福建近海海上風(fēng)電場(chǎng)水動(dòng)力環(huán)境分析研究

盛迎新 ，李近元 ，趙志群 ，陳晨 ，張曦文，馮興如

(1.中能電力科技開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100034；2.中國(guó)科學(xué)院 海洋研究所,山東青島 266071；3.中國(guó)科學(xué)院海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266071)

1 引言

風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃海域位于臺(tái)灣海峽西岸中部，興化灣灣口。由于季風(fēng)的影響和其特殊的地形結(jié)構(gòu)，該海域風(fēng)力資源豐富[1],是建設(shè)海上風(fēng)電場(chǎng)的優(yōu)良場(chǎng)址。要建設(shè)海上風(fēng)電場(chǎng)，首先研究該海域的水動(dòng)力環(huán)境非常重要。

全潮觀測(cè)是研究近海水動(dòng)力的一個(gè)重要手段，楊旸等[2]利用全潮觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究了長(zhǎng)江口的水動(dòng)力懸沙特征，給出了長(zhǎng)江口區(qū)域的流速和懸沙濃度的時(shí)空分布特征；莊小將等[3]基于全潮觀測(cè)和數(shù)值模擬的手段，研究了溫州大門跨海大橋工程實(shí)施前后的水動(dòng)力變化情況，給出了工程實(shí)施后的沖淤變化趨勢(shì)，其中全潮觀測(cè)對(duì)于模型的驗(yàn)證至關(guān)重要。目前，已經(jīng)有對(duì)興化灣海域的水動(dòng)力研究成果，高勁松和周良明[4]對(duì)興化灣的潮流進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)興化灣主要為往復(fù)流，并對(duì)余流場(chǎng)進(jìn)行了分析，但該研究?jī)H限興化灣內(nèi)部，沒(méi)有涉及興化灣的口門區(qū)域；郭玉臣等[5]利用基于三角形網(wǎng)格的FVCOM模式對(duì)興化灣海域的潮流動(dòng)力特征進(jìn)行了分析和數(shù)值模擬，該研究的重點(diǎn)主要是興化水道的潮汐潮流特征；韓樹宗和賈寧[6]也利用ECOMSED 模式，研究了興化灣的三維潮流及泥沙輸運(yùn)特征，該研究著重分析了在潮流作用下，興化灣的沖刷淤積特征。本文基于翔實(shí)的潮汐潮流觀測(cè)資料研究了位于興化灣口的南日島海域潮汐潮流水動(dòng)力特征，為該海域海上風(fēng)電場(chǎng)的開(kāi)發(fā)，提供基礎(chǔ)參考。

2 觀測(cè)實(shí)施

2011年9月5日—9月14日，在風(fēng)電場(chǎng)海域進(jìn)行了大、中、小潮期間的潮流觀測(cè)，共10個(gè)站位，每個(gè)觀測(cè)站位觀測(cè)層數(shù)為6 層（表層、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H和底層，其中H 代表水深），時(shí)間間隔為1 h；2011年9月3日—10月5日進(jìn)行了為期32天的連續(xù)潮位觀測(cè)，共4個(gè)站位，觀測(cè)時(shí)間間隔為10 min。10個(gè)潮流觀測(cè)站和4個(gè)潮位觀測(cè)站的位置分別見(jiàn)圖1—2：

3 潮位觀測(cè)結(jié)果分析

3.1 潮汐性質(zhì)

4個(gè)臨時(shí)潮位站的潮位過(guò)程曲線見(jiàn)圖3:

圖1 潮流觀測(cè)站位圖

圖2 潮位觀測(cè)站位圖

圖3 驗(yàn)潮站潮位過(guò)程曲線

表1 研究海域各驗(yàn)潮站潮汐主要分潮調(diào)和常數(shù)(振幅:m，遲角：°)

利用t_tide[7]工具包對(duì)潮位調(diào)和分析后，得到4個(gè)潮位站的潮汐調(diào)和常數(shù)列見(jiàn)表1。

由圖3可以看出，研究海域一天兩次高潮，兩次低潮，L1、L2、L3和L4站的潮汐類型系數(shù)均為0.23，說(shuō)明其潮汐類型為正規(guī)半日潮。

3.2 高、低潮

根據(jù)實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)得知，觀測(cè)海域四個(gè)驗(yàn)潮站高、低潮發(fā)生時(shí)間相差不大，均在20 min 之內(nèi)，L4驗(yàn)潮站的高潮發(fā)生時(shí)間較其他驗(yàn)潮站的高潮時(shí)間提前約10 min?？傮w來(lái)講，大、小潮發(fā)生的時(shí)間順序是L4 最早，其次是L1 站，然后是L2 站，最后是L3站。這點(diǎn)由表1 中的遲角大小也可以分析出來(lái)，這反應(yīng)了潮波由臺(tái)灣海峽傳入該海域的規(guī)律。高潮位L3 驗(yàn)潮站為最高，其次是L1 驗(yàn)潮站，L4 驗(yàn)潮站最低；低潮位，L2驗(yàn)潮站水位最低，L4驗(yàn)潮站最高。

3.3 漲、落潮歷時(shí)、潮差

實(shí)測(cè)大、中、小潮漲落潮歷時(shí)和潮差統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可得如下結(jié)論：

（1）觀測(cè)海域四個(gè)驗(yàn)潮站，大、中、小潮漲潮平均歷時(shí)為6 小時(shí)07 分，落潮平均歷時(shí)為6 小時(shí)17分，平均落潮時(shí)間比漲潮時(shí)間多10 min；

（2）觀測(cè)海域四個(gè)驗(yàn)潮站，大、中、小潮平均漲潮潮差為4.62 m，平均落潮潮差為4.60 m，兩者大小相當(dāng)；

（3）漲落潮平均潮差的空間分布為，L3 驗(yàn)潮站最大，其次為L(zhǎng)2 驗(yàn)潮站，L1 驗(yàn)潮站排第三，L4 驗(yàn)潮站的平均潮差最小。

4 潮流觀測(cè)結(jié)果分析

4.1 實(shí)測(cè)潮流

對(duì)觀測(cè)期間的實(shí)測(cè)流速進(jìn)行分析后可得如下結(jié)論：

（1）最大流速

各站在大、中、小潮觀測(cè)期間出現(xiàn)的流速最大值及其所在層次見(jiàn)表3：

表2 全潮觀測(cè)期間大、中、小潮的漲、落潮歷時(shí)和潮差統(tǒng)計(jì)表

表3 各測(cè)站實(shí)測(cè)最大速度統(tǒng)計(jì)表(速度/(m/s)，方向/°)

表4 各測(cè)站各層實(shí)測(cè)平均速度統(tǒng)計(jì)表(速度/(m/s)

由表可以看出，大潮觀測(cè)期間，觀測(cè)到的最大速度為1.33 m/s,出現(xiàn)在S8測(cè)站的表層；中潮觀測(cè)期間，觀測(cè)到的最大速度為1.14 m/s,同樣出現(xiàn)在S8測(cè)站的表層；小潮觀測(cè)期間，觀測(cè)到的最大速度為1.41 m/s,出現(xiàn)在S6測(cè)站的0.2H層。

（2）流速垂向分布

將大、中、小潮觀測(cè)期間，各站各個(gè)層次的速度大小進(jìn)行平均，得到表4。由表4可以看出，流速隨著深度變化不是很大，這可能是由于觀測(cè)區(qū)域的水深比較淺的緣故。

4.2 潮流調(diào)和分析

近岸帶實(shí)測(cè)的海流包括由天體引力所產(chǎn)生的潮流以及主要由水文，氣象條件所造成的非潮流（也稱余流）兩部份。潮流是海水受日、月等天體引潮力作用后產(chǎn)生的周期性水平流動(dòng)。潮流分析的目的是根據(jù)海流周日觀測(cè)資料，分離潮流和非潮流，同時(shí)算得潮流調(diào)和常數(shù)，進(jìn)而計(jì)算其潮流特征值，并判斷海區(qū)的潮流性質(zhì)，預(yù)報(bào)任意時(shí)刻的潮流情況。

4.2.1 潮流橢圓要素

根據(jù)計(jì)算所得各分潮潮流橢圓長(zhǎng)軸長(zhǎng)、短軸長(zhǎng)及長(zhǎng)軸向可得：各主要分潮流基本以M2 半日分潮流為主，其次是O1全日分潮流和S2半日分潮流，K1全日分潮流、M4 四分之一分潮和MS4 復(fù)合潮均較小。M2 半日分潮流和O1 全日分潮流最大流速（長(zhǎng)半軸）的最大值分別為0.872 m/s（S8 測(cè)站表層）和0.232 m/s（S1 測(cè)站表層）。由各站不同層次的橢圓率計(jì)算結(jié)果可知，各站層各分潮流的橢圓率有正有負(fù)，表明左、右旋都有，情況較復(fù)雜。

4.2.2 潮流類型

海區(qū)的潮流類型取決于半日潮流成分和全日潮流成分的相對(duì)比重，即主要分潮流的振幅比，如半日潮流占絕對(duì)主導(dǎo)地位即為正規(guī)半日潮流，反之如全日潮占絕對(duì)主導(dǎo)即為正規(guī)全日潮流，其判別式如下：

該值表征淺水分潮的影響大小，其值越大，說(shuō)明淺水分潮影響越大。

式中：W01、WK1、WM2、WM4、WMS4分別為O1、K1、M2、M4和MS4分潮流的橢圓長(zhǎng)半軸長(zhǎng)度。各站垂向平均的F和G值計(jì)算結(jié)果列在表5中。

計(jì)算結(jié)果顯示，各站垂向平均的F 值在0.13—0.84之間，平均為0.32，表明本海域潮流類型同時(shí)具有規(guī)則和不規(guī)則半日潮流性質(zhì)。

各測(cè)站淺水分潮比值在0.02—0.89 之間，說(shuō)明淺水分潮流的影響在不同站位表現(xiàn)不一樣。

表5 各站垂向平均的F、G值統(tǒng)計(jì)表

4.2.3 最大可能流速

根據(jù)《港口工程技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，對(duì)于規(guī)則半日潮海區(qū)，最大可能流速按式（1）計(jì)算，而對(duì)于規(guī)則全日潮海區(qū)最大可能流速按式（2）計(jì)算：

式中，WM2,WS2,WK1,WO1分別為M2，S2，K1，O1這4個(gè)主要分潮流的橢圓長(zhǎng)半軸矢量，若同時(shí)存在半日潮流和全日潮流，則最大可能流速按照上述兩式中的最大值計(jì)算。式中的Vmax為潮流的最大可能流速。由于式（1）和（2）中的WM2,WS2,WK1,WO1皆為矢量，在具體計(jì)算時(shí)根據(jù)各個(gè)分潮流的方向，分多組進(jìn)行計(jì)算，取最大值，方向取最大值那組的方向。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

由計(jì)算結(jié)果可以看出：

表6 各測(cè)站潮流最大可能流速(速度/(m/s)，方向/°)

（1）最大可能流速以小日島以北水域的S8測(cè)站的表層為最大，為1.64 m/s。由于該海域海水較淺，最大可能速度的垂向梯度不是太大。各測(cè)站各層最大可能流速介于0.42—1.64 m/s之間；

（2）總體來(lái)看，S3、S6、S8、S9和S10 測(cè)站的最大可能流速比其他站位要大，這5個(gè)測(cè)站的垂向平均最大可能流速在1.11—1.39 m/s之間；其他（S1、S2、S4、S5、S7）5個(gè)測(cè)站，最大可能流速在0.46—0.86 m/s之間。

4.2.4 余流

余流一般指實(shí)測(cè)海流扣除周期性潮流后所剩留部分，本次大、中、小潮觀測(cè)的總體余流計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7：

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，各站垂向平均余流速度均較小，變幅在0.03—0.18 m/s之間。觀測(cè)海區(qū)垂向平均余流流速，S8 測(cè)站為最大，平均約為0.18 m/s，其次是S1測(cè)站為0.13 m/s，S3和S10測(cè)站處的余流最小，垂向平均為0.03 m/s。

5 總結(jié)

（1）觀測(cè)海域的潮汐屬正規(guī)半日潮性質(zhì)，觀測(cè)海域平均潮差為3.33 m,實(shí)測(cè)漲潮歷時(shí)小于落潮歷時(shí)，漲、落潮平均歷時(shí)分別為6小時(shí)07分和6小時(shí)17分，歷時(shí)差10分。潮波在由臺(tái)灣海峽外海區(qū)域傳入研究海域的過(guò)程中，強(qiáng)度逐漸變大，潮差增加；

（2）觀測(cè)期間最大流速為1.33 m/s，同時(shí)，對(duì)潮流的分析結(jié)果顯示，各站垂向平均的F 值在0.13—0.84之間，平均為0.32，表明本海域潮流類型同時(shí)具有規(guī)則和不規(guī)則半日潮流性質(zhì)。各測(cè)站淺水分潮比值在0.02—0.89 之間，說(shuō)明淺水分潮流的影響在不同站位表現(xiàn)不一樣。各站垂向平均余流速度均較小，變幅在0.03—0.18 m/s 之間。觀測(cè)海區(qū)垂向平均余流流速最大值出現(xiàn)在S8測(cè)站以北海域，約為0.18 m/s。實(shí)測(cè)海流數(shù)據(jù)資料顯示，海水流速垂向梯度不大，相對(duì)比較均勻。S3、S6、S8、S9和S10測(cè)站的最大可能流速比其他站位要大，這5個(gè)測(cè)站的垂向平均最大可能流速在1.11—1.39 m/s 之間；其他（S1、S2、S4、S5、S7）5個(gè)測(cè)站，最大可能流速在0.46—0.86 m/s之間；

表7 觀測(cè)海域各測(cè)站余流統(tǒng)計(jì)表

（3）基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)海域進(jìn)行水動(dòng)力環(huán)境分析，所得結(jié)論對(duì)該海域海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電樁基的布置和受力分析具有重要的參考意義。

[1]曹發(fā)彥,吳丹岳,陳樹棠,等.莆田南日島風(fēng)電場(chǎng)電能質(zhì)量的測(cè)試與分析[J].福建電力與電工,2006,26(4):41-55.

[2]楊旸,汪亞平,高建華,等.長(zhǎng)江口枯季水動(dòng)力懸沙特征與再懸浮研究[J].南京大學(xué)學(xué)報(bào),2006,42(6):643-655.

[3]莊小將,陳方東,王豐平,等.溫州大門跨海大橋及大、小門島填海工程實(shí)施后流場(chǎng)及沖淤變化的數(shù)值研究[J].海洋學(xué)研究,2010,28(3):43-51.

[4]高勁松,周良明.興化灣的潮流研究[J].海岸工程,2009,28(4):1-10.

[5]郭玉臣,王慶業(yè),陳建軍,等.興化灣及周邊海域潮流動(dòng)力特征與數(shù)值模擬研究[J].海洋通報(bào),2012,31(3):262-267.

[6]韓樹宗,賈寧.基于ECOMSED 模式的興化灣三維潮流泥沙數(shù)值模擬研究[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào),2012,42(4):1-6.

[7]Pawlowicz R,Beardsley B,Lentz S.Classical tidal harmonic analysis including error estimates in MATLAB using T_TIDE[J].Computers and Geosciences,2002,28:929-937.