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(duì)模型進(jìn)行充分驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，模擬了方案實(shí)施后的潮流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，分析了取排水口附近的局部流態(tài)，預(yù)測(cè)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(yùn)動(dòng)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(shí)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(dá)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(lèi)號(hào)：U656.1? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）01-0151-03

為加快推進(jìn)環(huán)渤海灣天然氣產(chǎn)供儲(chǔ)銷(xiāo)體系建設(shè)、滿足山東省新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)清潔能源日益增長(zhǎng)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(xiàng)目。該項(xiàng)目位于山東省煙臺(tái)港龍口港區(qū)屺姆島作業(yè)區(qū)，一期規(guī)模為500萬(wàn)噸LNG/年，建設(shè)1座26.6萬(wàn)方LNG專(zhuān)用泊位，遠(yuǎn)期規(guī)模為2000萬(wàn)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(yùn)營(yíng)，接收站遠(yuǎn)期規(guī)模共安裝8 臺(tái)ORV，海水用量為62400 m?/h。本文通過(guò)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(shí)施后的局部流態(tài)，預(yù)測(cè)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?yàn)镹E～NNE向，強(qiáng)浪向?yàn)镹E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(shí)測(cè)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(shí)測(cè)漲、落潮最大含沙量不足0.1kg/m3，泥沙來(lái)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(guò)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(jìn)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(yàn)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(diǎn)源流量;與為點(diǎn)源流速;為應(yīng)力項(xiàng)，包括粘性應(yīng)力、紊流應(yīng)力和對(duì)流等，根據(jù)水深平均的流速梯度計(jì)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(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)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(gè)河口海岸工程中得到廣泛應(yīng)用。懸沙運(yùn)動(dòng)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(kuò)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(shí)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(guó)仁公式計(jì)算，即

2.4 模型建立及驗(yàn)證

潮流數(shù)學(xué)模型中采用無(wú)結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行剖分，并采用大范圍與局部模型嵌套方式進(jìn)行計(jì)算。圖2中示意了模型嵌套計(jì)算范圍，其中大模型范圍北至大連，南至煙臺(tái)，局部模型東西向最遠(yuǎn)距離約70km，南北向最遠(yuǎn)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(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，最小空間步長(zhǎng)為2m，基本能夠滿足模型計(jì)算精度的需要。

水動(dòng)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(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別對(duì)工程海域潮位、流速流向進(jìn)行了驗(yàn)證，為節(jié)省篇幅，驗(yàn)證情況見(jiàn)文獻(xiàn)[5]。

3潮流泥沙模擬結(jié)果

3.1 現(xiàn)狀及工程后潮流場(chǎng)

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

（1）現(xiàn)狀條件下，工程海域潮流運(yùn)動(dòng)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(wú)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(dòng)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(qiáng)。

（3）經(jīng)統(tǒng)計(jì)，LNG碼頭泊位及港池水域平均流速在0.2m/s～0.6m/s左右，遠(yuǎn)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(cè)

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

經(jīng)計(jì)算表明：正常天氣下，遠(yuǎn)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(dá)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(hù)下，擬建碼頭后方即棧橋水域?yàn)槿趿鲄^(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(tái)、系纜墩和靠船墩，漲、落潮流可以通過(guò)橋墩之間的縫隙進(jìn)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(dòng)力有所增強(qiáng)，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(dá)到新的平衡。

4結(jié)語(yǔ)

本章采用經(jīng)驗(yàn)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(shí)施后的潮流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，預(yù)測(cè)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(yuǎn)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(wú)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(dòng)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(qiáng)。

（3）正常天氣下，遠(yuǎn)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(dá)1.07m，影響局限在排水口附近300m范圍內(nèi)。

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