祁昌軍 ，吳王燕 ，蔣欣慰 ，王慶改

（1.環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評估中心，北京 100012；2.國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境影響評價(jià)數(shù)值模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012；3.中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310014）

0 引言

我國海上風(fēng)電場的開發(fā)建設(shè)尚處于起步階段，對海上風(fēng)電場的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行尚缺乏經(jīng)驗(yàn)。海上相比于陸地，其水文、氣象和地質(zhì)等環(huán)境因素復(fù)雜多變[1-2]，這給海上風(fēng)電場的研究設(shè)計(jì)帶來諸多難點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)。目前常采用物理模型和數(shù)學(xué)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(cái)力較大，且對大范圍海域建模和復(fù)雜的海洋水文動力條件較難實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，數(shù)值模擬方法則為一種經(jīng)濟(jì)、有效的科學(xué)手段[3]。

為合理有序開發(fā)海上資源，促進(jìn)海上風(fēng)電場工程的綜合開發(fā)利用，有必要深入開展風(fēng)電場所在海域的數(shù)值模擬研究，構(gòu)建適合工程區(qū)域特性的潮流、波浪、泥沙、污染物擴(kuò)散、溢油漂移等數(shù)學(xué)模型，為海上風(fēng)電場工程研究設(shè)計(jì)和環(huán)境影響評價(jià)提供科學(xué)依據(jù)[4-5]。

本文以江蘇響水近海風(fēng)電場為例，采用數(shù)值模擬手段，建立江蘇響水近海風(fēng)電場水動力模型，在利用現(xiàn)場實(shí)測資料對模型進(jìn)行充分驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，對該海域的潮流場進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了風(fēng)電場實(shí)施后該海域水動力的變化情況，為同類工程設(shè)計(jì)和環(huán)境影響評價(jià)提供科學(xué)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(yùn)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(zhuǎn)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(guān)系為C=M×h1/6；t為時(shí)間；g為重力加速度。

方程（1）、（2）、（3）構(gòu)成了求解潮流場的基本控制方程。

1.2 模型范圍

風(fēng)電場二維潮流模型呈NW—SE方向，模型共有NW、SE和NE 3個(gè)水邊界及1個(gè)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?qū)?1 km，模型范圍約2077 km2。

1.3 計(jì)算網(wǎng)格

計(jì)算網(wǎng)格為非結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)物周圍區(qū)域的流場[8]。模型采用不同網(wǎng)格尺度，風(fēng)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(fēng)機(jī)樁基附近最小網(wǎng)格尺度為8 m。所建數(shù)學(xué)模型網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為18480個(gè)，單元總數(shù)為36450個(gè)。模型范圍和網(wǎng)格劃分如圖1所示。

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

1.4 風(fēng)機(jī)樁基概化

1.4.1 樁基形式

到目前為止，海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式主要有樁基礎(chǔ)、重力式基礎(chǔ)、吸力式基礎(chǔ)3種[9]。我國目前海上風(fēng)電實(shí)驗(yàn)或示范項(xiàng)目的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式主要采用樁式基礎(chǔ)。本文研究對象為三樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)，即用3根鋼管樁定位于海底，呈正三角形均勻布設(shè)（圖2）。

圖2 三樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)示意圖Fig.2 Sketch map of Jacket with three piles

1.4.2 樁基概化

三樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)不同于單樁基礎(chǔ)，后者為整體，可直接概化。而三樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)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(dǎo)管架基礎(chǔ)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(dǎo)管架基礎(chǔ)概化為10.9m×10.9m的樁基。同時(shí)，考慮到風(fēng)電場運(yùn)行期，樁基上將安裝防撞和防腐等設(shè)施，且運(yùn)行期海洋生物可能會附著在基礎(chǔ)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(fēng)機(jī)基礎(chǔ)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(diǎn)[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(jìn)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(jìn)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(jié)構(gòu)網(wǎng)格，通過加密樁基周圍網(wǎng)格將風(fēng)機(jī)樁基概化為不透水單元，以保證計(jì)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(jì)算域生成小尺度網(wǎng)格的難點(diǎn)。

1.5 模型驗(yàn)證

本文利用2個(gè)潮位觀測點(diǎn)和5個(gè)潮流觀測點(diǎn)的實(shí)測資料率定所建水動力模型，各潮流、潮位觀測點(diǎn)位置見圖3，驗(yàn)證結(jié)果見圖4～圖6。限于篇幅，文中只給出了少數(shù)點(diǎn)的大潮潮位、流速、流向過程驗(yàn)證結(jié)果。

圖3 風(fēng)電場位置和水文測點(diǎn)Fig.3 Location of wind farm and measuring points

圖4 大潮潮位過程驗(yàn)證Fig.4 Verification of tidal level in spring tide

圖5 大潮流速過程驗(yàn)證Fig.5 Verification of tidal flow velocity in spring tide

圖6 大潮流向過程驗(yàn)證Fig.6 Verification of tidal current direction in spring tide

驗(yàn)證結(jié)果表明，模型計(jì)算的大范圍潮流場可以較真實(shí)地反映實(shí)際潮流運(yùn)動，模擬值與實(shí)測值吻合較好，所建二維潮流數(shù)學(xué)模型可用來模擬風(fēng)電場對附近海域的水動力影響。

2 模擬結(jié)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(jié)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(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的阻水掩護(hù)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(yīng)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(nèi)；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(nèi)。

由于風(fēng)機(jī)樁基的存在，漲、落潮流經(jīng)過樁基時(shí)存在繞流現(xiàn)象，使得迎水面兩側(cè)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(cè)100m左右。

由模擬結(jié)果可知，風(fēng)機(jī)樁基樁徑有限，引起流速變化的幅度和范圍也非常有限。風(fēng)電場建成之后，對漲、落潮流場的影響主要集中在風(fēng)機(jī)樁基周圍水域，影響范圍相當(dāng)有限，對風(fēng)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(jié)果（大潮落急結(jié)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(fēng)電場實(shí)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(nèi)的流向變化幅度平均小于15°。

3 結(jié)語

本文建立了江蘇響水近海風(fēng)電場潮流數(shù)學(xué)模型，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和有限體積解法，在模型中將風(fēng)機(jī)樁基概化為不透水單元，分析了風(fēng)電場實(shí)施后對海域水動力的影響，研究結(jié)果表明：

1）模型計(jì)算值與實(shí)測值吻合較好，模擬的潮流場能客觀反映實(shí)際潮流運(yùn)動。

2）根據(jù)風(fēng)機(jī)樁基實(shí)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(fēng)機(jī)樁基對潮流的影響，為非單樁風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的概化提供借鑒方法。

3）與風(fēng)電場區(qū)海域面積相比，風(fēng)機(jī)樁基占海面積很小，風(fēng)機(jī)樁基樁徑有限，引起流速變化的幅度和范圍非常有限。風(fēng)電場的實(shí)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(fēng)機(jī)樁基附近。

4）在地形、邊界和實(shí)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(jià)提供量化數(shù)據(jù)，為客觀分析工程建設(shè)對海洋水動力、水環(huán)境等影響提供科學(xué)依據(jù)。

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