北黃海冷水取水位置優(yōu)選研究?

夏穎穎， 盧德杰 ， 萬 凱， 丁 揚(yáng)， 鮑獻(xiàn)文**

(1.中國海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100； 2.中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000；3.國家海洋局北海海洋工程勘察研究院，山東 青島 266061)

北黃海冷水取水位置優(yōu)選研究?

夏穎穎1， 盧德杰2， 萬 凱3， 丁 揚(yáng)1， 鮑獻(xiàn)文1**

(1.中國海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100； 2.中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000；3.國家海洋局北海海洋工程勘察研究院，山東 青島 266061)

在黃海冷水綜合利用中，最佳取水海域的選取是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文基于多年實(shí)測溫度觀測資料，重點(diǎn)分析大連、威海及成山頭海域夏季黃海冷水分布特征。綜合冷水的核心溫度、分布位置、靠陸距離等因素，比選出黃海冷水綜合利用最佳取水海域。結(jié)果表明：大連海域黃海冷水資源利用條件最佳，取水海域與距離陸地小于10 km，冷水團(tuán)持續(xù)時(shí)間長，底層水溫10℃以下的時(shí)間可持續(xù)到8月底。成山頭海域的黃海冷水利用條件次之，取水海域距離陸地35 km，底層冷水可以持續(xù)到8月中旬。威海取水條件最差，取水海域距離陸地45 km；冷水團(tuán)持續(xù)時(shí)間最短，8月中旬底層海水溫度升高至11℃。此外,利用溫度鏈連續(xù)觀測與垂直水溫觀測，對大連海域冷水的持續(xù)時(shí)間與垂向結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，8月底垂向仍存在較強(qiáng)溫度躍層，底層溫度為10℃，冷水可持續(xù)至9月中旬。

北黃海冷水團(tuán)；區(qū)域供冷；離岸距離；冷水溫度；持續(xù)時(shí)間

黃海是一個(gè)三面環(huán)陸地的半封閉陸架淺海，平均水深約為44 m。黃海冷水團(tuán)是黃海夏季最為典型的水文現(xiàn)象，指暖半年時(shí)存在于黃海季節(jié)性溫躍層之下的海盆尺度低溫水體，冷水團(tuán)內(nèi)部存在兩個(gè)冷中心，分別出現(xiàn)在南、北黃海。1959年赫崇本等[1]就黃海冷水團(tuán)的形成和性質(zhì)進(jìn)行了最初的探討，得出了黃海冷水團(tuán)是在冬季黃海局地生成這一著名論點(diǎn)。1930年代，日本學(xué)者[2]利用觀測資料分析了北黃海溫鹽分布和季節(jié)變化。翁學(xué)傳等[3]利用多年實(shí)測資料詳細(xì)分析黃海冷水團(tuán)分布范圍、低溫中心、體積和溫鹽特性的多年變化，認(rèn)為黃海冷水團(tuán)溫、鹽性質(zhì)比較穩(wěn)定，不同年份之間冷水團(tuán)分布范圍變化：北黃海小于南黃海，深、底層小于上、中層。江蓓潔等[4]基于1976—1999年的海洋調(diào)查資料研究了北黃海冷水團(tuán)溫鹽的多年變化特征及影響因素。姚志剛等[5]利用2006—2007年4個(gè)季節(jié)航次的CTD數(shù)據(jù)，對北黃海冷水團(tuán)的季節(jié)變化及其消長過程進(jìn)行了分析。這些已有的研究極大地提高了人們對黃海冷水團(tuán)形成與變化方面的認(rèn)識，也為黃海冷水團(tuán)的綜合利用提供了大力的支撐。但是上述結(jié)果也存在觀測資料精度低、重點(diǎn)海域黃海冷水團(tuán)觀測及分析不足的缺點(diǎn)。

由于夏季黃海冷水團(tuán)水量充足、范圍龐大，核心區(qū)域水溫可低至5℃，其存在使得在夏半年黃海存在巨大的溫差能儲(chǔ)量[6]，然而溫差小、能量密度低的因素大大限制了對黃海溫差能發(fā)電的利用[7]。區(qū)域供冷技術(shù)的發(fā)展為利用夏季黃海冷水提供了新思路。國外利用區(qū)域供冷技術(shù)進(jìn)行城市供冷發(fā)展較早，在區(qū)域供冷應(yīng)用案例中，最著名的是瑞典斯德哥爾摩利用波羅的海低溫海水進(jìn)行夏季城市區(qū)域供冷[8]。國內(nèi)區(qū)域供冷技術(shù)雖然起步較晚，但發(fā)展迅速，已經(jīng)有許多研究成果與應(yīng)用實(shí)例[9-10]。

在夏季黃海冷水綜合利用中，取水海域的選擇是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文利用北黃海冷水多年高精度溫度觀測數(shù)據(jù)，重點(diǎn)對比分析夏季大連、威海及成山頭海域的取水條件，以確定夏季黃海冷水最佳取水位置。

1 資料介紹及處理方法

選取黃海冷水團(tuán)多年溫度實(shí)測資料進(jìn)行分析,數(shù)據(jù)包括北黃海大范圍觀測、大連及山東半島海域的大面及精細(xì)加密觀測、大連海域夏季溫度鏈連續(xù)觀測等，所用的觀測資料如下表1所示。本文所用的CTD資料均為下降過程的數(shù)據(jù)，經(jīng)過質(zhì)量控制剔除無效點(diǎn)，利用Sufer和Matlab繪圖軟件進(jìn)行繪圖。由于北黃海潮汐以規(guī)則半日潮和不規(guī)則半日潮為主，為剔除潮汐引起的高頻變化，將溫度鏈連續(xù)觀測數(shù)據(jù)經(jīng)過插值到相應(yīng)觀測層的平均水深，并進(jìn)行低通濾波剔除半日潮和全日潮的影響。

表1 觀測資料信息表

2 取水位置優(yōu)選分析

2.1 備選特征海域選擇

圖1 2006年夏季航次觀測底層水溫分布Fig.1 The bottom temperature distribution in the summer in 2006

傳統(tǒng)的海洋學(xué)理論認(rèn)為黃海冷水團(tuán)具備低溫高鹽的特征，1963年管秉賢提出以8℃等溫線作為黃海冷水團(tuán)范圍變化的指標(biāo)比10℃為宜[11-12]，故本文選取8℃為冷水團(tuán)的水平及垂向邊界，設(shè)定10℃為冷水利用上限，以保證所選冷水位置可以獲得足夠的“低溫”效益。

由大范圍觀測結(jié)果(見圖1)可知，黃海冷水團(tuán)冷中心的水溫低于6℃，8℃冷水范圍占整個(gè)調(diào)查范圍的一半左右，冷水團(tuán)邊界向渤海海峽凸出，形成“冷水舌”頂端到達(dá)大連附近海域，冷水團(tuán)邊界平行于大連-旅順海岸線，低溫海水可到達(dá)近岸海域，冷水團(tuán)在山東半島尤其是成山頭附近海域與陸地相隔很近。借鑒斯德哥爾摩海水區(qū)域供冷先例，選較大規(guī)模城市就近獲取冷水加以利用，因此將大連市、威海市作為區(qū)域供冷備選服務(wù)城市。

圖2 北黃海地形圖Fig.2 Topographic map of the North Yellow Sea

取8℃等溫線與陸地的垂直距離作為冷水至陸地的距離，利用繪圖工具進(jìn)行測距，測得大連海域冷水距離陸地15 km左右，成山頭附近海域冷水距離陸地35 km，威海市為40 km。對比圖1和2可知，冷水團(tuán)分布與區(qū)域地形有很好的相關(guān)性。大連、威海和成山頭海域的冷水團(tuán)邊界位置所處的水深相近，均為50 m左右。綜合考慮冷水團(tuán)與陸地的距離、城市規(guī)模及水深等因素，將大連海域作為大連市區(qū)域供冷冷水備選海域；將成山頭海域、威海海域作為威海市區(qū)域供冷冷水備選海域。下文將結(jié)合更為精細(xì)數(shù)據(jù)，就備選海域冷水核心溫度、分布特點(diǎn)、與陸地距離及冷水團(tuán)持續(xù)時(shí)間等因素進(jìn)行具體分析，以確定最優(yōu)取水區(qū)域。

2.2 取水位置空間比選

為分析特征海域冷水溫度、分布特征以及與陸地的距離等問題，需要更高精度、不同年份的實(shí)測數(shù)據(jù)做支撐。另由于所選擇大連海域、威海海域和成山頭海域三個(gè)特征分別位于遼東半島和山東半島，因此將特征海域劃分為遼南海域和山東半島附近海域兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行觀測與分析。

2.2.1 遼南海域 搜集北黃海夏季沿岸流及冷水團(tuán)界面變化補(bǔ)充調(diào)查與研究項(xiàng)目在遼南海域進(jìn)行了5個(gè)斷面的溫度調(diào)查數(shù)據(jù)，調(diào)查時(shí)間為8月上旬，調(diào)查站位設(shè)置及海域底層水溫分布如圖3所示。

圖3 2009年8月遼南海域調(diào)查站位及底層水溫分布Fig.3 The survey stations and bottom temperature distribution in August 2009 of Liaonan sea area

通過與前面的大范圍調(diào)查數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)冷水團(tuán)在遼南海域尤其是大連海域的分布形態(tài)相似。“冷水舌”尖端沖向大連市附近海域，使得大連市在整個(gè)遼南海域中離冷水核心距離最短，黃海冷水團(tuán)核心水溫低于7℃。且此次調(diào)查測得大連海域冷水團(tuán)至陸地的距離變短，為10 km左右。

由于此次遼南海域調(diào)查區(qū)塊并未完整包括大連海域，且站位較為稀疏，為了進(jìn)一步調(diào)查大連近岸冷水分布情況，特對大連沿海10 km左右海域進(jìn)行了加密調(diào)查。設(shè)置7個(gè)斷面32個(gè)觀測站位對海域水溫分布進(jìn)行了觀測，調(diào)查時(shí)間為2012年7月23日，所得底層水溫分布如圖4所示。

選取淀粉顆粒濃度分別為10%（m/V），OSA淀粉顆粒取代度為 1.43%，添加一定量的緩沖液配制淀粉顆粒分散液，油相比例分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5，制備乳液，乳化方法同1.3.4。

圖中虛線為8℃等溫線，僅在調(diào)查海域西南距離陸地5 km的海域水溫大于8 ℃，最高水溫10 ℃左右。老偏島附近海域底層水溫為7 ℃，大連市與7℃等溫線的距離僅3 km。7月下旬整個(gè)調(diào)查海域及大連岸線10 km之內(nèi)的海域，都滿足作者假定的近岸冷水利用要求，冷水至陸地的距離和冷水溫度條件極佳，并且可利用的取水范圍較大。

圖4 2012年7月大連海域調(diào)查站位及底層水溫分布Fig.4 The survey stations and bottom temperature distribution in July， 2012

綜合大范圍調(diào)查、遼南海域調(diào)查以及大連海域精細(xì)調(diào)查數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)大連海域8月中旬之前，在距離陸地約15 km處便有可利用的龐大的黃海冷水團(tuán)水體。

2.2.2 山東半島附近海域 為研究山東半島威海及成山頭海域的取水位置，搜集了北黃海夏季沿岸流及冷水團(tuán)界面變補(bǔ)充調(diào)查與研究項(xiàng)目在山東半島海域獲取的5個(gè)斷面溫度調(diào)查數(shù)據(jù)，調(diào)查時(shí)間為8月中旬，站位設(shè)置及海域底層水溫分布如圖5所示。

圖5 2009年8月山東半島海域調(diào)查站位及底層水溫分布Fig.5 The survey stations and bottom temperature distribution in August， 2009 in Shandong Peninsula sea area

山東半島近岸海域水溫較高，達(dá)到20℃左右。與北黃海大范圍調(diào)查結(jié)果相似。成山頭海域等溫線分布比較密集，陸地至冷水團(tuán)的距離約為35 km，冷水團(tuán)的核心溫度小于8℃。威海海域等溫線較為稀疏，但因受觀測范圍所限，這次調(diào)查未能捕捉到威海海域附近的8℃等溫線。在威海近岸40 km之內(nèi)，水溫高于11℃。威海與成山頭海域冷水至陸地的距離和冷水核心溫度與大連海域相比皆存在較大劣勢。比較而言，成山頭海域要好于威海海域。

為了更深入地了解山東半島的溫度分布狀況，對山東半島海域進(jìn)行了加密調(diào)查。在威海-成山頭-榮成海域設(shè)置了12個(gè)斷面91個(gè)觀測站位，調(diào)查時(shí)間為8月上旬，觀測站位及海域底層水溫分布如圖6所示。

此次調(diào)查結(jié)果顯示，冷水團(tuán)距威海和成山頭分別約為35和30 km，成山頭距離冷水團(tuán)更近。冷水團(tuán)核心溫度均在8℃以下，最低可達(dá)6℃。近岸區(qū)的水溫為18℃左右，在榮成海域出現(xiàn)較高溫度水體。綜合冷水團(tuán)離岸距離和冷水核心溫度兩個(gè)因素，成山頭海域優(yōu)于威海海域。

根據(jù)上述三個(gè)海域冷水團(tuán)水平分布特征的分析，從冷水團(tuán)離岸距離以及冷水團(tuán)溫度的因素看，大連海域相較山東半島兩個(gè)特征海域有明顯優(yōu)勢，認(rèn)為大連是北黃海冷水團(tuán)綜合利用的最優(yōu)選擇，若山東半島考慮利用冷水進(jìn)行區(qū)域供冷，可選擇成山頭附近海域取水。

綜合遼南海域三次調(diào)查，發(fā)現(xiàn)大連距離8℃等溫線距離，7月下旬在5 km之內(nèi)，8月上旬逐漸退至10和15 km。山東半島的三次調(diào)查中，8月上旬冷水距離威海30 km左右，冷水核心溫度6℃左右，8月中旬冷水向外海退至距離陸地35 km左右，冷水核心區(qū)溫度為8℃；8月上旬威海距冷水團(tuán)35 km左右，冷水核心溫度為8℃以下，8月中旬距離威海40 km之內(nèi)的海水溫度升至11℃以上。忽略多年間北黃海冷水團(tuán)分布位置的變化，認(rèn)為冷水團(tuán)存在季節(jié)內(nèi)較為明顯的升溫趨勢，隨著溫度的升高冷水團(tuán)向外海退縮。

圖6 2011年8月山東半島海域調(diào)查站位及底層水溫分布Fig.6 The survey stations and bottom temperature distribution in August， 2011 in Shandong Peninsula sea area

2.3 優(yōu)選取水位置冷水團(tuán)垂向結(jié)構(gòu)及持續(xù)性

通過前面的分析可知，北黃海最優(yōu)取水位置應(yīng)為大連海域，那么大連海域冷水的季節(jié)內(nèi)變化如何？是否能滿足工程利用的要求呢？為此，本文將根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)就大連海域冷水團(tuán)持續(xù)時(shí)間以及垂向結(jié)構(gòu)輔助論證，探究其可利用性。對大連擬定取水區(qū)域附近進(jìn)行了垂向觀測和定點(diǎn)溫度鏈連續(xù)觀測。由于觀測均離岸較近，位于北黃海冷水團(tuán)鋒面區(qū)域，故取 10℃等溫線作為冷水團(tuán)的水平及垂向邊界。

2.3.1 大連海域冷水垂向分布 為驗(yàn)證冷水團(tuán)的持續(xù)時(shí)間，2010年8月28日在大連老偏島附近海域布設(shè)3個(gè)觀測站進(jìn)行水溫觀測，3個(gè)站點(diǎn)距陸地平均8 km左右，站點(diǎn)位置見圖7。3個(gè)站的水溫垂直分布如圖8所示。

三個(gè)站點(diǎn)的水深都在50 m以上，表、底層的水溫都較均勻，但20～40 m深度存在著較強(qiáng)的溫躍層，溫躍層厚度約為20 m。8月底距大連10 km內(nèi)的海域，底層溫度仍小于冷水綜合利用的溫度上限10℃，8月底大連海域冷水利用條件可滿足需求。

圖7 觀測站位分布Fig.7 The distributions of observation stations

圖8 2010年大連老偏島觀測站位水溫垂直分布Fig.8 The temperature vertical distributions of observation stations at Laopian Island, Dalian

2.3.2 大連海域冷水團(tuán)的持續(xù)性 為探究所選大連海域冷水團(tuán)的持續(xù)性特征，于2009年6—9月在大連東南的獐子島海域附近進(jìn)行了溫度連續(xù)觀測，利用錨系溫度鏈對六層海水進(jìn)行為期3個(gè)月的連續(xù)監(jiān)測，所得數(shù)據(jù)經(jīng)處理后繪制的溫度變化如圖9所示。

從圖9可知，10與15 m層的溫度變化大且水溫較高，21 m層在觀測前期溫度較低，于8月底劇烈升高至20 ℃以上，28和38 m層水溫在9月初有明顯上升趨勢，底層(48 m)水溫在整個(gè)觀測時(shí)段變化較緩慢，從6月底的5 ℃ 緩慢升高至9月初的12℃左右，之后出現(xiàn)水溫下降趨勢。但應(yīng)指出的是，在8月底之前，28 m以下的水溫分布均勻且變化較小。

圖9 溫度鏈連續(xù)觀測溫度變化圖Fig.9 The temperaturevariation in the chain observation

從圖1和3溫度分布圖可知，獐子島附近海域底層溫度比同期大連附近海域溫度要高，且遼南海域等溫線表現(xiàn)出由東北向西南溫度降低的特點(diǎn)，故8月中旬之后底層溫度最高溫度達(dá)到12℃，高于10℃，仍認(rèn)為此時(shí)大連海域滿足冷水條件。盡管存在季節(jié)內(nèi)升溫現(xiàn)象，大連海域底層冷水仍具備持續(xù)時(shí)間長且溫度低的特性，可持續(xù)利用至9月中旬。

3 結(jié)論與討論

通過全面對特征海域水溫的對比分析，得出以下結(jié)論：

(1)在北黃海，大連海域冷水離岸最近，冷水核心溫度最低，冷水持續(xù)時(shí)間長，可持續(xù)利用至9月中旬，且具備地理?xiàng)l件的優(yōu)勢，離岸10 km處水深即可達(dá)到50 m，大大減少了冷水利用成本。大連市城市規(guī)模遠(yuǎn)大于威海市，將有更多人受益，故而大連附近海域是冷水利用取水的最優(yōu)選擇。

(2)在山東半島附近海域，成山頭海域距離冷水團(tuán)位置及冷水核心溫度均比同期威海海域表現(xiàn)更好，若山東半島考慮就近取水，可以選擇成山頭海域。

本文基于北黃海冷水團(tuán)多年間分布位置變化不大的前提下展開分析，仍有一定的局限性。今后，針對管道設(shè)計(jì)、冷水管道傳輸能量耗散等問題，希望能與相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者合作，對北黃海冷水團(tuán)區(qū)域供冷技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步研究。

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責(zé)任編輯 龐 旻

StudyontheWaterAbstractionPositionofNorthYellowSeaColdWater

XIA Ying-Ying1, LU De-Jie2, WAN Kai3, DING Yang1, BAO Xian-Wen1

(1.College of Oceanic and Atmospheric Sciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. CNOOC China Ltd.-Shenzhen, Shenzhen 518000, China; 3. Beihai Offshore Engineering Survey Institute, SOA, Qingdao 266061, China)

In the utilization of Yellow Sea Cold Water (YSCW), the key is selecting the best water abstraction area. Using years of temperature observation data analyzes the distribution characteristics of YSCW in Dalian, Weihai and Chengshantou sea areas. Based on the factors such as the core temperature, distribution of cold water and the distance from the land,the best water abstraction areas can be chosen. The results show that, Dalian sea area was the best choice among the three alternatives, for the distance to land was less than 10 km and bottom cold water temperature below 10℃could last until the late August. Followed by the Chengshantou sea area which the distance to land was 35 km and bottom cold water temperature below 10℃could last until the mid- August. While, Weihai sea area was the last choice , The distance to land was 45 km, and bottom temperature rose to 11℃ in mid-August. Furthermore, using the temperature chain observations and vertical temperature observations around Dalian area to analyze lasting time and vertical structure of the cold water, found that there was still a strong vertical thermocline at the end of August, the bottom temperature was 10℃,and the cold water resource was abundant and sustainable until mid-September.

the North Yellow Sea cold water mass; district cooling;distance from land; cold water temperature; lasting time

P732

A

1672-5174(2018)01-012-07

10.16441/j.cnki.hdxb.20160356

夏穎穎，盧德杰，萬凱，等.北黃海冷水取水位置優(yōu)選研究[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2018, 48(1): 12-18.

XIA Ying-Ying, LU De-Jie, WAN Kai， et al.Study on the water abstraction position of North Yellow Sea cold water[J].Periodical of Ocean University of China, 2018, 48(1): 12-18.

海洋可再生能源有力的專項(xiàng)——黃海夏季冷水集中供冷系統(tǒng)裝置研發(fā)與試驗(yàn)(GHME2013JS06)資助

Supported by Marine Renewable Energy Fund Project:Oesign and Test of Centralized Cooling system Device in Summer Yellow Sea(GHME 2013JS06)

2016-10-18；

2017-01-17

夏穎穎(1989-)，女，博士生。E-mail:xyyouc@163.com

?? 通訊作者：E-mail: Xianwenbao@126.com