选择风电场潮流预测模式

6.2.2.1　控制方程

实际的潮流运动为三维问题，在水平尺度远大于垂直尺度的宽浅型海域，潮流运动模式可通过垂向平均的假设简化为二维问题。

海上风电场的潮流模型预测有二维模型和三维模型两种形式，在环境影响评价工作中，可根据风电场海域的地理位置、水深情况、潮流运动特性和海域敏感程度具体选择二维或三维模式进行预测。

三维潮流模型的控制方程（李孟国，1999）为

式中 t——时间；

x、y和z——xoy面置于未扰动静止海面、z轴铅直向上的直角坐标系坐标；

u、v和w——流速沿x、y、z轴向的分量；

f——科氏参数；

ρ——海水密度；

p——海水压强；

g——重力加速度；

Ax和Ay——沿x、y方向的水平涡动黏性系数；

Az——垂向湍流黏性系数。

垂向积分后的二维潮流模型的控制方程（李孟国，1999）为

式中 t——时间；

x、y——原点置于未扰动静止海面的直角坐标系坐标；

u、v——流速沿x、y方向的分量；

h——海底到静止海面的距离；

ξ——自静止海面向上起算的海面起伏（潮位）；

f——科氏参数；(www.xing528.com)

g——重力加速度；

k——海底摩擦系数；

Ax、Ay——沿x、y方向的水平涡动黏性系数。

海底摩擦系数k可由k=g/C2确定，C为谢才系数，C=（h+ξ）1/6/n，n为曼宁系数。

6.2.2.2　网格划分

在进行海洋潮流数值模拟时，需对所研究的海域进行网格剖分。目前网格剖分主要有结构化网格和非结构化网格两种形式。结构化网格生成速度快，生成质量好，计算结果也比非结构网格更容易收敛，也更准确；但适用范围较窄，一般只适用于形状较为规则的研究区域；矩形网格和六面体网格为典型的结构化网格。非结构化网格和结构化网格相比最突出的优点是能较好地拟合水下地形和复杂的固边界形状，网格布设的疏密可自由控制；三角形网格、任意四边形网格、四面体网格、棱形网格等为非结构化网格。

对于海上风电场工程潮流数值模拟而言，通常研究海域的尺度范围达到几十至上百千米，而风力发电机组桩基的尺寸一般只有几米；为了较为准确地模拟出风力发电机组桩基对工程区局部潮流场的影响，需在网格剖分时准确反映风力发电机组桩基的固边界形状，通常可采用阻水面积相等的原则概化风力发电机组基础的方法，即概化的风力发电机组桩基网格面积和风力发电机组桩基的实际总面积相等。为了在大范围海域中反映风力发电机组基础结构物周围的局部潮流场，一般采用网格嵌套技术，在大尺度海域潮流模型的基础上建立海上风电场工程区的中尺度或小尺度模型，计算边界条件由大尺度模型提供。多采用非结构化网格拟合复杂的岸线、水下地形及桩基础，并对风电场工程区海域进行网格加密，以提高数值模拟的精度。

6.2.2.3　计算方法

在解决潮流数值模拟的过程中，有多种数值解法可供选择。这些数值解法就划分标准的不同，可以大体分类为：从离散方法上分，有差分法、有限元法和有限体积法；从适应物理域的复杂几何形状上分，有贴体坐标变换及σ坐标变换；从时间积分上分，有显式、隐式、半隐格式；从求解方法上分，有ADI法、迭代法、多重网格法以及并行计算技术；从干湿、露滩动边界的处理上分，有固定网格和动态网格技术（王晓姝，2007）。

6.2.2.4　率定与验证

模型的率定和验证工作是潮流数值模拟中的关键一步。所谓率定，是指应用实际的历史资料进行数值模拟，调整模型的各个计算参数，使模型模拟值和实测资料基本接近，从而确定模型的计算参数。所谓验证，是指应用经率定过的各计算参数，选择另一组实际历史资料，重新进行数值模拟，并将模型模拟值与新的实测资料相比较；若两者基本接近且满足一定的误差范围要求，则认为模型参数经过了率定和验证，满足模型预测精度要求，可应用于实际工程的模拟预测；若两者无法满足误差要求，则说明经过率定的模型仍无法较为准确地反映潮流运动的特性及规律，需调整参数重新进行率定和验证，直至满足要求为止。模型经过率定和验证后，方能说明模型的精度和可靠性，可用于实际工程预测。

通常潮流模型率定和验证的主要内容包括潮位过程线，流速、流向过程线和涨落潮流路等。根据《海洋工程环境影响评价技术导则》要求，最高、最低潮位容许偏差为±10cm，涨落潮段平均流速容许偏差为±10%，时间相位容许偏差为±0.5h，往复流主流流向容许偏差为±10°，平均流向容许偏差为±10°，旋转流流向容许偏差为±15°，断面潮量容许偏差为±10%。

6.2.2.5　常用潮流数值模拟软件

随着电子计算机的快速发展和海洋潮流泥沙运动研究的经验积累，目前潮流数值模拟技术日趋成熟和完善，国际上已形成了多个商业化通用潮流模拟软件，如丹麦的MIKE21和MIKE3、荷兰的Delft 3D、美国的SMS和FVCOM等，并已成功应用于各类海洋工程研究中（安永宁，2013；吴志易，2013；姜尚，2013；Xu Peng，2014）。

MIKE系列软件是由丹麦水利研究所开发的商业化数值模拟软件，包含了一维、二维和三维3个系列，主要用于模拟海洋、河口、湖泊、河流、水库等水体的水流、水质、富营养化预测、水生生态、泥沙输运等问题。

Delft 3D是由荷兰Delft水力研究所开发的完全三维水动力—水质模型系统，系统能非常精确地进行大尺度的水流、水动力、波浪、泥沙、水质和生态的计算，在中国长江口、杭州湾、渤海湾、滇池等水流水质模拟中均有应用。

SMS软件是由美国杨百翰大学环境模拟研究实验室研发，它具有二维河流/海湾流动模型、海洋流动模型、波浪模型、一维河流模型等众多模块，具有较高的稳定性和较好的可靠性。

FVCOM模型由美国马萨诸塞大学海洋科技研究院和伍兹霍尔海洋研究所联合开发，水平方向采用非结构化三角形网格，垂直方向采用σ坐标变换，数值方法采用有限体积法，能够很好地将有限元方法处理海岸线边界复杂曲折的优点和有限差分方法简单的离散结构、高效的计算效率结合起来，对于近岸、河口等具有复杂地形和岸界的区域，能更好地保证质量、动量、盐度和热量的守恒性。