海上风电因其具有不占用土地、不消耗水资源和适宜大规模开发的特点，近年来在我国获得如火如荼的发展，发展海上风电已逐渐成为世界各国的共识^[1]。国家能源局《风电发展十三五规划》明确指出，到2020年底，风电累计并网装机容量确保超过2.1亿kW，其中海上风电并网装机容量超过500万kW。海上风电发展迎来新的机遇。

山东经济发达，电力消纳条件好，沿海海上风电规模化开发条件相对较好^[2]。根据规划山东海上风电可开发装机容量超过10 000 MW，规模化开发较为有利，海上风电的开发将是山东省可再生能源发展的重要选择之一。烟台市是山东经济强市，烟台大黑山岛附近海域是海上风电重点关注海域，应加以充分的研究。海上风电开发环境不同于陆地，需要面对海洋环境下的许多问题。其中，海底地形地貌关系到风机的排布^[3]，沉积物的沉积特征可以揭示水动力环境条件^[4]，均是需要关注研究的问题。

研究海域位于山东省长岛县大黑山岛以西海域，处于渤海海峡西南部，离岸约3～16 km，中心距离大黑山岛8.5 km，距离蓬莱市直线距离约30 km，水深约10～25 m，如图1中红色方框所示位置。研究海域地形地貌成因类型为海底大陆边缘地貌，海底地形较平坦，呈南高北低趋势。海洋地貌主要遭受海洋潮流和波浪的作用而逐渐形成。

图  1  研究海域位置示意图

Figure 1.  The location map of the study area

研究区域在地质构造上处于华北地台，与胶辽地块其他地区具有相似的地质构造演化史^[5]。长岛及其周边列岛位于NW向张家口-渤海-威海断裂带与NE向郯庐断裂带交汇处附近。其西侧是渤海盆地，二者以郯庐断裂带为界。新生代早期伸展构造活动较为强烈，古近—新近系沉积地层厚度>10 km。盆地内发育NNE向、NE向、近EW向、NWW向、NW向等多个方向的断裂。这些断裂可分为伸展构造和走滑构造2套相对独立的构造系统。最重要的2条走滑断裂分别是NNE向的郯庐断裂带和NW走向的张家口—渤海—威海断裂带（图2）。

图  2  区域地质构造

Figure 2.  Regional geological structure

根据山东省工程咨询院在本工程附近海域1个月的实测潮位资料进行调和分析，求出各分潮调和常数，按潮型判别式计算得出，潮型判别数为0.31，即本工程海域属于正规半日潮类型。其表现为：在一个太阴日中有2次高潮和2次低潮，两相邻的潮差大体相等，而且两相邻的高潮（或低潮）的时间间隔约为12 h 25 min，无论是高潮还是低潮，日不等现象均不明显。研究海域地处渤海海峡，波浪以风浪为主、涌浪为辅的混合海浪区，根据蓬莱海洋站多年统计结果表明，风浪和涌浪的出现频率分别为86.1%和13.9%；常浪向为NNE向，频率为 9.3%，次常浪向为NE和ENE向，频率分别为5.5%和4.0%；强浪向为NE向，最大波高 4.1 m，次强浪向为NNE和N向，最大波高分别为3.9 m和3.8 m。累年平均波高0.8 m，最大波高（H1%）4.1 m。

北黄海悬浮泥沙浓度受水深及水动力影响较大，从蓬莱至威海海域，水体悬浮物浓度呈递减趋势，表明悬浮沉积物在向东输运过程中沿途沉积。本文研究海域属于蓬莱海域，悬浮泥沙的输运由平流输运主导，且受余流影响显著^[6]。

为详细了解研究区海底地形地貌及沉积特征，相关研究人员在2015年10月13日至11月16日和2016年5月8—22日先后2次在风电场调查区及附近海域进行了地形地貌综合地质地球物理调查。调查主要采用SONIC2024多波束系统对研究区进行高精度测量。SONIC2024多波束测深系统具有在线调频能力，其工作频率为200～400 kHz，波束较宽，可形成256个波束，系统发射波束最大扇面开角为160°，最大测量深度为500 m。定位系统采用星站差分GPS定位系统，实时提供全球高精度定位。潮位校正选用黄海85高程基准面，坐标系采用北京54坐标。在进行地球物理调查的同时，选择合适的观测地点，进行同步潮位观测。潮位观测点布设见图3。

图  3  同期潮位观测点位置图

Figure 3.  The location of tide level observation points

调查前对研究区的测线布设原则是确保实现全覆盖，相邻测线重复覆盖10%^[7]。对于深水区测线间距可以适当加大，浅水区测线间距适当减小。获取全覆盖水深数据后，利用CARIS等数据处理软件对水深数据进行处理，去除噪声和干扰数据，获得真实的水深，再通过Surfer、MapGIS等绘图软件绘制研究区等深线图及三维地形图。

粒度参数与沉积物的输运有着内在的联系^[8]。为获取研究区表层沉积物类型及粒度参数数据，在研究区范围内进行了大范围底床表层沉积物采集，采用蚌式采泥器抓取各站点底质样本，并对其进行粒度分析，样本分析测试标准依据国家海洋调查规范执行^[7]。布设取样点站位见图4，共20个站位，取样点间距平均约800 m。样品采集站位具体情况见表1。

图  4  底质取样站位图

Figure 4.  The location map of bottom sampling stations

粒度测试采用法国Cilas 生产1190L激光粒度仪分析。粒级标准采用尤登-温德华氏等比制Φ值粒级标准。报告中采用的是谢帕德的沉积物粒度三角图解法^[6]。沉积物的平均粒径（Mz）、分选系数（So）、偏态（SKl）和峰态（Kg）通过Folk和Ward粒度参数公式计算。

Mz=（Φ₁₆+Φ₅₀+Φ₈₄）/3

δ₁=（Φ₈₄−Φ₁₆）/4+（Φ₉₅−Φ₅）/6.6

SKl=[（Φ₈₄+Φ₁₆−2Φ₅₀）/2（Φ₈₄−Φ₁₆）] + [（Φ₉₅+Φ₅−2Φ₅₀）/2（Φ₉₅−Φ₅）]

Kg =（Φ₉₅−Φ₅）/2.44（Φ₇₅−Φ₂₅）

式中：Φ=−log2D，D为沉积物粒径，mm。

本次调查通过高分辨率水深测量获得的数据，绘制了东西不同区块的水深地形图（图5），整体水体较浅，最浅10 m，最深25 m，平均17.5 m，地形平坦，东区块较西区块略深，且略有起伏。从区内三维海底地形图看出（图6），同样具有水体较浅，海底平缓的地形地貌特征。

图  5  全区块水深地形图

Figure 5.  The bathymetric topographic map of the whole area

图  6  区块三维地形图

Figure 6.  3D topography of study area

研究海域表层沉积物呈青灰色、灰色和浅褐色。采用谢帕德的沉积物粒度三角图解法对研究区表层沉积物进行分类和命名。

沉积物粒度参数是以一定数值定量地表示沉积物的粒径频率分布，利用粒度参数是研究沉积特征及鉴别沉积环境的方法之一^[9]，除具有统计学上的意义外，在沉积学上也具有自己的地质意义。表层沉积物的粒径大小及其组合状况是沉积物物源条件和水力搬运过程等综合作用的结果^[10-11]。表层沉积物粒径的空间分布特征反映了沉积物来源及输运方向等诸多沉积环境信息^[12]。早在20世纪60年代，Doeglas^[13]就分析了粒度成分对判别沉积环境的指示作用，并利用粒度分析对沉积环境进行了判别。

根据谢帕德的分类命名方法，西区和东区海底表层沉积物均为粉砂（图7），粉砂含量很高，均>75%；与登州水道的沉积物大不相同^[9]。各站位沉积物类型及粒度参数、沉积物各粒级百分含量分别见表2、3。

图  7  表层沉积物类型三角图

Figure 7.  Classification of sediments for the study area

由数据可以看出，研究区沉积物平均粒径变化范围为4.361Φ～5.896Φ，中值粒径为4.218Φ～5.875Φ，沉积物较细（表2）。

从表3中可以看出，风电场海底表层沉积物粉砂含量很高，为76.76%～89.28%；黏土含量次之，为0～19.37%；细砂含量最低，为1.53%～12.57%。沉积物颗粒以细颗粒的粉砂和黏土为主，这种沉积物特点反映出海上风电场选址海域属于离岸海域，水动力作用较弱，与前人研究结果相同^[12，14]]。

根据海洋地球物理调查规范^[5]，分选系数为0.35～0.5时，分选好；为0.5～0.71时，分选较好；为0.71～1时，分选中等；为1～2时，分选较差；为2～4时，分选很差；当分选系数>4时，分选极差。从表2可以看出，除海底表层沉积物中E12样品分选中等，其他样品分选系数均在1～2之间，分选较差。

分选系数（So）是分选性的指标，反映沉积物粒度分布的离散程度，用来指示沉积物颗粒大小的均匀性，若粒级少，主要粒级很突出，分选就好，反之，主要粒级不突出，分选就差。从图8中可以看出，海上风电场西区、东区海底表层沉积物分选系数分别为1.35～1.8和0.9～1.75，且在西区和东区分别出现2个低值的中心区。西区、东区沉积物分选大部分为较差，仅东区E12样品为中等。西区沉积物的分选系数从四周向中心区减小，显示其分选从四周向中心有从较差向中等演变的趋势。东区沉积物的分选系数从四周向中心区减小，显示其分选从四周的较差逐渐过渡到中心区的中等，中心区红色等值线为1，该等值线封闭区的沉积物分选中等。

图  8  表层沉积物分选系数等值线

Figure 8.  Isoline map of sorting coefficient of the surface sediments

根据表层沉积物粒度实测资料，做出了沉积物分选系数（图8）、偏度（图9）及峰态（图10）等粒度参数的等值线，对各参数的平面分布特征进行了分析。

图  9  表层沉积物偏态等值线

Figure 9.  Isoline map of skewness of the surface sediments

图  10  表层沉积物峰态等值线

Figure 10.  isoline map of kurtosis of the surface sediments

偏态分布指的是频数分布不对称，如果频数分布高峰向左偏移，长尾向右侧延伸称为正偏态分布，反之称右偏态分布。根据海洋地质调查规范，当偏态值介于−1.0～−0.3，为极负偏；当偏态值介于−0.3～−0.1，为负偏；当偏态值介于−0.1～0.1，为对称；当偏态值介于0.1～0.3，为正偏；当偏态值介于0.3～1.0，为极正偏。从表2中可以看出，风电场场址海底表层沉积物大部分样品为极正偏，E12、W1、W2样品表现为正偏。

偏态（SKl）对环境是一个灵敏指标，是用来表示沉积物粒度频率曲线不对称程度的参数，负偏标志着沉积物众数偏粗，正偏则反映了众数偏细^[15-16]。从图9中可以看出，西区沉积物偏态值在0.14～0.46之间变化，偏态等值线在西区西北角有一个<0.3的低值区，该低值区的沉积物W1、W2偏态表现为正偏；西区偏态值从该低值区向南东方向渐增，沉积物偏态为极正偏；东区沉积物偏态值在0.25～0.5之间变化，偏态值在东区北部存在一个<0.3低值区，该低值区的沉积物E12偏态表现为正偏；偏态值向周边变大，在东区南部出现一个约0.5的高值区，东区0.3低值区之外的沉积物偏态均表现为极正偏。红色等值线为1。

峰态（Kg）是刻画粒度在平均粒度两侧集中程度的参数，用来衡量沉积物频率分布曲线两极端的分选与曲线中央部分分选的比率，峰态越窄，样品粒度分布越集中^[12]。从图10中可以看出，海上风电场表层沉积物峰度差异不大，范围为0.738～1.387。西区沉积物峰态值范围为0.738～1.387，总体表现为东高西低的趋势，在西区东部出现一个峰态值>1.11的高值区，沉积物峰态尖锐；再向西，峰态值逐渐降低，0.9～1.11等值线之间的沉积物峰态表现为中等，红色等值线为1；0.9等值线以西的沉积物峰态为平坦。东区沉积物峰态值范围为0.961～1.191，峰态值在东区中西部较高，>1.11，峰态尖锐；从该高值区向周边，峰态值变小，沉积物峰态主要表现为中等。

海上风电场寿命周期一般为20～30 a，海底沉积物的粒度分布及冲淤变化是风电场选址需要考虑的重要因素之一。一般而言，细沙覆盖的海床条件更适宜风电场建设，因为粗颗粒的沉积物对于打桩更具有挑战性^[17]。

水动力环境是海底地形地貌的控制因素之一^[18]。沉积物的粒度结构能够反映其所处的水动力强度，可以作为判别沉积水动力环境的重要标志。Pejurp^[19]首先提出了一种判别三角图式，由沉积物的粒度结构来研究其所反映的水动力强度。本次研究从西区和东区采集的海底表层沉积物均为粉砂质，均位于沉积动力分区三角图式的右下角区域，该区域指示水动力环境整体较弱。

综上，从研究区域表层沉积物粒度分布及其所指示的水动力环境判断可得出如下结论：

（1）由全覆盖数据绘制的水深地形图可以看出，研究区域海底地形平缓，整体水体较浅，最浅10 m，最深25 m，平均17.5 m。

（2）研究海域表层沉积物调查区海底泥沙丰富，其沉积物来源主要包括河流入海泥沙、侵蚀海岸来沙、侵蚀海底来沙。海底表层沉积物均为粉砂，粉砂含量很高，与登州水道的沉积物大不相同。

（3）海底表层沉积物粉砂含量很高，黏土含量次之，细砂含量最低。沉积物颗粒以细颗粒的粉砂和黏土为主。研究海域海底表层沉积物大部分样品偏态分布为极正偏，峰态值则总体表现为东高西低的趋势。

（4）研究海域地形地貌及沉积物特点反映出研究海域属于离岸海域，沉积物以细颗粒为主，水动力作用较弱，工程环境较好，适于进行海上风电开发等工程建设。