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冊(cè)子島-鎮(zhèn)海海底沖淤變化及其輸油管道狀態(tài)分析

2019-09-10 07:22金犇何茛沙紅良曹雙朱堂勇
水利水電快報(bào) 2019年8期

金犇 何茛 沙紅良 曹雙 朱堂勇

摘要:海底輸油管道具有運(yùn)油能力大、快捷、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn),但狀態(tài)不佳的海底輸油管道有可能變形、破裂,從而對(duì)水體環(huán)境安全造成極大威脅。以冊(cè)子島一鎮(zhèn)海海底管道與其周圍海床為例,采用多波束測(cè)深系統(tǒng)、單波束測(cè)深系統(tǒng)、淺地層剖面儀和側(cè)掃聲吶等儀器實(shí)施外業(yè),將幾種儀器的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行匯總分析。利用統(tǒng)計(jì)分析,繪制地形圖、管道位置圖、狀態(tài)成果表和計(jì)算海床沖淤量等方法,分析獲得近年來海底管道狀態(tài)信息、管道位置及埋深、水下地形變化情況等,并計(jì)算海床沖淤量。新泓口等圍墾工程使鎮(zhèn)海一側(cè)邊灘淤積,灰鱉洋內(nèi)部潮量增加,造成了局部海床沖刷變深,海底管道KPlO-KP13附近海床近年來持續(xù)沖刷,導(dǎo)致管道KP10.5附近在2017年11月檢測(cè)出一段長49m的管道懸空段。2018年上半年,海底管道經(jīng)再次挖溝整治后已沉入管道溝,為及時(shí)發(fā)現(xiàn)受海床沖刷而形成的管道懸空長度超限等險(xiǎn)情并了解管道溝的回淤情況,應(yīng)保持現(xiàn)有監(jiān)測(cè)頻率。

關(guān)鍵詞:海床沖淤;海底管道懸空;水下地形監(jiān)測(cè);冊(cè)子島一鎮(zhèn)海

中圖法分類號(hào):P763.21

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

DOI: 10.15974/j.cnki.slsdkb,2019.08.007

海底輸油管道可連續(xù)輸送大量石油,具有快捷、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn),其安全運(yùn)行與海洋環(huán)境安全緊密相關(guān)。海底管道的裸露狀態(tài),尤其是懸空狀態(tài),是威脅海底管道安全的最常見因素。海底管道懸空的危害主要包括橫向失穩(wěn)、誘發(fā)渦激振動(dòng)、減少管道疲勞壽命、受到意外撞擊破壞的概率增加等[l-2]。國外一些學(xué)者通過研究發(fā)生事故的海底管道,發(fā)現(xiàn)海床運(yùn)動(dòng)和海床沖刷是造成海底管道事故的主要原因[3]。我國也曾有過裸露、懸空等狀態(tài)不佳的海底管道在外力作用下受損變形,導(dǎo)致海底管道事故的案例,例如東海平湖登陸管線事故、渤西登陸管線事故等[4],類似事故造成了重大經(jīng)濟(jì)損失,且嚴(yán)重破壞海洋環(huán)境。

冊(cè)子島一鎮(zhèn)海海底管道(簡稱“冊(cè)鎮(zhèn)海底管道”)所在海域水動(dòng)力較強(qiáng)、潮差大、漲潮落潮時(shí)流速快,且海床底質(zhì)以泥沙為主,容易沖刷或淤積。隨著近年來沿海經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,研究區(qū)附近金塘跨海大橋工程已經(jīng)建成通車,新泓口等一系列圍墾工程陸續(xù)開展。上述工程對(duì)海床沖淤影響較大,可能會(huì)對(duì)冊(cè)鎮(zhèn)海底管道狀態(tài)產(chǎn)生影響,從而對(duì)海洋環(huán)境安全造成威脅。

本文基于2015年來對(duì)冊(cè)鎮(zhèn)海底管道進(jìn)行的5次檢測(cè)與2018年來進(jìn)行的數(shù)次應(yīng)急監(jiān)測(cè)情況,對(duì)管道狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析,探究管道狀態(tài)產(chǎn)生變化的原因,對(duì)今后的冊(cè)鎮(zhèn)海底管道檢測(cè)工作提出合理性建議。

1 基本情況

1.1 工程概況

冊(cè)鎮(zhèn)海底管道(見圖1)自舟山冊(cè)子島西岙,經(jīng)大菜花北側(cè)穿越灰鱉洋水下淺灘至鎮(zhèn)海嵐山中轉(zhuǎn)油庫,海底管道總長度約36 km,外徑為762 mm,管道壁厚17.5 mm,設(shè)計(jì)壓力5.1 MPa。管道附近海域平均水深不足10 m,水深最深處在管道最北側(cè)的彎道處,水深約25 m。冊(cè)鎮(zhèn)海底管道2005年采用先鋪管后挖溝的方法埋設(shè),于2006年投入運(yùn)行。

2012~ 2014年檢測(cè)發(fā)現(xiàn)冊(cè)鎮(zhèn)海底管道裸露、懸空現(xiàn)象較多。為確保管道運(yùn)行安全,預(yù)防重大水體環(huán)境污染事件發(fā)生,于2015年5月采取挖溝的方法對(duì)管道進(jìn)行沉管施工以治理隱患。本文重點(diǎn)分析了整治之后的2015年10月、2016年11月、2017年11月對(duì)管道進(jìn)行的全線檢測(cè),2016年5月、2017年5月對(duì)管道進(jìn)行的加密檢測(cè)以及2018年1月以來的應(yīng)急監(jiān)測(cè)。

在2017年11月的全線檢測(cè)中,發(fā)現(xiàn)管道KP10.5附近海床嚴(yán)重沖刷,形成一個(gè)較大的沖刷坑,導(dǎo)致一段長達(dá)49 m的海底管道處于懸空狀態(tài),造成了重大安全隱患。為了密切關(guān)注管道附近區(qū)域海床地形變化情況并為管道安全運(yùn)營提供基礎(chǔ)資料,于2018年1月起,逐月對(duì)冊(cè)鎮(zhèn)海底管道進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測(cè),為安全決策提供技術(shù)支持。

1.2 研究區(qū)概況

1.2.1 自然地理?xiàng)l件

(1)地理位置。研究區(qū)地處浙江省寧波市東部與舟山市西部,杭州灣南部的灰鱉洋海域。冊(cè)鎮(zhèn)海底管道周圍主要有金塘島、冊(cè)子島、馬目島等島嶼,主要的水道有西堠門水道和金塘水道等。管道南部為金塘大橋,大橋與管道最近平面距離約1 km。具體位置見圖1。

(2)地形地貌。研究區(qū)海底地形由西南向東北逐漸變深,在海底管道轉(zhuǎn)向冊(cè)子島的彎道處達(dá)到最深,向冊(cè)子島方向又逐漸變淺。灰鱉洋海域海底底質(zhì)多為黏土質(zhì)粉砂[5],海底沉積物總體屬弱還原環(huán)境,局部為弱氧化或較強(qiáng)氧化環(huán)境[6]。

(3)氣候條件。研究區(qū)屬北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū),冬夏季風(fēng)交替明顯,四季分明,冬夏長、春秋短。冬季盛行偏北風(fēng),干燥寒冷;夏季盛行東南風(fēng),降水量大,時(shí)有臺(tái)風(fēng)天氣。

灰鱉洋海域位于杭州灣南部,接受甬江來水,年平均水溫17.3 ℃,年均含鹽度25.6‰,水呈黃色,透明度0.5 m。夏季多東南風(fēng),冬季多西北風(fēng)。

1.2.2 區(qū)域水文特征

研究區(qū)具有典型的海洋性氣候特征,潮汐屬于不規(guī)則半日潮型,每日兩漲兩落,最大潮差約4m,最大漲、落潮流速可達(dá)2 m/s。漲潮時(shí),潮流通過金塘水道、西堠門水道等流人杭州灣;落潮時(shí),潮流通過上述水道流向東海。

研究區(qū)潮流屬于非正規(guī)半日潮流,基本為往復(fù)流。流向在灰鱉洋段與路由管線的平均夾角為60°~90°,在近冊(cè)子島段漲落潮洋流和路由管線的平均交角約為-20°-20°。研究區(qū)海域最大落潮流速為2.5 m/s,最大漲潮流速為2.3 m/s。研究區(qū)含沙量較大,底質(zhì)最大含沙量可達(dá)7 kg/m3。落潮的含沙量略大于漲潮的含沙量,大潮含沙量大于小潮含沙量。含沙量從水面到水底,分層遞增現(xiàn)象非常明顯,隨水深增大而增大。

2 技術(shù)方法

冊(cè)鎮(zhèn)海底管道檢測(cè)首先要進(jìn)行控制測(cè)量,包括控制成果查勘比測(cè)、潮位站布設(shè)、水準(zhǔn)接測(cè)等。利用多波束測(cè)深系統(tǒng)獲取海底狀態(tài),利用淺地層剖面儀來確定管道的平面位置與狀態(tài),單波束地形測(cè)量與淺地層剖面儀同步進(jìn)行。對(duì)管道裸露段、懸空段采用側(cè)掃聲吶進(jìn)行掃測(cè),確定管道掩埋、裸露、懸空的長度,并與淺層剖面儀及多波束測(cè)深系統(tǒng)相互校驗(yàn)。將3種測(cè)量方式的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行匯總,利用統(tǒng)計(jì)分析,繪制地形圖、管道位置圖、狀態(tài)成果表和計(jì)算海床沖淤量等方法,編制報(bào)告等成果。

冊(cè)鎮(zhèn)海底管道應(yīng)急監(jiān)測(cè)測(cè)量重點(diǎn)為沖刷坑區(qū)域,監(jiān)測(cè)每月管道狀態(tài)與海床沖淤變化。主要采用多波束測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行水下地形測(cè)量,單波束測(cè)深儀施測(cè)測(cè)深檢查線,將所測(cè)高程數(shù)據(jù)與多波束高程數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)照檢查。利用統(tǒng)計(jì)分析、繪制地形圖、計(jì)算海床沖淤量等方法,編制報(bào)告等成果。

3 管道狀態(tài)分析

3.1 管道常規(guī)檢測(cè)

2015年5月第一次整治之后的冊(cè)鎮(zhèn)海底管道全部為掩埋狀態(tài),2015年10月檢測(cè)發(fā)現(xiàn)302 m裸露,2016年春季是回淤期,管道狀態(tài)有所改善;2016年冬季至2017年春季海床局部微沖,但管道狀態(tài)在這段時(shí)間整體變化不大[7],管道裸露段的位置也比較穩(wěn)定,位于KPlO~ KP13范圍內(nèi)。2017年11月檢測(cè)出懸空段共計(jì)兩段,兩處懸空段位于往年裸露段附近,即位于KPlO~ KP13范圍內(nèi),其他位置管道的狀態(tài)比較穩(wěn)定,均為掩埋狀態(tài)。

表1為2015年10月以來的管道狀態(tài)對(duì)比,每次檢測(cè)測(cè)得管道均以掩埋狀態(tài)為主,掩埋長度均在33 km左右。冊(cè)鎮(zhèn)海底管道總裸露長度最大值出現(xiàn)在2015年10月,其后3次檢測(cè)測(cè)得管道裸露總長度均在150 m左右。但2017年11月檢測(cè)發(fā)現(xiàn)管道總裸露長度又增加了約50 m,并發(fā)現(xiàn)了2處管道懸空,分別位于KP10.5和KP10.8附近。結(jié)合側(cè)掃聲吶圖像,判斷KP10.5處懸空段懸空長度約為49 m(見圖2),KP10.8附近懸空段懸空長度為6m。通過淺地層剖面儀,判斷KP10.5附近管道最大懸空高度達(dá)1.5 m(見圖3)。后經(jīng)潛水員摸探,驗(yàn)證了上述判斷。

圖4對(duì)比了2016年與2017年4次全線或加密檢測(cè)管道所處位置的海底高程。由圖4可知,2016-2017年大部分管道附近海底高程變化不大,海床微沖。但是黑框內(nèi)局部地區(qū)海底高程變化十分顯著,黑框內(nèi)正是管道裸露段與懸空段所在之處。淺層氣泄漏一般呈現(xiàn)麻坑狀微地貌,而上述坑洞并非麻坑狀微地貌。同時(shí),圖5顯示,坑洞的形狀和擴(kuò)大方向基本上為順?biāo)鞣较颍虼丝佣词怯捎诤5椎乃鳑_刷形成,并導(dǎo)致該處管道出現(xiàn)大段懸空。

圖5(a)表明,2016年11月檢測(cè)出該區(qū)域海床沖刷已經(jīng)非常明顯,多個(gè)小沖刷坑清晰可見。圖5(b)表明,至2017年11月檢測(cè),該處海床進(jìn)一步被沖刷,沖刷坑變大,一些小沖刷坑相連,管道出現(xiàn)裸露以及2處懸空。2016年11月檢測(cè)發(fā)現(xiàn)KP10.5附近沖刷坑長約100 m,寬約30 m,坑深約2m,但管道并未裸露。2017年11月檢測(cè)發(fā)現(xiàn),該處沖刷坑明顯變大,沖刷坑長大于120 m,寬約60 m,沖刷坑內(nèi)管道裸露長度為16 m,管道懸空長度為49 m。

為定量分析KP10.5沖刷坑附近海床從2016年11月至2017年11月的沖淤情況,利用ArcGIS軟件,采用數(shù)字高程模型(DEM)進(jìn)行沖淤計(jì)算,沖淤變化見圖6。圖中黑框內(nèi)為KP10.5附近的沖刷坑,坑內(nèi)海床平均沖刷3.8 m,沖刷量達(dá)26 800 m3;沖刷坑下游450 m的測(cè)量區(qū)域內(nèi)(即KP10.45~KP10.9)海床平均沖刷1.4 m,沖刷量達(dá)72 800 m3。

夏季潮差大,海床飽受水流沖擊,2017年夏季很可能是KP10.5附近坑洞遭到嚴(yán)重沖刷變大,管道狀態(tài)變差的重要時(shí)期。

大段管道懸空造成了重大安全隱患,需要及時(shí)治理,其他測(cè)段海床也存在產(chǎn)生類似嚴(yán)重沖刷,并有可能導(dǎo)致大段懸空。因此,自2018年1月起,對(duì)冊(cè)鎮(zhèn)海底管道逐月開展應(yīng)急監(jiān)測(cè)。

3.2 管道應(yīng)急監(jiān)測(cè)

2017年11月檢測(cè)出冊(cè)鎮(zhèn)海底管道存在大段懸空的狀況,次月采取填充沙袋的方法,使懸空最大處得到支撐(見圖7(c))。2018年2月應(yīng)急監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn),懸空管道除少部分未被填充支撐外,其余部分已被沙袋填充支撐,少部分無沙袋填充支撐的區(qū)域在3月監(jiān)測(cè)時(shí)也已經(jīng)被填充完整。

通過沙袋支撐使管道大段懸空的問題得到了暫時(shí)解決。但在夏季即將到來,水流流速加快,潮差變大,臺(tái)風(fēng)等不利天氣增多的情況下,支撐懸空管道的沙袋又將暴露在沖刷坑內(nèi),被繼續(xù)沖刷破壞的可能性較大。

2018年5月對(duì)海底管道附近海床進(jìn)行了進(jìn)一步處理,開挖管道溝,使管道沉人管道溝內(nèi)。在6月多波束渲染圖中,開挖溝清晰可見,并且海底管道已經(jīng)沉人溝內(nèi),見圖7(h)。7月開挖溝明顯變淺回淤,但相較6月而言,局部海床仍然存在沖刷。相比于7月,9月沖刷坑繼續(xù)淤積,見圖7(i),坑的形狀已經(jīng)不太明顯,管道溝明顯回淤,但仍有小坑洞呈現(xiàn)出被繼續(xù)沖刷的跡象。管道路由方向與徑流及大潮方向并非正交,加之區(qū)域內(nèi)流速較大,管溝內(nèi)泥沙促淤環(huán)境受到一定限制。因此,為了解未來海床的沖刷情況以及管道溝內(nèi)的回淤變化情況,應(yīng)保持現(xiàn)有監(jiān)測(cè)頻率。

4 成因分析

自2015年冊(cè)鎮(zhèn)海底管道整治完成以來,長江下游水文水資源勘測(cè)局多次檢測(cè)表明,冊(cè)鎮(zhèn)海底管道整體上處于較穩(wěn)定的狀態(tài)。然而,2017年11月檢測(cè)發(fā)現(xiàn)海底管道出現(xiàn)大段懸空,由前文的分析可知,造成該險(xiǎn)情的最直接原因是區(qū)域內(nèi)管道附近海床遭遇強(qiáng)烈沖刷。海床沖淤往往受控于多種因素,包括圍墾工程、跨海大橋工程、臺(tái)風(fēng)等不利天氣以及來沙量的變化等。本文涉及到的KP10.5附近海床強(qiáng)烈沖刷主要是受到新泓口等圍墾工程的影響,具體分析如下。

(1)新泓口等圍墾工程。長期以來,冊(cè)鎮(zhèn)海底管道所處海域的海床演變已經(jīng)和水動(dòng)力條件相適應(yīng),基本上處于穩(wěn)定狀態(tài)[5]。近年來,舟山金塘島北部圍堰工程、寧波鎮(zhèn)海新泓口圍墾工程相繼建成,尤其是新泓口圍堰工程,圍區(qū)面積大,對(duì)流速、潮量等影響較大。受這些工程的影響,灰鱉洋流域在最近十幾年呈現(xiàn)大面積沖刷,近岸淤積,累積性沖淤,局部水域沖淤幅度較大等特點(diǎn)[8]。

新泓口圍墾工程位于寧波市鎮(zhèn)海區(qū),圍墾區(qū)呈梯形,圍區(qū)面積5 km2左右。新泓口圍墾工程建成后,改變了鎮(zhèn)海一側(cè)原本順直的海岸,使鎮(zhèn)海側(cè)邊灘產(chǎn)生淤積,導(dǎo)致灰鱉洋在潮量基本不變的情況下過水寬度變小,為增加過水面積,灰鱉洋內(nèi)部水域不斷沖刷變深。圖8紅色箭頭所指處為2017年11月測(cè)得的KP10.5附近49 m管道懸空處,此處潮量較以前增加了1 00-10。潮量增加,水流不均勻沖刷,改變了邊界條件,導(dǎo)致KPlO~ KP13范圍內(nèi)海床沖刷嚴(yán)重,KP10.5附近出現(xiàn)了大沖刷坑。

圖8表明,靠近鎮(zhèn)海一側(cè)的海域,受到圍墾的影響及潮量變化比較大,但并未出現(xiàn)很強(qiáng)烈的海床沖刷,從而也沒有出現(xiàn)管道裸露或懸空的情況。這是因?yàn)檫@些近海岸地區(qū)水深比較淺,原始流速比較小,絕對(duì)流速的漲幅也比較小,管道狀態(tài)受到的影響有限。

(2)金塘大橋。金塘大橋于2009年底建成通車,連接了舟山金塘島與寧波市鎮(zhèn)海區(qū),大橋全長21.02 km,海上部分18.42 km,海面橋墩近350個(gè),橋墩與海底管道的最近距離約1 km。1928-2002年,金塘大橋橋位所在斷面的自然沖刷呈現(xiàn)出東沖西淤;大橋建成后,橋墩附近局部沖刷較大[9]。在金塘大橋建成之后,受橋墩阻水作用影響,漲潮時(shí),橋墩下游壅水,上游水位降低;落潮時(shí),橋墩上游壅水,下游水位降低。在總流量變化不大的情況下,大量水流流向了金塘島東側(cè)的西堠門水道,該水道水流流速普遍增大。因此,金塘大橋的存在并不會(huì)加劇冊(cè)鎮(zhèn)海底管道西側(cè)管道附近海床的沖刷,甚至可能呈現(xiàn)出微淤,但是和新泓口等圍墾工程對(duì)管道附近海床產(chǎn)生的沖淤相比,沖淤較小。上述研究表明,KP10.5附近管道懸空險(xiǎn)情形成的主要原因并非受金塘大橋工程建設(shè)的影響。

(3)其他原因。研究區(qū)域自然環(huán)境復(fù)雜,對(duì)研究區(qū)海床沖淤產(chǎn)生影響的因素并不唯一。臺(tái)風(fēng)短時(shí)間內(nèi)對(duì)海流、波浪等水動(dòng)力要素的影響較大,從而使水體底部剪切應(yīng)力劇增,水體挾沙能力加強(qiáng)[10],但臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度與行進(jìn)路線具有隨機(jī)性,對(duì)于海床的影響程度也具有不確定性。冊(cè)子島一鎮(zhèn)海地區(qū)在2017年全年基本沒有受到強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的影響,因此,KP10.5附近管道懸空險(xiǎn)情并非受到臺(tái)風(fēng)影響。

長江口人海泥沙自2000年后明顯變少[11],并且上海周邊及杭州灣南岸的圍墾截留了大量的泥沙,導(dǎo)致杭州灣水域含沙量減少,形成了灰鱉洋大面沖刷的泥沙背景[8]。來沙量的減少,有可能是研究區(qū)域海床呈現(xiàn)微沖狀態(tài)的原因之一,但不會(huì)造成局部地區(qū)強(qiáng)烈沖刷,因此KP10.5附近管道懸空險(xiǎn)情并非受來沙量減少的影響。

分析了上述幾種可能原因后,認(rèn)為海床局部沖刷并導(dǎo)致懸空險(xiǎn)情的產(chǎn)生,受到金塘大橋工程、臺(tái)風(fēng)、研究區(qū)來沙量減少等因素的影響有限。主要是受到新泓口等圍墾工程的影響,圍墾工程建成后,局部海域潮量增加,導(dǎo)致海床不均勻沖刷,形成一系列的坑洞,造成了管道裸露和2處懸空。

5 結(jié)論與建議

本文基于2015年至今十余次冊(cè)鎮(zhèn)海底管道檢測(cè)與應(yīng)急監(jiān)測(cè)資料,分析管道狀態(tài)變化規(guī)律,著重分析了KP10.5附近大段懸空的成因,得到的結(jié)論及建議如下。

(1)冊(cè)鎮(zhèn)海底管道附近海床整體呈現(xiàn)微沖狀態(tài),海床沖淤對(duì)管道狀態(tài)的影響較為顯著,局部海床強(qiáng)烈沖刷是導(dǎo)致管道裸露乃至懸空的主要原因。

(2)2017年11月檢測(cè)發(fā)現(xiàn)兩處管道懸空,其中KP10.5附近管道懸空處于一個(gè)大沖刷坑內(nèi),懸空長度達(dá)49 m,最大懸空高度為1.5 m。2016年11月至2017年11月,該沖刷坑附近海床平均沖刷高度為3.8 m,沖刷量達(dá)26 800 m3;測(cè)量區(qū)域內(nèi)管道KP10.45~KP10.9附近海床平均沖刷高度為1.4 m,沖刷量達(dá)72 800 m3。

(3)新泓口圍墾工程使鎮(zhèn)海一側(cè)邊灘淤積,灰鱉洋內(nèi)部潮量增加,造成局部海床沖刷變深,導(dǎo)致KP10.5附近管道出現(xiàn)大段懸空。

(4)冊(cè)鎮(zhèn)海底管道懸空段在2018年上半年已基本整治完成,管道已經(jīng)沉人開挖的管道溝,應(yīng)及時(shí)監(jiān)測(cè)管道溝的淤積狀況。

(5)海底管道KPlO~ KP13附近海床近年來持續(xù)沖刷,為及時(shí)發(fā)現(xiàn)海床沖刷導(dǎo)致管道狀態(tài)變差等情況,了解管道溝的回淤情況,近期應(yīng)保持現(xiàn)有監(jiān)測(cè)頻率,待沖淤情況穩(wěn)定后恢復(fù)一年2次的檢測(cè)頻率。

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