離岸海上風電場海底電纜敷設懸浮物擴散數值模擬

張亞力，俞年昌，董浩平，柏海霞

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州 311122)

0 引 言

海上風電的發展已經成為可再生能源領域的焦點，隨著技術的不斷進步和科研實力的加強，海上風電呈現出離岸化和深海化的趨勢，預計未來海上風電平均離岸距離有可能達100 km[1]。風電場離岸越遠，所需的電力送出海纜越長。海底輸電電纜的鋪設需要深挖海溝，引起海底泥沙懸浮并隨潮流擴散，敷設海纜周圍水體渾濁，從而對施工電纜周圍海域海洋生物產生影響[2]。因此，海底電纜施工懸浮物將是離岸風電場環境影響所關注的重點。

目前已有的海洋工程或者海底電纜工程施工懸浮物預測，大多采用固定的代表點在不同的作業點位進行懸浮物釋放模擬，再繪制出懸浮物包絡圖[3-5]。海上風電場海底電纜通常利用水力敷設機沿海底電纜以一定的速度開溝敷設，利用固定點源進行海纜敷設懸浮物預測與實際情況差異較大，無法反映出真實的懸浮物擴散范圍。本研究以江蘇啟東海上風電場為例，在潮流動力模型的基礎上，增加懸浮物擴散模型，并根據海纜實際敷設速率，采用移動釋放源強模擬海底電纜施工懸浮物擴散，得到懸浮物最大擴散范圍以及施工海纜周邊懸浮物增長與消減的過程。預測結果為進一步分析海底電纜施工帶來的海洋生物資源影響提供了依據。

1 工程概況

江蘇啟東海上風電場項目位于江蘇啟東近海海域，風機離岸最近距離約37 km，屬南黃海濱海相沉積地貌單元，水下灘面地形較平緩，自西北向東南略有傾斜。勘察期間水深在13.5～17.7 m之間，場區內地基土表層以粉土、淤泥質粉質粘土為主。風機產生的電力通過海底電纜從各風機送至海上升壓站，再從海上升壓站集中送至岸上，項目電纜總長度為167.669 km。

2 工程區域水動力模型

2.1 水動力數學模型

(1)連續方程：

(1)

(2)運動方程：

(2)

(3)

2.2 計算區域與網格

工程二維潮流數值模型計算范圍如圖1所示。模型南北長約303.1 km，東西寬約160.6 km，計算面積約4.7×104km2。

為合理描述懸浮物濃度場，延敷設海纜對網格進行局部加密，懸浮物計算網格尺寸為10～100 m，如圖1所示。

2.3 水動力計算結果

利用工程區附近所布置的潮位站以及潮流站實測大、中、小潮期間的實測數據，對水動力模型進行了驗證。經驗證后海纜敷設區大潮漲急時刻工程區流速約為0.93 m/s，落急時刻流速約為0.96 m/s；小潮時，風電場區漲急流速約為0.66 m/s，落急時刻流速約為0.72 m/s之。

3 懸浮物擴散預測模型

3.1 懸浮預測數學模型

施工產生的懸浮泥沙在潮流作用下向周圍輸運，其輸移方式可按照物質的對流擴散方程進行數值模擬：

(4)

式中，S垂線平均含沙量(kg/m3)，在此代表懸沙增量；u,v分別為x,y方向上的垂線平均流速分量(m/s)；H水深(m)；Dx,Dy為泥沙紊動擴散系數(m2/s)；

Fs源匯項kg/(s·m2)，FS=F′+F″/A

3.2 懸浮預測源強設置

根據項目施工方案，采用專業海底電纜敷設船配備牽引式高壓水埋設機進行敷埋施工，懸浮物發生源強按以下公式計算：

F″=Aνρf

(3)

其中，S為懸浮物源強，kg/s；A為海纜開挖橫截面積，m2；v為海纜施工速度，m/s；ρ為底質沉積物干密度，kg/m3；f為起沙率，無量綱。

電纜敷設深度不小于2.0 m，開挖溝剖面為倒梯形，本次計算橫截面積取1.5 m2；正常鋪設速度為3 m/min；泥沙容重取值為750 kg/m3；根據同類項目類比，起沙率取保守值15%。經計算懸浮物的產生速率約為16.86 kg/s。

電纜鋪設為線性工程，且逐段進行施工，因此懸浮物釋放在模型中按移動點源的方式進行處理。

4 計算結果分析

最終計算得到，在大潮施工情況下，懸浮物增量大于第二類海水水質標準10 mg/L的最大影響范圍為119.56 km2，大于第三類海水水質標準100 mg/L的最大影響范圍為4.12 km2，大于第四類海水水質標準150 mg/L的最大影響范圍為1.90 km2；在小潮施工情況下懸浮物增量大于10、100、150 mg/L的最大影響范圍分別為148.16、6.96、3.27 km2。圖2與圖3分別為大潮與小潮工況下電纜敷設懸浮物增量分布范圍。總體而言，小潮期間施工懸浮物的影響范圍大于大潮施工，主要因為小潮期間水動力較弱，懸浮泥沙不易稀釋擴散，容易在短時間內在海纜周邊富集。

圖4為以小潮工況為例，在距離海纜不同距離選擇代表點分析懸浮物濃度增量隨時間的變化。在距離海纜50 m處懸浮物增量超過10 mg/L的持續時間約3.5小時，在距離海纜200 m處懸浮物增量超過10 mg/L的持續時間約2小時，在距離海纜1 000 m處懸浮物增量超過10 mg/L的持續時間約0.5小時，在距離在距離海纜2 000 m處懸浮物增量在10 mg/L以下。

5 結束語

本研究以江蘇啟東海上風電場為例，在二維水動力模型的基礎上，采用移動源強對離岸風電場海底電纜敷設施工懸浮物擴散進行了數值模擬，分別得到大潮與小潮工況下，懸浮物最大增量影響范圍。本工程施工懸浮物主要分布在海纜附近，并且由于小潮期間水動力較弱，懸浮泥沙不易稀釋擴散，小潮期施工懸浮物最大增量影響范圍大于大潮期。此外，對懸浮物影響持續時間進行了分析，在緊靠海纜的水域懸浮物影響持續時間約為3.5小時，距離海纜越遠懸浮物影響持續時間越短，2 km以外的區域基本不會受到影響。

本研究結果為進一步分析離岸風電場海底電纜施工導致的海洋生態影響提供了依據。根據本次研究得到的施工懸浮物分布規律，建議采取以下減緩措施：①在施工過程中嚴格按照設計方案施工，禁止擅自擴大施工區域，并且盡可能縮短水下施工時間；②海底電纜施工避開魚類產卵期；③在潮灘區域，盡可能選擇在低潮位時進行露灘施工，盡可能避免懸浮在水下劇烈擴散；④根據懸浮物擴散影響范圍、持續時間計算其導致的生物資源損失量，通過增殖放流等措施，進行生物資源補償。