海上风电及潮汐电站海洋水文设计浅析

徐 俊

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

文章编号：1006—2610(2015)01—0001—05

海上风电及潮汐电站海洋水文设计浅析

徐 俊

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

海洋水文为海洋工程规划、设计、施工、管理、运行、决策提供水文依据。海洋水文设计有关参数影响到建筑物类型的选择和结构计算,也影响工程的安全、运行、投资和效益。结合海上风电及潮汐电站水文设计方面的实践，对有关水文设计内涵和水文设计参数对工程的影响，以及设计需要注意的问题进行了分析和总结。

波浪要素；潮位；海流；极端高、低水位

海洋水文是为海洋工程规划、设计、施工、管理、运行、决策提供水文依据的学科。海洋水文设计有关参数往往会影响到建筑物类型的选择和结构计算,影响工程的安全、运行、投资和效益。随着国家经济实力的增强和国家能源战略计划的实施，以及清洁能源的开发需要，海上风电已经呈现大规模开发利用景象，潮汐发电也从试验、研究逐渐步入开发利用阶段。海上风电及潮汐电站与陆地风电和常规水电站水文设计相比，设计的内涵发生了较大变化，设计内容也更为复杂，工程经验也不像陆地水电工程丰富。此外，潮汐电站属于海洋工程和水力发电工程相结合的复合领域，目前还缺乏既满足海洋工程特性又符合水力发电特点的海洋发电工程的规程、规范，仅有《海港水文规范》(JTS145-2-2013)[1](以下简称《海港水文规范》)及水电设计水文规范。本文结合海上风电及潮汐电站(以下简称海洋发电工程)水文设计方面的实践，对有关海洋发电工程水文分析计算内涵和水文参数对工程的影响意义，以及海洋发电工程水文设计需要注意的问题等方面进行分析和总结。

1 水文分析计算研究范围和方法

目前,海洋发电工程水文分析计算研究的范围主要在海岸带和近海。研究海水运动(波浪、潮汐、海流等)、海水物理性质(温度、盐度、密度等)的变化规律和推算方法。主要是通过现场观测、理论分析和模型试验等手段进行。水文观测资料是研究的基础，观测须在不同天气条件、不同季节和不同潮汐情况下进行；理论分析是用流体力学和数学的基本原理来研究水文现象的变化规律，并提出理论模式和计算方法；模型试验则是模拟天然情况，复演历史变化过程并推演未来可能的发展过程。《海港水文规范》特别强调应以当地的水文观测资料为主要依据进行分析计算。主要包括：气象条件、海洋水文特征(波浪条件、潮汐特征、实测台风增、减水，海流、水温、盐度等)、潮位计算、波浪计算等。

海洋发电工程水文分析计算需要收集的资料有：① 气象站长期观测资料，如气温、降水、风速及风向、各风向平均、最大风速、各风向频率、相对湿度、日照、蒸发量与雾等;② 海洋站长期观测资料及工程场实测1 a的长期验潮站资料;③ 表层海水温度盐度、波浪、风;④ 台风年鉴等资料。

2 工作环境条件和极端环境条件

海洋发电工程所受海洋气象因素的影响往往比陆地复杂得多。除受风、海雾、强对流天气等，还受潮汐、海浪影响，甚至还有陆地洪水的影响。在《浅海固定平台建造与检验规范》(CCS 2003)和《海上固定平台入级与建造规范》(1992)都将环境条件分为工作环境条件和极端环境条件。前者指平台在施工和使用期间经常出现的环境条件，应以保证平台能正常施工和作业为标准。后者指平台在使用年限内，极少出现的恶劣环境条件，应以保证平台的安全为标准。

工作环境条件是进行海洋工程建设中有效地制定施工进度和较准确地把握工期的依据，也是海洋工程构筑物保证在常规海况下安全生产的依据。极端海洋环境条件是海洋发电工程设计荷载的依据,较准确地提供出海洋发电工程所在海域的极端环境参数，是既保证工程安全设计，又能控制其合理投资的关键因素。

3 设计内容及设计标准

3.1 设计潮位

各类涉海工程规划、设计和施工所依据的潮位称为设计潮位。按照《海港水文规范》规定，设计潮位应包括:设计高、低水位;极端高、低水位。设计水位是指港口、海岸及近海水工建筑物在正常使用条件下的高、低水位,在设计水位范围内，应保证在各种设计荷载条件下，满足结构以及地基基础的稳定与强度要求。极端水位是指非正常使用条件下的高、低水位,这种水位是由于寒潮、台风、低压、地震、海啸所造成的增减水与天文潮组合而成的，其重现期以几十年来计算。出现这种水位时，并不要求建筑物正常使用，但却要求在各种荷载作用下，各部分结构和地基仍有必要的安全度。

设计潮位是进行由深海波浪计算近海波浪的边界设计条件；极端高水位是确定近海风机检修平台底高程的主要依据，极端低水位主要用于水工建筑物结构设计。设计潮位直接关系到港口陆域和水工建筑物的高程，而且也影响到建筑物类型的选择和结构计算，以及工程的规模、等级和使用情况。

按照《海港水文规范》的规定，对于海岸港和潮汐作用明显的河口港，设计高水位应采用高潮累积频率10%的潮位或历时累积频率1%的潮位，设计低水位应采用低潮累积频率的90%潮位或历时累积频率98%的潮位。对于汛期潮汐作用不明显的河口港，设计高水位和设计低水位应分别采用多年的历时1%和98%的潮位。

《海港水文规范》规定，海港工程的极端高水位应采用重现期为50年的年极值高水位，极端低水位应采用重现期为50年的年极值低水位。

3.2 设计波浪要素

设计波浪应包括外海设计波浪及近岸区设计波浪(工程区设计波浪)。

设计波浪是设计各类涉海建筑物时所选用的波浪要素，包括波高、波周期、波长、波速。设计波浪包含2个方面:设计波浪的重现期标准和波列累积频率标准。前者是指波浪要素的长期(以数十年计)统计分布规律，主要反映建筑物的使用年限和重要性。后者是指在实际海面上不规则波列中的出现概率，代表波浪要素的短期(以十几分钟计)统计分布规律，主要反映波浪对不同类型建筑物的不同作用性质。

《海港水文规范》规定，在进行直墙式、墩柱式、桩基式和一般的斜坡式建筑物的强度和稳定性计算时，设计波浪的重现期应采用50 a。破坏后不致造成重大损失的斜坡式护岸等非重要建筑物，其设计波浪的重现期可采用25 a;对于大水深的重要建筑物，当重现期100 a的波高大于或等于重现期50 a的同一波列累积频率的波高1.15倍时，其设计波浪的重现期可采用100 a，且其极端高水位的重现期可相应调整为100 a。

设计波高的波列累积频率标准应按表1采用。当推算的波高大于浅水极限波高时，应采用极限波高。

表1 设计波高的累积频率标准表

3.3 海 流

海流是一种综合性流，是潮流、风海流、密度流、波流等各种类型海流的合成流动。在海岸和离岸工程中，有关场址选择、航道布置、水下管线布设、作用于水工建筑物上的水流力和船舶系靠力，以及泥沙的冲刷和淤积等问题均应考虑当地的海流状况。水流荷载是海岸海洋结构物的主要环境荷载之一,是地基基础承受的海流流动所产生的外部作用，是海岸海洋结构物的主要动力因素之一。海流设计参数是计算水流力的基础。

在工程上主要关心海流对海上结构物的作用，要求给出最大能流速和流向，以及流速、流向的分布特征。

3.4 海水温度、盐度

海水温度、盐度对工程材料选择和水下设备的性能产生影响，因此在海洋工程环境条件分析中，要求给出工程海域累年各月及年的表、底层海水温度、盐度的极值和平均值。其统计资料主要靠实测。

4 设计中需要注意的问题

4.1 设计潮位

4.1.1 设计高、低水位的计算

有实测资料的地区，在确定设计高、低水位，进行高、低潮累积频率以及潮位累积频率统计时，应有完整的1 a或多年的实测潮位资料。

对于新建工程地区，往往缺少1 a以上的实测潮汐资料。这种情况下，可以先进行时间长度不少于1个月的现场观测。可采用相关法和预报法2种方法计算水位。

相关法：在仅有短期观测资料的条件下，应对利用短期资料统计的结果进行订正。方法是利用短期资料，统计拟建工程设计高、低水位，统计与拟建工程潮汐性质基本一致的附近工程同样长度和时间的短期资料的设计高、低水位，求出两工程设计高、低水位相关关系。利用长期资料统计设计高、低水位和这个相关关系，将拟建工程短期资料统计的设计高、低水位，订正为准长期资料统计结果。

预报法根据1个月实测资料进行调和分析，求得该地区的潮汐调和常数，并结合附近工程的长周期分潮，进行为期1 a以上的潮汐预报，利用预报资料进行统计分析，求得设计高、低水位和乘潮水位。在满足设计急需的同时，继续进行现场实测，待完整资料取得后，再进行设计高、低水位的统计计算，并对利用预报值计算的结果进行相应调整。

4.1.2 设计潮位过程线

在水利水电工程的设计中，对潮位过程有一定的要求。特别是感潮地区河流的防洪排涝设计、工程的引排水设计，都需要一定标准的设计潮位过程线。此外在潮汐电站设计中，设计潮位过程线是水能计算必需具备的基本资料，是发电量计算、确定潮汐电站装机容量的基础。

假设高潮位与潮差同频率发生，用设计高潮位和设计涨、落潮差共同控制典型潮位过程的放大，就能使设计潮位过程的推求融入更多的信息，使设计潮位过程的高潮位、涨、落潮差同时达到预定的设计标准，也减小了设计潮位过程推求的任意性。具体计算时，在确定了设计高(低)潮位及其前后相邻的2个低(高)潮位后，可根据典型潮位过程线上各时刻高潮位与低潮位的差值占整个潮差的比例来推算设计潮位过程线各时刻相应数值，再加上设计潮位过程线相应的低潮位，即得到相应的设计潮位过程线。

在工程上具体计算还可用线性变换法进行计算。如，从1 a潮位资料中找出各累计频率的典型周期，并作相似化处理。以高潮和涨潮差为标准，在全年707个周期中找到的5%设计潮位典型过程特征，见表2。

表2 某站5%设计潮位典型过程特征表

由于所找的典型值与设计值存在差距，故对典型值作线性变换处理，使得高潮位和涨潮差2项数值与设计值完全相同，进而得到设计典型周期过程。

设高潮位的典型值、设计值为G1、G2，低潮位的典型值、设计值为D1、D2，涨潮差设计值为ΔH。

对G1、D1做线性变换得G2、D2，设伸缩系数为k，平移系数为b，则：

(1)

线性变换后，为使涨潮差与涨潮差的设计值相等，需满足：

G2-D2=ΔH

(2)

由式(1)、(2)解得：

(3)

代入数据解得各累计频率的k=1.008 219、b=-0.023 67。按照系数k、b，对实际值做线性变换，得到设计潮位过程，并保证高潮位和涨潮差与设计值相同，见表3。

表3 某站5%设计潮位过程表

4.1.3 极端高、低水位

(1) 有资料情况下

1) 有不少于连续20 a的年最高潮位和年最低潮位实测资料并应调查历史上出现的特殊水位的情况下，采用极值-Ⅰ型极值分布曲线或皮尔逊Ⅲ型曲线进行适线，得到其不同重现期高、低水位。

2) 对于有不少于连续5 a的年最高潮位和年最低潮位的工程,极端高水位和极端低水位可用极值同步差比法与附近有不少于连续20 a资料的工程或验潮站进行同步相关分析,计算不同重现期的年极值高潮位和年极值低潮位。

(2) 无资料情况下

对于极端高、低水位的确定，可以在求得设计高、低水位的基础上，参照《海港水文规范》“附录C极端水位的近似计算方法”,按式(4)近似计算极端高水位和极端低水位。

hj=hs±K

(4)

式中：hj,hs分别为极端高水位和极端低水位、设计高水位和设计低水位，但两者需同时采用高水位或低水位；K为常数,m;采用与《海港水文规范》中表c.0.4中潮汐性质、潮差大小、河流影响以及增减水影响都较相似的附近港口相应的数值，高水位时用“+”，低水位时用“-”。

4.2 设计波浪

波浪荷载是引起海工结构疲劳及断裂的主要荷载，波浪荷载的强度不仅取决于波高、波向等波浪要素、风场要素、水流条件和水域深度，而且还与结构的形式有关。分析和计算设计波浪，是计算海洋结构物作用力的基础。

波浪资料不同，推求设计波浪的方法也不同。当海岸地区或其临近的海洋水文观测站积累有超过20 a的连续波浪观测资料时，可以用其特征波表示的波列组成样本，用概率分析法求得分布规律，再计算重现期设计波浪；当海岸地区或其附近没有海洋水文观测站，则可利用当地气象台站的风况观测资料或天气图，依据风要素与波要素的关系后报波浪要素，以此推算重现期的设计波浪。

4.2.1 外海设计波浪要素

推算外海波浪要素是工程设计中重要的前期工作。当工程所在地或其附近有较长期的波浪观测资料时，可根据对特定方向某一累积频率波高年极值序列的频率分析，确定不同重现期的设计波浪要素。但我国沿海很多新开发的地区缺乏长期波浪观测资料，实际工程设计中通常采用风资料推算工程海域的外海波浪要素，再推算浅水区的设计波浪要素。

(1) 由较长期的波浪观测资料计算

(2) 采用风资料推算外海波浪要素

根据收集到海洋站较长系列风速年极值资料，通过综合考虑高度订正、海陆订正及与邻近海洋站的风速比较确定历年分方向的年极值风速，按照P-Ⅲ型频率分析的方法计算各重现期设计风速，再根据设计风速推算外海波要素。

1) 设计风速计算

根据海洋站长系列的历年分方向的年极值风速资料，采用P-Ⅲ型频率分析计算设计风速，求得影响工程波浪主要方向各重现期设计风速成果。

2) 外海深水波要素计算

可采用《海港水文规范》推荐的海大法进行外海深水波要素计算。

式中：F为风区长度，m；Hs为有效波高，m；Ts为有效周期，s；v为风速，m/s；d为水深，m；g为重力加速度，m/s2。

根据影响工程波浪主要方向的设计风速计算结果，推算得到某一水深等深线处的外海波要素成果。

4.2.3 项目海域波浪计算

海浪从深水传至岸边的过程中，由于海底地形变化、底摩擦、障碍物和水流等各种因素的影响，波浪的形状、波高和波向将发生变化，形成人们常说的波浪折射、反射、绕射、破碎和能量耗散等一系列复杂现象。影响波浪量值和方向的因素主要是波浪的折射作用和浅水效应。

在近岸波浪数值模拟中，有多种波浪数值模型计算近岸波浪的传播变形，常用的有SWAN和MIKE21 BW等模型。利用波浪数值模型可对影响工程的波浪若干主要方向的折射、绕射和浅水效应进行计算,对拟定的各种不同水位和主要波向、不同重现期的设计波要素情况下的波浪场进行数值模拟。

SWAN(Simulating Waves Nearshore)模型属于第三代浅海海浪数值模型，由荷兰Delft大学土木工程系开发并维护。SWAN是适用于近岸海域、湖泊和河口的波浪数值模型，是国际上成熟、通用的海浪数值计算模式。SWAN模型能够模拟波浪绕射，不但适用于较大区域非定常的风浪场的计算，也可以用于较小区域定常条件下波浪场的推算。该模型在计算不规则波破碎时的精度高于其本身计算规则波破碎时的精度。建议在计算较大区域、波浪的浅水变形作用和反射不明显的区域使用。

MIKE21 BW是丹麦水力研究所(DanishHydrauliclnstitute，DHI)开发的应用较为广泛的平面二维数学模型，该模型可用于模拟任意地形或平面布置条件下的波浪运动过程，包括波浪的绕射、折射、反射、浅水变形以及它们之间的相互作用。该模型既适合于规则波也可以计算不规则波。该模型能综合反应波浪的折射、绕射、反射、破碎和浅水变形等一系列现象，特别时在最大水深与深水波长的比值小于0.22的情况下，在保证网格精度时，模型能准确模拟绕射、浅水变形和破碎的全过程。

5 结 语

海洋水文设计是海洋发电工程设计的基础，水文设计的参数往往会影响建筑物类型选择和结构计算，直接关系到工程的安全、投资及效益。对于海洋发电工程的水文分析计算，应以当地的水文观测资料为主要依据。

本文从专业的角度上浅析了海洋发电工程水文计算的主要研究范围和方法，介绍了海洋工程工作环境条件和极端环境条件，阐述了海洋发电工程水文主要设计内容及相应标准，提出了海洋工程水文设计需要注意的问题，希望能给工程设计人员提供一些经验及借鉴。

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Study on Marine Hydrology of Offshore Wind Energy Development and Tidal Power Plant

XU Jun

(POWERCHINA Xibei Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China)

The marine hydrology is the basis of plan, design, construction, management, operation and decision-making of ocean engineering. The design parameters of the ocean engineering impacts not only structural type selection and structural calculation but also engineering safety, operation, investment and benefit. With practice of the hydrological design of offshore wind energy development and tidal power plant, impacts on projects by contents and parameters of the hydrological design as well as the hydrological design tips are analyzed and concluded.

wave factor; tidal level; ocean current; extremely high; low water

2014-08-20

徐俊(1963- )，男，四川省成都市人，教授级高工，从事水文水资源研究工作.

TV744；P731

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.01.001