杭州灣南部海域背景沖刷對海底管線安全性影響分析

王恒波，李海東，劉伯然，鐘貴才，鄭江龍，張漢女

（1.自然資源部第三海洋研究所 海洋與海岸地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361005；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）地球物理與空間信息學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130061）

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及人類生活水平持續(xù)改善，人類在海底鋪設(shè)了越來越多的海底管線。受海流沖刷或者地質(zhì)災(zāi)害等因素的影響，海底管線會發(fā)生出露甚至懸空等狀態(tài)，嚴(yán)重的會造成管線的破裂，輕則影響居民正常的工作生活，重則會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失或生態(tài)災(zāi)難，因此海底管線的安全性越來越受到重視。一些學(xué)者對海底管線的局部沖刷機(jī)制進(jìn)行了研究，提出過度的滲流及由此產(chǎn)生的通道系統(tǒng)是導(dǎo)致管道下方?jīng)_刷開始的主要因素[1-5]，在沖刷過程中，管道附近形成的渦流是關(guān)鍵因素[6-7]，并有學(xué)者提出公式對最大沖刷深度和沖刷寬度進(jìn)行了預(yù)測[3,6-10]。然而，這些研究都是基于實(shí)驗(yàn)室設(shè)定的特定流場背景，在實(shí)際海洋環(huán)境中，尤其是強(qiáng)潮海域，水動力條件極其復(fù)雜，沖刷過程也是復(fù)雜多變，無法通過已有的公式進(jìn)行推測，需要結(jié)合實(shí)地情況對海底管線的安全性進(jìn)行分析。

杭州灣位于浙江省東北部，是毗鄰長江口的一個喇叭形海灣，有錢塘江、甬江等數(shù)條河流流入[11]，杭州灣平均水深約10 m（本文均采用此1985國家高程基準(zhǔn)），是著名的高含沙量強(qiáng)潮灣，本文通過對杭州灣南部某海域海底地形以及海域內(nèi)海底管道埋藏狀況的調(diào)查，研究了海底管線埋藏現(xiàn)狀，探討了該海域背景沖刷現(xiàn)狀以及對海底管線安全性的影響能力及發(fā)展趨勢，并提出了改善措施。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)位置

研究區(qū)位于杭州灣口南部的灰鱉洋海域，處于杭州灣口南部與舟山群島西部交匯區(qū)，為4條相互平行的海底管線及向兩側(cè)各外擴(kuò)100 m之間的路由區(qū)域。4條海底管線平行排列，管道間距50～80 m，均為舟山大陸引水工程所鋪設(shè)，分為三期工程，自南向北分別為一期管道、二期管道南、二期管道北、三期管道；一期管道管徑1.0 m，設(shè)計埋深1.0～1.5 m，埋設(shè)時間為2001年；二期管道南和二期管道北管徑1.2 m，設(shè)計埋深1.0～1.5 m，埋設(shè)時間2012年；三期管道管徑1.2 m，設(shè)計埋深1.0～2.0 m，鋪設(shè)于2017年。研究區(qū)位置見圖1。

圖1 研究區(qū)位置

1.2 沉積物分布

根據(jù)舟山大陸引水一期工程海底路由勘察資料，研究區(qū)表層沉積物以淤泥、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土為主。寧波鎮(zhèn)海和舟山馬目兩個近岸段500 m左右范圍內(nèi)表層沉積物為淤泥，土質(zhì)均勻，厚度大于7 m；西南部灰鱉洋西部淺灘表層沉積物以粉質(zhì)粘土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土為主，水平層理，夾粉土薄層或團(tuán)塊，厚度較大，普遍大于10 m；東北部潮流沖刷槽位置表層沉積物以淤泥質(zhì)粘土為主，水平層理，土質(zhì)均勻，厚度1～6 m。

1.3 水文條件

根據(jù)舟山大陸引水一期工程路由調(diào)查報告中4個站位的準(zhǔn)同步連續(xù)周日海流觀測資料，研究區(qū)潮流類型以往復(fù)流為主，漲潮流向在344°至012°間，落潮流在94°至164°間，潮流運(yùn)動受制于水道和沿岸地形。研究區(qū)平均含沙量為0.987 kg/m3，寧波鎮(zhèn)海側(cè)為1.461 kg/m3，舟山馬目側(cè)為0.512 kg/m3，寧波鎮(zhèn)海側(cè)大于舟山馬目側(cè)。

2 數(shù)據(jù)與方法

本次研究主要采用了多波束測深、側(cè)掃聲吶掃海、淺地層剖面探測等地球物理手段進(jìn)行綜合研究。多波束測深采用Reson SeaBat 7125 sv2多波束系統(tǒng)，工作頻率200 kHz，波束256束，數(shù)據(jù)覆蓋了管道兩側(cè)100 m區(qū)域，獲得了管道位置、管道埋藏狀況以及研究區(qū)海床地形變化信息。側(cè)掃聲吶采用美國Klein S3000型旁側(cè)聲吶系統(tǒng)，工作頻率100 kHz/500 kHz，單側(cè)掃寬100 m，數(shù)據(jù)覆蓋整個研究區(qū)，可以結(jié)合多波束獲取管道位置、管道埋藏狀況以及海底地貌特征等信息。淺地層剖面探測采用美國EdgeTech 3200-XS淺地層剖面系統(tǒng)，工作頻率2～12 kHz，測線垂直于海底管道布設(shè)，測線間隔50 m，獲取垂直管道斷面655余幅，可以直接獲得管道埋深位置信息。數(shù)據(jù)采集于2018年7—8月，坐標(biāo)系統(tǒng)采用CGCS2000坐標(biāo)系，高程系統(tǒng)采用正常高系統(tǒng)、1985國家高程基準(zhǔn)，調(diào)查工作滿足《海底電纜管道路由勘察規(guī)范》（GB/T 17502—2009）等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求。

3 結(jié)果

3.1 水深地形

根據(jù)多波束測深數(shù)據(jù)繪制了研究區(qū)海底地形圖（圖2），由圖可知，研究區(qū)水深變化范圍為2～19.5 m，西南側(cè)海底以淺灘為主，沿管道長約18.5 km，水深2～12.0 m，平均水深7 m，由西南向東南微傾；東北側(cè)為2個凹槽，沿管道長約12.9 km，分別為西堠門潮流沖刷槽的尾梢影響區(qū)和菰茨門潮流沖刷槽的尾梢影響區(qū)，水深分別為12～19.5 m和12～14 m；舟山登陸段長約1.6 km，為水下岸坡和邊灘，水深2～12 m。

圖2 研究區(qū)海底地形圖

3.2 管道埋藏狀況

管道埋藏可分為出露、淺埋和滿足設(shè)計要求3種狀況。管道出露是指管道管頂在海底泥面以上，管道淺埋是指管道管頂在海底泥面以下且小于設(shè)計埋深，滿足設(shè)計要求是指管道管頂在海底泥面以下且大于設(shè)計埋深。測量結(jié)果（圖3）顯示，一期管道1.4%出露，10.1%淺埋，未達(dá)設(shè)計埋深要求，88.5%埋深滿足設(shè)計要求，未發(fā)現(xiàn)管道懸空現(xiàn)象；二期管道南線10.7%出露，25.6%淺埋，未達(dá)設(shè)計埋深要求，63.7%埋深滿足要求，未發(fā)現(xiàn)管道懸空現(xiàn)象；二期管道北線8.2%出露，28.6%淺埋，未達(dá)設(shè)計埋深要求，63.2%埋深滿足要求，未發(fā)現(xiàn)管道懸空現(xiàn)象；三期管道4.3%出露，2.1%淺埋，未達(dá)設(shè)計埋深要求，未發(fā)現(xiàn)管道懸空現(xiàn)象。

圖3 研究區(qū)海底管道埋藏狀況圖

4 討論

4.1 研究區(qū)背景沖刷現(xiàn)狀分析

根據(jù)2012年7月—9月期間開展的“舟山大陸引水三期工程鎮(zhèn)?！R目海底輸水管道路由勘測”[12]的調(diào)查結(jié)果，與本次研究2018年7月—8月期間取得的水下地形資料進(jìn)行對比分析，按照50 m間距提取管道的水深數(shù)據(jù)，研究一期、二期南線、二期北線和三期管道海底的沖淤變化特征，繪制了研究區(qū)4條海底管道路由的2012年、2018年沿程水深對比圖（圖4）。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，一、二、三期共4根管道海底地形沖淤特征相似，海底整體處于沖刷狀態(tài)，根據(jù)沖刷的程度不同分為3種類型：強(qiáng)沖刷區(qū)（2018年水深-2012年水深＞1 m）、弱沖刷區(qū)（1 m＞2018年水深-2012年水深＞0.5 m）、平衡區(qū)（2018年水深-2012年水深＜0.5 m）。管道沿著鎮(zhèn)海到馬目方向，先后穿過平衡區(qū)Ⅰ→弱沖刷區(qū)Ⅰ→強(qiáng)沖刷區(qū)→弱沖刷區(qū)Ⅱ→平衡區(qū)Ⅱ。其中，管道強(qiáng)沖刷區(qū)大約位于KP9—KP19之間的海域；弱沖刷區(qū)位于強(qiáng)沖刷區(qū)兩側(cè)，弱沖刷區(qū)Ⅱ?qū)?yīng)于西堠門水道和菰茨門水道位置；平衡區(qū)位于管道兩側(cè)登陸端附近海域，由于水深較淺，沖淤變化特征不明顯，基本處于微沖、微淤或沖淤平衡狀態(tài)。

根據(jù)上海英程海洋工程技術(shù)有限公司2013年5月編制的《舟山大陸引水一期工程海底輸水管道埋設(shè)狀態(tài)和海底沖淤研究報告》[13]，2006—2012年，研究區(qū)兩側(cè)近岸段為沖淤平衡區(qū)；西南側(cè)淺灘海底以微淤積為主，淤積厚度10～40 cm，最大可達(dá)約60～70 cm，局部為沖刷或者微沖微淤相間；東北側(cè)西堠門沖刷槽槽底處于強(qiáng)沖刷狀態(tài)，沖刷厚度約10～150 cm，年均1.7～25 cm，最大沖刷厚度100～150 cm，年均16.7～25.0 cm；菰茨門沖刷槽槽底處于一般沖刷狀態(tài)，槽壁沖刷較輕，沖刷厚度為1～10 cm，槽底沖刷厚度30～40 cm，年均5.0～6.7 cm，最大厚度60～70 cm，年均10～11.7 cm。

根據(jù)上文分析，研究區(qū)東北側(cè)西堠門沖刷槽和菰茨門沖刷槽位置一直處于沖刷狀態(tài)；西南側(cè)淺灘區(qū)域在2006—2012年為微淤積狀態(tài)，而2012—2018年變?yōu)閺?qiáng)沖刷狀態(tài)，海域的背景沖刷狀態(tài)發(fā)生了強(qiáng)烈變化。背景沖刷的狀態(tài)改變與潮流的流速流向以及沉積物供應(yīng)有關(guān)，杭州灣的沉積物主要受長江泥沙的再懸浮和反復(fù)沉積作用影響[14]，有研究表明，2003年后三峽工程等大型水壩的建設(shè)導(dǎo)致長江泥沙負(fù)荷的減少，從而引起杭州灣泥沙供應(yīng)的減少[15]；而近幾十年來，大型堤防工程對河口海灣的影響十分顯著，它影響了杭州灣內(nèi)的潮流流向及強(qiáng)度，限制了天然彎曲河口常見的海谷底線遷移、岸坡侵蝕以及邊灘淤積[11]，這也是造成研究區(qū)背景沖刷狀態(tài)改變的重要因素。

圖4 2012年和2018年4條海底管道路沿程水深對比圖

4.2 背景沖刷對管道埋藏狀態(tài)的影響

海底管道埋設(shè)后，由于管道路由位置掩埋底土被強(qiáng)烈擾動，處于不平衡狀態(tài)，在潮流的不斷沖刷下，經(jīng)過一段時間才能達(dá)到平衡，在這個過程中，掩埋底土不可避免的被潮流大量帶走，造成沿海底管道位置低于管道兩側(cè)，形成管道溝，這在本次研究中十分常見（圖5），在強(qiáng)背景沖刷下，管道溝中的埋藏管道經(jīng)過一段時間的沖刷出露海底，有研究表明，對于部分掩埋的海底管線，過度的滲流以及管道附近的渦流是管線底土沖刷的關(guān)鍵因素。在研究區(qū)復(fù)雜的強(qiáng)背景沖刷下，這些影響因素也相應(yīng)變強(qiáng)，使管道位置的沖刷變得更加迅速。管道出露位置的底土由于滲流以及渦流的影響，其沖刷范圍要遠(yuǎn)超出管道未出露位置和管道兩側(cè)位置，這導(dǎo)致管道的更快速出露和懸空，并快速向兩側(cè)發(fā)展，隨著管道出露以及懸空長度的增加，海底管道斷裂風(fēng)險大大增加。本次研究發(fā)現(xiàn)，二期的兩條管線在2012—2018年的 6年間出現(xiàn)多處位置的管道出露，并有一處近乎懸空（圖6）。

填土回埋是現(xiàn)今解決管道出露和懸空的主要方法，但是對于強(qiáng)背景沖刷海域，由于回填底土的流失很快，只能暫時性解除管道危險，長期來看并不是解決問題的有效方法，可能需要考慮其他長效的保護(hù)措施。

圖5 研究區(qū)海底管道溝

圖6 研究區(qū)出露管道臨界懸空

5 結(jié)論

根據(jù)2018年7月—8月在杭州灣南部4條海底管道所在海域的現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)，研究了海域水深地形特征及4條海底管道的埋藏狀態(tài)，討論了海域背景沖刷現(xiàn)狀及對管道安全性的影響。主要結(jié)論如下：（1）研究區(qū)內(nèi)4條海底管道均有不同程度的出露，海域背景沖刷在2006—2018年12年間發(fā)生了很大變化，西南部大片淺灘區(qū)域背景沖刷由淤積狀態(tài)變?yōu)閺?qiáng)沖刷狀態(tài)；（2）背景沖刷是管道出露和懸空的主要因素，強(qiáng)背景沖刷加速管道懸空的發(fā)展，嚴(yán)重影響管道的安全；（3）對于強(qiáng)背景沖刷海域，簡單的填土回埋只能暫時性解除危險，長期來看安全風(fēng)險依然存在，需要考慮長效的保護(hù)措施。