离岸海上风电场海底电缆敷设悬浮物扩散数值模拟

张亚力，俞年昌，董浩平，柏海霞

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州 311122)

0 引 言

海上风电的发展已经成为可再生能源领域的焦点，随着技术的不断进步和科研实力的加强，海上风电呈现出离岸化和深海化的趋势，预计未来海上风电平均离岸距离有可能达100 km[1]。风电场离岸越远，所需的电力送出海缆越长。海底输电电缆的铺设需要深挖海沟，引起海底泥沙悬浮并随潮流扩散，敷设海缆周围水体浑浊，从而对施工电缆周围海域海洋生物产生影响[2]。因此，海底电缆施工悬浮物将是离岸风电场环境影响所关注的重点。

目前已有的海洋工程或者海底电缆工程施工悬浮物预测，大多采用固定的代表点在不同的作业点位进行悬浮物释放模拟，再绘制出悬浮物包络图[3-5]。海上风电场海底电缆通常利用水力敷设机沿海底电缆以一定的速度开沟敷设，利用固定点源进行海缆敷设悬浮物预测与实际情况差异较大，无法反映出真实的悬浮物扩散范围。本研究以江苏启东海上风电场为例，在潮流动力模型的基础上，增加悬浮物扩散模型，并根据海缆实际敷设速率，采用移动释放源强模拟海底电缆施工悬浮物扩散，得到悬浮物最大扩散范围以及施工海缆周边悬浮物增长与消减的过程。预测结果为进一步分析海底电缆施工带来的海洋生物资源影响提供了依据。

1 工程概况

江苏启东海上风电场项目位于江苏启东近海海域，风机离岸最近距离约37 km，属南黄海滨海相沉积地貌单元，水下滩面地形较平缓，自西北向东南略有倾斜。勘察期间水深在13.5～17.7 m之间，场区内地基土表层以粉土、淤泥质粉质粘土为主。风机产生的电力通过海底电缆从各风机送至海上升压站，再从海上升压站集中送至岸上，项目电缆总长度为167.669 km。

2 工程区域水动力模型

2.1 水动力数学模型

(1)连续方程：

(1)

(2)运动方程：

(2)

(3)

2.2 计算区域与网格

工程二维潮流数值模型计算范围如图1所示。模型南北长约303.1 km，东西宽约160.6 km，计算面积约4.7×104km2。

为合理描述悬浮物浓度场，延敷设海缆对网格进行局部加密，悬浮物计算网格尺寸为10～100 m，如图1所示。

2.3 水动力计算结果

利用工程区附近所布置的潮位站以及潮流站实测大、中、小潮期间的实测数据，对水动力模型进行了验证。经验证后海缆敷设区大潮涨急时刻工程区流速约为0.93 m/s，落急时刻流速约为0.96 m/s；小潮时，风电场区涨急流速约为0.66 m/s，落急时刻流速约为0.72 m/s之。

3 悬浮物扩散预测模型

3.1 悬浮预测数学模型

施工产生的悬浮泥沙在潮流作用下向周围输运，其输移方式可按照物质的对流扩散方程进行数值模拟：

(4)

式中，S垂线平均含沙量(kg/m3)，在此代表悬沙增量；u,v分别为x,y方向上的垂线平均流速分量(m/s)；H水深(m)；Dx,Dy为泥沙紊动扩散系数(m2/s)；

Fs源汇项kg/(s·m2)，FS=F′+F″/A

3.2 悬浮预测源强设置

根据项目施工方案，采用专业海底电缆敷设船配备牵引式高压水埋设机进行敷埋施工，悬浮物发生源强按以下公式计算：

F″=Aνρf

(3)

其中，S为悬浮物源强，kg/s；A为海缆开挖横截面积，m2；v为海缆施工速度，m/s；ρ为底质沉积物干密度，kg/m3；f为起沙率，无量纲。

电缆敷设深度不小于2.0 m，开挖沟剖面为倒梯形，本次计算横截面积取1.5 m2；正常铺设速度为3 m/min；泥沙容重取值为750 kg/m3；根据同类项目类比，起沙率取保守值15%。经计算悬浮物的产生速率约为16.86 kg/s。

电缆铺设为线性工程，且逐段进行施工，因此悬浮物释放在模型中按移动点源的方式进行处理。

4 计算结果分析

最终计算得到，在大潮施工情况下，悬浮物增量大于第二类海水水质标准10 mg/L的最大影响范围为119.56 km2，大于第三类海水水质标准100 mg/L的最大影响范围为4.12 km2，大于第四类海水水质标准150 mg/L的最大影响范围为1.90 km2；在小潮施工情况下悬浮物增量大于10、100、150 mg/L的最大影响范围分别为148.16、6.96、3.27 km2。图2与图3分别为大潮与小潮工况下电缆敷设悬浮物增量分布范围。总体而言，小潮期间施工悬浮物的影响范围大于大潮施工，主要因为小潮期间水动力较弱，悬浮泥沙不易稀释扩散，容易在短时间内在海缆周边富集。

图4为以小潮工况为例，在距离海缆不同距离选择代表点分析悬浮物浓度增量随时间的变化。在距离海缆50 m处悬浮物增量超过10 mg/L的持续时间约3.5小时，在距离海缆200 m处悬浮物增量超过10 mg/L的持续时间约2小时，在距离海缆1 000 m处悬浮物增量超过10 mg/L的持续时间约0.5小时，在距离在距离海缆2 000 m处悬浮物增量在10 mg/L以下。

5 结束语

本研究以江苏启东海上风电场为例，在二维水动力模型的基础上，采用移动源强对离岸风电场海底电缆敷设施工悬浮物扩散进行了数值模拟，分别得到大潮与小潮工况下，悬浮物最大增量影响范围。本工程施工悬浮物主要分布在海缆附近，并且由于小潮期间水动力较弱，悬浮泥沙不易稀释扩散，小潮期施工悬浮物最大增量影响范围大于大潮期。此外，对悬浮物影响持续时间进行了分析，在紧靠海缆的水域悬浮物影响持续时间约为3.5小时，距离海缆越远悬浮物影响持续时间越短，2 km以外的区域基本不会受到影响。

本研究结果为进一步分析离岸风电场海底电缆施工导致的海洋生态影响提供了依据。根据本次研究得到的施工悬浮物分布规律，建议采取以下减缓措施：①在施工过程中严格按照设计方案施工，禁止擅自扩大施工区域，并且尽可能缩短水下施工时间；②海底电缆施工避开鱼类产卵期；③在潮滩区域，尽可能选择在低潮位时进行露滩施工，尽可能避免悬浮在水下剧烈扩散；④根据悬浮物扩散影响范围、持续时间计算其导致的生物资源损失量，通过增殖放流等措施，进行生物资源补偿。