LNG码头取排水工程潮流泥沙数值模拟研究

张焯 姚姗姗

摘 要：以龙口南山LNG码头工程为背景，采用二维潮流、泥沙数学模型，在对模型进行充分验证的基础上，模拟了方案实施后的潮流运动规律，分析了取排水口附近的局部流态，预测了取排水口附近的泥沙冲淤情况。研究结果表明：（1）工程海域潮流运动基本呈现往复态，涨潮偏西南，落潮偏东北，工程后取水口附近平均流速在0.1m/s～0.4m/s左右，排水口附近平均流速在0.1m/s～0.9m/s左右;（2）LNG码头工程实施后，取、排水口附近地形短期内均有所冲深，其中排水口附近的冲深要大于取水口附近的冲深;（3）正常天气下，取水口处最大冲深0.07m;排水口附近最大冲深可达1.07m，影响局限在排水口附近300m范围内。

关键词：取排水;数学模型;潮流;泥沙

中图分类号：U656.1            文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2021）01-0151-03

为加快推进环渤海湾天然气产供储销体系建设、满足山东省新旧动能转换和经济社会发展对清洁能源日益增长的需求，中海油南山（山东）天然气有限公司拟建设龙口南山LNG项目。该项目位于山东省烟台港龙口港区屺姆岛作业区，一期规模为500万吨LNG/年，建设1座26.6万方LNG专用泊位，远期规模为2000万吨/年。取排水工程作为其重要的组成部分，直接关系到气化装置的正常运营，接收站远期规模共安装8 台ORV，海水用量为62400 m?/h。本文通过建立多重嵌套二维潮流泥沙模型，模拟LNG码头取排水工程实施后的局部流态，预测取排水口附近的泥沙冲淤情况。LNG码头平面布置方案如图1所示。

1自然条件概述

工程海域潮汐为不规则半日潮，平均潮差0.91m，属弱潮海区。常浪向为NE～NNE向，强浪向为NE向和NNE向，其次是NW向。潮流性质为非正规半日浅海潮流，2019年7月实测涨、落潮最大流速在0.30m/s～0.90m/s左右。海区含沙量总体不高，实测涨、落潮最大含沙量不足0.1kg/m3，泥沙来源有限。工程区附近5m等深线以浅的近岸带底质主要为粗砂，中值粒径超过0.5mm;10m等深线附近及以深的区域底质以砂质粉砂为主，中值粒径0.02～0.06mm。本海域海岸线除由于围垦导致的向海推进外，整体变化不大，工程海域海床地形保持基本稳定状态。

2 数学模型建立及验证

2.1潮流数学模型

其中：为总水深，为自由面高程，d为静水深; 和分别为沿和方向的深度平均流速;为柯氏力系数;为流体密度;为参考密度;S为点源流量;与为点源流速;为应力项，包括粘性应力、紊流应力和对流等，根据水深平均的流速梯度计算。

2.2 泥沙数学模型

泥沙数学模型采用了我院自主研发的TK-2D软件包，是我国拥有自主知识产权的国产行业品牌软件，拥有完全的源程序代码。该模型在许多个河口海岸工程中得到广泛应用。悬沙运动的控制方程如下：

式中：为海底到静止海面的距离（静水深）;为自静止海面向上起算的海面起伏（水位）;为铅直方向积分的水体含沙浓度;、分别为、方向的泥沙扩散系数;为泥沙源汇函数或床面冲淤函数。

2.3 海床冲淤模型

2.3.1悬沙造成的海底变形数学模型

式中：为海底床面悬沙引起的冲淤厚度;为床面泥沙干容重。

2.3.2底沙造成的海底变形数学模型

式中：为海底床面底沙引起的冲淤厚度，为床面底沙干容重，和分别为单位时间内单宽底沙输移量沿和方向的分量，采用考虑波浪作用的窦国仁公式计算，即

2.4 模型建立及验证

潮流数学模型中采用无结构三角形网格对计算域进行剖分，并采用大范围與局部模型嵌套方式进行计算。图2中示意了模型嵌套计算范围，其中大模型范围北至大连，南至烟台，局部模型东西向最远距离约70km，南北向最远距离约80km。局部模型所需的潮位边界由大范围模型提供。

图3示意了大范围和局部模型的网格剖分情况，其中用以最终模拟工程方案的局部模型共66282个网格节点，最小空间步长为2m，基本能够满足模型计算精度的需要。

水动力数学模型采用2012年4月、2017年5月及2019 年7月水文测验数据分别对工程海域潮位、流速流向进行了验证，为节省篇幅，验证情况见文献[5]。

3潮流泥沙模拟结果

3.1 现状及工程后潮流场

图3～图4以大潮为例，分别给出了远期规模62400m3/h流量下大范围及取、排水口局部典型时刻的流场图。经分析：

（1）现状条件下，工程海域潮流运动呈往复态，涨潮流偏西南，落潮流偏东北。LNG码头泊位及港池水域工程前平均流速在0.2m/s～0.6m/s;取水口附近工程前平均流速在0.05m/s～0.25m/s，排水口附近平均流速基本不足0.15m/s。

（2）工程后，取水口处无明显入流。排水口位于屺坶岛防波堤堤后的荫流区，背景水动力较弱，存在明显出流，且流速较取水口处明显增加，水流自排水口排出后，沿屺坶岛防波堤内侧一段距离内流速均有所增强。

（3）经统计，LNG码头泊位及港池水域平均流速在0.2m/s～0.6m/s左右，远期规模下，取水口附近平均流速在0.1m/s～0.4m/s左右，排水口附近平均流速在0.1m/s～0.9m/s左右。

3.2 取排水口附近泥沙冲淤预测

采用经验证的潮流泥沙模型，预测了正常天取、排水口处的泥沙冲淤情况，见表1。图6给出了远期取排水规模下排水口附近的冲刷深度分布图。

经计算表明：正常天气下，远期规模62400m3/h流量下，取水口处正常天最大冲深僅0.07m;排水口附近正常天最大冲深可达1.07m，影响局限在排水口附近300m范围内。

取水口附近短期内存在局部冲刷，究其原因分析认为，工程前拟建码头区域存一排西北-东南方向的沉箱，在该沉箱的掩护下，拟建码头后方即栈桥水域为弱流区，该区域泥沙基本处于淤积环境。工程后，该沉箱被拆除，原有的弱流区环境发生改变，取而代之的是重力式的码头工作平台、系缆墩和靠船墩，涨、落潮流可以通过桥墩之间的缝隙进入到码头后方，因此工程后栈桥所在区域受这种穿堂水流的影响，水动力有所增强，其影响范围可蔓延至取水口外侧，致使取水口处及取水口外侧短期内均略有冲深，并逐渐达到新的平衡。

4结语

本章采用经验证的潮流泥沙数学模型，模拟了龙口南山LNG码头工程实施后的潮流运动规律，预测了正常天气下取、排水口附近的泥沙冲淤情况，得到以下结论：

（1）工程后LNG码头泊位及港池水域平均流速约0.2m/s～0.6m/s，远期规模下，取水口附近平均流速约0.1m/s～0.4m/s，排水口附近平均流速在0.1m/s～0.9m/s左右。

（2）工程后，取水口处无明显入流。排水口位于屺坶岛防波堤堤后的荫流区，背景水动力较弱，存在明显出流，且流速较取水口明显增加，水流自排水口排出后，沿屺坶岛防波堤内侧一段距离内流速有所增强。

（3）正常天气下，远期规模（62400m3/h）流量下，取水口处正常天最大冲深仅0.07m;排水口附近正常天最大冲深可达1.07m，影响局限在排水口附近300m范围内。

参考文献：

[1]JTS/T 231-2-2010，海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程[S].

[2]章卫胜.中国近海潮波运动数值模拟[D].河海大学硕士学位论文，2005.

[3]朱巧云.烟台港龙口港区总体规划修订水文测验技术报告[R].长江委水文局长江口水文水资源勘测局，2012.

[4]解鸣晓，韩志远，等.烟台港龙口港区总体规划修订（招远作业区）潮流泥沙数学模型试验研究报告[R].天津：交通部天津水运工程科学研究所，2014.

[5]赵鹏等.龙口南山LNG接收站一期工程潮流泥沙数模研究[R].天津：交通部天津水运工程科学研究所，2018.

[6]朱龙海，胡日军，姜胜辉.龙口南山LNG接收站一期工程海域使用论证报告书[R].山东青岛：中国海洋大学，2018.

[7]徐杰等.龙口南山LNG接收站一期工程水文气象观测及海水水质取样分析研究服务项目水文测验分析报告[R].宁波上航测绘有限公司，2019.

[8]姚姗姗， 韩志远.龙口南山LNG接收站及码头项目潮流泥沙数值模拟研究报告[R].天津：交通运输部天津水运工程科学研究所，2020.