取。黄爱萍：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，数据管理。马冰：软件，数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。