王衛(wèi)遠，楊娟

（中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司 杭州 311122）

舟山海域潮流能資源評估

王衛(wèi)遠，楊娟

（中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司 杭州 311122）

利用MIKE 21Flow Model＿FM HD模塊搭建包括杭州灣在內(nèi)的整個舟山海域水動力模型，利用實測資料驗證模型，驗證結(jié)果表明，模型計算值與實測值吻合較好。由此表明，所建模型能夠正確反映舟山海域的潮流特征。然后計算2014年舟山海域的潮流場，統(tǒng)計出舟山海域的潮流能平均功率密度和空間分布特征。計算出10個特征斷面上潮流能資源理論蘊藏量約為250萬kW，對舟山海域潮流能開發(fā)利用具有一定的參考價值。

舟山海域；潮流能；數(shù)學(xué)模型；潮流能功率密度；理論蘊藏量

1 引言

潮流能資源是一種很大程度上未被開發(fā)利用的可再生能源之一，在所有可再生能源當(dāng)中，其具有較高的能量密度。據(jù)估算，我國東海沿岸潮流能理論平均功率為11.0GW，占全國總量的78.6%；黃海沿岸潮流能理論平均功率為2.3GW，占全國總量的16.5%；南海沿岸理論平均功率0.68GW，占全國總量的4.9%［1］。

20世紀(jì)70年代以來，許多沿海發(fā)達國家積極開展了潮流能開發(fā)利用的研究，在潮流能轉(zhuǎn)換裝置方面取得了重大進展。當(dāng)前，潮流能轉(zhuǎn)換裝置種類繁多，形式多樣，主要包括水平軸式、垂直軸式、振蕩水翼式、套管葉輪式等潮流能轉(zhuǎn)換裝置。經(jīng)過40多年的研究和發(fā)展，目前研究的重點仍然主要放在潮流能轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計與改進上。

舟山海域蘊藏著豐富的潮流能資源，浙江省潮流能資源有54.0%集中在舟山海域［2］，特別是金塘水道、西堠門水道和龜山航門等均為全國潮流能功率密度最大的地區(qū)。

潮流特性和潮流能資源水平是設(shè)計與改進潮流能轉(zhuǎn)換裝置的基礎(chǔ)，也是潮流能開發(fā)利用及選址的重要依據(jù)。要利用潮流能發(fā)電，在選擇和安放潮流能轉(zhuǎn)換裝置之前，就需要了解可能安裝潮流能轉(zhuǎn)換裝置海域的潮流特性和潮流能資源水平，并對該海域潮流能資源進行初步估算，這樣才能對潮流能電站的可行性和經(jīng)濟性進行評估。文獻［3］分別利用5個測點和8個測點的連續(xù)26h實測潮流資料對高亭水道和灌門水道的潮流能進行了估算。文獻［4］采用二維數(shù)值模擬方法對杭州灣海域的潮流進行了模擬，得到杭州灣海域潮流能資源理論蘊藏量約3.59GW。文獻［5］在利用實測資料驗證模型的基礎(chǔ)上，對舟山海域的潮流能進行估算和分析，得到舟山海域重要水道潮流能資源理論蘊藏總量約為1.4GW。

本文基于上述背景，采用國際通用的MIKE 21 Flow Model＿FM HD模塊搭建包括杭州灣在內(nèi)的整個舟山海域水動力模型，并利用實測資料驗證模型，然后計算2014年舟山海域的潮流場。統(tǒng)計出舟山海域的潮流能平均功率密度和空間分布特征，并計算潮流能資源理論蘊藏量，對舟山海域潮流能開發(fā)利用具有一定的參考價值。

2 二維潮流數(shù)學(xué)模型

2.1 控制方程

采用MIKE 21Flow Model＿FM HD模塊搭建二維潮流數(shù)學(xué)模型。該模型采用的潮流控制方程為垂向平均的二維淺水方程［6］

式中：t表示時間；x，y為Cartesian坐標(biāo)系；η為水位；h為總水深，表達式為h＝η＋d，d為靜水深；珔u，珔v分別為沿水深平均的x和y方向上速度分量，表達式分別為f為科氏力參數(shù)，表達式為f＝2Ωsin，其中，Ω為地球自轉(zhuǎn)角速率，取值為0.729×10－4s－1，為地理緯度；g為地球重力加速度；ρ為水的密度；ρ0為水的參考密度；τsx，τsy為風(fēng)應(yīng)力分量；τbx，τby為底部應(yīng)力分量；sxx，sxy，syx，syy為輻射應(yīng)力分量；pa為當(dāng)?shù)卮髿鈮海籗為源匯項；us，vs為源匯項的水流速度分量；Txx，Txy，Tyx，Tyy為橫向應(yīng)力分量，表達式分別為Txy＝Tyx＝，Txx＝2A，A為水平渦流粘度系數(shù)。

2.2 計算范圍及地形

計算范圍包括整個杭州灣海域，北至長江口，南至三門灣，東至124°E，南北長約330km，東西寬約370km，有北、東、南3個開邊界，水深統(tǒng)一至平均海平面。模型網(wǎng)格逐層加密，研究區(qū)域外網(wǎng)格尺寸較大，單元格邊長約10 000m，研究區(qū)域網(wǎng)格較密，單元格邊長約1 000m，模型網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為41 123個，單元總數(shù)為73 299個。計算范圍、網(wǎng)格劃分及地形如圖1所示。

圖1 計算范圍、網(wǎng)格劃分及地形

2.3 邊界條件、初始條件及參數(shù)選取

2.3.1 邊界條件

北、東、南3個開邊界根據(jù)MIKE 21全球潮汐模型提供的調(diào)和常數(shù)生成東邊界處的外海潮位過程；閉邊界處法向流速為零。

2.3.2 初始條件

模型的初始條件可表示為

式中：η0（x，y，t0）表示初始時刻潮位；u0（x，y，t0）和v0（x，y，t0）表示初始時刻流速。計算時，初值均取零。

2.3.3 相關(guān)參數(shù)的選取

計算海域的糙率是個綜合影響因素，是數(shù)值計算中十分重要的參數(shù)，與當(dāng)?shù)氐乃?、床面形態(tài)及植被條件等因素有關(guān)。本模型選用曼寧糙率系數(shù)，根據(jù)各海域的不同特點，不同區(qū)域取不同的值，岸邊潮間帶取0.015～0.025，外海取0.012～0.013。時間步長取為0.01～60s。

3 模型驗證

為了保證模型的精度，特收集涵蓋整個研究區(qū)域的潮位與潮流測點，具體點位見圖2，測點信息分別見表1和表2。利用研究區(qū)域9個臨時潮位站的實測潮位資料對模型計算得到的潮位進行率定，潮位驗證見圖3。利用研究區(qū)域15個潮流測點的實測潮流資料對模型計算得到的潮流進行率定，流速流向驗證見圖4和圖5。

圖2 水文觀測站位置

表1 站點信息

圖3 臨時潮位站潮位比較

表2 驗證時間段

圖4（a）流速流向比較

圖4（b）流速流向比較

從潮位驗證結(jié)果來看，大、小潮各潮位站計算值與實測值基本一致，計算與實測的高、低潮位出現(xiàn)的時間基本一致。從流速、流向驗證結(jié)果來看，各個測點流速和流向計算值與實測值吻合較好，相位偏差較小，流速過程與現(xiàn)場觀測值基本一致，總體來看，潮位、流速和流向驗證結(jié)果良好。

總的來說，無論潮位、流速和流向，模型計算值與實測值基本一致，因此，可以認(rèn)為模型計算結(jié)果是合理的，模擬的潮流場反映了研究海域的潮流運動特征。

4 舟山海域潮汐特征

舟山海域島嶼眾多，水深變化復(fù)雜。外海潮波在傳播過程中，波形和結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化，潮波振幅急劇增大，波形畸變，波峰前坡陡直、后坡平緩。大部分海區(qū)屬非正規(guī)半日淺海潮流。

舟山海域漲落潮流受地形制約明顯，島嶼間水道潮流流速較大，流向大致與水道走向平行，以往復(fù)流為主，在較寬闊的水道或水域則存在旋轉(zhuǎn)流。

圖5 流場圖

由圖5可見，漲潮時，潮流由鎮(zhèn)海－舟山、舟山－岱山、岱山－大衢山、大衢山－泗礁山以及泗礁山－綠華山等島嶼之間的5條水道進入杭州灣；落潮時，出自錢塘江河口由西往東的落潮流過庵東斷面后，大部分流向東南，有一小股向東后順杭州灣北岸深槽向東北流向灣口，至上海市南海岸附近轉(zhuǎn)為正東向，最后受長江口落潮流裹挾亦流向東南。

總體上看，潮流的強弱與潮波的振幅的大小相對應(yīng)，故潮差大的水域，通常潮流流速也大。另外，潮流運動受地形影響很大，一些水道、島嶼和灣口處，雖然潮差不大，但因流量集中，流速也很強，如金塘、西堠門、龜山等水道局部流速均可達2.5m／s以上。

5 舟山海域潮流能平均功率密度

潮流能功率密度與海水密度和流速的立方成正比，即

式中：P為潮流能功率密度，kW／m2；ρ為海水密度，kg／m3；v為潮流流速，m／s。

模型計算結(jié)果選擇半小時記錄一次，計算得到逐半小時流場，據(jù)此換算成相應(yīng)時刻的潮流能功率密度，最后取平均得到潮流能年平均功率密度分布圖（圖6）。由圖6可見，潮流能年平均功率密度分布與流場分布較為一致，開敞海域潮流能年平均功率密度普遍小于2.00kW／m2。流速大的水道的潮流能年平均功率密度也大，如西堠門水道的年平均功率密度約為2.67kW／m2，龜山航門的年平均功率密度約為4.51kW／m2。

圖6 潮流能年平均功率密度分布

6 舟山海域潮流能資源理論蘊藏量

基于Flux方法［7］，潮流能資源理論蘊藏量Ptotal按下式計算

式中：Ptotal為潮流能理論平均功率，kW；Pm為潮流能平均功率密度，kW／m2；A為水道斷面面積，m2。

舟山海域的潮流能資源豐富，為了全面了解舟山海域的潮流能資源理論蘊藏量，結(jié)合舟山市的行政區(qū)劃范圍，基于已掌握的水深地形資料以及潮流能功率密度分布特征，根據(jù)能量守恒原理，在避免重復(fù)統(tǒng)計的要求下，選取包括典型水道在內(nèi)的若干特征斷面（圖6和表3）并計算其潮流能資源理論蘊藏量，其中，斷面7潮流能年平均功率密度可達17.25kW／m2，理論蘊藏量為64.8萬kW。將各個斷面的潮流能資源理論蘊藏量加總即得舟山海域潮流能資源理論蘊藏量約為250萬kW。

需要特別指出的是，在排除重復(fù)統(tǒng)計的情況下，由于潮波在傳播過程中勢能和動能不斷轉(zhuǎn)化，潮流能資源理論蘊藏量與選取的斷面位置有關(guān)，本次計算結(jié)果僅代表文中所選取的10個斷面上的潮流能資源理論蘊藏量之和。

表3 舟山海域潮流能資源理論蘊藏量統(tǒng)計表

7 結(jié)語

（1）建立了包括舟山海域在內(nèi)的大范圍潮流數(shù)學(xué)模型，利用實測潮流資料對模擬結(jié)果進行了驗證，潮位、流速和流向的計算值與實測值吻合良好，說明本模型計算結(jié)果合理可信，能夠較準(zhǔn)確地模擬舟山及附近海域潮流分布特征。

（2）模擬計算2014年舟山海域的潮流場，統(tǒng)計出舟山海域的潮流能平均功率密度和空間分布特征，選取包括典型水道在內(nèi)的若干特征斷面并計算其潮流能資源理論蘊藏量，最終估算得到舟山海域潮流能資源理論蘊藏量約為250萬kW。

（3）舟山海域潮流通道多、水深條件好、資源豐富，是開發(fā)潮流能的理想海域。

以上研究成果對舟山海域潮流能開發(fā)利用具有一定的參考價值。

［1］ 王傳崑，盧葦.海洋能資源分析方法及儲量評估［M］.北京：海洋出版社，2009.

［2］ 陳耕心.浙江沿岸和長江口區(qū)潮流能源及其開發(fā)利用［J］.東海海洋，1991，9（1）：13－18.

［3］ 王智峰，周良明，張弓賁，等.舟山海域特定水道潮流能估算［J］.中國海洋大學(xué)學(xué)報，2010，40（8）：27－33.

［4］ 韓志，唐志波，丁廣佳，等.杭州灣潮流能資源儲量估算［J］.水道港口，2012，33（4）：303－309.

［5］ 侯放，于華明，鮑獻文，等.舟山群島海域潮流能數(shù)值估算與分析［J］.太陽能學(xué)報，2014，35（1）：125－133.

［6］ 王衛(wèi)遠，楊娟，何倩倩，等.蘇北沿海大豐海域潮流場數(shù)值模擬計算［J］.人民長江，2012，43（19）：79－81，89.

［7］ 呂新剛，喬方利.海洋潮流能資源估算方法研究進展［J］.海洋科學(xué)進展，2008，26（1）：98－108.

Assessment of Tidal Current Energy Resources in Zhoushan Sea Area

WANG Weiyuan，YANG Juan

（Power China Huadong Engineering Corporation Ltd.，Hangzhou 311122，China）

The mathematical model of tidal current for Zhoushan sea area，including Hangzhou bay，was developed with MIKE 21Flow Model＿FM HD module.The calculated results were compared to the measured results and good agreement was obtained.It showed that the model was able to reflect the characteristics of tidal currents in Zhoushan sea area accurately.Then the tidal current field of 2014in Zhoushan sea area was calculated.The average tidal current energy power density and the spatial distribution characteristics were counted，and the reserves in theory of tidal current for 10characteristic sections was about 2500，000kW.It had a certain reference value for the development and utilization of tidal current energy in Zhoushan sea area.

Zhoushan sea area，Tidal current energy，Mathematical model，Tidal current energy power density，Reserves in theory

P743.1

A

1005－9857（2017）03－0054－07

2016－11－11；

2017－01－08

海洋可再生能源專項資金項目（GHME2012ZC04）；華東勘測設(shè)計研究院科技項目（KY2014－02－21）.

王衛(wèi)遠，工程師，碩士，研究方向為海岸工程，電子信箱：wangweiyuan008＠126.com