王衛(wèi)遠(yuǎn)，何倩倩，李睿元

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州311122)

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舟山海域波浪能資源評(píng)估

王衛(wèi)遠(yuǎn)，何倩倩，李睿元

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州311122)

摘要：利用QN混合風(fēng)場(chǎng)作為驅(qū)動(dòng)風(fēng)場(chǎng)，采用國(guó)際通用的MIKE 21 SW模型后報(bào)1999年8月～2009年7月舟山海域的波浪場(chǎng)，統(tǒng)計(jì)出舟山海域的波浪能資源多年平均波功率密度和空間分布特征，并計(jì)算了各個(gè)等深線上的波浪能資源理論蘊(yùn)藏量，初步估算出舟山外圍海域海圖10、20 m和30 m等深線上的波浪能理論平均功率分別為537、953 MW和1 256 MW，對(duì)舟山海域波浪能開發(fā)利用具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：波浪能；資源評(píng)估；數(shù)學(xué)模型；QN風(fēng)場(chǎng)；波功率密度；舟山海域

海洋中波浪能資源蘊(yùn)藏豐富，取之不盡，用之不竭。利用海洋能資源，是當(dāng)今世界能源研究的方向。特別是在能源關(guān)系到國(guó)家安全、地球礦物能源逐漸枯竭及環(huán)境狀況日益惡化的形勢(shì)下，如何有效利用資源豐富、可再生的海洋能源，顯得十分重要。波浪能資源是一種很大程度上未被開發(fā)利用的可再生能源之一。 在所有可再生能源中，其具有較高的能量密度。據(jù)估算，全球波浪能的理論蘊(yùn)藏量約為2 TW，全球大部分沿岸波功率密度在20～50 kW/m之間，北大西洋、蘇格蘭、愛爾蘭西部沿岸及太平洋東北部以及澳大利亞南部沿岸波功率密度在70～100 kW/m之間。我國(guó)波浪能的理論蘊(yùn)藏量約為1 000萬(wàn)kW左右，沿海波功率密度約在2～7 kW/m之間[1]。

20世紀(jì)70年代以來(lái)，許多沿海發(fā)達(dá)國(guó)家積極開展了波浪能開發(fā)利用的研究，在波浪能轉(zhuǎn)換裝置方面取得了重大進(jìn)展。當(dāng)前，波浪能轉(zhuǎn)換裝置種類繁多，形式多樣。按其結(jié)構(gòu)形式分，主要包括“點(diǎn)頭鴨”式、振蕩水柱式、擺式、聚波蓄能式、振蕩浮子式、閥式等轉(zhuǎn)換裝置。經(jīng)過(guò)40多年的研究和發(fā)展，目前研究的重點(diǎn)仍然主要放在波浪能轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計(jì)與改進(jìn)上。波浪特性和波浪能資源水平是設(shè)計(jì)與改進(jìn)波浪能轉(zhuǎn)換裝置的基礎(chǔ)，也是波浪能開發(fā)利用及選址的重要依據(jù)[2]。要利用波浪能發(fā)電，在選擇和安放波能轉(zhuǎn)換裝置之前，就需要了解可能安裝波浪能轉(zhuǎn)換裝置海域的波浪特性和波浪能資源水平，并對(duì)該海域波浪能資源進(jìn)行初步估算，這樣才能對(duì)波浪能電站的可行性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)估。為此，許多國(guó)家都在利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或波浪模型后報(bào)數(shù)據(jù)開展波浪能資源調(diào)查評(píng)估工作，為將來(lái)大規(guī)模開發(fā)利用波浪能資源做準(zhǔn)備[3- 8]。

舟山群島許多島嶼遠(yuǎn)離大陸，電網(wǎng)不能覆蓋，海島居民因?yàn)殚L(zhǎng)期缺乏充足的電能，生活和生產(chǎn)都受到了很大限制，電力缺乏已經(jīng)成為制約海島地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素之一。舟山海域蘊(yùn)藏著豐富的波浪能資源，加大波浪能資源的開發(fā)利用力度，將對(duì)海島地區(qū)的用電緊張起緩解作用，對(duì)優(yōu)化該地區(qū)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展也具有重要意義。

本文基于上述背景，采用國(guó)際通用的MIKE 21 SW模型，把QN(QuikSCAT/NCEP)混合風(fēng)場(chǎng)作為驅(qū)動(dòng)風(fēng)場(chǎng)，后報(bào)1999年8月～2009年7月舟山海域的波浪場(chǎng)，統(tǒng)計(jì)出舟山海域的波浪能資源多年平均波功率密度和空間分布特征，并計(jì)算了各個(gè)等深線上的波浪能資源理論蘊(yùn)藏量，對(duì)舟山海域波浪能開發(fā)利用具有一定的參考價(jià)值。

1波浪數(shù)學(xué)模型

1.1基本原理

MIKE 21 SW模塊基于波作用守恒方程，采用動(dòng)譜密度N(σ,θ)來(lái)描述波浪[9]。模型的自變量為相對(duì)頻率σ和波向θ。動(dòng)譜密度N(σ,θ)與能譜密度E(σ,θ)的關(guān)系為

N(σ,θ)=E(σ,θ)/σ

(1)

在笛卡爾坐標(biāo)系下，MIKE 21 SW的控制方程，即波作用守恒方程可以表示為

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，d為水深；U=(Ux，Uy)為流速；k=(kx，ky)為波數(shù)；s為沿θ方向的空間坐標(biāo)；m為垂直于s的坐標(biāo)。

MIKE 21 SW模型中的源函數(shù)項(xiàng)是描述各種物理現(xiàn)象的源函數(shù)的疊加形式，即

S=Sin+Snl+Sds+Sbot+Ssurf

(6)

式中，Sin為風(fēng)能的輸入；Snl為非線性波波相互作用；Sds為由白帽引起的能量損耗；Sbot為底摩擦引起的能量損耗；Ssurf為由于水深變化引起的波浪破碎導(dǎo)致的能量損耗。

1.2模型計(jì)算范圍及網(wǎng)格劃分

本模型重點(diǎn)研究舟山海域波浪能資源分布情況。為了避免邊界對(duì)重點(diǎn)研究區(qū)域產(chǎn)生影響，特將邊界位置定在距離舟山海域較遠(yuǎn)的外海海域。模型南北長(zhǎng)約920 km，東西寬約550 km，北邊界至東海與黃海的交界線(長(zhǎng)江口北側(cè)與韓國(guó)濟(jì)州島的連線)，東邊界至日本沿岸，南邊界至臺(tái)灣島北部。

為了充分反映研究區(qū)域及附近水域局部地形的變化情況，同時(shí)又適當(dāng)節(jié)約模型計(jì)算工作量，本模型采用以研究區(qū)域?yàn)橹行挠赏庀騼?nèi)逐步加密的非結(jié)構(gòu)化計(jì)算網(wǎng)格。對(duì)于遠(yuǎn)離研究區(qū)域的模型邊界區(qū)域，網(wǎng)格的邊長(zhǎng)(以經(jīng)緯度表示)約為15′，越靠近研究區(qū)域計(jì)算網(wǎng)格尺寸越小，研究區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格邊長(zhǎng)約為2.5′(見圖1)。

經(jīng)過(guò)治療以后,觀察組的治療總有效率高達(dá)96.49%,明顯高于對(duì)照組的77.19%(P<0.05),詳見表1。

圖1　模型計(jì)算范圍及網(wǎng)格劃分

2驅(qū)動(dòng)風(fēng)場(chǎng)

2.1風(fēng)資料的選用

QN(QuikSCAT/NCEP)混合風(fēng)場(chǎng)是對(duì)衛(wèi)星散射計(jì)(QuikSCAT)觀測(cè)數(shù)據(jù)和美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)、空混合分析的結(jié)果，其空間范圍為(88°S～88°N，0～360°E)，覆蓋全球90%無(wú)冰海域，空間分辨率為0.5°×0.5°，每6 h記錄1次數(shù)據(jù)。該風(fēng)場(chǎng)資料給出了海面10 m高度處的經(jīng)向風(fēng)速和緯向風(fēng)速，具有較高的時(shí)空分辨率，被廣泛用作海浪模式的驅(qū)動(dòng)風(fēng)場(chǎng)。

相關(guān)研究表明，需用10年以上的波浪資料對(duì)某地或某區(qū)域的波浪能資源進(jìn)行評(píng)估[10]；因此，本文利用被廣泛使用的QN混合風(fēng)場(chǎng)1999年8月～2009年7月的風(fēng)場(chǎng)資料作為波浪數(shù)學(xué)模型的驅(qū)動(dòng)風(fēng)場(chǎng)來(lái)推算相應(yīng)的波浪場(chǎng)。為了在統(tǒng)計(jì)時(shí)不出現(xiàn)跨年現(xiàn)象，最終統(tǒng)計(jì)的時(shí)間為2000年～2008年。

2.2風(fēng)資料的驗(yàn)證

利用收集到的嵊泗氣象站2009年5月～2009年7月和普陀氣象站2008年11月2009年7月的逐時(shí)風(fēng)速風(fēng)向資料來(lái)驗(yàn)證QN風(fēng)資料，部分驗(yàn)證結(jié)果見圖2。更多驗(yàn)證結(jié)果見文獻(xiàn)[11]。

圖2　2009年7月嵊泗氣象站風(fēng)速風(fēng)向和QN風(fēng)速風(fēng)向比較

由圖2可見，QN風(fēng)資料的風(fēng)速風(fēng)向分別與嵊泗氣象站的風(fēng)速風(fēng)向偏差較小，過(guò)程線吻合良好，說(shuō)明QN風(fēng)資料的可靠性比較高，能較好地反映實(shí)際風(fēng)場(chǎng)，將其作為本模型的驅(qū)動(dòng)風(fēng)場(chǎng)是可行的。

3波浪數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

根據(jù)收集到的日本氣象廳22001號(hào)浮標(biāo)站(126.33°E，28.17°N)2000年1月23日00∶00～2000年1月31日00∶00實(shí)測(cè)波浪資料、國(guó)家海洋局東海浮標(biāo)站(123°59′E，29°30′N)2002年8月26日00∶00～2002年9月7日06∶00實(shí)測(cè)波浪資料、嵊山海洋站(122°48′E，30°41′N)2003年7月1日00∶00～2003年7月3日00∶00實(shí)測(cè)波浪資料、七姊八妹列島站2009年11月16日12∶00～2009年11月18日02∶00實(shí)測(cè)波浪資料和六橫站2011年12月7日10∶00～2011年12月11日00∶00實(shí)測(cè)波浪資料，對(duì)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證(見圖3～圖7)。

圖3　2001號(hào)浮標(biāo)站有效波高驗(yàn)證

圖4　東海浮標(biāo)站有效波高驗(yàn)證

圖5　嵊山海洋站有效波高驗(yàn)證

圖6　七姊八妹列島站有效波高驗(yàn)證

圖7　六橫站有效波高驗(yàn)證

由圖3～圖7可見，除了東海浮標(biāo)站和六橫站的有效波高計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合稍差外，其他各站的有效波高的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合良好；但總的來(lái)說(shuō)，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的波級(jí)及整體變化趨勢(shì)相同。需要特別指出的是：一方面，沒有收集到部分站位的實(shí)測(cè)周期資料；另一方面，儀器和模型統(tǒng)計(jì)和計(jì)算周期的方法存在差別，周期驗(yàn)證效果沒有波高好，但總體平均值還是接近的。

綜上所述可以認(rèn)為，本模型計(jì)算結(jié)果合理可信，能夠較準(zhǔn)確模擬舟山及附近海域波浪的傳播情況。

4舟山海域波浪特征

將2000年～2008年舟山及附近海域歷年平均有效波高取平均，得到9年間舟山及附近海域多年平均有效波高分布圖(見圖8)。

圖8　2000年～2008年平均有效波高分布

由圖8可以看出，受水深和島嶼遮擋的影響，波高明顯呈現(xiàn)外大內(nèi)小的態(tài)勢(shì)。嵊山和東福山沿線平均有效波高約1.1 m；0.3 m波高等值線大概位于杭州灣口。這表明波浪在傳播過(guò)程中，由于受水深、地形、底摩擦、障礙物以及水流等因素的影響，會(huì)發(fā)生淺水變形、折射、繞射、反射和破碎等各種復(fù)雜現(xiàn)象，導(dǎo)致波能衰減，波高也隨之減??；波高等值線與岸線走向基本一致。

5舟山海域多年平均波功率密度

波功率密度與波高的平方、波周期以及迎波面的寬度成正比，即

(7)

式中，P為單位波前寬度上的波浪功率，kW/m；Tz為平均周期，s；Tp為譜峰周期，s；Hs為有效波高，m。

將2000年～2008年舟山及附近海域歷年平均波功率密度取平均，得到9年間舟山及附近海域多年平均波功率密度分布圖(見圖9)。

圖9　2000年～2008年平均波功率密度分布

由圖9可見，舟山群島內(nèi)及杭州灣海域受到眾多島礁的遮擋保護(hù)，多年平均波功率密度普遍較小，一般小于1.0 kW/m。舟山群島外側(cè)多年平均波功率密度較大，如嵊山附近海域多年平均波功率密度約為4.6 kW/m，東福山附近海域多年平均波功率密度約為6.6 kW/m，朱家尖島附近海域多年平均波功率密度約為4.0 kW/m。

6舟山海域波浪能資源理論蘊(yùn)藏量

波浪能理論平均功率按(7)式和下式計(jì)算，即

N=PL

(8)

式中，N表示區(qū)段的波浪能理論平均功率，MW；L表示代表區(qū)段長(zhǎng)度，可選定某一等深線沿著岸線走向量取，km。

舟山海域的波浪能資源豐富，為了全面了解舟山海域的波浪能資源理論蘊(yùn)藏量，本文結(jié)合舟山市的行政區(qū)劃范圍，基于已掌握的水深地形資料以及波功率密度分布特征，估算舟山外圍海域海圖10、20、30 m等深線上的波浪能資源。

需要特別指出的是，舟山海域波浪能資源主要分布在群島的外側(cè)海域，代表區(qū)段長(zhǎng)度的選取既要考慮到各級(jí)等深線的走向，也要兼顧各級(jí)等波功率密度線的分布情況。因此，本文結(jié)合等波功率密度線分別對(duì)各級(jí)等深線進(jìn)行截?cái)?，求得每個(gè)代表區(qū)段的平均波功率密度，然后乘以代表區(qū)段長(zhǎng)度，即可得到每段的波浪能理論平均功率。

通過(guò)以上方法，初步估算出2000年～2008年9年間舟山外圍海域海圖10、20 m和30 m等深線上的波浪能理論平均功率分別為537、953 MW和1 256 MW。 文獻(xiàn)[12]中以嵊山海洋站為代表站，取其波功率密度2.76 kW/m，代表區(qū)段長(zhǎng)166.4 km，估算得到舟山海域的波浪能理論平均功率為459 MW。根據(jù)本文計(jì)算結(jié)果，嵊山海洋站位于海圖30 m等深線附近，波功率密度約為5.0 kW/m；同樣選擇代表區(qū)段長(zhǎng)166.4 km，估算得到的相當(dāng)于海圖30 m等深線上的波浪能理論平均功率為832 MW，與459 MW相去甚遠(yuǎn)。

在文獻(xiàn)[12]中，利用各個(gè)海洋站1976年每日4次觀測(cè)的平均波高和平均周期計(jì)算相應(yīng)的波功率密度，最終得到各站的年平均波功率密度，代表區(qū)段長(zhǎng)度以相鄰兩站連線中點(diǎn)為界，跨省區(qū)段以本身內(nèi)實(shí)際長(zhǎng)度為準(zhǔn)，由此推算各站代表區(qū)段上的波浪能理論平均功率。在當(dāng)時(shí)，由于數(shù)值模擬技術(shù)還不夠成熟，這種統(tǒng)計(jì)方法顯得更為直接和方便，能夠用來(lái)粗略估計(jì)波浪能理論平均功率。本文的波功率密度計(jì)算過(guò)程和波浪能理論平均功率統(tǒng)計(jì)方法比，相對(duì)更為準(zhǔn)確可靠。因此，可以謹(jǐn)慎認(rèn)為，文獻(xiàn)[12]中采用的嵊山海洋站波功率密度2.76 kW/m偏小，統(tǒng)計(jì)得到的波浪能理論平均功率也相應(yīng)偏小。

7結(jié)語(yǔ)

本研究模型，利用實(shí)測(cè)波浪資料對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，波高的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合良好，說(shuō)明本模型計(jì)算結(jié)果合理可信，能夠較準(zhǔn)確地模擬舟山及附近海域波浪的傳播情況。采用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的QN混合風(fēng)場(chǎng)資料作為波浪數(shù)學(xué)模型的驅(qū)動(dòng)風(fēng)場(chǎng)來(lái)推算舟山海域的波浪場(chǎng)，統(tǒng)計(jì)分析舟山海域的波浪分布特征，統(tǒng)計(jì)出舟山海域的波浪能資源多年平均波功率密度和空間分布特征。根據(jù)波浪能資源理論蘊(yùn)藏量計(jì)算方法，初步估算出舟山外圍海域海圖10、20 m和30 m等深線上的波浪能理論平均功率分別為537、953 MW和1 256 MW。研究成果可為舟山海域波浪能開發(fā)利用提供參考。

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(責(zé)任編輯陳萍)

Assessment of Wave Energy Resources in Zhoushan Sea

WANG Weiyuan, HE Qianqian, LI Ruiyuan

(PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited, Hangzhou 310014, Zhejiang, China)

Abstract:After using The QN blended winds as driving force and the MIKE 21 SW to hindcast the wave field of Zhoushan Sea from August, 1999 to July, 2009, the annual average wave power density and space distribution characteristics are counted and the wave energy resources reserves of each depth contour are calculated. The average wave power in theory of 10 m, 20 m and 30 m depth contour in chart out of Zhoushan Sea are preliminarily estimated as 537 MW, 953 MW and 1 256 MW respectively, which has a certain reference value for the development and utilization of wave energy in Zhoushan Sea．

Key Words:wave energy; resource assessment; mathematical model; QN blended wind; wave power density; Zhoushan Sea

中圖分類號(hào)：P743.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0559- 9342(2016)01- 0093- 05

作者簡(jiǎn)介：王衛(wèi)遠(yuǎn)(1985—)，男，江蘇東海人，工程師，主要從事海岸工程方面的研究工作．

基金項(xiàng)目：華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院科技項(xiàng)目資助(KY120206- 04- 01)

收稿日期：2015- 02- 10