海上風電場樁基基礎對水動力特征的影響

張 曉 張 琴 陳命男

上海勘測設計研究院有限公司

0 概述

隨著傳統能源煤、石油等的日益枯竭，可再生能源尤其是風能的開發在我國顯得越來越重要[1]。伴隨風力發電近十年的高速發展，我國風電場建設逐漸由陸上轉向大規模海上風電開發[2]。目前的研究多集中于水流、波浪對海上風電樁基基礎的影響及基礎結構優化設計上，如趙雁飛[3]、張慶河[4]等利用數值模擬的方法，對樁基周圍的局部沖刷進行了模擬，為風電基礎結構的優化設計提供一定的參考依據；潘祖興等[5]針對四腿桁架式海上風機基礎結構優化設計，建立了一種多準則多參數結構優化策略與方法，提高結構優化效率；張明生等[6]采用模型試驗和有限元軟件數值方法，分析了基礎的長徑比、沖刷和波浪荷載作用對基礎的承載特性的影響。海上風電場的建設，必定會對其周圍海域的水沙運動狀況產生影響，引起樁基基礎局部沖淤，并可能打破海床動態平衡狀態。水動力條件作為泥沙搬運和地形演變的基礎，清晰認識大規模海上風電建設前后的水動力條件變化十分必要。

本文以廣東省陽江市某海上風電場為例，利用MIKE21 FM 模型計算了風電場建設前后工程海域的潮汐、潮流，系統分析了大規模海上風電場引起的水動力特征變化，以期為今后的海上風電場工程建設提供參考和依據。

1 數學模型

1.1 基本方程

本海上風電場所處海域屬寬淺型海域，采用二維模型進行求解。MIKE21FM 水動力模型適用于河流、湖泊、海洋及河口海岸地區的水動力模擬，被廣泛運用于潮流、波浪、風暴潮等水動力現象的研究[7]。其控制方程為：

式中：ζ為水位；h是基準面到床面的距離；H=h+ζ，即總水深；u、v 分別為x、y 方向垂向平均流速；g為重力加速度；f是柯氏力系數；、為紊動渦粘系數。

1.2 計算區域及模型設置

通過大、小兩層計算域嵌套模擬該海域的潮流場，大、小模型范圍分別如圖1和圖2所示。為精準模擬風機基礎周圍的潮流流態，根據樁基基礎型式，以阻水面積基本相當為原則，將每個風機樁基礎概化成1個邊長5 m×5 m的不透水矩形單元，基礎周圍網格尺寸為10～15 m，時間步長取10 s。海上風電場海域采用實測的水下地形資料，初始條件以零啟動的形式給出，閉邊界采用不可入條件。大模型采用全球潮汐模型計算提供的潮位邊界，小模型潮位開邊界由大模型計算結果提供。

圖1 大模型范圍圖

圖2 小模型范圍圖

1.3 數學模型率定

利用2015年2月和2015年7月在風電場附近區域開展的水文測驗的潮流實測數據和實測潮位資料對模型進行率定驗證（點位見圖3）。限于篇幅，本文僅列出部分點位的驗證結果，潮位率定驗證結果見圖4，流速、流向率定驗證結果見圖5。

從率定結果看，潮位及流速、流向計算結果與實際情況吻合較好，模型模擬結果基本能復演計算區域水動力特征，可用于工程水文動力影響的預測。

2 海上風電工程對水動力特征的影響

2.1 對高低潮位的影響

圖6 給出了工程前后海域大潮高、低潮位變化。可見，漲潮時，由于風機基礎的阻水作用，風機基礎背水側高潮位減小，迎水側高潮位增大；落潮時風機基礎背水側低潮位減小，迎水側低潮位略有增大。工程后海域高、低潮位以減小為主，且風電場工程的建設對工程區附近及周圍海域的潮位影響均較小，工程區附近高低潮位潮差變化幅度小于1 mm。

圖3 2015年2月和7月水文測驗站位置示意圖

圖4 潮位率定結果

圖5 流速流向率定結果

圖6 大潮高、低潮位變化

2.2 對流速流向的影響

圖7和圖8給出了工程前后漲、落潮平均流速、流向變化分布。由圖7 和圖8 可以看出，風電場建設對海域的潮流影響主要集中在工程區域，離風電場工程區越遠，對潮流影響越小。工程后在風機基礎周圍流速發生明顯變化，表現在漲落潮流方向（風機基礎背水面）流速有所減小，而垂直于漲落潮流方向（風機基礎兩側）流速有所增大。工程前后平均流速變化幅度基本在0.05 m/s左右，風機樁基基礎附近的最大流速變幅在0.1 m/s 左右，而風電場周邊海域流速變化幅度約在0.01 m/s 以下。工程海域流向變化較小。

圖7 風電場建成前后工程海域漲落潮平均流速差

圖8 漲落潮平均流向變化

為進一步分析風電場工程前后對工程區及周邊海域潮流場的影響，在風電場周圍布置了一系列典型代表點（見圖9）以分析工程前后的潮位和流速變化情況，其中，T1～T32號點主要用于分析風電場工程海域潮流流態的影響，D1～D11號點主要用于分析風電場工程周邊海域潮流流態的影響。

圖9 流速分析點

表1 工程前后工程海域大潮漲潮、落潮平均流速變化

表2 工程前后工程周邊海域大潮漲潮、落潮平均流速變化

本文僅給出部分典型代表點工程前后的大潮漲落潮平均流速的變化。根據表1，風電場海域工程前后漲、落潮流速最大變化率小于5%，流向變化幅度不超過1°。根據表2，風電場周邊海域工程前后漲、落潮流速變化率最大為0.5%，平均流速變化率為0.2%，流向變化幅度在0.2°以下。

總體上，工程前后風電場內部的流速有所變化，以流速減小為主，平均流速變幅在0.05 m/s 左右，平均流速變化率為4%，潮流流向變化幅度基本小于1°。風電場工程的建設對風電場周邊海域潮流特性影響甚小，周邊海域流速變幅基本在0.5%以內，流向變化不超過0.2°。

3 結論

運用MIKE21 FM 水動力模型對海上風電工程前后潮汐潮流變化進行了數值模擬計算，分析了海上風電工程引起的海域水動力特征變化。結果表明，海上風電場樁基基礎對工程海域潮位和流向影響不大；工程后樁基基礎周圍流速發生明顯變化，表現在漲落潮流方向（風機基礎背水面）流速有所減小，而垂直于漲落潮流方向（風機基礎兩側）流速有所增大，但是流速變化幅度較小，且工程對水動力特征的影響局限于風電場區附近海域。