册子岛-镇海海底冲淤变化及其输油管道状态分析

金犇 何茛 沙红良 曹双 朱堂勇

摘要：海底输油管道具有运油能力大、快捷、经济等优点，但状态不佳的海底输油管道有可能变形、破裂，从而对水体环境安全造成极大威胁。以册子岛一镇海海底管道与其周围海床为例，采用多波束测深系统、单波束测深系统、浅地层剖面仪和侧扫声呐等仪器实施外业，将几种仪器的测量结果进行汇总分析。利用统计分析，绘制地形图、管道位置图、状态成果表和计算海床冲淤量等方法，分析获得近年来海底管道状态信息、管道位置及埋深、水下地形变化情况等，并计算海床冲淤量。新泓口等围垦工程使镇海一侧边滩淤积，灰鳖洋内部潮量增加，造成了局部海床冲刷变深，海底管道KPlO-KP13附近海床近年来持续冲刷，导致管道KP10.5附近在2017年11月检测出一段长49m的管道悬空段。2018年上半年，海底管道经再次挖沟整治后已沉入管道沟，为及时发现受海床冲刷而形成的管道悬空长度超限等险情并了解管道沟的回淤情况，应保持现有监测频率。

关键词：海床沖淤;海底管道悬空;水下地形监测;册子岛一镇海

中图法分类号：P763.21

文献标志码：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb，2019.08.007

海底输油管道可连续输送大量石油，具有快捷、经济等优点，其安全运行与海洋环境安全紧密相关。海底管道的裸露状态，尤其是悬空状态，是威胁海底管道安全的最常见因素。海底管道悬空的危害主要包括横向失稳、诱发涡激振动、减少管道疲劳寿命、受到意外撞击破坏的概率增加等[l-2]。国外一些学者通过研究发生事故的海底管道，发现海床运动和海床冲刷是造成海底管道事故的主要原因[3]。我国也曾有过裸露、悬空等状态不佳的海底管道在外力作用下受损变形，导致海底管道事故的案例，例如东海平湖登陆管线事故、渤西登陆管线事故等[4]，类似事故造成了重大经济损失，且严重破坏海洋环境。

册子岛一镇海海底管道（简称“册镇海底管道”）所在海域水动力较强、潮差大、涨潮落潮时流速快，且海床底质以泥沙为主，容易冲刷或淤积。随着近年来沿海经济的发展，研究区附近金塘跨海大桥工程已经建成通车，新泓口等一系列围垦工程陆续开展。上述工程对海床冲淤影响较大，可能会对册镇海底管道状态产生影响，从而对海洋环境安全造成威胁。

本文基于2015年来对册镇海底管道进行的5次检测与2018年来进行的数次应急监测情况，对管道状态进行对比分析，探究管道状态产生变化的原因，对今后的册镇海底管道检测工作提出合理性建议。

1 基本情况

1.1 工程概况

册镇海底管道（见图1）自舟山册子岛西岙，经大菜花北侧穿越灰鳖洋水下浅滩至镇海岚山中转油库，海底管道总长度约36 km，外径为762 mm，管道壁厚17.5 mm，设计压力5.1 MPa。管道附近海域平均水深不足10 m，水深最深处在管道最北侧的弯道处，水深约25 m。册镇海底管道2005年采用先铺管后挖沟的方法埋设，于2006年投入运行。

2012～ 2014年检测发现册镇海底管道裸露、悬空现象较多。为确保管道运行安全，预防重大水体环境污染事件发生，于2015年5月采取挖沟的方法对管道进行沉管施工以治理隐患。本文重点分析了整治之后的2015年10月、2016年11月、2017年11月对管道进行的全线检测，2016年5月、2017年5月对管道进行的加密检测以及2018年1月以来的应急监测。

在2017年11月的全线检测中，发现管道KP10.5附近海床严重冲刷，形成一个较大的冲刷坑，导致一段长达49 m的海底管道处于悬空状态，造成了重大安全隐患。为了密切关注管道附近区域海床地形变化情况并为管道安全运营提供基础资料，于2018年1月起，逐月对册镇海底管道进行应急监测，为安全决策提供技术支持。

1.2 研究区概况

1.2.1 自然地理条件

（1）地理位置。研究区地处浙江省宁波市东部与舟山市西部，杭州湾南部的灰鳖洋海域。册镇海底管道周围主要有金塘岛、册子岛、马目岛等岛屿，主要的水道有西堠门水道和金塘水道等。管道南部为金塘大桥，大桥与管道最近平面距离约1 km。具体位置见图1。

（2）地形地貌。研究区海底地形由西南向东北逐渐变深，在海底管道转向册子岛的弯道处达到最深，向册子岛方向又逐渐变浅。灰鳖洋海域海底底质多为黏土质粉砂[5]，海底沉积物总体属弱还原环境，局部为弱氧化或较强氧化环境[6]。

（3）气候条件。研究区属北亚热带湿润季风气候区，冬夏季风交替明显，四季分明，冬夏长、春秋短。冬季盛行偏北风，干燥寒冷;夏季盛行东南风，降水量大，时有台风天气。

灰鳖洋海域位于杭州湾南部，接受甬江来水，年平均水温17.3 ℃，年均含盐度25.6‰，水呈黄色，透明度0.5 m。夏季多东南风，冬季多西北风。

1.2.2 区域水文特征

研究区具有典型的海洋性气候特征，潮汐属于不规则半日潮型，每日两涨两落，最大潮差约4m，最大涨、落潮流速可达2 m/s。涨潮时，潮流通过金塘水道、西堠门水道等流人杭州湾;落潮时，潮流通过上述水道流向东海。

研究区潮流属于非正规半日潮流，基本为往复流。流向在灰鳖洋段与路由管线的平均夹角为60°～90°，在近册子岛段涨落潮洋流和路由管线的平均交角约为-20°-20°。研究区海域最大落潮流速为2.5 m/s，最大涨潮流速为2.3 m/s。研究区含沙量较大，底质最大含沙量可达7 kg/m3。落潮的含沙量略大于涨潮的含沙量，大潮含沙量大于小潮含沙量。含沙量从水面到水底，分层递增现象非常明显，随水深增大而增大。

2 技术方法

册镇海底管道检测首先要进行控制测量，包括控制成果查勘比测、潮位站布设、水准接测等。利用多波束测深系统获取海底状态，利用浅地层剖面仪来确定管道的平面位置与状态，单波束地形测量与浅地层剖面仪同步进行。对管道裸露段、悬空段采用侧扫声呐进行扫测，确定管道掩埋、裸露、悬空的长度，并与浅层剖面仪及多波束测深系统相互校验。将3种测量方式的测量结果进行汇总，利用统计分析，绘制地形图、管道位置图、状态成果表和计算海床冲淤量等方法，编制报告等成果。

册镇海底管道应急监测测量重点为冲刷坑区域，监测每月管道状态与海床冲淤变化。主要采用多波束测深系统进行水下地形测量，单波束测深仪施测测深检查线，将所测高程数据与多波束高程数据进行对照检查。利用统计分析、绘制地形图、计算海床冲淤量等方法，编制报告等成果。

3 管道状态分析

3.1 管道常规检测

2015年5月第一次整治之后的册镇海底管道全部为掩埋状态，2015年10月检测发现302 m裸露，2016年春季是回淤期，管道状态有所改善;2016年冬季至2017年春季海床局部微冲，但管道状态在这段时间整体变化不大[7]，管道裸露段的位置也比较稳定，位于KPlO～ KP13范围内。2017年11月检测出悬空段共计两段，两处悬空段位于往年裸露段附近，即位于KPlO～ KP13范围内，其他位置管道的状态比较稳定，均为掩埋状态。

表1为2015年10月以来的管道状态对比，每次检测测得管道均以掩埋状态为主，掩埋长度均在33 km左右。册镇海底管道总裸露长度最大值出现在2015年10月，其后3次检测测得管道裸露总长度均在150 m左右。但2017年11月检测发现管道总裸露长度又增加了约50 m，并发现了2处管道悬空，分别位于KP10.5和KP10.8附近。结合侧扫声呐图像，判断KP10.5处悬空段悬空长度约为49 m（见图2），KP10.8附近悬空段悬空长度为6m。通过浅地层剖面仪，判断KP10.5附近管道最大悬空高度达1.5 m（见图3）。后经潜水员摸探，验证了上述判断。

图4对比了2016年与2017年4次全线或加密检测管道所处位置的海底高程。由图4可知，2016-2017年大部分管道附近海底高程变化不大，海床微冲。但是黑框内局部地区海底高程变化十分显著，黑框内正是管道裸露段与悬空段所在之处。浅层气泄漏一般呈现麻坑状微地貌，而上述坑洞并非麻坑状微地貌。同时，图5显示，坑洞的形状和扩大方向基本上為顺水流方向，因此坑洞是由于海底的水流冲刷形成，并导致该处管道出现大段悬空。

图5（a）表明，2016年11月检测出该区域海床冲刷已经非常明显，多个小冲刷坑清晰可见。图5（b）表明，至2017年11月检测，该处海床进一步被冲刷，冲刷坑变大，一些小冲刷坑相连，管道出现裸露以及2处悬空。2016年11月检测发现KP10.5附近冲刷坑长约100 m，宽约30 m，坑深约2m，但管道并未裸露。2017年11月检测发现，该处冲刷坑明显变大，冲刷坑长大于120 m，宽约60 m，冲刷坑内管道裸露长度为16 m，管道悬空长度为49 m。

为定量分析KP10.5冲刷坑附近海床从2016年11月至2017年11月的冲淤情况，利用ArcGIS软件，采用数字高程模型（DEM）进行冲淤计算，冲淤变化见图6。图中黑框内为KP10.5附近的冲刷坑，坑内海床平均冲刷3.8 m，冲刷量达26 800 m3;冲刷坑下游450 m的测量区域内（即KP10.45～KP10.9）海床平均冲刷1.4 m，冲刷量达72 800 m3。

夏季潮差大，海床饱受水流冲击，2017年夏季很可能是KP10.5附近坑洞遭到严重冲刷变大，管道状态变差的重要时期。

大段管道悬空造成了重大安全隐患，需要及时治理，其他测段海床也存在产生类似严重冲刷，并有可能导致大段悬空。因此，自2018年1月起，对册镇海底管道逐月开展应急监测。

3.2 管道应急监测

2017年11月检测出册镇海底管道存在大段悬空的状况，次月采取填充沙袋的方法，使悬空最大处得到支撑（见图7（c））。2018年2月应急监测发现，悬空管道除少部分未被填充支撑外，其余部分已被沙袋填充支撑，少部分无沙袋填充支撑的区域在3月监测时也已经被填充完整。

通过沙袋支撑使管道大段悬空的问题得到了暂时解决。但在夏季即将到来，水流流速加快，潮差变大，台风等不利天气增多的情况下，支撑悬空管道的沙袋又将暴露在冲刷坑内，被继续冲刷破坏的可能性较大。

2018年5月对海底管道附近海床进行了进一步处理，开挖管道沟，使管道沉人管道沟内。在6月多波束渲染图中，开挖沟清晰可见，并且海底管道已经沉人沟内，见图7（h）。7月开挖沟明显变浅回淤，但相较6月而言，局部海床仍然存在冲刷。相比于7月，9月冲刷坑继续淤积，见图7（i），坑的形状已经不太明显，管道沟明显回淤，但仍有小坑洞呈现出被继续冲刷的迹象。管道路由方向与径流及大潮方向并非正交，加之区域内流速较大，管沟内泥沙促淤环境受到一定限制。因此，为了解未来海床的冲刷情况以及管道沟内的回淤变化情况，应保持现有监测频率。

4 成因分析

自2015年册镇海底管道整治完成以来，长江下游水文水资源勘测局多次检测表明，册镇海底管道整体上处于较稳定的状态。然而，2017年11月检测发现海底管道出现大段悬空，由前文的分析可知，造成该险情的最直接原因是区域内管道附近海床遭遇强烈冲刷。海床冲淤往往受控于多种因素，包括围垦工程、跨海大桥工程、台风等不利天气以及来沙量的变化等。本文涉及到的KP10.5附近海床强烈冲刷主要是受到新泓口等围垦工程的影响，具体分析如下。

（1）新泓口等围垦工程。长期以来，册镇海底管道所处海域的海床演变已经和水动力条件相适应，基本上处于稳定状态[5]。近年来，舟山金塘岛北部围堰工程、宁波镇海新泓口围垦工程相继建成，尤其是新泓口围堰工程，围区面积大，对流速、潮量等影响较大。受这些工程的影响，灰鳖洋流域在最近十几年呈现大面积冲刷，近岸淤积，累积性冲淤，局部水域冲淤幅度较大等特点[8]。

新泓口围垦工程位于宁波市镇海区，围垦区呈梯形，围区面积5 km2左右。新泓口围垦工程建成后，改变了镇海一侧原本顺直的海岸，使镇海侧边滩产生淤积，导致灰鳖洋在潮量基本不变的情况下过水宽度变小，为增加过水面积，灰鳖洋内部水域不断冲刷变深。图8红色箭头所指处为2017年11月测得的KP10.5附近49 m管道悬空处，此处潮量较以前增加了1 00-10。潮量增加，水流不均匀冲刷，改变了边界条件，导致KPlO～ KP13范围内海床冲刷严重，KP10.5附近出现了大冲刷坑。

图8表明，靠近镇海一侧的海域，受到围垦的影响及潮量变化比较大，但并未出现很强烈的海床冲刷，从而也没有出现管道裸露或悬空的情况。这是因为这些近海岸地区水深比较浅，原始流速比较小，绝对流速的涨幅也比较小，管道状态受到的影响有限。

（2）金塘大桥。金塘大桥于2009年底建成通车，连接了舟山金塘岛与宁波市镇海区，大桥全长21.02 km，海上部分18.42 km，海面桥墩近350个，桥墩与海底管道的最近距离约1 km。1928-2002年，金塘大桥桥位所在断面的自然冲刷呈现出东冲西淤;大桥建成后，桥墩附近局部冲刷较大[9]。在金塘大桥建成之后，受桥墩阻水作用影响，涨潮时，桥墩下游壅水，上游水位降低;落潮时，桥墩上游壅水，下游水位降低。在总流量变化不大的情况下，大量水流流向了金塘岛东侧的西堠门水道，该水道水流流速普遍增大。因此，金塘大桥的存在并不会加剧册镇海底管道西侧管道附近海床的冲刷，甚至可能呈现出微淤，但是和新泓口等围垦工程对管道附近海床产生的冲淤相比，冲淤较小。上述研究表明，KP10.5附近管道悬空险情形成的主要原因并非受金塘大桥工程建设的影响。

（3）其他原因。研究区域自然环境复杂，对研究区海床冲淤产生影响的因素并不唯一。台风短时间内对海流、波浪等水动力要素的影响较大，从而使水体底部剪切应力剧增，水体挟沙能力加强[10]，但台风强度与行进路线具有随机性，对于海床的影响程度也具有不确定性。册子岛一镇海地区在2017年全年基本没有受到强台风的影响，因此，KP10.5附近管道悬空险情并非受到台风影响。

长江口人海泥沙自2000年后明显变少[11]，并且上海周边及杭州湾南岸的围垦截留了大量的泥沙，导致杭州湾水域含沙量减少，形成了灰鳖洋大面冲刷的泥沙背景[8]。来沙量的减少，有可能是研究区域海床呈现微冲状态的原因之一，但不会造成局部地区强烈冲刷，因此KP10.5附近管道悬空险情并非受来沙量减少的影响。

分析了上述几种可能原因后，认为海床局部冲刷并导致悬空险情的产生，受到金塘大桥工程、台风、研究区来沙量减少等因素的影响有限。主要是受到新泓口等围垦工程的影响，围垦工程建成后，局部海域潮量增加，导致海床不均匀冲刷，形成一系列的坑洞，造成了管道裸露和2处悬空。

5 结论与建议

本文基于2015年至今十余次册镇海底管道检测与应急监测资料，分析管道状态变化规律，着重分析了KP10.5附近大段悬空的成因，得到的结论及建议如下。

（1）册镇海底管道附近海床整体呈现微冲状态，海床冲淤对管道状态的影响较为显著，局部海床强烈冲刷是导致管道裸露乃至悬空的主要原因。

（2）2017年11月检测发现两处管道悬空，其中KP10.5附近管道悬空处于一个大冲刷坑内，悬空长度达49 m，最大悬空高度为1.5 m。2016年11月至2017年11月，该冲刷坑附近海床平均冲刷高度为3.8 m，冲刷量达26 800 m3;测量区域内管道KP10.45～KP10.9附近海床平均冲刷高度为1.4 m，冲刷量达72 800 m3。

（3）新泓口围垦工程使镇海一侧边滩淤积，灰鳖洋内部潮量增加，造成局部海床冲刷变深，导致KP10.5附近管道出现大段悬空。

（4）册镇海底管道悬空段在2018年上半年已基本整治完成，管道已经沉人开挖的管道沟，应及时监测管道沟的淤积状况。

（5）海底管道KPlO～ KP13附近海床近年来持续冲刷，为及时发现海床冲刷导致管道状态变差等情况，了解管道沟的回淤情况，近期应保持现有监测频率，待冲淤情况稳定后恢复一年2次的检测频率。

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