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

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(jì)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(diǎn)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和科研實(shí)力的加強(qiáng)，海上風(fēng)電呈現(xiàn)出離岸化和深海化的趨勢，預(yù)計(jì)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(diǎn)。

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(diǎn)在不同的作業(yè)點(diǎn)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(diǎn)源進(jìn)行海纜敷設(shè)懸浮物預(yù)測與實(shí)際情況差異較大，無法反映出真實(shí)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(shí)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(xiàng)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。勘察期間水深在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(xiàng)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(yùn)動方程：

(2)

(3)

2.2 計(jì)算區(qū)域與網(wǎng)格

工程二維潮流數(shù)值模型計(jì)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(jì)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(jì)算網(wǎng)格尺寸為10～100 m，如圖1所示。

2.3 水動力計(jì)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(shí)測大、中、小潮期間的實(shí)測數(shù)據(jù)，對水動力模型進(jìn)行了驗(yàn)證。經(jīng)驗(yàn)證后海纜敷設(shè)區(qū)大潮漲急時(shí)刻工程區(qū)流速約為0.93 m/s，落急時(shí)刻流速約為0.96 m/s；小潮時(shí)，風(fēng)電場區(qū)漲急流速約為0.66 m/s，落急時(shí)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(yùn)，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(xiàng)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(xiàng)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(jì)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(jì)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(xiàng)目類比，起沙率取保守值15%。經(jīng)計(jì)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(diǎn)源的方式進(jìn)行處理。

4 計(jì)算結(jié)果分析

最終計(jì)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。總體而言，小潮期間施工懸浮物的影響范圍大于大潮施工，主要因?yàn)樾〕逼陂g水動力較弱，懸浮泥沙不易稀釋擴(kuò)散，容易在短時(shí)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(diǎn)分析懸浮物濃度增量隨時(shí)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(shí)間約3.5小時(shí)，在距離海纜200 m處懸浮物增量超過10 mg/L的持續(xù)時(shí)間約2小時(shí)，在距離海纜1 000 m處懸浮物增量超過10 mg/L的持續(xù)時(shí)間約0.5小時(shí)，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(shí)間進(jìn)行了分析，在緊靠海纜的水域懸浮物影響持續(xù)時(shí)間約為3.5小時(shí)，距離海纜越遠(yuǎn)懸浮物影響持續(xù)時(shí)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(jì)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(shí)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(shí)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(shí)間計(jì)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。