福建近海海上風電場水動力環境分析研究

盛迎新 ，李近元 ，趙志群 ，陳晨 ，張曦文，馮興如

(1.中能電力科技開發有限公司，北京 100034；2.中國科學院 海洋研究所,山東青島 266071；3.中國科學院海洋環流與波動重點實驗室,山東青島 266071)

1 引言

風電場規劃海域位于臺灣海峽西岸中部，興化灣灣口。由于季風的影響和其特殊的地形結構，該海域風力資源豐富[1],是建設海上風電場的優良場址。要建設海上風電場，首先研究該海域的水動力環境非常重要。

全潮觀測是研究近海水動力的一個重要手段，楊旸等[2]利用全潮觀測數據，研究了長江口的水動力懸沙特征，給出了長江口區域的流速和懸沙濃度的時空分布特征；莊小將等[3]基于全潮觀測和數值模擬的手段，研究了溫州大門跨海大橋工程實施前后的水動力變化情況，給出了工程實施后的沖淤變化趨勢，其中全潮觀測對于模型的驗證至關重要。目前，已經有對興化灣海域的水動力研究成果，高勁松和周良明[4]對興化灣的潮流進行了研究，發現興化灣主要為往復流，并對余流場進行了分析，但該研究僅限興化灣內部，沒有涉及興化灣的口門區域；郭玉臣等[5]利用基于三角形網格的FVCOM模式對興化灣海域的潮流動力特征進行了分析和數值模擬，該研究的重點主要是興化水道的潮汐潮流特征；韓樹宗和賈寧[6]也利用ECOMSED 模式，研究了興化灣的三維潮流及泥沙輸運特征，該研究著重分析了在潮流作用下，興化灣的沖刷淤積特征。本文基于翔實的潮汐潮流觀測資料研究了位于興化灣口的南日島海域潮汐潮流水動力特征，為該海域海上風電場的開發，提供基礎參考。

2 觀測實施

2011年9月5日—9月14日，在風電場海域進行了大、中、小潮期間的潮流觀測，共10個站位，每個觀測站位觀測層數為6 層（表層、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H和底層，其中H 代表水深），時間間隔為1 h；2011年9月3日—10月5日進行了為期32天的連續潮位觀測，共4個站位，觀測時間間隔為10 min。10個潮流觀測站和4個潮位觀測站的位置分別見圖1—2：

3 潮位觀測結果分析

3.1 潮汐性質

4個臨時潮位站的潮位過程曲線見圖3:

圖1 潮流觀測站位圖

圖2 潮位觀測站位圖

圖3 驗潮站潮位過程曲線

表1 研究海域各驗潮站潮汐主要分潮調和常數(振幅:m，遲角：°)

利用t_tide[7]工具包對潮位調和分析后，得到4個潮位站的潮汐調和常數列見表1。

由圖3可以看出，研究海域一天兩次高潮，兩次低潮，L1、L2、L3和L4站的潮汐類型系數均為0.23，說明其潮汐類型為正規半日潮。

3.2 高、低潮

根據實測資料統計得知，觀測海域四個驗潮站高、低潮發生時間相差不大，均在20 min 之內，L4驗潮站的高潮發生時間較其他驗潮站的高潮時間提前約10 min。總體來講，大、小潮發生的時間順序是L4 最早，其次是L1 站，然后是L2 站，最后是L3站。這點由表1 中的遲角大小也可以分析出來，這反應了潮波由臺灣海峽傳入該海域的規律。高潮位L3 驗潮站為最高，其次是L1 驗潮站，L4 驗潮站最低；低潮位，L2驗潮站水位最低，L4驗潮站最高。

3.3 漲、落潮歷時、潮差

實測大、中、小潮漲落潮歷時和潮差統計結果見表2。由表2可得如下結論：

（1）觀測海域四個驗潮站，大、中、小潮漲潮平均歷時為6 小時07 分，落潮平均歷時為6 小時17分，平均落潮時間比漲潮時間多10 min；

（2）觀測海域四個驗潮站，大、中、小潮平均漲潮潮差為4.62 m，平均落潮潮差為4.60 m，兩者大小相當；

（3）漲落潮平均潮差的空間分布為，L3 驗潮站最大，其次為L2 驗潮站，L1 驗潮站排第三，L4 驗潮站的平均潮差最小。

4 潮流觀測結果分析

4.1 實測潮流

對觀測期間的實測流速進行分析后可得如下結論：

（1）最大流速

各站在大、中、小潮觀測期間出現的流速最大值及其所在層次見表3：

表2 全潮觀測期間大、中、小潮的漲、落潮歷時和潮差統計表

表3 各測站實測最大速度統計表(速度/(m/s)，方向/°)

表4 各測站各層實測平均速度統計表(速度/(m/s)

由表可以看出，大潮觀測期間，觀測到的最大速度為1.33 m/s,出現在S8測站的表層；中潮觀測期間，觀測到的最大速度為1.14 m/s,同樣出現在S8測站的表層；小潮觀測期間，觀測到的最大速度為1.41 m/s,出現在S6測站的0.2H層。

（2）流速垂向分布

將大、中、小潮觀測期間，各站各個層次的速度大小進行平均，得到表4。由表4可以看出，流速隨著深度變化不是很大，這可能是由于觀測區域的水深比較淺的緣故。

4.2 潮流調和分析

近岸帶實測的海流包括由天體引力所產生的潮流以及主要由水文，氣象條件所造成的非潮流（也稱余流）兩部份。潮流是海水受日、月等天體引潮力作用后產生的周期性水平流動。潮流分析的目的是根據海流周日觀測資料，分離潮流和非潮流，同時算得潮流調和常數，進而計算其潮流特征值，并判斷海區的潮流性質，預報任意時刻的潮流情況。

4.2.1 潮流橢圓要素

根據計算所得各分潮潮流橢圓長軸長、短軸長及長軸向可得：各主要分潮流基本以M2 半日分潮流為主，其次是O1全日分潮流和S2半日分潮流，K1全日分潮流、M4 四分之一分潮和MS4 復合潮均較小。M2 半日分潮流和O1 全日分潮流最大流速（長半軸）的最大值分別為0.872 m/s（S8 測站表層）和0.232 m/s（S1 測站表層）。由各站不同層次的橢圓率計算結果可知，各站層各分潮流的橢圓率有正有負，表明左、右旋都有，情況較復雜。

4.2.2 潮流類型

海區的潮流類型取決于半日潮流成分和全日潮流成分的相對比重，即主要分潮流的振幅比，如半日潮流占絕對主導地位即為正規半日潮流，反之如全日潮占絕對主導即為正規全日潮流，其判別式如下：

該值表征淺水分潮的影響大小，其值越大，說明淺水分潮影響越大。

式中：W01、WK1、WM2、WM4、WMS4分別為O1、K1、M2、M4和MS4分潮流的橢圓長半軸長度。各站垂向平均的F和G值計算結果列在表5中。

計算結果顯示，各站垂向平均的F 值在0.13—0.84之間，平均為0.32，表明本海域潮流類型同時具有規則和不規則半日潮流性質。

各測站淺水分潮比值在0.02—0.89 之間，說明淺水分潮流的影響在不同站位表現不一樣。

表5 各站垂向平均的F、G值統計表

4.2.3 最大可能流速

根據《港口工程技術規范》的規定，對于規則半日潮海區，最大可能流速按式（1）計算，而對于規則全日潮海區最大可能流速按式（2）計算：

式中，WM2,WS2,WK1,WO1分別為M2，S2，K1，O1這4個主要分潮流的橢圓長半軸矢量，若同時存在半日潮流和全日潮流，則最大可能流速按照上述兩式中的最大值計算。式中的Vmax為潮流的最大可能流速。由于式（1）和（2）中的WM2,WS2,WK1,WO1皆為矢量，在具體計算時根據各個分潮流的方向，分多組進行計算，取最大值，方向取最大值那組的方向。計算結果見表6。

由計算結果可以看出：

表6 各測站潮流最大可能流速(速度/(m/s)，方向/°)

（1）最大可能流速以小日島以北水域的S8測站的表層為最大，為1.64 m/s。由于該海域海水較淺，最大可能速度的垂向梯度不是太大。各測站各層最大可能流速介于0.42—1.64 m/s之間；

（2）總體來看，S3、S6、S8、S9和S10 測站的最大可能流速比其他站位要大，這5個測站的垂向平均最大可能流速在1.11—1.39 m/s之間；其他（S1、S2、S4、S5、S7）5個測站，最大可能流速在0.46—0.86 m/s之間。

4.2.4 余流

余流一般指實測海流扣除周期性潮流后所剩留部分，本次大、中、小潮觀測的總體余流計算結果見表7：

從計算結果來看，各站垂向平均余流速度均較小，變幅在0.03—0.18 m/s之間。觀測海區垂向平均余流流速，S8 測站為最大，平均約為0.18 m/s，其次是S1測站為0.13 m/s，S3和S10測站處的余流最小，垂向平均為0.03 m/s。

5 總結

（1）觀測海域的潮汐屬正規半日潮性質，觀測海域平均潮差為3.33 m,實測漲潮歷時小于落潮歷時，漲、落潮平均歷時分別為6小時07分和6小時17分，歷時差10分。潮波在由臺灣海峽外海區域傳入研究海域的過程中，強度逐漸變大，潮差增加；

（2）觀測期間最大流速為1.33 m/s，同時，對潮流的分析結果顯示，各站垂向平均的F 值在0.13—0.84之間，平均為0.32，表明本海域潮流類型同時具有規則和不規則半日潮流性質。各測站淺水分潮比值在0.02—0.89 之間，說明淺水分潮流的影響在不同站位表現不一樣。各站垂向平均余流速度均較小，變幅在0.03—0.18 m/s 之間。觀測海區垂向平均余流流速最大值出現在S8測站以北海域，約為0.18 m/s。實測海流數據資料顯示，海水流速垂向梯度不大，相對比較均勻。S3、S6、S8、S9和S10測站的最大可能流速比其他站位要大，這5個測站的垂向平均最大可能流速在1.11—1.39 m/s 之間；其他（S1、S2、S4、S5、S7）5個測站，最大可能流速在0.46—0.86 m/s之間；

表7 觀測海域各測站余流統計表

（3）基于實測數據，對風電場海域進行水動力環境分析，所得結論對該海域海上風電場風電樁基的布置和受力分析具有重要的參考意義。

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