中國(guó)大陸沿岸波浪能分布初步研究

王綠卿，馮衛(wèi)兵，唐筱寧，龔政

（1.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.海軍工程設(shè)計(jì)研究院 工程綜合試驗(yàn)中心，山東 青島 266100）

1 引言

波浪能作為一種可持續(xù)、重復(fù)利用的清潔能源，被越來(lái)越多的人所重視，在燃料能源日漸匱乏的背景下，諸多國(guó)家加大了對(duì)波能發(fā)電的研究力度，各國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)相繼開(kāi)發(fā)出了各種波能轉(zhuǎn)化技術(shù)及裝置［1－2］，有些國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始采用波能發(fā)電設(shè)備向國(guó)家電網(wǎng)供電，初步實(shí)現(xiàn)了波能發(fā)電的商業(yè)化發(fā)展，如英國(guó)的Islay岸基式波能發(fā)電站（2000年，發(fā)電量0.5MW），該電站已并入國(guó)電網(wǎng)，可滿(mǎn)足500戶(hù)家庭的用電需求①http：//www.reuk.co.uk/Islay－Wave－Power－Station.hhm。

根據(jù)相關(guān)研究②Cornett A M.A global wave energy resource assessment，Paper No.ISOPE－2008－579.，全球范圍內(nèi)波能較大區(qū)域位于南、北半球緯度30°～60°之間盛行西風(fēng)的海域帶。中國(guó)沿海海域位于北太平洋西部，在亞歐大陸的遮擋下，受西風(fēng)帶影響較小，另?yè)?jù)文獻(xiàn)［3］介紹，中國(guó)沿海的波能功率密度基本在2～7kW/m之間，屬于波能較低的海域。

中國(guó)大陸沿岸波能儲(chǔ)量較弱，在發(fā)展中國(guó)的波能發(fā)電產(chǎn)業(yè)時(shí)應(yīng)當(dāng)緊密結(jié)合本國(guó)海域的波能實(shí)際分布規(guī)律，嚴(yán)格論證項(xiàng)目選址可行性，合理選擇波能轉(zhuǎn)化裝置，避免盲目投資帶來(lái)的巨大浪費(fèi)。

本文基于上述情況，采用數(shù)值模擬方法對(duì)中國(guó)沿岸的波浪能分布情況進(jìn)行了初步研究，通過(guò)研究初步明確了中國(guó)沿岸－30m等深線(xiàn)上的波浪能空間分布，并得出了波浪能在不同季節(jié)的分布趨勢(shì)，研究成果可為波能發(fā)電場(chǎng)的選址提供合理的評(píng)估依據(jù)。

2 波能儲(chǔ)量研究方法

數(shù)值模型法在波浪能儲(chǔ)量估算領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［4－7］，已成為學(xué)術(shù)界研究波浪能分布規(guī)律較通用的方法。數(shù)值模型法是指采用合適的波浪數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)研究海域的波浪條件進(jìn)行多年后報(bào)模擬，通過(guò)數(shù)值模擬獲得研究海域的波高、周期、波向等數(shù)據(jù)，基于上述數(shù)據(jù)可由波能計(jì)算公式得到波浪能儲(chǔ)量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)波能儲(chǔ)量分布的研究。

目前，見(jiàn)諸文獻(xiàn)較多的波浪計(jì)算模型主要以第三代波浪模型為主，如WAM、WAVEWATCHⅢ（下文簡(jiǎn)稱(chēng) WW3）和SWAN（Simulating Wave Nearshore）等，其中WW3和SWAN被諸多國(guó)際研究機(jī)構(gòu)采用作為波浪預(yù)報(bào)及后報(bào)的計(jì)算平臺(tái)，模型的計(jì)算精度也在諸多研究項(xiàng)目中得到了驗(yàn)證③Paul A Wittmann.Implementation of WAVEWATCHⅢat Fleet Numerical Meteorology and Oceanography Center.OCEANS.MTS/IEEE Conference and Exhibition（Volume 3），zoll：1474－1479.，限于篇幅，本文不再詳細(xì)介紹關(guān)于波浪模型的相關(guān)知識(shí)，可參考相關(guān)文獻(xiàn)。

3 波浪能計(jì)算

在評(píng)估波浪能儲(chǔ)量時(shí)通常使用波能功率密度作為衡量某一水域波能儲(chǔ)量的指標(biāo)，理論上波能功率密度P等于作用于與波浪前進(jìn)方向正交的垂直平面上的液體動(dòng)壓強(qiáng)p和水質(zhì)點(diǎn)通過(guò)這個(gè)平面的速度u的乘積，在深水條件下的波功率密度計(jì)算可用下列簡(jiǎn)化公式計(jì)算：

式中，Te為波能周期，Te可用波譜的不同階矩求得

為方便實(shí)際應(yīng)用，有學(xué)者采用了較為簡(jiǎn)潔的系數(shù)法，由已知的特征波周期求波能周期，

Tp為譜峰周期，當(dāng)波浪譜型為JONSWAP譜，且譜峰因子γ＝3.3時(shí)，α＝0.9，本文在計(jì)算波能周期時(shí)采用該系數(shù)。

4 WW3模型簡(jiǎn)介及設(shè)置

研究采用了兩級(jí)嵌套波浪模型，低精度大范圍模型為北半球波浪模型，高精度小范圍模型為中國(guó)沿海海域波浪模型，模型中采用的地形數(shù)據(jù)來(lái)自高分辨率（2′×2′）全球地形數(shù)據(jù)庫(kù)ETOPO2，陸地岸線(xiàn)則根據(jù)GSHHS高分辨率岸線(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)確定。北半球波浪模型緯度范圍為0°～55°N，經(jīng)度范圍環(huán)全球，網(wǎng)格精度為30′×30′，中國(guó)沿海波浪模型緯度范圍為17.5°～41°N，經(jīng)度范圍為105°～124°E，網(wǎng)格精度為10′×10′，模型驅(qū)動(dòng)風(fēng)場(chǎng)采用NOAA的后分析風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)（http：//nomads.ncdc.noaa.gov/data.php），風(fēng)場(chǎng)時(shí)間間隔6h，空間分辨率為1°。

5 模型驗(yàn)證

研究后報(bào)了2007—2009年的波浪分布情況，并根據(jù)NOAA發(fā)布的10個(gè)大洋浮標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，浮標(biāo)所在海域覆蓋整個(gè)北太平洋，限于篇幅，本文僅簡(jiǎn)要介紹其中一個(gè)測(cè)站的驗(yàn)證結(jié)果，其余測(cè)站與之基本類(lèi)似。

圖1 21178浮標(biāo)測(cè)站（NOAA）3a波浪要素對(duì)比結(jié)果

圖1為21178浮標(biāo)（NOAA編號(hào)）的模型計(jì)算值與浮標(biāo)實(shí)測(cè)值的對(duì)比結(jié)果，圖2為實(shí)測(cè)值和模型值的統(tǒng)計(jì)直方圖對(duì)比，據(jù)圖1、圖2，WW3模型能夠較好地模擬出波浪隨時(shí)間過(guò)程的主要分布規(guī)律，兩測(cè)站的波高計(jì)算值與浮標(biāo)數(shù)據(jù)符合良好。之后，對(duì)實(shí)測(cè)值和模型值的同時(shí)段樣本分別進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，定量研究了實(shí)測(cè)值和模型值之間的相似程度。表1是21178浮標(biāo)波浪實(shí)測(cè)值和模型值統(tǒng)計(jì)特征值對(duì)照表。

參考圖、表對(duì)比結(jié)果，可以看出，所建數(shù)學(xué)模型較好地復(fù)演了2007—2009年的波況條件，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值之間吻合良好，通過(guò)數(shù)學(xué)模型獲得的波浪條件是合理的，可用于波浪能儲(chǔ)量研究，下文所列波能研究結(jié)果均基于上述模型計(jì)算結(jié)果。

圖2 21178浮標(biāo)波浪要素實(shí)測(cè)值與模擬值分布特征對(duì)比圖

表1 21178浮標(biāo)波浪要素實(shí)測(cè)值與模擬值統(tǒng)計(jì)特征對(duì)比（樣本數(shù)量：18 414）

圖3 中國(guó)沿海波能功率密度年均值分布

6 波能分布及主要特征

圖3為年均波能功率密度值在我國(guó)沿海的整體分布形勢(shì)圖，據(jù)圖可知，中國(guó)沿海波浪能分布基本以長(zhǎng)江口為分界線(xiàn)，長(zhǎng)江口以北海域波能明顯小于其以南海域。此外，深海波能儲(chǔ)量明顯大于近海及近岸海域，但由于深海波能利用難度較大，本文主要對(duì)沿岸相對(duì)淺水區(qū)進(jìn)行研究、分析。

臺(tái)灣島東側(cè)沿海海域?yàn)槲覈?guó)波浪能最集中海域，全年平均波能功率值基本在9kW/m左右；海南島東側(cè)海域次之，全年平均波能功率值在7kW/m左右；浙江和福建附近海域則是我國(guó)大陸省份波能分布較集中的海域。

在實(shí)際工程中，波能轉(zhuǎn)化裝置宜布設(shè)在水深相對(duì)較淺便于施工的近海水域，工程規(guī)劃設(shè)計(jì)人員所關(guān)心的通常是工程海域的波能分布情況。為此，本文假定－30m等深線(xiàn)為工程海域，并針對(duì)中國(guó)沿海－30m等深線(xiàn)的波能分布做了詳細(xì)研究，研究成果具有一定的工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖4～7分別給出了不同季節(jié)我國(guó)海域 －30m等深線(xiàn)上波能功率密度值沿緯度的分布趨勢(shì)圖。對(duì)比不同年份的波能功率密度值可知，在不同年的相同月份，各海域的波能具體量值雖然有一定差異，但整體規(guī)律性較為明顯，年均值較接近（圖8）。

圖4 中國(guó)沿海波能功率密度1—3月份均值沿緯度分布及年份變化情況

圖5 中國(guó)沿海波能功率密度4—6月份均值沿緯度分布年份變化情況

圖6 中國(guó)沿海波能功率密度7—9月份均值沿緯度分布及年份變化情況

圖7 中國(guó)沿海波能功率密度10—12月份均值沿緯度分布及年份變化情況

圖8 中國(guó)沿海波能功率密度年均值沿緯度分布及年份變化情況

根據(jù)3a平均計(jì)算結(jié)果，1—3月份，波浪能最大區(qū)域分布在20.5°N和25.5°N水域，波能功率密度值（3a均值，下同）約為5.8kW/m，此時(shí)，28°N左右水域的波能功率密度值約為5.1kW/m；4—6月份期間全國(guó)沿海波能功率密度整體較弱，分布區(qū)域集中在28°N左右，此處的波能功率密度值約為3.4kW/m；7—9月份期間波能分布與4—6月份期間相似，主要集中在28°N左右，波能功率密度值為5.5kW/m；10—12月期間波浪能整體相對(duì)較大，分布趨勢(shì)與1—3月份類(lèi)似，20.5°N和25.5°N海域波能密度最大，為8kW/m，28°N附近波能功率密度約為7.1kW/m。

據(jù)年均波能功率密度值沿緯度分布圖分析（見(jiàn)圖8），27°～29.5°N 之間海域年均波能功率密度在4kW/m以上，以28°N附近（溫州灣和臺(tái)州灣之間水域）波能密度值最大，年平均波能功率密度為5kW/m左右，其余海域波能功率密度均在3kW/m以下，尤其以35°N以北最小。

為詳細(xì)說(shuō)明28°N附近海域的波浪特征，在該海域選取了4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行了重點(diǎn)分析，點(diǎn)位分布見(jiàn)圖9。根據(jù)WW3波浪模型計(jì)算結(jié)果對(duì)“波高周期聯(lián)合分布”及“波能方向分布”等進(jìn)行了研究。圖10為各點(diǎn)的波高－周期分布圖，據(jù)圖可以方便地看出不同波級(jí)波浪在全年波浪序列中所占的比重，如在P1點(diǎn)，Hs在0.5～1.5m之間，Tp在4～7s的波浪占到了全年波浪的44%，從該圖可以得出該海域波浪要素的主要特征，從而為波能設(shè)備選型提供依據(jù)。

圖9 點(diǎn)位分布圖

圖11為P1—P4點(diǎn)的波能方向分布玫瑰圖，從各圖可以看出溫州灣不同海域波浪方向分布具有一定差異，其中P2、P3、P4這3點(diǎn)波浪方向特征相似，波浪主要以E－NE向?yàn)橹?，該方向波浪占到全年波浪?0%左右，而P1點(diǎn)則略有不同，通過(guò)研究波浪能的方向分布，對(duì)合理確定波能發(fā)電場(chǎng)的選址具有一定的參考價(jià)值。

圖10 P1—P4點(diǎn)的波高－周期聯(lián)合分布

圖11 P1—P4波能方向玫瑰圖（單位：kW/m）

7 結(jié)語(yǔ)

研究基于WW3全球波浪數(shù)值模型，對(duì)中國(guó)沿海的波能分布進(jìn)行了初步探討，本文簡(jiǎn)要介紹了研究的主要成果：

（1）中國(guó)沿海波能功率密度季節(jié)性變化明顯，秋冬季節(jié)（10月—翌年3月）波浪能偏大，春夏季節(jié)（4—9月）則相對(duì)較弱。

（2）根據(jù)數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果，中國(guó)沿海－30m等深線(xiàn)上波能功率密度沿海分布不均，整體上以長(zhǎng)江口為分界線(xiàn)，以北波能較低，以南則整體偏高。

（3）中國(guó)大陸海域在27°～29.5°N之間波能較為集中，其中28°N左右海域波能最集中，該處海域年平均波能功率密度為5kW/m左右。

（4）本文所得出的中國(guó)沿海波能功率密度數(shù)值結(jié)果及其時(shí)間、空間分布規(guī)律與文獻(xiàn)［8］相一致，并在此基礎(chǔ)上提供了波浪－周期的聯(lián)合分布及方向性分布，完善了波浪能儲(chǔ)量研究成果，可為工程應(yīng)用提供參考。

（5）從本文研究結(jié)果看，中國(guó)沿海波能功率密度相對(duì)較低，在進(jìn)行波浪能開(kāi)發(fā)規(guī)劃時(shí)應(yīng)當(dāng)充分論證，并根據(jù)各海域的波浪統(tǒng)計(jì)特征，科學(xué)合理地選用波浪能轉(zhuǎn)化設(shè)備，防止盲目開(kāi)工造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。

（6）本文僅提供了20°N以北大陸沿海3a的波浪能分布情況，能夠說(shuō)明我國(guó)沿海波浪能分布的主要規(guī)律，在以后的研究中可增加后報(bào)年限，并增加北部灣、海南省和臺(tái)灣省的研究成果，進(jìn)一步細(xì)化研究成果。

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