人工采砂坑地形對水動力泥沙環境影響

譚海川，唐 亮，楊 潔，王 琮，張永強

（1. 深港天然氣管道有限公司, 廣東 深圳 518038；2. 中國石油集團工程技術研究有限公司, 天津 300451；3. 自然資源部 第一海洋研究所, 山東 青島 266061）

海底管道是國家能源的主動脈，管道路由經常穿越不同的海洋功能區，容易受到海上生產作業的影響，人工采砂坑就是影響海底管道運行安全的重要風險點。深圳-香港海底管道支線（以下簡稱深港線）海底管道路由穿越人工海上采砂區，受到人工采砂、海流沖刷等因素的影響，采砂區不斷擴大，對海底管道的在位穩定性造成嚴重影響。海底管道一旦發生損壞，影響不可估量。

針對海上人工采砂坑對海底管道路由區水動力泥沙環境的影響問題，國內外學者主要采用現場沖刷調查和數值模擬方法開展研究，取得了有益的結果?，F場沖刷調查方法通常使用物探調查設備探測海底管道埋深和附近海床沖刷情況，對比分析調查結果，對管道懸空、裸露狀態的變化和分布特征，找出演變規律和關鍵影響因素，從而為海底管道安全運行管理及懸跨段防護決策提供依據（吳明陽等, 2015; 金犇等, 2019; 沙紅良等, 2023）。數值模擬方法是通過對現場觀測數據的分析，建立海底管道路由一定范圍內的水流泥沙數學模型，利用實測潮位、流速、流向及懸沙質量濃度資料率定并驗證模型，進而模擬分析近年來人為開發活動對海底管道附近海床沖淤變化的影響，常用的數值模式包括DELFT3D、MIKE21 和FVCOM 等（曹祖德等, 2009; 英曉明等, 2014; 朱府等,2014; Rout et al, 2021; Song et al, 2022; Tseng et al, 2022）。

綜上所述，現場實測資料的分析和數值模擬已經成為進行海床沖淤分析的有效方法。深港線海底管道路由區存在多處人工采砂坑，給管道在位穩定運行帶來嚴重影響。本文針對深港線海底管道路由區KP5+458 點采砂坑形成后的沖淤問題，基于采砂坑及管道周邊海域多期水深實測資料，采用實測資料對比和數值模擬方法，分析采砂坑存在對海底管道的潛在影響，以便制定有針對性的風險消減措施，保障深港線海底管道在位穩定運行。

1 研究區域

香港支線海底管道深圳段（深港線）起點為深圳大鏟島，終點為深港邊界，海底段全長約14.5 km（圖1）。采砂區位于海底管道西側，整體呈盆狀地形，水深為1～36 m，由東向西呈階梯狀分布。采砂區邊坡頂部為原始淺灘，海床較平坦，水深約1～4 m；采砂坑邊緣邊坡陡峭，水深急劇增加到20 m，采砂區底部地勢較為平坦，大部分水深在20 m 以深（圖2）。

圖1 研究區域位置Fig. 1 Location of the study area

圖2 局部放大深港線采砂區狀況Fig. 2 Local enlargement of the sand mining area along the Shenzhen-Hong Kong pipeline route

2018 年12 月，國家海洋局南海調查技術中心在對深港管道進行探測調查時發現，原有采砂區邊緣有向管道路由方向擴展的趨勢。2019 年3 月，南海調查中心進一步開展調查表明，該段管道西側存在水深2～33 m 的采砂坑，形成平行管道路由長約6.7 km 的陡峭邊坡，采砂坑距離海底管道最近處僅278 m，如圖2 中KP5+458 點所示。采砂坑邊坡坡度較大，人為或自然災害易導致海床失穩和沙坑邊坡滑塌，進而改變海管基礎或導致管道裸露。目前采砂坑底部水深已經深于管道頂部標高，嚴重威脅管道安全。

2 研究方法

2.1 潮流場數值模型

采用MIKE 系列軟件中的三角形網格水動力模塊（FM 模塊）計算潮流。FM 模塊是軟件核心的基礎模塊，可用于各種潮流場模擬和水動力學研究應用。其水流運動控制方程是二維淺水方程（DHI,2017a）：

式中：h為總水深，且h=η+d，其中 η和d分別為水面高度和靜水深；t為時間；uˉ 和vˉ分別為沿x和y方向的深度平均流速；S為點源流量；g為重力加速度；f為科氏參數； ρ為流體密度； ρ0為參考密度；us與vs為點源流速；Tij為應力項，包括黏性應力、紊流應力和對流等，根據水深平均的流速梯度計算。

在控制方程的求解過程中，FM 模塊采用三角形網格，使用有限體積法進行離散；時間積分采用顯式歐拉格式，計算速度較快，而且對于較小規模的潮流模擬問題，具有較高的計算效率；計算中采用干濕網格方法可以在模擬過程中動態調整邊界條件和物理過程，能更準確地模擬潮汐的變化和淺灘的演化。

2.2 波浪場數值模型

采用MIKE 軟件中SW 模塊模擬波浪場，該模塊適用于近岸海域、湖泊和河口的波浪數值模型，是國際上成熟、通用的海浪數值計算模式，包含空間的傳播、因流場和水深場的改變而導致的波浪折射、波浪向淺灘的傳播、波浪的反射和衍射、波浪生長和衰減過程、風浪的生長、波浪破碎對能量的消耗、波浪白帽的能量消耗、底摩擦效應，以及波-波相互作用等波浪傳播過程。

在直角坐標系中，SW 模型控制方程可表示為（DHI, 2017b）：

式中：N為動譜密度；t為時間； ?為微分算子； →v為波群速度；σ為相對頻率；cx、cy、cθ和cσ分別為波群在四維相空間中的傳播速度； θ為波向；s為沿 θ方向空間坐標；m為垂直于s的坐標； ?→x為在xˉ空間上的二維微分算子。

在分析采砂坑的地形沖淤變化和穩定性時，以年均波浪場作為動力場，首先須過濾掉對泥沙運動作用輕微的波浪（即波高小于0.5 m 的數據），統計各主導波向年平均波高，將其作為波要素進行波浪場反演，為泥沙數學模型提供波浪邊界條件。

2.3 泥沙運動控制方程

采用MIKE 軟件中的FM 模塊模擬泥沙運動。FM 模塊采用標準Galerkin 有限元法進行水平空間離散；在時間上，采用顯式迎風差分格式離散動量方程與輸運方程（DHI, 2017a）。泥沙控制方程為：

式中：c為沿深度平均的含沙量；u和v分別為沿x和y方向的深度平均流速；Dx和Dy分別為沿x和y方向的泥沙水平擴散系數，可取與水體紊動擴散系數相等的值；α為沉降幾率或恢復飽和系數； ω為泥沙沉速，可根據平均底質粒徑計算公式即張瑞瑾公式（周美蓉等, 2021）計算求得；C為床面沖淤強度；S*為波流共同作用下的挾沙量，根據波流挾沙的原理，S*可近似為：

式中S*C和S*W分別為潮流和波浪作用下的挾沙能量，可同時考慮潮流和波浪對泥沙的懸浮作用。

3 模型驗證

為了解區域海區及采砂坑海域的動力環境、沖淤規律特征，采用波-流同步耦合模型建立目標海域潮流場和波浪場數值模型。在水動力模型基礎上耦合泥沙沖淤模型，模擬目標海域潮流場、波浪場及泥沙沖淤環境，分析采砂坑及周邊海域海底沖淤趨勢。圖3a 為廣東近岸海域大區域模型范圍及網格劃分，對工程區網格進行加密處理；圖3b 為珠江口伶仃洋和外部海域小區域模型范圍；大區域數值模型采用二維/三維垂向平均模式，小區域數值模型采用三維垂向平均模式。

圖3 模型計算范圍及網格劃分Fig. 3 Model calculation range and meshing

3.1 風場數據驗證

研究區所在海域每年均會受臺風過程影響，臺風期間偏S 向風會導致內伶仃洋內大風增水和較大波浪傳入。本文搜集赤灣、珠海、大萬山及廣州四個海洋站2017 年8 月的臺風“天鴿”（編號1713），以及2018 年9 月的臺風“山竹”（編號1822）期間的風速、風向實測資料，與模型采用的風場資料進行驗證，具體站位分布見圖1。對比分析實測數據與模擬數據（圖4 和圖5）可以看出，各海洋站實測風速和風向與模型采用的風速、風向資料基本吻合。

圖4 海洋站計算風速和實測風速驗證曲線Fig. 4 Verification curves of calculated and measured wind speed at ocean stations

圖5 海洋站計算風向和實測風向驗證曲線Fig. 5 Verification curves of calculated and measured wind direction at ocean stations

3.2 大區域潮流場模型潮位驗證

本文搜集赤灣、珠海、大萬山及廣州四個海洋站2017 年8 月（1713 號臺風“天鴿”）及2018 年9月（1822 號臺風“山竹”）非臺風影響期間的潮位實測資料，與模型計算潮位進行驗證，結果表明，在各水文條件下，各潮位站模型與實測的潮位過程線吻合良好，模型的漲、落潮歷時和相位與實測資料一致（圖6）。

圖6 海洋站計算潮位和實測潮位驗證曲線Fig. 6 Verification curves of calculated and measured tide level at ocean station

3.3 小區域模型潮汐、潮流、波浪驗證

利用研究海域C1～C5 五個潮流測站和C1、C5 兩個臨時潮位站大潮期的實測潮流資料對模型計算得到的潮流進行率定。C1、C5 潮位驗證及C1～C5 測點流速流向驗證結果分別見圖7 和圖8。

圖7 大潮期潮位驗證曲線Fig. 7 Verification curves of the tide level during the spring tide

從潮位驗證結果來看，大、小潮各潮位站計算值與實測值基本一致。計算的高、低潮位出現的時間與實測高、低潮位出現的時間都吻合得較好。潮位平均偏差在0.04 m 左右，誤差范圍小于10%，滿足JTS/T 231-2—2010《海岸與河口潮流泥沙模擬技術規程》（交通運輸部水運局, 2010）的要求。從流速、流向驗證結果來看，大、小潮各測點流速、流向計算值與實測值吻合較好，相位偏差較小，流速過程與現場基本一致，平均流速計算值與實測值偏差在10%左右，平均流向小于10°，也滿足《海岸與河口潮流泥沙模擬技術規程》要求。因此，本模型計算得出的結果是合理的，模擬的流場反映了工程海域的潮流運動特征。

4 結果與分析

4.1 采砂區沖淤特征

自2018 年發現采砂坑以來，共開展了歷時3 年（2019 至2021 年）的 8 次采砂坑及管線區水深地形測量和沉積物取樣工作?，F場調查資料充分，詳細查清了采砂區的坑內淤積、邊界后退、邊坡變化情況，能夠準確反映調查期間采砂坑沖淤發育趨勢和規律。8 次水深地形調查結果如圖9 所示。

為評估采砂坑的穩定性和地形演化情況，本文分析了KP4 和KP5 兩個典型斷面（斷面位置見圖1）自2019 年3 月到2022 年9 月的坡面角度變化及坡頂高程變化，結果如表1 和表2 所示。

表1 2019 年3 月至2022 年9 月坡面角度（°）變化Table 1 Changes in slope angle (°) from March 2019 to September 2022

表2 2019 年3 月至2022 年9 月坡頂高程（m）變化Table 2 Variation of slope crest elevation (m) from March 2019 to September 2022

對比圖9 不同時期的水深地形可以看出：

1）2019 年3 月至2022 年9 月期間，采砂坑總體形態保持一致，未發生驟沖、驟淤現象。

2）采砂坑內總體為淤積環境，呈現淤平趨勢，深坑淤積強度最大，其中北部深坑在2020 年4月前回淤明顯，2021 年至今無明顯沖淤現象；南部深坑總體為淤積現象，淤積變化不大。

3）2020 年9 月至2021 年1 月采砂坑北部深坑西側、采砂坑中部發生局部變深，為采砂活動所致；2021 年1 月以后采砂坑內未發現采砂活動導致水深地形變化。

4）2020 年9 月前采砂區北部深坑淤積強度較大，與臨近時間采砂活動關系密切。

整體看來，觀測期間采砂坑形態總體保持不變，坑內淤積為主，無驟沖、驟淤現象，北部深坑2021 年1 月前強淤積過程與采砂活動關系密切，2021 年1 月以后采砂坑整體淤積變化不大。

圖10 至圖12 分別表示采砂區及周邊海域1 a、2 a、5 a 后沖淤特征。通過對比分析，采砂坑的南北兩側及東側為沖刷環境，局部沖刷強度為0.5 m/a 左右；坑內為淤積環境，局部最大淤積強度達到0.6 m/a 以上，整體淤積強度在0.2 m/a。長期條件下，采砂區的南北兩側及東側為沖刷環境，局部沖刷深度分別約為1.1 m 和1.6 m，采砂區內為淤積環境，整體淤積強度分別約為0.5 m/a 和1 m/a。采砂區北側邊界向西北方向擴展，遠離管道走向，對管道無影響。采砂區南側邊界向東南方向擴展，與管道走向有一定重疊，導致銅鼓水道附近KP12～KP14 段管道沖刷，局部強度分別為0.3 m/a、0.8 m/a左右，未達到管道埋設，其他管道段仍呈現淤積環境。

圖10 采砂坑及周邊海域1 a 后沖淤量分布Fig. 10 Distribution of scouring and silting amount in the sandpits and their surrounding waters after one year

圖11 現狀水深條件下2 a 后沖淤量分布Fig. 11 Distribution of scouring and silting amount under the case of present water depth after two years

圖12 現狀水深條件下5 a 后沖淤量分布Fig. 12 Distribution of scouring and silting amount under the case of present water depth after five years

4.2 采砂坑邊界變化

模擬結果（圖13）表明，采砂邊界變化主要發生在采砂坑南北邊界，東側靠近管線段采砂坑邊界變化略小。

圖13 模擬采砂坑邊界變化Fig. 13 Variations of the simulated boundary of the sand mining area

采砂坑南北邊界后退主要受控于漲落潮海流垂直沖刷。1 a、2 a 和5 a 后，采砂區北側邊界分別向西北方向呈環狀擴展0.4、0.8 和1.2 km，采砂區南側邊界向東南方向呈環狀擴展0.5、0.9 和1.5 km。采砂區東側邊界后退主要由凸體局部沖刷所致，1 a、2 a 和5 a 后向靠近管道方向擴展6、11 和30 m，擴展段為與管道KP4+120 至KP11+120之間平行的部分。

4.3 采砂坑邊坡變化

對于采砂區東側邊界的邊坡，選取KP8+387、KP10+387 處2 條典型斷面分析長期沖刷條件下的采砂區邊坡變化特征，如圖14 所示?？梢钥闯?，采砂坑邊坡發育趨勢為坡底淤積、邊坡變緩、坡頂侵蝕。坡頂侵蝕會導致采砂坑邊界線向管線擴展。

圖14 長期沖刷作用下采砂區邊坡變化Fig. 14 Slope changes of the sand mining area under the action of long-term scouring

5 結 論

本文分析了深港海底管道路由區域2019 年3 月至2022 年9 月期間8 次采砂坑及管線區水深地形測量資料，通過數值模擬并與實測資料相互驗證，掌握區域海區及采砂坑海域的動力環境、沖淤規律特征。數值模擬方法能夠準確反映調查期間采砂坑沖淤發育趨勢和規律，分析結果可為海底管道路由采砂區制定有效防護方案、采取有效防護措施提供科學依據，其主要結論如下。

1）采砂坑總體形態保持不變，未發生驟沖、驟淤現象。

2）采砂坑內整體為淤積環境，采砂坑大坡度邊坡主要分布在東南部邊坡、南部邊坡，以及東北側局部；邊坡坡度總體維持不變。

3）采砂坑東側邊緣走向與漲落潮主流向斜交，為沖刷環境，采砂坑邊緣突出部分進行調整，形成凸體局部沖刷，采砂坑邊緣線整體后退。

4）模擬沖刷1 年后東側邊界整體后退約6 m，模擬沖刷2 a 后東側邊界整體后退約11 m，模擬沖刷5 a 后東側邊緣整體后退約30 m。