江苏响水近海风电场对海洋水动力影响的数值模拟

祁昌军 ，吴王燕 ，蒋欣慰 ，王庆改

（1.环境保护部环境工程评估中心，北京 100012；2.国家环境保护环境影响评价数值模拟重点实验室，北京 100012；3.中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，浙江 杭州 310014）

0 引言

我国海上风电场的开发建设尚处于起步阶段，对海上风电场的设计、施工和运行尚缺乏经验。海上相比于陆地，其水文、气象和地质等环境因素复杂多变[1-2]，这给海上风电场的研究设计带来诸多难点和风险。目前常采用物理模型和数学模型两种手段来概化研究工程区域的水文、地形等环境因素。物理模型所需人力、物力和财力较大，且对大范围海域建模和复杂的海洋水文动力条件较难实现。在实际工程设计中，数值模拟方法则为一种经济、有效的科学手段[3]。

为合理有序开发海上资源，促进海上风电场工程的综合开发利用，有必要深入开展风电场所在海域的数值模拟研究，构建适合工程区域特性的潮流、波浪、泥沙、污染物扩散、溢油漂移等数学模型，为海上风电场工程研究设计和环境影响评价提供科学依据[4-5]。

本文以江苏响水近海风电场为例，采用数值模拟手段，建立江苏响水近海风电场水动力模型，在利用现场实测资料对模型进行充分验证的基础上，对该海域的潮流场进行数值模拟，分析了风电场实施后该海域水动力的变化情况，为同类工程设计和环境影响评价提供科学依据和参考。

1 水动力模型的建立

1.1 水动力控制方程

连续方程：

运动方程：

式中：η为水位；H为水深，H=h+η，h为海底到静止海面的距离；u，v分别为沿x，y方向的垂线平均流速分量；f为柯氏力系数，f=2ωsinφ，其中ω是地转角速度，φ是地理纬度；C为谢才系数，它与曼宁数M的关系为C=M×h1/6；t为时间；g为重力加速度。

方程（1）、（2）、（3）构成了求解潮流场的基本控制方程。

1.2 模型范围

风电场二维潮流模型呈NW—SE方向，模型共有NW、SE和NE 3个水边界及1个岸边界。NW边界至灌河河口，SE边界至废黄河口，NE边界至-15 m等深线，NW—SE方向长67 km，NE—SW方向宽31 km，模型范围约2077 km2。

1.3 计算网格

计算网格为非结构网格，采用有限体积解法[6-7]。该网格能够很好地模拟弯道或水上结构物周围区域的流场[8]。模型采用不同网格尺度，风电场区外的网格尺度约为500m；场区附近网格加密，网格尺度约为150 m；风机桩基附近最小网格尺度为8 m。所建数学模型网格节点数为18480个，单元总数为36450个。模型范围和网格划分如图1所示。

图1 计算范围和网格划分Fig.1 Computational area and grid

1.4 风机桩基概化

1.4.1 桩基形式

到目前为止，海上风机基础形式主要有桩基础、重力式基础、吸力式基础3种[9]。我国目前海上风电实验或示范项目的风机基础形式主要采用桩式基础。本文研究对象为三桩导管架基础，即用3根钢管桩定位于海底，呈正三角形均匀布设（图2）。

图2 三桩导管架基础示意图Fig.2 Sketch map of Jacket with three piles

1.4.2 桩基概化

三桩导管架基础不同于单桩基础，后者为整体，可直接概化。而三桩导管架基础竖立在海上，桩基阻水部分主要有桩基套筒、上支撑、下支撑和中间竖筒，各部分均以不同角度连接，中间过水。通过分析三桩导管架基础各阻水部分，将各部分阻水面积组合，利用阻水面积等效法，将三桩导管架基础概化为10.9m×10.9m的桩基。同时，考虑到风电场运行期，桩基上将安装防撞和防腐等设施，且运行期海洋生物可能会附着在基础上，使桩基阻水面增大。因此，将概化后的桩径乘1.2倍的放大系数，最终把风机基础概化为13m×13m的整体桩基。

大范围海域研究小尺度建筑物的影响范围及程度，一直是工程研究中的难点[10-11]。传统方法可归纳为间接模拟法和直接模拟法，前者一般采用等效模拟，通过等过水率、群墩系数、修正糙率附加糙率法、附加阻力等方法进行概化研究，其不足是各系数较难拟定及局部流态容易失真。而直接模拟法则在模型中将桩基等作为不透水建筑物进行直接模拟，效果较为直观逼真，但对建筑物附近的网格尺度要求很高。本文基于非结构网格，通过加密桩基周围网格将风机桩基概化为不透水单元，以保证计算精度[12-13]。采用编辑网格文件代码的方式，解决了大范围计算域生成小尺度网格的难点。

1.5 模型验证

本文利用2个潮位观测点和5个潮流观测点的实测资料率定所建水动力模型，各潮流、潮位观测点位置见图3，验证结果见图4～图6。限于篇幅，文中只给出了少数点的大潮潮位、流速、流向过程验证结果。

图3 风电场位置和水文测点Fig.3 Location of wind farm and measuring points

图4 大潮潮位过程验证Fig.4 Verification of tidal level in spring tide

图5 大潮流速过程验证Fig.5 Verification of tidal flow velocity in spring tide

图6 大潮流向过程验证Fig.6 Verification of tidal current direction in spring tide

验证结果表明，模型计算的大范围潮流场可以较真实地反映实际潮流运动，模拟值与实测值吻合较好，所建二维潮流数学模型可用来模拟风电场对附近海域的水动力影响。

2 模拟结果分析

2.1 流速变化

图7、图8为涨、落急流速变化的模拟结果。

图7 大潮涨急流速变化Fig.7 Flood rapid flow velocity of spring tide

图8 大潮落急流速变化Fig.8 Ebb rapid flow velocity of spring tide

由于风机基础的阻水掩护作用，涨落潮流方向桩基前后流速减小，桩基的迎水面和背水面均存在流速减小区域，但流速减小的幅度和范围随桩基所处的位置呈现相应的变化。桩基迎水面，流速减小的幅度超过0.05m/s的范围基本出现在桩前200m内；桩基背水面，流速减小的幅度超过0.05m/s的范围则相对较大，但基本出现在桩后800m内。

由于风机桩基的存在，涨、落潮流经过桩基时存在绕流现象，使得迎水面两侧流速均有所增大，但流速增大的幅度和范围比流速减小的幅度和范围小，流速增幅大于0.02m/s的范围基本在桩基两侧100m左右。

由模拟结果可知，风机桩基桩径有限，引起流速变化的幅度和范围也非常有限。风电场建成之后，对涨、落潮流场的影响主要集中在风机桩基周围水域，影响范围相当有限，对风电场外围周边海域的流场影响很小。

2.2 流向变化

图9、图10为大潮涨急桩基处流向变化的模拟结果（大潮落急结果也类似）。

图9 工程前桩基处大潮涨急流向图Fig.9 Flood rapid flow direction of spring tide at pile foundation before wind farm engineering

图10 工程后桩基处大潮涨急流向图Fig.10 Flood rapid flow direction of spring tide at pile foundation after wind farm engineering

分析可知，风电场实施后，桩基周围涨、落潮流向变化很小，变化范围在桩基周围70～80m左右，该范围内的流向变化幅度平均小于15°。

3 结语

本文建立了江苏响水近海风电场潮流数学模型，采用非结构网格和有限体积解法，在模型中将风机桩基概化为不透水单元，分析了风电场实施后对海域水动力的影响，研究结果表明：

1）模型计算值与实测值吻合较好，模拟的潮流场能客观反映实际潮流运动。

2）根据风机桩基实际尺寸，采用等效阻水面积法将桩基概化为不透水单元能较好地模拟风机桩基对潮流的影响，为非单桩风机基础的概化提供借鉴方法。

3）与风电场区海域面积相比，风机桩基占海面积很小，风机桩基桩径有限，引起流速变化的幅度和范围非常有限。风电场的实施对周围海域的流速、流向、潮位等水动力条件影响很小，影响主要在风机桩基附近。

4）在地形、边界和实测资料潮流、潮位资料可靠、充分的条件下，数值模拟可为海上工程环境影响评价提供量化数据，为客观分析工程建设对海洋水动力、水环境等影响提供科学依据。

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