江蘇輻射沙洲海上風(fēng)電場海床穩(wěn)定分析
——以大豐(H7)200 MW海上風(fēng)電場為例

李曉燕，章宏偉，倪瑋，蔣丹

(1.國家海洋局第二海洋研究所 工程海洋學(xué)重點實驗室 杭州 310012；2.浙江省水利水電勘測設(shè)計院 杭州 310002)

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江蘇輻射沙洲海上風(fēng)電場海床穩(wěn)定分析
——以大豐(H7)200 MW海上風(fēng)電場為例

李曉燕1，章宏偉2，倪瑋1，蔣丹1

(1.國家海洋局第二海洋研究所 工程海洋學(xué)重點實驗室 杭州 310012；2.浙江省水利水電勘測設(shè)計院 杭州 310002)

以大豐(H7)200 MW海上風(fēng)電場工程為例，分析了風(fēng)電場所在的輻射沙洲海域在不同年份的海床地形變化特征，結(jié)果表明：風(fēng)電場南北兩側(cè)的淺灘地形自然變化劇烈，以沖刷為主；同時建立了平面二維水動力數(shù)學(xué)模型，模擬計算了工程建設(shè)前后的潮流場，并利用經(jīng)驗公式估算了工程建設(shè)引起的海床沖淤變化，結(jié)果表明：風(fēng)電場區(qū)建設(shè)后，樁基兩側(cè)垂直于漲落潮流方向有微弱沖刷。工程建設(shè)對海床的沖淤影響比較有限，但由于風(fēng)機所在海床以沖刷為主，故建議加強對風(fēng)機樁基的防沖保護。

風(fēng)電場；海床穩(wěn)定；數(shù)學(xué)模型

江蘇輻射沙洲地處32°N-34°N、120°40′E-122°10′E之間的蘇北海岸與黃海內(nèi)陸架海域，風(fēng)能資源豐富。大豐(H7)200 MW海上風(fēng)電項目位于江蘇岸外西洋水道東側(cè)的輻射沙洲東沙東北端，風(fēng)電場區(qū)東西橫跨小北槽，西南側(cè)為泥螺垳、東北側(cè)為太平沙，離岸約41 km，波浪、洋流較小，且地處電力負(fù)荷中心，具有較好的大型海上風(fēng)電場建設(shè)條件[1]。

風(fēng)電場規(guī)劃海域面積約38.1 km2，包括風(fēng)機區(qū)和海底電纜區(qū)。風(fēng)電場所在海域西南側(cè)和東北側(cè)水深較淺，其中西南側(cè)最淺，退潮后沙區(qū)出露，場區(qū)中部為小北槽潮流通道，水深在10.7～14.9 m之間。

由于輻射沙洲獨特的地質(zhì)、潮汐潮流特征，潮灘沖淤復(fù)雜多變，沙洲地形變化活躍[2-3]；且風(fēng)電場施工需在海中豎立多根樁基，水工構(gòu)筑物的建設(shè)將改變工程海域的潮動力條件和海床沖淤變化環(huán)境，因此開展工程海域海床穩(wěn)定分析不僅有利于掌握潮灘近期發(fā)育趨勢，也可進一步為風(fēng)電場水工構(gòu)筑物的設(shè)計提供必要的理論依據(jù)。本文通過不同年份實測水下地形資料對比和數(shù)值模擬、經(jīng)驗公式估算手段，分析了擬建風(fēng)電場所在海域海床的穩(wěn)定條件。

1 工程海域海床演變分析

1.1 整體演變特征

工程位于江蘇岸外輻射狀沙洲-東沙，輻射沙脊是當(dāng)?shù)匚镔|(zhì)、海洋動力和海洋環(huán)境在特定條件下相互作用的產(chǎn)物。東海前進波和南黃海旋轉(zhuǎn)駐波兩大潮波系統(tǒng)輻合形成的輻射狀潮流場，是輻射沙脊動力環(huán)境的決定因素，也是維持深水通道的主要動力。

河海大學(xué)陳君等利用多年遙感衛(wèi)片資料、1998年取得的現(xiàn)場水文泥沙觀測資料和東沙灘面表層沉積物資料，得出如下主要研究結(jié)論[2-3]：① 東沙近30年來的動態(tài)變化主要表現(xiàn)為整體面積有所縮小且有外圍向中央收縮的趨勢，尤其以向東、向南的遷移最為明顯；② 東沙沙脊頂偏于西側(cè)，以此為界，西側(cè)灘面較窄、高程較高且岸線較為順直，東側(cè)灘面較寬、高程較低且岸線較為破碎。

大豐(H7)風(fēng)電場區(qū)位于東沙東北方向，規(guī)劃區(qū)內(nèi)出露沙洲面積較小，僅在西南角有部分沙洲出露。根據(jù)1977年和2009年的海床地形資料對比，1977-2009年深槽演變具有如下特征：東沙西槽離規(guī)劃區(qū)4.1 km處的1.6 km內(nèi)反復(fù)擺動；小北槽主體在規(guī)劃區(qū)內(nèi)由東向西擺動，北側(cè)擺幅1.7 km，中部擺幅2.4 km，南側(cè)小部分反向擺動，擺幅達1.2 km。該區(qū)域沖淤特征為：大豐(H7)風(fēng)電場規(guī)劃區(qū)內(nèi)沙洲屬于蝕退型，沙洲向西逐漸退出規(guī)劃區(qū)范圍。

1.2 風(fēng)電場區(qū)海床演變特征

30年來風(fēng)電場區(qū)海床有沖有淤。太平沙和泥螺垳之間的小北槽水道主要表現(xiàn)為淤積，淤積速率約6～15 cm/a；小北槽東西兩側(cè)主要表現(xiàn)為沖刷，沖刷速率約3～16 cm/a。泥螺垳北側(cè)以及太平沙南側(cè)潮灘沖淤變化略小。岸灘變化整體表現(xiàn)為淺灘逐漸向深槽推移，太平沙和泥螺垳外側(cè)逐漸沖刷，中間水道逐漸淤漲，與陳君[3]的“東沙近30年來整體面積有所縮小且有外圍向中央收縮”的趨勢結(jié)論一致。

隨著太平沙不斷受到?jīng)_刷，0 m等深線消失；-2 m和-5 m等深線均向太平沙淺灘縮進。其中太平沙南側(cè)-2 m等深線縮進約1 km，太平沙西側(cè)-2 m等深線消失；-5 m等深線向太平沙縮進約1.5 km。泥螺垳東側(cè)的-2 m等深線亦向西縮進約1 km，-5 m等深線向西縮進約0.8 km。除小北槽西側(cè)外，原深槽內(nèi)的-10 m等深線均向小北槽中間推移，表明深槽水深明顯減小。

為了更直觀地反映風(fēng)電場區(qū)的地形自然演變特征，在風(fēng)電場所在海域取4個典型水深斷面(圖1)。水深分別基于1979年海圖及本工程場區(qū)2012年實測水下地形圖(水深基準(zhǔn)均統(tǒng)一為理論深度基準(zhǔn)面)，1979-2012年各斷面水深變化如圖2所示。可見，整個風(fēng)場區(qū)地形變化較明顯，均為兩側(cè)“U”字型地形向更平緩的斜坡地形變化。

圖1 典型斷面位置

圖2 典型斷面水深變化

4個斷面的兩側(cè)均呈沖刷態(tài)勢。斷面1位于北部風(fēng)機中間，33年間靠近太平沙的沖刷幅度(0.2～6.7 m)明顯大于靠近小北槽西側(cè)沖刷幅度(0.1～3.8 m)；而遠(yuǎn)離太平沙的最東側(cè)淺灘邊緣沖刷幅度逐漸減小至0.2 m。斷面2位于北部風(fēng)機南端，海床變化趨勢和斷面1相似，但東側(cè)沖刷量(最大3.0 m)明顯小于斷面1(最大6.7 m)，可能是由于遠(yuǎn)離北側(cè)的太平沙淺灘的緣故。斷面3位于南部風(fēng)機最北段，靠近泥螺垳北灘的西斷面沖淤變化不明顯，往東至泥螺垳淺灘東北灘面開始呈明顯沖刷(0.1～6.0 m)；往東穿過小北槽后，東斷面距離北側(cè)太平沙更遠(yuǎn)，沖刷不明顯。斷面4位于風(fēng)機最南部，西斷面由1979年0 m等深線以上的淺灘，32年后沖刷至-1～-2 m之間。

此外所有斷面中間的小北槽深槽段明顯淤積。從太平沙以西的斷面1(最大淤積5 m)往南至斷面2(最大淤積3 m)，到泥螺垳以東的斷面3(約6.2 m)往南至斷面4(4.9 m)，淤積最大厚度均是從近淺灘向外逐漸減小，進一步說明深槽淤積的泥沙來自被沖刷的淺灘。

2 水動力數(shù)值模擬

2.1 模擬區(qū)域及其網(wǎng)格化

利用Mike21水動力模塊進行潮流場計算，基本方程選用沿水深積分的二維淺水潮波方程[4]，包括一個連續(xù)方程和兩個動量守恒方程，基本方程從略。

數(shù)學(xué)模型計算范圍為東起123°5′E，西至江蘇沿岸，東西寬約171.6 km；北起34°29′N，南至小洋口港附近(31°51′N，121°52′E)南北長約270.4 km，模型范圍約4.6×104km2。

為較好地擬合岸線，計算網(wǎng)格由三角形單元構(gòu)成。從外部邊界向工程區(qū)對網(wǎng)格進行逐層加密見圖3。工程區(qū)外的網(wǎng)格尺度約為5 000～1 000 m，工程區(qū)附近的網(wǎng)格尺度約為150 m。對風(fēng)機樁基模擬，按保守處理，在模型中按實際尺寸直接概化為不透水單元，樁基位置的網(wǎng)格尺度為24 m，網(wǎng)格最小尺度為15 m。所建數(shù)學(xué)模型網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為22 053個，單元總數(shù)為43 599個。

圖3 網(wǎng)格劃分

2.2 邊界條件

潮流模型西邊界為陸邊界，北邊界、東邊界和南邊界為水邊界，潮流數(shù)值計算時需要給定水邊界的潮位過程。計算域的潮流場受南黃海旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)和東海前進潮波系統(tǒng)共同控制，模型水邊界根據(jù)Mike21全球潮汐模型提供的調(diào)和常數(shù)生成外海潮位過程。

2.3 水動力計算結(jié)果及分析

根據(jù)風(fēng)電場附近實測的大潮(2009年7月24日21時至7月25日23時)、中潮(7月26日12時至7月27日14時)和小潮(7月29日6時至7月30日8時)水文資料，對數(shù)學(xué)模型的潮位過程和潮流(流速和流向)過程進行驗證。驗證結(jié)果如圖4至圖6所示，計算值與實測值吻合較好，所建立的大豐風(fēng)電場二維潮流數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果較為合理，可用來預(yù)測大豐風(fēng)電場工程附近海域的水動力條件及其變化。受風(fēng)機樁基阻水繞流作用影響，在風(fēng)電場工程建設(shè)后，風(fēng)機樁基周圍流速發(fā)生了一定變化。其中垂直于漲落潮流速方向的風(fēng)機基礎(chǔ)兩側(cè)流速增大約0.06m/s。

圖4 潮位驗證結(jié)果

圖5 流速驗證結(jié)果

圖6 流向驗證結(jié)果

2.4 對周邊海域的沖淤影響分析

本工程對海床沖淤的影響主要為流速變化引起的。這種因流速變化而發(fā)生的沖淤類似于開敞式港池的沖淤變化過程，可采用劉家駒公式[5-6]進行計算。

式中：w為泥沙沉速；s為水體含沙量；t為淤積

時間；γ0為淤積體干容重；k2為經(jīng)驗系數(shù)，取值0.13；v1、v2分別為工程建設(shè)前、后平均流速；d1、d2為分別代表工程建設(shè)前、后水深；P為淤積強度。

計算結(jié)果表明，風(fēng)電場工程建設(shè)引起的沖淤影響范圍主要集中在工程場區(qū)附近。工程場區(qū)范圍內(nèi)以淤積為主，樁基沿漲落潮流方向有淤積現(xiàn)象，樁基兩側(cè)垂直于漲落潮流方向有微弱的沖刷。樁基沿漲落潮流方向100 m范圍內(nèi)淤積厚度增加0.10 m；垂直漲落潮流方向，樁基兩側(cè)微沖，沖刷深度約0.05 m。

總體上，風(fēng)電場建成周圍泥沙沖淤平衡后，場區(qū)內(nèi)以淤積為主，淤積厚度不超過0.1 m，沖刷和淤積幅度均較小。

3 結(jié)論與建議

根據(jù)風(fēng)電場區(qū)30余年的海床演變分析結(jié)果：在波浪和潮流的作用下，風(fēng)電場工程區(qū)海底泥沙運動活躍，泥沙的再分配導(dǎo)致局部地形變化明顯，1979年以來海底淤積和沖刷并存。風(fēng)電場兩側(cè)淺灘以沖刷為主，大部分區(qū)域沖刷深度為2.0～5.0 m，沖刷強度為6～16 cm/a。

按照自然沖淤演變趨勢，未來泥螺垳和太平沙淺灘亦有可能以沖刷為主，疊加風(fēng)電場工程建設(shè)后垂直漲落潮流方向的微弱沖刷，未來風(fēng)機基礎(chǔ)工程施工，需要加強沖刷防護措施。

[1] 閔中中，李曉燕.龍源江蘇大豐(H7)200 MW海上風(fēng)電項目海域使用論證[R].2015.

[2] 陳君.江蘇岸外東沙沙脊群的沉積特性[J].海洋通報，2006(6).

[3] 陳君,王義剛,張忍順,等.江蘇岸外輻射沙脊群東沙穩(wěn)定性研究[J].海洋工程，2007(1).

[4] DHI.MIKE 21 Module User Guide[Z].

[5] 劉家駒.海岸泥沙運動研究及應(yīng)用[M].北京：海洋出版社，2009.

[6] 劉家駒.淤泥質(zhì)、粉沙質(zhì)及沙質(zhì)海岸航道回淤統(tǒng)一計算方法[J].海洋工程，2012(1).

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