海底电缆敷设施工悬浮泥沙起悬比研究

张 琴 郑磊夫 吴兴华 张蒙生

1.上海勘测设计研究院有限公司

2.中国三峡新能源（集团）股份有限公司

0 引言

随着国内对新能源需求的快速增长，广东、福建、浙江、上海、江苏、辽宁等近岸海域海上风电增长迅速，且正在由近岸向深远海发展。海上风电海缆沟开挖作业环节扰动水底产生的悬浮泥沙在水动力作用下输移、扩散，加大了周边水体悬浮泥沙的浓度，影响了海洋水环境质量和水生动植物的生存[1-3］，因此海底电缆敷设产生的施工悬浮泥沙扩散规律及对海洋生态环境的影响是海上风电项目环境影响评价关注的重点之一，而悬浮泥沙源强（单位时间产生的悬浮泥沙质量）则是研究的基础[4］。

由于现场观测所需人力物力较大，国内外对施工引起的悬浮泥沙现场观测通常是通过挖泥船疏浚、泥沙倾倒和围填海溢流来推算悬浮泥沙源强[5-9］，而对海缆敷设产生的悬浮泥沙源强通常采用式（1）经验公式[10］：

式中：Q为海缆敷设产生的悬浮泥沙源强（kg/h）；T为海缆沟开挖效率（m3/h），由开挖横截面积、开挖深度和开挖速度相乘得到；γd为底质中颗粒物干密度（kg/m3），可采用《海港水文规范》（JTS 145-2-2013）中推荐公式γd= 1 750d0.18350进行计算；α为底质中颗粒物进入海水中的比例（%），即悬浮泥沙起悬比。

悬浮泥沙起悬比主要与施工扰动强度（如施工方式和施工机械）、底质粒径有关，目前国内外研究中对海缆敷设悬浮泥沙起悬比的选取尚无实测数据支撑，水力冲射法埋设海缆时起悬比一般采用15%~20%。

本文以江苏大丰300 MW、广东阳江300 MW 海上风电项目为例，在海缆敷设时观测海缆沟附近的浊度，通过浊度标定得到悬浮泥沙浓度，再算出悬浮泥沙源强，最后通过上述经验公式反推出悬浮泥沙起悬比。

1 研究区域和施工方式概况

江苏大丰300 MW海上风电项目位于江苏大丰区毛竹沙北侧海域，场址中心离岸距离72 km，水深7.5~20.9 m（1 985 高程，下同）,海域表层沉积物平均中值粒径约0.11 mm，干容重1 169 kg/m3。

广东阳江300 MW 海上风电项目位于广东阳西沙扒镇海域，场址中心离岸距离28 km，水深27~30 m，海域表层沉积物平均中值粒径0.011 mm，干容重767 kg/m3。

海底管道或管线电缆敷设最常用的两种施工方法为开沟法和水力冲射法。开沟法即一边开挖基槽，一边埋管敷设和覆土回填，通常采用抓斗式挖泥船进行施工，所挖土方置于泥驳上，开挖完成后铺管船铺管，铺管完成后再用抓斗挖泥船将泥驳中的土方进行回填。水力冲射法则是施工过程中由施工船舶牵引水力挖沟机，依靠冲射水流破除管道附近的土层或将土体液化，该过程中，挖沟机上的高压水泵提供动力，喷射冲刷形成所需要的沟形和沟深，已铺设于海底的管道可靠自重落入沟底，底泥则在水流和波浪的作用下自然回填。开沟法虽简单，但开挖面积大，适用于近岸浅水区，水力冲射法则适用于离岸区。江苏大丰和广东阳江海上风电项目均位于离岸区域，故采用水力冲射法敷设海底电缆，因此本文研究水力冲射法对海底电缆敷设产生的悬浮泥沙的影响。海缆水下敷设实景图见图1。

图1 海缆水下敷设实景图

海上风电海缆沟剖面一般为倒梯形，敷设深度通常在泥面2~3 m 以下，敷设速度3~5 m/min。根据海缆施工方案，江苏大丰海缆埋深约2.5 m、开沟横截面积1.5 m2、敷缆速度3 m/min、海缆沟开挖效率4.5 m3/min，广东阳江海缆埋深3 m、开沟横截面积1.2 m2、敷设速度5 m/min，海缆沟开挖效率6 m3/min。

2 悬浮泥沙浓度实测方法

由于海缆敷设为线性工程，敷设速度较快，无法做到定点采样，因此项目采用光学方法采集海缆沟附近水体浊度信号，对浊度信号进行标定后转化为悬浮泥沙浓度。浊度仪型号为AQUAlogger310TY，采用光学后向散射传感器，量程大于10 000 FTU，耐压大于1 000 m，见图2。将浊度仪固定在开沟犁底层靠近海缆沟位置（见图3），采样时间间隔30 min，每次采样设4个平行样，直至该段海缆施工结束。

图2 AQUAlogger310TY 浊度仪

图3 浊度仪安装位置示意图

浊度仪得到的数值是水体悬浮颗粒浊度值，经标定后才能得到水体实际悬沙浓度。悬沙浓度标定可为分室内标定和现场标定两种[11］，现场标定是把浊度仪现场记录的浊度数据与同一水层同步采集的悬沙浓度相对应，再对浊度进行标定。但由于海缆敷设速度快，现场不具备采集同层水样的条件，因此项目采用室内标定方法。

室内标定是在标定槽内放一定量的清水，把采集到的海域底质淤泥分多次加入到清水中并不断搅动，使悬沙浓度逐渐增大。从清水开始，观测均匀混合后浊度（时间间隔为10 s），待读数稳定后记下连续6个浊度数值。记录的每一组浊度值有一定的波动，为减小相对误差，对每组浊度值进行算术平均，取此时浊度仪传感器附近水样500 ml，随浊度增加进行数次同样操作。

取得的悬沙水样用45 μm 滤膜过滤，分离出悬沙，用蒸馏水漂洗，烘干后称重。由滤膜上沉淀物的总质量除以被滤去的水体积计算悬沙浓度，把得到的每一组的浊度算术平均值与对应的每一组悬沙浓度值进行分析，得到浊度仪室内标定曲线，见图4 和图5。从标定结果看，室内标定R 值在0.8 以上，可用于悬沙浓度计算。

图4 大丰海域浊度与悬浮物浓度关系

图5 阳江海域浊度与悬浮物浓度关系

3 结果与讨论

根据现场浊度观测结果，江苏大丰300 MW海上风电项目海缆敷设时海缆沟附近浊度在3 600~4 900 FTU之间，广东阳江在4 200~6 000 FTU之间。根据浊度结果和室内标定曲线，大丰和阳江海域海缆沟附近悬浮泥沙浓度平均值分别为7.4 kg/m3和8.3 kg/m3。

大丰和阳江两个项目施工现场采用的高压水泵流量约52 m3/min（0.87 m3/s），根据上述悬浮泥沙浓度观测结果，计算得到悬浮泥沙源强分别为7.4 kg/m3×0.87 m3/s=6.44 kg/s 和8.3 kg/m3×0.87 m3/s=7.22 kg/s，海缆沟开挖效率为4.5 m3/min和5 m3/min，表层沉积物干容重为1 169 kg/m3和767 kg/m3，根据经验公式（1）推算出悬浮泥沙起悬比为7.3%和9.4%。

类比现有的研究成果，如顾恩慧和彭姱容[12］在计算底质中值粒径为0.004 9~0.014 7 mm 的淤泥质海域电缆敷设悬浮泥沙源强时取悬浮泥沙起悬比20%、李晓燕等[13］在计算射阳300 MW 海上风电（海域底质平均中值粒径约0.01mm）海缆敷设时起悬比20%、张震[14］在海底缆线工程对海洋环境的影响及对策研究中起悬比15%、钱利红[15］的20%，可见在采用水力冲射法埋设海底电缆或光缆时，现有的研究悬浮泥沙起悬比一般采用15%~20%，无相关实测依据，未考虑底质粒径的影响。

4 结语

通过浊度仪观测水体悬浮颗粒浊度值并进行室内标定试验，可实现海缆开沟产生的悬浮泥沙浓度的实时监测，将悬浮泥沙浓度实测值与喷射水流量相乘即可得到悬浮泥沙源强，再通过经验公式。反推出悬浮泥沙起悬比这一重要参数。结果显示，在底质粒径0.011~0.11 mm 的粉砂质或淤泥质海域，采用水力冲射法进行海缆敷设产生的悬浮物起悬比在7%~10%之间。

该结论可用于粉砂质或淤泥质海域采用水力冲射法施工的海底光缆、电缆敷设项目的环境影响评价、保护设施设计，也可用于开挖、设备的比选或改进等。