海上風機對潮間帶地形變化影響的定量遙感監測研究

關鍵詞：海上風機;潮間帶;定量遙感;沖淤變化

0 引言

海上風電具有清潔低碳、靠近沿海地區用電負荷側、消納方便等優點，對于“雙碳”目標實現的重要作用日益凸顯，發展海上風電被視為我國能源結構轉型的重要戰略支撐。江蘇近海海域廣闊，海底地形平坦，近海潮間帶和近海海域80m 高度的平均風速約為7.5m/s[1]，風能資源豐富，海上風能開發利用潛力巨大。江蘇如東、大豐、東臺、射陽和啟東等沿海地區具備良好的風能資源開發利用條件，已成為我國海上風電發展的重點區域。

海上風電發展在促進綠色能源發展的同時，風機建設不可避免地影響淺海的潮流運動和泥沙輸運狀態，不僅導致風機基樁周圍產生侵蝕或沉積，而且對潮間帶地形沖淤產生影響，進而可能影響潮間帶的沙體穩定和生境變化。

潮間帶沙體的形態變化是長期、動態的調整過程。目前對海上風機建設引起的潮間帶動態變化的分析主要采用海洋數值模型模擬方法[2]，該方法根據假設的不同動力情境，給出初始狀況和極限狀況下風機引起的潮間帶沖淤狀態。例如：根據江蘇華能如東潮間帶風力發電項目的水動力模擬結果，潮間帶風機現場的預計侵蝕深度為5.93～9.15m，沖刷坑的最大半徑為12.64～17.90m。但數值模擬方法無法給出潮間帶沖淤的實際狀態及變化過程，從空間分析的角度來看，DEM 為潮間帶沙體的動態變化監測提供理想的解決方案[3-4]。對比水下多波束測深、航空立體攝影測量、LiDAR測量等方法，多光譜衛星遙感提供安全且高效的淤泥質潮灘DEM 構建方法[5-6]，通過對不同潮期遙感影像的水位線（代表陸海邊界）時間序列進行插值，可利用常規的水邊線方法快速構建潮間帶沙洲DEM，并顯示其表面起伏狀態[7-9]。然而采用常規的水邊線方法構建的潮灘DEM，無論是在灘涂地形細節的表達上，還是在解釋小目標（如海上風機）引起的地形變化上，都存在一些不足。

針對潮間帶風電場建設對潮間帶灘涂穩定性的影響分析，本研究提出假想沙體表面判別法，從單時相DEM 中定量估計海上風機建設引起的潮間帶地形變化，分析海上風機建設及運行對近海沙體地形沖淤變化的貢獻率和貢獻方式，并基于增強型水邊線法構建的多時相潮間帶DEM，開展潮間帶灘涂沖淤變化影響海上風機安全性和穩定性的定量評估。

1 數據與方法

1.1 研究區及數據

研究區為江蘇蔣家沙、竹根沙（簡稱“兩沙”）海域，位于江蘇沿海輻射沙洲的核心區（圖1）。“兩沙”海域位于以弶港為中心向東的分界線兩側，以北側為主，沙體運動變化大，大型潮溝擺動明顯。沿岸潮流呈現往復特征，泥沙呈現橫、縱向運輸。在潮流控制下，冬季潮灘侵蝕特征較為明顯。輻射沙洲區域作為江蘇岸外重要的巨型沙體，受沿岸水動力環境、人類活動等諸多因素影響，整體變化強烈。

根據影像數據質量以及影像成像時刻的潮位情況，本研究收集2014年和2018年覆蓋“兩沙”海域的中高分辨率衛星遙感影像83景。影像數據類型為美國陸地衛星遙感影像數據Landsat8OLI（空間分辨率為30 m）、歐洲哨兵衛星遙感影像數據Sentinel-2（空間分辨率為15m）和國產GF-1號衛星重采樣遙感數據（空間分辨率為16m）。

1.2 實驗方法

1.2.1 風機點位

從2018年的高分辨率衛星遙感影像中提取“兩沙”海域內84個風機的點位信息，這些風機點位分為8排，其中7排位于蔣家沙、1排位于八仙角（圖2）。有49個風機點位同時位于2014年和2018年的潮間帶區域，可用于定量分析風機建設對潮間帶灘涂沖淤的影響。其他35個風機點位中，一部分2014年位于深槽，2018年位于潮間帶淺灘，表明這些風機點位的地形發生明顯的淤積;另一部分2014年位于潮間帶淺灘，2018年位于深槽，表明這些風機點位的地形發生明顯的沖刷。這種沖淤作用主要是由潮溝擺動和沙體移動造成的，因此這些點位可用于評估沙體動態變化對風機可能造成的影響。

1.2.2 評估方法

潮間帶灘涂上如果沒有建設海上風電機組，在自然狀況下，灘涂本身會產生沙體的平面位置移動以及沙體的垂向沖淤變化。但在海上風電機組建設后，潮流和波浪引起的水體粒子運動會受到顯著的影響，因而風電機組建設本身也會對潮間帶灘涂的沖淤產生貢獻。通常情況下，風機樁基周圍的流態表現為：①在風機基礎的前方形成馬蹄渦;②在風機基礎的背流處形成渦流（卡門渦街）;③在風機基礎的兩側流線形成收縮（圖3）。這種局部流態的改變會增加水流對底床的剪切應力，從而提高水流挾沙能力。如果潮間帶是易受侵蝕的，水體挾沙能力提高的結果是在風機基礎局部區域形成沖刷坑，導致在風機基礎附近產生局部沖刷。

海上風電機組建設對沙體沖淤的附加影響是加快沙體沖刷或沙體淤積，可通過風機建設前后的風機點位高程與周圍地形高程之間的對比來定量分析。為定量評估風機建設引起的灘面沖淤量，基于增強型水邊線法（EWM）構建高精度潮間帶DEM。以遙感構建的2014年DEM 作為風機建設前的基礎地形，以2018年DEM 作為風機建設后的實際地形，根據風機建設前后的地形變化對比，分析風機建設與地形沖淤之間的相互影響（圖4）。

主要計算方法包括2 種。① 單DEM 法，即用1個年份的DEM 計算。D1 為風機建設后T2年的實際灘面高程，D 為無風機狀況下T2 年的假想灘面高程，風機建設引起的灘面沖淤高度H =D -D1。②DEM 差值法，即用2 個年份的DEM 差值計算。H1為風機點位在2個年度的實際灘面高程差，H2 為無風機狀況下的假想灘面高程差，風機建設引起的灘面沖淤高度H =H1-H2（圖5）。

無論采用哪種計算方法，計算風機建設引起的灘面沖淤高度的關鍵是得到T2年無風機狀況下的假想灘面高程。假定在沒有風機的情況下，風機點位的地形變化用點位周圍地形的平均值代替，可以風機點位為中心，取不同窗口尺度（R1，R2，…，Rn），并求取各窗口內DEM 高程的平均值，即該風機點位在無風機狀況下的假想灘面高程。由于“兩沙”海域現有風機之間的最短距離約為480m，平滑處理窗口尺度不應大于480m（圖6）。

1.2.3 判定標準

以年均灘面沖淤高度作為判定標準，判定沖淤強度等級。根據遙感DEM 模擬誤差、“兩沙”海域潮間帶平均高程變化范圍以及潮間帶高程標準差，以40cm 間隔作為分級指標（表1）。

2 實驗結果

2.1 單DEM 法

以遙感構建的2018年“兩沙”海域DEM 為基礎數據，計算各風機點位在不同窗口尺寸下的平均假想灘面高程。根據不同窗口尺寸下假想灘面高程的互相關分析，制作互相關關系擬合曲線。隨著參與假想灘面高程計算的DEM 網格數量的增加，各尺寸窗口的相關系數呈冪函數關系下降，其中120m 和150m 窗口的相關系數處于互相關關系曲線的第一個極小值點位置。到240m 窗口的相關系數有所增加，然后300m 和480m 窗口的相關系數又呈冪函數關系下降?？傮w來看，小于150m 窗口計算得到的假想灘面高程之間的相關系數大于0.8，整體相關性很高。考慮到窗口尺寸越大，地形平滑效果越明顯，從而降低風機基樁小范圍的微地形起伏效應，因此選擇120m 作為風機點位假想灘面高程的最大計算范圍，取45～120m 窗口的平均灘面高程作為無風機狀態下的假想灘面高程是合理的方案。此外，海上風電風機的單機用海直徑與120m 相近，此窗口尺寸具有一定的參考價值和實際應用價值。

2.2 DEM 差值法

利用遙感構建的2014年和2018年“兩沙”海域DEM 為基礎數據，分別計算各風機點位在不同窗口尺寸下的2014年平均實際灘面高程和2018年的平均假想灘面高程，從而得到各窗口尺寸下2個時相的平均灘面高程差。制作不同窗口尺寸下平均灘面高程差的相關曲線，并以45m 窗口的相關曲線為代表進行擬合。相關系數隨著窗口尺寸的增大以冪函數的方式遞減，在小于120m 的窗口尺寸下相關系數均大于0.8。相比之下，DEM 差值法在75m 和120m 窗口下的相關系數振蕩性稍大于單DEM 法。

2.3 模擬結果對比

經對比，2種計算方法的模擬結果顯示高度的一致性。個別風機點位（如JJS-4-4）正好位于2014年DEM 和2018年DEM 的邊緣（圖7），導致在75m 和120m 窗口下的假想灘面高程計算結果與其他窗口尺寸有較大差別，從而造成DEM 差值法計算的風機建設引起的灘面沖淤高度偏大。

綜合來看，在絕大多數風機點位上，2種計算方法得到的灘面沖淤高度模擬結果非常接近，表明2種方法的計算具有穩定性。但當2個年份地形變化較大，尤其當風機位于潮溝邊緣區或灘面潮溝擺動區時，DEM 差值法模擬的灘面沖淤高度偏大。因此，在研究中應選取單DEM 法的模擬結果，作為分析風機建設引起灘面沖淤變化的基礎數據。

3 結果分析

根據單DEM 法的模擬結果，本研究統計“兩沙”海域潮間帶由風機建設引起的灘面沖淤情況。在49個潮間帶風機點位中，4個風機點位為強侵蝕，5個風機點位為弱侵蝕，36個風機點位為沖淤平衡，4個風機點位為弱淤長（圖8）。

引起灘面強侵蝕的風機均位于潮間帶灘涂的小型潮溝內，潮溝兩側的灘面高程基本屬于潮間帶高程的最高位置，風機所在的潮溝下切較深，且與周圍灘涂的高差較大。引起灘面弱侵蝕的風機所在的潮溝相對寬平，且與周圍灘涂的高差不大。由于潮間帶灘涂具有快速動態變化的特性，灘面小型潮溝一直在生成、消亡和擺動，對風機穩定性的影響較小。灘面沖淤平衡的風機基本位于潮間帶的非潮溝區域，平均灘面沖淤高度為1.08cm，灘涂地形起伏不大，風機基樁對灘面水流阻滯以及水流攜帶泥沙輸運或落淤的影響較小。引起灘面弱淤長的風機主要位于潮間帶高程的較高位置，且周圍灘涂相對較低，可見風機基樁的存在使風機點位灘面小幅淤高。

4 結語

本研究提出假想沙體表面判別法，從單時相DEM 中定量估計海上風機建設引起的潮間帶地形變化，分析海上風機建設對近海沙體地形沖淤變化的影響，并基于增強型水邊線法構建的多時相潮間帶DEM，開展潮間帶灘涂沖淤變化對海上風機安全性和穩定性影響的定量評估。研究結果表明：“兩沙”海域大部分風機建設引起的灘面沖淤高度為-20～20cm，處于沖淤平衡狀態，僅有不到20%的風機點位發生侵蝕。在風機建設初期，風機機組對潮間帶沖淤的影響總體不大，但風機建設引起潮間帶沖淤的累積效應還需要進一步的長期跟蹤監測。