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    離岸海上風(fēng)電場海底電纜敷設(shè)懸浮物擴(kuò)散數(shù)值模擬

    2020-09-08 10:08:36張亞力俞年昌董浩平柏海霞
    應(yīng)用能源技術(shù) 2020年8期
    關(guān)鍵詞:小潮海纜懸浮物

    張亞力,俞年昌,董浩平,柏海霞

    (中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司,杭州 311122)

    0 引 言

    海上風(fēng)電的發(fā)展已經(jīng)成為可再生能源領(lǐng)域的焦點,隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和科研實力的加強(qiáng),海上風(fēng)電呈現(xiàn)出離岸化和深?;内厔?,預(yù)計未來海上風(fēng)電平均離岸距離有可能達(dá)100 km[1]。風(fēng)電場離岸越遠(yuǎn),所需的電力送出海纜越長。海底輸電電纜的鋪設(shè)需要深挖海溝,引起海底泥沙懸浮并隨潮流擴(kuò)散,敷設(shè)海纜周圍水體渾濁,從而對施工電纜周圍海域海洋生物產(chǎn)生影響[2]。因此,海底電纜施工懸浮物將是離岸風(fēng)電場環(huán)境影響所關(guān)注的重點。

    目前已有的海洋工程或者海底電纜工程施工懸浮物預(yù)測,大多采用固定的代表點在不同的作業(yè)點位進(jìn)行懸浮物釋放模擬,再繪制出懸浮物包絡(luò)圖[3-5]。海上風(fēng)電場海底電纜通常利用水力敷設(shè)機(jī)沿海底電纜以一定的速度開溝敷設(shè),利用固定點源進(jìn)行海纜敷設(shè)懸浮物預(yù)測與實際情況差異較大,無法反映出真實的懸浮物擴(kuò)散范圍。本研究以江蘇啟東海上風(fēng)電場為例,在潮流動力模型的基礎(chǔ)上,增加懸浮物擴(kuò)散模型,并根據(jù)海纜實際敷設(shè)速率,采用移動釋放源強(qiáng)模擬海底電纜施工懸浮物擴(kuò)散,得到懸浮物最大擴(kuò)散范圍以及施工海纜周邊懸浮物增長與消減的過程。預(yù)測結(jié)果為進(jìn)一步分析海底電纜施工帶來的海洋生物資源影響提供了依據(jù)。

    1 工程概況

    江蘇啟東海上風(fēng)電場項目位于江蘇啟東近海海域,風(fēng)機(jī)離岸最近距離約37 km,屬南黃海濱海相沉積地貌單元,水下灘面地形較平緩,自西北向東南略有傾斜??辈炱陂g水深在13.5~17.7 m之間,場區(qū)內(nèi)地基土表層以粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土為主。風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的電力通過海底電纜從各風(fēng)機(jī)送至海上升壓站,再從海上升壓站集中送至岸上,項目電纜總長度為167.669 km。

    2 工程區(qū)域水動力模型

    2.1 水動力數(shù)學(xué)模型

    (1)連續(xù)方程:

    (1)

    (2)運動方程:

    (2)

    (3)

    2.2 計算區(qū)域與網(wǎng)格

    工程二維潮流數(shù)值模型計算范圍如圖1所示。模型南北長約303.1 km,東西寬約160.6 km,計算面積約4.7×104km2。

    為合理描述懸浮物濃度場,延敷設(shè)海纜對網(wǎng)格進(jìn)行局部加密,懸浮物計算網(wǎng)格尺寸為10~100 m,如圖1所示。

    2.3 水動力計算結(jié)果

    利用工程區(qū)附近所布置的潮位站以及潮流站實測大、中、小潮期間的實測數(shù)據(jù),對水動力模型進(jìn)行了驗證。經(jīng)驗證后海纜敷設(shè)區(qū)大潮漲急時刻工程區(qū)流速約為0.93 m/s,落急時刻流速約為0.96 m/s;小潮時,風(fēng)電場區(qū)漲急流速約為0.66 m/s,落急時刻流速約為0.72 m/s之。

    3 懸浮物擴(kuò)散預(yù)測模型

    3.1 懸浮預(yù)測數(shù)學(xué)模型

    施工產(chǎn)生的懸浮泥沙在潮流作用下向周圍輸運,其輸移方式可按照物質(zhì)的對流擴(kuò)散方程進(jìn)行數(shù)值模擬:

    (4)

    式中,S垂線平均含沙量(kg/m3),在此代表懸沙增量;u,v分別為x,y方向上的垂線平均流速分量(m/s);H水深(m);Dx,Dy為泥沙紊動擴(kuò)散系數(shù)(m2/s);

    Fs源匯項kg/(s·m2),F(xiàn)S=F′+F″/A

    3.2 懸浮預(yù)測源強(qiáng)設(shè)置

    根據(jù)項目施工方案,采用專業(yè)海底電纜敷設(shè)船配備牽引式高壓水埋設(shè)機(jī)進(jìn)行敷埋施工,懸浮物發(fā)生源強(qiáng)按以下公式計算:

    F″=Aνρf

    (3)

    其中,S為懸浮物源強(qiáng),kg/s;A為海纜開挖橫截面積,m2;v為海纜施工速度,m/s;ρ為底質(zhì)沉積物干密度,kg/m3;f為起沙率,無量綱。

    電纜敷設(shè)深度不小于2.0 m,開挖溝剖面為倒梯形,本次計算橫截面積取1.5 m2;正常鋪設(shè)速度為3 m/min;泥沙容重取值為750 kg/m3;根據(jù)同類項目類比,起沙率取保守值15%。經(jīng)計算懸浮物的產(chǎn)生速率約為16.86 kg/s。

    電纜鋪設(shè)為線性工程,且逐段進(jìn)行施工,因此懸浮物釋放在模型中按移動點源的方式進(jìn)行處理。

    4 計算結(jié)果分析

    最終計算得到,在大潮施工情況下,懸浮物增量大于第二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)10 mg/L的最大影響范圍為119.56 km2,大于第三類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)100 mg/L的最大影響范圍為4.12 km2,大于第四類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)150 mg/L的最大影響范圍為1.90 km2;在小潮施工情況下懸浮物增量大于10、100、150 mg/L的最大影響范圍分別為148.16、6.96、3.27 km2。圖2與圖3分別為大潮與小潮工況下電纜敷設(shè)懸浮物增量分布范圍??傮w而言,小潮期間施工懸浮物的影響范圍大于大潮施工,主要因為小潮期間水動力較弱,懸浮泥沙不易稀釋擴(kuò)散,容易在短時間內(nèi)在海纜周邊富集。

    圖4為以小潮工況為例,在距離海纜不同距離選擇代表點分析懸浮物濃度增量隨時間的變化。在距離海纜50 m處懸浮物增量超過10 mg/L的持續(xù)時間約3.5小時,在距離海纜200 m處懸浮物增量超過10 mg/L的持續(xù)時間約2小時,在距離海纜1 000 m處懸浮物增量超過10 mg/L的持續(xù)時間約0.5小時,在距離在距離海纜2 000 m處懸浮物增量在10 mg/L以下。

    5 結(jié)束語

    本研究以江蘇啟東海上風(fēng)電場為例,在二維水動力模型的基礎(chǔ)上,采用移動源強(qiáng)對離岸風(fēng)電場海底電纜敷設(shè)施工懸浮物擴(kuò)散進(jìn)行了數(shù)值模擬,分別得到大潮與小潮工況下,懸浮物最大增量影響范圍。本工程施工懸浮物主要分布在海纜附近,并且由于小潮期間水動力較弱,懸浮泥沙不易稀釋擴(kuò)散,小潮期施工懸浮物最大增量影響范圍大于大潮期。此外,對懸浮物影響持續(xù)時間進(jìn)行了分析,在緊靠海纜的水域懸浮物影響持續(xù)時間約為3.5小時,距離海纜越遠(yuǎn)懸浮物影響持續(xù)時間越短,2 km以外的區(qū)域基本不會受到影響。

    本研究結(jié)果為進(jìn)一步分析離岸風(fēng)電場海底電纜施工導(dǎo)致的海洋生態(tài)影響提供了依據(jù)。根據(jù)本次研究得到的施工懸浮物分布規(guī)律,建議采取以下減緩措施:①在施工過程中嚴(yán)格按照設(shè)計方案施工,禁止擅自擴(kuò)大施工區(qū)域,并且盡可能縮短水下施工時間;②海底電纜施工避開魚類產(chǎn)卵期;③在潮灘區(qū)域,盡可能選擇在低潮位時進(jìn)行露灘施工,盡可能避免懸浮在水下劇烈擴(kuò)散;④根據(jù)懸浮物擴(kuò)散影響范圍、持續(xù)時間計算其導(dǎo)致的生物資源損失量,通過增殖放流等措施,進(jìn)行生物資源補(bǔ)償。

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