摘 要:基于TELEMAC-2D水動力模型建立福建平潭島周邊海域潮流模型,利用實測潮位、潮流資料對其準確性進行驗證,該模型能較為準確地刻畫研究區(qū)域的潮汐、潮流特征。在此基礎上分析該海域潮流能資源功率密度、有效發(fā)電時長、漲落潮不對稱性等潮流及潮流能資源時空分布特征,并采用Flux法與Garrett法相結(jié)合,對特定區(qū)域的潮流能資源可開發(fā)量開展評估及對比分析。結(jié)果表明:平潭島海域潮流能資源主要分布在西北端平潭島-大練島、大練島-小練島、小練島-長嶼島3條水道,峰值區(qū)域的大潮功率密度約10 kW/m2,有效流時可達6000 h,3條水道共有潮流能資源一類區(qū)1.05 km2,二類區(qū)5.11 km2。Flux法計算的潮流能資源可開發(fā)量為7.44 MW,Garrett法計算的可開發(fā)量為11.74 MW。
關鍵詞:潮流能;資源評估;TELEMAC-2D;平潭島
中圖分類號:P743.3 " " " " " " "文獻標志碼:A
0 引 言
中國“雙碳”戰(zhàn)略目標的提出與推動能源綠色發(fā)展戰(zhàn)略舉措為海洋可再生能源發(fā)展迎來重大機遇。在眾多海洋可再生能源形式中,潮流能技術成熟度較高[1],其開發(fā)方式主要通過各類水輪機捕獲潮水水平往復的動能[2]。中國的海岸線18400 km,潮流能資源豐富,且相對于風能等清潔能源,其具有能量密度高、可預測性強、環(huán)境影響小及發(fā)電更穩(wěn)定等優(yōu)勢[3-4]。近年來世界多國對潮流能發(fā)電示范工程蓬勃開展,如英國Meygen大規(guī)模化示范電站、荷蘭Oosterschelde示范電站、法國Sabella公司示范項目[4]以及中國“奮進號”潮流能示范電站等。潮流能資源開發(fā)的第一階段是對其資源的時空分布特征、蘊藏總量進行評估分析[5],這也是開展其電站選址、機組選型、陣列排布等的必要前提。
早在20世紀80年代,中國便開展系列潮流能資源調(diào)查與評估工作[6-7],潮流能資源評估方法應運而生,經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展改進,世界多國學者提出適用于不同條件的新思路,評估方法逐漸趨于完善。鄭志南[8]提出適用于缺少潮汐資料的估算公式,但只適用于正規(guī)半日潮型,且在計算可開發(fā)量時其合理性有待進一步討論[9];Bamp;V公司和Robert Gordon大學[10-11]提出基于能通量的Flux法,該方法僅考慮水道能通量和有效影響因子,沒有明確的潮流模型;Garrett等[12-13]認為利用能通量計算的方法過于依賴機組布放場址,缺乏準確性,并提出基于動力方程的方法;Vennell[14]對Garrett法進一步改進,并利用此法估算凱帕拉灣和庫克海峽最大可開發(fā)資源量,同時在近年提出一種利用現(xiàn)有流體力學模型快速評估開發(fā)潛能的框架,該框架解決了功率提取、發(fā)電場規(guī)模以及裝機布局等之間相互作用的復雜問題,并能對不同規(guī)模、不同布局的發(fā)電場的發(fā)電量進行預評估[15]。
從評估區(qū)域來看,很多學者對中國近海潮流能資源開發(fā)利用前景可觀的多條水道或海域開展了詳細分析,得到了很多有意義的研究成果。舟山海域作為中國潮流能資源最為富集的海域,其資源評估研究成果豐富。趙建春等[16]利用MIKE 21 FM建立二維模型,對灌門水道潮流能資源蘊藏量及技術可開發(fā)量進行了估算;吳亞楠等[17]分別利用Flux法和Garrett法對普陀山-葫蘆島海域潮流能可開發(fā)量進行了評估及對比分析;張潔等[18]利用海洋模式FVCOM對西堠門水道的潮流能資源蘊藏量進行了估算,并選出冊子島西北岬角處海域為該水道建設潮流能發(fā)電站的最佳場址;方艤洲等[19]基于ROMS海洋模型對舟山主要水道潮流能資源進行了評估,得出潮流能資源密集區(qū)主要分布于螺頭、西堠門、龜山航門、灌門、蝦峙門和桃沃門六條水道;除舟山地區(qū)外,李程等[20]利用SELFE水動力模型對山東省近岸海域潮流能資源進行了分析,推薦在渤海海峽各水道和成山角海域開展潮流能開發(fā);金永德等[21]對福建莆田南日島附近海域潮流能進行了評估,得到該地區(qū)大潮期間可開發(fā)潮流能功率在0.5~1.0 MW之間。此外,福建平潭島與大陸岸線及諸多小島共同形成了多條水道,在東海強潮的作用下[22]具有良好潮流能資源開發(fā)利用前景。武賀等[23]基于FVCOM海洋數(shù)值模型對該島嶼東部海域海壇灣南端海域潮流能進行了分析,當使用額定功率5.27 kW的機組時,其年發(fā)電量約17.47 kWh,并開展潮流能開發(fā)利用對動力環(huán)境的影響分析,但未對平潭島西側(cè)海域潮流能資源進行評估。上述工作為潮流能電站選址提供了理論依據(jù)與參考。為全面了解平潭島周邊海域潮流能資源特征,本文重點聚焦于福建平潭島西側(cè)海域,基于TELEMAC-2D水動力模型,重新構建平潭島海域潮汐、潮流數(shù)值模型,并在實測驗證的基礎上細致刻畫該海域多個潮流能資源評估參數(shù)的時空分布特征,采用兩類典型方法估算特定區(qū)域的資源總量并開展初步選址,以期為平潭島周邊海域潮流能資源開發(fā)利用建設設計提供科學依據(jù)。
1 模型與方法
1.1 區(qū)域概況
平潭島(又稱海壇島)位于福建省福州市東南部,地處臺灣海峽中段,西鄰海壇海峽,是福建省第一大島。其西側(cè)海壇海峽連接東海和臺灣海峽,寬約5000 m,水深一般小于30 m,南北兩端島嶼眾多,如平潭島、大練島、小練島、長嶼島等,水深地形復雜。該海峽潮流主要呈南北走向,潮流流速較快,最大超過2.5 m/s,潮流漲落幅度較大,潮汐主要為半日潮,北部潮高和潮汐周期較大,南部潮高和潮汐周期較小。本文重點關注海壇海峽,模型計算整體區(qū)域包括平潭島周圍海域和臺灣海峽部分海域,覆蓋118.8°E~121.6°E,24°N~26.4°N,如圖1所示。
1.2 模擬方法
1.2.1 控制方程
TELEMAC-MASCARET是用于水動力學模擬和分析的數(shù)值仿真開源軟件[24],由法國國家水力學與環(huán)境實驗室開發(fā),主要基于有限元或有限體積法求解Saint-Venant方程。TELEMAC-2D模型是集成在TELEMAC-MASCARET系統(tǒng)的一款二維模塊,用于模擬水平空間二維的自由表面流動,在水動力模擬領域應用廣泛[25-26]。模型計算采用的基本控制方程為:
[?h?t+?hu?x+?hu?y=0] (1)
[?h?t+?hu?x+?hu?y=-g?z?x+Fx+1Hdivhve?v] (2)
[?h?t+?hu?x+?hu?y=-g?z?x+Fy+1Hdivhve?v] (3)
式中:[u、v]——[x、y]方向上的速度分量,m/s;[Fx]、 [Fy]——[x、y]方向上的源匯;[h]——斷面水深,m2;[t]——時間,s;[z]——自由水位高程,m;[g]——重力加速度,m/s2;[ve]——有效黏性系數(shù);[div]——散度計算符號(divergence);[?]——梯度運算符號。
1.2.2 模型設置
研究區(qū)域岸線曲折,采用對不規(guī)則區(qū)域適應性強的非結(jié)構化網(wǎng)格,以精確描繪復雜岸線和河口。計算區(qū)域內(nèi)共有72694個網(wǎng)格、39064個網(wǎng)格節(jié)點,網(wǎng)格密度由福建沿海向外逐漸變小,海壇海峽南北兩側(cè)島嶼密布,且水深地形多變,對該區(qū)域網(wǎng)格進行加密處理,最小網(wǎng)格空間分辨率為50 m。模型開邊界截取臺灣海峽的東北、西南兩處,邊界條件施加TPXO 9.0 v2全球潮汐模型的M2、S2、K1、O1等22個分潮的水位及流速,水位邊界為 Chapman型,流速邊界為 Flather型;底摩擦采用曼寧定律,拖拽系數(shù)為0.001;科氏力系數(shù)為0.0001。模型計算時間共93 d,計算時間步長為1 h,其中前3天模型未趨于穩(wěn)定,不用于后續(xù)分析。計算采用正壓模擬,忽略風場、蒸發(fā)、大氣降水、河流徑流和底部淡水的影響。
1.3 模型驗證
1.3.1 觀測數(shù)據(jù)
選用興化灣(119.58°E,25.33°N)、大練島(119.68°E,25.75°N)、西犬島(119.92°E,25.97°N)、瑯岐(119.63°E,26.13°N)4個潮位站與牛山站(圖1)的實測數(shù)據(jù)驗證模型潮位和潮流的準確性。潮流數(shù)據(jù)采集儀器采用挪威Nrotek公司生產(chǎn)的600 kHz AWAC型聲學多普勒剖面流速/波浪測量儀,潮流調(diào)查垂向?qū)由疃葐卧O置2 m、20層,采樣頻率不小于2 Hz,采樣記錄不少于2 min,輸出記錄時間間隔不大于10 min,潮流流速采集斷面經(jīng)、緯度范圍分別為(25°26'17.50\"N~25°27'15.39\"N)、(119°51'41.23\"E~119°54'5.55\"E)。對采集流速進行調(diào)和分析去掉余流后與數(shù)模數(shù)據(jù)進行對比。數(shù)據(jù)采集連續(xù)無中斷,包含了完整的大小潮過程。
1.3.2 潮位驗證
通過比較4個分潮M2、S2、K1、O1的調(diào)和常數(shù),利用均方根誤差(RMSE)對誤差進行量化。均方根誤差定義為:
[Rrmse=i=1Nyi-xi2N] (4)
式中:[N]——樣本數(shù)量;[yi]——模擬值;[xi]——觀測值。
圖2a為4個潮位站處實測與模擬調(diào)和常數(shù)對比結(jié)果,四大分潮的振幅與遲角的RMSE均值分別為0.09 m和12.9°。同時,利用牛山站實測潮位數(shù)據(jù)對數(shù)值模擬結(jié)果進行驗證,如圖2b所示。該站位所在海域一天內(nèi)有兩次高潮兩次低潮,具有明顯的半日潮特征,最大潮差達6.47 m,最小潮差 1.58 m,平均潮差達4.26 m。實測與模擬潮位對比結(jié)果RMSE為0.07 m,且模擬值與實測值變化趨勢吻合較好?;谝陨向炞C,該網(wǎng)格模型可較為準確地計算該地區(qū)的潮位變化特征。
1.3.3 潮流驗證
圖3為牛山站一個大潮期5 d垂向平均流速、流向?qū)崪y值與模擬值對比驗證結(jié)果。流速、流向RMSE分別為0.08 m/s和1.16°。由于該數(shù)值模擬為正壓模型,僅以潮汐驅(qū)動,忽略由于風場、大氣降水等導致的斜壓影響,且模型采用的水深地形在驗證點存在誤差以及TPXO數(shù)據(jù)庫誤差等,導致模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)存在一定誤差??傮w而言,模擬結(jié)果能較好地反映研究區(qū)域內(nèi)的潮流運動規(guī)律,可基于該模型進行后續(xù)的潮流能資源評估分析。
2 特征分析方法
2.1 潮流能資源評估
潮流能功率密度可直觀地反映潮流能資源的時空分布狀況,與潮流流速呈立方關系,定義為:
[P=12ρV3] (5)
式中:[P]——功率密度,W/m2;[ρ]——海水密度,取1025 kg/m3;[V]——流速,m/s。
潮流流速隨時間變化,通常選取某段時間[T]來計算平均功率密度:
[Pm=12ρt0t0+TV3dt] (6)
式中:[Pm]——平均功率密度,W/m2;[t0]——初始時刻,s;[T]——取平均的時段,s。
由于大小潮交替變化等資源時空分布不均現(xiàn)象的存在,為更直觀的表征不同時間、空間潮流能分布特性,本文采用方艤洲等[19]提出的特征值法表征潮流能資源特征,計算公式為:
[Pi,k=ρ2ni=1nV3i,k] (7)
式中:[Pi,k]——功率密度特征值,W/m2;[i]——第[i]個漲(落)急時刻;[k]——大小潮兩個特征時段、漲落潮兩個特征過程的4個特征時刻。朔望日流速峰值前后各25 h的時段定義為大潮期;上弦日和下弦日流速峰值前后各25 h的時段定義為小潮期。
2.2 漲落潮不對稱性
潮汐具有不對稱性的特征,具體表現(xiàn)為漲落潮歷時不等、潮差不等以及流速峰值不等等。Nidzieko等[27-28]提出利用水位對時間導數(shù)的偏度([γ])來量化不對稱性,指潮位的概率密度函數(shù)偏離正態(tài)分布的程度,公式為:
[γ=1τ-1i=1τζ′i-ζ31τ-1i=1τζ′i-ζ232] (8)
式中:[ζ'i]——水位對時間的導數(shù);[ζ']——水位對時間的導數(shù)的平均值;[τ]——時間序列長度;[γgt;0]代表漲潮優(yōu)勢,[γlt;0]代表落潮優(yōu)勢。
2.3 潮流能資源量估算
當前對于潮流能可開發(fā)量的評估方法分為兩類:基于能通量的Farm法和Flux法;基于潮流運動方程的Garrett法和Vennell法。楊忠良等[29]推導潮流能最大可開發(fā)率僅與曼寧粗糙系數(shù)和水深有關;武賀等[30]構建了潮流能開發(fā)利用指數(shù)。到目前為止,相關研究仍無統(tǒng)一的標準方法,張瑞等[8,31]調(diào)查并分析當前主流評估方法,其中Flux法為國際主流方法,特點為計算結(jié)果取決于能通量,與設備無關;Garrett法特點為適用于狹窄水道和小海灣。本文分別采用Flux法和Garrett法進行評估,并進行分析比較。
Flux法計算公式為:
[PEtotal=Pm·Acs] (9)
[Pmax=PEtotal·Fsif] (10)
式中:[PEtotal]——潮流能平均功率(即蘊藏量),kW;[Acs]——垂直于潮流流向的水道斷面面積,m2;[Pmax]——最大可開發(fā)潮流能,kW;[Fsif]——有效影響因子,取15%。
Garrett法計算公式為:
[Pmax=0.22ρgaQ] (11)
式中:[a]——水道兩端之間水位差或水頭損失的振幅,m;[Q]——水體通量,m3/s。
3 結(jié)果及分析
潮流能資源具有較大的時空變化特征,本文從資源空間特性、資源時間特性、漲落潮不對稱性3個角度出發(fā),對平潭島周圍海域潮流特征進行描述。
3.1 資源空間特性
圖4為大(?。┏睗q急、落急時刻平均功率密度計算結(jié)果。大潮功率密度峰值超過10 kW/m2,小潮功率密度峰值超過2 kW/m2??臻g分布趨勢上,大值區(qū)主要出現(xiàn)在平潭島西北端與西南端各島嶼間的水道中,分別位于平潭島南部與大練島之間(以下簡稱A區(qū))、大練島與小練島之間(以下簡稱B區(qū))和小練島與長嶼島之間(以下簡稱C區(qū)),A、B、C區(qū)域年平均功率密度最大模擬點分別為2.15、1.37和1.94 kW/m2。漲、落潮的功率密度在空間分布存在差異,相比于漲潮,落潮時高功率密度區(qū)域分布更為廣泛,在大潮期間尤為明顯,這體現(xiàn)了大小潮的交替變化及潮汐日不等的現(xiàn)象。
大潮期間漲、落急時刻潮流流場分布如圖5所示。漲、落潮流的峰值區(qū)均位于平潭島西北端各島嶼間水道,其主要流向為西南-東北方向。相較而言,落潮流略大于漲潮流,二者峰值分別達到2.79和2.65 m/s。各水道漲(落)急時刻,水道中心的流速顯著高于兩端。流速是影響功率密度的關鍵因素,該區(qū)域內(nèi)同樣存在3個峰值區(qū),三區(qū)域內(nèi)漲潮峰值流速分別為2.65、2.52和2.11 m/s,落潮峰值流速分別為2.72、2.79和2.76 m/s,落潮流速大于漲潮流速。
3.2 資源時間特性
為表征研究區(qū)域潮流能資源隨時間變化特性,本文引入有效發(fā)電小時數(shù)OH(operation hours)概念,以直觀反映潮流能資源一年(8760 h)中的有效發(fā)電小時數(shù)。本文有效流時的流速統(tǒng)計區(qū)間為0.6~3.5 m/s。
圖6為研究區(qū)域有效發(fā)電小時數(shù)統(tǒng)計分布。平潭島周圍除東部海灣內(nèi)側(cè),大部分海域有效發(fā)電小時數(shù)超過2000 h,在潮流能資源較為豐富的水道(如平潭島西北側(cè)、西南側(cè)島嶼密集處)有效流時可達到3000~5000 h,局部區(qū)域甚至可超過7000 h。大值區(qū)(gt;6000 h)分布于平潭島西北端與西南端水道——如平潭島-大練島、大練島-小練島、小練島-長嶼島。
3.3 漲落潮不對稱性
本文重點討論A、B、C3條水道潮位、漲落潮歷時及潮差不對稱性特征。選取A、B、C水道內(nèi)3個站位,坐標分別為(119.720°E, 25.638°N)、(119.666°E, 25.659°N)、(119.647°E, 25.673°N)。對3個站位的連續(xù)潮位進行逐日偏度計算,結(jié)果如圖7所示。由圖7可看出,A、B、C3條水道的偏度基本大于0,大潮期偏度值較?。ǜ呄蛴?),小潮期偏度值較大,因此大潮期間漲落潮不對稱性較小,小潮期間漲落潮不對稱性較大。落潮歷時呈減小趨勢。研究區(qū)域平均漲潮歷時為6.04 h, 平均落潮歷時為6.38 h,落潮歷時長于漲潮歷時,沿A-B-C方向漲潮歷時呈增大趨勢,且平均漲潮潮差大于平均落潮潮差??傮w判斷漲潮期間潮動力更為強勢,該海域為漲潮優(yōu)勢。漲落潮的不對稱性可能由以下因素引起:潮汐作用引起漲落潮水位差異,進而導致過水斷面的變化;水深地形因素引起的底摩擦變化以及分潮組合等因素[32-33]。
4 資源量評估
為推進潮流能規(guī)?;?,應選取合適場址對其資源量進行評估,有針對性地開展潮流能陣列化布局。對此,根據(jù)以下原則選擇待評估的特定區(qū)域:
1)采用韓家新[34]基于最大流速的潮流能資源區(qū)劃原則,峰值流速大于2.5 m/s的區(qū)域為一類區(qū),峰值流速介于2~2.5 m/s之間的區(qū)域為二類區(qū)。參考一類、二類區(qū)面積,將其作為選址因素。
2)因當前主流潮流能發(fā)電裝置規(guī)格限制,選擇水深15 m以上的區(qū)域。
3)選取功率密度、有效流時大值區(qū)域。
根據(jù)以上原則,選定平潭島-大練島(A水道)、大練島-小練島(B水道)、小練島-長嶼島(C水道)3條水道(圖8)進行潮流能估算。
圖9為A、B、C區(qū)域水道一次完整的大潮和小潮變化過程瞬時理論功率變化曲線。圖9顯示,平潭島-大練島斷面最大,瞬時理論功率可達169.4 MW;大練島-小練島斷面次之,最大瞬時理論功率約為154.1 MW;小練島-長嶼島斷面最小,最大瞬時理論功率約為73.8 MW。
表1為三區(qū)域蘊藏量與Flux法和Garrett法估算得到的三區(qū)域的潮流能資源可開發(fā)量。本文將水道斷面選取在各水道流速峰值處,斷面走向垂直于流速峰值點的流向。3條水道的潮流能蘊藏量分別為21.4、17.22和10.99 MW,A水道最為豐富。表1顯示,F(xiàn)lux方法得到的3條水道的資源可開發(fā)總量為7.44 MW,Garrett方法估算3條水道的資源可開發(fā)總量為11.74 MW。Flux法誤差可能來自于:1)流速是影響功率的關鍵因子,微小的流速誤差會產(chǎn)生較大的功率誤差;2)Fsif有效影響因子統(tǒng)一取15%,但實際有效影響因子隨地點而變化;3)本文斷面選取離散。Garrett法誤差可能來自于:1)評估區(qū)域水道長度誤差;2)水道兩端水位差(水頭損失的振幅)是影響功率的關鍵因素。兩種方法的估算值為潮流能資源開發(fā)提供合理的參考區(qū)間,對于特定區(qū)域的精細化估算應做進一步探討。
此外,A區(qū)域水道潮流能蘊藏量最為豐富,其平均功率密度達到627.83 W/m2,B、C區(qū)域潮流能蘊藏量次之,分別達到0.66和0.59 kW/m2。A、B、C水道一類區(qū)面積分別為0.61、0.32和0.12 km2;二類區(qū)面積分別為2.86、1.19和1.05 km2。A區(qū)域可開發(fā)量最為可觀,瞬時功率較大,得益于較大的斷面面積和較長的水道長度,可優(yōu)先考慮該區(qū)域進行規(guī)模化開發(fā)。
5 結(jié) 論
本文采用TELEMAC-2D數(shù)值模型對平潭島附近海域潮流場進行模擬,分析該區(qū)域的潮流能資源時空特性,采用Flux方法與Garrett方法相結(jié)合,對平潭島西側(cè)海壇海峽內(nèi)3條水道進行潮流能資源量評估,主要結(jié)論如下:
1)TELEMAC-2D數(shù)值模型能較為準確地模擬潮流和潮位,并能準確反映研究區(qū)域內(nèi)潮汐潮流特征,可為潮流能資源評價提供準確的數(shù)據(jù)支撐,進而獲得更精確的評估結(jié)果。
2)平潭島西北區(qū)域水道潮流能資源豐富,大潮期間功率密度峰值超過10 kW/m2,流速峰值達到2.72 m/s,在潮流能資源較豐富的水道——平潭島-大練島、大練島-小練島、小練島-長嶼島,有效流時介于3000~5000 h之間,局部區(qū)域有效流時超過7000 h,該地適宜發(fā)展潮流能規(guī)模化應用。
3)平潭島-大練島、大練島-小練島、小練島-長嶼島三斷面最大瞬時理論功率分別可達169.4、 154.1、73.8 MW。Flux方法估算得三區(qū)域的資源可開發(fā)量約為7.44 MW,Garrett方法估算得三區(qū)域的資源可開發(fā)量約為11.74 MW。3條水道共有潮流能資源一類區(qū)1.05 km2,二類區(qū)5.11 km2。
本文旨在對平潭島周邊海域的潮流能資源蘊藏量進行初步估算,探討適宜進行潮流能資源規(guī)模化利用的區(qū)域。下一步應針對適宜開發(fā)的水道,對其潮流能資源蘊藏量進一步精細化計算,并對其裝機容量及發(fā)電量進行評估,為推進當?shù)爻绷髂芤?guī)模化利用做進一步探索。
[參考文獻]
[1] 張繼生, 汪國輝, 林祥峰. 潮流能開發(fā)利用現(xiàn)狀與關鍵科技問題研究綜述[J]. 河海大學學報(自然科學版), 2021, 49(3): 220-232.
ZHANG J S, WANG G H, LIN X F. A review of recent development and key technology problems in utilization of tidal "stream "energy[J]. "Journal "of "Hohai "University (natural sciences), 2021, 49(3): 220-232.
[2] 白楊, 杜敏, 周慶偉, 等. 潮流能發(fā)電裝置現(xiàn)狀分析[J]. 海洋開發(fā)與管理, 2016, 33(3): 57-63.
BAI Y, DU M, ZHOU Q W, et al. Proceeding of tidal current energy conversion system[J]. Ocean development and management, 2016, 33(3): 57-63.
[3] THIéBOT J, COLES D S, BENNIS A C, et al. Numerical modelling of hydrodynamics and tidal energy extraction in the Alderney Race: a review[J]. Philosophical transactions Series A. Mathematical, physical, and engineering sciences, 2020, 378(2178): 20190498.
[4] MALDAR N R, NG C Y, PATEL M S, et al. Potential and prospects of hydrokinetic energy in Malaysia: a review[J]. Sustainable energy technologies and assessments, 2022, 52: 102265.
[5] MILLER F P, VANDOME A F, MCBREWSTER J. European marine energy centre[M]. UK: Alphascript Publishing, 2010.
[6] LIU X D, CHEN Z, SI Y L, et al. A review of tidal current energy resource assessment in China[J]. Renewable and sustainable energy reviews, 2021, 145: 111012.
[7] 施偉勇, 王傳崑, 沈家法. 中國的海洋能資源及其開發(fā)前景展望[J]. 太陽能學報, 2011, 32(6): 913-923.
SHI W Y, WANG C K, SHEN J F. Utilization and prospect "of "ocean "energy "resource "in "China[J]. Acta energiae solaris sinica, 2011, 32(6): 913-923.
[8] 鄭志南. 海洋潮流能的估算[J]. 海洋通報, 1987, 6(4): 70-75.
ZHENG Z N. The estimation of ocean tidal current energy[J]. Marine science bulletin, 1987, 6(4): 70-75.
[9] 呂新剛, 喬方利. 海洋潮流能資源估算方法研究進展[J]. 海洋科學進展, 2008, 26(1): 98-108.
LYU X G, QIAO F L. Advances in study on tidal current energy "resource "assessment "methods[J]. "Advances "in marine science, 2008, 26(1): 98-108.
[10] BLACK amp; VEATCH CONSULTING LTD, UK, EUROPE, et al. Marine Energy Challenge Report[R] London: Carbon Trust, 2004. No. 107799/D/2100/05/1.
[11] BLACK amp; VEATCH CONSULTING LTD, Phase II UK tidal stream energy resource assessment[R]. London: Carbon Trust, 2005. No. 107799/D/2200/03.
[12] GARRETT C, CUMMINS P. Generating power from tidal currents[J]. Journal of waterway, port, coastal, and ocean engineering, 2004, 130(3): 114-118.
[13] GARRETT C, CUMMINS P. The power potential of tidal currents in channels[J]. Proceedings of the Royal Society A: mathematical, physical and engineering sciences, 2005, 461(2060): 2563-2572.
[14] VENNELL R. Estimating the power potential of tidal currents and the impact of power extraction on flow speeds[J]. Renewable energy, 2011, 36(12): 3558-3565.
[15] VENNELL R, MAJOR R, ZYNGFOGEL R, et al. Rapid initial assessment of the number of turbines required for large-scale power generation by tidal currents[J]. Renewable energy, 2020, 162: 1890-1905.
[16] 趙建春, 陸延, 陳國海, 等. 灌門水道潮流能資源評估及開發(fā)條件初步分析[J]. 海洋技術學報, 2017, 36(4): 64-69.
ZHAO J C, LU Y, CHEN G H, et al. Preliminary analysis on the tidal current energy resources in the Guanmen Channel off the coast of Zhejiang Province, China[J]. Journal of ocean technology, 2017, 36(4): 64-69.
[17] 吳亞楠, 武賀, 封哲. 普陀山-葫蘆島水道潮流能資源評估[J]. 可再生能源, 2017, 35(10): 1566-1573.
WU Y N, WU H, FENG Z. Assessment of tidal current energy resource at Putuo Mountain-Hulu Island waterway[J]. Renewable energy resources, 2017, 35(10): 1566-1573.
[18] 張潔, 紀棋嚴, 左軍成, 等. 舟山西堠門水道潮流能資源評估及發(fā)電站選址[J]. 海洋科學進展, 2022, 40(2): 327-341.
ZHANG J, JI Q Y, ZUO J C, et al. Tidal current energy resources evaluation and site choosing of power plant in the Xihoumen Channel of Zhoushan[J]. Advances in marine science, 2022, 40(2): 327-341.
[19] 方艤洲, 武賀. 舟山群島海域主要水道潮流能資源評估方法與分析[J]. 地理信息世界, 2022, 29(5): 118-124.
FANG Y Z, WU H. Assessment of tidal stream energy potential of major channels in Zhoushan archipelago[J]. Geomatics world, 2022, 29(5): 118-124.
[20] 李程, 高佳, 李文善, 等. 山東省周邊海域潮流能資源評估[J]. 海洋開發(fā)與管理, 2017, 34(1): 75-80.
LI C, GAO J, LI W S, et al. Tidal current energy resource assessment in offshore of Shandong Province[J]. Ocean development and management, 2017, 34(1): 75-80.
[21] 金永德, 趙新. 福建莆田南日島附近海域潮流能估算[J]. 海洋湖沼通報, 2019, 41(1): 7-12.
JIN Y D, ZHAO X. Tidal stream energy assessment near Nanri " Island " in " Putian, "Fujian[J]. "Transactions " of oceanology and limnology, 2019, 41(1): 7-12.
[22] 顧振華, 顧晨, 姚鵬程. 東中國海潮汐能分布數(shù)值模擬研究[J]. 中國農(nóng)村水利水電, 2022(11): 165-171.
GU Z H, GU C, YAO P C. Numerical simulation of tidal energy distribution in the East China Sea[J]. China rural water and hydropower, 2022(11): 165-171.
[23] WU H, WANG X, WANG B Z, et al. Evaluation of tidal stream energy and its impacts on surrounding dynamics in the Eastern Region of Pingtan Island, China[J]. Chinese journal of oceanology and limnology, 2017, 35(6): 1319-1328.
[24] 王兆禮, 陳昱宏, 賴成光. 基于TELEMAC-2D和SWMM模型的城市內(nèi)澇數(shù)值模擬[J]. 水資源保護, 2022, 38(1): 117-124.
WANG Z L, CHEN Y H, LAI C G. Numerical simulation of urban waterlogging based on TELEMAC-2D and SWMM model[J]. Water resources protection, 2022, 38(1): 117-124.
[25] FORSTER A, COSTI J, MARQUES W C, et al. Application of the TELEMAC-2D model in the fluvial hydrodinamics simulation and reproduction of flood patterns[J]. Defect and diffusion forum, 2019, 396: 187-196.
[26] LAVINE W, JAMAL M H, ABD WAHAB A K, et al. Effect of sea level rise on oil spill model drift using TELEMAC-2D[J]. Journal of water and climate change, 2020, 11(4): 1021-1031.
[27] NIDZIEKO N J. Tidal asymmetry in estuaries with mixed semidiurnal/diurnal " tides[J]. " Journal " of " geophysical research, oceans, 2010, 115(C8): C08006.
[28] NIDZIEKO N J, RALSTON D K. Tidal asymmetry and velocity skew over tidal flats and shallow channels within a macrotidal " river " delta[J]. " Journal " of " geophysical research, C. Oceans: JGR, 2012, 117(C3): C03001.
[29] 楊忠良, 許雪峰, 施偉勇. 海峽內(nèi)最大可開發(fā)潮流能計算[J]. 太陽能學報, 2017, 38(6): 1706-1710.
YANG Z L, XU X F, SHI W Y. Calculation of maximum exploitable tidal current energy in strait[J]. Acta energiae solaris sinica, 2017, 38(6): 1706-1710.
[30] 武賀, 韓林生, 方艤洲, 等. 潮流能開發(fā)利用指數(shù)方法研究與應用[J]. 太陽能學報, 2021, 42(6): 33-38.
WU H, HAN L S, FANG Y Z, et al. A new comprehensive index for evaluating tidal stream energy and its application[J]. Acta energiae solaris sinica, 2021, 42(6): 33-38.
[31] 張瑞, 呂忻, 郭佩芳. 我國潮流能資源調(diào)查與評估標準問題的研究[J]. 太陽能學報, 2012, 33(增刊1): 145-151.
ZHANG R, LYU X, GUO P F. Research on tidal energy investigation and assessment standards for China[J]. Acta energiae solaris sinica, 2012, 33(Sup1): 145-151.
[32] 馮曦, 周雨晨, 孫鳳明, 等. 溫州灣海域潮形偏態(tài)時空分布特征研究[J]. 海洋學報, 2022, 44(7): 25-36.
FENG X, ZHOU Y C, SUN F M, et al. Study on spatial-temporal distribution characteristics of tidal skewness in the Wenzhou Bay[J]. Haiyang Xuebao, 2022, 44(7): 25-36.
[33] 張雨豪, 吳心彤, 童朝鋒, 等. 舟山群島海域潮波傳播變形和不對稱性探討[J]. 水道港口, 2020, 41(1): 9-15.
ZHANG Y H, WU X T, TONG C F, et al. Discussion on deformation and asymmetry of tide wave propagation in Zhoushan archipelago[J]. Journal of waterway and harbor, 2020, 41(1): 9-15.
[34] 韓家新. 中國近海海洋: 海洋可再生能源[M]. 北京: 海洋出版社, 2015.
HAN J X. China offshore ocean: marine renewable energy[M]. Beijing: Ocean Press, 2015.
ANALYSIS AND ASSESSMENT OF TIDAL CURRENT ENERGY
RESOURCES IN SEA AROUND PINGTAN ISLAND
Wu He1,Yang Jianyu,Zhu Lining
(National Ocean Technology Center, Tianjin 300112, China)
Abstract:Based on the TELEMAC-2D hydrodynamic model, a tidal current field model around Pingtan Island in Fujian province was established. The accuracy of the model was verified by using measured tidal level and tidal current data. As the results, the model can accurately depict the tidal and current characteristics of the study area. On this basis, the spatial-temporal distribution characteristics of tidal current energy resources and the asymmetry of tidal rise and fall in the region were analyzed. The Flux method was combined with Garrett method to assess and compare the exploitable amount of tidal current energy resources in specific regions. Results show that the tidal current energy resources in the waters around Pingtan Island are mainly distributed in three channels: Pingtan Island-Dalian Island, Dalian Island-Xiaolian Island, and Xiaolian Island-Changyu Island, with a peak power density of about 10 kW/m2. The effective flow time is more than 6000 h. The total area of Class I tidal energy resource zone in three channels is 1.05 km2, while Class Ⅱ is 5.11 km2. The exploitable tidal current energy resources calculated by the Flux and Garrett methods are 7.44 MW and 11.74 MW, respectively.
Keywords:tidal current energy; resource assessment; TELEMAC-2D; Pingtan Island