舟山册子岛－镇海海底管道附近海床冲淤数值模拟研究

朱 府，叶银灿，黄潘阳，刘杜娟

（国家海洋局 第二海洋研究所 工程海洋学重点实验室，浙江 杭州 310012）

0 引言

海底输油管道作为海洋油气集输与储存系统的重要组成部分，其安全运营是海洋油气资源开发中的关键问题之一。各种人类开发活动或自然因素导致的周边海洋环境改变均可能引起局部海床冲刷，导致海底管道裸露悬空，威胁工程安全。目前，有关海底管道的研究多局限于管道的腐蚀及动力条件下的受力分析［1］，而对于管道附近海床冲刷的研究较少。海床的稳定是海底管道安全的有力保障，诸多安全隐患都是由于海床的冲淤变化导致。目前海床演变测试分析的手段主要有原型测量分析、物理模型和数值模型等方法，如黄世昌 等［2］利用大量水沙资料和多年地形资料分析了杭州湾灰鳖洋海域海床的冲淤变化，认为海域呈现东冲西淤的特点，海床变化取决于潮滩的发育、岸线边界的变化以及上游杭州南岸围垦；郝品正 等［3］采用正态河工模型，研究了湘江株洲航电枢纽正常运转条件下河床冲淤变化规律；李孟国［4］在大量文献基础上对海岸河口泥沙数学模型的研究和进展情况进行了归纳总结和评述；陈道信 等［5］基于温州近海及河口二维水流数值计算模式，探讨了围垦工程对近海及河口水动力的影响；HU et al［6］在长江口水流泥沙数学模型的基础上进一步模拟了风暴潮过程，认为远处风浪作用的考虑有助于提高风暴潮模拟精度，并且分析了上海九段沙浅滩海床演变规律；卢祥兴 等［7］采用河床演变分析的方法研究了秦山核电三期工程取水口附近海床的冲淤变化，并采用数学模型和实体模型预测了近期海床的变化。本文考虑到杭州湾口区域近年来人为开发活动频繁，故利用数值模拟方法结合实测资料分析，建立了杭州湾口二维水流泥沙数学模型，研究人为开发活动对舟山册子岛－镇海海底管道附近海床变化的影响。

1 工程概况

册子岛－镇海海底原油管道位于杭州湾口东南部与舟山群岛西部交汇区，西起宁波市镇海区的新泓口，跨越灰鳖洋，东至册子岛大沙湾（图1）。海域周围主要有金塘岛、册子岛、大鹏山等岛屿，其间形成金塘水道、西堠门、菰茨航门等水道与航门。该管道工程于2005年6月竣工，全长36.5km，管道直径762 mm，埋设处平均水深10m，最大水深25m。自该海底管道建成后，周边海域先后实施多项大型工程，主要包括新泓口围垦、金塘大桥、金塘北部区围垦、泥螺山北侧围垦等。新泓口围垦工程围垦面积493hm2，堤线总长6 019m，施工始于2006年2月，2008年4月围垦合拢，于2009年竣工。金塘大桥全长21.03km，海上桥梁长18.27km，施工始于2006年4月，2007年8月沉桩结束，于2009年6月主体竣工，该桥海面桥墩近350个。泥螺山北侧围垦工程分为Ⅰ期工程与Ⅱ期工程，Ⅰ期工程围垦面积696hm2，施工始于2010年12月，Ⅱ期工程围垦面积487hm2，施工始于2013年4月，工程计划于2017年完工。

为了保障海底管道工程的安全运营，历年定期对管道的埋设状况进行全线检测。从2006—2012年历年检测结果显示，该海底管道于2008年开始出现裸露段，至2010年甚至出现悬空段，尽管进行人工维护处理，情况依然不容乐观。冲刷段主要分为A、B、C三个区段，分别为镇海登陆段、深潭延伸段以及深槽边坡段，详见图1。其中悬空段大部分出现于镇海登陆段与深槽边坡段，深潭区并未出现明显的管道悬空，但是却存在大范围的管道裸露现象。截止2012年7月，管道悬空长度总计164m，最大悬空高度1.8m；经人为抢修后，管道悬空长度总计85m，占管道总长的0.24%，最大悬空高度0.2m，裸露管道占46%。

图1 研究区概况及观测站位与流量计算断面示意图Fig.1 Sketch of study area，survey stations and cross－sections

2 数值模型设计

本文采用由荷兰Delft水力学研究所开发的Delft3D模型进行区域水流泥沙模拟。Delft3D模型数值方法采用ADI法，快速而稳定，完全保证质量、动量和能量守恒，尤其独一无二地支持曲面格式，使边界的拟合性更好。考虑到在杭州湾海域流体的水平尺度远大于垂向尺度，且三维模型又存在着运算量大，耗费机时长等缺点，故基于杭州湾二维水流泥沙数学模型分析近年来人为开发活动对海底管道附近海床冲淤变化的影响。

2.1 数值模拟范围与网格设置

模拟海域范围以舟山市为中心，北至南通市如东县，南至温州瑞安市，主要包含钱塘江与长江口区。综合多方面考虑，采用扇形网格方法与嵌套网格技术，加大内部网格密度，提高模型运算效率，以29°49′N，121°50′E为圆心，分别刻画半径为74km的内部网格和半径为289km的外部网格。舟山群岛海域岛屿众多、水深地形多变、水动力条件复杂，因此内部网格设置的网格密度大。为了更加准确地模拟桥墩的影响，在金塘大桥附近进行局部加密，将网格长宽控制在13～19m之间，最大限度地接近实际桥墩直径（图2）。外部网格、内部网格和桥位加密区网格大小平均值分别为1 499，172和16m。另外，通过合理控制网格参数，降低计算误差，正交系数＜0.005 2，长宽比＜1.7。

图2 嵌套网格设置Fig.2 Settings for embedded grids

2.2 参数设置

设置模型计算时间为2008年3月至2008年5月，源汇处采用流量控制，长江月平均流量设置为11 200m3／s（3月），22 400m3／s（4月）和26 135m3／s（5月），钱塘江月平均流量设置为1 100m3／s（3月），1 380m3／s（4月）和1 500m3／s（5月）。通过干湿法设置干点模拟新泓口围垦和金塘大桥工程，逐一模拟每项工程对研究海域水动力的影响。受网格大小的限制，桥墩直径与非通航孔桥跨径的设置需乘以线性扩大系数1.7，桥墩直径设置约为15m，非通航孔桥跨径设置约为100m。考虑到地貌演变的时间尺度远大于水动力学的时间尺度，故将参数地貌时间尺度因子设置为5，以加快模型中地貌的演变过程，其余参数设置见表1。另外，为了便于结果分析，分别在研究区域内设置了25个观测站点和5个流量计算断面，详见图1。

3 数值模型验证

杭州湾悬沙质量浓度空间分布特征复杂，分布着3个高值区与2个低值区，分别为湾顶沙坝高值区、庵东浅滩前缘水域高值区、湾口北部南汇咀滩地前缘水域高值区和大渔山海域外侧低值区、乍浦海域内侧低值区；杭州湾的悬沙质量浓度呈现“低－高－低－高－低”的纵向分布规律［8］。由图3可以看出，模拟结果显示垂向日平均悬沙质量浓度空间分布能基本体现出区域分布特征。为了验证模型的合理性，在工程区选取了5个验潮站与6个水文站（具体站位分布见图1）的验证资料，验证2008年3月20日至2008年4月3日时间段内模拟的水位、流速、流向和悬沙质量浓度。从验证情况看，总体上模型计算结果与实测量值相近，相位相符（部分模拟结果见图4和图5）。

表1 模型参数设置Tab.1 Settings for model parameters

图3 垂向日平均悬沙质量浓度模拟分布（2008－03－22大潮时）Fig.3 Distribution of the vertical average daily SSC in model（2008－03－22spring tide）

图4 龙山（a）与沥港（b）潮位站潮位验证（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）

图5 5＃与7＃水文站的流速、流向和悬沙质量浓度验证Fig.5 Verification of flow velocity，flow direction and SCC at 5＃and 7＃stations

4 数值模拟结果分析

海底管道路由区位于灰鳖洋海域南部，杭州湾落潮流受金塘岛和册子岛等岛屿的阻挡，通过金塘水道、西堠门和菰茨航门连接东海海域。与金塘水道相连的灰鳖洋海域近70a来呈现西侧微淤，东侧微冲的总体态势，海床的变化主要与潮滩的发育和岸线边界的变化以及上游杭州南岸围垦有关［2］。长江流域来沙作为杭州湾主要泥沙来源，来沙量大幅减少势必影响整个杭州湾泥沙输运平衡，引起局部区域冲刷加剧。根据多年实测海床冲淤变化对比分析（图6a），2006—2012年期间管线附近海床冲淤变化总体呈现以冲刷为主的态势。2006年9月至2008年6月管线附近海床冲淤变化较大，可能与该段时间内人为开发活动有密切关系，受新泓口围垦和金塘大桥工程影响大。2010年6月至2011年10月管线附近海床冲刷明显，引起海床冲淤变化的主要原因可能与台风频发有关。6至10月是台风多发时段，海床受台风影响较大，且2011年第9号超强台风“梅花”于8月6日11时途经舟山市，是近年来影响浙江最强的台风。自管道建成后，A、B、C三大冲刷段海床有着不同程度的冲刷。其中C段位于西堠门冲刷槽边坡处，深槽历年不断扩展，故此段冲刷较为显著，冲刷深度为1.5～3.0m；A段西临新泓口围垦区，受围垦影响大，冲刷深度为0.5～1.4m；B段位于金塘岛西侧冲刷槽延伸处，冲刷宽幅大，冲刷深度为0.1～0.7m，可能与极端天气以及杭州湾南岸大规模的围垦整治工程长期影响有关；管线E段与F段分别位于金塘岛和册子岛西北侧波影区，以淤积为主。

4.1 新泓口围垦对冲淤变化的影响

新泓口围垦区呈一梯形，位于金塘水道西北侧岸外，在原本平直的沿海岸线处外推，外侧海堤与原岸线存在10°夹角。从图7中可以明显看出，围垦后原平行于岸线的往复流水流结构有所变化，流向变为沿梯形围垦区的弧形绕流，南北两侧流速变小，外侧总体流速变大；由于外侧海堤与水流方向也存在10°的夹角，导致流速变化不一，靠北侧岸外流速变大明显，往南流速变化渐缓。由于水流结构的变化，该区域输沙平衡无法维系，模拟结果显示围垦区南、北两侧产生淤积，围垦区外东北角方向冲刷严重，出现最大冲刷深度为2.5m的椭圆冲刷坑（图8a），引起管线镇海登陆段附近海床冲刷宽幅达2～3km，与实测数据较为吻合（图6b）。随着地形的重塑，围垦区南、北两侧地形逐渐变浅，北端外侧的挑流作用减缓。另外，由于泥螺山北侧围垦工程的实施，由新泓口围垦引起的局部挑流作用北移至泥螺山北侧围垦区外的东北角，先前的椭圆冲刷坑有所回淤，地形趋于平缓，管线附近海床也呈现微淤状态。历年实测资料显示，在新泓口围垦工程竣工后管线镇海登陆段有一明显的冲刷过程，尔后，除2010至2011年有轻微冲刷外，其余年份均处于回淤的过程（图6a与表2）。另外，多项围垦工程的实施导致镇海至金塘岛海域断面缩窄，断面流速加大，水流流束整体向金塘岛侧移动，引起管线深潭延伸段海床的冲刷。实测资料也表明自新泓口围垦工程竣工后，管线深潭延伸段长期呈现微冲的状态（图6a），这可能与杭州湾南岸大规模围垦整治工程有密切关系，且工程影响周期较长。

图6 管线附近多年实测海床冲淤变化（a）和模拟结果比对（b）（“＋”为淤积，“－”为冲刷，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）

图7 新泓口围垦前后流态对比Fig.7 Comparison of flow pattern before and after reclamation in Xinhongkou of Zhenhai

表2 各项工程实施前后部分观测站数据对比Tab.2 Comparison of the observation stations data before and after the implementation of each project

4.2 金塘大桥建设对冲淤变化的影响

金塘大桥由西向东横跨灰鳖洋海面和沥港水道，联结宁波市镇海区和舟山市金塘岛。由于桥墩的阻水作用，落潮时桥墩上游壅水，下游水位降低；涨潮时桥墩下游壅水，上游水位降低。潮位变化导致大量水流将涌向西堠门水道，以保持潮面平稳。模拟结果显示，设置桥墩后断面1处瞬时平均进出潮量减少1 813m3／s，比原先瞬时平均进出潮量减少0.73%；断面2（金塘水道）减少5 261m3／s，占原先的4.38%；断面3（西堠门水道）增加2 352m3／s，占原先的1.90%；断面4（菰茨航门）增加733m3／s，占原先的1.91%；断面5（沥港水道）增加150m3／s，占原先的35.61%。进出潮量的减少使得金塘大桥上、下游掩护区内流速减小，而通航孔区因水流集中导致流速增加明显，观测站g2和g26平均流速分别增加了10.9%和3.1%。

桥墩作用引起上、下游海域水流变化幅值与范围受诸多因子影响，主要包括局部水动力强度、桥墩直径和桥跨跨距等因子。由于该海域水动力较强，涨落潮最大流速可达2.0m／s以上，水流变化受桥墩影响的范围大。金塘大桥与海底管线布置存在20°的夹角，管道沿线水流受影响程度不一（表2）。桥跨跨距因子作用复杂，具有群桩效应，海床冲淤变化受该因子影响敏感。在一定范围内，桥跨跨距小，淤积作用强；桥跨跨距大，冲刷作用强；跨距超出某个范围后，冲刷作用反而减小；冲淤平衡时跨距值取决于水动力强度和桥墩直径，且桥墩与桥墩之间又有相互作用。由于模型网格大小的限制，无法达到真实桥墩所需的分辨率，通过线性扩大桥墩直径和桥跨跨距，模拟结果在一定程度上反映出大桥对海床变化的影响。模拟结果显示，金塘大桥工程引起海床冲淤变化的区域范围大，大桥建设引起西堠门水道处冲刷显著，加剧了管线深槽边坡西半段冲刷，冲刷深度达到0.2～0.4m；镇海登陆段东侧和深潭延伸段东侧分别位于大桥西通航孔延伸区和主通航孔延伸区，水流集中作用引起海床轻微冲刷（图8b）。

模拟结果显示，管线镇海登陆段海床冲刷主要由新泓口围垦工程的实施引起，金塘大桥西通航孔的影响也扩大了该段管线海床冲刷的范围，冲刷范围达2～3km，冲刷深度为0.5～1.3m；金塘大桥主通航孔处水流的集中作用加剧了管线深潭延伸东半段的冲刷；管线深槽边坡西半段海床冲刷与金塘大桥阻水作用有关（图8 两项工程共同作用下海床冲淤模拟结果与2006年至2008年海床变化实测资料相比较，管线附近海床冲淤变化的情况大致吻合（图6b）。由此反映了该两项工程项目的实施是造成2006年至2008年期间管线附近海床变化的主要原因，也是造成2008年该海底管道开始出现裸露的主要原因，导致管线附近海床不稳定，威胁管道工程安全。

图8 工程项目引起的海床冲淤变化模拟Fig.8 Simulation of seabed change caused by projects

5 结论

本文基于Delft3D建立了杭州湾口二维水流泥沙数学模型，结合实测资料分析研究了人为开发活动对册子岛－镇海海底管道附近海床冲淤变化的影响，得到以下结论：

（1）新泓口围垦工程引起的局部挑流作用和金塘大桥西通航孔处水流的集中作用是造成管线镇海登陆段海床冲刷的主要原因。由于新泓口围垦工程外推海堤与外侧水流方向存在10°的夹角，导致围垦区外东北角方向出现最大冲刷深度为2.5m的椭圆冲刷坑。而金塘大桥西通航孔的影响扩大了该段管线海床冲刷的范围，模型计算结果显示沿线海床冲刷范围达2～3km，冲刷深度为0.5～1.3m。

（2）管线深槽边坡段自然冲刷严重，潮流冲刷槽不断扩展，而金塘大桥的阻水作用加剧了管线深槽边坡西半段海床的冲刷，且影响周期长。模型计算结果显示，大桥建成后西堠门水道处平均进出潮量增加2 352m3／s，深槽边坡西半段冲刷深度达到0.2～0.4m，海床仍处于冲刷状态。

（3）管线深潭延伸段海床冲刷可能与极端天气以及杭州湾南岸大规模的围垦整治工程长期影响有关，大规模围垦整治工程导致镇海至金塘岛海域断面缩窄，断面流速变大，引起海床微冲。此外，金塘大桥主通航孔处水流的集中作用加剧了此处东半段的冲刷。模拟结果显示，大桥建成后主通航孔附近观测站g2和g26平均流速分别增加了10.9%和3.1%。

该文所建模型仍存在一定局限性，如没有考虑波浪作用的影响，尤其是大风条件下波浪对近岸海床的影响。另外，研究海域自然环境复杂，长江来沙量减少、台风频发等诸多因素对研究区海床的冲淤影响有待进一步深入分析。

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