廈門灣海域及金門水道潮流能特征分析

陳金瑞

（福建省海洋預(yù)報(bào)臺，福建 福州 350003）

廈門灣位于福建省南部沿海九龍江入?？谔帲且粋€(gè)半封閉型海灣，屬于構(gòu)造成因的港灣，兼有河口灣性質(zhì)，其岸線曲折，地形復(fù)雜，東有大小金門島，南有大小擔(dān)島，西有九龍江徑流，由于受河流徑流、海洋潮流和岸線地形共同作用，廈門灣海域流場情況較為復(fù)雜。

隨著世界各國對能源需求的不斷增長和環(huán)境保護(hù)的日益加強(qiáng)，潮流能作為一種海洋可再生能源，已經(jīng)得到廣泛的關(guān)注及研究，研究主要集中在探討潮流能開發(fā)裝置和潮流能資源計(jì)算方法。近年來，歐洲（尤其是英國）、加拿大、美國等發(fā)達(dá)國家都對各自管轄的海域開展了潮流能資源評估（Energy Technology Support Unit， 1993；Commission of the E uropean Communities， 1996；Black&Veatch Consulting Ltd，2004；Cornett，2006；Hagerman et al，2006）。基于前期海洋能工作，2009年歐洲海洋能中心發(fā)布了第一版潮流能資源評估指南（Black&Veatch Consulting Ltd，2009），詳細(xì)描述了潮流能資源評估的不同階段、數(shù)據(jù)要求及分析、評估方法以及資源統(tǒng)計(jì)等等。國內(nèi)也有部分學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)對全國沿海的潮流能進(jìn)行了初步估算，1986-1989年完成的《中國沿海農(nóng)村海洋能資源區(qū)劃》（王傳崑等，1989）中列舉出全國潮汐能資源和波浪能、潮流能資源理論功率；2005年啟動的“中國近海海洋綜合調(diào)查（908）”專項(xiàng)中，開展了近海的各類海洋能資源調(diào)查?？傮w上講，潮流能資源的開發(fā)利用還處于起步階段。由于目前我國的潮流觀測數(shù)據(jù)較為稀缺，針對重點(diǎn)水道，只能利用數(shù)值模式彌補(bǔ)資料缺陷，采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場調(diào)查相配合的方法進(jìn)行潮流能資源評估（呂新剛等，2008，2009；武賀等，2010）。本文基于FVCOM海洋數(shù)值模式建立廈門灣及其附近海域的潮汐潮流模型，統(tǒng)計(jì)分析該海域潮流能要素特征，并針對特定水道的潮流能蘊(yùn)藏量及技術(shù)可開發(fā)量進(jìn)行重點(diǎn)分析。

1 水動力模型簡介和驗(yàn)證

1.1 模型簡介

海洋數(shù)值模式FVCOM（An Unstructured Grid，F(xiàn)inite-Volume Coastal Ocean Model）（Chen et al，2006）是由美國馬薩諸塞大學(xué)海洋科技研究院和吾茲霍爾海洋研究所聯(lián)合開發(fā)，它在近海海灣數(shù)值模擬中具有明顯優(yōu)勢：水平方向上無結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格能很好地?cái)M合復(fù)雜岸線并對重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行局部加密；垂向上采用σ坐標(biāo)變換能很好擬合復(fù)雜海底地形；采用有限體積方法能夠保證整個(gè)研究區(qū)域和單元網(wǎng)格都能滿足動量、能量和質(zhì)量守恒；三維干濕網(wǎng)格處理技術(shù)可更好地解決海灣灘涂面積大的變邊界問題等。

1.2 模型配置

1.2.1 計(jì)算網(wǎng)格和地形數(shù)據(jù)

圖1 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格

本文的計(jì)算區(qū)域范圍（圖 1）為 117.75°E-119.35°E，23.60°N-24.80°N，覆蓋了整個(gè)廈門灣及其附近海域，模擬海域內(nèi)水平方向上共有71 426個(gè)三角形節(jié)點(diǎn)，138 432個(gè)三角形單元。對廈門灣海域進(jìn)行加密，最小網(wǎng)格距小于100 m。計(jì)算時(shí)間是從2009年12月27日到2011年1月1日，前面5 d用于模型穩(wěn)定，不用于本文潮流能參數(shù)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

本模型的岸線和近岸的水深數(shù)據(jù)來源于福建省908專項(xiàng)調(diào)查成果，外海區(qū)域的水深數(shù)據(jù)來源于中華人民共和國海事局出版的海圖，將二者擬合的水深數(shù)據(jù)插值到模擬區(qū)域網(wǎng)格點(diǎn)上，見圖2，廈門灣內(nèi)大部分水深介于5～20 m之間，最大水深達(dá)31 m。

1.2.2 邊界條件

本文在模擬過程中不考慮溫鹽變化以及大氣對海洋的影響，模型采用零初始條件，即初始時(shí)刻潮位和流速均設(shè)為0；開邊界是由101個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，用 8 個(gè)主要天文分潮（M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1）的調(diào)和常數(shù)后報(bào)出開邊界水位驅(qū)動模型，開邊界的調(diào)和常數(shù)是從福建省海洋與漁業(yè)廳“十一五”期間建立的臺灣海峽三維溫、鹽、流模型中提取出來，采用了干濕網(wǎng)格處理技術(shù)，灘涂的數(shù)據(jù)來自福建省908專項(xiàng)調(diào)查成果。

1.3 模型驗(yàn)證

本文選取廈門驗(yàn)潮站2010年6-7月的逐時(shí)潮位觀測數(shù)據(jù)（因?yàn)檫@期間廈門海域海況較好，無臺風(fēng)和冷空氣影響）驗(yàn)證數(shù)值結(jié)果，驗(yàn)潮站以及流速驗(yàn)證點(diǎn)位置如圖2。7月水位對比曲線（圖3）表明二者吻合較好，平均絕對誤差為17.8 cm，平均相對誤差為5.8%。表1給出了翔安、廈門和龍海3個(gè)站的調(diào)和常數(shù)（3個(gè)潮位站觀測得到2010年逐時(shí)潮位數(shù)據(jù)調(diào)和分析所得），各個(gè)分潮的振幅和遲角與實(shí)測結(jié)果吻合較好，誤差都在允許范圍內(nèi)。

本文還對比了福建908專項(xiàng)調(diào)查中廈門灣海域的流速數(shù)據(jù)，大潮期間為2005年9月20日13∶00至2005年9月21日14∶30，小潮期間為2005年9月28日14∶00至2005年9月29日 16∶00，站點(diǎn)位置見圖2。圖4-6給出了大小潮期間C1、C2和C3站點(diǎn)的流速流向?qū)Ρ惹€，紅線為實(shí)測數(shù)據(jù)，藍(lán)線為模擬結(jié)果，除了C2站，C1和C3站潮流驗(yàn)證點(diǎn)的流速流向模擬和實(shí)測吻合，統(tǒng)計(jì)大潮流速大于30 cm/s的數(shù)據(jù)，C1站的流速相對誤差為21.5%，流向絕對誤差10.4°；C2站的流速相對誤差為22.1%，流向絕對誤差17.7°。綜上所述，通過對潮位、流速和流向?qū)Ρ缺砻?，本文所建立廈門灣潮汐潮流模式是可信的，模擬結(jié)果能較好地體現(xiàn)廈門灣海域的潮汐潮流特征。

圖2 計(jì)算區(qū)域水深等值線及驗(yàn)證點(diǎn)分布

圖3 7月份廈門站實(shí)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對比曲線

表1 觀測與計(jì)算的調(diào)和常數(shù)對比表

圖4 C1站潮流過程曲線

圖5 C2站大小潮過程曲線

圖6 C3站大小潮過程曲線

2 潮流能要素特征分析

在潮汐潮流驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)廈門灣海域大小潮年平均流速、最大可能流速、年平均功率密度，并針對特定的水道計(jì)算其年各級潮流累計(jì)時(shí)間、水道潮流能資源蘊(yùn)藏量以及技術(shù)可開發(fā)量（用垂向平均流速作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)）。

2.1 大小潮年平均流速

本文將一年中所有的大潮期（連續(xù)3 d）流速峰值的平均值取為大潮年平均流速；一年中所有的小潮期（連續(xù)3 d）流速峰值的平均值取為小潮年平均流速。統(tǒng)計(jì)廈門灣海域的大小潮年平均流速，結(jié)果見圖7和圖8，大小潮期間年平均流速分布趨勢基本一致，平均流速較大區(qū)域主要發(fā)生在金門水道、金門北東水道、廈門東側(cè)水道、九龍江口至青嶼水道以及安海灣口門附近海域，其中以金門北東水道最大，大潮期間介于1.2～1.6 m/s，金門水道次之，大潮期間介于為1.1～1.3 m/s。

圖8 小潮年平均流速分布圖

2.2 最大可能流速

根據(jù)歷史資料以及本次模型計(jì)算的結(jié)果顯示，廈門灣及其附近海域?qū)儆谝?guī)則半日潮，按照《海港工程規(guī)范》的要求，最大可能流速的公式為：

其中 WM2、WS2、WK1、WO1、WM4、WMS4分別為M2、S2、K1、O1、M4、MS4分潮潮波的潮流橢圓長半軸。根據(jù)上述公式計(jì)算得到模擬區(qū)域的最大可能流速分布見圖9，最大可能流速分布基本與大小潮平均流速分布一致，在模擬區(qū)域內(nèi)最大可能流速較大區(qū)域發(fā)生在金門北東水道、金門水道以及安海灣灣口，其他區(qū)域的最大可能流速基本上小于1.4m/s；該海域最大可能流速最大值可達(dá)到2.2 m/s，發(fā)生在金門北東水道，金門水道次之。

圖9 最大可能流速分布圖

2.3 年平均功率密度

功率密度，又稱能流密度，是單位時(shí)間通過單位過流面積的潮流能量。潮流能通常是經(jīng)某個(gè)過流面來開發(fā)利用的，因此功率密度是衡量潮流能的一個(gè)重要標(biāo)志。功率密度P計(jì)算公式（呂新剛等，2008）為：

其中：ρ為海水密度；V為潮流流速。潮流隨時(shí)間改變，通常取上式在某時(shí)間內(nèi)的平均值——平均功率密度Pm：

將一年內(nèi)的功率密度的平均值取為年平均功率密度（圖10），其分布與大小潮年平均年功率密度基本上相似，年平均功率密度較大的區(qū)域發(fā)生在金門北東水道、金門水道以及安海灣灣口；以金門北東水道年平均功率密度最大，可達(dá)400 W/m2；金門水道次之，達(dá)250 W/m2左右。

圖10 年平均功率密度分布圖

2.4 年各級潮流累計(jì)統(tǒng)計(jì)

潮流能發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理為潮流作用在渦輪機(jī)葉片上使葉片旋轉(zhuǎn)，然后通過發(fā)電機(jī)將旋轉(zhuǎn)葉片的動能轉(zhuǎn)換為電能來進(jìn)行發(fā)電。發(fā)電過程不止要考慮潮流的最大流速，還必須考慮水道等年各級潮流累計(jì)時(shí)間，因?yàn)榫湍壳暗陌l(fā)電裝置技術(shù)，流速過低時(shí)潮流將不足以帶動渦輪機(jī)葉片轉(zhuǎn)動。只有流速達(dá)到一個(gè)臨界速度之上時(shí)才會被潮流能發(fā)電機(jī)利用并產(chǎn)生電能，稱這個(gè)臨界速度為截入速度（cut-inspeed）。潮流能發(fā)電機(jī)本身設(shè)計(jì)時(shí)有一個(gè)額定功率，使潮流能發(fā)電機(jī)達(dá)到額定功率時(shí)的潮流的臨界流速稱之為額定流速（rated speed）。當(dāng)潮流流速超過額定流速時(shí)即使流速繼續(xù)增加，潮流能發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率也不會隨之變大，而是始終保持額定功率不變。不同國家設(shè)計(jì)潮流能發(fā)電機(jī)的額定流速和截入速度不同，基本上額定流速都在2.5 m/s，截入流速一般低于1 m/s。

對金門水道附近的海域選取一個(gè)流速最大的點(diǎn)作為特征點(diǎn)進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)一年內(nèi)在不同速度區(qū)間上出現(xiàn)的概率分布圖11：垂向平均潮流最大介于1.8～1.9 m/s，這與《中國沿海農(nóng)村海洋能資源區(qū)劃》指出金門水道的最大流速可達(dá)1.96 m/s基本一致，不過發(fā)生時(shí)間不是很多，一年內(nèi)垂向平均流速超過1 m/s的時(shí)間為2 483 h，占28.3%。

圖11 垂向平均潮流累計(jì)時(shí)間統(tǒng)計(jì)曲線

2.5 金門水道潮流能資源蘊(yùn)藏量和技術(shù)可開發(fā)利用量

潮流資源評估主要依賴于潮流數(shù)值模擬數(shù)據(jù)作為評估主要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。一般來說，由于潮流能總是經(jīng)過某個(gè)過流截面來開發(fā)利用的，因此潮流能儲量是指拋開一切技術(shù)因素，通過某個(gè)截面的潮流能。理論計(jì)算公式（呂新剛等，2010）：

其中：P是指周期T內(nèi)潮流能的平均功率；t初始時(shí)刻，T為評估周期；L水道寬度；H水深，ρ為海水密度，取1 025 kg/m3。

本文計(jì)算潮流能蘊(yùn)藏量的斷面位于金門水道垂直平均流速極值點(diǎn)處，方向與當(dāng)?shù)爻绷鳈E圓的主軸方向垂直，該斷面長度為1 981 m，平均水深16 m，最深處為30 m，積分時(shí)間T取一年。

針對于金門水道潮流技術(shù)可開發(fā)量的計(jì)算，本文選用FLUX方法（呂新剛等，2009），有效影響因子SIF的取值參考（Hagerman et al， 2006）取為15%進(jìn)行計(jì)算，通過計(jì)算金門水道潮流能蘊(yùn)藏量為2 917 kW，其技術(shù)可開發(fā)量為438 kW，通過計(jì)算月平均蘊(yùn)藏量，見圖12，3、4月份和9月份形成兩個(gè)峰值、6月份達(dá)到波谷；大潮年平均蘊(yùn)藏量為4 970 MW。

圖12 金門水道2010年月平均蘊(yùn)藏量

3 結(jié)語

本文基于海洋數(shù)值模式FVCOM，以8個(gè)主要分潮作為驅(qū)動，在較準(zhǔn)確刻畫廈門灣海域潮汐潮流變化的情況下，統(tǒng)計(jì)其各潮流能要素特征，得到以下初步結(jié)論：

（1）大小潮期間年平均年流速分布趨勢基本致，大潮期間平均流速大于小潮期間；大小潮期間平均流速較大區(qū)域主要發(fā)生在金門水道、金門北東水道、廈門東側(cè)水道、九龍江口至青嶼水道以及安海灣口門附近海域，其中以金門北東水道最大，大潮期間介于1.2～1.6 m/s，金門水道次之，大潮期間介于為 1.1～1.3 m/s；

（2）最大可能流速分布基本與大小潮平均流速分布一致，該海域最大可能流速最大值可達(dá)到2.2 m/s，發(fā)生在金門北東水道，金門水道次之；

（3）金門水道垂向平均潮流最大介于1.8～1.9 m/s，一年內(nèi)垂向平均流速超過1 m/s的時(shí)間為2 483 h，占28.3%；

（4）通過計(jì)算金門水道潮流能蘊(yùn)藏量為2 917 kW，其技術(shù)可開發(fā)量為438 kW。

致謝：福建省908專項(xiàng)調(diào)查成果提供了寶貴基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，科室同事提出寶貴修改意見，謹(jǐn)在此一并致謝。

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