江蘇響水近海風電場對海洋水動力影響的數(shù)值模擬

祁昌軍 ，吳王燕 ，蔣欣慰 ，王慶改

（1.環(huán)境保護部環(huán)境工程評估中心，北京 100012；2.國家環(huán)境保護環(huán)境影響評價數(shù)值模擬重點實驗室，北京 100012；3.中國水電顧問集團華東勘測設計研究院，浙江 杭州 310014）

0 引言

我國海上風電場的開發(fā)建設尚處于起步階段，對海上風電場的設計、施工和運行尚缺乏經(jīng)驗。海上相比于陸地，其水文、氣象和地質等環(huán)境因素復雜多變[1-2]，這給海上風電場的研究設計帶來諸多難點和風險。目前常采用物理模型和數(shù)學模型兩種手段來概化研究工程區(qū)域的水文、地形等環(huán)境因素。物理模型所需人力、物力和財力較大，且對大范圍海域建模和復雜的海洋水文動力條件較難實現(xiàn)。在實際工程設計中，數(shù)值模擬方法則為一種經(jīng)濟、有效的科學手段[3]。

為合理有序開發(fā)海上資源，促進海上風電場工程的綜合開發(fā)利用，有必要深入開展風電場所在海域的數(shù)值模擬研究，構建適合工程區(qū)域特性的潮流、波浪、泥沙、污染物擴散、溢油漂移等數(shù)學模型，為海上風電場工程研究設計和環(huán)境影響評價提供科學依據(jù)[4-5]。

本文以江蘇響水近海風電場為例，采用數(shù)值模擬手段，建立江蘇響水近海風電場水動力模型，在利用現(xiàn)場實測資料對模型進行充分驗證的基礎上，對該海域的潮流場進行數(shù)值模擬，分析了風電場實施后該海域水動力的變化情況，為同類工程設計和環(huán)境影響評價提供科學依據(jù)和參考。

1 水動力模型的建立

1.1 水動力控制方程

連續(xù)方程：

運動方程：

式中：η為水位；H為水深，H=h+η，h為海底到靜止海面的距離；u，v分別為沿x，y方向的垂線平均流速分量；f為柯氏力系數(shù)，f=2ωsinφ，其中ω是地轉角速度，φ是地理緯度；C為謝才系數(shù)，它與曼寧數(shù)M的關系為C=M×h1/6；t為時間；g為重力加速度。

方程（1）、（2）、（3）構成了求解潮流場的基本控制方程。

1.2 模型范圍

風電場二維潮流模型呈NW—SE方向，模型共有NW、SE和NE 3個水邊界及1個岸邊界。NW邊界至灌河河口，SE邊界至廢黃河口，NE邊界至-15 m等深線，NW—SE方向長67 km，NE—SW方向寬31 km，模型范圍約2077 km2。

1.3 計算網(wǎng)格

計算網(wǎng)格為非結構網(wǎng)格，采用有限體積解法[6-7]。該網(wǎng)格能夠很好地模擬彎道或水上結構物周圍區(qū)域的流場[8]。模型采用不同網(wǎng)格尺度，風電場區(qū)外的網(wǎng)格尺度約為500m；場區(qū)附近網(wǎng)格加密，網(wǎng)格尺度約為150 m；風機樁基附近最小網(wǎng)格尺度為8 m。所建數(shù)學模型網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為18480個，單元總數(shù)為36450個。模型范圍和網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 計算范圍和網(wǎng)格劃分Fig.1 Computational area and grid

1.4 風機樁基概化

1.4.1 樁基形式

到目前為止，海上風機基礎形式主要有樁基礎、重力式基礎、吸力式基礎3種[9]。我國目前海上風電實驗或示范項目的風機基礎形式主要采用樁式基礎。本文研究對象為三樁導管架基礎，即用3根鋼管樁定位于海底，呈正三角形均勻布設（圖2）。

圖2 三樁導管架基礎示意圖Fig.2 Sketch map of Jacket with three piles

1.4.2 樁基概化

三樁導管架基礎不同于單樁基礎，后者為整體，可直接概化。而三樁導管架基礎豎立在海上，樁基阻水部分主要有樁基套筒、上支撐、下支撐和中間豎筒，各部分均以不同角度連接，中間過水。通過分析三樁導管架基礎各阻水部分，將各部分阻水面積組合，利用阻水面積等效法，將三樁導管架基礎概化為10.9m×10.9m的樁基。同時，考慮到風電場運行期，樁基上將安裝防撞和防腐等設施，且運行期海洋生物可能會附著在基礎上，使樁基阻水面增大。因此，將概化后的樁徑乘1.2倍的放大系數(shù)，最終把風機基礎概化為13m×13m的整體樁基。

大范圍海域研究小尺度建筑物的影響范圍及程度，一直是工程研究中的難點[10-11]。傳統(tǒng)方法可歸納為間接模擬法和直接模擬法，前者一般采用等效模擬，通過等過水率、群墩系數(shù)、修正糙率附加糙率法、附加阻力等方法進行概化研究，其不足是各系數(shù)較難擬定及局部流態(tài)容易失真。而直接模擬法則在模型中將樁基等作為不透水建筑物進行直接模擬，效果較為直觀逼真，但對建筑物附近的網(wǎng)格尺度要求很高。本文基于非結構網(wǎng)格，通過加密樁基周圍網(wǎng)格將風機樁基概化為不透水單元，以保證計算精度[12-13]。采用編輯網(wǎng)格文件代碼的方式，解決了大范圍計算域生成小尺度網(wǎng)格的難點。

1.5 模型驗證

本文利用2個潮位觀測點和5個潮流觀測點的實測資料率定所建水動力模型，各潮流、潮位觀測點位置見圖3，驗證結果見圖4～圖6。限于篇幅，文中只給出了少數(shù)點的大潮潮位、流速、流向過程驗證結果。

圖3 風電場位置和水文測點Fig.3 Location of wind farm and measuring points

圖4 大潮潮位過程驗證Fig.4 Verification of tidal level in spring tide

圖5 大潮流速過程驗證Fig.5 Verification of tidal flow velocity in spring tide

圖6 大潮流向過程驗證Fig.6 Verification of tidal current direction in spring tide

驗證結果表明，模型計算的大范圍潮流場可以較真實地反映實際潮流運動，模擬值與實測值吻合較好，所建二維潮流數(shù)學模型可用來模擬風電場對附近海域的水動力影響。

2 模擬結果分析

2.1 流速變化

圖7、圖8為漲、落急流速變化的模擬結果。

圖7 大潮漲急流速變化Fig.7 Flood rapid flow velocity of spring tide

圖8 大潮落急流速變化Fig.8 Ebb rapid flow velocity of spring tide

由于風機基礎的阻水掩護作用，漲落潮流方向樁基前后流速減小，樁基的迎水面和背水面均存在流速減小區(qū)域，但流速減小的幅度和范圍隨樁基所處的位置呈現(xiàn)相應的變化。樁基迎水面，流速減小的幅度超過0.05m/s的范圍基本出現(xiàn)在樁前200m內；樁基背水面，流速減小的幅度超過0.05m/s的范圍則相對較大，但基本出現(xiàn)在樁后800m內。

由于風機樁基的存在，漲、落潮流經(jīng)過樁基時存在繞流現(xiàn)象，使得迎水面兩側流速均有所增大，但流速增大的幅度和范圍比流速減小的幅度和范圍小，流速增幅大于0.02m/s的范圍基本在樁基兩側100m左右。

由模擬結果可知，風機樁基樁徑有限，引起流速變化的幅度和范圍也非常有限。風電場建成之后，對漲、落潮流場的影響主要集中在風機樁基周圍水域，影響范圍相當有限，對風電場外圍周邊海域的流場影響很小。

2.2 流向變化

圖9、圖10為大潮漲急樁基處流向變化的模擬結果（大潮落急結果也類似）。

圖9 工程前樁基處大潮漲急流向圖Fig.9 Flood rapid flow direction of spring tide at pile foundation before wind farm engineering

圖10 工程后樁基處大潮漲急流向圖Fig.10 Flood rapid flow direction of spring tide at pile foundation after wind farm engineering

分析可知，風電場實施后，樁基周圍漲、落潮流向變化很小，變化范圍在樁基周圍70～80m左右，該范圍內的流向變化幅度平均小于15°。

3 結語

本文建立了江蘇響水近海風電場潮流數(shù)學模型，采用非結構網(wǎng)格和有限體積解法，在模型中將風機樁基概化為不透水單元，分析了風電場實施后對海域水動力的影響，研究結果表明：

1）模型計算值與實測值吻合較好，模擬的潮流場能客觀反映實際潮流運動。

2）根據(jù)風機樁基實際尺寸，采用等效阻水面積法將樁基概化為不透水單元能較好地模擬風機樁基對潮流的影響，為非單樁風機基礎的概化提供借鑒方法。

3）與風電場區(qū)海域面積相比，風機樁基占海面積很小，風機樁基樁徑有限，引起流速變化的幅度和范圍非常有限。風電場的實施對周圍海域的流速、流向、潮位等水動力條件影響很小，影響主要在風機樁基附近。

4）在地形、邊界和實測資料潮流、潮位資料可靠、充分的條件下，數(shù)值模擬可為海上工程環(huán)境影響評價提供量化數(shù)據(jù)，為客觀分析工程建設對海洋水動力、水環(huán)境等影響提供科學依據(jù)。

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