丽水36-1终端至交付点输气管线工程海床冲刷研究

孙国民,韩志远,李文丹,郎一鸣,刘志刚,庞启秀

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津529228；2.交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室,天津300456）

丽水36-1终端至交付点输气管线工程海床冲刷研究

孙国民1,韩志远2,李文丹2,郎一鸣1,刘志刚1,庞启秀2

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津529228；2.交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室,天津300456）

利用已有大量实测资料对工程海域的水动力泥沙环境及工程海域特别是海底管线路由位置的海床稳定性进行了研究。建立了工程海域考虑波浪作用的二维潮流泥沙数学模型，对考虑周围近期及远期工程建设影响下的滩面冲淤进行了计算，并给出了最终的冲淤分布。

输气管线；海床冲刷；数值模拟；潮流；泥沙；丽水

浙江温州地区是我国经济发展较快的地区，对天然气的需求增长快速，为满足其对天然气日益增长的需求，中海油集团拟在洞头县霓屿岛上建设丽水36-1气田陆上终端，将霓屿岛终端分离出的天然气通过海底管道输送至温州龙湾分输站。输气管道设计管径12英寸，路由全长约28.8 km，在霓屿岛南山的终端站入海，向西经瓯江南口水道海域至龙湾海滨城附近登陆（图1）。海底管道建设和运行过程中，其安全性直接影响到海洋油气资源开发和海洋环境保护。大量工程实践中，海床不稳定特别是局部冲刷将会导致海底管道悬空，是影响海底管道安全的重要因素［1-4］。影响海床稳定性的主要因素包括海域水动力特征、海域泥沙环境、海床沉积特性、人类活动引起的海床边界条件等［5-9］。

拟建海底管道位于瓯江南口海域，该海域为强潮海区，潮差大、潮流急、岛屿林立、浅滩密布、滩槽交错、地形复杂，且受瓯江径流及波浪潮流共同作用，水动力泥沙环境较为复杂。本区域由于经济快速发展，人类活动影响频繁（图1）：已建工程有灵霓大堤、温州浅滩一期工程、蓝田作业区进港航道；在建工程有温州浅滩二期促淤堤；拟建工程有瓯飞边滩围垦工程、甬台温高速复线大桥、甬台温管线等。这些工程建成后将导致该区域边界条件发生大幅变化，因而该区域的水动力泥沙环境及海床冲淤趋势也将随之发生变化，这也必将影响该区域海床的稳定性，对海底管道的安全产生影响。因此在海底管道建设之前需充分掌握工程海域的海床冲淤特性及演变趋势。

瓯江口海域已有研究主要着眼于港口开发、航道整治、浅滩围垦促淤等，且集中在瓯江北口水道、温州浅滩等水域［10-14］，目前对于南口水道海床稳定性及其对海底管道的影响鲜有研究。本文在充分研究瓯江南口水道海域水动力泥沙环境的基础上，通过建立考虑波浪作用的二维潮流泥沙数学模型，研究相关工程实施后对海底管道沿程海床冲淤变化情况，为丽水36-1海底输气管道的设计提供基础依据。

图1 工程示意图Fig.1 Sketch of project position

1 自然条件分析

1.1 河口地貌

瓯江是浙江省第二大河，发源于浙南庆元县仙霞岭，在温州市龙湾区和乐清市交界处入海。瓯江为源短流小的山溪性河流，多年平均入海径流总量为148亿m3，多年平均入海悬沙总量为205.1万t。每年4～9月为洪季，10月～翌年3月份为枯季。瓯江入海口被灵昆岛分为南口、北口，河口东侧为洞头列岛，排列多个岛屿。瓯江河口为强潮河口，在径流和潮流共同作用下，瓯江口滩槽冲淤变化较为剧烈，发育有多个江心浅滩和岛屿如七都岛、灵昆岛等。瓯江南口水域北侧为灵昆岛及温州浅滩，东侧为洞头列岛，西侧为瓯飞边滩，东南侧接霓屿深槽，南侧为温州湾开阔海域。

1.2 风和波浪

据洞头气象站1971～2001年风况资料，本地区全年常风向为N—NE向，频率为54.7%，全年平均风速为3.8 m/s；强风向为SSW向，最大风速为32.0 m/s。全年中夏季多为SW向大风，春秋季节多为偏S向或偏N向大风，以偏N向大风为主，冬季盛行N—NE向大风。年平均≥6级风日数为37 d，年平均≥7级风日数为8.5 d。该地区每年5～11月是台风影响期，其中7～8月份为台风盛行期，有严重影响或在本地区登陆的大约每两年一次。瓯江南口水域被温州陆地、灵昆岛—灵霓大堤、洞头列岛围成一个仅向南开敞的海湾，因此NNE、NE向入射波浪几乎全部被阻挡，E向波浪的影响也很小；只有ESE向、SE向、SSE向及S向波浪对南口水道的影响最直接。据南口水道附近2001～2004年实测资料，小于0.5 m波高频率为91.9%，因此工程海域波浪作用较小。

1.3 潮汐和潮流

1.4 底质和含沙量

瓯江南口附近表层沉积物为砂质沉积物，中值粒径大于0.15mm；灵昆岛至霓屿附近底质以粉砂质粘土为主，局部有粘土质粉砂分布，中值粒径基本小于0.004mm，仅霓屿西北侧及瓯飞浅滩南侧在0.004～0.008mm范围内。工程海域海床性质属于淤泥质范畴。瓯江南口附近含沙量较高，大潮涨、落潮实测平均含沙量分别为2.51 kg/m3和2.40 kg/m3，南口水道南部含沙量较低，大潮涨、落潮实测平均含沙量介于0.23～0.40 kg/m3。可见，瓯江南口水域含沙量较高，且由河口向外海含沙量逐渐降低。工程水域的主要泥沙来源为瓯江河流来沙、外海来沙及浅滩局部再搬运的泥沙。

1.5 海床冲淤演变趋势

根据前人研究成果，1999年之前，瓯江南口水域海床略呈淤积趋势［15］。据1999年之后海底管道沿程地形冲淤分析可知（图2）：①1999～2005年间，南口水道深槽内冲淤相间，整体呈冲刷趋势，最大冲刷深度超过0.6m；小霓屿西侧呈淤积趋势，淤积幅度基本在0～0.4m，局部超过0.6m；小霓屿南侧呈冲刷趋势，冲刷幅度基本在0～0.2m；霓屿南侧呈淤积趋势，淤积幅度基本在0.2～0.6 m。②2005～2011年间，南口水道北段呈淤积趋势，淤积幅度超过0.4m；浅滩一期西侧及南侧为蓝田航道开挖段，水深普遍增加超过4m；小霓屿西侧及南侧浅滩冲刷趋势，冲刷幅度基本在0～0.4m；霓屿南侧冲淤相间，冲淤变化幅度基本在-0.2～0.4m。

整体而言，2002年以后，随着灵霓大堤（2003～2006年修建）、浅滩一期南围堤和东围堤的建成（2006～2009年修建）、蓝田作业区航道建设（2010年1月竣工）及浅滩二期围涂促淤堤开工（2010年6月开工，工期2 a），该水域水动力泥沙环境发生了变化。温州浅滩水域由于水动力环境减弱，呈持续淤积状态；而南口水道北段冲淤基本平衡，南段局部冲刷幅度较大，整体呈基本稳定略有冲刷的状态；霓屿深槽水域浅滩地形呈冲刷趋势，但近年来冲刷趋势有所减缓。

图2 输气管线路由冲淤分布Fig.2 Distribution of siltation and erosion in position of gas transmission pipeline

2 二维潮流泥沙数值模拟

2.1 模型建立

考虑波浪作用的二维潮流泥沙数学模型基本方程及数值方法参见文献［15］。

根据工程的特点，本次计算所建立的数学模型东边界至121°35′经线，北边界至乐清湾顶，南边界至南麂岛南侧。计算域的东西距离为100 km，南北距离120 km。模型开边界由Chinatide提供［16］，瓯江河口径流采用流量控制。

2.2 网格划分

为拟合复杂岸线和桥墩等细致建筑物边界，数学模型中采用无结构三角形网格对计算域进行剖分。图3给出了计算所采用的网格示意图，管线所在路由位置进行了局部加密。用于最终计算的模型约39 813个网格节点，其中最小网格尺度近1～2 m。大桥桥墩群为透水建筑，一方面由于桩基阻力的影响，流速将减小，另一方面，又因桩柱体存在而使过水断面缩小，流速将增加，此外，由于桩的存在，水流中还会形成旋涡，桩群内的水流非常复杂，因此，在有桩基的潮流数值模拟中，应该考虑桥墩的影响，本文通过局部网格加密将桥墩处理为陆地。图4为桥墩局部网格示意图。

图3 计算网格Fig.3 Computational mesh

图4 桥墩网格示意图Fig.4 Sketch of computational mesh of pier

2.3 模型验证

为了验证模型的合理性，采用2006年10月、2009年2月和2010年10月3次瓯江口水文全潮测验（每次测验均为大、中、小3个潮型）共9个潮次的资料进行了潮位、流速流向和含沙量的验证。验证结果表明，计算值与实测值吻合良好。

海底地形冲淤变化的验证是本次计算的基础，考虑了大、中、小潮、各向向岸波分级波浪（根据计算域内南麂岛国家海洋局长期测波站1994年全年波浪资料结合本工程的特点，选择ESE向和由SE向、SSE向、S向加权所得的代表波浪，并对其波高、波向和波周期进行了验证）及径流的组合。本文采用温州浅滩附近水域最新地形资料对模型进行滩面冲淤验证；采用蓝田航道2010年1月～2011年7月两次实测水深测量资料对航道内淤积进行了验证；另外，根据浅滩一期西围堤西侧及南侧冲刷趋势，本模型进一步对其冲刷范围及深度进行了验证，验证结果同该区域2005～2010年间的地形冲淤趋势的分析结果基本一致。

3 海床冲淤预测

3.1 计算方案

由前言可知，丽水36-1输气管线所在的温州南口水域工程频繁，在建工程有温州浅滩二期围涂促淤堤；拟建工程有瓯飞边滩围垦工程、甬台温高速复线大桥、甬台温管线。大规模的工程建设将会对管线路由位置海底地形产生一定的冲淤影响，因此，有必要对周边工程建设后工程海域地形进行模拟计算。周边工程分近期和远期两种工况考虑。近期：瓯飞边滩不实施+浅滩二期考虑实堤形式+甬台温高速复线大桥实施；远期：瓯飞边滩实施+浅滩二期考虑实堤形式+甬台温高速复线大桥实施。

3.2 工程后潮流场

采用经验证的潮流数学模型对近期和远期两种工况下的潮流场进行了计算，有以下结论：

（1）工程所在海域涨、落潮流受岛屿及陆地岸线限制，基本呈往复流运动趋势。涨潮时，外海潮流向岸滩及瓯江河口方向运动；落潮时，瓯江的径流及纳潮水体下泄，大部分水流经大门岛南侧北口水道，少部分经南口水道与大门岛北侧水道入海。

（2）近期和远期工况实施后，并没有改变大范围海域潮流总体运动规律，仅工程局部海域潮流有所变化。近期工程实施后，浅滩二期西侧局部水流流速增加，大小霓屿岛南侧水域流速减小。远期工程实施后，工程区大部分水域流速呈减小趋势，瓯飞边滩与浅滩二期工程之间水域束窄，流速呈增加趋势。

图5 涨落急流场图(原型)Fig.5 Flow field at flood and ebb strength of tide(prototype)

图6 涨落急流场图（方案）Fig.6 Flow field at flood and ebb strength of tide(scheme)

3.3 输气管线路由位置冲刷研究

采用经过验证的二维潮流泥沙数学模型对近期和远期两种工况实施后滩面冲淤达到平衡情况进行了计算（图7和图8）。由图可见：（1）由拟建工程位置可知，输气管线与高速复线大桥相交叉，为避免桥墩局部冲刷，管线路由于大桥桥墩中间穿过，管线两侧桥墩间距为50m。工程实施后，桥孔位置流速增加，流速的增加，势必引起管线路由位置冲刷，经计算，其冲刷深度约为1.1m。（2）近期工程实施后：小霓屿—大霓屿附近水域为淤积状态；小霓屿西侧为冲刷状态；电缆与输气管线交汇位置处为2.0m以下冲刷状态。（3）远期工程实施后：小霓屿—大霓屿附近水域为淤积状态；小霓屿西侧水域为冲刷状态（输气管线位置冲刷小于0.5 m）；电缆与输气管线交汇位置处水域为0.5～2.0m冲刷状态；瓯飞边滩与二期工程之间水域为2.0～3.0m冲刷状态。

图7 近期工程实施后滩面冲淤Fig.7 Distribution of siltation and erosion after recent project

图8 远期工程实施后滩面冲淤Fig.8 Distribution of siltation and erosion after future project

4 结论

本文在分析工程海域的水动力泥沙环境及海床稳定性的基础上，通过建立二维潮流泥沙数学模型，计算了近期及远期工程建设影响下的海床滩面冲淤变化，给出了滩面最终平衡状态下的冲刷深度，得出主要结论如下：（1）瓯江南口海域为强潮海区，流速大、含沙量高。海床底质以粘土质粉砂为主，属淤泥质海岸性质。（2）近期温州浅滩呈淤积状态，南口水道呈基本稳定并略有冲刷的状态，霓屿深槽水域呈缓慢冲刷趋势。（3）甬台温高速复线大桥实施后，输气管线路由所在桥孔位置冲刷深度约为1.1m。（4）近期工程实施后，小霓屿西侧冲刷深度介于2.0～3.0m，电缆与输气管线交汇位置冲刷深度小于2.0m。（5）远期工程实施后，小霓屿西侧水域冲刷深度小于0.5 m，电缆与输气管线交汇位置处水域冲刷深度介于0.5～2.0 m，瓯飞边滩与浅滩二期工程之间水域冲刷深度介于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

孙国民（1966-），男，天津市人，高级工程师，主要从事海底管道设计研究工作。

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