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 海洋與海岸地質實驗室，福建 廈門 361005；2.中國地質大學（武漢）地球物理與空間信息學院，湖北 武漢 430074；3.吉林大學 地球科學學院，吉林 長春 130061）

近年來，隨著經濟的快速發展以及人類生活水平持續改善，人類在海底鋪設了越來越多的海底管線。受海流沖刷或者地質災害等因素的影響，海底管線會發生出露甚至懸空等狀態，嚴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濟損失或生態災難，因此海底管線的安全性越來越受到重視。一些學者對海底管線的局部沖刷機制進行了研究，提出過度的滲流及由此產生的通道系統是導致管道下方沖刷開始的主要因素[1-5]，在沖刷過程中，管道附近形成的渦流是關鍵因素[6-7]，并有學者提出公式對最大沖刷深度和沖刷寬度進行了預測[3,6-10]。然而，這些研究都是基于實驗室設定的特定流場背景，在實際海洋環境中，尤其是強潮海域，水動力條件極其復雜，沖刷過程也是復雜多變，無法通過已有的公式進行推測，需要結合實地情況對海底管線的安全性進行分析。

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），是著名的高含沙量強潮灣，本文通過對杭州灣南部某海域海底地形以及海域內海底管道埋藏狀況的調查，研究了海底管線埋藏現狀，探討了該海域背景沖刷現狀以及對海底管線安全性的影響能力及發展趨勢，并提出了改善措施。

1 研究區概況

1.1 研究區位置

研究區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，為4條相互平行的海底管線及向兩側各外擴100 m之間的路由區域。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，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，設計埋深1.0～1.5 m，埋設時間為2001年；二期管道南和二期管道北管徑1.2 m，設計埋深1.0～1.5 m，埋設時間2012年；三期管道管徑1.2 m，設計埋深1.0～2.0 m，鋪設于2017年。研究區位置見圖1。

圖1 研究區位置

1.2 沉積物分布

根據舟山大陸引水一期工程海底路由勘察資料，研究區表層沉積物以淤泥、粉質粘土、淤泥質粉質粘土、淤泥質粘土為主。寧波鎮海和舟山馬目兩個近岸段500 m左右范圍內表層沉積物為淤泥，土質均勻，厚度大于7 m；西南部灰鱉洋西部淺灘表層沉積物以粉質粘土和淤泥質粉質粘土為主，水平層理，夾粉土薄層或團塊，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粘土為主，水平層理，土質均勻，厚度1～6 m。

1.3 水文條件

根據舟山大陸引水一期工程路由調查報告中4個站位的準同步連續周日海流觀測資料，研究區潮流類型以往復流為主，漲潮流向在344°至012°間，落潮流在94°至164°間，潮流運動受制于水道和沿岸地形。研究區平均含沙量為0.987 kg/m3，寧波鎮海側為1.461 kg/m3，舟山馬目側為0.512 kg/m3，寧波鎮海側大于舟山馬目側。

2 數據與方法

本次研究主要采用了多波束測深、側掃聲吶掃海、淺地層剖面探測等地球物理手段進行綜合研究。多波束測深采用Reson SeaBat 7125 sv2多波束系統，工作頻率200 kHz，波束256束，數據覆蓋了管道兩側100 m區域，獲得了管道位置、管道埋藏狀況以及研究區海床地形變化信息。側掃聲吶采用美國Klein S3000型旁側聲吶系統，工作頻率100 kHz/500 kHz，單側掃寬100 m，數據覆蓋整個研究區，可以結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，工作頻率2～12 kHz，測線垂直于海底管道布設，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。數據采集于2018年7—8月，坐標系統采用CGCS2000坐標系，高程系統采用正常高系統、1985國家高程基準，調查工作滿足《海底電纜管道路由勘察規范》（GB/T 17502—2009）等技術標準和規范的要求。

3 結果

3.1 水深地形

根據多波束測深數據繪制了研究區海底地形圖（圖2），由圖可知，研究區水深變化范圍為2～19.5 m，西南側海底以淺灘為主，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和菰茨門潮流沖刷槽的尾梢影響區，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計埋深，滿足設計要求是指管道管頂在海底泥面以下且大于設計埋深。測量結果（圖3）顯示，一期管道1.4%出露，10.1%淺埋，未達設計埋深要求，88.5%埋深滿足設計要求，未發現管道懸空現象；二期管道南線10.7%出露，25.6%淺埋，未達設計埋深要求，63.7%埋深滿足要求，未發現管道懸空現象；二期管道北線8.2%出露，28.6%淺埋，未達設計埋深要求，63.2%埋深滿足要求，未發現管道懸空現象；三期管道4.3%出露，2.1%淺埋，未達設計埋深要求，未發現管道懸空現象。

圖3 研究區海底管道埋藏狀況圖

4 討論

4.1 研究區背景沖刷現狀分析

根據2012年7月—9月期間開展的“舟山大陸引水三期工程鎮海——馬目海底輸水管道路由勘測”[12]的調查結果，與本次研究2018年7月—8月期間取得的水下地形資料進行對比分析，按照50 m間距提取管道的水深數據，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）。通過對比分析發現，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，根據沖刷的程度不同分為3種類型：強沖刷區（2018年水深-2012年水深＞1 m）、弱沖刷區（1 m＞2018年水深-2012年水深＞0.5 m）、平衡區（2018年水深-2012年水深＜0.5 m）。管道沿著鎮海到馬目方向，先后穿過平衡區Ⅰ→弱沖刷區Ⅰ→強沖刷區→弱沖刷區Ⅱ→平衡區Ⅱ。其中，管道強沖刷區大約位于KP9—KP19之間的海域；弱沖刷區位于強沖刷區兩側，弱沖刷區Ⅱ對應于西堠門水道和菰茨門水道位置；平衡區位于管道兩側登陸端附近海域，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。

根據上海英程海洋工程技術有限公司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狀態和海底沖淤研究報告》[13]，2006—2012年，研究區兩側近岸段為沖淤平衡區；西南側淺灘海底以微淤積為主，淤積厚度10～40 cm，最大可達約60～70 cm，局部為沖刷或者微沖微淤相間；東北側西堠門沖刷槽槽底處于強沖刷狀態，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，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。

根據上文分析，研究區東北側西堠門沖刷槽和菰茨門沖刷槽位置一直處于沖刷狀態；西南側淺灘區域在2006—2012年為微淤積狀態，而2012—2018年變為強沖刷狀態，海域的背景沖刷狀態發生了強烈變化。背景沖刷的狀態改變與潮流的流速流向以及沉積物供應有關，杭州灣的沉積物主要受長江泥沙的再懸浮和反復沉積作用影響[14]，有研究表明，2003年后三峽工程等大型水壩的建設導致長江泥沙負荷的減少，從而引起杭州灣泥沙供應的減少[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，它影響了杭州灣內的潮流流向及強度，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]，這也是造成研究區背景沖刷狀態改變的重要因素。

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的影響

海底管道埋設后，由于管道路由位置掩埋底土被強烈擾動，處于不平衡狀態，在潮流的不斷沖刷下，經過一段時間才能達到平衡，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，形成管道溝，這在本次研究中十分常見（圖5），在強背景沖刷下，管道溝中的埋藏管道經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鍵因素。在研究區復雜的強背景沖刷下，這些影響因素也相應變強，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，其沖刷范圍要遠超出管道未出露位置和管道兩側位置，這導致管道的更快速出露和懸空，并快速向兩側發展，隨著管道出露以及懸空長度的增加，海底管道斷裂風險大大增加。本次研究發現，二期的兩條管線在2012—2018年的 6年間出現多處位置的管道出露，并有一處近乎懸空（圖6）。

填土回埋是現今解決管道出露和懸空的主要方法，但是對于強背景沖刷海域，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措施。

圖5 研究區海底管道溝

圖6 研究區出露管道臨界懸空

5 結論

根據2018年7月—8月在杭州灣南部4條海底管道所在海域的現場調查數據，研究了海域水深地形特征及4條海底管道的埋藏狀態，討論了海域背景沖刷現狀及對管道安全性的影響。主要結論如下：（1）研究區內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年間發生了很大變化，西南部大片淺灘區域背景沖刷由淤積狀態變為強沖刷狀態；（2）背景沖刷是管道出露和懸空的主要因素，強背景沖刷加速管道懸空的發展，嚴重影響管道的安全；（3）對于強背景沖刷海域，簡單的填土回埋只能暫時性解除危險，長期來看安全風險依然存在，需要考慮長效的保護措施。