徐 俊

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065)

文章編號：1006—2610(2015)01—0001—05

海上風(fēng)電及潮汐電站海洋水文設(shè)計淺析

徐 俊

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065)

海洋水文為海洋工程規(guī)劃、設(shè)計、施工、管理、運行、決策提供水文依據(jù)。海洋水文設(shè)計有關(guān)參數(shù)影響到建筑物類型的選擇和結(jié)構(gòu)計算,也影響工程的安全、運行、投資和效益。結(jié)合海上風(fēng)電及潮汐電站水文設(shè)計方面的實踐，對有關(guān)水文設(shè)計內(nèi)涵和水文設(shè)計參數(shù)對工程的影響，以及設(shè)計需要注意的問題進(jìn)行了分析和總結(jié)。

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(guī)劃、設(shè)計、施工、管理、運行、決策提供水文依據(jù)的學(xué)科。海洋水文設(shè)計有關(guān)參數(shù)往往會影響到建筑物類型的選擇和結(jié)構(gòu)計算,影響工程的安全、運行、投資和效益。隨著國家經(jīng)濟(jì)實力的增強和國家能源戰(zhàn)略計劃的實施，以及清潔能源的開發(fā)需要，海上風(fēng)電已經(jīng)呈現(xiàn)大規(guī)模開發(fā)利用景象，潮汐發(fā)電也從試驗、研究逐漸步入開發(fā)利用階段。海上風(fēng)電及潮汐電站與陸地風(fēng)電和常規(guī)水電站水文設(shè)計相比，設(shè)計的內(nèi)涵發(fā)生了較大變化，設(shè)計內(nèi)容也更為復(fù)雜，工程經(jīng)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(fā)電工程相結(jié)合的復(fù)合領(lǐng)域，目前還缺乏既滿足海洋工程特性又符合水力發(fā)電特點的海洋發(fā)電工程的規(guī)程、規(guī)范，僅有《海港水文規(guī)范》(JTS145-2-2013)[1](以下簡稱《海港水文規(guī)范》)及水電設(shè)計水文規(guī)范。本文結(jié)合海上風(fēng)電及潮汐電站(以下簡稱海洋發(fā)電工程)水文設(shè)計方面的實踐，對有關(guān)海洋發(fā)電工程水文分析計算內(nèi)涵和水文參數(shù)對工程的影響意義，以及海洋發(fā)電工程水文設(shè)計需要注意的問題等方面進(jìn)行分析和總結(jié)。

1 水文分析計算研究范圍和方法

目前,海洋發(fā)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(zhì)(溫度、鹽度、密度等)的變化規(guī)律和推算方法。主要是通過現(xiàn)場觀測、理論分析和模型試驗等手段進(jìn)行。水文觀測資料是研究的基礎(chǔ)，觀測須在不同天氣條件、不同季節(jié)和不同潮汐情況下進(jìn)行；理論分析是用流體力學(xué)和數(shù)學(xué)的基本原理來研究水文現(xiàn)象的變化規(guī)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(fù)演歷史變化過程并推演未來可能的發(fā)展過程?！逗８鬯囊?guī)范》特別強調(diào)應(yīng)以當(dāng)?shù)氐乃挠^測資料為主要依據(jù)進(jìn)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(fēng)增、減水，海流、水溫、鹽度等)、潮位計算、波浪計算等。

海洋發(fā)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(fēng)速及風(fēng)向、各風(fēng)向平均、最大風(fēng)速、各風(fēng)向頻率、相對濕度、日照、蒸發(fā)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(fēng);④ 臺風(fēng)年鑒等資料。

2 工作環(huán)境條件和極端環(huán)境條件

海洋發(fā)電工程所受海洋氣象因素的影響往往比陸地復(fù)雜得多。除受風(fēng)、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(guī)范》(CCS 2003)和《海上固定平臺入級與建造規(guī)范》(1992)都將環(huán)境條件分為工作環(huán)境條件和極端環(huán)境條件。前者指平臺在施工和使用期間經(jīng)常出現(xiàn)的環(huán)境條件，應(yīng)以保證平臺能正常施工和作業(yè)為標(biāo)準(zhǔn)。后者指平臺在使用年限內(nèi)，極少出現(xiàn)的惡劣環(huán)境條件，應(yīng)以保證平臺的安全為標(biāo)準(zhǔn)。

工作環(huán)境條件是進(jìn)行海洋工程建設(shè)中有效地制定施工進(jìn)度和較準(zhǔn)確地把握工期的依據(jù)，也是海洋工程構(gòu)筑物保證在常規(guī)海況下安全生產(chǎn)的依據(jù)。極端海洋環(huán)境條件是海洋發(fā)電工程設(shè)計荷載的依據(jù),較準(zhǔn)確地提供出海洋發(fā)電工程所在海域的極端環(huán)境參數(shù)，是既保證工程安全設(shè)計，又能控制其合理投資的關(guān)鍵因素。

3 設(shè)計內(nèi)容及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

3.1 設(shè)計潮位

各類涉海工程規(guī)劃、設(shè)計和施工所依據(jù)的潮位稱為設(shè)計潮位。按照《海港水文規(guī)范》規(guī)定，設(shè)計潮位應(yīng)包括:設(shè)計高、低水位;極端高、低水位。設(shè)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(shè)計水位范圍內(nèi)，應(yīng)保證在各種設(shè)計荷載條件下，滿足結(jié)構(gòu)以及地基基礎(chǔ)的穩(wěn)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(fēng)、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(xiàn)期以幾十年來計算。出現(xiàn)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(jié)構(gòu)和地基仍有必要的安全度。

設(shè)計潮位是進(jìn)行由深海波浪計算近海波浪的邊界設(shè)計條件；極端高水位是確定近海風(fēng)機檢修平臺底高程的主要依據(jù)，極端低水位主要用于水工建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計。設(shè)計潮位直接關(guān)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(jié)構(gòu)計算，以及工程的規(guī)模、等級和使用情況。

按照《海港水文規(guī)范》的規(guī)定，對于海岸港和潮汐作用明顯的河口港，設(shè)計高水位應(yīng)采用高潮累積頻率10%的潮位或歷時累積頻率1%的潮位，設(shè)計低水位應(yīng)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(shè)計高水位和設(shè)計低水位應(yīng)分別采用多年的歷時1%和98%的潮位。

《海港水文規(guī)范》規(guī)定，海港工程的極端高水位應(yīng)采用重現(xiàn)期為50年的年極值高水位，極端低水位應(yīng)采用重現(xiàn)期為50年的年極值低水位。

3.2 設(shè)計波浪要素

設(shè)計波浪應(yīng)包括外海設(shè)計波浪及近岸區(qū)設(shè)計波浪(工程區(qū)設(shè)計波浪)。

設(shè)計波浪是設(shè)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(shè)計波浪包含2個方面:設(shè)計波浪的重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)和波列累積頻率標(biāo)準(zhǔn)。前者是指波浪要素的長期(以數(shù)十年計)統(tǒng)計分布規(guī)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(guī)則波列中的出現(xiàn)概率，代表波浪要素的短期(以十幾分鐘計)統(tǒng)計分布規(guī)律，主要反映波浪對不同類型建筑物的不同作用性質(zhì)。

《海港水文規(guī)范》規(guī)定，在進(jìn)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(wěn)定性計算時，設(shè)計波浪的重現(xiàn)期應(yīng)采用50 a。破壞后不致造成重大損失的斜坡式護(hù)岸等非重要建筑物，其設(shè)計波浪的重現(xiàn)期可采用25 a;對于大水深的重要建筑物，當(dāng)重現(xiàn)期100 a的波高大于或等于重現(xiàn)期50 a的同一波列累積頻率的波高1.15倍時，其設(shè)計波浪的重現(xiàn)期可采用100 a，且其極端高水位的重現(xiàn)期可相應(yīng)調(diào)整為100 a。

設(shè)計波高的波列累積頻率標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)按表1采用。當(dāng)推算的波高大于淺水極限波高時，應(yīng)采用極限波高。

表1 設(shè)計波高的累積頻率標(biāo)準(zhǔn)表

3.3 海 流

海流是一種綜合性流，是潮流、風(fēng)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(guān)場址選擇、航道布置、水下管線布設(shè)、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(yīng)考慮當(dāng)?shù)氐暮Ａ鳡顩r。水流荷載是海岸海洋結(jié)構(gòu)物的主要環(huán)境荷載之一,是地基基礎(chǔ)承受的海流流動所產(chǎn)生的外部作用，是海岸海洋結(jié)構(gòu)物的主要動力因素之一。海流設(shè)計參數(shù)是計算水流力的基礎(chǔ)。

在工程上主要關(guān)心海流對海上結(jié)構(gòu)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(shè)備的性能產(chǎn)生影響，因此在海洋工程環(huán)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(tǒng)計資料主要靠實測。

4 設(shè)計中需要注意的問題

4.1 設(shè)計潮位

4.1.1 設(shè)計高、低水位的計算

有實測資料的地區(qū)，在確定設(shè)計高、低水位，進(jìn)行高、低潮累積頻率以及潮位累積頻率統(tǒng)計時，應(yīng)有完整的1 a或多年的實測潮位資料。

對于新建工程地區(qū)，往往缺少1 a以上的實測潮汐資料。這種情況下，可以先進(jìn)行時間長度不少于1個月的現(xiàn)場觀測?？刹捎孟嚓P(guān)法和預(yù)報法2種方法計算水位。

相關(guān)法：在僅有短期觀測資料的條件下，應(yīng)對利用短期資料統(tǒng)計的結(jié)果進(jìn)行訂正。方法是利用短期資料，統(tǒng)計擬建工程設(shè)計高、低水位，統(tǒng)計與擬建工程潮汐性質(zhì)基本一致的附近工程同樣長度和時間的短期資料的設(shè)計高、低水位，求出兩工程設(shè)計高、低水位相關(guān)關(guān)系。利用長期資料統(tǒng)計設(shè)計高、低水位和這個相關(guān)關(guān)系，將擬建工程短期資料統(tǒng)計的設(shè)計高、低水位，訂正為準(zhǔn)長期資料統(tǒng)計結(jié)果。

預(yù)報法根據(jù)1個月實測資料進(jìn)行調(diào)和分析，求得該地區(qū)的潮汐調(diào)和常數(shù)，并結(jié)合附近工程的長周期分潮，進(jìn)行為期1 a以上的潮汐預(yù)報，利用預(yù)報資料進(jìn)行統(tǒng)計分析，求得設(shè)計高、低水位和乘潮水位。在滿足設(shè)計急需的同時，繼續(xù)進(jìn)行現(xiàn)場實測，待完整資料取得后，再進(jìn)行設(shè)計高、低水位的統(tǒng)計計算，并對利用預(yù)報值計算的結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

4.1.2 設(shè)計潮位過程線

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

假設(shè)高潮位與潮差同頻率發(fā)生，用設(shè)計高潮位和設(shè)計漲、落潮差共同控制典型潮位過程的放大，就能使設(shè)計潮位過程的推求融入更多的信息，使設(shè)計潮位過程的高潮位、漲、落潮差同時達(dá)到預(yù)定的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，也減小了設(shè)計潮位過程推求的任意性。具體計算時，在確定了設(shè)計高(低)潮位及其前后相鄰的2個低(高)潮位后，可根據(jù)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(shè)計潮位過程線各時刻相應(yīng)數(shù)值，再加上設(shè)計潮位過程線相應(yīng)的低潮位，即得到相應(yīng)的設(shè)計潮位過程線。

在工程上具體計算還可用線性變換法進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，在全年707個周期中找到的5%設(shè)計潮位典型過程特征，見表2。

表2 某站5%設(shè)計潮位典型過程特征表

由于所找的典型值與設(shè)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(shù)值與設(shè)計值完全相同，進(jìn)而得到設(shè)計典型周期過程。

設(shè)高潮位的典型值、設(shè)計值為G1、G2，低潮位的典型值、設(shè)計值為D1、D2，漲潮差設(shè)計值為ΔH。

對G1、D1做線性變換得G2、D2，設(shè)伸縮系數(shù)為k，平移系數(shù)為b，則：

(1)

線性變換后，為使?jié)q潮差與漲潮差的設(shè)計值相等，需滿足：

G2-D2=ΔH

(2)

由式(1)、(2)解得：

(3)

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

表3 某站5%設(shè)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(xù)20 a的年最高潮位和年最低潮位實測資料并應(yīng)調(diào)查歷史上出現(xiàn)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(jìn)行適線，得到其不同重現(xiàn)期高、低水位。

2) 對于有不少于連續(xù)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(xù)20 a資料的工程或驗潮站進(jìn)行同步相關(guān)分析,計算不同重現(xiàn)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(shè)計高、低水位的基礎(chǔ)上，參照《海港水文規(guī)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(shè)計高水位和設(shè)計低水位，但兩者需同時采用高水位或低水位；K為常數(shù),m;采用與《海港水文規(guī)范》中表c.0.4中潮汐性質(zhì)、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(yīng)的數(shù)值，高水位時用“+”，低水位時用“-”。

4.2 設(shè)計波浪

波浪荷載是引起海工結(jié)構(gòu)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(fēng)場要素、水流條件和水域深度，而且還與結(jié)構(gòu)的形式有關(guān)。分析和計算設(shè)計波浪，是計算海洋結(jié)構(gòu)物作用力的基礎(chǔ)。

波浪資料不同，推求設(shè)計波浪的方法也不同。當(dāng)海岸地區(qū)或其臨近的海洋水文觀測站積累有超過20 a的連續(xù)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(guī)律，再計算重現(xiàn)期設(shè)計波浪；當(dāng)海岸地區(qū)或其附近沒有海洋水文觀測站，則可利用當(dāng)?shù)貧庀笈_站的風(fēng)況觀測資料或天氣圖，依據(jù)風(fēng)要素與波要素的關(guān)系后報波浪要素，以此推算重現(xiàn)期的設(shè)計波浪。

4.2.1 外海設(shè)計波浪要素

推算外海波浪要素是工程設(shè)計中重要的前期工作。當(dāng)工程所在地或其附近有較長期的波浪觀測資料時，可根據(jù)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(xiàn)期的設(shè)計波浪要素。但我國沿海很多新開發(fā)的地區(qū)缺乏長期波浪觀測資料，實際工程設(shè)計中通常采用風(fēng)資料推算工程海域的外海波浪要素，再推算淺水區(qū)的設(shè)計波浪要素。

(1) 由較長期的波浪觀測資料計算

(2) 采用風(fēng)資料推算外海波浪要素

根據(jù)收集到海洋站較長系列風(fēng)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(fēng)速比較確定歷年分方向的年極值風(fēng)速，按照P-Ⅲ型頻率分析的方法計算各重現(xiàn)期設(shè)計風(fēng)速，再根據(jù)設(shè)計風(fēng)速推算外海波要素。

1) 設(shè)計風(fēng)速計算

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

2) 外海深水波要素計算

可采用《海港水文規(guī)范》推薦的海大法進(jìn)行外海深水波要素計算。

式中：F為風(fēng)區(qū)長度，m；Hs為有效波高，m；Ts為有效周期，s；v為風(fēng)速，m/s；d為水深，m；g為重力加速度，m/s2。

根據(jù)影響工程波浪主要方向的設(shè)計風(fēng)速計算結(jié)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?qū)l(fā)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(fù)雜現(xiàn)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(yīng)。

在近岸波浪數(shù)值模擬中，有多種波浪數(shù)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(shù)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(yīng)進(jìn)行計算,對擬定的各種不同水位和主要波向、不同重現(xiàn)期的設(shè)計波要素情況下的波浪場進(jìn)行數(shù)值模擬。

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

MIKE21 BW是丹麥水力研究所(DanishHydrauliclnstitute，DHI)開發(fā)的應(yīng)用較為廣泛的平面二維數(shù)學(xué)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(guī)則波也可以計算不規(guī)則波。該模型能綜合反應(yīng)波浪的折射、繞射、反射、破碎和淺水變形等一系列現(xiàn)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(wǎng)格精度時，模型能準(zhǔn)確模擬繞射、淺水變形和破碎的全過程。

5 結(jié) 語

海洋水文設(shè)計是海洋發(fā)電工程設(shè)計的基礎(chǔ)，水文設(shè)計的參數(shù)往往會影響建筑物類型選擇和結(jié)構(gòu)計算，直接關(guān)系到工程的安全、投資及效益。對于海洋發(fā)電工程的水文分析計算，應(yīng)以當(dāng)?shù)氐乃挠^測資料為主要依據(jù)。

本文從專業(yè)的角度上淺析了海洋發(fā)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(huán)境條件和極端環(huán)境條件，闡述了海洋發(fā)電工程水文主要設(shè)計內(nèi)容及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，提出了海洋工程水文設(shè)計需要注意的問題，希望能給工程設(shè)計人員提供一些經(jīng)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