海上風電及潮汐電站海洋水文設計淺析

徐 俊

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

文章編號：1006—2610(2015)01—0001—05

海上風電及潮汐電站海洋水文設計淺析

徐 俊

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

海洋水文為海洋工程規劃、設計、施工、管理、運行、決策提供水文依據。海洋水文設計有關參數影響到建筑物類型的選擇和結構計算,也影響工程的安全、運行、投資和效益。結合海上風電及潮汐電站水文設計方面的實踐，對有關水文設計內涵和水文設計參數對工程的影響，以及設計需要注意的問題進行了分析和總結。

波浪要素；潮位；海流；極端高、低水位

海洋水文是為海洋工程規劃、設計、施工、管理、運行、決策提供水文依據的學科。海洋水文設計有關參數往往會影響到建筑物類型的選擇和結構計算,影響工程的安全、運行、投資和效益。隨著國家經濟實力的增強和國家能源戰略計劃的實施，以及清潔能源的開發需要，海上風電已經呈現大規模開發利用景象，潮汐發電也從試驗、研究逐漸步入開發利用階段。海上風電及潮汐電站與陸地風電和常規水電站水文設計相比，設計的內涵發生了較大變化，設計內容也更為復雜，工程經驗也不像陸地水電工程豐富。此外，潮汐電站屬于海洋工程和水力發電工程相結合的復合領域，目前還缺乏既滿足海洋工程特性又符合水力發電特點的海洋發電工程的規程、規范，僅有《海港水文規范》(JTS145-2-2013)[1](以下簡稱《海港水文規范》)及水電設計水文規范。本文結合海上風電及潮汐電站(以下簡稱海洋發電工程)水文設計方面的實踐，對有關海洋發電工程水文分析計算內涵和水文參數對工程的影響意義，以及海洋發電工程水文設計需要注意的問題等方面進行分析和總結。

1 水文分析計算研究范圍和方法

目前,海洋發電工程水文分析計算研究的范圍主要在海岸帶和近海。研究海水運動(波浪、潮汐、海流等)、海水物理性質(溫度、鹽度、密度等)的變化規律和推算方法。主要是通過現場觀測、理論分析和模型試驗等手段進行。水文觀測資料是研究的基礎，觀測須在不同天氣條件、不同季節和不同潮汐情況下進行；理論分析是用流體力學和數學的基本原理來研究水文現象的變化規律，并提出理論模式和計算方法；模型試驗則是模擬天然情況，復演歷史變化過程并推演未來可能的發展過程。《海港水文規范》特別強調應以當地的水文觀測資料為主要依據進行分析計算。主要包括：氣象條件、海洋水文特征(波浪條件、潮汐特征、實測臺風增、減水，海流、水溫、鹽度等)、潮位計算、波浪計算等。

海洋發電工程水文分析計算需要收集的資料有：① 氣象站長期觀測資料，如氣溫、降水、風速及風向、各風向平均、最大風速、各風向頻率、相對濕度、日照、蒸發量與霧等;② 海洋站長期觀測資料及工程場實測1 a的長期驗潮站資料;③ 表層海水溫度鹽度、波浪、風;④ 臺風年鑒等資料。

2 工作環境條件和極端環境條件

海洋發電工程所受海洋氣象因素的影響往往比陸地復雜得多。除受風、海霧、強對流天氣等，還受潮汐、海浪影響，甚至還有陸地洪水的影響。在《淺海固定平臺建造與檢驗規范》(CCS 2003)和《海上固定平臺入級與建造規范》(1992)都將環境條件分為工作環境條件和極端環境條件。前者指平臺在施工和使用期間經常出現的環境條件，應以保證平臺能正常施工和作業為標準。后者指平臺在使用年限內，極少出現的惡劣環境條件，應以保證平臺的安全為標準。

工作環境條件是進行海洋工程建設中有效地制定施工進度和較準確地把握工期的依據，也是海洋工程構筑物保證在常規海況下安全生產的依據。極端海洋環境條件是海洋發電工程設計荷載的依據,較準確地提供出海洋發電工程所在海域的極端環境參數，是既保證工程安全設計，又能控制其合理投資的關鍵因素。

3 設計內容及設計標準

3.1 設計潮位

各類涉海工程規劃、設計和施工所依據的潮位稱為設計潮位。按照《海港水文規范》規定，設計潮位應包括:設計高、低水位;極端高、低水位。設計水位是指港口、海岸及近海水工建筑物在正常使用條件下的高、低水位,在設計水位范圍內，應保證在各種設計荷載條件下，滿足結構以及地基基礎的穩定與強度要求。極端水位是指非正常使用條件下的高、低水位,這種水位是由于寒潮、臺風、低壓、地震、海嘯所造成的增減水與天文潮組合而成的，其重現期以幾十年來計算。出現這種水位時，并不要求建筑物正常使用，但卻要求在各種荷載作用下，各部分結構和地基仍有必要的安全度。

設計潮位是進行由深海波浪計算近海波浪的邊界設計條件；極端高水位是確定近海風機檢修平臺底高程的主要依據，極端低水位主要用于水工建筑物結構設計。設計潮位直接關系到港口陸域和水工建筑物的高程，而且也影響到建筑物類型的選擇和結構計算，以及工程的規模、等級和使用情況。

按照《海港水文規范》的規定，對于海岸港和潮汐作用明顯的河口港，設計高水位應采用高潮累積頻率10%的潮位或歷時累積頻率1%的潮位，設計低水位應采用低潮累積頻率的90%潮位或歷時累積頻率98%的潮位。對于汛期潮汐作用不明顯的河口港，設計高水位和設計低水位應分別采用多年的歷時1%和98%的潮位。

《海港水文規范》規定，海港工程的極端高水位應采用重現期為50年的年極值高水位，極端低水位應采用重現期為50年的年極值低水位。

3.2 設計波浪要素

設計波浪應包括外海設計波浪及近岸區設計波浪(工程區設計波浪)。

設計波浪是設計各類涉海建筑物時所選用的波浪要素，包括波高、波周期、波長、波速。設計波浪包含2個方面:設計波浪的重現期標準和波列累積頻率標準。前者是指波浪要素的長期(以數十年計)統計分布規律，主要反映建筑物的使用年限和重要性。后者是指在實際海面上不規則波列中的出現概率，代表波浪要素的短期(以十幾分鐘計)統計分布規律，主要反映波浪對不同類型建筑物的不同作用性質。

《海港水文規范》規定，在進行直墻式、墩柱式、樁基式和一般的斜坡式建筑物的強度和穩定性計算時，設計波浪的重現期應采用50 a。破壞后不致造成重大損失的斜坡式護岸等非重要建筑物，其設計波浪的重現期可采用25 a;對于大水深的重要建筑物，當重現期100 a的波高大于或等于重現期50 a的同一波列累積頻率的波高1.15倍時，其設計波浪的重現期可采用100 a，且其極端高水位的重現期可相應調整為100 a。

設計波高的波列累積頻率標準應按表1采用。當推算的波高大于淺水極限波高時，應采用極限波高。

表1 設計波高的累積頻率標準表

3.3 海 流

海流是一種綜合性流，是潮流、風海流、密度流、波流等各種類型海流的合成流動。在海岸和離岸工程中，有關場址選擇、航道布置、水下管線布設、作用于水工建筑物上的水流力和船舶系靠力，以及泥沙的沖刷和淤積等問題均應考慮當地的海流狀況。水流荷載是海岸海洋結構物的主要環境荷載之一,是地基基礎承受的海流流動所產生的外部作用，是海岸海洋結構物的主要動力因素之一。海流設計參數是計算水流力的基礎。

在工程上主要關心海流對海上結構物的作用，要求給出最大能流速和流向，以及流速、流向的分布特征。

3.4 海水溫度、鹽度

海水溫度、鹽度對工程材料選擇和水下設備的性能產生影響，因此在海洋工程環境條件分析中，要求給出工程海域累年各月及年的表、底層海水溫度、鹽度的極值和平均值。其統計資料主要靠實測。

4 設計中需要注意的問題

4.1 設計潮位

4.1.1 設計高、低水位的計算

有實測資料的地區，在確定設計高、低水位，進行高、低潮累積頻率以及潮位累積頻率統計時，應有完整的1 a或多年的實測潮位資料。

對于新建工程地區，往往缺少1 a以上的實測潮汐資料。這種情況下，可以先進行時間長度不少于1個月的現場觀測。可采用相關法和預報法2種方法計算水位。

相關法：在僅有短期觀測資料的條件下，應對利用短期資料統計的結果進行訂正。方法是利用短期資料，統計擬建工程設計高、低水位，統計與擬建工程潮汐性質基本一致的附近工程同樣長度和時間的短期資料的設計高、低水位，求出兩工程設計高、低水位相關關系。利用長期資料統計設計高、低水位和這個相關關系，將擬建工程短期資料統計的設計高、低水位，訂正為準長期資料統計結果。

預報法根據1個月實測資料進行調和分析，求得該地區的潮汐調和常數，并結合附近工程的長周期分潮，進行為期1 a以上的潮汐預報，利用預報資料進行統計分析，求得設計高、低水位和乘潮水位。在滿足設計急需的同時，繼續進行現場實測，待完整資料取得后，再進行設計高、低水位的統計計算，并對利用預報值計算的結果進行相應調整。

4.1.2 設計潮位過程線

在水利水電工程的設計中，對潮位過程有一定的要求。特別是感潮地區河流的防洪排澇設計、工程的引排水設計，都需要一定標準的設計潮位過程線。此外在潮汐電站設計中，設計潮位過程線是水能計算必需具備的基本資料，是發電量計算、確定潮汐電站裝機容量的基礎。

假設高潮位與潮差同頻率發生，用設計高潮位和設計漲、落潮差共同控制典型潮位過程的放大，就能使設計潮位過程的推求融入更多的信息，使設計潮位過程的高潮位、漲、落潮差同時達到預定的設計標準，也減小了設計潮位過程推求的任意性。具體計算時，在確定了設計高(低)潮位及其前后相鄰的2個低(高)潮位后，可根據典型潮位過程線上各時刻高潮位與低潮位的差值占整個潮差的比例來推算設計潮位過程線各時刻相應數值，再加上設計潮位過程線相應的低潮位，即得到相應的設計潮位過程線。

在工程上具體計算還可用線性變換法進行計算。如，從1 a潮位資料中找出各累計頻率的典型周期，并作相似化處理。以高潮和漲潮差為標準，在全年707個周期中找到的5%設計潮位典型過程特征，見表2。

表2 某站5%設計潮位典型過程特征表

由于所找的典型值與設計值存在差距，故對典型值作線性變換處理，使得高潮位和漲潮差2項數值與設計值完全相同，進而得到設計典型周期過程。

設高潮位的典型值、設計值為G1、G2，低潮位的典型值、設計值為D1、D2，漲潮差設計值為ΔH。

對G1、D1做線性變換得G2、D2，設伸縮系數為k，平移系數為b，則：

(1)

線性變換后，為使漲潮差與漲潮差的設計值相等，需滿足：

G2-D2=ΔH

(2)

由式(1)、(2)解得：

(3)

代入數據解得各累計頻率的k=1.008 219、b=-0.023 67。按照系數k、b，對實際值做線性變換，得到設計潮位過程，并保證高潮位和漲潮差與設計值相同，見表3。

表3 某站5%設計潮位過程表

4.1.3 極端高、低水位

(1) 有資料情況下

1) 有不少于連續20 a的年最高潮位和年最低潮位實測資料并應調查歷史上出現的特殊水位的情況下，采用極值-Ⅰ型極值分布曲線或皮爾遜Ⅲ型曲線進行適線，得到其不同重現期高、低水位。

2) 對于有不少于連續5 a的年最高潮位和年最低潮位的工程,極端高水位和極端低水位可用極值同步差比法與附近有不少于連續20 a資料的工程或驗潮站進行同步相關分析,計算不同重現期的年極值高潮位和年極值低潮位。

(2) 無資料情況下

對于極端高、低水位的確定，可以在求得設計高、低水位的基礎上，參照《海港水文規范》“附錄C極端水位的近似計算方法”,按式(4)近似計算極端高水位和極端低水位。

hj=hs±K

(4)

式中：hj,hs分別為極端高水位和極端低水位、設計高水位和設計低水位，但兩者需同時采用高水位或低水位；K為常數,m;采用與《海港水文規范》中表c.0.4中潮汐性質、潮差大小、河流影響以及增減水影響都較相似的附近港口相應的數值，高水位時用“+”，低水位時用“-”。

4.2 設計波浪

波浪荷載是引起海工結構疲勞及斷裂的主要荷載，波浪荷載的強度不僅取決于波高、波向等波浪要素、風場要素、水流條件和水域深度，而且還與結構的形式有關。分析和計算設計波浪，是計算海洋結構物作用力的基礎。

波浪資料不同，推求設計波浪的方法也不同。當海岸地區或其臨近的海洋水文觀測站積累有超過20 a的連續波浪觀測資料時，可以用其特征波表示的波列組成樣本，用概率分析法求得分布規律，再計算重現期設計波浪；當海岸地區或其附近沒有海洋水文觀測站，則可利用當地氣象臺站的風況觀測資料或天氣圖，依據風要素與波要素的關系后報波浪要素，以此推算重現期的設計波浪。

4.2.1 外海設計波浪要素

推算外海波浪要素是工程設計中重要的前期工作。當工程所在地或其附近有較長期的波浪觀測資料時，可根據對特定方向某一累積頻率波高年極值序列的頻率分析，確定不同重現期的設計波浪要素。但我國沿海很多新開發的地區缺乏長期波浪觀測資料，實際工程設計中通常采用風資料推算工程海域的外海波浪要素，再推算淺水區的設計波浪要素。

(1) 由較長期的波浪觀測資料計算

(2) 采用風資料推算外海波浪要素

根據收集到海洋站較長系列風速年極值資料，通過綜合考慮高度訂正、海陸訂正及與鄰近海洋站的風速比較確定歷年分方向的年極值風速，按照P-Ⅲ型頻率分析的方法計算各重現期設計風速，再根據設計風速推算外海波要素。

1) 設計風速計算

根據海洋站長系列的歷年分方向的年極值風速資料，采用P-Ⅲ型頻率分析計算設計風速，求得影響工程波浪主要方向各重現期設計風速成果。

2) 外海深水波要素計算

可采用《海港水文規范》推薦的海大法進行外海深水波要素計算。

式中：F為風區長度，m；Hs為有效波高，m；Ts為有效周期，s；v為風速，m/s；d為水深，m；g為重力加速度，m/s2。

根據影響工程波浪主要方向的設計風速計算結果，推算得到某一水深等深線處的外海波要素成果。

4.2.3 項目海域波浪計算

海浪從深水傳至岸邊的過程中，由于海底地形變化、底摩擦、障礙物和水流等各種因素的影響，波浪的形狀、波高和波向將發生變化，形成人們常說的波浪折射、反射、繞射、破碎和能量耗散等一系列復雜現象。影響波浪量值和方向的因素主要是波浪的折射作用和淺水效應。

在近岸波浪數值模擬中，有多種波浪數值模型計算近岸波浪的傳播變形，常用的有SWAN和MIKE21 BW等模型。利用波浪數值模型可對影響工程的波浪若干主要方向的折射、繞射和淺水效應進行計算,對擬定的各種不同水位和主要波向、不同重現期的設計波要素情況下的波浪場進行數值模擬。

SWAN(Simulating Waves Nearshore)模型屬于第三代淺海海浪數值模型，由荷蘭Delft大學土木工程系開發并維護。SWAN是適用于近岸海域、湖泊和河口的波浪數值模型，是國際上成熟、通用的海浪數值計算模式。SWAN模型能夠模擬波浪繞射，不但適用于較大區域非定常的風浪場的計算，也可以用于較小區域定常條件下波浪場的推算。該模型在計算不規則波破碎時的精度高于其本身計算規則波破碎時的精度。建議在計算較大區域、波浪的淺水變形作用和反射不明顯的區域使用。

MIKE21 BW是丹麥水力研究所(DanishHydrauliclnstitute，DHI)開發的應用較為廣泛的平面二維數學模型，該模型可用于模擬任意地形或平面布置條件下的波浪運動過程，包括波浪的繞射、折射、反射、淺水變形以及它們之間的相互作用。該模型既適合于規則波也可以計算不規則波。該模型能綜合反應波浪的折射、繞射、反射、破碎和淺水變形等一系列現象，特別時在最大水深與深水波長的比值小于0.22的情況下，在保證網格精度時，模型能準確模擬繞射、淺水變形和破碎的全過程。

5 結 語

海洋水文設計是海洋發電工程設計的基礎，水文設計的參數往往會影響建筑物類型選擇和結構計算，直接關系到工程的安全、投資及效益。對于海洋發電工程的水文分析計算，應以當地的水文觀測資料為主要依據。

本文從專業的角度上淺析了海洋發電工程水文計算的主要研究范圍和方法，介紹了海洋工程工作環境條件和極端環境條件，闡述了海洋發電工程水文主要設計內容及相應標準，提出了海洋工程水文設計需要注意的問題，希望能給工程設計人員提供一些經驗及借鑒。

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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，教授級高工，從事水文水資源研究工作.

TV744；P731

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.01.001