海上風(fēng)機(jī)對(duì)潮間帶地形變化影響的定量遙感監(jiān)測(cè)研究

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)機(jī);潮間帶;定量遙感;沖淤變化

0 引言

海上風(fēng)電具有清潔低碳、靠近沿海地區(qū)用電負(fù)荷側(cè)、消納方便等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要作用日益凸顯，發(fā)展海上風(fēng)電被視為我國(guó)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要戰(zhàn)略支撐。江蘇近海海域廣闊，海底地形平坦，近海潮間帶和近海海域80m 高度的平均風(fēng)速約為7.5m/s[1]，風(fēng)能資源豐富，海上風(fēng)能開(kāi)發(fā)利用潛力巨大。江蘇如東、大豐、東臺(tái)、射陽(yáng)和啟東等沿海地區(qū)具備良好的風(fēng)能資源開(kāi)發(fā)利用條件，已成為我國(guó)海上風(fēng)電發(fā)展的重點(diǎn)區(qū)域。

海上風(fēng)電發(fā)展在促進(jìn)綠色能源發(fā)展的同時(shí)，風(fēng)機(jī)建設(shè)不可避免地影響淺海的潮流運(yùn)動(dòng)和泥沙輸運(yùn)狀態(tài)，不僅導(dǎo)致風(fēng)機(jī)基樁周圍產(chǎn)生侵蝕或沉積，而且對(duì)潮間帶地形沖淤產(chǎn)生影響，進(jìn)而可能影響潮間帶的沙體穩(wěn)定和生境變化。

潮間帶沙體的形態(tài)變化是長(zhǎng)期、動(dòng)態(tài)的調(diào)整過(guò)程。目前對(duì)海上風(fēng)機(jī)建設(shè)引起的潮間帶動(dòng)態(tài)變化的分析主要采用海洋數(shù)值模型模擬方法[2]，該方法根據(jù)假設(shè)的不同動(dòng)力情境，給出初始狀況和極限狀況下風(fēng)機(jī)引起的潮間帶沖淤狀態(tài)。例如：根據(jù)江蘇華能如東潮間帶風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目的水動(dòng)力模擬結(jié)果，潮間帶風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)的預(yù)計(jì)侵蝕深度為5.93～9.15m，沖刷坑的最大半徑為12.64～17.90m。但數(shù)值模擬方法無(wú)法給出潮間帶沖淤的實(shí)際狀態(tài)及變化過(guò)程，從空間分析的角度來(lái)看，DEM 為潮間帶沙體的動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)提供理想的解決方案[3-4]。對(duì)比水下多波束測(cè)深、航空立體攝影測(cè)量、LiDAR測(cè)量等方法，多光譜衛(wèi)星遙感提供安全且高效的淤泥質(zhì)潮灘DEM 構(gòu)建方法[5-6]，通過(guò)對(duì)不同潮期遙感影像的水位線（代表陸海邊界）時(shí)間序列進(jìn)行插值，可利用常規(guī)的水邊線方法快速構(gòu)建潮間帶沙洲D(zhuǎn)EM，并顯示其表面起伏狀態(tài)[7-9]。然而采用常規(guī)的水邊線方法構(gòu)建的潮灘DEM，無(wú)論是在灘涂地形細(xì)節(jié)的表達(dá)上，還是在解釋小目標(biāo)（如海上風(fēng)機(jī)）引起的地形變化上，都存在一些不足。

針對(duì)潮間帶風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)對(duì)潮間帶灘涂穩(wěn)定性的影響分析，本研究提出假想沙體表面判別法，從單時(shí)相DEM 中定量估計(jì)海上風(fēng)機(jī)建設(shè)引起的潮間帶地形變化，分析海上風(fēng)機(jī)建設(shè)及運(yùn)行對(duì)近海沙體地形沖淤變化的貢獻(xiàn)率和貢獻(xiàn)方式，并基于增強(qiáng)型水邊線法構(gòu)建的多時(shí)相潮間帶DEM，開(kāi)展潮間帶灘涂沖淤變化影響海上風(fēng)機(jī)安全性和穩(wěn)定性的定量評(píng)估。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)

研究區(qū)為江蘇蔣家沙、竹根沙（簡(jiǎn)稱“兩沙”）海域，位于江蘇沿海輻射沙洲的核心區(qū)（圖1）。“兩沙”海域位于以弶港為中心向東的分界線兩側(cè)，以北側(cè)為主，沙體運(yùn)動(dòng)變化大，大型潮溝擺動(dòng)明顯。沿岸潮流呈現(xiàn)往復(fù)特征，泥沙呈現(xiàn)橫、縱向運(yùn)輸。在潮流控制下，冬季潮灘侵蝕特征較為明顯。輻射沙洲區(qū)域作為江蘇岸外重要的巨型沙體，受沿岸水動(dòng)力環(huán)境、人類活動(dòng)等諸多因素影響，整體變化強(qiáng)烈。

根據(jù)影像數(shù)據(jù)質(zhì)量以及影像成像時(shí)刻的潮位情況，本研究收集2014年和2018年覆蓋“兩沙”海域的中高分辨率衛(wèi)星遙感影像83景。影像數(shù)據(jù)類型為美國(guó)陸地衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)Landsat8OLI（空間分辨率為30 m）、歐洲哨兵衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)Sentinel-2（空間分辨率為15m）和國(guó)產(chǎn)GF-1號(hào)衛(wèi)星重采樣遙感數(shù)據(jù)（空間分辨率為16m）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 風(fēng)機(jī)點(diǎn)位

從2018年的高分辨率衛(wèi)星遙感影像中提取“兩沙”海域內(nèi)84個(gè)風(fēng)機(jī)的點(diǎn)位信息，這些風(fēng)機(jī)點(diǎn)位分為8排，其中7排位于蔣家沙、1排位于八仙角（圖2）。有49個(gè)風(fēng)機(jī)點(diǎn)位同時(shí)位于2014年和2018年的潮間帶區(qū)域，可用于定量分析風(fēng)機(jī)建設(shè)對(duì)潮間帶灘涂沖淤的影響。其他35個(gè)風(fēng)機(jī)點(diǎn)位中，一部分2014年位于深槽，2018年位于潮間帶淺灘，表明這些風(fēng)機(jī)點(diǎn)位的地形發(fā)生明顯的淤積;另一部分2014年位于潮間帶淺灘，2018年位于深槽，表明這些風(fēng)機(jī)點(diǎn)位的地形發(fā)生明顯的沖刷。這種沖淤作用主要是由潮溝擺動(dòng)和沙體移動(dòng)造成的，因此這些點(diǎn)位可用于評(píng)估沙體動(dòng)態(tài)變化對(duì)風(fēng)機(jī)可能造成的影響。

1.2.2 評(píng)估方法

潮間帶灘涂上如果沒(méi)有建設(shè)海上風(fēng)電機(jī)組，在自然狀況下，灘涂本身會(huì)產(chǎn)生沙體的平面位置移動(dòng)以及沙體的垂向沖淤變化。但在海上風(fēng)電機(jī)組建設(shè)后，潮流和波浪引起的水體粒子運(yùn)動(dòng)會(huì)受到顯著的影響，因而風(fēng)電機(jī)組建設(shè)本身也會(huì)對(duì)潮間帶灘涂的沖淤產(chǎn)生貢獻(xiàn)。通常情況下，風(fēng)機(jī)樁基周圍的流態(tài)表現(xiàn)為：①在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的前方形成馬蹄渦;②在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的背流處形成渦流（卡門渦街）;③在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的兩側(cè)流線形成收縮（圖3）。這種局部流態(tài)的改變會(huì)增加水流對(duì)底床的剪切應(yīng)力，從而提高水流挾沙能力。如果潮間帶是易受侵蝕的，水體挾沙能力提高的結(jié)果是在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)局部區(qū)域形成沖刷坑，導(dǎo)致在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)附近產(chǎn)生局部沖刷。

海上風(fēng)電機(jī)組建設(shè)對(duì)沙體沖淤的附加影響是加快沙體沖刷或沙體淤積，可通過(guò)風(fēng)機(jī)建設(shè)前后的風(fēng)機(jī)點(diǎn)位高程與周圍地形高程之間的對(duì)比來(lái)定量分析。為定量評(píng)估風(fēng)機(jī)建設(shè)引起的灘面沖淤量，基于增強(qiáng)型水邊線法（EWM）構(gòu)建高精度潮間帶DEM。以遙感構(gòu)建的2014年DEM 作為風(fēng)機(jī)建設(shè)前的基礎(chǔ)地形，以2018年DEM 作為風(fēng)機(jī)建設(shè)后的實(shí)際地形，根據(jù)風(fēng)機(jī)建設(shè)前后的地形變化對(duì)比，分析風(fēng)機(jī)建設(shè)與地形沖淤之間的相互影響（圖4）。

主要計(jì)算方法包括2 種。① 單DEM 法，即用1個(gè)年份的DEM 計(jì)算。D1 為風(fēng)機(jī)建設(shè)后T2年的實(shí)際灘面高程，D 為無(wú)風(fēng)機(jī)狀況下T2 年的假想灘面高程，風(fēng)機(jī)建設(shè)引起的灘面沖淤高度H =D -D1。②DEM 差值法，即用2 個(gè)年份的DEM 差值計(jì)算。H1為風(fēng)機(jī)點(diǎn)位在2個(gè)年度的實(shí)際灘面高程差，H2 為無(wú)風(fēng)機(jī)狀況下的假想灘面高程差，風(fēng)機(jī)建設(shè)引起的灘面沖淤高度H =H1-H2（圖5）。

無(wú)論采用哪種計(jì)算方法，計(jì)算風(fēng)機(jī)建設(shè)引起的灘面沖淤高度的關(guān)鍵是得到T2年無(wú)風(fēng)機(jī)狀況下的假想灘面高程。假定在沒(méi)有風(fēng)機(jī)的情況下，風(fēng)機(jī)點(diǎn)位的地形變化用點(diǎn)位周圍地形的平均值代替，可以風(fēng)機(jī)點(diǎn)位為中心，取不同窗口尺度（R1，R2，…，Rn），并求取各窗口內(nèi)DEM 高程的平均值，即該風(fēng)機(jī)點(diǎn)位在無(wú)風(fēng)機(jī)狀況下的假想灘面高程。由于“兩沙”海域現(xiàn)有風(fēng)機(jī)之間的最短距離約為480m，平滑處理窗口尺度不應(yīng)大于480m（圖6）。

1.2.3 判定標(biāo)準(zhǔn)

以年均灘面沖淤高度作為判定標(biāo)準(zhǔn)，判定沖淤?gòu)?qiáng)度等級(jí)。根據(jù)遙感DEM 模擬誤差、“兩沙”海域潮間帶平均高程變化范圍以及潮間帶高程標(biāo)準(zhǔn)差，以40cm 間隔作為分級(jí)指標(biāo)（表1）。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 單DEM 法

以遙感構(gòu)建的2018年“兩沙”海域DEM 為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計(jì)算各風(fēng)機(jī)點(diǎn)位在不同窗口尺寸下的平均假想灘面高程。根據(jù)不同窗口尺寸下假想灘面高程的互相關(guān)分析，制作互相關(guān)關(guān)系擬合曲線。隨著參與假想灘面高程計(jì)算的DEM 網(wǎng)格數(shù)量的增加，各尺寸窗口的相關(guān)系數(shù)呈冪函數(shù)關(guān)系下降，其中120m 和150m 窗口的相關(guān)系數(shù)處于互相關(guān)關(guān)系曲線的第一個(gè)極小值點(diǎn)位置。到240m 窗口的相關(guān)系數(shù)有所增加，然后300m 和480m 窗口的相關(guān)系數(shù)又呈冪函數(shù)關(guān)系下降。總體來(lái)看，小于150m 窗口計(jì)算得到的假想灘面高程之間的相關(guān)系數(shù)大于0.8，整體相關(guān)性很高。考慮到窗口尺寸越大，地形平滑效果越明顯，從而降低風(fēng)機(jī)基樁小范圍的微地形起伏效應(yīng)，因此選擇120m 作為風(fēng)機(jī)點(diǎn)位假想灘面高程的最大計(jì)算范圍，取45～120m 窗口的平均灘面高程作為無(wú)風(fēng)機(jī)狀態(tài)下的假想灘面高程是合理的方案。此外，海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)的單機(jī)用海直徑與120m 相近，此窗口尺寸具有一定的參考價(jià)值和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2.2 DEM 差值法

利用遙感構(gòu)建的2014年和2018年“兩沙”海域DEM 為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分別計(jì)算各風(fēng)機(jī)點(diǎn)位在不同窗口尺寸下的2014年平均實(shí)際灘面高程和2018年的平均假想灘面高程，從而得到各窗口尺寸下2個(gè)時(shí)相的平均灘面高程差。制作不同窗口尺寸下平均灘面高程差的相關(guān)曲線，并以45m 窗口的相關(guān)曲線為代表進(jìn)行擬合。相關(guān)系數(shù)隨著窗口尺寸的增大以冪函數(shù)的方式遞減，在小于120m 的窗口尺寸下相關(guān)系數(shù)均大于0.8。相比之下，DEM 差值法在75m 和120m 窗口下的相關(guān)系數(shù)振蕩性稍大于單DEM 法。

2.3 模擬結(jié)果對(duì)比

經(jīng)對(duì)比，2種計(jì)算方法的模擬結(jié)果顯示高度的一致性。個(gè)別風(fēng)機(jī)點(diǎn)位（如JJS-4-4）正好位于2014年DEM 和2018年DEM 的邊緣（圖7），導(dǎo)致在75m 和120m 窗口下的假想灘面高程計(jì)算結(jié)果與其他窗口尺寸有較大差別，從而造成DEM 差值法計(jì)算的風(fēng)機(jī)建設(shè)引起的灘面沖淤高度偏大。

綜合來(lái)看，在絕大多數(shù)風(fēng)機(jī)點(diǎn)位上，2種計(jì)算方法得到的灘面沖淤高度模擬結(jié)果非常接近，表明2種方法的計(jì)算具有穩(wěn)定性。但當(dāng)2個(gè)年份地形變化較大，尤其當(dāng)風(fēng)機(jī)位于潮溝邊緣區(qū)或?yàn)┟娉睖蠑[動(dòng)區(qū)時(shí)，DEM 差值法模擬的灘面沖淤高度偏大。因此，在研究中應(yīng)選取單DEM 法的模擬結(jié)果，作為分析風(fēng)機(jī)建設(shè)引起灘面沖淤變化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果分析

根據(jù)單DEM 法的模擬結(jié)果，本研究統(tǒng)計(jì)“兩沙”海域潮間帶由風(fēng)機(jī)建設(shè)引起的灘面沖淤情況。在49個(gè)潮間帶風(fēng)機(jī)點(diǎn)位中，4個(gè)風(fēng)機(jī)點(diǎn)位為強(qiáng)侵蝕，5個(gè)風(fēng)機(jī)點(diǎn)位為弱侵蝕，36個(gè)風(fēng)機(jī)點(diǎn)位為沖淤平衡，4個(gè)風(fēng)機(jī)點(diǎn)位為弱淤長(zhǎng)（圖8）。

引起灘面強(qiáng)侵蝕的風(fēng)機(jī)均位于潮間帶灘涂的小型潮溝內(nèi)，潮溝兩側(cè)的灘面高程基本屬于潮間帶高程的最高位置，風(fēng)機(jī)所在的潮溝下切較深，且與周圍灘涂的高差較大。引起灘面弱侵蝕的風(fēng)機(jī)所在的潮溝相對(duì)寬平，且與周圍灘涂的高差不大。由于潮間帶灘涂具有快速動(dòng)態(tài)變化的特性，灘面小型潮溝一直在生成、消亡和擺動(dòng)，對(duì)風(fēng)機(jī)穩(wěn)定性的影響較小。灘面沖淤平衡的風(fēng)機(jī)基本位于潮間帶的非潮溝區(qū)域，平均灘面沖淤高度為1.08cm，灘涂地形起伏不大，風(fēng)機(jī)基樁對(duì)灘面水流阻滯以及水流攜帶泥沙輸運(yùn)或落淤的影響較小。引起灘面弱淤長(zhǎng)的風(fēng)機(jī)主要位于潮間帶高程的較高位置，且周圍灘涂相對(duì)較低，可見(jiàn)風(fēng)機(jī)基樁的存在使風(fēng)機(jī)點(diǎn)位灘面小幅淤高。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究提出假想沙體表面判別法，從單時(shí)相DEM 中定量估計(jì)海上風(fēng)機(jī)建設(shè)引起的潮間帶地形變化，分析海上風(fēng)機(jī)建設(shè)對(duì)近海沙體地形沖淤變化的影響，并基于增強(qiáng)型水邊線法構(gòu)建的多時(shí)相潮間帶DEM，開(kāi)展潮間帶灘涂沖淤變化對(duì)海上風(fēng)機(jī)安全性和穩(wěn)定性影響的定量評(píng)估。研究結(jié)果表明：“兩沙”海域大部分風(fēng)機(jī)建設(shè)引起的灘面沖淤高度為-20～20cm，處于沖淤平衡狀態(tài)，僅有不到20%的風(fēng)機(jī)點(diǎn)位發(fā)生侵蝕。在風(fēng)機(jī)建設(shè)初期，風(fēng)機(jī)機(jī)組對(duì)潮間帶沖淤的影響總體不大，但風(fēng)機(jī)建設(shè)引起潮間帶沖淤的累積效應(yīng)還需要進(jìn)一步的長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)。