海灣內(nèi)外的動態(tài)水位差模擬研究——一種全新的潮汐能開發(fā)方式的探索

張俊彪，繆 斌 ，許雪峰 *,3,楊萬康 ，張 峰 ，潘 沖 ，施偉勇

（1.國家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；2.國家海洋局 閩東海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，福建 寧德 352000；3.浙江大學(xué)，浙江 杭州 310006)

海灣內(nèi)外的動態(tài)水位差模擬研究
——一種全新的潮汐能開發(fā)方式的探索

張俊彪1，繆 斌2，許雪峰*1,3,楊萬康1，張 峰1，潘 沖1，施偉勇1

（1.國家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；2.國家海洋局 閩東海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，福建 寧德 352000；3.浙江大學(xué)，浙江 杭州 310006)

首次提出了一種全新的海灣潮汐能開發(fā)方式——利用海灣內(nèi)外的動態(tài)水位差進(jìn)行潮汐能發(fā)電。原理是利用潮波到達(dá)海灣底部和海灣外部的相位不一致性，形成了海灣內(nèi)外動態(tài)水位差，可作為潮汐能發(fā)電水頭。并構(gòu)建了一個(gè)理想潮汐能海灣進(jìn)行水動力數(shù)值模擬研究，模擬結(jié)果顯示該新型的潮汐能是存在的，且相比傳統(tǒng)潮汐能利用方式對海灣水動力環(huán)境和通航影響更小。

數(shù)值模擬；潮汐能；海灣；動態(tài)

潮汐能的最早利用方式是11世紀(jì)出現(xiàn)的潮汐磨坊。潮汐發(fā)電的實(shí)際應(yīng)用開始于1912年德國胡蘇姆興建的一座小型潮汐電站。1966年法國建成的朗斯潮汐電站，裝機(jī)容量為24萬kW，年均發(fā)電量為5.44億kW·h，是目前最大的潮汐電站[1-2]。我國潮汐能發(fā)電始于20世紀(jì)50年代后期[3]，迄今建成潮汐電站8座，總裝6 120 kW，其中最大的是浙江江廈潮汐試驗(yàn)電站，為3 900 kW。

但潮汐能在商業(yè)上未能取得公認(rèn)的常規(guī)能源地位。朗斯電站總結(jié)為“在技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)上不合算”的論點(diǎn)仍是其后許多能源決策者對潮汐能評估的依據(jù)。2 0余年來世界上大型潮汐電站仍處于前期論證和試驗(yàn)研究階段，進(jìn)展較緩，迄今未見規(guī)模大于朗斯的潮汐電站開工建造[4]。

這主要是由于傳統(tǒng)的潮汐電站存在以下的問題：（1）需要在海灣內(nèi)建設(shè)大壩，投資巨大（圖1）；（2）受到庫容的限制，電站的裝機(jī)總量有限，如我國最大的江廈潮汐實(shí)驗(yàn)電站[5]裝機(jī)總量僅為3 900 kW；（3）建壩對海灣進(jìn)行截流，會對海灣和庫區(qū)內(nèi)造成較大淤積，影響電站使用壽命和增加維護(hù)成本；（4）海灣截流會對魚類洄游、海灣水交換造成影響，破壞海灣生態(tài)；（5）需要納潮發(fā)電，導(dǎo)致實(shí)際發(fā)電時(shí)間較短。

由于以上缺陷，因此目前潮汐能電站遭遇了發(fā)展的瓶頸，中國僅存江廈潮汐實(shí)驗(yàn)電站正常發(fā)電。國際上對潮汐能資源的開發(fā)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于風(fēng)能、太陽能等新能源。這對于蘊(yùn)藏豐富的潮汐能資源是極大的浪費(fèi)。

本文提出的全新潮汐能發(fā)電方法不同于傳統(tǒng)的潮汐電站，是潮汐能開發(fā)利用的新思路和新探索。

1 傳統(tǒng)潮汐發(fā)電方法及全新方法的提出

1.1 傳統(tǒng)潮汐發(fā)電方法

傳統(tǒng)潮汐電站主要由5個(gè)基本部分組成：潮汐水庫、堤壩、閘門水道、發(fā)電機(jī)組和廠房、輸電設(shè)施等[6]。

傳統(tǒng)潮汐電站主要有兩類[7]：單庫型（單向型、雙向型）和雙庫型。由于雙庫型潮汐電站發(fā)電效率較低且投資較高，因此目前的潮汐電站主要為單庫型。

圖1 傳統(tǒng)單庫型潮汐電站發(fā)電工況的平面簡面

圖1為單庫型潮汐電站發(fā)電工況的平面簡面。傳統(tǒng)的單庫單向潮汐電站工作原理如下：高潮時(shí)段，打開水閘納水，對庫區(qū)進(jìn)行蓄水，當(dāng)庫區(qū)水位達(dá)到最高時(shí)關(guān)閉水閘。等到低潮位時(shí)段，水閘保持關(guān)閉狀態(tài)，庫區(qū)內(nèi)與庫區(qū)外達(dá)到一定水位差時(shí)，打開電站機(jī)組進(jìn)行發(fā)電。而單庫雙向潮汐電站與單庫單向型的主要區(qū)別是采用雙向發(fā)電機(jī)組，在漲潮納水階段仍然可以進(jìn)行發(fā)電。傳統(tǒng)潮汐能電站需在海灣內(nèi)建設(shè)截流大壩，因此對生態(tài)環(huán)境影響較大。

圖2為傳統(tǒng)潮汐發(fā)電過程示意圖[7]，由圖可見在水庫水位在高水位和低水位分別有較長時(shí)間是等待期（蓄水等待大壩兩側(cè)形成較大水位差），在此期間發(fā)電機(jī)不能發(fā)電。從江廈電站運(yùn)行情況看，裝機(jī)年利用小時(shí)為2 300～2 500 h之間，發(fā)電小時(shí)數(shù)為5 000～6 000 h。

圖2 傳統(tǒng)單庫型潮汐發(fā)電示意圖[7]

1.2 全新的潮汐能發(fā)電方法

發(fā)電原理：潮波由外海向海岸傳播，高潮等時(shí)線到達(dá)海灣外要早于到達(dá)海灣內(nèi)，導(dǎo)致海灣外與海灣內(nèi)的潮汐相位差異，灣內(nèi)和灣外的水位存在動態(tài)的水位差。因此選擇合適的地點(diǎn)，開挖流道，連通灣內(nèi)與灣外的水體，并在流道上安裝新型雙向潮汐發(fā)電燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組[2]，就可以利用灣內(nèi)和灣外的動態(tài)水位差進(jìn)行雙向發(fā)電。

方法介紹：潮波從外海傳到海灣底部需要一定的時(shí)間，如圖3所示，結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡匦蝺?yōu)勢，電站位置設(shè)置在海灣底部，開挖流道即可打通海灣底部與外海，在流道上安裝發(fā)電機(jī)組即完成電站主體工程。發(fā)電各階段如下：

發(fā)電階段一（圖3）：外海潮波向海岸和海灣底部傳播，當(dāng)中低潮位線到達(dá)海灣內(nèi)部（即電站的內(nèi)側(cè)）時(shí)，中高潮位線已經(jīng)到達(dá)海灣外側(cè)（即電站外側(cè)）。此時(shí)段，電站內(nèi)側(cè)是中低潮位，電站外側(cè)是中高潮位，存在水位差，可開啟發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電。此階段是從灣外向?yàn)硟?nèi)排水發(fā)電。

發(fā)電階段二（圖4）：當(dāng)中高潮位線到達(dá)海灣內(nèi)部（即電站的內(nèi)側(cè)）時(shí)，中低潮位線到達(dá)海灣外側(cè)（即電站外側(cè)）。此時(shí)段，電站內(nèi)側(cè)是中高潮位，電站外側(cè)是中低潮位，存在水位差，發(fā)電機(jī)組可向外排水發(fā)電。

發(fā)電階段一和階段二是交替循環(huán)工作的，以保證在大多數(shù)的時(shí)間內(nèi)電站保持發(fā)電。

圖3 新型潮汐能發(fā)電示意圖（階段一）

圖4 新型潮汐能發(fā)電示意圖（階段二）

1.3 新方法與傳統(tǒng)方法相比的優(yōu)點(diǎn)

根據(jù)上述的新型潮汐能發(fā)電的方法，有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）不在海灣內(nèi)建設(shè)大壩，不建設(shè)封閉的水庫，僅需在海灣底部開挖通道，因此在發(fā)電期間不會減少海灣的納潮量，且有利于海灣底部水交換；（2）與海灣的通航和其他資源利用的矛盾較小；（3）海灣內(nèi)的水體均可作為發(fā)電水體，而發(fā)電量主要受流量及內(nèi)外水位差的限制，因此只要開挖合適的流道、設(shè)計(jì)合適的流量便可獲得較大的裝機(jī)容量。

2 理想潮汐能海灣的水動力模型

為了驗(yàn)證該新型的潮汐能開發(fā)方式是否可行，本文構(gòu)建了理想的潮汐能海灣水動力模型，進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)。

2.1 理想海灣網(wǎng)格構(gòu)建

構(gòu)建如圖5所示的理想海灣，水深均為10 m，海灣尺度為南北跨度95 km，東西寬60 km。為了便于計(jì)算和給定邊界條件，本模型取均勻的正方形網(wǎng)格，網(wǎng)格邊長取3.5 km。采用較大且正規(guī)的計(jì)算網(wǎng)格具有計(jì)算速度較快、模型更穩(wěn)定的特點(diǎn)，且也能滿足本研究的定性定量的計(jì)算要求。

為了確定海灣底部與灣外的動態(tài)水位差，分析潮汐能發(fā)電的可行性，在模型中設(shè)置了兩個(gè)點(diǎn)（out、in），如圖5所示。記錄該兩點(diǎn)的全程模擬數(shù)據(jù)，in、out兩點(diǎn)的水上距離最近約150 km，而in點(diǎn)到灣口的水上距離約100 km。

圖5 理想潮汐能海灣計(jì)算網(wǎng)格

2.2 控制方程

控制方程采用N-S的淺水方程[8-9]：

式中：ζ為潮位；g為重力加速度；Aζ，Aη為渦動粘滯系數(shù)；u，v為 ξ，η 方向上的流速分量；h 為水深；H=h+ζ為總水深；t為時(shí)間；C 為謝才系數(shù)，C=1/n·H1/6，n 為糙率系數(shù)；f為柯氏系數(shù)，f=2ωsinφ，ω為地轉(zhuǎn)角速度，φ 為緯度。

對水動力方程的離散引用傳統(tǒng)的ADI法數(shù)值求解，計(jì)算時(shí)間步長為1 min。

2.3 邊界條件

（1）邊界條件：開邊界采用水位控制，邊界水位采用潮位預(yù)報(bào)的方法得到[10-11]：

式中：A0為平均海面；Fi，(v0+u)i為天文要素；Hi，gi為調(diào)和常數(shù)。為了簡化模型，且更清楚地顯現(xiàn)理想海灣的動態(tài)水位差，這里調(diào)和常數(shù)僅選用2個(gè)分潮M2和S2，振幅取值分別為1.8 m和0.5 m，相位取值分別為260°和290°，大致和中國東海強(qiáng)潮區(qū)域調(diào)和常數(shù)相符，計(jì)算潮型取大潮。

（2）初始條件：

2.4 參數(shù)選取

柯氏力 f=2ω*sin(29.1°)；粘滯系數(shù) A 取 20～60 m2/s；水容重 ρ=1 020 kg/m3；糙率系數(shù) n=0.010。

3 理想潮汐能海灣的模擬結(jié)果分析

3.1 潮流場分析

海域潮流漲落潮流場分布見圖6。計(jì)算結(jié)果顯示，理想海灣內(nèi)漲潮流速最大為2.8 m/s，落潮流速最大為2.2 m/s；平均漲潮流速為1.5 m/s,平均落潮流速為1.3 m/s；由此可見，流速強(qiáng)度和我國的強(qiáng)潮海灣大致相當(dāng)。而流速較強(qiáng)的位置一般出現(xiàn)在海灣岸線的岬角前沿，海灣底部的流速相對較弱，水交換強(qiáng)度也較弱，這和我國大多數(shù)海灣的水動力特征一致。

圖6 圍墾工程實(shí)施前雙盤涂附近漲、落急流矢圖

3.2 海灣內(nèi)外動態(tài)水位差發(fā)電可行性分析

圖7 動態(tài)水位差平面分布圖

圖8 電站內(nèi)外兩側(cè)水位變化過程曲線

圖9 電站內(nèi)外兩側(cè)的動態(tài)水位差過程曲線

模型計(jì)算結(jié)果中，每2 h輸出水位平面分布，如圖7所示?？梢?，海灣內(nèi)外動態(tài)水位差最大的位置出現(xiàn)海灣底部附近，暨圖示的電站位置。

模型試驗(yàn)中，在海灣內(nèi)外（暨電站的內(nèi)外兩側(cè)）分別設(shè)置兩個(gè)點(diǎn)（圖5），記錄水位變化過程曲線。海灣底部（電站內(nèi)側(cè)）和海灣外（電站外側(cè)）的水位變化過程曲線見圖8所示，可見電站內(nèi)外兩側(cè)的潮時(shí)相差約4.5 h。電站外側(cè)水位表現(xiàn)較為正規(guī)；而電站內(nèi)側(cè)低水位時(shí)間長于高水位時(shí)段，水位抬升過程較快，略有涌潮特征。因此，電站內(nèi)外兩側(cè)的潮時(shí)和潮汐特征均表現(xiàn)不一致，使得大多數(shù)時(shí)間內(nèi)兩側(cè)存在動態(tài)水位差。

圖9所示為電站內(nèi)外兩側(cè)的動態(tài)水位過程曲線。由圖可見，電站兩側(cè)的動態(tài)水位差最大可達(dá)6.0 m，幾乎接近最大潮差；兩側(cè)平均水位差在3.0 m左右，因此可達(dá)到較好的發(fā)電效果。從過程曲線來看，海灣內(nèi)側(cè)向外側(cè)排水（正向）發(fā)電的時(shí)間更長，而外側(cè)向內(nèi)側(cè)排水（逆向）發(fā)電的水頭更大。

從可發(fā)電時(shí)間來看，兩側(cè)水位差在90%的時(shí)段內(nèi)大于1.2 m，而現(xiàn)有的潮汐能發(fā)電技術(shù)水位差大于0.8 m即可進(jìn)行發(fā)電，因此該電站可在大潮90%時(shí)段內(nèi)進(jìn)行發(fā)電，要高于傳統(tǒng)潮汐電站一般大潮的發(fā)電時(shí)間。

4 小結(jié)

本文提出了海灣潮汐能開發(fā)的新思路，并構(gòu)建了理想海灣水動力數(shù)值模型進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在理想的大潮條件下，采用該新型的潮汐能發(fā)電方式可使得潮汐電站發(fā)電時(shí)間提高到90%左右，最大發(fā)電水頭幾乎接近最大潮差，相對傳統(tǒng)潮汐電站提高了潮汐能的利用時(shí)間。

研究表明，利用海灣內(nèi)外的動態(tài)水位差進(jìn)行潮汐能發(fā)電的新思路，在理論上是可行的。與傳統(tǒng)潮汐能電站的發(fā)電模式比較，該全新潮汐能開發(fā)方式還有以下優(yōu)點(diǎn)：不在海灣內(nèi)建設(shè)大壩，因此對海灣的通航等其他資源利用的矛盾較小，也可能對海灣水動力環(huán)境影響更小。

而中國沿海有眾多海灣形態(tài)都類似于文中的理想海灣，如浙江樂清灣和福建三都澳，因此該潮汐能的全新開發(fā)方式可能有較好的發(fā)展前景。

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Numerical Research on Dynamic Water-head Between Sea and Gulf——A New Exploration on Development Way of Tidal Energy

ZHANG Jun-biao1,MIU Bin2,XU Xue-feng1,3,YANG Wan-kang1,ZHANG Feng1,PAN Chong1,SHI Wei-yong1
(1.The Second Institute of Oceanography,SOA,Hangzhou Zhejiang 310012,China;2.The Marine Environment Monitoring Center Station of Mindong,SOA,Ningde Fujian 352000,China;3.Zhejiang University,Hangzhou Zhejiang 310006,China)

A new way of the Gulf tidal energy development was proposed using the dynamic water-head inside and outside the Gulf for tidal power generation.Tide inconsistency was used when it reaches the bottom of the Gulf and outside the Gulf,leading to delay in the tide on Gulf bottom.A dynamic water-level difference was formed between inside and outside of the Gulf,which can be used for tidal power water-head.An ideal tidal energy gulf was built up for the hydrodynamic numerical simulation.Results show that the new tidal energy is existent.Compared to the traditional tidal energy,its impaction is smaller to the hydrodynamic environment and navigation.

numerical simulation;tidal energy;gulf;dynamic

P743.3，P753

A

1003-2029（2012）04-0083-05

2012-05-11

海洋可再生能源專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（GHME2011CX01，GHME2011ZC05）

張俊彪（1971－），男，高級工程師，主要從事河口近岸動力學(xué)研究。

通訊記者：許雪峰（1981-），男，博士研究生，主要從事河口近岸動力學(xué)研究。Email：xuxuefeng1981@163.com