基于多波束數(shù)據(jù)的海上風機基礎水下地形監(jiān)測研究

劉新華

（中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣東廣州 510663）

0 引言

隨著國際社會對保障能源安全、保護生態(tài)環(huán)境、應對氣候變化等問題日益重視，加快開發(fā)利用可再生能源已成為世界各國的普遍共識和一致行動［1］。對于廣東省而言，在可再生能源中，海上風能資源是最具規(guī)模開發(fā)潛力的?！稄V東省海上風電發(fā)展規(guī)劃》［2］中提出“在2020 年實現(xiàn)海上風電力爭建設投產(chǎn)12 GW 以上”，同時對海上風電場址布局和項目建設進行了規(guī)劃，“計劃建設海上風電場共23個，裝機容量66.85 GW”。

海上風電場所處的自然環(huán)境比較惡劣，風機基礎在波浪、潮流等作用下會受到一定的沖刷。如何掌握風機基礎周邊的沖刷程度，保證風機運營安全，已引起各海上風電運維單位的廣泛關(guān)注。目前最常見的方法是對風機基礎周邊水下地形進行定期的監(jiān)測，獲取不同時期的地形資料，研究不同時期沖刷量的變化和規(guī)律。

傳統(tǒng)的水下地形監(jiān)測主要采用水下地形測量與固定斷面測量相結(jié)合的方法。水下地形測量主要采用水面移動平臺搭載單波束的方法進行測量，獲取不同時期的水下地形數(shù)據(jù)。雖然單波束在一定程度上解決了水下地形測量問題，但測量效率和精度有較大的局限性，尤其是對微地形的表達方面已無法滿足當今的需求。而多波束測深系統(tǒng)具有高精度、高分辨率、全覆蓋、高效率等特點，正日益受到廣大海洋測量部門和海道測量部門的重視［3］。國內(nèi)外許多學者對多波束進行了深入研究，取得了一批顯著的成果。饒光勇等［4］ 研究了多波束測深系統(tǒng)在堤圍險段水下地形變化監(jiān)測中的應用；劉權(quán)等［5］研究了多波束系統(tǒng)在水下基坑測量中的應用。同時，基于載體的不同，近幾年機載和星載測深系統(tǒng)方面也有不少研究。王鑫等［6］ 對機載激光LiDAR技術(shù)測深進行了研究，該技術(shù)主要應用在水深5 m以內(nèi)的淺水地區(qū)，大部分處于實驗階段，實際應用較少。何亮等［7］ 采用多波束聯(lián)合水下機器人對水下地形進監(jiān)測，雖然作業(yè)效率、精度較高，但是操作難度大，成本高，穩(wěn)定性較差。

利用多波速測深系統(tǒng)對風機基礎進行水下地形監(jiān)測，目前還少有研究。本文結(jié)合工程實例，利用多波束測深系統(tǒng)對廣東某海上風電8#風機位周邊地形進行定期的水下地形監(jiān)測，獲取了高精度和高密度的水下地形點云數(shù)據(jù)；通過對點云數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理和分析，構(gòu)建高精度的水下地形數(shù)字高程模型DEM；通過數(shù)字高程模型疊加分析，計算出不同時期的沖刷量；最后通過三維模型展示不同時期地形的變化，分析引起沖刷的原因，為海上風電安全運行提供了數(shù)據(jù)支撐。

1 工程應用

1.1 項目概況

廣東某海上風電8#風機位于南海海域，中心概略位置：北緯20.425°，東經(jīng)110.489°，測量范圍風機中心500 m × 500 m，面積約0.3 km2。場址中心離岸距離約15 km，水深4～10 m。所在區(qū)域海底地貌屬于水下淺灘、水下岸坡地貌單位，有部分沙洲，表層底質(zhì)以粉砂、細沙為主。

周邊海域的氣象條件：平均風速為3.0 m/s；年平均氣溫為24.5 ℃；海水溫度最高值為30.86 ℃，最低海水溫度值為28.71 ℃；潮汐為不正規(guī)半日混合潮；潮流為不規(guī)則全日潮，表現(xiàn)為明顯的往復流特征，實測最大流速1.50 m/s。

為了監(jiān)測風機周邊地形的變化，我們采用多波束測深系統(tǒng)對8#風機周邊地形進行了6 次測量，監(jiān)測頻率為每6 個月監(jiān)測一次，期間因地形變化較快，監(jiān)測頻率做了適當?shù)恼{(diào)整。

1.2 區(qū)域海床穩(wěn)定性分析

為了分析區(qū)域海床穩(wěn)定性，收集了近十年來附近海域4 條斷面數(shù)據(jù)，斷面位置圖如圖1 所示。通過分析5 條斷面處水深的變化判斷區(qū)域海床的穩(wěn)定性。

圖1 斷面位置圖Fig.1 Section Location Plan

5條斷面位置水深變化圖如圖2所示。

圖2 斷面位置水深變化圖Fig.2 Depth change chart of section position

分析以上數(shù)據(jù)可以看出8#風機位置所處的海域斷面線處于不斷調(diào)整變化狀態(tài)，變化趨勢是水域南側(cè)深槽逐漸分離，沙向東北部輸送，海床變化較大，尤其是淺灘和深槽位置發(fā)生了整體性的移動；總體上來看海灘面為沖刷態(tài)勢，南、北深槽東側(cè)為淤積態(tài)勢，西側(cè)部分為沖刷，灘槽東、西擺動變化大，有向西推進的趨勢。因此開展此海域所處的風機基礎水下地形監(jiān)測是非常有必要的。

1.3 數(shù)據(jù)采集

為了完成此次風機位的水下地形監(jiān)測任務，本項目采用多波束測深系統(tǒng)、PosMV 定姿定位系統(tǒng)、聲速剖面儀等設備進行外業(yè)的數(shù)據(jù)采集。所有設備在作業(yè)前都通過了設備鑒定，狀態(tài)穩(wěn)定，運行狀況良好。

測線布置：按照事先布設好的主測線，對測區(qū)進行全覆蓋式的水深測量，同時保證相鄰測線間有不少于20%的重疊度。除了主測線之外布設了檢查測線，檢測線長度占總長度的10%，多于規(guī)范要求的5%。

多波束安裝：多波束換能器采用船舷安裝，多波束換能器與PosMV 定姿定位系統(tǒng)的IMU 剛性連接安裝于船底水面以下；X軸正方向指向船頭，安裝底部應當穩(wěn)固并同換能器發(fā)射平面保持空間平行的關(guān)系。

多波束校正：在進行多波束測量之前，需要對橫搖差（Roll）、縱搖差（Pitch）、艏搖差（Yaw）及船舶動吃水測定等參數(shù)進行校正，校正方法按照對應的方法進行。利用軟件計算出校正參數(shù)直接應用到多波速系統(tǒng)配置文件中，改正系統(tǒng)固定偏差。

數(shù)據(jù)采集：外業(yè)采集數(shù)據(jù)使用多波束控制軟件和數(shù)據(jù)采集軟件。采集的過程中控制好作業(yè)船的船速，記錄好吃水的變化。

2019 年至2020 年期間，我們共進行了6 次監(jiān)測。外業(yè)數(shù)據(jù)采集時間如表1所示。

表1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集時間表Tab.1 Field data collection schedule

1.4 數(shù)據(jù)處理

多波束數(shù)據(jù)處理采用CARIS HIPS 軟件，在處理前，檢查各傳感器的偏移量、系統(tǒng)校準參數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)的準確性［8］。具體操作流程：創(chuàng)建新項目，建立船型文件；聲速文件及潮位文件的編輯；數(shù)據(jù)進行潮位改正、聲速改正；編輯水深數(shù)據(jù)；生成水深曲面；輸出數(shù)據(jù)文件。

將ASCII 文件格式的文件轉(zhuǎn)換成1 m 網(wǎng)格尺寸的DEM 數(shù)據(jù)。根據(jù)水深值的不同對DEM 數(shù)據(jù)用不同的顏色進行分層次賦色，采用水下地形渲染圖的方式來表現(xiàn)水下地形信息［9］。在統(tǒng)一的坐標系（WGS84）和高程基準中構(gòu)建的不同時期水下數(shù)字地形DEM模型如圖3所示。

圖3 不同時期的水下地形DEM模型Fig.3 DEM models of underwater terrain in different periods

從不同時期的水下地形DEM 模型可以看出，風機基礎中心往西約60 m 處有一條南北走向的海底斜坡。隨著時間的推移，其位置發(fā)生了明顯變化，逐步往西移動，最大位移量約90 m，同時對斜坡位置高程進行了比較，最大變化約4.5 m，風機基礎周邊的地形出現(xiàn)較嚴重的淤積現(xiàn)象，這可能對風機基礎的安全有一定的影響。

2 沖刷量計算

應用不同時期的DEM 模型進行區(qū)域體積計算，通過不同模型的疊加運算，計算兩者的差異，從而判斷所在區(qū)域沖淤變化情況［10-11］。對6 次測量的成果進行疊加運算，其結(jié)果如表2 所示。不同時期DEM 疊加運算后的沖淤渲染效果如圖4所示。同時對位于風機西面南北走向的海底斜坡進行了分析，其在不同時期的位置如圖5所示。

圖4 不同時期DEM疊加運算后的沖淤渲染效果Fig.4 Effect of erosion and siltation after DEM superposition operation in different periods

圖5 不同時期海底斜坡位置圖Fig.5 Seabed slope location map of different periods

表2 不同時期DEM疊加計算結(jié)果統(tǒng)計Tab.2 Statistical of DEM superposition calculation results in different periods

通過表2 可以看出，從第一次測量到第六次測量這期間，淤積量達251 085.699 m3，可見本區(qū)域內(nèi)淤積程度還是比較嚴重。從不同時期的沖淤渲染效果圖和不同時期海底斜坡位置圖可以看出，第二次測量與第一次測量期間，在一年的時間內(nèi)該區(qū)域有嚴重的淤積情況，個別位置淤積厚度達4.6 m，海底斜坡位移最大量達62 m；第三次測量到第六次測量期間，淤積量有所減少，海底斜坡位置偏移變化較小，說明整個區(qū)域內(nèi)的沖淤情況較穩(wěn)定，但還是有少量的泥沙不斷堆積，這對風機基礎的穩(wěn)定會造成一定的影響，應引起風機運維單位的足夠重視。

3 沖刷原因分析

通過對以上資料分析，可以看出風機附近海域局部淤積現(xiàn)象比較嚴重。局部受到風浪作用，沖刷侵蝕現(xiàn)象比較明顯，特別是在臺風浪時期會導致海床泥沙劇烈沖刷搬運，使地形短時期內(nèi)產(chǎn)生較大變化。2019 年4 月至2020 年4 月之間影響工程海域的2 場臺風過程如圖6 所示，可知1907 號“韋帕”臺風路徑正好經(jīng)過工程海域，綜合分析認為8#風機西側(cè)的大范圍淤積很可能與這次臺風經(jīng)過有關(guān)。

圖6 1907號“韋帕”臺風路徑圖Fig.6 The Track of typhoon Wipha（No.1907）

此外，泥沙在潮流和波浪的聯(lián)合作用和沿岸流作用下運移，這是該海域海床地形局部沖刷和淤積的另一個重要原因。工程區(qū)附近海底沉積物主要以細砂、中細砂和粉砂質(zhì)砂為主，在較強的海域潮流動力下，使得泥沙活動性強。采用武漢水利電力學院泥沙起動公式［12］：

式中：

Uc——起動流速（m/s）；

h——水深（m）；

D——泥沙中值粒徑（m）；

ρs——泥沙密度（kg/m3）；

ρ——水體的密度（kg/m3）。

運用泥沙起動公式計算，工程附近0.1～0.3 mm粒徑的泥沙起動流速為在0.20～0.45 m/s。由此可以得知，在一般天氣條件下，工程區(qū)附近海床泥沙就能起動，然后在潮流的往復作用下產(chǎn)生泥沙輸移對海床變化產(chǎn)生影響［13］。同時工程區(qū)附近海域?qū)儆诓ɡ藙恿ψ饔幂^強的海域，在風浪和潮流共同的作用下，海底泥沙物質(zhì)將沿岸進行運移，導致出現(xiàn)局部的沖刷和淤積。

4 結(jié)論

為獲取高精度的水下地形DEM 模型數(shù)據(jù)，本文采用了多波束測深系統(tǒng)對風機基礎周邊地形進行了6次監(jiān)測，通過對高精度的DEM模型進行疊加運算，計算了不同時期的沖刷量，分析了沖刷的原因。本文研究表明：

1）基于高精度多波束海底地形數(shù)據(jù)，建立通用的數(shù)字高程模型，可以更直觀地表現(xiàn)和解釋風機周邊水下地形，精確地反映水下地形的細節(jié)特征?；贒EM 的沖淤分析，進一步提高了分析的精度。通過周期監(jiān)測，對海底斜坡位置的演變進行了定量表達，對后續(xù)采取工程措施提供了決策支持。

2）通過對沖刷原因分析，得出導致本次淤積變化的主要原因是強臺風影響到風電場海域時，海床和風機局部區(qū)域通常會發(fā)生較大的整體性變化。但在正常海況條件下，海底基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，沒有發(fā)生較大的沖淤變化過程。因此在后續(xù)的日常運維中，建議進一步加強風機局部范圍的海底地形監(jiān)測，為風電場的正常運營提供安全保障。

隨著三維點云數(shù)據(jù)庫和可視化技術(shù)的不斷發(fā)展，利用三維點云數(shù)據(jù)庫，通過對比研究可以提供水下地形的沖刷淤積的變化，利用三維可視化專業(yè)軟件可以真實地反映水下三維地形環(huán)境，實現(xiàn)海底地形三維可視化成圖。

現(xiàn)場正在運行的風機