基于GIS的海洋风电场地质灾害危险性评估研究

祁 磊，唐 佳，张宏强，华 放

1.中国石油集团工程技术研究有限公司，天津 300451

2.中国石油集团海洋工程有限公司天津分公司，天津 300451

3.冀东油田公司勘探开发建设监督中心，河北唐山 063200

我国海上风能资源较为丰富，海上风电开发条件比较优越。据统计“十四五”期间，我国海上风电新增装机总规模约5 000 × 104kW，预计到2025 年累计装机并网容量将超过6 000 × 104kW。在海上风力发电后补贴时代，降低海上风电开发成本是发展海洋风电的必由之路。海上风电场工程地质评价是海上风电建设的基础及关键环节，对整个风电场开发方案制定、工程设计等具有重要影响。据统计，风电场基础成本约占总成本的25%～35%，工程地质评价的好坏直接影响着风电项目开发的经济性和安全性，其在降低开发成本方面作用巨大。

场址的工程地质灾害是工程地质评价中需要关注的重要因素，如风电场场址内的浅层气、地震、滑坡等。风电场工程地质灾害评价结果直接影响到海上风电场场址选择与风机布置。GB 51395—2019《海上风力发电场勘测标准》明确规定，在风电开发工程勘察的各个阶段都需进行各类灾害的调查及评价[1]。

目前，海上风电场的工程地质灾害评估相关研究非常少，陈丽蓉等[2]以上海南汇大型海上风电场地质灾害危险性评估为例，探讨了海上风电场地质灾害危险性评估技术方法；李存义[3]以东南沿海某个海上风电场地质灾害危险性评估为例，开展了地质灾害危险性评估，并提出具体的预防治理措施。

GIS（Geographic Information System）技术是一种采用计算机对地理空间数据进行获取、管理、显示和分析等的技术，其地理数据的空间分析功能是其在灾害监测、土地勘测、环境管理、管网设计等方面获得广泛应用的主要原因，并越来越多地应用于地质灾害的风险评价与风险管理中。l989 年美国已经采用GIS 技术对滑坡灾害进行了分析。我国也在20 世纪90 年代后期将GIS 与地质灾害风险评价结合起来，并建立了适合我国国情的地质灾害信息系统与评价系统[4]，但在海上风电场工程地质灾害评价中的应用相对较少。

海上风电场开发可分为规划、预可行性研究、可行性研究、招标设计和施工详图设计五个阶段[5]。各个阶段的灾害评价内容和深度是不一样的。虽然在规划阶段通常不进行现场取样或测试，而以收集资料进行评估为主，但其分析评估的结果又影响到后续阶段的规划、预算开支甚至整个风电场的设计，因此规划阶段的地质灾害评价非常重要。

鉴于此，本文以我国海南北部湾某海上风电场为例，基于对场区特殊的海洋地质环境条件和项目特点的分析，借助GIS 技术开展其场址在规划阶段的地质灾害危险性现状评估和预测评估等，以期为同类工程项目地质灾害评估提供参考。本文中所指地质灾害危险性参照“地质灾害危险性评估技术要求”（国土资发〔2004〕69 号）对地质条件复杂程度进行分类。

1 项目场址环境地质条件

某海上风电场位于海南省西北部北部湾海域内，规划装机规模为60 × 104kW 。场址中心离岸距离约44 km，风电场东西向宽约4.20 km，南北长23.10～24.00 km，规划场址面积98.60 km2，水深范围30.00～46.00 m。秋季风速相对较大，夏季风速较小；月平均最大风速为10.07 m/s，月平均最小风速为5.88 m/s，全年平均风速为7.67 m/s，风速在年内变化幅度较大。场址区地表被第四系冲洪积物覆盖，场址区及附近区域无大的活动性断裂与发震构造分布，总体上处于一个相对稳定的地块区内。本场地位于7度抗震区，场地地面下20 m深度范围内分布有饱和砂土。场区岩土层分为六个大层，自上而下分别为：粉砂、淤泥质粉质黏土、粉砂、黏土、粉砂、粉质黏土。

①粉砂(Q4m)：灰色，顶部约2 m 灰黄色，稍密-中密状，饱和，层厚13.20 m。

②淤泥质粉质黏土(Q4m)：灰色，流塑状，干强度中等，层厚15.00～25.00 m，局部厚30.00 m。

③粉砂(Q4m)：灰黄色，中密状，饱和，层厚1.00 m。

④黏土(Q4m)：黄色，软塑为主，顶部约80 cm为软塑状，干强度中等，层厚3.40 m。

⑤粉砂(Q4m)：灰色，中密-密实状，饱和，层厚9.90 m。

⑥粉质黏土(Q4m)：灰色，可塑为主，局部为硬塑状，干强度高，层厚大于10.00 m。

2 场址地质灾害因素初步分析

海上风电场可能存在的地质灾害类型及其触发机理和危害如表1所示。

表1 各类工程地质灾害触发机理及其危害

结合该海上风电场的地质及环境条件初步预测了该场址的灾害类型及影响。

1）滑坡、塌陷等水下块体运动：风场建成后，风浪流及风机等动载荷引起的地层强度弱化进而引起滑坡、塌陷等。

2）沙波：风场所处位置水深、海流及表层粉砂具备形成沙波的环境条件。

3）冲刷：表层泥沙中值粒径为0.01 mm，垂向平均最大流速为0.79 m/s，海上风电机组基础建设后，波流作用下存在局部冲刷的可能。

4）液化：本场地位于7度抗震区，场地地面下20 m深度范围内分布有饱和砂土，存在液化可能。

5）其他：因所掌握资料较少，场区内可能还存在浅层气、埋藏古河道、潮流沙脊等其他对风机建设有潜在影响的地质灾害因素。

根据调研和所掌握资料，基于Arcgis Pro 建立了该风电场的地质灾害评估模型，如图1所示。评估模型是基于所搜集的北部湾海流netcdf 数据、全球数字高程模型ETOPO15、中国地震断层分布图、南海浅层气分布等资料构建的。基于该模型初步开展了场址地质灾害的现状评估和预测评估。

图1 某风电场的地质灾害评估模型

2.1 浅层气

北部湾盆地等南海陆架海区分布着大面积的浅层气[6]，在场址附近的北部湾海区分布有较大面积的浅层气区，但浅层气区位置与风电场位置关系尚不清楚，因此本文采用Arcgis Pro 配准工具对南海浅层气分布图按照经纬度进行地理配准，从而获得北部湾浅层气区与风电场场址相对位置，配准后两者关系如图2所示。

图2 北部湾浅层气区与风电场场址相对位置

从图2 中可发现规划风电场场址临近浅层气大范围分布区，场址南端可能有浅层气分布。根据地层分布可知，第③粉砂(Q4m)和第⑤粉砂(Q4m)层上下层均具备浅层气圈闭条件，预测浅层气分布在粉砂层，深度在28 m以下。

浅层气的分布易产生地层不均匀沉降、触发滑坡（处于坡顶位置）、诱发土体液化，从而导致海上风机基础沉陷、平台倾覆、电缆断裂等灾害事故[7]，地质灾害危险性中等，因此在预可行性研究、可行性研究等阶段需通过物探及工程地质调查手段明确浅层气埋深及横向分布范围，对其危险性进行定量化评价。

2.2 滑坡、塌陷等水下块体运动

由于在规划阶段未开展工程物探调查，尚未掌握该风电场的详细水深数据，本文采用NGDC 提供的ETOPO 200 水深格网数据，选取数据为15 弧秒分辨率，截取北部湾部分格网数据生成栅格数据，构建了该风电场及周边海域的等深线图（如图3 所示）。根据等深线图可看出：场址区整体呈东高西低地势分布，水深落差近20 m，南侧水深落差较北侧变化剧烈。

图3 海上风电场及其周边海域等深线

按照场址区水深变化特点，由北向南分别建立3 条纵剖线（见图4），可发现3 个位置整体坡角均小于1°，地势平坦；但因坡顶有浅层气分布（如图2所示），存在诱发海底滑坡或沉降可能性，将会对坡底基础及电缆造成一定危害。同时建成后环境及风机等引起的地层强度弱化存在触发滑坡、塌陷等灾害的可能性，地质灾害危险性中等，因此在预可行性研究、可行性研究等阶段需通过物探及工程地质调查手段明确风电场东侧及西侧工程地质特性，根据场地土容重、抗剪强度等评估滑坡失稳的可能性，对其危险性进行定量化评价。

图4 穿越风场的3条纵剖线及其纵剖面

2.3 地震及断层

区域地质资料表明，该风电场主要受东西向的王五—文教大断裂控制，其距离风场约60 km，另外存在一系列次生断裂构造。为明确其对风电场的影响，采用我国地震局地质研究所提供的中国地震断层分布图进行了分析，将中国地震断层分布图通过地理配准添加到风场灾害评估模型中（见图5）。可发现风电场场址周边断层均为早中更新世断层，且自1605年琼州大地震后，至今未发现有新的活动痕迹，因此地震断裂错动对风电场场址的影响可忽略。

图5 场址附近断层分布

根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016年版）判定，场地土类型以中软土～中硬土为主，场地类别为Ⅲ类，场区上部有15.00～25.00 m厚的软弱土层，属于抗震不利地段。场地海床以下分布有饱和砂土，为中等液化，地质灾害危险性中等，因此在预可行性研究、可行性研究等阶段需进一步评价地震液化的影响。

2.4 冲刷

风电场建设后，波流会改变海底局部水沙环境，在风机基础局部可能形成冲刷坑，根据环境条件参数（见表2），位置见图6，并假定桩径为8.5 m，采用韩海骞公式、王汝凯公式[8]计算出风电场内不同位置的冲刷坑深度和半径，计算结果见表3。

图6 冲刷计算位置示意

表2 环境条件参数

表3 冲刷计算结果

从表3可发现冲刷深度＞5 m、半径＞13 m，地质灾害危险性中等，因此，在建设及运维过程中需采取预防及维护措施，尽量规避冲刷对风机的影响。

3 结束语

本文以某一海上风电场为例，探讨了GIS 技术在海上风电场规划阶段的工程地质灾害评价中的应用。首先基于场区海洋地质及环境条件构建了该风电场的工程地质灾害评价模型，并对浅层气、滑坡、地震、断层及冲刷等典型地质灾害进行了分析，并给出了各类灾害的危险程度。

基于GIS 的地质灾害评价并不仅限于在规划阶段的应用，该技术同样可用于预可行性研究、可行性研究、招标设计和施工详图设计等其他阶段的工程地质灾害评价中，借助于后期精细的工程地质参数和物探数据，基于GIS 的工程地质灾害评价结果将更加可靠。