冊子島-鎮海海底沖淤變化及其輸油管道狀態分析

金犇 何茛 沙紅良 曹雙 朱堂勇

摘要：海底輸油管道具有運油能力大、快捷、經濟等優點，但狀態不佳的海底輸油管道有可能變形、破裂，從而對水體環境安全造成極大威脅。以冊子島一鎮海海底管道與其周圍海床為例，采用多波束測深系統、單波束測深系統、淺地層剖面儀和側掃聲吶等儀器實施外業，將幾種儀器的測量結果進行匯總分析。利用統計分析，繪制地形圖、管道位置圖、狀態成果表和計算海床沖淤量等方法，分析獲得近年來海底管道狀態信息、管道位置及埋深、水下地形變化情況等，并計算海床沖淤量。新泓口等圍墾工程使鎮海一側邊灘淤積，灰鱉洋內部潮量增加，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沖刷，導致管道KP10.5附近在2017年11月檢測出一段長49m的管道懸空段。2018年上半年，海底管道經再次挖溝整治后已沉入管道溝，為及時發現受海床沖刷而形成的管道懸空長度超限等險情并了解管道溝的回淤情況，應保持現有監測頻率。

關鍵詞：海床沖淤;海底管道懸空;水下地形監測;冊子島一鎮海

中圖法分類號：P763.21

文獻標志碼：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb，2019.08.007

海底輸油管道可連續輸送大量石油，具有快捷、經濟等優點，其安全運行與海洋環境安全緊密相關。海底管道的裸露狀態，尤其是懸空狀態，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、誘發渦激振動、減少管道疲勞壽命、受到意外撞擊破壞的概率增加等[l-2]。國外一些學者通過研究發生事故的海底管道，發現海床運動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、懸空等狀態不佳的海底管道在外力作用下受損變形，導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濟損失，且嚴重破壞海洋環境。

冊子島一鎮海海底管道（簡稱“冊鎮海底管道”）所在海域水動力較強、潮差大、漲潮落潮時流速快，且海床底質以泥沙為主，容易沖刷或淤積。隨著近年來沿海經濟的發展，研究區附近金塘跨海大橋工程已經建成通車，新泓口等一系列圍墾工程陸續開展。上述工程對海床沖淤影響較大，可能會對冊鎮海底管道狀態產生影響，從而對海洋環境安全造成威脅。

本文基于2015年來對冊鎮海底管道進行的5次檢測與2018年來進行的數次應急監測情況，對管道狀態進行對比分析，探究管道狀態產生變化的原因，對今后的冊鎮海底管道檢測工作提出合理性建議。

1 基本情況

1.1 工程概況

冊鎮海底管道（見圖1）自舟山冊子島西岙，經大菜花北側穿越灰鱉洋水下淺灘至鎮海嵐山中轉油庫，海底管道總長度約36 km，外徑為762 mm，管道壁厚17.5 mm，設計壓力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的彎道處，水深約25 m。冊鎮海底管道2005年采用先鋪管后挖溝的方法埋設，于2006年投入運行。

2012～ 2014年檢測發現冊鎮海底管道裸露、懸空現象較多。為確保管道運行安全，預防重大水體環境污染事件發生，于2015年5月采取挖溝的方法對管道進行沉管施工以治理隱患。本文重點分析了整治之后的2015年10月、2016年11月、2017年11月對管道進行的全線檢測，2016年5月、2017年5月對管道進行的加密檢測以及2018年1月以來的應急監測。

在2017年11月的全線檢測中，發現管道KP10.5附近海床嚴重沖刷，形成一個較大的沖刷坑，導致一段長達49 m的海底管道處于懸空狀態，造成了重大安全隱患。為了密切關注管道附近區域海床地形變化情況并為管道安全運營提供基礎資料，于2018年1月起，逐月對冊鎮海底管道進行應急監測，為安全決策提供技術支持。

1.2 研究區概況

1.2.1 自然地理條件

（1）地理位置。研究區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。冊鎮海底管道周圍主要有金塘島、冊子島、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。研究區海底地形由西南向東北逐漸變深，在海底管道轉向冊子島的彎道處達到最深，向冊子島方向又逐漸變淺?；吟M洋海域海底底質多為黏土質粉砂[5]，海底沉積物總體屬弱還原環境，局部為弱氧化或較強氧化環境[6]。

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

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，冬季多西北風。

1.2.2 區域水文特征

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

研究區潮流屬于非正規半日潮流，基本為往復流。流向在灰鱉洋段與路由管線的平均夾角為60°～90°，在近冊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。研究區含沙量較大，底質最大含沙量可達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，分層遞增現象非常明顯，隨水深增大而增大。

2 技術方法

冊鎮海底管道檢測首先要進行控制測量，包括控制成果查勘比測、潮位站布設、水準接測等。利用多波束測深系統獲取海底狀態，利用淺地層剖面儀來確定管道的平面位置與狀態，單波束地形測量與淺地層剖面儀同步進行。對管道裸露段、懸空段采用側掃聲吶進行掃測，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深系統相互校驗。將3種測量方式的測量結果進行匯總，利用統計分析，繪制地形圖、管道位置圖、狀態成果表和計算海床沖淤量等方法，編制報告等成果。

冊鎮海底管道應急監測測量重點為沖刷坑區域，監測每月管道狀態與海床沖淤變化。主要采用多波束測深系統進行水下地形測量，單波束測深儀施測測深檢查線，將所測高程數據與多波束高程數據進行對照檢查。利用統計分析、繪制地形圖、計算海床沖淤量等方法，編制報告等成果。

3 管道狀態分析

3.1 管道常規檢測

2015年5月第一次整治之后的冊鎮海底管道全部為掩埋狀態，2015年10月檢測發現302 m裸露，2016年春季是回淤期，管道狀態有所改善;2016年冬季至2017年春季海床局部微沖，但管道狀態在這段時間整體變化不大[7]，管道裸露段的位置也比較穩定，位于KPlO～ KP13范圍內。2017年11月檢測出懸空段共計兩段，兩處懸空段位于往年裸露段附近，即位于KPlO～ KP13范圍內，其他位置管道的狀態比較穩定，均為掩埋狀態。

表1為2015年10月以來的管道狀態對比，每次檢測測得管道均以掩埋狀態為主，掩埋長度均在33 km左右。冊鎮海底管道總裸露長度最大值出現在2015年10月，其后3次檢測測得管道裸露總長度均在150 m左右。但2017年11月檢測發現管道總裸露長度又增加了約50 m，并發現了2處管道懸空，分別位于KP10.5和KP10.8附近。結合側掃聲吶圖像，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1.5 m（見圖3）。后經潛水員摸探，驗證了上述判斷。

圖4對比了2016年與2017年4次全線或加密檢測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。但是黑框內局部地區海底高程變化十分顯著，黑框內正是管道裸露段與懸空段所在之處。淺層氣泄漏一般呈現麻坑狀微地貌，而上述坑洞并非麻坑狀微地貌。同時，圖5顯示，坑洞的形狀和擴大方向基本上為順水流方向，因此坑洞是由于海底的水流沖刷形成，并導致該處管道出現大段懸空。

圖5（a）表明，2016年11月檢測出該區域海床沖刷已經非常明顯，多個小沖刷坑清晰可見。圖5（b）表明，至2017年11月檢測，該處海床進一步被沖刷，沖刷坑變大，一些小沖刷坑相連，管道出現裸露以及2處懸空。2016年11月檢測發現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月檢測發現，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，采用數字高程模型（DEM）進行沖淤計算，沖淤變化見圖6。圖中黑框內為KP10.5附近的沖刷坑，坑內海床平均沖刷3.8 m，沖刷量達26 800 m3;沖刷坑下游450 m的測量區域內（即KP10.45～KP10.9）海床平均沖刷1.4 m，沖刷量達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附近坑洞遭到嚴重沖刷變大，管道狀態變差的重要時期。

大段管道懸空造成了重大安全隱患，需要及時治理，其他測段海床也存在產生類似嚴重沖刷，并有可能導致大段懸空。因此，自2018年1月起，對冊鎮海底管道逐月開展應急監測。

3.2 管道應急監測

2017年11月檢測出冊鎮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月應急監測發現，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域在3月監測時也已經被填充完整。

通過沙袋支撐使管道大段懸空的問題得到了暫時解決。但在夏季即將到來，水流流速加快，潮差變大，臺風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，被繼續沖刷破壞的可能性較大。

2018年5月對海底管道附近海床進行了進一步處理，開挖管道溝，使管道沉人管道溝內。在6月多波束渲染圖中，開挖溝清晰可見，并且海底管道已經沉人溝內，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月沖刷坑繼續淤積，見圖7（i），坑的形狀已經不太明顯，管道溝明顯回淤，但仍有小坑洞呈現出被繼續沖刷的跡象。管道路由方向與徑流及大潮方向并非正交，加之區域內流速較大，管溝內泥沙促淤環境受到一定限制。因此，為了解未來海床的沖刷情況以及管道溝內的回淤變化情況，應保持現有監測頻率。

4 成因分析

自2015年冊鎮海底管道整治完成以來，長江下游水文水資源勘測局多次檢測表明，冊鎮海底管道整體上處于較穩定的狀態。然而，2017年11月檢測發現海底管道出現大段懸空，由前文的分析可知，造成該險情的最直接原因是區域內管道附近海床遭遇強烈沖刷。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、臺風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，冊鎮海底管道所處海域的海床演變已經和水動力條件相適應，基本上處于穩定狀態[5]。近年來，舟山金塘島北部圍堰工程、寧波鎮海新泓口圍墾工程相繼建成，尤其是新泓口圍堰工程，圍區面積大，對流速、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[8]。

新泓口圍墾工程位于寧波市鎮海區，圍墾區呈梯形，圍區面積5 km2左右。新泓口圍墾工程建成后，改變了鎮海一側原本順直的海岸，使鎮海側邊灘產生淤積，導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，灰鱉洋內部水域不斷沖刷變深。圖8紅色箭頭所指處為2017年11月測得的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，導致KPlO～ KP13范圍內海床沖刷嚴重，KP10.5附近出現了大沖刷坑。

圖8表明，靠近鎮海一側的海域，受到圍墾的影響及潮量變化比較大，但并未出現很強烈的海床沖刷，從而也沒有出現管道裸露或懸空的情況。這是因為這些近海岸地區水深比較淺，原始流速比較小，絕對流速的漲幅也比較小，管道狀態受到的影響有限。

（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海區，大橋全長21.02 km，海上部分18.42 km，海面橋墩近350個，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，橋墩下游壅水，上游水位降低;落潮時，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加劇冊鎮海底管道西側管道附近海床的沖刷，甚至可能呈現出微淤，但是和新泓口等圍墾工程對管道附近海床產生的沖淤相比，沖淤較小。上述研究表明，KP10.5附近管道懸空險情形成的主要原因并非受金塘大橋工程建設的影響。

（3）其他原因。研究區域自然環境復雜，對研究區海床沖淤產生影響的因素并不唯一。臺風短時間內對海流、波浪等水動力要素的影響較大，從而使水體底部剪切應力劇增，水體挾沙能力加強[10]，但臺風強度與行進路線具有隨機性，對于海床的影響程度也具有不確定性。冊子島一鎮海地區在2017年全年基本沒有受到強臺風的影響，因此，KP10.5附近管道懸空險情并非受到臺風影響。

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，有可能是研究區域海床呈現微沖狀態的原因之一，但不會造成局部地區強烈沖刷，因此KP10.5附近管道懸空險情并非受來沙量減少的影響。

分析了上述幾種可能原因后，認為海床局部沖刷并導致懸空險情的產生，受到金塘大橋工程、臺風、研究區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 結論與建議

本文基于2015年至今十余次冊鎮海底管道檢測與應急監測資料，分析管道狀態變化規律，著重分析了KP10.5附近大段懸空的成因，得到的結論及建議如下。

（1）冊鎮海底管道附近海床整體呈現微沖狀態，海床沖淤對管道狀態的影響較為顯著，局部海床強烈沖刷是導致管道裸露乃至懸空的主要原因。

（2）2017年11月檢測發現兩處管道懸空，其中KP10.5附近管道懸空處于一個大沖刷坑內，懸空長度達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26 800 m3;測量區域內管道KP10.45～KP10.9附近海床平均沖刷高度為1.4 m，沖刷量達72 800 m3。

（3）新泓口圍墾工程使鎮海一側邊灘淤積，灰鱉洋內部潮量增加，造成局部海床沖刷變深，導致KP10.5附近管道出現大段懸空。

（4）冊鎮海底管道懸空段在2018年上半年已基本整治完成，管道已經沉人開挖的管道溝，應及時監測管道溝的淤積狀況。

（5）海底管道KPlO～ KP13附近海床近年來持續沖刷，為及時發現海床沖刷導致管道狀態變差等情況，了解管道溝的回淤情況，近期應保持現有監測頻率，待沖淤情況穩定后恢復一年2次的檢測頻率。

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