李程，高佳，李文善，李歡，蔡仁翰，楊益

(國(guó)家海洋信息中心 天津 300171)

山東省周邊海域潮流能資源評(píng)估

李程，高佳，李文善，李歡，蔡仁翰，楊益

(國(guó)家海洋信息中心 天津 300171)

采用基于三角形可變分辨率網(wǎng)格系統(tǒng)的三維海洋模型，模擬得到2012—2013年山東周邊海域的潮汐潮流。對(duì)該海域潮流能進(jìn)行模擬研究，結(jié)果表明：通過(guò)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)SELFE對(duì)山東周邊海域的潮汐潮流具有較強(qiáng)的模擬能力。平均流速、最大流速、最大可能流速與能流密度分布一致，較大的區(qū)域都發(fā)生在渤海海峽和成山頭海域，年平均能流密度分別達(dá)到600 W/m2和500 W/m2；選取了13個(gè)能流密度較大的重點(diǎn)斷面，對(duì)山東省潮流能資源進(jìn)行評(píng)估，山東省潮流能蘊(yùn)藏量總量為1 202.9 MW，資源較為豐富。其中，渤海海峽諸水道潮流能蘊(yùn)藏量為914.2 MW，占山東省潮流能總資源儲(chǔ)量的76%；成山角斷面潮流能蘊(yùn)藏量為190.3 MW，占山東省潮流能總資源儲(chǔ)量的16%。綜合以上計(jì)算結(jié)果及環(huán)境因素，文章推薦開(kāi)發(fā)潮流能的海域?yàn)椴澈：{諸水道(尤其是北隍城北側(cè)水道)和成山角海域。潮流能的開(kāi)發(fā)利用對(duì)于解決能源短缺、改善全球生態(tài)環(huán)境和維持可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，能夠?yàn)槲覈?guó)維護(hù)海洋權(quán)益、邁向深藍(lán)提供科學(xué)依據(jù)。

山東海域；潮流能；數(shù)值模擬

潮流能是一種已經(jīng)得到廣泛研究的可再生能源，研究主要集中在探討潮流能開(kāi)發(fā)裝置和潮流能資源計(jì)算方法。20世紀(jì)90年代的英國(guó)[1]、美國(guó)[2]和加拿大[3]等歐美國(guó)家都曾對(duì)自己國(guó)家的沿岸潮流能資源評(píng)估方法進(jìn)行過(guò)研究。2009年，歐洲海洋能中心發(fā)布了第一版潮流能資源評(píng)估指南[4]，對(duì)評(píng)估方法、數(shù)據(jù)要求及統(tǒng)計(jì)方法都進(jìn)行了詳細(xì)的描述。在我國(guó)，早在1989年，王傳崑等[5]基于實(shí)測(cè)的流速資料提出了中國(guó)沿海農(nóng)村潮流能資源的區(qū)劃。結(jié)果顯示我國(guó)潮流能資源分布很不均衡，其中，東海能源最為豐富，沿岸理論平均功率高達(dá)1 096萬(wàn)kW占全國(guó)總量的78.6%。2009年，王傳崑和蘆葦[2]對(duì)中國(guó)沿海潮流能進(jìn)行了整體的評(píng)估，根據(jù)現(xiàn)有的潮流資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，全國(guó)沿岸潮流能資源平均理論總功率為1 396萬(wàn)kW。浙江省為各地中分布最多的，其次為臺(tái)灣、福建、山東沿岸。

山東省北臨渤海，東臨黃海，岸線(xiàn)曲折，地形復(fù)雜，海域遼闊，潮流資源豐富。同時(shí)，山東半島有3 000 km 余的海岸線(xiàn)，占全國(guó)海岸線(xiàn)總長(zhǎng)的1/6，具備了開(kāi)發(fā)潮流能的條件。鑒于前人對(duì)山東省潮流能蘊(yùn)藏量的估算是基于實(shí)測(cè)資料，存在時(shí)長(zhǎng)短、空間分辨率不足的缺點(diǎn)，本文將利用較新的水動(dòng)力模型SELFE對(duì)山東省近岸海域進(jìn)行高精度的數(shù)值模擬，統(tǒng)計(jì)分析該海域潮流能流密度特征，針對(duì)特定水道進(jìn)行潮流能蘊(yùn)藏量和技術(shù)可開(kāi)發(fā)量的估算。

1 資料與方法

1.1 模型和資料介紹

水動(dòng)力模型采用SELFE[7]，該模型采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，可以對(duì)重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，提高模擬效率；采用半隱式算法，可以適當(dāng)加大時(shí)間步長(zhǎng)，提高模擬效率。

對(duì)不同分辨率海圖采用ArcGIS進(jìn)行拼接，結(jié)合實(shí)地調(diào)查獲得的水深和地形資料，采用反距離加權(quán)法制作計(jì)算區(qū)域水深數(shù)據(jù)(圖1)。

本文中模型驗(yàn)證的水位資料來(lái)源于成山角驗(yàn)潮站(122°18′E，37°09′N(xiāo))2013年4月1日—30日逐時(shí)水位資料；流速流向數(shù)據(jù)來(lái)源于老鐵山水道海域的調(diào)查站位(121°33′E，38°06′N(xiāo))的2013年5月1日0時(shí)至2013年5月2日1時(shí)的連續(xù)25 h逐時(shí)潮流資料。

圖1 計(jì)算區(qū)域水深

1.2 模擬方法介紹

采用SELFE模型的V3.1dc并行版本。模型設(shè)定的計(jì)算區(qū)域包括了整個(gè)山東沿岸海域(圖2)。計(jì)算區(qū)域面積為42.3萬(wàn)km2，網(wǎng)格74 233個(gè)，節(jié)點(diǎn)38 992個(gè)，空間分辨率在開(kāi)邊界處可達(dá)8 800 m，空間分辨率在重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域山東沿岸海域最高可達(dá)200 m。

圖2 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格配置

模型的開(kāi)邊界設(shè)置在黃海，節(jié)點(diǎn)數(shù)位66個(gè)，計(jì)算所用的潮汐調(diào)和常數(shù)來(lái)自于伴隨同化的渤海、黃海、東海潮汐模式模擬結(jié)果。時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為60 s，每1 h輸出一次計(jì)算結(jié)果。模式計(jì)算時(shí)間為從2012年12月1日開(kāi)始，到2013年12月31日結(jié)束。

1.3 模擬數(shù)據(jù)的有效性檢驗(yàn)

對(duì)模型輸出的水位數(shù)據(jù)和成山角驗(yàn)潮站2013年4月1—30日逐時(shí)水位資料進(jìn)行對(duì)比分析，相對(duì)誤差分別為7.9%，相關(guān)系數(shù)為0.97(圖3)。其中，*為驗(yàn)潮站資料，實(shí)線(xiàn)為模擬計(jì)算結(jié)果。

圖3 水位驗(yàn)證結(jié)果

對(duì)模型輸出的流速流向數(shù)據(jù)和老鐵山水道海域的調(diào)查站位的2013年5月1日0時(shí)至2013年5月2日1時(shí)的連續(xù)25 h逐時(shí)潮流資料進(jìn)行對(duì)比分析，流速、流向的相對(duì)誤差分別為9.2%、6.4%，流速、流向的相關(guān)系數(shù)分別為0.93、0.94(圖4和圖5)。其中，*為實(shí)測(cè)資料，實(shí)線(xiàn)為模擬計(jì)算結(jié)果。

圖4 流速驗(yàn)證結(jié)果

圖5 流向驗(yàn)證結(jié)果

通過(guò)對(duì)比可以看出水位、潮流模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)資料結(jié)果較好的符合，基本正確的模擬了水位、潮流的變化趨勢(shì)。總的來(lái)說(shuō)，誤差均在可接受范圍內(nèi)?？梢哉J(rèn)為SELFE模型的模擬結(jié)果能夠反映山東沿海海域的潮汐潮流特征。

2 潮流能評(píng)估結(jié)果分析

本文利用數(shù)值模擬的結(jié)果統(tǒng)計(jì)山東海域年平均流速、最大可能流速、年平均能流密度，并選取特定水道對(duì)潮流特征量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、計(jì)算潮流能蘊(yùn)藏量以及技術(shù)可開(kāi)發(fā)量。計(jì)算均以垂向平均流速作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.1 平均流速和最大流速

本文沒(méi)有考慮溫鹽等影響，采用正壓模型，模型中往往是表層潮流流速最大，并隨著深度的增加逐漸呈指數(shù)性衰減。海水垂向流速(僅考慮邊界層摩擦)可以用近似公式計(jì)算：

式中：v0為海水表層流速；z為所求流速的海水所在的深度；v(z)為深度z處的海水的流速；d為海水深度；α為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，一般取7或者10。

通過(guò)對(duì)流速進(jìn)行時(shí)間平均(一般為1年)得到年平均流速，并且統(tǒng)計(jì)了每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的年最大流速，繪制成平均流速與最大流速分布圖(圖6和圖7)。

圖6 平均流速分布

圖7 最大流速分布

由圖7可以看出，流速較大區(qū)域主要集中在近岸海域和渤海海峽廟島群島附近的各個(gè)水道。其中以成山頭附近和渤海海峽諸水道的流速最大，其平均流速可超過(guò)0.9 m/s，局部的平均流速甚至可達(dá)1.0 m/s。

2.2 最大可能流速

按照《海港工程規(guī)范》的要求，最大可能流速的公式為：

Wmax=1.295WM2+1.254WS2+

式中：WM2、WS2、WK1、WO1、WM4、WMS4分別為M2、S2、K1、O1、M4、MS4分潮潮波的潮流橢圓長(zhǎng)半軸。對(duì)模型輸出結(jié)果進(jìn)行潮流調(diào)和分析，得到各分潮的橢圓要素，并根據(jù)上述公式計(jì)算得到模擬區(qū)域的最大可能流速分布(圖8)。

圖8 最大可能流速分布

從圖8可以看出，最大可能流速分布與2.1節(jié)中平均流速分布以及最大流速分布基本一致。

2.3 能流密度計(jì)算

能流密度，是單位時(shí)間通過(guò)單位映流面積的潮流能量。平均能流密度P計(jì)算公式為：

(2)

式中：v為t時(shí)刻的流速(m/s)；T為評(píng)估周期；ρ為海水密度，這里取常數(shù)1 025 kg/m3。

依據(jù)式(2)，對(duì)山東海域平均能流密度進(jìn)行計(jì)算，再統(tǒng)計(jì)分析得到山東海域年平均能流密度，圖9為平均能流密度分布。

圖9 平均能流密度分布

總的來(lái)看，能流密度分布與流速的分布相似。渤海海峽諸水道能流密度最大，可達(dá)600 W/m2；其次為成山角海域，能流密度可達(dá)500 W/m2；再次為三山子島附近(山東半島南部)、黃河口海域以及膠州灣口，能流密度可達(dá)120 W/m2。

2.4 重點(diǎn)區(qū)域的選取

根據(jù)前面計(jì)算的潮流特征和年平均能流密度的分布情況，將最大可能流速大于1.0 m/s的區(qū)域標(biāo)記出來(lái)，便于更清晰地討論(圖10)。選取渤海海峽各水道、成山頭附近、三山水道、黃河口附近、膠州灣口、瑯琊附近和嵐山附近等多個(gè)區(qū)域作為重點(diǎn)研究區(qū)域，并選取了重點(diǎn)區(qū)域中13個(gè)能流密度較大的斷面，根據(jù)流速數(shù)據(jù)計(jì)算出最大垂向平均流速點(diǎn)的位置和角度[8](表1)。

圖10 代表區(qū)域分布

水道出現(xiàn)最大流速點(diǎn)的位置經(jīng)度E°緯度N°最大流速角度/(°)截面角度/(°)平均能流密度/(W·m-2)成山角12267593742801076176536三山水道122306336823691515183登州水道120752637887222031303435長(zhǎng)山水道120715737991797171297大欽水道120794538280827181818308小欽水道120854138348733392439342北隍城北120926838403230062106279北砣磯水道12074333820871003103218南砣磯水道12077003815001156256654膠州灣口120280036030028321932118黃河口1193200376400445134591瑯琊119910035620021951295113嵐山11937003508002157125786

2.5 潮流能蘊(yùn)藏量及理論可開(kāi)發(fā)量

潮流能蘊(yùn)藏量是通過(guò)某個(gè)截面的潮流能量[8]。理論計(jì)算公式為：

式中：P是指周期T內(nèi)潮流能的平均功率；t初始時(shí)刻，T為評(píng)估周期，取一年；L水道寬度；H水深，ρ為海水密度，取1 025 kg/m3。

本文在垂向平均流速最大的地方設(shè)置斷面，斷面方向與潮流橢圓的主軸方向垂直。對(duì)于潮流能理論可開(kāi)發(fā)量的計(jì)算選用Flux法[9]，有效影響因子(SIF)取值參考美國(guó)電力研究協(xié)會(huì)[10]在進(jìn)行潮流能評(píng)估時(shí)的SIF取值取為15%進(jìn)行計(jì)算。

依據(jù)能流密度分布情況，我們選取了重點(diǎn)區(qū)域中13個(gè)能流密度較大的斷面，這些斷面潮流能蘊(yùn)藏量較大，經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到這13個(gè)斷面的潮流能蘊(yùn)藏量、可開(kāi)發(fā)潮流能功率及資源類(lèi)別(表2)。

表2 山東省潮流能蘊(yùn)藏量分布

其中，資源類(lèi)別依據(jù)最大流速(vm)劃分，一類(lèi)資源區(qū)vm≥3.06 m/s；二類(lèi)資源區(qū)2.04≤vm<3.06 m/s；三類(lèi)資源區(qū)1.28≤vm<2.04 m/s。根據(jù)結(jié)果對(duì)這13個(gè)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行了資源類(lèi)別的統(tǒng)計(jì)(表3)。

表3 山東省重點(diǎn)區(qū)域潮流能資源類(lèi)別統(tǒng)計(jì)

從表2和表3中可以看出，山東省潮流能資源儲(chǔ)量較為豐富，總和為1 202.9 MW。其中，成山角、登州水道、長(zhǎng)山水道、大欽水道、小欽水道、北隍城北側(cè)6個(gè)區(qū)域?qū)儆诙?lèi)資源區(qū)；三山子水道、南砣磯水道、北砣磯水道、膠州灣口、黃河口、瑯琊、嵐山7個(gè)區(qū)域?qū)儆谌?lèi)資源區(qū)。

渤海海峽諸水道蘊(yùn)藏量最為豐富，北隍城北側(cè)、北砣磯水道和登州水道潮流能蘊(yùn)藏量分別為533.2 MW、135.5 MW和96.7 MW，再加上長(zhǎng)山水道、南砣磯水道、大欽水道和小欽水道的蘊(yùn)藏量，使得渤海海峽諸水道潮流能資源儲(chǔ)量達(dá)914.2 MW，占山東省潮流能總資源儲(chǔ)量的76%。成山角斷面潮流能蘊(yùn)藏量為190.3 MW，占山東省潮流能總資源儲(chǔ)量的16%。其他幾個(gè)斷面潮流能蘊(yùn)藏量較小，其和僅為98.4 MW，占山東省潮流能總資源儲(chǔ)量的8%。

3 結(jié)論

本文基于水動(dòng)力模型SELFE，對(duì)山東省海域進(jìn)行了高精度的數(shù)值模擬，很好地重現(xiàn)了該海域潮汐潮流的特征。有效地解決了實(shí)測(cè)資料稀缺的問(wèn)題，是一種有效地潮流能資源評(píng)估的方法。

山東海域年平均能流密度分布與流速的分布相似。渤海海峽諸水道能流密度最大，可達(dá)600 W/m2；其次為成山角海域，能流密度可達(dá)500 W/m2；再次為三山子島附近(山東半島南部)、黃河口海域以及膠州灣口，能流密度可達(dá)120 W/m2。

本文選取了13個(gè)能流密度較大的重點(diǎn)斷面，對(duì)山東省潮流能資源進(jìn)行評(píng)估。得到結(jié)論如下：

山東省潮流能蘊(yùn)藏量總量為1 202.9 MW，在全國(guó)各省、市、自治區(qū)排名第4，其中，渤海海峽諸水道蘊(yùn)藏量最為豐富，北隍城北側(cè)、北砣磯水道和登州水道潮流能蘊(yùn)藏量分別為533.2 MW、135.5 MW和96.7 MW，再加上長(zhǎng)山水道、南砣磯水道、大欽水道和小欽水道的蘊(yùn)藏量，使得渤海海峽諸水道潮流能資源儲(chǔ)量達(dá)914.2 MW，占山東省潮流能總資源儲(chǔ)量的76%。成山角斷面潮流能蘊(yùn)藏量為190.3 MW，占山東省潮流能總資源儲(chǔ)量的16%。

推薦開(kāi)發(fā)潮流能的海域?yàn)椴澈：{諸水道和成山角海域。渤海海峽諸水道自然條件較好，尤其是北隍城北側(cè)能流密度高、截面寬、儲(chǔ)量大、潮差較小、冬季不結(jié)冰，而且這些區(qū)域附近存在很多海島，這些都很有利于開(kāi)發(fā)利用，是最具有開(kāi)發(fā)價(jià)值的海域。

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Tidal Current Energy Resource Assessment in Offshore of Shandong Province

LI Cheng，GAO Jia，LI Wenshan，LI Huan，CAI Renhan，YANG Yi

(National Marine Data and Information Service，Tianjin 300171，China)

Tides and tidal currents simulation during 2012—2013 was constructed to explore the tidal current energy in offshore of Shandong Province，by using the three-dimensional ocean model Semi-implicit Eulerian-Lagrangian finite-element model for cross-scale ocean circulation(SELFE)，which is based on the unstructed，variable resolution triangular mesh system.The validation results show that the model is accurate and robust comparing with the observations.According to the statistics of the simulation results，the larger mean flow velocity，maximum velocity and the maximum probable velocity all occur mainly at the channels in Bohai Strait and Chengshantou Area，which is similar to the tidal current energy flux density distribution.The average tidal current energy flux density at channels in Bohai Strait and Chengshantou area is about 600 W/m2and 500 W/m2respectively.Thirteen vertical sections with larger tidal current energy flux density were analyzed to assess that the total tidal current energy in offshore of Shandong Province.The results show that the tidal energy resource in Shandong is abundant with the total number of 1 202.91 MW，at the forth place in China.The tidal energy at the channels in Bohai Strait is 914.2 MW，76% of the total energy；and the tidal energy at Chengshantou area is 190.3 MW，16% of the total energy.Combined with the natural environment，the channels in Bohai Strait (especially Beihuangcheng northern area) and Chengshantou area are the recommended areas to exploit the tidal current energy.

Offshore of Shandong Province，Tidal current energy，Numeric simulation

2016-06-31；

2016-11-30

海洋公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(201505018-2)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAB12B02)；天津市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(14ZCZDSF00012).

李程，助工，碩士，研究方向?yàn)闇\海動(dòng)力學(xué)研究，電子信箱：licheng_ouc@163.com

高佳，博士，研究方向?yàn)闇\海動(dòng)力學(xué)研究，電子信箱：gaojia109@163.com

P731.2

A

1005-9857(2017)01-0075-06