舟山冊子島－鎮(zhèn)海海底管道附近海床沖淤數(shù)值模擬研究

朱 府，葉銀燦，黃潘陽，劉杜娟

（國家海洋局 第二海洋研究所 工程海洋學(xué)重點實驗室，浙江 杭州 310012）

0 引言

海底輸油管道作為海洋油氣集輸與儲存系統(tǒng)的重要組成部分，其安全運營是海洋油氣資源開發(fā)中的關(guān)鍵問題之一。各種人類開發(fā)活動或自然因素導(dǎo)致的周邊海洋環(huán)境改變均可能引起局部海床沖刷，導(dǎo)致海底管道裸露懸空，威脅工程安全。目前，有關(guān)海底管道的研究多局限于管道的腐蝕及動力條件下的受力分析［1］，而對于管道附近海床沖刷的研究較少。海床的穩(wěn)定是海底管道安全的有力保障，諸多安全隱患都是由于海床的沖淤變化導(dǎo)致。目前海床演變測試分析的手段主要有原型測量分析、物理模型和數(shù)值模型等方法，如黃世昌 等［2］利用大量水沙資料和多年地形資料分析了杭州灣灰鱉洋海域海床的沖淤變化，認為海域呈現(xiàn)東沖西淤的特點，海床變化取決于潮灘的發(fā)育、岸線邊界的變化以及上游杭州南岸圍墾；郝品正 等［3］采用正態(tài)河工模型，研究了湘江株洲航電樞紐正常運轉(zhuǎn)條件下河床沖淤變化規(guī)律；李孟國［4］在大量文獻基礎(chǔ)上對海岸河口泥沙數(shù)學(xué)模型的研究和進展情況進行了歸納總結(jié)和評述；陳道信 等［5］基于溫州近海及河口二維水流數(shù)值計算模式，探討了圍墾工程對近海及河口水動力的影響；HU et al［6］在長江口水流泥沙數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上進一步模擬了風(fēng)暴潮過程，認為遠處風(fēng)浪作用的考慮有助于提高風(fēng)暴潮模擬精度，并且分析了上海九段沙淺灘海床演變規(guī)律；盧祥興 等［7］采用河床演變分析的方法研究了秦山核電三期工程取水口附近海床的沖淤變化，并采用數(shù)學(xué)模型和實體模型預(yù)測了近期海床的變化。本文考慮到杭州灣口區(qū)域近年來人為開發(fā)活動頻繁，故利用數(shù)值模擬方法結(jié)合實測資料分析，建立了杭州灣口二維水流泥沙數(shù)學(xué)模型，研究人為開發(fā)活動對舟山冊子島－鎮(zhèn)海海底管道附近海床變化的影響。

1 工程概況

冊子島－鎮(zhèn)海海底原油管道位于杭州灣口東南部與舟山群島西部交匯區(qū)，西起寧波市鎮(zhèn)海區(qū)的新泓口，跨越灰鱉洋，東至冊子島大沙灣（圖1）。海域周圍主要有金塘島、冊子島、大鵬山等島嶼，其間形成金塘水道、西堠門、菰茨航門等水道與航門。該管道工程于2005年6月竣工，全長36.5km，管道直徑762 mm，埋設(shè)處平均水深10m，最大水深25m。自該海底管道建成后，周邊海域先后實施多項大型工程，主要包括新泓口圍墾、金塘大橋、金塘北部區(qū)圍墾、泥螺山北側(cè)圍墾等。新泓口圍墾工程圍墾面積493hm2，堤線總長6 019m，施工始于2006年2月，2008年4月圍墾合攏，于2009年竣工。金塘大橋全長21.03km，海上橋梁長18.27km，施工始于2006年4月，2007年8月沉樁結(jié)束，于2009年6月主體竣工，該橋海面橋墩近350個。泥螺山北側(cè)圍墾工程分為Ⅰ期工程與Ⅱ期工程，Ⅰ期工程圍墾面積696hm2，施工始于2010年12月，Ⅱ期工程圍墾面積487hm2，施工始于2013年4月，工程計劃于2017年完工。

為了保障海底管道工程的安全運營，歷年定期對管道的埋設(shè)狀況進行全線檢測。從2006—2012年歷年檢測結(jié)果顯示，該海底管道于2008年開始出現(xiàn)裸露段，至2010年甚至出現(xiàn)懸空段，盡管進行人工維護處理，情況依然不容樂觀。沖刷段主要分為A、B、C三個區(qū)段，分別為鎮(zhèn)海登陸段、深潭延伸段以及深槽邊坡段，詳見圖1。其中懸空段大部分出現(xiàn)于鎮(zhèn)海登陸段與深槽邊坡段，深潭區(qū)并未出現(xiàn)明顯的管道懸空，但是卻存在大范圍的管道裸露現(xiàn)象。截止2012年7月，管道懸空長度總計164m，最大懸空高度1.8m；經(jīng)人為搶修后，管道懸空長度總計85m，占管道總長的0.24%，最大懸空高度0.2m，裸露管道占46%。

圖1 研究區(qū)概況及觀測站位與流量計算斷面示意圖Fig.1 Sketch of study area，survey stations and cross－sections

2 數(shù)值模型設(shè)計

本文采用由荷蘭Delft水力學(xué)研究所開發(fā)的Delft3D模型進行區(qū)域水流泥沙模擬。Delft3D模型數(shù)值方法采用ADI法，快速而穩(wěn)定，完全保證質(zhì)量、動量和能量守恒，尤其獨一無二地支持曲面格式，使邊界的擬合性更好?？紤]到在杭州灣海域流體的水平尺度遠大于垂向尺度，且三維模型又存在著運算量大，耗費機時長等缺點，故基于杭州灣二維水流泥沙數(shù)學(xué)模型分析近年來人為開發(fā)活動對海底管道附近海床沖淤變化的影響。

2.1 數(shù)值模擬范圍與網(wǎng)格設(shè)置

模擬海域范圍以舟山市為中心，北至南通市如東縣，南至溫州瑞安市，主要包含錢塘江與長江口區(qū)。綜合多方面考慮，采用扇形網(wǎng)格方法與嵌套網(wǎng)格技術(shù)，加大內(nèi)部網(wǎng)格密度，提高模型運算效率，以29°49′N，121°50′E為圓心，分別刻畫半徑為74km的內(nèi)部網(wǎng)格和半徑為289km的外部網(wǎng)格。舟山群島海域島嶼眾多、水深地形多變、水動力條件復(fù)雜，因此內(nèi)部網(wǎng)格設(shè)置的網(wǎng)格密度大。為了更加準確地模擬橋墩的影響，在金塘大橋附近進行局部加密，將網(wǎng)格長寬控制在13～19m之間，最大限度地接近實際橋墩直徑（圖2）。外部網(wǎng)格、內(nèi)部網(wǎng)格和橋位加密區(qū)網(wǎng)格大小平均值分別為1 499，172和16m。另外，通過合理控制網(wǎng)格參數(shù)，降低計算誤差，正交系數(shù)＜0.005 2，長寬比＜1.7。

圖2 嵌套網(wǎng)格設(shè)置Fig.2 Settings for embedded grids

2.2 參數(shù)設(shè)置

設(shè)置模型計算時間為2008年3月至2008年5月，源匯處采用流量控制，長江月平均流量設(shè)置為11 200m3／s（3月），22 400m3／s（4月）和26 135m3／s（5月），錢塘江月平均流量設(shè)置為1 100m3／s（3月），1 380m3／s（4月）和1 500m3／s（5月）。通過干濕法設(shè)置干點模擬新泓口圍墾和金塘大橋工程，逐一模擬每項工程對研究海域水動力的影響。受網(wǎng)格大小的限制，橋墩直徑與非通航孔橋跨徑的設(shè)置需乘以線性擴大系數(shù)1.7，橋墩直徑設(shè)置約為15m，非通航孔橋跨徑設(shè)置約為100m。考慮到地貌演變的時間尺度遠大于水動力學(xué)的時間尺度，故將參數(shù)地貌時間尺度因子設(shè)置為5，以加快模型中地貌的演變過程，其余參數(shù)設(shè)置見表1。另外，為了便于結(jié)果分析，分別在研究區(qū)域內(nèi)設(shè)置了25個觀測站點和5個流量計算斷面，詳見圖1。

3 數(shù)值模型驗證

杭州灣懸沙質(zhì)量濃度空間分布特征復(fù)雜，分布著3個高值區(qū)與2個低值區(qū)，分別為灣頂沙壩高值區(qū)、庵東淺灘前緣水域高值區(qū)、灣口北部南匯咀灘地前緣水域高值區(qū)和大漁山海域外側(cè)低值區(qū)、乍浦海域內(nèi)側(cè)低值區(qū)；杭州灣的懸沙質(zhì)量濃度呈現(xiàn)“低－高－低－高－低”的縱向分布規(guī)律［8］。由圖3可以看出，模擬結(jié)果顯示垂向日平均懸沙質(zhì)量濃度空間分布能基本體現(xiàn)出區(qū)域分布特征。為了驗證模型的合理性，在工程區(qū)選取了5個驗潮站與6個水文站（具體站位分布見圖1）的驗證資料，驗證2008年3月20日至2008年4月3日時間段內(nèi)模擬的水位、流速、流向和懸沙質(zhì)量濃度。從驗證情況看，總體上模型計算結(jié)果與實測量值相近，相位相符（部分模擬結(jié)果見圖4和圖5）。

表1 模型參數(shù)設(shè)置Tab.1 Settings for model parameters

圖3 垂向日平均懸沙質(zhì)量濃度模擬分布（2008－03－22大潮時）Fig.3 Distribution of the vertical average daily SSC in model（2008－03－22spring tide）

圖4 龍山（a）與瀝港（b）潮位站潮位驗證（2008年3月20日至2008年4月3日）Fig.4 Verification of water level at Longshan（a）and Ligang（b）stations（from 20March，2008to 3April，2008）

圖5 5＃與7＃水文站的流速、流向和懸沙質(zhì)量濃度驗證Fig.5 Verification of flow velocity，flow direction and SCC at 5＃and 7＃stations

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

海底管道路由區(qū)位于灰鱉洋海域南部，杭州灣落潮流受金塘島和冊子島等島嶼的阻擋，通過金塘水道、西堠門和菰茨航門連接?xùn)|海海域。與金塘水道相連的灰鱉洋海域近70a來呈現(xiàn)西側(cè)微淤，東側(cè)微沖的總體態(tài)勢，海床的變化主要與潮灘的發(fā)育和岸線邊界的變化以及上游杭州南岸圍墾有關(guān)［2］。長江流域來沙作為杭州灣主要泥沙來源，來沙量大幅減少勢必影響整個杭州灣泥沙輸運平衡，引起局部區(qū)域沖刷加劇。根據(jù)多年實測海床沖淤變化對比分析（圖6a），2006—2012年期間管線附近海床沖淤變化總體呈現(xiàn)以沖刷為主的態(tài)勢。2006年9月至2008年6月管線附近海床沖淤變化較大，可能與該段時間內(nèi)人為開發(fā)活動有密切關(guān)系，受新泓口圍墾和金塘大橋工程影響大。2010年6月至2011年10月管線附近海床沖刷明顯，引起海床沖淤變化的主要原因可能與臺風(fēng)頻發(fā)有關(guān)。6至10月是臺風(fēng)多發(fā)時段，海床受臺風(fēng)影響較大，且2011年第9號超強臺風(fēng)“梅花”于8月6日11時途經(jīng)舟山市，是近年來影響浙江最強的臺風(fēng)。自管道建成后，A、B、C三大沖刷段海床有著不同程度的沖刷。其中C段位于西堠門沖刷槽邊坡處，深槽歷年不斷擴展，故此段沖刷較為顯著，沖刷深度為1.5～3.0m；A段西臨新泓口圍墾區(qū)，受圍墾影響大，沖刷深度為0.5～1.4m；B段位于金塘島西側(cè)沖刷槽延伸處，沖刷寬幅大，沖刷深度為0.1～0.7m，可能與極端天氣以及杭州灣南岸大規(guī)模的圍墾整治工程長期影響有關(guān)；管線E段與F段分別位于金塘島和冊子島西北側(cè)波影區(qū)，以淤積為主。

4.1 新泓口圍墾對沖淤變化的影響

新泓口圍墾區(qū)呈一梯形，位于金塘水道西北側(cè)岸外，在原本平直的沿海岸線處外推，外側(cè)海堤與原岸線存在10°夾角。從圖7中可以明顯看出，圍墾后原平行于岸線的往復(fù)流水流結(jié)構(gòu)有所變化，流向變?yōu)檠靥菪螄鷫▍^(qū)的弧形繞流，南北兩側(cè)流速變小，外側(cè)總體流速變大；由于外側(cè)海堤與水流方向也存在10°的夾角，導(dǎo)致流速變化不一，靠北側(cè)岸外流速變大明顯，往南流速變化漸緩。由于水流結(jié)構(gòu)的變化，該區(qū)域輸沙平衡無法維系，模擬結(jié)果顯示圍墾區(qū)南、北兩側(cè)產(chǎn)生淤積，圍墾區(qū)外東北角方向沖刷嚴重，出現(xiàn)最大沖刷深度為2.5m的橢圓沖刷坑（圖8a），引起管線鎮(zhèn)海登陸段附近海床沖刷寬幅達2～3km，與實測數(shù)據(jù)較為吻合（圖6b）。隨著地形的重塑，圍墾區(qū)南、北兩側(cè)地形逐漸變淺，北端外側(cè)的挑流作用減緩。另外，由于泥螺山北側(cè)圍墾工程的實施，由新泓口圍墾引起的局部挑流作用北移至泥螺山北側(cè)圍墾區(qū)外的東北角，先前的橢圓沖刷坑有所回淤，地形趨于平緩，管線附近海床也呈現(xiàn)微淤狀態(tài)。歷年實測資料顯示，在新泓口圍墾工程竣工后管線鎮(zhèn)海登陸段有一明顯的沖刷過程，爾后，除2010至2011年有輕微沖刷外，其余年份均處于回淤的過程（圖6a與表2）。另外，多項圍墾工程的實施導(dǎo)致鎮(zhèn)海至金塘島海域斷面縮窄，斷面流速加大，水流流束整體向金塘島側(cè)移動，引起管線深潭延伸段海床的沖刷。實測資料也表明自新泓口圍墾工程竣工后，管線深潭延伸段長期呈現(xiàn)微沖的狀態(tài)（圖6a），這可能與杭州灣南岸大規(guī)模圍墾整治工程有密切關(guān)系，且工程影響周期較長。

圖6 管線附近多年實測海床沖淤變化（a）和模擬結(jié)果比對（b）（“＋”為淤積，“－”為沖刷，下同）Fig.6 Comparison of the seabed change between observed（a）and modeled data（b）nearby pipeline（“＋”means deposition，“－”mean erosion，hereinafter the same）

圖7 新泓口圍墾前后流態(tài)對比Fig.7 Comparison of flow pattern before and after reclamation in Xinhongkou of Zhenhai

表2 各項工程實施前后部分觀測站數(shù)據(jù)對比Tab.2 Comparison of the observation stations data before and after the implementation of each project

4.2 金塘大橋建設(shè)對沖淤變化的影響

金塘大橋由西向東橫跨灰鱉洋海面和瀝港水道，聯(lián)結(jié)寧波市鎮(zhèn)海區(qū)和舟山市金塘島。由于橋墩的阻水作用，落潮時橋墩上游壅水，下游水位降低；漲潮時橋墩下游壅水，上游水位降低。潮位變化導(dǎo)致大量水流將涌向西堠門水道，以保持潮面平穩(wěn)。模擬結(jié)果顯示，設(shè)置橋墩后斷面1處瞬時平均進出潮量減少1 813m3／s，比原先瞬時平均進出潮量減少0.73%；斷面2（金塘水道）減少5 261m3／s，占原先的4.38%；斷面3（西堠門水道）增加2 352m3／s，占原先的1.90%；斷面4（菰茨航門）增加733m3／s，占原先的1.91%；斷面5（瀝港水道）增加150m3／s，占原先的35.61%。進出潮量的減少使得金塘大橋上、下游掩護區(qū)內(nèi)流速減小，而通航孔區(qū)因水流集中導(dǎo)致流速增加明顯，觀測站g2和g26平均流速分別增加了10.9%和3.1%。

橋墩作用引起上、下游海域水流變化幅值與范圍受諸多因子影響，主要包括局部水動力強度、橋墩直徑和橋跨跨距等因子。由于該海域水動力較強，漲落潮最大流速可達2.0m／s以上，水流變化受橋墩影響的范圍大。金塘大橋與海底管線布置存在20°的夾角，管道沿線水流受影響程度不一（表2）。橋跨跨距因子作用復(fù)雜，具有群樁效應(yīng)，海床沖淤變化受該因子影響敏感。在一定范圍內(nèi)，橋跨跨距小，淤積作用強；橋跨跨距大，沖刷作用強；跨距超出某個范圍后，沖刷作用反而減小；沖淤平衡時跨距值取決于水動力強度和橋墩直徑，且橋墩與橋墩之間又有相互作用。由于模型網(wǎng)格大小的限制，無法達到真實橋墩所需的分辨率，通過線性擴大橋墩直徑和橋跨跨距，模擬結(jié)果在一定程度上反映出大橋?qū)４沧兓挠绊?。模擬結(jié)果顯示，金塘大橋工程引起海床沖淤變化的區(qū)域范圍大，大橋建設(shè)引起西堠門水道處沖刷顯著，加劇了管線深槽邊坡西半段沖刷，沖刷深度達到0.2～0.4m；鎮(zhèn)海登陸段東側(cè)和深潭延伸段東側(cè)分別位于大橋西通航孔延伸區(qū)和主通航孔延伸區(qū)，水流集中作用引起海床輕微沖刷（圖8b）。

模擬結(jié)果顯示，管線鎮(zhèn)海登陸段海床沖刷主要由新泓口圍墾工程的實施引起，金塘大橋西通航孔的影響也擴大了該段管線海床沖刷的范圍，沖刷范圍達2～3km，沖刷深度為0.5～1.3m；金塘大橋主通航孔處水流的集中作用加劇了管線深潭延伸東半段的沖刷；管線深槽邊坡西半段海床沖刷與金塘大橋阻水作用有關(guān)（圖8 兩項工程共同作用下海床沖淤模擬結(jié)果與2006年至2008年海床變化實測資料相比較，管線附近海床沖淤變化的情況大致吻合（圖6b）。由此反映了該兩項工程項目的實施是造成2006年至2008年期間管線附近海床變化的主要原因，也是造成2008年該海底管道開始出現(xiàn)裸露的主要原因，導(dǎo)致管線附近海床不穩(wěn)定，威脅管道工程安全。

圖8 工程項目引起的海床沖淤變化模擬Fig.8 Simulation of seabed change caused by projects

5 結(jié)論

本文基于Delft3D建立了杭州灣口二維水流泥沙數(shù)學(xué)模型，結(jié)合實測資料分析研究了人為開發(fā)活動對冊子島－鎮(zhèn)海海底管道附近海床沖淤變化的影響，得到以下結(jié)論：

（1）新泓口圍墾工程引起的局部挑流作用和金塘大橋西通航孔處水流的集中作用是造成管線鎮(zhèn)海登陸段海床沖刷的主要原因。由于新泓口圍墾工程外推海堤與外側(cè)水流方向存在10°的夾角，導(dǎo)致圍墾區(qū)外東北角方向出現(xiàn)最大沖刷深度為2.5m的橢圓沖刷坑。而金塘大橋西通航孔的影響擴大了該段管線海床沖刷的范圍，模型計算結(jié)果顯示沿線海床沖刷范圍達2～3km，沖刷深度為0.5～1.3m。

（2）管線深槽邊坡段自然沖刷嚴重，潮流沖刷槽不斷擴展，而金塘大橋的阻水作用加劇了管線深槽邊坡西半段海床的沖刷，且影響周期長。模型計算結(jié)果顯示，大橋建成后西堠門水道處平均進出潮量增加2 352m3／s，深槽邊坡西半段沖刷深度達到0.2～0.4m，海床仍處于沖刷狀態(tài)。

（3）管線深潭延伸段海床沖刷可能與極端天氣以及杭州灣南岸大規(guī)模的圍墾整治工程長期影響有關(guān)，大規(guī)模圍墾整治工程導(dǎo)致鎮(zhèn)海至金塘島海域斷面縮窄，斷面流速變大，引起海床微沖。此外，金塘大橋主通航孔處水流的集中作用加劇了此處東半段的沖刷。模擬結(jié)果顯示，大橋建成后主通航孔附近觀測站g2和g26平均流速分別增加了10.9%和3.1%。

該文所建模型仍存在一定局限性，如沒有考慮波浪作用的影響，尤其是大風(fēng)條件下波浪對近岸海床的影響。另外，研究海域自然環(huán)境復(fù)雜，長江來沙量減少、臺風(fēng)頻發(fā)等諸多因素對研究區(qū)海床的沖淤影響有待進一步深入分析。

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