LNG碼頭取排水工程潮流泥沙數(shù)值模擬研究

張焯 姚姍姍

摘 要：以龍口南山LNG碼頭工程為背景，采用二維潮流、泥沙數(shù)學(xué)模型，在對模型進行充分驗證的基礎(chǔ)上，模擬了方案實施后的潮流運動規(guī)律，分析了取排水口附近的局部流態(tài)，預(yù)測了取排水口附近的泥沙沖淤情況。研究結(jié)果表明：（1）工程海域潮流運動基本呈現(xiàn)往復(fù)態(tài)，漲潮偏西南，落潮偏東北，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碼頭工程實施后，取、排水口附近地形短期內(nèi)均有所沖深，其中排水口附近的沖深要大于取水口附近的沖深;（3）正常天氣下，取水口處最大沖深0.07m;排水口附近最大沖深可達1.07m，影響局限在排水口附近300m范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞：取排水;數(shù)學(xué)模型;潮流;泥沙

中圖分類號：U656.1? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）01-0151-03

為加快推進環(huán)渤海灣天然氣產(chǎn)供儲銷體系建設(shè)、滿足山東省新舊動能轉(zhuǎn)換和經(jīng)濟社會發(fā)展對清潔能源日益增長的需求，中海油南山（山東）天然氣有限公司擬建設(shè)龍口南山LNG項目。該項目位于山東省煙臺港龍口港區(qū)屺姆島作業(yè)區(qū)，一期規(guī)模為500萬噸LNG/年，建設(shè)1座26.6萬方LNG專用泊位，遠期規(guī)模為2000萬噸/年。取排水工程作為其重要的組成部分，直接關(guān)系到氣化裝置的正常運營，接收站遠期規(guī)模共安裝8 臺ORV，海水用量為62400 m?/h。本文通過建立多重嵌套二維潮流泥沙模型，模擬LNG碼頭取排水工程實施后的局部流態(tài)，預(yù)測取排水口附近的泥沙沖淤情況。LNG碼頭平面布置方案如圖1所示。

1自然條件概述

工程海域潮汐為不規(guī)則半日潮，平均潮差0.91m，屬弱潮海區(qū)。常浪向為NE～NNE向，強浪向為NE向和NNE向，其次是NW向。潮流性質(zhì)為非正規(guī)半日淺海潮流，2019年7月實測漲、落潮最大流速在0.30m/s～0.90m/s左右。海區(qū)含沙量總體不高，實測漲、落潮最大含沙量不足0.1kg/m3，泥沙來源有限。工程區(qū)附近5m等深線以淺的近岸帶底質(zhì)主要為粗砂，中值粒徑超過0.5mm;10m等深線附近及以深的區(qū)域底質(zhì)以砂質(zhì)粉砂為主，中值粒徑0.02～0.06mm。本海域海岸線除由于圍墾導(dǎo)致的向海推進外，整體變化不大，工程海域海床地形保持基本穩(wěn)定狀態(tài)。

2 數(shù)學(xué)模型建立及驗證

2.1潮流數(shù)學(xué)模型

其中：為總水深，為自由面高程，d為靜水深; 和分別為沿和方向的深度平均流速;為柯氏力系數(shù);為流體密度;為參考密度;S為點源流量;與為點源流速;為應(yīng)力項，包括粘性應(yīng)力、紊流應(yīng)力和對流等，根據(jù)水深平均的流速梯度計算。

2.2 泥沙數(shù)學(xué)模型

泥沙數(shù)學(xué)模型采用了我院自主研發(fā)的TK-2D軟件包，是我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)行業(yè)品牌軟件，擁有完全的源程序代碼。該模型在許多個河口海岸工程中得到廣泛應(yīng)用。懸沙運動的控制方程如下：

式中：為海底到靜止海面的距離（靜水深）;為自靜止海面向上起算的海面起伏（水位）;為鉛直方向積分的水體含沙濃度;、分別為、方向的泥沙擴散系數(shù);為泥沙源匯函數(shù)或床面沖淤函數(shù)。

2.3 海床沖淤模型

2.3.1懸沙造成的海底變形數(shù)學(xué)模型

式中：為海底床面懸沙引起的沖淤厚度;為床面泥沙干容重。

2.3.2底沙造成的海底變形數(shù)學(xué)模型

式中：為海底床面底沙引起的沖淤厚度，為床面底沙干容重，和分別為單位時間內(nèi)單寬底沙輸移量沿和方向的分量，采用考慮波浪作用的竇國仁公式計算，即

2.4 模型建立及驗證

潮流數(shù)學(xué)模型中采用無結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格對計算域進行剖分，并采用大范圍與局部模型嵌套方式進行計算。圖2中示意了模型嵌套計算范圍，其中大模型范圍北至大連，南至煙臺，局部模型東西向最遠距離約70km，南北向最遠距離約80km。局部模型所需的潮位邊界由大范圍模型提供。

圖3示意了大范圍和局部模型的網(wǎng)格剖分情況，其中用以最終模擬工程方案的局部模型共66282個網(wǎng)格節(jié)點，最小空間步長為2m，基本能夠滿足模型計算精度的需要。

水動力數(shù)學(xué)模型采用2012年4月、2017年5月及2019 年7月水文測驗數(shù)據(jù)分別對工程海域潮位、流速流向進行了驗證，為節(jié)省篇幅，驗證情況見文獻[5]。

3潮流泥沙模擬結(jié)果

3.1 現(xiàn)狀及工程后潮流場

圖3～圖4以大潮為例，分別給出了遠期規(guī)模62400m3/h流量下大范圍及取、排水口局部典型時刻的流場圖。經(jīng)分析：

（1）現(xiàn)狀條件下，工程海域潮流運動呈往復(fù)態(tài)，漲潮流偏西南，落潮流偏東北。LNG碼頭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，取水口處無明顯入流。排水口位于屺坶島防波堤堤后的蔭流區(qū)，背景水動力較弱，存在明顯出流，且流速較取水口處明顯增加，水流自排水口排出后，沿屺坶島防波堤內(nèi)側(cè)一段距離內(nèi)流速均有所增強。

（3）經(jīng)統(tǒng)計，LNG碼頭泊位及港池水域平均流速在0.2m/s～0.6m/s左右，遠期規(guī)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 取排水口附近泥沙沖淤預(yù)測

采用經(jīng)驗證的潮流泥沙模型，預(yù)測了正常天取、排水口處的泥沙沖淤情況，見表1。圖6給出了遠期取排水規(guī)模下排水口附近的沖刷深度分布圖。

經(jīng)計算表明：正常天氣下，遠期規(guī)模62400m3/h流量下，取水口處正常天最大沖深僅0.07m;排水口附近正常天最大沖深可達1.07m，影響局限在排水口附近300m范圍內(nèi)。

取水口附近短期內(nèi)存在局部沖刷，究其原因分析認(rèn)為，工程前擬建碼頭區(qū)域存一排西北-東南方向的沉箱，在該沉箱的掩護下，擬建碼頭后方即棧橋水域為弱流區(qū)，該區(qū)域泥沙基本處于淤積環(huán)境。工程后，該沉箱被拆除，原有的弱流區(qū)環(huán)境發(fā)生改變，取而代之的是重力式的碼頭工作平臺、系纜墩和靠船墩，漲、落潮流可以通過橋墩之間的縫隙進入到碼頭后方，因此工程后棧橋所在區(qū)域受這種穿堂水流的影響，水動力有所增強，其影響范圍可蔓延至取水口外側(cè)，致使取水口處及取水口外側(cè)短期內(nèi)均略有沖深，并逐漸達到新的平衡。

4結(jié)語

本章采用經(jīng)驗證的潮流泥沙數(shù)學(xué)模型，模擬了龍口南山LNG碼頭工程實施后的潮流運動規(guī)律，預(yù)測了正常天氣下取、排水口附近的泥沙沖淤情況，得到以下結(jié)論：

（1）工程后LNG碼頭泊位及港池水域平均流速約0.2m/s～0.6m/s，遠期規(guī)模下，取水口附近平均流速約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，取水口處無明顯入流。排水口位于屺坶島防波堤堤后的蔭流區(qū)，背景水動力較弱，存在明顯出流，且流速較取水口明顯增加，水流自排水口排出后，沿屺坶島防波堤內(nèi)側(cè)一段距離內(nèi)流速有所增強。

（3）正常天氣下，遠期規(guī)模（62400m3/h）流量下，取水口處正常天最大沖深僅0.07m;排水口附近正常天最大沖深可達1.07m，影響局限在排水口附近300m范圍內(nèi)。

參考文獻：

[1]JTS/T 231-2-2010，海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程[S].

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[4]解鳴曉，韓志遠，等.煙臺港龍口港區(qū)總體規(guī)劃修訂（招遠作業(yè)區(qū)）潮流泥沙數(shù)學(xué)模型試驗研究報告[R].天津：交通部天津水運工程科學(xué)研究所，2014.

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[8]姚姍姍， 韓志遠.龍口南山LNG接收站及碼頭項目潮流泥沙數(shù)值模擬研究報告[R].天津：交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所，2020.