江蘇沿海潮流數(shù)值模擬與潮流能估算

酈 凱，章衛(wèi)勝，王金華

(1. 河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京 210098; 2. 南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京 210029)

江蘇沿海潮流數(shù)值模擬與潮流能估算

酈 凱1，章衛(wèi)勝2，王金華2

(1. 河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京 210098; 2. 南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京 210029)

潮流能是一種海洋可再生能源，具有廣闊的應(yīng)用前景。通過數(shù)值模擬方法，對江蘇沿海的潮流能分布進行估算。首先建立了江蘇沿海平面二維潮流數(shù)學(xué)模型，并利用多次現(xiàn)場實測資料進行驗證；基于數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果，分析了江蘇沿海的潮流場特征；其次，利用準調(diào)和分析方法對15 d潮流模擬結(jié)果進行調(diào)和分析得到6個分潮調(diào)和常數(shù)，并繼而得到最大可能流速和潮流能流密度；最后，利用估算方法對海區(qū)的潮流能進行了估算。研究結(jié)果表明，江蘇沿海燕尾港以南水域平均潮流能流密度相對較高，其中廢黃河口附近海域、蘇北輻射沙洲水道區(qū)域潮流能最為集中，平均能流密度最大值為700～1 200 W/m2，理論上具有較高的開發(fā)與應(yīng)用價值。

潮流能; 數(shù)值模擬; 能源估算; 江蘇沿海

潮流能是海洋可再生能源的一種，是指潮流做水平運行所含有的動能。與其他海洋能資源如潮汐能、波浪能、溫差能、鹽差能以及海洋風(fēng)能等相比，潮流能具有以下幾個特點：①較強的規(guī)律性和可預(yù)測性；②功率密度大，能量穩(wěn)定；③對海洋環(huán)境影響較小，不需要修建大壩，不會產(chǎn)生大的噪聲，不影響人們的視覺環(huán)境，可以保持良好的地域生態(tài)環(huán)境。因此，潮流能在全球范圍內(nèi)具有廣闊的應(yīng)用前景。我國20世紀80年代對全國沿海的潮流能總量進行了初步估算[1]，各海區(qū)潮流能分布以東海最強，主要分布在長江口和舟山海域；渤海和黃海次之，其中渤海主要為遼東半島老鐵山水道，黃海主要分布在江蘇斗龍港至小洋口一帶；南海沿岸最弱，主要分布在臺灣海峽、瓊州海峽附近[2]。

潮流能的計算方法主要有兩種：基于能通量方法和基于動力分析方法[3]。前者以Farm方法和Flux方法[4-5]為代表，后者以Grattre和Cummins提出的方法[6-7]為代表。其中Farm方法基于發(fā)電機能量轉(zhuǎn)換原理，與設(shè)備及其布置有關(guān)；Flux基于能量直接轉(zhuǎn)換，與設(shè)備無關(guān)；兩種方法思路清晰，計算方便，應(yīng)用較廣。Grattre和Cummins方法中的潮流能流基于水體通量[3]，主要針對小海灣和兩端為開敞水域的水道。由于早期潮流能估算主要基于現(xiàn)場實測流速數(shù)據(jù)，而現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)十分稀缺，潮流能估算往往采用個別測點代表整個斷面或整條水道，誤差較大。針對該問題，通過數(shù)值模擬途徑獲得數(shù)據(jù)結(jié)果進行潮流能估算是一種很好的彌補方法，被廣泛應(yīng)用于不同海域的潮流能估算[8-9]。本文借助數(shù)值模擬方法，首先建立江蘇沿海潮流數(shù)學(xué)模型，通過實測資料對模型進行驗證；在分析江蘇沿海潮流特性的基礎(chǔ)上，對重點區(qū)域潮流能進行估算，為江蘇沿海潮流能開發(fā)提供技術(shù)參考。

1 江蘇海岸形勢與潮汐分布

江蘇省海岸線北起蘇魯交界的繡針河口，南抵長江口北支，海岸線長約954 km。江蘇省海岸大致可分為3段：北部海州灣和廢黃河三角洲岸段、中部射陽河口至弶港岸段和南部的輻射沙洲岸段。從海岸地貌上，江蘇海岸大致可分為4個地貌單元：廢黃河三角洲平原區(qū)、中部海積平原區(qū)、長江三角洲平原區(qū)和輻射沙脊群分布區(qū)。

江蘇沿海受兩大潮波系統(tǒng)控制，分別為自南向北傳播的東海前進潮波和受山東半島和朝鮮半島阻擋形成的自北向南推進逆時針旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)，兩股潮波系統(tǒng)在弶港岸外輻合。圖1(a)為M2潮汐分布，無潮點位于廢黃河口外，逆時針方向旋轉(zhuǎn)的M2分潮潮波系統(tǒng)控制著整個輻射沙洲以北的江蘇海域潮波運動。海州灣為該旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)的波腹區(qū)，M2分潮振幅在150～170 cm。波節(jié)點位于廢黃河口外海，振幅小于100 cm。該旋轉(zhuǎn)潮波在新洋港附近明顯受到東海前進潮波的作用，南側(cè)的輻射沙洲海域為兩股潮波系統(tǒng)共同作用海域。在灣頂弶港附近M2分潮振幅達180 cm以上。圖1(b)為K1分潮同潮圖，受黃海中央逆時針方向旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)影響(無潮點122°53′17.7″E，34°06′38.2″)，K1分潮振幅相對較小，一般約15～20 cm，對江蘇海岸潮汐影響也相對較小。

圖1 江蘇沿海M2和K1分潮潮汐分布Fig.1 Distribution of M2 and K1 tidal constituent along Jiangsu coasts

2 數(shù)學(xué)模型建立和驗證

2.1 基本方程

采用靜壓假定、剛蓋假定和Boussineq近似，并認為水流垂線不均勻分布產(chǎn)生的積分修正系數(shù)為1.0，描述水流基本運動方程Navier-Stokes可簡化為沿水深平均的平面二維淺水方程，在球面坐標系下：

(1)

(2)

(3)

2.2 模擬范圍和參數(shù)

模擬區(qū)北邊界位于山東半島成山頭附近，南邊界位于浙江甌江口附近，外海邊界與江蘇岸線基本平行，距離岸邊300 km左右。模型采用經(jīng)緯度球坐標系統(tǒng)，最小網(wǎng)格控制在100 m左右。模型網(wǎng)格單元數(shù)95 125個，節(jié)點數(shù)49 023個。圖2為江蘇沿海地形分布，圖3為江蘇沿海潮流模型計算范圍和計算網(wǎng)格。

圖2 江蘇沿海地形Fig.2 Bathymetric chart of Jiangsu coasts

圖3 潮流數(shù)學(xué)模型計算范圍和計算網(wǎng)格Fig.3 Domain and grids of tidal current model for Jiangsu coasts

模型開邊界條件由西北太平洋潮波模型[10]計算提供。閉邊界滿足不可入條件。初始邊界采用冷啟動。模型采用目前流行的Mike21軟件計算，基于非結(jié)構(gòu)有限體積法[11]計算。水平紊動擴散系數(shù)采用Smagorinsky公式計算，其中cs取0.28；曼寧系數(shù)M根據(jù)調(diào)試取60。

2.3 模型驗證

由于缺少統(tǒng)一大范圍的水文測驗資料，采用不同時期驗證資料對模型進行驗證，包括6個潮位站和9個流速測點。6個潮位站分別為連云港、埒子口、大豐、呂四、小洋港和洋口站；9個流速測點分別位于連云港海域、射陽河口、洋口港海域，見圖2。實測資料時間：連云港海域資料時間在2012年7月4—13日期間，射陽河口海域資料在2013年6月2—11日期間，輻射沙洲洋口港海域時間在2005年5月24—31日期間。3次測量資料的潮位和流速流向驗證表明，潮流模型計算的潮位和流速、流向過程與實測結(jié)果吻合較好，表明模型邊界條件、參數(shù)選取等是合適的。

2.4 潮流特性

圖4為江蘇沿海典型漲落潮流場。從圖4可以看出，輻射沙洲外海漲潮流主要分東南、西北、東北三支向輻射沙洲中部弶港灣頂運動；其東南支由長江口外海漲潮流形成，西北支為連云港至廢黃河口外海落潮流沿中部海岸線進入輻射沙洲海區(qū)，而東北支為外海漲潮流。進入輻射沙洲區(qū)以后，西北、東南、西南向漲潮流沿著各自沙脊水道向灣頂運動。由于潮時的差別，輻射沙洲海域處于漲潮時，連云港、海州灣海域正處于落潮狀態(tài)，落潮流總體沿著E向退出海灣，兩側(cè)近岸主要沿著岸線走向運動；同時也可以看出，二者存在相互關(guān)聯(lián)，連云港南翼落潮流正是輻射沙洲東北支漲潮流的一部分，體現(xiàn)潮波的來回“震蕩”運動。落潮時，灣頂水域落潮流呈150°的扇面角向外海輻散，退出沙洲海域。廢黃河口至海州灣的漲潮流主要由沿魯東岸線南下的漲潮流和少部分輻射沙洲海域退出的落潮水流組成。后者相對較弱，主要影響灌河口以東水域。

圖4 江蘇沿海典型流態(tài)Fig.4 Typical flow fields of Jiangsu coasts

圖5 潮流矢量橢圓圖Fig.5 Sketch of tidal current vector ellipses

江蘇沿海以規(guī)則半日潮流為主。從潮流性質(zhì)上區(qū)分，輻射沙洲外海為典型的旋轉(zhuǎn)流，潮流主軸不明顯；輻射沙洲近岸水域，潮流主要為沿沙脊通道的往復(fù)流。往北，尤其是新洋港至廢黃河口之間海域，潮流以往復(fù)流為主。由廢黃河口至海州灣，潮流旋轉(zhuǎn)流性質(zhì)又有所加強，尤其在連云港外海。連云港南北兩翼橢圓率稍小，潮流主軸方向明顯。圖5為江蘇沿海潮流矢量圖。同樣為旋轉(zhuǎn)流，連云港海域與輻射沙洲海域旋轉(zhuǎn)方向相反。北部海州灣、連云港海域潮流為逆時針方向旋轉(zhuǎn)(左旋)，南部輻射沙洲海域潮流為順時針方向旋轉(zhuǎn)(右旋)。二者分界線在廢黃河口一帶。

3 潮流最大可能流速

江蘇沿海以規(guī)則半日潮流為主，潮流最大可能流速按下式計算：

(4)

圖6 潮流可能最大流速分布(單位：m/s)Fig.6 Distribution of probable maximum tidal current (unit: m/s)

根據(jù)2013年6月1—15日半個月的潮流數(shù)值模擬結(jié)果，進行潮流準調(diào)和分析[12]，可以得到6個分潮的準調(diào)和常數(shù)，繼而得到江蘇沿海潮流的可能最大流速，見圖6。從圖6可以看出，從燕尾港以南至呂四港附近，江蘇沿海潮流最大可能流速均大于2.0m/s，具備潮流能開發(fā)的流速要求。其中，廢黃河口附近和輻射沙洲頂部區(qū)域，潮流速較大；廢黃河口附近局部最大可能流速超過3.2m/s，輻射沙洲頂部區(qū)域最大可能流速超過3.5m/s。海州灣海域潮流較弱，最大可能流速約0.7～1.0m/s。

4 潮流能

由于Grattre和Cummins提出的方法主要針對小海灣和小水道(指兩端連通開敞水域的水道)，在江蘇沿海不適用，這里采用Farm方法和Flux方法能通量方法進行分析。

潮流能可以理解為單位體積水體含有的潮流動能(即能量密度)，還可以理解為單位時間通過單位面積的潮流動能(即能流密度)[3]。結(jié)合實際應(yīng)用，采用能流密度P來表示：

P=ρV3/2

(5)

式中：ρ為海水密度；V為潮流流速。由于潮流速隨時間變化，通常采用某時段內(nèi)的平均值。根據(jù)我國鄭志南[13]提出的計算方法，半月潮周期內(nèi)平均能流密度Pa為：

(6)

為平均流速。

圖7 平均潮流能流密度分布(單位：W/m2)Fig.7 Distribution of averaged tidal current energy density (unit: W/m2)

求得平均能流密度后，根據(jù)Farm方法，可開發(fā)的總潮流能PE為：

PE=PaAsηtn

(7)

式中：As=πD2/4，為單臺發(fā)電渦輪機渦輪轉(zhuǎn)子掃過的面積；D為轉(zhuǎn)子直徑。ηt為發(fā)電總效率，ηt=Cpηgearηgeneratorηtrans，Cp，ηgear，ηgenerator，ηtrans分別為渦輪機效率、齒輪傳動效率、發(fā)電機效率和電力傳輸效率，n為發(fā)電機個數(shù)。

根據(jù)Flux方法，總潮流能為：PE=PaAcsPSIF

(8)

式中：Acs為垂直于潮流方向的斷面面積；PSIF是指在不產(chǎn)生顯著環(huán)境或經(jīng)濟影響的前提下，可供開發(fā)利用的潮流能占總潮流能資源的百分比，一般為10%～20%[13]。

基于江蘇沿海潮流數(shù)學(xué)模型2013年6月1—15日模擬結(jié)果，借助以上方法，首先得到平均潮流能流密度分布(圖7)?？梢?，江蘇沿海燕尾港以南水域平均潮流能流密度均在200W/m2以上。其中能流密度最高的廢黃河口附近(E1)平均能流密度最大值在1 050W/m2左右；輻射沙洲水道，平均能流密度基本在700W/m2以上，弶港北部的西洋水道(E2)、小洋港東水道(E3)平均能流密度最大值均可達1 200W/m2，小洋港南水道附近(E4)局部在900W/m2以上，可見江蘇沿海理論上的潮能流相當(dāng)大。

采用Farm方法估算單機功率。根據(jù)目前發(fā)電裝置，轉(zhuǎn)子直徑D取10 m，總效率取35%[3]。則廢黃河口附近單機功率可達28.8 kW。弶港北部的西洋水道、小洋港東水道局部單機功率可達33.0 kW，小洋港南水道附近局部在24.7 kW。

由于Farm方法中的總潮流能計算涉及發(fā)電機組的布置，故采用Flux方法估算總潮流能。廢黃河口附近潮流能最大的4 km寬范圍內(nèi)，斷面平均水深約8 m，斷面面積約0.32 km2，PSIF取15%[3]，計算得到總潮流能為5.0 MW。輻射沙洲海域因斷面分布較復(fù)雜，西洋水道平均能流密度超過1 200 W/m2的水域?qū)捈s3 km，平均水深約10 m，斷面面積約0.30 km2，同樣PSIF取15%，計算得到總潮流能為5.4 MW。小洋港東水道總潮流能為3.0 MW(寬1.5 km，斷面平均水深12.0 m，平均能流密度1 100 W/m2)，南水道總潮流能為5.3 MW(寬2.5 km，斷面平均水深17.0 m，平均能流密度830 W/m2)。

當(dāng)然，以上潮流能估算結(jié)果為根據(jù)模型計算得到的理論值，實際潮流能開發(fā)還需要考慮環(huán)境影響，總潮流能也根據(jù)發(fā)電裝置不同而有不同變化。

5 結(jié) 語

(1)江蘇沿海輻射沙洲外海為典型的旋轉(zhuǎn)流，潮流主軸不明顯；輻射沙洲近岸水域，潮流主要為沿沙脊通道的往復(fù)流；北側(cè)新洋港至廢黃河口之間，潮流以往復(fù)流為主；廢黃河口至海州灣，潮流旋轉(zhuǎn)流性質(zhì)有所加強，連云港外海旋轉(zhuǎn)流性質(zhì)相對明顯。北部海州灣、連云港海域潮流為逆時針方向旋轉(zhuǎn)(左旋)，南部輻射沙洲海域潮流為順時針方向旋轉(zhuǎn)(右旋)。二者分界線在廢黃河口一帶。

(2)江蘇沿海燕尾港以南至呂四港附近，潮流最大可能流速均大于2.0 m/s。其中，廢黃河口附近和輻射沙洲頂部區(qū)域，潮流速較大；廢黃河口附近局部最大可能流速超過3.2 m/s，輻射沙洲頂部區(qū)域最大可能流速超過3.5 m/s。海州灣海域潮流較弱，最大可能流速約0.7～1.0 m/s。

(3)江蘇沿海燕尾港以南水域平均潮流能流密度均在200 W/m2以上。其中廢黃河口附近、輻射沙洲水道能流密度相對集中。廢黃河口附近平均能流密度最大值在1 050 W/m2左右；輻射沙洲水道局部最大值均可達1 200 W/m2。廢黃河口附近潮流能最大的4.0 km寬范圍內(nèi)，總潮流能為5.0 MW。輻射沙洲海域水道局部可達5.4 MW。

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Numerical simulation of tidal current and estimation of tidal current energy in Jiangsu coast

LI Kai1， ZHANG Weisheng2， WANG Jinhua2

(1.CollegeofHarbor,CoastalandOffshoreEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China； 2.NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029,China)

The tidal current energy is a kind of marine renewable energy and has a vast range of prospects for making use of clean energy resources. The numerical simulation is used to assess the tidal current energy in the Jiangsu coast in this paper. The measured data are validated by a two-dimensional mathematical model for the tidal current along the Jiangsu coast. Based on the calculated results given by the mathematical model, the characteristics of the tidal current field along the Jiangsu coastal area are analyzed. 15 day tidal current simulation results are harmonized by use of a quasi-harmonic analysis method to calculate the harmonic constants of six tidal components, and then the maximum probable tidal velocity and the current density of the tidal current energy are obtained from the simulation calculations. Finally, the estimation methods are used to assess the tidal current energy in the key sea area. The simulated results show that there is a higher average tidal flow density in the south waters of the Yanweigang harbor, and within the waters the tidal current energy is mainly concentrating near the abandoned Yellow River mouth and in the waterway of the radiation bar in the north of Jiangsu Province, where the maximum value of the average energy current density is about 700～1 200 W/m2, which is highly valuable for development and utilization, as a new and clean energy.

tidal current energy; numerical simulation; energy resource estimation; Jiangsu coast

10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.01.015

2016-03-01

國家重點研發(fā)計劃(2016YFC0401505)

酈 凱(1984—)，男，浙江諸暨人，碩士研究生，主要從事港口海岸及近海工程的水流數(shù)值模擬研究。 E-mail:283155217@qq.com

P743

A

1009-640X(2017)01-0111-07

酈凱， 章衛(wèi)勝， 王金華. 江蘇沿海潮流數(shù)值模擬與潮流能估算[J]. 水利水運工程學(xué)報, 2017(1): 111-117. (LI Kai, ZHANG Weisheng, WANG Jinhua. Numerical simulation of tidal current and estimation of tidal current energy in Jiangsu coast[J]. Hydro-Science and Engineering, 2017(1): 111-117. (in Chinese))