江苏辐射沙洲海上风电场海床稳定分析——以大丰(H7)200 MW海上风电场为例

李晓燕，章宏伟，倪玮，蒋丹

(1.国家海洋局第二海洋研究所 工程海洋学重点实验室 杭州 310012；2.浙江省水利水电勘测设计院 杭州 310002)



江苏辐射沙洲海上风电场海床稳定分析
——以大丰(H7)200 MW海上风电场为例

李晓燕1，章宏伟2，倪玮1，蒋丹1

(1.国家海洋局第二海洋研究所 工程海洋学重点实验室 杭州 310012；2.浙江省水利水电勘测设计院 杭州 310002)

以大丰(H7)200 MW海上风电场工程为例，分析了风电场所在的辐射沙洲海域在不同年份的海床地形变化特征，结果表明：风电场南北两侧的浅滩地形自然变化剧烈，以冲刷为主；同时建立了平面二维水动力数学模型，模拟计算了工程建设前后的潮流场，并利用经验公式估算了工程建设引起的海床冲淤变化，结果表明：风电场区建设后，桩基两侧垂直于涨落潮流方向有微弱冲刷。工程建设对海床的冲淤影响比较有限，但由于风机所在海床以冲刷为主，故建议加强对风机桩基的防冲保护。

风电场；海床稳定；数学模型

江苏辐射沙洲地处32°N-34°N、120°40′E-122°10′E之间的苏北海岸与黄海内陆架海域，风能资源丰富。大丰(H7)200 MW海上风电项目位于江苏岸外西洋水道东侧的辐射沙洲东沙东北端，风电场区东西横跨小北槽，西南侧为泥螺垳、东北侧为太平沙，离岸约41 km，波浪、洋流较小，且地处电力负荷中心，具有较好的大型海上风电场建设条件[1]。

风电场规划海域面积约38.1 km2，包括风机区和海底电缆区。风电场所在海域西南侧和东北侧水深较浅，其中西南侧最浅，退潮后沙区出露，场区中部为小北槽潮流通道，水深在10.7～14.9 m之间。

由于辐射沙洲独特的地质、潮汐潮流特征，潮滩冲淤复杂多变，沙洲地形变化活跃[2-3]；且风电场施工需在海中竖立多根桩基，水工构筑物的建设将改变工程海域的潮动力条件和海床冲淤变化环境，因此开展工程海域海床稳定分析不仅有利于掌握潮滩近期发育趋势，也可进一步为风电场水工构筑物的设计提供必要的理论依据。本文通过不同年份实测水下地形资料对比和数值模拟、经验公式估算手段，分析了拟建风电场所在海域海床的稳定条件。

1 工程海域海床演变分析

1.1 整体演变特征

工程位于江苏岸外辐射状沙洲-东沙，辐射沙脊是当地物质、海洋动力和海洋环境在特定条件下相互作用的产物。东海前进波和南黄海旋转驻波两大潮波系统辐合形成的辐射状潮流场，是辐射沙脊动力环境的决定因素，也是维持深水通道的主要动力。

河海大学陈君等利用多年遥感卫片资料、1998年取得的现场水文泥沙观测资料和东沙滩面表层沉积物资料，得出如下主要研究结论[2-3]：① 东沙近30年来的动态变化主要表现为整体面积有所缩小且有外围向中央收缩的趋势，尤其以向东、向南的迁移最为明显；② 东沙沙脊顶偏于西侧，以此为界，西侧滩面较窄、高程较高且岸线较为顺直，东侧滩面较宽、高程较低且岸线较为破碎。

大丰(H7)风电场区位于东沙东北方向，规划区内出露沙洲面积较小，仅在西南角有部分沙洲出露。根据1977年和2009年的海床地形资料对比，1977-2009年深槽演变具有如下特征：东沙西槽离规划区4.1 km处的1.6 km内反复摆动；小北槽主体在规划区内由东向西摆动，北侧摆幅1.7 km，中部摆幅2.4 km，南侧小部分反向摆动，摆幅达1.2 km。该区域冲淤特征为：大丰(H7)风电场规划区内沙洲属于蚀退型，沙洲向西逐渐退出规划区范围。

1.2 风电场区海床演变特征

30年来风电场区海床有冲有淤。太平沙和泥螺垳之间的小北槽水道主要表现为淤积，淤积速率约6～15 cm/a；小北槽东西两侧主要表现为冲刷，冲刷速率约3～16 cm/a。泥螺垳北侧以及太平沙南侧潮滩冲淤变化略小。岸滩变化整体表现为浅滩逐渐向深槽推移，太平沙和泥螺垳外侧逐渐冲刷，中间水道逐渐淤涨，与陈君[3]的“东沙近30年来整体面积有所缩小且有外围向中央收缩”的趋势结论一致。

随着太平沙不断受到冲刷，0 m等深线消失；-2 m和-5 m等深线均向太平沙浅滩缩进。其中太平沙南侧-2 m等深线缩进约1 km，太平沙西侧-2 m等深线消失；-5 m等深线向太平沙缩进约1.5 km。泥螺垳东侧的-2 m等深线亦向西缩进约1 km，-5 m等深线向西缩进约0.8 km。除小北槽西侧外，原深槽内的-10 m等深线均向小北槽中间推移，表明深槽水深明显减小。

为了更直观地反映风电场区的地形自然演变特征，在风电场所在海域取4个典型水深断面(图1)。水深分别基于1979年海图及本工程场区2012年实测水下地形图(水深基准均统一为理论深度基准面)，1979-2012年各断面水深变化如图2所示。可见，整个风场区地形变化较明显，均为两侧“U”字型地形向更平缓的斜坡地形变化。

图1 典型断面位置

图2 典型断面水深变化

4个断面的两侧均呈冲刷态势。断面1位于北部风机中间，33年间靠近太平沙的冲刷幅度(0.2～6.7 m)明显大于靠近小北槽西侧冲刷幅度(0.1～3.8 m)；而远离太平沙的最东侧浅滩边缘冲刷幅度逐渐减小至0.2 m。断面2位于北部风机南端，海床变化趋势和断面1相似，但东侧冲刷量(最大3.0 m)明显小于断面1(最大6.7 m)，可能是由于远离北侧的太平沙浅滩的缘故。断面3位于南部风机最北段，靠近泥螺垳北滩的西断面冲淤变化不明显，往东至泥螺垳浅滩东北滩面开始呈明显冲刷(0.1～6.0 m)；往东穿过小北槽后，东断面距离北侧太平沙更远，冲刷不明显。断面4位于风机最南部，西断面由1979年0 m等深线以上的浅滩，32年后冲刷至-1～-2 m之间。

此外所有断面中间的小北槽深槽段明显淤积。从太平沙以西的断面1(最大淤积5 m)往南至断面2(最大淤积3 m)，到泥螺垳以东的断面3(约6.2 m)往南至断面4(4.9 m)，淤积最大厚度均是从近浅滩向外逐渐减小，进一步说明深槽淤积的泥沙来自被冲刷的浅滩。

2 水动力数值模拟

2.1 模拟区域及其网格化

利用Mike21水动力模块进行潮流场计算，基本方程选用沿水深积分的二维浅水潮波方程[4]，包括一个连续方程和两个动量守恒方程，基本方程从略。

数学模型计算范围为东起123°5′E，西至江苏沿岸，东西宽约171.6 km；北起34°29′N，南至小洋口港附近(31°51′N，121°52′E)南北长约270.4 km，模型范围约4.6×104km2。

为较好地拟合岸线，计算网格由三角形单元构成。从外部边界向工程区对网格进行逐层加密见图3。工程区外的网格尺度约为5 000～1 000 m，工程区附近的网格尺度约为150 m。对风机桩基模拟，按保守处理，在模型中按实际尺寸直接概化为不透水单元，桩基位置的网格尺度为24 m，网格最小尺度为15 m。所建数学模型网格节点数为22 053个，单元总数为43 599个。

图3 网格划分

2.2 边界条件

潮流模型西边界为陆边界，北边界、东边界和南边界为水边界，潮流数值计算时需要给定水边界的潮位过程。计算域的潮流场受南黄海旋转潮波系统和东海前进潮波系统共同控制，模型水边界根据Mike21全球潮汐模型提供的调和常数生成外海潮位过程。

2.3 水动力计算结果及分析

根据风电场附近实测的大潮(2009年7月24日21时至7月25日23时)、中潮(7月26日12时至7月27日14时)和小潮(7月29日6时至7月30日8时)水文资料，对数学模型的潮位过程和潮流(流速和流向)过程进行验证。验证结果如图4至图6所示，计算值与实测值吻合较好，所建立的大丰风电场二维潮流数学模型计算结果较为合理，可用来预测大丰风电场工程附近海域的水动力条件及其变化。受风机桩基阻水绕流作用影响，在风电场工程建设后，风机桩基周围流速发生了一定变化。其中垂直于涨落潮流速方向的风机基础两侧流速增大约0.06m/s。

图4 潮位验证结果

图5 流速验证结果

图6 流向验证结果

2.4 对周边海域的冲淤影响分析

本工程对海床冲淤的影响主要为流速变化引起的。这种因流速变化而发生的冲淤类似于开敞式港池的冲淤变化过程，可采用刘家驹公式[5-6]进行计算。

式中：w为泥沙沉速；s为水体含沙量；t为淤积

时间；γ0为淤积体干容重；k2为经验系数，取值0.13；v1、v2分别为工程建设前、后平均流速；d1、d2为分别代表工程建设前、后水深；P为淤积强度。

计算结果表明，风电场工程建设引起的冲淤影响范围主要集中在工程场区附近。工程场区范围内以淤积为主，桩基沿涨落潮流方向有淤积现象，桩基两侧垂直于涨落潮流方向有微弱的冲刷。桩基沿涨落潮流方向100 m范围内淤积厚度增加0.10 m；垂直涨落潮流方向，桩基两侧微冲，冲刷深度约0.05 m。

总体上，风电场建成周围泥沙冲淤平衡后，场区内以淤积为主，淤积厚度不超过0.1 m，冲刷和淤积幅度均较小。

3 结论与建议

根据风电场区30余年的海床演变分析结果：在波浪和潮流的作用下，风电场工程区海底泥沙运动活跃，泥沙的再分配导致局部地形变化明显，1979年以来海底淤积和冲刷并存。风电场两侧浅滩以冲刷为主，大部分区域冲刷深度为2.0～5.0 m，冲刷强度为6～16 cm/a。

按照自然冲淤演变趋势，未来泥螺垳和太平沙浅滩亦有可能以冲刷为主，叠加风电场工程建设后垂直涨落潮流方向的微弱冲刷，未来风机基础工程施工，需要加强冲刷防护措施。

[1] 闵中中，李晓燕.龙源江苏大丰(H7)200 MW海上风电项目海域使用论证[R].2015.

[2] 陈君.江苏岸外东沙沙脊群的沉积特性[J].海洋通报，2006(6).

[3] 陈君,王义刚,张忍顺,等.江苏岸外辐射沙脊群东沙稳定性研究[J].海洋工程，2007(1).

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

[5] 刘家驹.海岸泥沙运动研究及应用[M].北京：海洋出版社，2009.

[6] 刘家驹.淤泥质、粉沙质及沙质海岸航道回淤统一计算方法[J].海洋工程，2012(1).

P74

A

1005-9857(2015)09-0066-04