海底電纜敷設施工懸浮泥沙起懸比研究

張 琴 鄭磊夫 吳興華 張蒙生

1.上海勘測設計研究院有限公司

2.中國三峽新能源（集團）股份有限公司

0 引言

隨著國內對新能源需求的快速增長，廣東、福建、浙江、上海、江蘇、遼寧等近岸海域海上風電增長迅速，且正在由近岸向深遠海發展。海上風電海纜溝開挖作業環節擾動水底產生的懸浮泥沙在水動力作用下輸移、擴散，加大了周邊水體懸浮泥沙的濃度，影響了海洋水環境質量和水生動植物的生存[1-3］，因此海底電纜敷設產生的施工懸浮泥沙擴散規律及對海洋生態環境的影響是海上風電項目環境影響評價關注的重點之一，而懸浮泥沙源強（單位時間產生的懸浮泥沙質量）則是研究的基礎[4］。

由于現場觀測所需人力物力較大，國內外對施工引起的懸浮泥沙現場觀測通常是通過挖泥船疏浚、泥沙傾倒和圍填海溢流來推算懸浮泥沙源強[5-9］，而對海纜敷設產生的懸浮泥沙源強通常采用式（1）經驗公式[10］：

式中：Q為海纜敷設產生的懸浮泥沙源強（kg/h）；T為海纜溝開挖效率（m3/h），由開挖橫截面積、開挖深度和開挖速度相乘得到；γd為底質中顆粒物干密度（kg/m3），可采用《海港水文規范》（JTS 145-2-2013）中推薦公式γd= 1 750d0.18350進行計算；α為底質中顆粒物進入海水中的比例（%），即懸浮泥沙起懸比。

懸浮泥沙起懸比主要與施工擾動強度（如施工方式和施工機械）、底質粒徑有關，目前國內外研究中對海纜敷設懸浮泥沙起懸比的選取尚無實測數據支撐，水力沖射法埋設海纜時起懸比一般采用15%~20%。

本文以江蘇大豐300 MW、廣東陽江300 MW 海上風電項目為例，在海纜敷設時觀測海纜溝附近的濁度，通過濁度標定得到懸浮泥沙濃度，再算出懸浮泥沙源強，最后通過上述經驗公式反推出懸浮泥沙起懸比。

1 研究區域和施工方式概況

江蘇大豐300 MW海上風電項目位于江蘇大豐區毛竹沙北側海域，場址中心離岸距離72 km，水深7.5~20.9 m（1 985 高程，下同）,海域表層沉積物平均中值粒徑約0.11 mm，干容重1 169 kg/m3。

廣東陽江300 MW 海上風電項目位于廣東陽西沙扒鎮海域，場址中心離岸距離28 km，水深27~30 m，海域表層沉積物平均中值粒徑0.011 mm，干容重767 kg/m3。

海底管道或管線電纜敷設最常用的兩種施工方法為開溝法和水力沖射法。開溝法即一邊開挖基槽，一邊埋管敷設和覆土回填，通常采用抓斗式挖泥船進行施工，所挖土方置于泥駁上，開挖完成后鋪管船鋪管，鋪管完成后再用抓斗挖泥船將泥駁中的土方進行回填。水力沖射法則是施工過程中由施工船舶牽引水力挖溝機，依靠沖射水流破除管道附近的土層或將土體液化，該過程中，挖溝機上的高壓水泵提供動力，噴射沖刷形成所需要的溝形和溝深，已鋪設于海底的管道可靠自重落入溝底，底泥則在水流和波浪的作用下自然回填。開溝法雖簡單，但開挖面積大，適用于近岸淺水區，水力沖射法則適用于離岸區。江蘇大豐和廣東陽江海上風電項目均位于離岸區域，故采用水力沖射法敷設海底電纜，因此本文研究水力沖射法對海底電纜敷設產生的懸浮泥沙的影響。海纜水下敷設實景圖見圖1。

圖1 海纜水下敷設實景圖

海上風電海纜溝剖面一般為倒梯形，敷設深度通常在泥面2~3 m 以下，敷設速度3~5 m/min。根據海纜施工方案，江蘇大豐海纜埋深約2.5 m、開溝橫截面積1.5 m2、敷纜速度3 m/min、海纜溝開挖效率4.5 m3/min，廣東陽江海纜埋深3 m、開溝橫截面積1.2 m2、敷設速度5 m/min，海纜溝開挖效率6 m3/min。

2 懸浮泥沙濃度實測方法

由于海纜敷設為線性工程，敷設速度較快，無法做到定點采樣，因此項目采用光學方法采集海纜溝附近水體濁度信號，對濁度信號進行標定后轉化為懸浮泥沙濃度。濁度儀型號為AQUAlogger310TY，采用光學后向散射傳感器，量程大于10 000 FTU，耐壓大于1 000 m，見圖2。將濁度儀固定在開溝犁底層靠近海纜溝位置（見圖3），采樣時間間隔30 min，每次采樣設4個平行樣，直至該段海纜施工結束。

圖2 AQUAlogger310TY 濁度儀

圖3 濁度儀安裝位置示意圖

濁度儀得到的數值是水體懸浮顆粒濁度值，經標定后才能得到水體實際懸沙濃度。懸沙濃度標定可為分室內標定和現場標定兩種[11］，現場標定是把濁度儀現場記錄的濁度數據與同一水層同步采集的懸沙濃度相對應，再對濁度進行標定。但由于海纜敷設速度快，現場不具備采集同層水樣的條件，因此項目采用室內標定方法。

室內標定是在標定槽內放一定量的清水，把采集到的海域底質淤泥分多次加入到清水中并不斷攪動，使懸沙濃度逐漸增大。從清水開始，觀測均勻混合后濁度（時間間隔為10 s），待讀數穩定后記下連續6個濁度數值。記錄的每一組濁度值有一定的波動，為減小相對誤差，對每組濁度值進行算術平均，取此時濁度儀傳感器附近水樣500 ml，隨濁度增加進行數次同樣操作。

取得的懸沙水樣用45 μm 濾膜過濾，分離出懸沙，用蒸餾水漂洗，烘干后稱重。由濾膜上沉淀物的總質量除以被濾去的水體積計算懸沙濃度，把得到的每一組的濁度算術平均值與對應的每一組懸沙濃度值進行分析，得到濁度儀室內標定曲線，見圖4 和圖5。從標定結果看，室內標定R 值在0.8 以上，可用于懸沙濃度計算。

圖4 大豐海域濁度與懸浮物濃度關系

圖5 陽江海域濁度與懸浮物濃度關系

3 結果與討論

根據現場濁度觀測結果，江蘇大豐300 MW海上風電項目海纜敷設時海纜溝附近濁度在3 600~4 900 FTU之間，廣東陽江在4 200~6 000 FTU之間。根據濁度結果和室內標定曲線，大豐和陽江海域海纜溝附近懸浮泥沙濃度平均值分別為7.4 kg/m3和8.3 kg/m3。

大豐和陽江兩個項目施工現場采用的高壓水泵流量約52 m3/min（0.87 m3/s），根據上述懸浮泥沙濃度觀測結果，計算得到懸浮泥沙源強分別為7.4 kg/m3×0.87 m3/s=6.44 kg/s 和8.3 kg/m3×0.87 m3/s=7.22 kg/s，海纜溝開挖效率為4.5 m3/min和5 m3/min，表層沉積物干容重為1 169 kg/m3和767 kg/m3，根據經驗公式（1）推算出懸浮泥沙起懸比為7.3%和9.4%。

類比現有的研究成果，如顧恩慧和彭姱容[12］在計算底質中值粒徑為0.004 9~0.014 7 mm 的淤泥質海域電纜敷設懸浮泥沙源強時取懸浮泥沙起懸比20%、李曉燕等[13］在計算射陽300 MW 海上風電（海域底質平均中值粒徑約0.01mm）海纜敷設時起懸比20%、張震[14］在海底纜線工程對海洋環境的影響及對策研究中起懸比15%、錢利紅[15］的20%，可見在采用水力沖射法埋設海底電纜或光纜時，現有的研究懸浮泥沙起懸比一般采用15%~20%，無相關實測依據，未考慮底質粒徑的影響。

4 結語

通過濁度儀觀測水體懸浮顆粒濁度值并進行室內標定試驗，可實現海纜開溝產生的懸浮泥沙濃度的實時監測，將懸浮泥沙濃度實測值與噴射水流量相乘即可得到懸浮泥沙源強，再通過經驗公式。反推出懸浮泥沙起懸比這一重要參數。結果顯示，在底質粒徑0.011~0.11 mm 的粉砂質或淤泥質海域，采用水力沖射法進行海纜敷設產生的懸浮物起懸比在7%~10%之間。

該結論可用于粉砂質或淤泥質海域采用水力沖射法施工的海底光纜、電纜敷設項目的環境影響評價、保護設施設計，也可用于開挖、設備的比選或改進等。