WeChat ID xi92899 Intro 这是一个提供海洋与测绘专业人士学习与交流的平台，我们以宣传海洋与测绘文化、进行专业推广交流为己任，力求文章发布的唯一性。与此同时，表达个人感想与感悟，体现人文关怀，力争多发表贴近生活、体现时代精神的各类原创作品。 近年来新能源领域发展势头迅猛，以风电、光伏等为代表的清洁能源尤其如此。海洋作为地球上最大的能量、物质输运系统，蕴藏的巨大能量。以海上风能为例，其风速稳定、利用小时高，是风能开发的前沿和未来，据国外权威机构统计，2013年英国海上风电装机达3.67吉瓦、丹麦1.23吉瓦、比利时56.55万千瓦、德国50.8万千瓦，中国以35.59万千瓦的并网容量，名列第五。2013年欧盟提出到2020年海上风电装机达到40吉瓦，中国同期的目标是30吉瓦。从以上数据可以看出中国在这个新领域仍处于落后地位。 中国的海上风能资源比较丰富，而且分布大多靠近电力负荷高的地区。根据最新的海上风能资源普查成果，中国50米70米高度海上风电开发潜力约5亿千瓦，5到25米水深，海上风电开发潜力约2亿千瓦，另外有部分地区深海风能资源也较为丰富。从下图1可以看出，沿海岸线风能资源逐步加大，特别是在渤海、福建、台湾海峡，海上风能资源丰富，开发条件也较好。 图1 我国近海风能资源分布图 注：左图为2010年国家气候中心模拟中国近海风资源分布图，右图为西班牙Vortex公司2011年模拟中国近海风资源分布图 截至2013年底，中国海上风电装机容量只有42.8万千瓦，占全国风电装机总容量的0.5％左右（见下表1）。 表1 各机构对我国海上风能储量评估 预测机构 理论可开发面积 /万平方千米 理论技术可开发量 /万平方千米 距海平面高度 /米 中国气象局（20世纪90年代） 10 联合国环境署（2004年） 12.2 50 中国科学院地理研究所（2006年） 20(储量) 10 中国气象局（2007年） 50 国家气候中心（2009年） 50 注：按照国家规定的三类以上风能资源可开发区域，以风能功率密度指标划分，距地面10m高度为150W/㎡以上的风能区域，距地面50m高度为400w/㎡以上的风能资源区域 不可否认，我国陆上风电开发过程中，有些企业为了抢资源，不考虑合理布局，不顾投资效益，造成了“大跃进”式的盲目的过速发展，如果不加调控，海上风电开发很可能会重走这条老路。 因此，我国在海上风电建设之初就采取了“缓步稳定推进”的策略。换句话说，搞海上风电，需要“精耕细作”。 那么，从地质环境的角度考虑，中国海上风能开发过程中，需要注意什么呢？ 首先，是安全问题。风电设施一旦建成，就会经受外界环境的考验，而海洋是一个完全动态的环境，因此，其特殊性必须予以重视，除了南方夏季台风和北方冬季寒潮海冰以外，海床的稳定性会对风电平台和电缆安全产生严重影响（图2）。 图2 我国近岸水下岸坡类型 其次，是输电效能问题。输电线缆埋入海床后，浅部沉积物的温度、热导率将严重影响线缆的传导能耗，如何做到电能输运过程中损失最小，也是一个值得研究的问题。 下面，就来分别谈谈这两个问题。 一、海床稳定性对海上风电设施的影响 海床在构造运动的背景下形成一个相对稳定的动力沉积环境，各种动力因素在该环境下共同作用改造或塑造海底地形，这个过程的最终结果是产生一个各动力因素在其作用过程中能量损失最小的环境。 风电平台和电缆都属于浅基础构筑物，多建于水深地形变化相对剧烈、沉积物不均匀性相对突出的近岸区域。波浪向岸传播时容易破碎，对海床产生较强扰动，海床在外部载荷作用下发生形变将直接影响着海上构筑物的稳定性。 ⒈ 水下块体运动对海上风电设施的影响 典型水下块体运动包括滑坡、塌陷、粉砂流等，此类地质灾害对海底电缆安全性的影响有两种情况：一方面电缆路由区内发生过块体运动的海床往往起伏不平，对电缆就位、着床不利；另一方面，电缆铺设以后海床形态一旦发生变化，原本着床良好的电缆会暴露、悬跨，或随浅部沉积物一起运动导致弯折、破断（图3）。 图3 块体运动引发电缆弯折变形示意图 与陆上滑坡不同的是，即使很小坡度的海床也会发生海底块体运动。土体失稳后沿一定的滑动面滑动变形，由于海底斜坡表面往往崎岖不平，通常所说的坡度是指滑动面所在斜坡倾斜角度的平均值。国内外学者对发生海底滑坡的区域地形坡角做了统计，从图4中可以看出，发生海底滑坡的坡度90%在10°以下，其中3°～4°这个区间的数量最大。399个案例的平均坡度为4°。由此可以看出，与陆地上的情况不同，在海底地势相对平坦的海床也可能发生块体运动。 图4 海底滑坡坡角统计（Hance，2003） 之所以在坡角如此小的海底斜坡仍会发生滑坡，根本原因在于海洋环境的特殊性。首先，浅部海床土普遍具有欠固结，含水率高，抗剪强度低等特点，尤其是各个河口水下三角洲地区，该类区域普遍存在水深较小，堆积大量欠固结的沉积物，且沉积物空间差异大，易受到扰动；其次，海洋动力环境较之陆地更强，除了地震，波浪、天然气水合物分解、潮差引起渗流等对海床沉积物的作用都有可能引起海底斜坡上沉积物强度降低。以粉砂为例，这种粘粒含量较高的土渗透性较差、动强度低，在外部载荷作用下容易累积超静孔隙水压力发生液化，从而丧失强度发生变形或滑动（图5）。 图5 海底滑坡土质类型统计图 以黄河三角洲为例，其前缘斜坡上部的变形有典型的蠕变迹象，该区域表层的声学剖面记录中普遍呈现为缺乏沉积特征的“透镜体”，从钻孔资料分析这种扰动体中有严重的层间掺混现象（图6）。 图6 典型扰动地层形成的声学剖面记录 发生块体运动的海床其形态会剧烈变化（图7），而影响范围则与滑坡的规模有关，一般认为发生滑动的土体体积越大，其滑移距离越长。同时，级配、容重、含水量等参数会影响滑动土体的内应力、重力、摩擦力等，因此会影响滑坡的规模。 图7 典型海底块体运动现象声学探测图像 海底块体运动的诱发机制较为复杂，从根本上来说是由于外力扰动或环境条件变化导致沉积物强度下降，然后在自身重力作用下沿斜坡方向发生形变或移动。外力扰动主要有：内动力地质作用——如地震、火山活动 ；外动力地质作用——如风暴潮、冰川活动，差异冲蚀引发的削峭作用等；人类活动——海上构筑物对海床的加、卸荷作用等，环境条件变化主要有孔隙气体释放、天然气水合物分解作用、潮位剧烈变化引发的渗流作用等（图8）。 图8 导致海底块体运动的因素及过程示意图 诱发因素的多样性和海底沉积物性质的变异性，使得针对海底块体运动的研究难度颇大，尤其是一次事件往往是多个因素联合作用，甚至多个因素长时间累积作用的结果，而且所产生的结果也是千差万别，有些会形成强度略有提高且失去活动性的表层扰动体，有的则会长期保持活动性，一旦条件允许可能再次发生变形或移动。 由于缺乏现场监测手段，想要对海底块体运动的原因、过程及规模作出合理判断和解释是比较困难的，但通过分析和对比以往管缆路由调查资料，可以得出海底块体运动现象对海上工程设施尤其是以海底电缆为代表的浅基础构筑物的影响： ❶发生地形破坏的海底斜坡上铺设海缆，即使开挖了足够深度的缆沟，但在一些地形起伏较为剧烈的位置仍有可能无法着床，电缆与海床之间一旦存在间隙，在管涌效应作用下间隙的截面会逐渐扩大，逐渐暴露； ❷坡源区的海床通常会形成裂隙和陡坎，由于应力状态的改变，该区域的海床土体极易发生崩塌向下滑落，也就形成了溯源侵蚀的现象，铺设于这种位置的电缆，其埋深会逐渐减小，暴露甚至形成悬跨； ❸底斜坡上发生地形破坏的位置通常与大风浪过程的破波带位置有较好的对应关系，即水动力对海床扰动较强的位置，而滑动面深度则与海床土中相对强度较低的层位对应，在这种区域挖沟铺缆，可能改变周围海床土的应力状态，使原本失去活动性的海床“复活”，一旦发生滑动，可能造成电缆弯折； ❹海底块体运动的发展趋势是坡度变小，海床整体变得平坦，因此位于下部堆积区的电缆埋深会逐渐增大，中部沉积物输送区电缆埋深大体保持不变，上部源区的电缆埋深逐渐变浅。但需要注意的是，即使沉积物的运动不足以造成电缆弯折，但地形演化过程中的挤压、不均匀沉降等引起的应力状态变化也可能对电缆安全产生威胁。 ⒉ 活动性沙波对风电设施的影响 　　常见的砂质底形有圆或新月形的沙波（沙丘）和线状的沙脊。它们的高度不一，通常0.5～2m，最高可超过40m。起伏的和不断迁移的砂质底形常常影响陆架工程的稳定性，就海底电缆而言，能掩埋和掏空海底电缆，引起弯曲或断裂。 图9 单向流水槽试验、流态、流速和水深变化下的沙波底形 水下沙波是近底水流与底砂相互作用的产物，在形成、发育过程中，近底流速起着主导作用。细砂（d=0.125～0.063mm）到中砂（d=0.5～0.25mm）是陆架水下沙波的主要组成粒级，粒级过大和过小均不发育水下沙丘，这主要与颗粒的起动流速有关，只有大于砂的起动流速的底流才能移动和塑造水下沙丘。无论潮流还是波流或洋流均可得到大于泥沙起动流速的流速，则均可在海底塑造沙波（上图9）。 陆架区域近底流速包括定期变向的潮流，定向且速度一定的洋流以及偶发性的暴风浪流，其复杂性远远超过河道中的稳定水流，因此如何将模拟试验得到的认识运用于陆架海底沙波至今仍是一个难点。 水下沙波的形态可通过波高H、波长L、波脊线及其相关参数反映出来，形态特征反映沙波尺寸大小、底砂多寡、水动力强弱以及沙波活动性的相对强弱等（图10）。 图10 沙波形态示意图 沙波的迎流坡水平投影a和背流坡水平投影b之比a/b称为沙波对称系数，两系数越大，说明该区域涨落潮流速差越大，越趋向于单向流，沙波的活动性越强；反之，标志沙波活动性较差，稳定性好。 穿过沙波区的电缆，在铺设早期，由于沙波造成的地形起伏，一些区段未能很好地着床，处于沙波顶部的部分在重力和沙波移动的共同作用下会发生自埋，而处于沙波根部的部分则由两种可能：沙波移动方向上的部分会逐渐埋入海床，而另一侧则可能发展成为暴露状态。 由于沙波移动造成电缆有效支撑点位置的不断变化，虽然最终可能会在沙波移动过程中发生沉陷而被完全覆盖，但应力状态的改变仍会留下隐患（图11、图12）。 图11 沙波移动造成电缆埋藏状况变化示意图 图12 沙波移动造成电缆积累变形示意图 注：黑线表示电缆轴心初始位置 尤其是台风来袭时，沙波的移动是惊人的！以海南岛西侧沙波为例，在风暴潮过后沙波发生大规模移动，一次台风过境最大移动距离可达12m，这样的运动规模可对海底电缆的安全造成严重威胁（图13）。 图13 风暴潮前后沙波位置对比 从前文分析结合探测资料不难看出，沙波高度越大其移动速度越慢，这是因为输沙率相同的情况下，规模较小的沙波比规模较大的沙波形态变化更加明显。因此，沙波移动对海底电缆的影响可分以下几个方面： ❶由于沙波造成海底地形起伏以及沙波对流场的影响，穿过沙波区域的电缆通常会在沙波两侧的根部暴露。就单个沙波而言，沙波移动方向决定了其两侧电缆状态的发展趋势，沙波前移方向上的暴露位置会随着沙波推移而改变甚至消失，而另一侧的暴露的长度则可能逐渐增大。 ❷波高度越小移动速度越快，因此连续的小型沙波移动过程中有助于电缆的自埋，而高度较大的孤立沙波由于相对于海床高差较大，且移动缓慢，在其两侧根部暴露的电缆短时间内难以被填埋，会对其安全产生不良影响，因此在海底电缆路由选址时应避免穿过此类地形区域。 ❸设在沙波集中分布区域的海底电缆，沙波的迁移会造成暴露位置的变化，同时也会造成管道应力状态的变化，可能引发电缆的积累性形变，形变的增加会影响其安全。 ⒊ 海底侵蚀对海上风电设施的影响 海洋环境中动力因素多样，作用方式复杂，因此海床的形态也是处于动态调整中。这个过程是复杂而漫长的，但在某个时间段内会表现出一种趋势，这就是海床的冲淤调整，具体体现为水深的变化。因此，不论是区域的整体演化，还是构筑物改变局部水动力环境而打破原有平衡，都有可能使平台基础、电缆状态发生改变。 海上风电设施一旦建成，就成为海底环境的一部分，其状态受控于路由区海床的整体变化趋势。假设一条电缆完全埋设于海床之中，如果该区域属于淤积状态，则电缆将长期处于埋藏状态，如果该区域属于侵蚀状态，则电缆的埋深将逐渐变浅甚至暴露，如果该区域属于季节性调整状态，电缆可能在一年某些时段处于埋藏状态，在某些时段则处于暴露状态。 但现实环境的复杂程度要远甚于此，一条电缆穿越了广阔的海底，各个区段的海底环境状况千差万别，这也决定了其埋藏状况的发展趋势也是不尽相同。 海床的季节性调整主要表现为夏季台风或冬季寒潮引发风暴潮对海底的侵蚀，和正常气象条件下海床的回淤。 图14 中国南海某部水深由于台风引起的季节性调整 在海洋工程中，由于波浪、水流的作用造成海底障碍物底部及其附近海床的泥沙运动，就是通常所说的海底差异冲刷现象。形态或物理性质与周围海床存在明显差异，可造成局部流场明显改变的物体或底形都属于海底障碍物。海底障碍物的种类很多，包括海底构筑物、堤坝、人工抛弃物、锚痕、礁石露头、硬质沙脊、蚀余台地等，甚至平台、电缆自身也属于海底障碍物（图15）。 图15 黄河口埕岛油田海底侵蚀 注：a.蚀余台地引起的差异冲刷；b.平台桩腿引起的差异冲刷；c.锚痕引起的差异冲刷 各种海底障碍物引起的差异冲刷规模也各有不同，需要考虑海底沉积物性质，障碍物的形状、大小、物理性质以及外部水动力条件等，就现有探测资料表明，某些海底障碍物引起差异冲刷的规模是相当惊人的，尤其是风暴潮期间，近底流速会远大于平常的近底潮流速度。以黄河三角洲埕北海域某平台为例，其周围的椭圆形冲刷坑最大深度达1.5m，短半轴长度达200m以上。 在物源输入和各种动力因素共同作用下，海床的动态调整是永恒存在的，且表现方式多种多样，过程长短不一，风电平台和电缆作为海洋环境的一部份也必然会受到这种过程的影响。主要表现为以下几个方面： ❶风电平台、电缆总体状态受区域海床演化趋势控制。在广阔的海床上，平台和电缆自身对外部产生的影响实际上是非常有限的，其服役期相对于海底地形演化过程而言，也是很短暂的，因此在没有特殊情况的条件下，设施安全从根本上是由海床演化趋势决定的。 ❷不同位置的平台、电缆所受影响也不同。路由区全程水深不断变化，海底地形、沉积物输入的多寡、水动力因素强弱在各区段也都存在差异，这种情况下电缆在不同位置，不同的时间（季节）就可能表现出不同的状态。 ❸伴随海床冲蚀的发生，平台和电缆往往会经受越来越大的考验。海床冲蚀是需要一定条件的，沉积物输入不足，区域水动力作用强是根本原因，在这两个因素作用下，冲蚀过程也会体现出不均匀性和多变性。在此过程中基础应力状态也会不断变化，这对平台和电缆都是一种考验。 二、海底浅部沉积物热力学性质对海缆输电能耗的影响 与埋设电缆输电能耗相关的海底浅部沉积物热力学性质主要是指海床土温度及其热导率（thermal conductivity）。浅海沉积物的温度总体受控于海水温度，呈现出季节性规律变化，且深度越小这种变化越明显；而海床土热导率则受到粒度、孔隙度、含水率、含气量、有机质含量、生物活动等因素影响，这与区域沉积环境及演化历史有关。 对于海底电缆路由而言，一方面环境温度的高低会直接影响其输电能耗，另一方面运行过程中电缆升温可能与外部介质发生热交换。因此从提高功效降低能耗的角度考虑，电缆应埋置于年纪平均温度较低、热导率较高的层位。 同时，由于风场也存在季节性变化，电缆在不同时间的工作载荷也存在变化，因此发热量也不同。 最后，还需要考虑电缆埋设成本，缆沟开挖越深则费用越高。因此，需要综合考虑以上各个方面，来确定电缆路由的经济埋深。 ⒈ 海床浅部沉积物热力学性质 如前文所述，对海底电缆输电能耗产生影响的海床浅部沉积物热力学性质主要有沉积物温度和热导率两个方面。近岸浅水区域海床沉积物温度主要受控于底层海水温度。以北半球为例，近底层水温通常每年2月达到最低，8月达到最高，具有较强的规律性（图16）。 图16 典型北半球近底层水温年际变化（拟合曲线） 对于海床沉积物而言，埋深越浅其温度受水温影响变化越大，同时受热传导作用影响，深部温度不仅变化小，且有一定的滞后性，呈现出夏季相对低温、冬季相对高温的特点。图17显示了一个钻孔剖面温度的年际变化，由于沉积物相对均匀，泥温曲线表现出较好的规律性。 图17 浅部沉积物温度年际变化拟合曲线 注：图中颜色与图16中时间对应 海底沉积物热导率受沉积历史和沉积环境影响，与沉积物粒度、级配、孔隙度、含气量、含水率，以及有机质含量等有关，因此往往在空间位置和深度上都呈现一定的差异性（图18、图19）。 图18 电缆路由区沉积物热导深度剖面 图19 单个钻孔沉积物热导率 ⒉ 埋入电缆后海床温度场变化 综合考虑近底层海水温度和浅部沉积物热导率，可利用少量温度剖面数据（如每月一次测量）恢复路由区某个位置全年海床温度场变化（图20），该温度场可作为电缆功耗计算的背景值使用。 图20 浅部海床剖面温度场 电缆的各项物理指标可通过实验测试获得，包括外壁直径、包层和填充物热导率、缆芯电阻等，然后建立输电过程中电缆的热力学模型，模拟缆-土热交换（图21）。 图21 电缆埋入海床后发热过程模拟（剖面） 设置电缆输电载荷和埋深，以及周围土体温度年际变化和热导率，即得到路由区某海床剖面埋入电缆的温度场（图22、图23）。 图22 输电载荷不变，埋深1.5m电缆周围全年温度场 图23 输电载荷不变，埋深1.0m电缆周围全年温度场 ⒊ 基于电缆实际能耗的经济埋深计算 　　由于全年风场强度变化，输电载荷也会随之发生变化，综合考虑此因素，代入全年输电载荷，得到实际状态下路由区某海床剖面埋入电缆的温度场（图24）。 图24 实际输电载荷，埋深1.5m电缆周围全年温度场 　　从温度场模拟数据可以看出，电缆发热后周围土体升温明显，在输电载荷一定的前提下，埋设越深升温幅度越小，但是一味增大埋深势必导致施工成本和时间的增加。利用统计学模型对整个路由区不同区段海床热力学性质进行分析，综合考虑全年输电载荷变化，即可得到不同区段电缆经济埋深（最小埋深），用于施工设计参考（图25）。 图25 60km电缆路由各区段经济埋深 三、结语 海上风电在我国海洋工程领域是一个新兴方向，未来市场潜力巨大。由于海洋环境的特殊性，如果仍采取陆上风电“野蛮开发、粗放经营”的模式，必然产生众多的安全、环境问题。文中所述内容涉及两方面内容：海床稳定性对风电平台、电缆的影响，以及浅部沉积物热力学性质对风电运行经济性的影响，前者涉及场区、路由的选址，后者涉及风电投产后的运行成本，这两点不仅决定了风电设施的安全，还影响着未来的发电效能。 ❶沉积物组成和性质的差异以及海床的动态变化是对海上浅基础构筑物状态影响最为突出的两个方面。在沉积物输入和海洋动力的双重作用下海床形态始终是处于动态调整之中的，而平台桩基和电缆作为与周围环境差异性较强的因素在此过程中始终会受到影响，因此平台、电缆赋存于不同性质、类型的海床发展趋势也存在不同。 ❷设计电缆埋深应综合考虑海床稳定性对电缆安全性影响和浅部海床沉积物热力学性质对电缆输电能耗的影响。环境温度的高低会直接影响其输电能耗，而缆沟开挖越深则费用越高，因此从提高功效降低能耗的同时降低施工成本的角度考虑，在铺设之前应根据现场风场、沉积物地温、热导率等实测数据建立模型进行电缆能耗计算，来确定电缆路由不同区段的经济埋深。 【作者简介】蒲进菁，男，1981年出生，2012年毕业于中国海洋大学海洋地质专业，获理学博士学位，主要从事沉积地质、海底探测、海洋工程等方面研究。在此，特别感谢蒲进菁先生对我微信公众平台的信任与支持，文章版权归作者所有，其他平台若要转载，务请备注作者及文章来源。 Scan QR Code via WeChat to follow Official Account