福建近海海上风电场水动力环境分析研究

盛迎新 ，李近元 ，赵志群 ，陈晨 ，张曦文，冯兴如

(1.中能电力科技开发有限公司，北京 100034；2.中国科学院 海洋研究所,山东青岛 266071；3.中国科学院海洋环流与波动重点实验室,山东青岛 266071)

1 引言

风电场规划海域位于台湾海峡西岸中部，兴化湾湾口。由于季风的影响和其特殊的地形结构，该海域风力资源丰富[1],是建设海上风电场的优良场址。要建设海上风电场，首先研究该海域的水动力环境非常重要。

全潮观测是研究近海水动力的一个重要手段，杨旸等[2]利用全潮观测数据，研究了长江口的水动力悬沙特征，给出了长江口区域的流速和悬沙浓度的时空分布特征；庄小将等[3]基于全潮观测和数值模拟的手段，研究了温州大门跨海大桥工程实施前后的水动力变化情况，给出了工程实施后的冲淤变化趋势，其中全潮观测对于模型的验证至关重要。目前，已经有对兴化湾海域的水动力研究成果，高劲松和周良明[4]对兴化湾的潮流进行了研究，发现兴化湾主要为往复流，并对余流场进行了分析，但该研究仅限兴化湾内部，没有涉及兴化湾的口门区域；郭玉臣等[5]利用基于三角形网格的FVCOM模式对兴化湾海域的潮流动力特征进行了分析和数值模拟，该研究的重点主要是兴化水道的潮汐潮流特征；韩树宗和贾宁[6]也利用ECOMSED 模式，研究了兴化湾的三维潮流及泥沙输运特征，该研究着重分析了在潮流作用下，兴化湾的冲刷淤积特征。本文基于翔实的潮汐潮流观测资料研究了位于兴化湾口的南日岛海域潮汐潮流水动力特征，为该海域海上风电场的开发，提供基础参考。

2 观测实施

2011年9月5日—9月14日，在风电场海域进行了大、中、小潮期间的潮流观测，共10个站位，每个观测站位观测层数为6 层（表层、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H和底层，其中H 代表水深），时间间隔为1 h；2011年9月3日—10月5日进行了为期32天的连续潮位观测，共4个站位，观测时间间隔为10 min。10个潮流观测站和4个潮位观测站的位置分别见图1—2：

3 潮位观测结果分析

3.1 潮汐性质

4个临时潮位站的潮位过程曲线见图3:

图1 潮流观测站位图

图2 潮位观测站位图

图3 验潮站潮位过程曲线

表1 研究海域各验潮站潮汐主要分潮调和常数(振幅:m，迟角：°)

利用t_tide[7]工具包对潮位调和分析后，得到4个潮位站的潮汐调和常数列见表1。

由图3可以看出，研究海域一天两次高潮，两次低潮，L1、L2、L3和L4站的潮汐类型系数均为0.23，说明其潮汐类型为正规半日潮。

3.2 高、低潮

根据实测资料统计得知，观测海域四个验潮站高、低潮发生时间相差不大，均在20 min 之内，L4验潮站的高潮发生时间较其他验潮站的高潮时间提前约10 min。总体来讲，大、小潮发生的时间顺序是L4 最早，其次是L1 站，然后是L2 站，最后是L3站。这点由表1 中的迟角大小也可以分析出来，这反应了潮波由台湾海峡传入该海域的规律。高潮位L3 验潮站为最高，其次是L1 验潮站，L4 验潮站最低；低潮位，L2验潮站水位最低，L4验潮站最高。

3.3 涨、落潮历时、潮差

实测大、中、小潮涨落潮历时和潮差统计结果见表2。由表2可得如下结论：

（1）观测海域四个验潮站，大、中、小潮涨潮平均历时为6 小时07 分，落潮平均历时为6 小时17分，平均落潮时间比涨潮时间多10 min；

（2）观测海域四个验潮站，大、中、小潮平均涨潮潮差为4.62 m，平均落潮潮差为4.60 m，两者大小相当；

（3）涨落潮平均潮差的空间分布为，L3 验潮站最大，其次为L2 验潮站，L1 验潮站排第三，L4 验潮站的平均潮差最小。

4 潮流观测结果分析

4.1 实测潮流

对观测期间的实测流速进行分析后可得如下结论：

（1）最大流速

各站在大、中、小潮观测期间出现的流速最大值及其所在层次见表3：

表2 全潮观测期间大、中、小潮的涨、落潮历时和潮差统计表

表3 各测站实测最大速度统计表(速度/(m/s)，方向/°)

表4 各测站各层实测平均速度统计表(速度/(m/s)

由表可以看出，大潮观测期间，观测到的最大速度为1.33 m/s,出现在S8测站的表层；中潮观测期间，观测到的最大速度为1.14 m/s,同样出现在S8测站的表层；小潮观测期间，观测到的最大速度为1.41 m/s,出现在S6测站的0.2H层。

（2）流速垂向分布

将大、中、小潮观测期间，各站各个层次的速度大小进行平均，得到表4。由表4可以看出，流速随着深度变化不是很大，这可能是由于观测区域的水深比较浅的缘故。

4.2 潮流调和分析

近岸带实测的海流包括由天体引力所产生的潮流以及主要由水文，气象条件所造成的非潮流（也称余流）两部份。潮流是海水受日、月等天体引潮力作用后产生的周期性水平流动。潮流分析的目的是根据海流周日观测资料，分离潮流和非潮流，同时算得潮流调和常数，进而计算其潮流特征值，并判断海区的潮流性质，预报任意时刻的潮流情况。

4.2.1 潮流椭圆要素

根据计算所得各分潮潮流椭圆长轴长、短轴长及长轴向可得：各主要分潮流基本以M2 半日分潮流为主，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 复合潮均较小。M2 半日分潮流和O1 全日分潮流最大流速（长半轴）的最大值分别为0.872 m/s（S8 测站表层）和0.232 m/s（S1 测站表层）。由各站不同层次的椭圆率计算结果可知，各站层各分潮流的椭圆率有正有负，表明左、右旋都有，情况较复杂。

4.2.2 潮流类型

海区的潮流类型取决于半日潮流成分和全日潮流成分的相对比重，即主要分潮流的振幅比，如半日潮流占绝对主导地位即为正规半日潮流，反之如全日潮占绝对主导即为正规全日潮流，其判别式如下：

该值表征浅水分潮的影响大小，其值越大，说明浅水分潮影响越大。

式中：W01、WK1、WM2、WM4、WMS4分别为O1、K1、M2、M4和MS4分潮流的椭圆长半轴长度。各站垂向平均的F和G值计算结果列在表5中。

计算结果显示，各站垂向平均的F 值在0.13—0.84之间，平均为0.32，表明本海域潮流类型同时具有规则和不规则半日潮流性质。

各测站浅水分潮比值在0.02—0.89 之间，说明浅水分潮流的影响在不同站位表现不一样。

表5 各站垂向平均的F、G值统计表

4.2.3 最大可能流速

根据《港口工程技术规范》的规定，对于规则半日潮海区，最大可能流速按式（1）计算，而对于规则全日潮海区最大可能流速按式（2）计算：

式中，WM2,WS2,WK1,WO1分别为M2，S2，K1，O1这4个主要分潮流的椭圆长半轴矢量，若同时存在半日潮流和全日潮流，则最大可能流速按照上述两式中的最大值计算。式中的Vmax为潮流的最大可能流速。由于式（1）和（2）中的WM2,WS2,WK1,WO1皆为矢量，在具体计算时根据各个分潮流的方向，分多组进行计算，取最大值，方向取最大值那组的方向。计算结果见表6。

由计算结果可以看出：

表6 各测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岛以北水域的S8测站的表层为最大，为1.64 m/s。由于该海域海水较浅，最大可能速度的垂向梯度不是太大。各测站各层最大可能流速介于0.42—1.64 m/s之间；

（2）总体来看，S3、S6、S8、S9和S10 测站的最大可能流速比其他站位要大，这5个测站的垂向平均最大可能流速在1.11—1.39 m/s之间；其他（S1、S2、S4、S5、S7）5个测站，最大可能流速在0.46—0.86 m/s之间。

4.2.4 余流

余流一般指实测海流扣除周期性潮流后所剩留部分，本次大、中、小潮观测的总体余流计算结果见表7：

从计算结果来看，各站垂向平均余流速度均较小，变幅在0.03—0.18 m/s之间。观测海区垂向平均余流流速，S8 测站为最大，平均约为0.18 m/s，其次是S1测站为0.13 m/s，S3和S10测站处的余流最小，垂向平均为0.03 m/s。

5 总结

（1）观测海域的潮汐属正规半日潮性质，观测海域平均潮差为3.33 m,实测涨潮历时小于落潮历时，涨、落潮平均历时分别为6小时07分和6小时17分，历时差10分。潮波在由台湾海峡外海区域传入研究海域的过程中，强度逐渐变大，潮差增加；

（2）观测期间最大流速为1.33 m/s，同时，对潮流的分析结果显示，各站垂向平均的F 值在0.13—0.84之间，平均为0.32，表明本海域潮流类型同时具有规则和不规则半日潮流性质。各测站浅水分潮比值在0.02—0.89 之间，说明浅水分潮流的影响在不同站位表现不一样。各站垂向平均余流速度均较小，变幅在0.03—0.18 m/s 之间。观测海区垂向平均余流流速最大值出现在S8测站以北海域，约为0.18 m/s。实测海流数据资料显示，海水流速垂向梯度不大，相对比较均匀。S3、S6、S8、S9和S10测站的最大可能流速比其他站位要大，这5个测站的垂向平均最大可能流速在1.11—1.39 m/s 之间；其他（S1、S2、S4、S5、S7）5个测站，最大可能流速在0.46—0.86 m/s之间；

表7 观测海域各测站余流统计表

（3）基于实测数据，对风电场海域进行水动力环境分析，所得结论对该海域海上风电场风电桩基的布置和受力分析具有重要的参考意义。

[1]曹发彦,吴丹岳,陈树棠,等.莆田南日岛风电场电能质量的测试与分析[J].福建电力与电工,2006,26(4):41-55.

[2]杨旸,汪亚平,高建华,等.长江口枯季水动力悬沙特征与再悬浮研究[J].南京大学学报,2006,42(6):643-655.

[3]庄小将,陈方东,王丰平,等.温州大门跨海大桥及大、小门岛填海工程实施后流场及冲淤变化的数值研究[J].海洋学研究,2010,28(3):43-51.

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[6]韩树宗,贾宁.基于ECOMSED 模式的兴化湾三维潮流泥沙数值模拟研究[J].中国海洋大学学报,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.