麗水36-1終端至交付點輸氣管線工程海床沖刷研究

孫國民,韓志遠,李文丹,郎一鳴,劉志剛,龐啟秀

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津529228；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室,天津300456）

麗水36-1終端至交付點輸氣管線工程海床沖刷研究

孫國民1,韓志遠2,李文丹2,郎一鳴1,劉志剛1,龐啟秀2

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津529228；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室,天津300456）

利用已有大量實測資料對工程海域的水動力泥沙環(huán)境及工程海域特別是海底管線路由位置的海床穩(wěn)定性進行了研究。建立了工程海域考慮波浪作用的二維潮流泥沙數(shù)學模型，對考慮周圍近期及遠期工程建設(shè)影響下的灘面沖淤進行了計算，并給出了最終的沖淤分布。

輸氣管線；海床沖刷；數(shù)值模擬；潮流；泥沙；麗水

浙江溫州地區(qū)是我國經(jīng)濟發(fā)展較快的地區(qū)，對天然氣的需求增長快速，為滿足其對天然氣日益增長的需求，中海油集團擬在洞頭縣霓嶼島上建設(shè)麗水36-1氣田陸上終端，將霓嶼島終端分離出的天然氣通過海底管道輸送至溫州龍灣分輸站。輸氣管道設(shè)計管徑12英寸，路由全長約28.8 km，在霓嶼島南山的終端站入海，向西經(jīng)甌江南口水道海域至龍灣海濱城附近登陸（圖1）。海底管道建設(shè)和運行過程中，其安全性直接影響到海洋油氣資源開發(fā)和海洋環(huán)境保護。大量工程實踐中，海床不穩(wěn)定特別是局部沖刷將會導致海底管道懸空，是影響海底管道安全的重要因素［1-4］。影響海床穩(wěn)定性的主要因素包括海域水動力特征、海域泥沙環(huán)境、海床沉積特性、人類活動引起的海床邊界條件等［5-9］。

擬建海底管道位于甌江南口海域，該海域為強潮海區(qū)，潮差大、潮流急、島嶼林立、淺灘密布、灘槽交錯、地形復雜，且受甌江徑流及波浪潮流共同作用，水動力泥沙環(huán)境較為復雜。本區(qū)域由于經(jīng)濟快速發(fā)展，人類活動影響頻繁（圖1）：已建工程有靈霓大堤、溫州淺灘一期工程、藍田作業(yè)區(qū)進港航道；在建工程有溫州淺灘二期促淤堤；擬建工程有甌飛邊灘圍墾工程、甬臺溫高速復線大橋、甬臺溫管線等。這些工程建成后將導致該區(qū)域邊界條件發(fā)生大幅變化，因而該區(qū)域的水動力泥沙環(huán)境及海床沖淤趨勢也將隨之發(fā)生變化，這也必將影響該區(qū)域海床的穩(wěn)定性，對海底管道的安全產(chǎn)生影響。因此在海底管道建設(shè)之前需充分掌握工程海域的海床沖淤特性及演變趨勢。

甌江口海域已有研究主要著眼于港口開發(fā)、航道整治、淺灘圍墾促淤等，且集中在甌江北口水道、溫州淺灘等水域［10-14］，目前對于南口水道海床穩(wěn)定性及其對海底管道的影響鮮有研究。本文在充分研究甌江南口水道海域水動力泥沙環(huán)境的基礎(chǔ)上，通過建立考慮波浪作用的二維潮流泥沙數(shù)學模型，研究相關(guān)工程實施后對海底管道沿程海床沖淤變化情況，為麗水36-1海底輸氣管道的設(shè)計提供基礎(chǔ)依據(jù)。

圖1 工程示意圖Fig.1 Sketch of project position

1 自然條件分析

1.1 河口地貌

甌江是浙江省第二大河，發(fā)源于浙南慶元縣仙霞嶺，在溫州市龍灣區(qū)和樂清市交界處入海。甌江為源短流小的山溪性河流，多年平均入海徑流總量為148億m3，多年平均入海懸沙總量為205.1萬t。每年4～9月為洪季，10月～翌年3月份為枯季。甌江入海口被靈昆島分為南口、北口，河口東側(cè)為洞頭列島，排列多個島嶼。甌江河口為強潮河口，在徑流和潮流共同作用下，甌江口灘槽沖淤變化較為劇烈，發(fā)育有多個江心淺灘和島嶼如七都島、靈昆島等。甌江南口水域北側(cè)為靈昆島及溫州淺灘，東側(cè)為洞頭列島，西側(cè)為甌飛邊灘，東南側(cè)接霓嶼深槽，南側(cè)為溫州灣開闊海域。

1.2 風和波浪

據(jù)洞頭氣象站1971～2001年風況資料，本地區(qū)全年常風向為N—NE向，頻率為54.7%，全年平均風速為3.8 m/s；強風向為SSW向，最大風速為32.0 m/s。全年中夏季多為SW向大風，春秋季節(jié)多為偏S向或偏N向大風，以偏N向大風為主，冬季盛行N—NE向大風。年平均≥6級風日數(shù)為37 d，年平均≥7級風日數(shù)為8.5 d。該地區(qū)每年5～11月是臺風影響期，其中7～8月份為臺風盛行期，有嚴重影響或在本地區(qū)登陸的大約每兩年一次。甌江南口水域被溫州陸地、靈昆島—靈霓大堤、洞頭列島圍成一個僅向南開敞的海灣，因此NNE、NE向入射波浪幾乎全部被阻擋，E向波浪的影響也很??；只有ESE向、SE向、SSE向及S向波浪對南口水道的影響最直接。據(jù)南口水道附近2001～2004年實測資料，小于0.5 m波高頻率為91.9%，因此工程海域波浪作用較小。

1.3 潮汐和潮流

1.4 底質(zhì)和含沙量

甌江南口附近表層沉積物為砂質(zhì)沉積物，中值粒徑大于0.15mm；靈昆島至霓嶼附近底質(zhì)以粉砂質(zhì)粘土為主，局部有粘土質(zhì)粉砂分布，中值粒徑基本小于0.004mm，僅霓嶼西北側(cè)及甌飛淺灘南側(cè)在0.004～0.008mm范圍內(nèi)。工程海域海床性質(zhì)屬于淤泥質(zhì)范疇。甌江南口附近含沙量較高，大潮漲、落潮實測平均含沙量分別為2.51 kg/m3和2.40 kg/m3，南口水道南部含沙量較低，大潮漲、落潮實測平均含沙量介于0.23～0.40 kg/m3?？梢?，甌江南口水域含沙量較高，且由河口向外海含沙量逐漸降低。工程水域的主要泥沙來源為甌江河流來沙、外海來沙及淺灘局部再搬運的泥沙。

1.5 海床沖淤演變趨勢

根據(jù)前人研究成果，1999年之前，甌江南口水域海床略呈淤積趨勢［15］。據(jù)1999年之后海底管道沿程地形沖淤分析可知（圖2）：①1999～2005年間，南口水道深槽內(nèi)沖淤相間，整體呈沖刷趨勢，最大沖刷深度超過0.6m；小霓嶼西側(cè)呈淤積趨勢，淤積幅度基本在0～0.4m，局部超過0.6m；小霓嶼南側(cè)呈沖刷趨勢，沖刷幅度基本在0～0.2m；霓嶼南側(cè)呈淤積趨勢，淤積幅度基本在0.2～0.6 m。②2005～2011年間，南口水道北段呈淤積趨勢，淤積幅度超過0.4m；淺灘一期西側(cè)及南側(cè)為藍田航道開挖段，水深普遍增加超過4m；小霓嶼西側(cè)及南側(cè)淺灘沖刷趨勢，沖刷幅度基本在0～0.4m；霓嶼南側(cè)沖淤相間，沖淤變化幅度基本在-0.2～0.4m。

整體而言，2002年以后，隨著靈霓大堤（2003～2006年修建）、淺灘一期南圍堤和東圍堤的建成（2006～2009年修建）、藍田作業(yè)區(qū)航道建設(shè)（2010年1月竣工）及淺灘二期圍涂促淤堤開工（2010年6月開工，工期2 a），該水域水動力泥沙環(huán)境發(fā)生了變化。溫州淺灘水域由于水動力環(huán)境減弱，呈持續(xù)淤積狀態(tài)；而南口水道北段沖淤基本平衡，南段局部沖刷幅度較大，整體呈基本穩(wěn)定略有沖刷的狀態(tài)；霓嶼深槽水域淺灘地形呈沖刷趨勢，但近年來沖刷趨勢有所減緩。

圖2 輸氣管線路由沖淤分布Fig.2 Distribution of siltation and erosion in position of gas transmission pipeline

2 二維潮流泥沙數(shù)值模擬

2.1 模型建立

考慮波浪作用的二維潮流泥沙數(shù)學模型基本方程及數(shù)值方法參見文獻［15］。

根據(jù)工程的特點，本次計算所建立的數(shù)學模型東邊界至121°35′經(jīng)線，北邊界至樂清灣頂，南邊界至南麂島南側(cè)。計算域的東西距離為100 km，南北距離120 km。模型開邊界由Chinatide提供［16］，甌江河口徑流采用流量控制。

2.2 網(wǎng)格劃分

為擬合復雜岸線和橋墩等細致建筑物邊界，數(shù)學模型中采用無結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格對計算域進行剖分。圖3給出了計算所采用的網(wǎng)格示意圖，管線所在路由位置進行了局部加密。用于最終計算的模型約39 813個網(wǎng)格節(jié)點，其中最小網(wǎng)格尺度近1～2 m。大橋橋墩群為透水建筑，一方面由于樁基阻力的影響，流速將減小，另一方面，又因樁柱體存在而使過水斷面縮小，流速將增加，此外，由于樁的存在，水流中還會形成旋渦，樁群內(nèi)的水流非常復雜，因此，在有樁基的潮流數(shù)值模擬中，應(yīng)該考慮橋墩的影響，本文通過局部網(wǎng)格加密將橋墩處理為陸地。圖4為橋墩局部網(wǎng)格示意圖。

圖3 計算網(wǎng)格Fig.3 Computational mesh

圖4 橋墩網(wǎng)格示意圖Fig.4 Sketch of computational mesh of pier

2.3 模型驗證

為了驗證模型的合理性，采用2006年10月、2009年2月和2010年10月3次甌江口水文全潮測驗（每次測驗均為大、中、小3個潮型）共9個潮次的資料進行了潮位、流速流向和含沙量的驗證。驗證結(jié)果表明，計算值與實測值吻合良好。

海底地形沖淤變化的驗證是本次計算的基礎(chǔ)，考慮了大、中、小潮、各向向岸波分級波浪（根據(jù)計算域內(nèi)南麂島國家海洋局長期測波站1994年全年波浪資料結(jié)合本工程的特點，選擇ESE向和由SE向、SSE向、S向加權(quán)所得的代表波浪，并對其波高、波向和波周期進行了驗證）及徑流的組合。本文采用溫州淺灘附近水域最新地形資料對模型進行灘面沖淤驗證；采用藍田航道2010年1月～2011年7月兩次實測水深測量資料對航道內(nèi)淤積進行了驗證；另外，根據(jù)淺灘一期西圍堤西側(cè)及南側(cè)沖刷趨勢，本模型進一步對其沖刷范圍及深度進行了驗證，驗證結(jié)果同該區(qū)域2005～2010年間的地形沖淤趨勢的分析結(jié)果基本一致。

3 海床沖淤預測

3.1 計算方案

由前言可知，麗水36-1輸氣管線所在的溫州南口水域工程頻繁，在建工程有溫州淺灘二期圍涂促淤堤；擬建工程有甌飛邊灘圍墾工程、甬臺溫高速復線大橋、甬臺溫管線。大規(guī)模的工程建設(shè)將會對管線路由位置海底地形產(chǎn)生一定的沖淤影響，因此，有必要對周邊工程建設(shè)后工程海域地形進行模擬計算。周邊工程分近期和遠期兩種工況考慮。近期：甌飛邊灘不實施+淺灘二期考慮實堤形式+甬臺溫高速復線大橋?qū)嵤?；遠期：甌飛邊灘實施+淺灘二期考慮實堤形式+甬臺溫高速復線大橋?qū)嵤?/p>

3.2 工程后潮流場

采用經(jīng)驗證的潮流數(shù)學模型對近期和遠期兩種工況下的潮流場進行了計算，有以下結(jié)論：

（1）工程所在海域漲、落潮流受島嶼及陸地岸線限制，基本呈往復流運動趨勢。漲潮時，外海潮流向岸灘及甌江河口方向運動；落潮時，甌江的徑流及納潮水體下泄，大部分水流經(jīng)大門島南側(cè)北口水道，少部分經(jīng)南口水道與大門島北側(cè)水道入海。

（2）近期和遠期工況實施后，并沒有改變大范圍海域潮流總體運動規(guī)律，僅工程局部海域潮流有所變化。近期工程實施后，淺灘二期西側(cè)局部水流流速增加，大小霓嶼島南側(cè)水域流速減小。遠期工程實施后，工程區(qū)大部分水域流速呈減小趨勢，甌飛邊灘與淺灘二期工程之間水域束窄，流速呈增加趨勢。

圖5 漲落急流場圖(原型)Fig.5 Flow field at flood and ebb strength of tide(prototype)

圖6 漲落急流場圖（方案）Fig.6 Flow field at flood and ebb strength of tide(scheme)

3.3 輸氣管線路由位置沖刷研究

采用經(jīng)過驗證的二維潮流泥沙數(shù)學模型對近期和遠期兩種工況實施后灘面沖淤達到平衡情況進行了計算（圖7和圖8）。由圖可見：（1）由擬建工程位置可知，輸氣管線與高速復線大橋相交叉，為避免橋墩局部沖刷，管線路由于大橋橋墩中間穿過，管線兩側(cè)橋墩間距為50m。工程實施后，橋孔位置流速增加，流速的增加，勢必引起管線路由位置沖刷，經(jīng)計算，其沖刷深度約為1.1m。（2）近期工程實施后：小霓嶼—大霓嶼附近水域為淤積狀態(tài)；小霓嶼西側(cè)為沖刷狀態(tài)；電纜與輸氣管線交匯位置處為2.0m以下沖刷狀態(tài)。（3）遠期工程實施后：小霓嶼—大霓嶼附近水域為淤積狀態(tài)；小霓嶼西側(cè)水域為沖刷狀態(tài)（輸氣管線位置沖刷小于0.5 m）；電纜與輸氣管線交匯位置處水域為0.5～2.0m沖刷狀態(tài)；甌飛邊灘與二期工程之間水域為2.0～3.0m沖刷狀態(tài)。

圖7 近期工程實施后灘面沖淤Fig.7 Distribution of siltation and erosion after recent project

圖8 遠期工程實施后灘面沖淤Fig.8 Distribution of siltation and erosion after future project

4 結(jié)論

本文在分析工程海域的水動力泥沙環(huán)境及海床穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，通過建立二維潮流泥沙數(shù)學模型，計算了近期及遠期工程建設(shè)影響下的海床灘面沖淤變化，給出了灘面最終平衡狀態(tài)下的沖刷深度，得出主要結(jié)論如下：（1）甌江南口海域為強潮海區(qū)，流速大、含沙量高。海床底質(zhì)以粘土質(zhì)粉砂為主，屬淤泥質(zhì)海岸性質(zhì)。（2）近期溫州淺灘呈淤積狀態(tài)，南口水道呈基本穩(wěn)定并略有沖刷的狀態(tài)，霓嶼深槽水域呈緩慢沖刷趨勢。（3）甬臺溫高速復線大橋?qū)嵤┖?，輸氣管線路由所在橋孔位置沖刷深度約為1.1m。（4）近期工程實施后，小霓嶼西側(cè)沖刷深度介于2.0～3.0m，電纜與輸氣管線交匯位置沖刷深度小于2.0m。（5）遠期工程實施后，小霓嶼西側(cè)水域沖刷深度小于0.5 m，電纜與輸氣管線交匯位置處水域沖刷深度介于0.5～2.0 m，甌飛邊灘與淺灘二期工程之間水域沖刷深度介于2.0～3.0m。

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Study on sea bed erosion of gas transmission line from terminal to delivery point in Lishui 36-1

SUN Guo-m in1,HAN Zhi-yuan2,LIW en-dan2,LANG Yi-m ing1,LIU Zhi-gang1,PANG Qi-xiu2
(1.Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 529228,China; 2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China)

Based on a large number of measured data,seabed stability of project area especially in position of gas transmission line and hydrodynamic and sediment environment were studied in this paper.Then,a mathematical model of tidal flow and sediment was set up to calculate the siltation and erosion of seabed,and the distribution of siltation and erosion was given out.

gas transmission line;seabed erosion;numerical simulation;tidal flow;sediment;Lishui

TV 142；O 242.1

A

1005-8443（2013）04-0317-06

2013-01-07；

2013-03-28

孫國民（1966-），男，天津市人，高級工程師，主要從事海底管道設(shè)計研究工作。

Biography：SUN Guo-min(1966-),male,senior engineer.