海上风电场桩基基础对水动力特征的影响

张 晓 张 琴 陈命男

上海勘测设计研究院有限公司

0 概述

随着传统能源煤、石油等的日益枯竭，可再生能源尤其是风能的开发在我国显得越来越重要[1]。伴随风力发电近十年的高速发展，我国风电场建设逐渐由陆上转向大规模海上风电开发[2]。目前的研究多集中于水流、波浪对海上风电桩基基础的影响及基础结构优化设计上，如赵雁飞[3]、张庆河[4]等利用数值模拟的方法，对桩基周围的局部冲刷进行了模拟，为风电基础结构的优化设计提供一定的参考依据；潘祖兴等[5]针对四腿桁架式海上风机基础结构优化设计，建立了一种多准则多参数结构优化策略与方法，提高结构优化效率；张明生等[6]采用模型试验和有限元软件数值方法，分析了基础的长径比、冲刷和波浪荷载作用对基础的承载特性的影响。海上风电场的建设，必定会对其周围海域的水沙运动状况产生影响，引起桩基基础局部冲淤，并可能打破海床动态平衡状态。水动力条件作为泥沙搬运和地形演变的基础，清晰认识大规模海上风电建设前后的水动力条件变化十分必要。

本文以广东省阳江市某海上风电场为例，利用MIKE21 FM 模型计算了风电场建设前后工程海域的潮汐、潮流，系统分析了大规模海上风电场引起的水动力特征变化，以期为今后的海上风电场工程建设提供参考和依据。

1 数学模型

1.1 基本方程

本海上风电场所处海域属宽浅型海域，采用二维模型进行求解。MIKE21FM 水动力模型适用于河流、湖泊、海洋及河口海岸地区的水动力模拟，被广泛运用于潮流、波浪、风暴潮等水动力现象的研究[7]。其控制方程为：

式中：ζ为水位；h是基准面到床面的距离；H=h+ζ，即总水深；u、v 分别为x、y 方向垂向平均流速；g为重力加速度；f是柯氏力系数；、为紊动涡粘系数。

1.2 计算区域及模型设置

通过大、小两层计算域嵌套模拟该海域的潮流场，大、小模型范围分别如图1和图2所示。为精准模拟风机基础周围的潮流流态，根据桩基基础型式，以阻水面积基本相当为原则，将每个风机桩基础概化成1个边长5 m×5 m的不透水矩形单元，基础周围网格尺寸为10～15 m，时间步长取10 s。海上风电场海域采用实测的水下地形资料，初始条件以零启动的形式给出，闭边界采用不可入条件。大模型采用全球潮汐模型计算提供的潮位边界，小模型潮位开边界由大模型计算结果提供。

图1 大模型范围图

图2 小模型范围图

1.3 数学模型率定

利用2015年2月和2015年7月在风电场附近区域开展的水文测验的潮流实测数据和实测潮位资料对模型进行率定验证（点位见图3）。限于篇幅，本文仅列出部分点位的验证结果，潮位率定验证结果见图4，流速、流向率定验证结果见图5。

从率定结果看，潮位及流速、流向计算结果与实际情况吻合较好，模型模拟结果基本能复演计算区域水动力特征，可用于工程水文动力影响的预测。

2 海上风电工程对水动力特征的影响

2.1 对高低潮位的影响

图6 给出了工程前后海域大潮高、低潮位变化。可见，涨潮时，由于风机基础的阻水作用，风机基础背水侧高潮位减小，迎水侧高潮位增大；落潮时风机基础背水侧低潮位减小，迎水侧低潮位略有增大。工程后海域高、低潮位以减小为主，且风电场工程的建设对工程区附近及周围海域的潮位影响均较小，工程区附近高低潮位潮差变化幅度小于1 mm。

图3 2015年2月和7月水文测验站位置示意图

图4 潮位率定结果

图5 流速流向率定结果

图6 大潮高、低潮位变化

2.2 对流速流向的影响

图7和图8给出了工程前后涨、落潮平均流速、流向变化分布。由图7 和图8 可以看出，风电场建设对海域的潮流影响主要集中在工程区域，离风电场工程区越远，对潮流影响越小。工程后在风机基础周围流速发生明显变化，表现在涨落潮流方向（风机基础背水面）流速有所减小，而垂直于涨落潮流方向（风机基础两侧）流速有所增大。工程前后平均流速变化幅度基本在0.05 m/s左右，风机桩基基础附近的最大流速变幅在0.1 m/s 左右，而风电场周边海域流速变化幅度约在0.01 m/s 以下。工程海域流向变化较小。

图7 风电场建成前后工程海域涨落潮平均流速差

图8 涨落潮平均流向变化

为进一步分析风电场工程前后对工程区及周边海域潮流场的影响，在风电场周围布置了一系列典型代表点（见图9）以分析工程前后的潮位和流速变化情况，其中，T1～T32号点主要用于分析风电场工程海域潮流流态的影响，D1～D11号点主要用于分析风电场工程周边海域潮流流态的影响。

图9 流速分析点

表1 工程前后工程海域大潮涨潮、落潮平均流速变化

表2 工程前后工程周边海域大潮涨潮、落潮平均流速变化

本文仅给出部分典型代表点工程前后的大潮涨落潮平均流速的变化。根据表1，风电场海域工程前后涨、落潮流速最大变化率小于5%，流向变化幅度不超过1°。根据表2，风电场周边海域工程前后涨、落潮流速变化率最大为0.5%，平均流速变化率为0.2%，流向变化幅度在0.2°以下。

总体上，工程前后风电场内部的流速有所变化，以流速减小为主，平均流速变幅在0.05 m/s 左右，平均流速变化率为4%，潮流流向变化幅度基本小于1°。风电场工程的建设对风电场周边海域潮流特性影响甚小，周边海域流速变幅基本在0.5%以内，流向变化不超过0.2°。

3 结论

运用MIKE21 FM 水动力模型对海上风电工程前后潮汐潮流变化进行了数值模拟计算，分析了海上风电工程引起的海域水动力特征变化。结果表明，海上风电场桩基基础对工程海域潮位和流向影响不大；工程后桩基基础周围流速发生明显变化，表现在涨落潮流方向（风机基础背水面）流速有所减小，而垂直于涨落潮流方向（风机基础两侧）流速有所增大，但是流速变化幅度较小，且工程对水动力特征的影响局限于风电场区附近海域。