LNG碼頭取排水工程潮流泥沙數值模擬研究

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、泥沙數學模型，在對模型進行充分驗證的基礎上，模擬了方案實施后的潮流運動規律，分析了取排水口附近的局部流態，預測了取排水口附近的泥沙沖淤情況。研究結果表明：（1）工程海域潮流運動基本呈現往復態，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。

關鍵詞：取排水;數學模型;潮流;泥沙

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

為加快推進環渤海灣天然氣產供儲銷體系建設、滿足山東省新舊動能轉換和經濟社會發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龍口南山LNG項目。該項目位于山東省煙臺港龍口港區屺姆島作業區，一期規模為500萬噸LNG/年，建設1座26.6萬方LNG專用泊位，遠期規模為2000萬噸/年。取排水工程作為其重要的組成部分，直接關系到氣化裝置的正常運營，接收站遠期規模共安裝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，預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則半日潮，平均潮差0.91m，屬弱潮海區。常浪向為NE～NNE向，強浪向為NE向和NNE向，其次是NW向。潮流性質為非正規半日淺海潮流，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。工程區附近5m等深線以淺的近岸帶底質主要為粗砂，中值粒徑超過0.5mm;10m等深線附近及以深的區域底質以砂質粉砂為主，中值粒徑0.02～0.06mm。本海域海岸線除由于圍墾導致的向海推進外，整體變化不大，工程海域海床地形保持基本穩定狀態。

2 數學模型建立及驗證

2.1潮流數學模型

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;為流體密度;為參考密度;S為點源流量;與為點源流速;為應力項，包括粘性應力、紊流應力和對流等，根據水深平均的流速梯度計算。

2.2 泥沙數學模型

泥沙數學模型采用了我院自主研發的TK-2D軟件包，是我國擁有自主知識產權的國產行業品牌軟件，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;為泥沙源匯函數或床面沖淤函數。

2.3 海床沖淤模型

2.3.1懸沙造成的海底變形數學模型

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學模型

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

潮流數學模型中采用無結構三角形網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個網格節點，最小空間步長為2m，基本能夠滿足模型計算精度的需要。

水動力數學模型采用2012年4月、2017年5月及2019 年7月水文測驗數據分別對工程海域潮位、流速流向進行了驗證，為節省篇幅，驗證情況見文獻[5]。

3潮流泥沙模擬結果

3.1 現狀及工程后潮流場

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。經分析：

（1）現狀條件下，工程海域潮流運動呈往復態，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，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，沿屺坶島防波堤內側一段距離內流速均有所增強。

（3）經統計，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測

采用經驗證的潮流泥沙模型，預測了正常天取、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模下排水口附近的沖刷深度分布圖。

經計算表明：正常天氣下，遠期規模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。

取水口附近短期內存在局部沖刷，究其原因分析認為，工程前擬建碼頭區域存一排西北-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，該區域泥沙基本處于淤積環境。工程后，該沉箱被拆除，原有的弱流區環境發生改變，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，致使取水口處及取水口外側短期內均略有沖深，并逐漸達到新的平衡。

4結語

本章采用經驗證的潮流泥沙數學模型，模擬了龍口南山LNG碼頭工程實施后的潮流運動規律，預測了正常天氣下取、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，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，沿屺坶島防波堤內側一段距離內流速有所增強。

（3）正常天氣下，遠期規模（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。

參考文獻：

[1]JTS/T 231-2-2010，海岸與河口潮流泥沙模擬技術規程[S].

[2]章衛勝.中國近海潮波運動數值模擬[D].河海大學碩士學位論文，2005.

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[4]解鳴曉，韓志遠，等.煙臺港龍口港區總體規劃修訂（招遠作業區）潮流泥沙數學模型試驗研究報告[R].天津：交通部天津水運工程科學研究所，2014.

[5]趙鵬等.龍口南山LNG接收站一期工程潮流泥沙數模研究[R].天津：交通部天津水運工程科學研究所，2018.

[6]朱龍海，胡日軍，姜勝輝.龍口南山LNG接收站一期工程海域使用論證報告書[R].山東青島：中國海洋大學，2018.

[7]徐杰等.龍口南山LNG接收站一期工程水文氣象觀測及海水水質取樣分析研究服務項目水文測驗分析報告[R].寧波上航測繪有限公司，2019.

[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值模擬研究報告[R].天津：交通運輸部天津水運工程科學研究所，2020.