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

李曉燕，章宏偉，倪瑋，蔣丹

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

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

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 工程海洋學重點實驗室 杭州 310012；2.浙江省水利水電勘測設計院 杭州 310002)

以大豐(H7)200 MW海上風電場工程為例，分析了風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，結果表明：風電場南北兩側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學模型，模擬計算了工程建設前后的潮流場，并利用經驗公式估算了工程建設引起的海床沖淤變化，結果表明：風電場區建設后，樁基兩側垂直于漲落潮流方向有微弱沖刷。工程建設對海床的沖淤影響比較有限，但由于風機所在海床以沖刷為主，故建議加強對風機樁基的防沖保護。

風電場；海床穩定；數學模型

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陸架海域，風能資源豐富。大豐(H7)200 MW海上風電項目位于江蘇岸外西洋水道東側的輻射沙洲東沙東北端，風電場區東西橫跨小北槽，西南側為泥螺垳、東北側為太平沙，離岸約41 km，波浪、洋流較小，且地處電力負荷中心，具有較好的大型海上風電場建設條件[1]。

風電場規劃海域面積約38.1 km2，包括風機區和海底電纜區。風電場所在海域西南側和東北側水深較淺，其中西南側最淺，退潮后沙區出露，場區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、潮汐潮流特征，潮灘沖淤復雜多變，沙洲地形變化活躍[2-3]；且風電場施工需在海中豎立多根樁基，水工構筑物的建設將改變工程海域的潮動力條件和海床沖淤變化環境，因此開展工程海域海床穩定分析不僅有利于掌握潮灘近期發育趨勢，也可進一步為風電場水工構筑物的設計提供必要的理論依據。本文通過不同年份實測水下地形資料對比和數值模擬、經驗公式估算手段，分析了擬建風電場所在海域海床的穩定條件。

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，輻射沙脊是當地物質、海洋動力和海洋環境在特定條件下相互作用的產物。東海前進波和南黃海旋轉駐波兩大潮波系統輻合形成的輻射狀潮流場，是輻射沙脊動力環境的決定因素，也是維持深水通道的主要動力。

河海大學陳君等利用多年遙感衛片資料、1998年取得的現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論[2-3]：① 東沙近30年來的動態變化主要表現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，以此為界，西側灘面較窄、高程較高且岸線較為順直，東側灘面較寬、高程較低且岸線較為破碎。

大豐(H7)風電場區位于東沙東北方向，規劃區內出露沙洲面積較小，僅在西南角有部分沙洲出露。根據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：東沙西槽離規劃區4.1 km處的1.6 km內反復擺動；小北槽主體在規劃區內由東向西擺動，北側擺幅1.7 km，中部擺幅2.4 km，南側小部分反向擺動，擺幅達1.2 km。該區域沖淤特征為：大豐(H7)風電場規劃區內沙洲屬于蝕退型，沙洲向西逐漸退出規劃區范圍。

1.2 風電場區海床演變特征

30年來風電場區海床有沖有淤。太平沙和泥螺垳之間的小北槽水道主要表現為淤積，淤積速率約6～15 cm/a；小北槽東西兩側主要表現為沖刷，沖刷速率約3～16 cm/a。泥螺垳北側以及太平沙南側潮灘沖淤變化略小。岸灘變化整體表現為淺灘逐漸向深槽推移，太平沙和泥螺垳外側逐漸沖刷，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”的趨勢結論一致。

隨著太平沙不斷受到沖刷，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-2 m等深線縮進約1 km，太平沙西側-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。除小北槽西側外，原深槽內的-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電場區的地形自然演變特征，在風電場所在海域取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2012年實測水下地形圖(水深基準均統一為理論深度基準面)，1979-2012年各斷面水深變化如圖2所示?？梢?，整個風場區地形變化較明顯，均為兩側“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個斷面的兩側均呈沖刷態勢。斷面1位于北部風機中間，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沖刷幅度(0.1～3.8 m)；而遠離太平沙的最東側淺灘邊緣沖刷幅度逐漸減小至0.2 m。斷面2位于北部風機南端，海床變化趨勢和斷面1相似，但東側沖刷量(最大3.0 m)明顯小于斷面1(最大6.7 m)，可能是由于遠離北側的太平沙淺灘的緣故。斷面3位于南部風機最北段，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，東斷面距離北側太平沙更遠，沖刷不明顯。斷面4位于風機最南部，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 水動力數值模擬

2.1 模擬區域及其網格化

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]，包括一個連續方程和兩個動量守恒方程，基本方程從略。

數學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，計算網格由三角形單元構成。從外部邊界向工程區對網格進行逐層加密見圖3。工程區外的網格尺度約為5 000～1 000 m，工程區附近的網格尺度約為150 m。對風機樁基模擬，按保守處理，在模型中按實際尺寸直接概化為不透水單元，樁基位置的網格尺度為24 m，網格最小尺度為15 m。所建數學模型網格節點數為22 053個，單元總數為43 599個。

圖3 網格劃分

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潮波系統和東海前進潮波系統共同控制，模型水邊界根據Mike21全球潮汐模型提供的調和常數生成外海潮位過程。

2.3 水動力計算結果及分析

根據風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，對數學模型的潮位過程和潮流(流速和流向)過程進行驗證。驗證結果如圖4至圖6所示，計算值與實測值吻合較好，所建立的大豐風電場二維潮流數學模型計算結果較為合理，可用來預測大豐風電場工程附近海域的水動力條件及其變化。受風機樁基阻水繞流作用影響，在風電場工程建設后，風機樁基周圍流速發生了一定變化。其中垂直于漲落潮流速方向的風機基礎兩側流速增大約0.06m/s。

圖4 潮位驗證結果

圖5 流速驗證結果

圖6 流向驗證結果

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為經驗系數，取值0.13；v1、v2分別為工程建設前、后平均流速；d1、d2為分別代表工程建設前、后水深；P為淤積強度。

計算結果表明，風電場工程建設引起的沖淤影響范圍主要集中在工程場區附近。工程場區范圍內以淤積為主，樁基沿漲落潮流方向有淤積現象，樁基兩側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范圍內淤積厚度增加0.10 m；垂直漲落潮流方向，樁基兩側微沖，沖刷深度約0.05 m。

總體上，風電場建成周圍泥沙沖淤平衡后，場區內以淤積為主，淤積厚度不超過0.1 m，沖刷和淤積幅度均較小。

3 結論與建議

根據風電場區30余年的海床演變分析結果：在波浪和潮流的作用下，風電場工程區海底泥沙運動活躍，泥沙的再分配導致局部地形變化明顯，1979年以來海底淤積和沖刷并存。風電場兩側淺灘以沖刷為主，大部分區域沖刷深度為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，疊加風電場工程建設后垂直漲落潮流方向的微弱沖刷，未來風機基礎工程施工，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用[M].北京：海洋出版社，2009.

[6] 劉家駒.淤泥質、粉沙質及沙質海岸航道回淤統一計算方法[J].海洋工程，2012(1).

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