江蘇沿海海域潮流能資源分析評(píng)估

吉會(huì)峰，高清清，宋心剛，丁言者，楊波，劉吉堂

（自然資源部南通海洋中心，江蘇南通226002）

0 引言

海洋表面積（約為3.61×108km2）為地球表面積的70.8%，海洋中蘊(yùn)藏著巨大的可再生能源[1]。目前，開發(fā)利用海洋能的主要形式有海上風(fēng)電、潮汐能發(fā)電、潮流能發(fā)電和波浪能發(fā)電等[2-3]。潮流能發(fā)電原理與風(fēng)力發(fā)電原理類似，即通過轉(zhuǎn)換裝置將水流動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電能[4]。與其他海洋能資源相比，潮流能具有可預(yù)測(cè)、環(huán)境影響小、投資靈活、技術(shù)成熟度高、功率密度大、能量穩(wěn)定等特點(diǎn)[5]。潮流能在近十年里受到世界各沿海國(guó)家的重視，相關(guān)技術(shù)研發(fā)工作也在開展[6]。

江蘇是能源消費(fèi)大省。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，江蘇的能源消耗量持續(xù)增加，因此需要通過大力發(fā)展新能源來保障經(jīng)濟(jì)發(fā)展。江蘇海域遼闊，沿海有很多潮汐水道，特別是輻射沙洲水道，其局部區(qū)域潮差大、潮流強(qiáng)，蘊(yùn)藏著豐富的潮流能資源，具有廣闊的開發(fā)利用前景。海域潮流特征和潮流能資源狀況是潮流能開發(fā)利用及建設(shè)選址的重要依據(jù)[7]，在建設(shè)潮流能發(fā)電裝置之前，需要對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)了解和評(píng)估。通過潮流數(shù)值模擬獲得數(shù)據(jù)結(jié)果，進(jìn)而開展潮流能評(píng)估是一種有效方法，已被廣泛應(yīng)用于不同海域的潮流能估算中[7-9]。

本文通過數(shù)值模擬方法建立了江蘇沿海水動(dòng)力模型，采用觀測(cè)資料進(jìn)行模型的驗(yàn)證；計(jì)算江蘇海域一年的潮流場(chǎng)，并在分析潮流特性的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)分析江蘇海域潮流能年平均功率密度及年有效流時(shí)空間分布，計(jì)算典型水道斷面潮流能的理論蘊(yùn)藏量，為江蘇沿海潮流能的開發(fā)利用提供相關(guān)工作基礎(chǔ)。

1 數(shù)學(xué)模型建立與驗(yàn)證

本文利用MIKE21[10]水動(dòng)力模塊建立二維潮流數(shù)學(xué)模型對(duì)區(qū)域流場(chǎng)進(jìn)行模擬。MIKE21 是丹麥水利研究所（Danish Hydraulic Institute）開發(fā)的專業(yè)二維自由水面流動(dòng)模擬系統(tǒng)，適用于近海海域、海灣、港區(qū)及河道水環(huán)境的模擬。模型基于二維/三維不可壓縮和Reynolds 值均勻分布的Navier-Stokes 方程，并服從于Boussinesq 假定和靜水壓力假定。模型計(jì)算網(wǎng)格為任意三角形單元，能夠有效準(zhǔn)確地模擬岸線的外形輪廓，并根據(jù)研究需要對(duì)計(jì)算網(wǎng)格任意進(jìn)行加密，以便能夠在大范圍模型中實(shí)現(xiàn)局部精細(xì)模擬，從而得到合理的數(shù)值模擬結(jié)果。

1.1 定解條件

初始條件：模型采用冷啟動(dòng)，即初始潮位、流速均設(shè)為0；提前5 d開始模型計(jì)算以使其穩(wěn)定[11]。

邊界條件：①對(duì)于閉壁邊界，水體質(zhì)點(diǎn)在邊界上的法向流速設(shè)為零，即V→·n→= 0。②開邊界采用水位邊界條件，水位由8 個(gè)主要天文分潮（M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1）的潮汐調(diào)和常數(shù)進(jìn)行計(jì)算后得到[12-14]。潮汐調(diào)和常數(shù)由NAO.99b 潮波預(yù)報(bào)模型[15]結(jié)果內(nèi)插到相應(yīng)的開邊界網(wǎng)格點(diǎn)上，并根據(jù)潮位驗(yàn)證情況進(jìn)行局部調(diào)整。

1.2 計(jì)算范圍及參數(shù)設(shè)置

本文數(shù)值模型網(wǎng)格見圖1a，采用無結(jié)構(gòu)的三角形網(wǎng)格，并在蘇北淺灘區(qū)域進(jìn)行加密。模型網(wǎng)格最小分辨率為200 m，計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)共計(jì)45 193 個(gè)，三角形單元數(shù)量為89 155個(gè)。水深地形方面，近海水深采用海軍航保部發(fā)布的海圖（圖號(hào)：12570、12640、12700、13100）上的水深數(shù)據(jù)，外海水深采用美國(guó)國(guó)家地球物理數(shù)據(jù)中心（National Geophysical Data Center，NGDC）公布的ETOP01 全球地形水深數(shù)據(jù)，并將兩種不同的水深數(shù)據(jù)訂正到同一個(gè)起算面上。

圖1 模型計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格（a）及驗(yàn)證點(diǎn)位分布（b）Fig.1 Mesh of model domain(a)and distribution of verification points(b)

時(shí)間步長(zhǎng)根據(jù)數(shù)值模擬的CFL 數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，最短步長(zhǎng)取0.01 s，CFL數(shù)取0.8。模型采用干濕網(wǎng)格判別法，干水深設(shè)置為0.005 m，淹沒水深設(shè)置為0.05 m，濕水深設(shè)置為0.1 m。水平渦粘系數(shù)采用Smagorinsky公式計(jì)算。

1.3 模型驗(yàn)證

利用收集的江蘇沿海呂四站和連云港站的實(shí)測(cè)潮位數(shù)據(jù)及啟東（QD01、QD02）、如東（RD01、RD02）、大豐（DF01、DF02）、濱海（BH01、BH02）、連云港（LY01、LY02）海域10 個(gè)站點(diǎn)的實(shí)測(cè)海流數(shù)據(jù)對(duì)模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證點(diǎn)位分布見圖1b。

1.3.1 潮位驗(yàn)證

由圖2 的潮位驗(yàn)證結(jié)果可見，呂四站和連云港站的潮位計(jì)算值與實(shí)測(cè)吻合較好，且兩者相位基本一致。對(duì)模擬潮位數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)和分析，獲得M2、S2、O1和K14 個(gè)分潮的調(diào)和常數(shù)，并與實(shí)測(cè)潮位數(shù)據(jù)的調(diào)和常數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比與誤差分析，結(jié)果見表1。對(duì)比分析表明4 個(gè)分潮振幅的絕對(duì)誤差小于9.1 cm、相對(duì)誤差小于9.8%，遲角的絕對(duì)誤差小于13.3°、相對(duì)誤差小于9.9%。圖3 為模型模擬M2、K1兩個(gè)分潮的同潮圖，與海洋圖集上的分潮同潮圖相比，兩個(gè)分潮的振幅和遲角擬合效果都較好，分潮無潮點(diǎn)位置基本相同。

表1 M2、S2、O1和K1分潮調(diào)和常數(shù)對(duì)比Tab.1 Comparison of observation and simulation of tidal constituents of M2，S2，O1 and K1

圖2 呂四站和連云港站潮位驗(yàn)證圖Fig.2 The validation of tide level in Lvsi and Lianyungang

圖3 模擬M2和K1分潮同潮圖Fig.3 The cotidal charts of M2 and K1 constituents

1.3.2 流速、流向驗(yàn)證

啟東、如東、大豐、濱海、連云港海域5個(gè)點(diǎn)位的潮流驗(yàn)證結(jié)果見圖4。模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)值吻合較好，流速和流向變化過程與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致。引入模型精度檢測(cè)參數(shù)（Skill Score，SS）[16]對(duì)海流模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見表2，計(jì)算公式為：

表2 各海流驗(yàn)證站位SS值Tab.2 The SS values of current verification stations

圖4 流速流向驗(yàn)證結(jié)果Fig.4 The validation of current speed and direction

式中：Mi為模擬結(jié)果；Oi為實(shí)測(cè)結(jié)果；Oˉ為實(shí)測(cè)結(jié)果的均值。當(dāng)SS＞0.65 時(shí)，模型可信度極高；SS 為0.5～0.65 時(shí)，模型可信度較好；SS為0.2～0.5 時(shí)，模型可信度一般；SS＜0.2 時(shí)，模型可信度較差。由表2 可知，各驗(yàn)證站位流速SS 值介于0.774～0.971，流向SS 值介于0.817～0.997，均大于0.65，表明模型可信度高。

以上模型的率定與驗(yàn)證表明，模型物理參數(shù)和計(jì)算參數(shù)的設(shè)置基本合理，能夠較好地反映江蘇海域潮流運(yùn)動(dòng)特征。

2 結(jié)果分析

2.1 江蘇沿海流速空間分布特征

水動(dòng)力模型計(jì)算時(shí)間為一年，計(jì)算結(jié)果選擇每0.5 h 記錄一次，得到逐0.5 h 潮流場(chǎng)，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分別計(jì)算江蘇沿海年平均流速（模型輸出逐0.5 h 流速值的平均值）和年最大流速（模型輸出逐0.5 h流速值中的最大值）。計(jì)算結(jié)果分布見圖5。江蘇沿海潮流年平均流速最大可達(dá)1.13 m/s，出現(xiàn)在輻射沙洲以北東臺(tái)附近海域；在東臺(tái)—大豐海域以及濱海廢黃河口附近海域存在流速高值區(qū)，年平均流速在0.8 m/s以上；連云港海域年平均流速較小，普遍在0.4 m/s以下；其他區(qū)域流速為0.4 ～0.8 m/s。潮流年最大流速分布特征與年平均流速較為一致，輻射沙洲北側(cè)東臺(tái)附近海域年最大流速可達(dá)3.0 m/s。

圖5 年平均流速（a）和最大流速（b）分布Fig.5 The distribution of annual mean velocity(a)and maximum velocity(b)

2.2 江蘇沿海潮流特性及可能最大流速

江蘇沿海潮流性質(zhì)以規(guī)則半日潮流為主。從江蘇沿海潮流矢量圖（見圖6a）中可以看出，江蘇南部輻射沙洲外海區(qū)域潮流流態(tài)為典型的旋轉(zhuǎn)流；輻射沙洲近岸水域受地形影響，潮流流態(tài)主要為沿沙脊通道的往復(fù)流。江蘇北部尤其是新洋港—廢黃河口之間海域潮流以往復(fù)流為主，廢黃河口—海州灣潮流的旋轉(zhuǎn)流性質(zhì)有所加強(qiáng)；連云港南北兩翼區(qū)域潮流橢圓率稍小，主軸方向較為明顯，外海海域呈現(xiàn)較強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)流性質(zhì)。

圖6 潮流矢量（a）和可能最大流速（b）分布Fig.6 The distribution of tidal current vector(a)and possible maximum velocity(b)

根據(jù)水動(dòng)力模型一年的潮流計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行調(diào)和分析可以得到M2、S2、K1、O1、M4和MS4分潮的調(diào)和常數(shù)，繼而計(jì)算得到江蘇沿海潮流的可能最大流速，結(jié)果見圖6b。從圖中可以看出，除連云港海域外，江蘇沿海潮流可能最大流速基本在1.5 m/s 以上，其中濱?！獤|臺(tái)近岸海域可能最大流速較大，超過2.0 m/s，輻射沙洲個(gè)別區(qū)域可能最大流速可達(dá)3.6 m/s。

2.3 江蘇沿海潮流能空間分布特征

潮流能來源于海水在周期性運(yùn)動(dòng)中所攜帶的動(dòng)能，潮流能功率密度是分析評(píng)估潮流能資源特性的重要指標(biāo)[17]，計(jì)算公式為：

式中：P為潮流能功率密度，單位：W/m2；ρ為海水密度，取1 025 kg/m3；V為潮流流速，單位：m/s。

根據(jù)模型計(jì)算出江蘇海域逐0.5 h潮流場(chǎng)，按照式（3）計(jì)算出對(duì)應(yīng)時(shí)刻的潮流能功率密度值，取算術(shù)平均后得到年平均功率密度，結(jié)果見圖7。由圖可見，江蘇沿海海域潮流能功率密度總體呈南北低、中間高的分布趨勢(shì)，即：連云港海域潮流能功率密度基本在200 W/m2以下；鹽城近岸基本在200 W/m2以上，濱海廢黃河口附近部分區(qū)域在400～600 W/m2，大豐、東臺(tái)部分區(qū)域在600 W/m2以上，東臺(tái)市弶港鎮(zhèn)外側(cè)輻射沙洲個(gè)別水道區(qū)域最大值可達(dá)1 450 W/m2；南通近岸灘涂區(qū)域基本在200 W/m2以下，向外海方向增加到200～400 W/m2。本文計(jì)算的年潮流能功率密度分布趨勢(shì)與酈凱等[18]利用潮流數(shù)學(xué)模型模擬得到的平均潮流能流密度分布基本一致，本文得到的潮流能功率密度最大值略高于酈凱等的研究結(jié)果。

圖7 年平均潮流能功率密度（a）和年有效流時(shí)（b）分布Fig.7 The distribution of annual mean tidal current energy power density(a)and significant hours(b)

計(jì)算區(qū)域內(nèi)每個(gè)模擬點(diǎn)全年流速≥0.6 m/s 的累計(jì)時(shí)間之和（潮流能年有效小時(shí)數(shù)，即年有效流時(shí)[19]）的分布情況。從圖7 可以看到，除連云港區(qū)域和近岸灘涂區(qū)域外，江蘇沿海大部分區(qū)域潮流能年有效流時(shí)＞2 400 h，鹽城近岸區(qū)域以及南通外海區(qū)域普遍＞4 800 h。

結(jié)合江蘇沿海水深地形，分別統(tǒng)計(jì)江蘇沿海區(qū)域（啟東圓陀角—贛榆繡針河口）10 m、20 m和30 m等深線范圍內(nèi)潮流能功率密度和年有效流時(shí)情況，結(jié)果見表3。江蘇沿海10 m等深線范圍內(nèi)年平均潮流能功率密度為0～1 450 W/m2，平均值為229 W/m2，年有效流時(shí)為0～6 896 h，平均值為3 759 h；10～20 m 等深線范圍內(nèi)年平均潮流能功率密度為18～890 W/m2，平均值為213 W/m2，年有效流時(shí)為263～6 190 h，平均值為4 196 h；20～30 m等深線范圍內(nèi)年平均潮流能功率密度為35～356 W/m2，平均值為168 W/m2，年有效流時(shí)為385～6 652 h，平均值為4 053 h。

表3 不同等深線區(qū)域范圍內(nèi)潮流能功率密度和年有效流時(shí)統(tǒng)計(jì)Tab.3 Tidal current energy power density and significant hours in different isobath areas

2.4 典型斷面資源量估算

為進(jìn)一步了解江蘇海域潮流能資源的蘊(yùn)藏量情況，根據(jù)計(jì)算得到的江蘇沿海潮流能功率密度分布，在濱海廢黃河口、輻射沙洲北部西洋、東部苦水洋、南部黃沙洋4 處各取一條特征斷面（見圖8），計(jì)算潮流能資源理論蘊(yùn)藏量。斷面的選取主要考慮潮流能功率密度大小，同時(shí)考慮潮流能開發(fā)建設(shè)所需的水深限制條件。因此，斷面位置均選取在潮流能功率密度較大的水道且平均水深＞15 m 的區(qū)域。為便于比較，斷面長(zhǎng)度統(tǒng)一設(shè)置為10 km，斷面走向垂直于漲落潮流主流向，所選斷面潮流能功率密度及水深情況見表4。

表4 江蘇海域典型斷面潮流能理論蘊(yùn)藏量Tab.4 Theoretical reserves of tidal current energy resources in typical sections

圖8 典型斷面位置Fig.8 Location of typical sections

基于Flux方法[20]計(jì)算潮流能資源理論蘊(yùn)藏量：

式中：Ptotal為潮流能蘊(yùn)藏量；Pm為平均潮流能功率密度；A為水道斷面面積。

經(jīng)計(jì)算，輻射沙洲北部西洋斷面潮流能資源理論蘊(yùn)藏量最高為157 MW，其次為廢黃河口斷面92 MW，輻射沙洲苦水洋和黃沙洋斷面分別為41 MW和40 MW。上述潮流能估算結(jié)果為模型計(jì)算得到的理論數(shù)據(jù)，在實(shí)際潮流能開發(fā)過程中還需要考慮環(huán)境影響等方面，總潮流能也會(huì)由于發(fā)電裝置的不同有所區(qū)別。

3 結(jié)論

研究建立了江蘇沿海二維潮流數(shù)學(xué)模型，并利用實(shí)測(cè)海流資料進(jìn)行模型驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果顯示模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合較好，模型可信度極高。在驗(yàn)證準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，從潮流能功率密度和年有效小時(shí)數(shù)等參數(shù)對(duì)江蘇沿海潮流能資源空間特性和時(shí)間特性進(jìn)行分析，并運(yùn)用Flux 法對(duì)典型水道的潮流能資源量進(jìn)行評(píng)估和對(duì)比分析。結(jié)果表明：

①江蘇沿海海域潮流能功率密度總體呈南北低、中間高的分布趨勢(shì)；除連云港海域外，大部分海域潮流能功率密度在200 W/m2以上，在濱海、大豐、東臺(tái)海域存在高值區(qū)，輻射沙洲個(gè)別水道區(qū)域最大值可達(dá)1 450 W/m2。

②除連云港海域和近岸灘涂區(qū)域外，江蘇沿海大部分區(qū)域潮流能年有效流時(shí)＞2 400 h，鹽城近岸區(qū)域以及南通外海區(qū)域潮流能年有效流時(shí)普遍＞4 800 h。

③江蘇沿海10 m、20 m 和30 m 等深線范圍內(nèi)年平均潮流能功率密度平均值分別為229 W/m2、213 W/m2、168 W/m2，年有效流時(shí)平均值分別為3 759 h、4 196 h、4 053 h。

④濱海廢黃河口、輻射沙洲北部西洋、東部苦水洋、南部黃沙洋4 個(gè)特征斷面上10 km 寬度潮流能資源理論蘊(yùn)藏量分別為92 MW、157 MW、41 MW和40 MW，西洋斷面潮流能資源理論蘊(yùn)藏量最高。