張 曉 張 琴 陳命男

上?？睖y設(shè)計(jì)研究院有限公司

0 概述

隨著傳統(tǒng)能源煤、石油等的日益枯竭，可再生能源尤其是風(fēng)能的開發(fā)在我國顯得越來越重要[1]。伴隨風(fēng)力發(fā)電近十年的高速發(fā)展，我國風(fēng)電場建設(shè)逐漸由陸上轉(zhuǎn)向大規(guī)模海上風(fēng)電開發(fā)[2]。目前的研究多集中于水流、波浪對海上風(fēng)電樁基基礎(chǔ)的影響及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)上，如趙雁飛[3]、張慶河[4]等利用數(shù)值模擬的方法，對樁基周圍的局部沖刷進(jìn)行了模擬，為風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)；潘祖興等[5]針對四腿桁架式海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立了一種多準(zhǔn)則多參數(shù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略與方法，提高結(jié)構(gòu)優(yōu)化效率；張明生等[6]采用模型試驗(yàn)和有限元軟件數(shù)值方法，分析了基礎(chǔ)的長徑比、沖刷和波浪荷載作用對基礎(chǔ)的承載特性的影響。海上風(fēng)電場的建設(shè)，必定會對其周圍海域的水沙運(yùn)動狀況產(chǎn)生影響，引起樁基基礎(chǔ)局部沖淤，并可能打破海床動態(tài)平衡狀態(tài)。水動力條件作為泥沙搬運(yùn)和地形演變的基礎(chǔ)，清晰認(rèn)識大規(guī)模海上風(fēng)電建設(shè)前后的水動力條件變化十分必要。

本文以廣東省陽江市某海上風(fēng)電場為例，利用MIKE21 FM 模型計(jì)算了風(fēng)電場建設(shè)前后工程海域的潮汐、潮流，系統(tǒng)分析了大規(guī)模海上風(fēng)電場引起的水動力特征變化，以期為今后的海上風(fēng)電場工程建設(shè)提供參考和依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 基本方程

本海上風(fēng)電場所處海域?qū)賹挏\型海域，采用二維模型進(jìn)行求解。MIKE21FM 水動力模型適用于河流、湖泊、海洋及河口海岸地區(qū)的水動力模擬，被廣泛運(yùn)用于潮流、波浪、風(fēng)暴潮等水動力現(xiàn)象的研究[7]。其控制方程為：

式中：ζ為水位；h是基準(zhǔn)面到床面的距離；H=h+ζ，即總水深；u、v 分別為x、y 方向垂向平均流速；g為重力加速度；f是柯氏力系數(shù)；、為紊動渦粘系數(shù)。

1.2 計(jì)算區(qū)域及模型設(shè)置

通過大、小兩層計(jì)算域嵌套模擬該海域的潮流場，大、小模型范圍分別如圖1和圖2所示。為精準(zhǔn)模擬風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周圍的潮流流態(tài)，根據(jù)樁基基礎(chǔ)型式，以阻水面積基本相當(dāng)為原則，將每個風(fēng)機(jī)樁基礎(chǔ)概化成1個邊長5 m×5 m的不透水矩形單元，基礎(chǔ)周圍網(wǎng)格尺寸為10～15 m，時間步長取10 s。海上風(fēng)電場海域采用實(shí)測的水下地形資料，初始條件以零啟動的形式給出，閉邊界采用不可入條件。大模型采用全球潮汐模型計(jì)算提供的潮位邊界，小模型潮位開邊界由大模型計(jì)算結(jié)果提供。

圖1 大模型范圍圖

圖2 小模型范圍圖

1.3 數(shù)學(xué)模型率定

利用2015年2月和2015年7月在風(fēng)電場附近區(qū)域開展的水文測驗(yàn)的潮流實(shí)測數(shù)據(jù)和實(shí)測潮位資料對模型進(jìn)行率定驗(yàn)證（點(diǎn)位見圖3）。限于篇幅，本文僅列出部分點(diǎn)位的驗(yàn)證結(jié)果，潮位率定驗(yàn)證結(jié)果見圖4，流速、流向率定驗(yàn)證結(jié)果見圖5。

從率定結(jié)果看，潮位及流速、流向計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況吻合較好，模型模擬結(jié)果基本能復(fù)演計(jì)算區(qū)域水動力特征，可用于工程水文動力影響的預(yù)測。

2 海上風(fēng)電工程對水動力特征的影響

2.1 對高低潮位的影響

圖6 給出了工程前后海域大潮高、低潮位變化。可見，漲潮時，由于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的阻水作用，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)背水側(cè)高潮位減小，迎水側(cè)高潮位增大；落潮時風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)背水側(cè)低潮位減小，迎水側(cè)低潮位略有增大。工程后海域高、低潮位以減小為主，且風(fēng)電場工程的建設(shè)對工程區(qū)附近及周圍海域的潮位影響均較小，工程區(qū)附近高低潮位潮差變化幅度小于1 mm。

圖3 2015年2月和7月水文測驗(yàn)站位置示意圖

圖4 潮位率定結(jié)果

圖5 流速流向率定結(jié)果

圖6 大潮高、低潮位變化

2.2 對流速流向的影響

圖7和圖8給出了工程前后漲、落潮平均流速、流向變化分布。由圖7 和圖8 可以看出，風(fēng)電場建設(shè)對海域的潮流影響主要集中在工程區(qū)域，離風(fēng)電場工程區(qū)越遠(yuǎn)，對潮流影響越小。工程后在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周圍流速發(fā)生明顯變化，表現(xiàn)在漲落潮流方向（風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)背水面）流速有所減小，而垂直于漲落潮流方向（風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)兩側(cè)）流速有所增大。工程前后平均流速變化幅度基本在0.05 m/s左右，風(fēng)機(jī)樁基基礎(chǔ)附近的最大流速變幅在0.1 m/s 左右，而風(fēng)電場周邊海域流速變化幅度約在0.01 m/s 以下。工程海域流向變化較小。

圖7 風(fēng)電場建成前后工程海域漲落潮平均流速差

圖8 漲落潮平均流向變化

為進(jìn)一步分析風(fēng)電場工程前后對工程區(qū)及周邊海域潮流場的影響，在風(fēng)電場周圍布置了一系列典型代表點(diǎn)（見圖9）以分析工程前后的潮位和流速變化情況，其中，T1～T32號點(diǎn)主要用于分析風(fēng)電場工程海域潮流流態(tài)的影響，D1～D11號點(diǎn)主要用于分析風(fēng)電場工程周邊海域潮流流態(tài)的影響。

圖9 流速分析點(diǎn)

表1 工程前后工程海域大潮漲潮、落潮平均流速變化

表2 工程前后工程周邊海域大潮漲潮、落潮平均流速變化

本文僅給出部分典型代表點(diǎn)工程前后的大潮漲落潮平均流速的變化。根據(jù)表1，風(fēng)電場海域工程前后漲、落潮流速最大變化率小于5%，流向變化幅度不超過1°。根據(jù)表2，風(fēng)電場周邊海域工程前后漲、落潮流速變化率最大為0.5%，平均流速變化率為0.2%，流向變化幅度在0.2°以下。

總體上，工程前后風(fēng)電場內(nèi)部的流速有所變化，以流速減小為主，平均流速變幅在0.05 m/s 左右，平均流速變化率為4%，潮流流向變化幅度基本小于1°。風(fēng)電場工程的建設(shè)對風(fēng)電場周邊海域潮流特性影響甚小，周邊海域流速變幅基本在0.5%以內(nèi)，流向變化不超過0.2°。

3 結(jié)論

運(yùn)用MIKE21 FM 水動力模型對海上風(fēng)電工程前后潮汐潮流變化進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，分析了海上風(fēng)電工程引起的海域水動力特征變化。結(jié)果表明，海上風(fēng)電場樁基基礎(chǔ)對工程海域潮位和流向影響不大；工程后樁基基礎(chǔ)周圍流速發(fā)生明顯變化，表現(xiàn)在漲落潮流方向（風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)背水面）流速有所減小，而垂直于漲落潮流方向（風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)兩側(cè)）流速有所增大，但是流速變化幅度較小，且工程對水動力特征的影響局限于風(fēng)電場區(qū)附近海域。