彭 偉，荀有為，張繼生，董國海

(1.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧大連116024；2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京210098)

隨著三沙市的設(shè)立、“海洋強(qiáng)國”以及21世紀(jì)“海上絲綢之路”建設(shè)戰(zhàn)略的提出，我國南海海域的建設(shè)和發(fā)展受到了廣泛的關(guān)注。但在遠(yuǎn)離陸地、自然環(huán)境惡劣的南海諸島進(jìn)行建設(shè)與開發(fā)受到諸多因素的限制，第一位的便是能源問題。以永興島為例，其距離三亞約340 km，目前島上供電主要依靠柴油機(jī)和光伏發(fā)電，僅初步解決了島上居民用電的問題，缺電缺水仍是海島居民面臨的一大難題。同時，從持續(xù)發(fā)展和戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)的角度來看，隨著永興島的不斷建設(shè)和發(fā)展，現(xiàn)有供電設(shè)施必然難以滿足島內(nèi)日益增加的用電需求。

根據(jù)國家海洋局908專項《我國近海海洋綜合調(diào)查與評價》調(diào)查報告[1]，海南省西沙群島等南海諸島附近波浪較大，波能流密度較高，技術(shù)可開發(fā)裝機(jī)容量約為4.2×106kW，是我國波浪能資源開發(fā)條件較好的地區(qū)之一。由此，在西沙永興島海域進(jìn)行波浪能資源開發(fā)利用是完善三沙市能源結(jié)構(gòu)體系、提升其發(fā)電能力的重要舉措，具有重大意義。然而，目前針對西沙永興島這類遠(yuǎn)海島礁的能源供給方案仍在探索之中，目前已經(jīng)公開發(fā)表的永興島能源現(xiàn)狀文獻(xiàn)較少，尚未見針對永興島波浪能資源評估相關(guān)的公開資料。由此，本文針對永興島產(chǎn)業(yè)及其能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查和分析，討論其經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展所存在的能源問題。進(jìn)一步地，論述永興島波浪能資源的突出優(yōu)勢和開發(fā)利用的廣闊前景，并采用數(shù)值模型對永興島波浪能資源進(jìn)行初步的計算評估，為相關(guān)工程和技術(shù)開發(fā)提供數(shù)據(jù)參考。

1 永興島能源現(xiàn)狀及主要問題

永興島作為三沙市政府所在地，是西沙、南沙、中沙三個群島的政治、軍事、經(jīng)濟(jì)中心，在南海的戰(zhàn)略地位十分重要。2012年7月，三沙市正式掛牌成立，同年8月，南方電網(wǎng)三沙供電局成立。然而，盡管島上能源供應(yīng)現(xiàn)狀比起三沙建市前已經(jīng)有了很大的改善，還是存在著很大的隱患，現(xiàn)有的能源供應(yīng)系統(tǒng)難以滿足永興島、三沙市未來的跨越式發(fā)展。

目前來看，永興島能源供應(yīng)主要存在兩方面問題。首先，在能源總量方面，根據(jù)現(xiàn)有資料估算全島發(fā)電總裝機(jī)容量約為3 000 kW，日發(fā)電量可滿足900戶居民1 500個島民使用，基本滿足生產(chǎn)生活需求。但根據(jù)永興島規(guī)劃，漁業(yè)以及未來的旅游業(yè)將是島上的支柱產(chǎn)業(yè)。隨著漁業(yè)不斷發(fā)展，必將對冷庫容量、制冰能力提出更高的要求，對電能供應(yīng)能力也將是巨大的考驗。根據(jù)有關(guān)資料，西沙開發(fā)開放后永興島對電力的總體需求預(yù)計至少應(yīng)在5 000 kW以上。其次，島上現(xiàn)有的主要發(fā)電方式(柴油機(jī)組以及光伏)存在不少固有弊端，在海島環(huán)境存在“水土不服”的現(xiàn)象。對于柴油機(jī)組，其主要缺點有：①燃料成本高；②需定時切換；③環(huán)境污染嚴(yán)重；④機(jī)組自身散熱較高；⑤燃料存放的安全和污染隱患。對于光伏發(fā)電，其缺點包括：①間歇性工作，不連續(xù)；②系統(tǒng)成本高；③占地面積大；④“高溫、高濕、高鹽霧”環(huán)境下易受腐蝕；⑤安裝位置高，易受臺風(fēng)影響。

2 永興島波浪能資源分析

永興島所處的西沙海域是我國波浪能資源開發(fā)條件較好的地區(qū)之一，根據(jù)鄭崇偉和李訓(xùn)強(qiáng)[2]的計算資料，我國南海波浪能年均值約4～20 kW/m，且大部分海域能流密度變異系數(shù)在0.4以內(nèi)，穩(wěn)定性較好，利于開發(fā)利用。因而，在永興島海域開發(fā)波浪能資源，用于補(bǔ)充島上的能源供應(yīng)是一個前景較為樂觀的思路，本節(jié)將對永興島波浪能資源進(jìn)行初步評估和計算。

2.1 波浪數(shù)學(xué)模型

本文波浪能資源評估數(shù)學(xué)模型采用TOMAWAC波浪模型[3，4]，該模型是在總結(jié)歷年來波浪能量輸入、損耗及轉(zhuǎn)換的研究成果的基礎(chǔ)上提出并發(fā)展的，模型全面合理地考慮了波浪淺化、折射、繞射、反射、底摩擦、破碎、白浪、風(fēng)能輸入以及波浪非線性效應(yīng)。TOMAWAC以二維動譜密度表示隨機(jī)波，動譜密度N(σ，θ)與能譜密度E(σ，θ)之間關(guān)系為N(σ，θ)=E(σ，θ)/σ。

在笛卡爾坐標(biāo)系下，動譜平衡方程可表示為

(1)

式中，N為動譜密度；C為系數(shù)；σ為頻率；θ為角度；方程左邊第二和第三項表示動譜密度在地理坐標(biāo)空間x、y方向上的傳播；第四項表示由于流場和水深所引起的動譜密度在相對頻率σ空間的變化；第五項表示動譜密度在譜分布方向θ空間的傳播，亦即水深及流場而引起的折射；方程右邊的S代表以譜密度表示的源匯項，包括風(fēng)能輸入、白浪、破碎、海底摩擦、波—波非線性相互作用等物理過程。TOMAWAC波浪模型對能量輸入、耗散和非線性波波相互作用等物理過程都進(jìn)行了相應(yīng)的處理和模擬，具體方法參見文獻(xiàn)[4]。

2.2 數(shù)值模型的建立與驗證

本文波浪數(shù)據(jù)庫基于波浪譜模型TOMAWAC的計算結(jié)果，風(fēng)場采用CFSR&CFSV2再分析風(fēng)場，模擬地形采用GEBCO全球高分辨率水深數(shù)據(jù)，計算模型采用非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分和計算步長等計算參數(shù)請見文獻(xiàn)[4]。值得注意的是，在本文的模型計算中，鑒于永興島周圍高分辨率地形資料較難獲得，本論文僅在大尺度網(wǎng)格下進(jìn)行計算，波浪能資源的計算和評估也是基于大尺度模型計算的結(jié)果，整體評估結(jié)果對比實際情況會有一定的偏差，但也具有一定的參考意義。更高精度的永興島局部網(wǎng)格加密模擬計算無疑是更有吸引力的，在后續(xù)的研究中，也是作者要努力收集資料、計算分析的重點。模型計算結(jié)果可采用中國近海波浪觀測站數(shù)據(jù)資料進(jìn)行驗證，例如海南島附近海域東方站、廣西潿洲島測站和福建平潭測站等，詳細(xì)的模型驗證過程見文獻(xiàn)[4]。

2.3 永興島波浪能資源數(shù)值評估

本文對永興島附近海域1997年～2016年20年間的波浪場進(jìn)行模擬計算，對各個月份波浪的有效波高、波向和平均周期資料進(jìn)行整理分析，提取以上參數(shù)的月均值，繪制成圖1和圖2。圖中，三角形代表20年同一個月的參數(shù)月均值的平均，正方形和圓形分別代表20年各個月的參數(shù)月均值的最大值和最小值。以圖1中的1月份為例，1月份的有效波高月均值的最大值出現(xiàn)在2009年，約為3 m，而最小值出現(xiàn)在2011年，約為1.35 m。由圖1可知，月平均有效波高在0.72～3.74 m之間，變化幅度較大，從10月份到次年的2月份，各年間月平均有效波高變動尤為劇烈，有效波高年間相同月的均值在2.0 m以上。與之相對地，4月到8月間，各年間月平均有效波高變動相對較小，同時有效波高的年間均值也較小，在1.0 m左右。這一特點說明對永興島附近海域來說，4月到8月的海上波浪條件較為平和，有利于海上作業(yè)以及其他生產(chǎn)活動。由圖2可知，月平均周期在4.35～8.65 s之間，變動范圍隨月份的不同有所變化，總體的變動趨勢和有效波高類似，在秋冬季節(jié)平均周期較大，在5、6月份，平均周期最小。相對我國近海的平均周期(5 s左右)來說，永興島附近海域的平均周期更長，這是因為永興島遠(yuǎn)離大陸深入大洋，波浪受地形影響較小，波浪衰減也較少，波周期受大洋傳播來的長周期波浪影響較大。

圖1 永興島附近海域月均有效波高變化

圖2 永興島附近海域月均平均周期變化

進(jìn)一步地，考慮到波高-周期之間的聯(lián)合分布規(guī)律對于波能轉(zhuǎn)化裝置的選型及錨泊系統(tǒng)的設(shè)計都具有一定的工程價值，本文研究了永興島附近海域HS-Tm的相關(guān)分布關(guān)系，并統(tǒng)計了波浪的方向性分布，通過對上述分布的研究，明確了目標(biāo)海域波高、周期的集中分布范圍及波向隨季節(jié)變化的規(guī)律。首先，考慮有效波高-平均周期間的聯(lián)合分布，計算各個波高、周期范圍的波浪出現(xiàn)的頻率，結(jié)果如圖3所示。其中，橫坐標(biāo)為平均周期，縱坐標(biāo)為有效波高，圖中的數(shù)字代表相應(yīng)波浪在整個波浪序列中所占的百分?jǐn)?shù)(%)。以圖中橫坐標(biāo)為5，縱坐標(biāo)為1.0對應(yīng)的12.62為例，其表示平均周期在4.5～5.5 s之間，同時有效波高在0.5～1.0 m之間的波浪在20年間所有波浪中占的比例是12.62%。由圖3可知，平均周期4.5～7.5 s，有效波高0.5～1.5 m之間的波浪所占百分比最高，約為20年全體波序列的60%。該圖能夠直觀地給出不同的波浪在全體波浪序列中的百分比，根據(jù)該表可以得出目標(biāo)海域波浪組成的基本特性，明確各波級及周期段波浪在該海域的出現(xiàn)頻率，可為波能發(fā)電場建設(shè)提供相關(guān)荷載依據(jù)。其次，圖4表示了春、夏、秋、冬四個季節(jié)波浪的有效波高和波向的分布規(guī)律，其中波向定義為來波的方向，同時還給出了各個波高范圍的波浪在各個季節(jié)全體波浪序列中的百分比。由該波浪玫瑰圖4可以看出，在波浪能資源較為豐富的秋冬季節(jié)，永興島海域受東北季風(fēng)影響顯著，NE～ENE方向波浪所占比重較大，超過70%；夏季則受反方向的季風(fēng)影響，S～SSW方向波浪所占比重達(dá)到62%。由圖4中波高分布占比數(shù)據(jù)也可以看出，秋冬季有效波高較高的波浪要明顯多于春夏兩季，這和前面的月均有效波高的討論結(jié)果是相一致的。從全年的波浪資料來看，永興島附近海域常浪向為ENE，20年資料中ENE波向占比36.1%，次浪向為NE，占比17.7%，第三位是SSW向，占比為13.9%。因此，從波向來看，永興島附近海域來波方向較為集中，為NE～ENE方向，SSW向波浪雖然占比不小，但是有效波高較小，可以判斷永興島附近海域大波方向較為一致，有利于波浪能的收集和開發(fā)。

圖3 有效波高HS與平均周期Tm的聯(lián)合分布

圖4 永興島附近海域各季節(jié)有效波高及波向分布的玫瑰示意

最后，對永興島附近海域的波能流密度進(jìn)行統(tǒng)計分析。本文采用美國EPRI (Electric Power Research Institute)波浪能公式對永興島附近海域波能流密度進(jìn)行評估[5]。單寬波峰的波能流計算公式為

(2)

式中，HS為1/3大波平均值；TP為譜峰周期，TP=1.2×Tm，其中,Tm為平均周期。

圖5 永興島附近海域月均波能流密度

根據(jù)數(shù)值模擬計算20年波浪資料得到有效波高和平均周期，進(jìn)而應(yīng)用公式(2)計算波能流密度。進(jìn)一步地，可以分析各年相同月份的波能流密度的變化，也可以計算月均波能流密度，結(jié)果如圖5所示。由圖5可見，永興島附近海域秋冬季受季風(fēng)的影響，是波能最為豐富的季節(jié)，波能流密度遠(yuǎn)高于春夏兩季。月均波能流密度最大值出現(xiàn)在12月，其年間月均波能流密度的平均值可達(dá)34.9 kW/m，而最小值出現(xiàn)在4月，為3.53 kW/m。同時，4月波能流密度年間變化較小，說明此時間段比較適合波浪能裝置的海上安裝和施工，而10月份到次年的1月份，波能流密度變化較大，從安全的角度考慮，不利于裝置的安裝、測試和維護(hù)。進(jìn)一步地，利用圖中數(shù)據(jù)可以計算20年的波能流密度年均值，約為14.6 kW/m，對比我國大陸沿岸2～7 kW/m的波能流密度來說[1]，永興島附近海域在波浪能資源密度上處于相對較高的水平。

另外，在波浪能資源密度的評估分析中，不同能級出現(xiàn)的頻率是衡量波浪能資源豐富與否的一個重要指標(biāo)。一般來說，能流密度大于2 kW/m時便可判斷為波浪能資源可以利用，而能流密度大于20 kW/m的海域便可認(rèn)定為波浪能資源的富集區(qū)，例如歐洲的北海海域[2]。由此，針對永興島附近海域1997年1月～2016年12月波浪模擬的結(jié)果，對該區(qū)域的波能流密度進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到波能流密度的頻率累計曲線如圖6所示。由圖6可見，該位置處的波能流密度主要集中在 0.5～120 kW/m 的范圍，其中1～20 kW/m 最為集中，20年間約有75%的時間波能流密度大于2 kW/m，約有15%的時間波能流密度大于20 kW/m。由此可知，永興島附近海域波浪能資源較為豐富，時空分布特征有利于波浪能的開發(fā)和利用，為永興島的開發(fā)提供了潛在的清潔能源來源。

圖6 波能流密度頻率累計曲線

3 結(jié)論與展望

本文以西沙群島中的永興島為研究目標(biāo)，分析了其當(dāng)下能源供給的現(xiàn)狀及存在的問題，對永興島附近海域可供開發(fā)的海洋可再生能源從儲量、開發(fā)難易程度方面進(jìn)行了比較分析。更重要地，采用TOMAWAC波浪模型對包含永興島在內(nèi)的大范圍海域進(jìn)行了波浪模擬研究，利用模擬計算數(shù)據(jù)對永興島附近海域的波浪條件和波浪能分布規(guī)律進(jìn)行分析，結(jié)論如下:

(1)永興島附近海域的波浪呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性分布，冬季的有效波高及平均周期都較大，而夏季則較小。有效波高月平均值分布在0.72～3.74 m之間，平均周期的月平均值分布在4.35～8.65 s之間，二者在秋冬季年間變化波動較大，夏季相對穩(wěn)定，這一特點可以為保障海上作業(yè)以及其他生產(chǎn)活動的安全提供參考。

(2)考慮波高-周期之間的聯(lián)合分布，結(jié)果表明平均周期4.5～7.5 s，有效波高0.5～1.5 m之間的波浪所占百分比最高，約為20年全體波序列的60%。而從波向上來看，永興島附近海域常浪向為NE～ENE，20年資料中占比53.8%，且有效波高較高，因此可以判斷永興島附近海域大波方向較為一致，有利于波浪能的收集和開發(fā)。

(3)永興島附近海域波能流密度20年均值為14.6 kW/m，秋冬季受季風(fēng)的影響，是波能最為豐富的季節(jié)，波能流密度遠(yuǎn)高于春夏兩季。根據(jù)波能流密度頻率累計曲線可知，20年間約有75%的時間波能流密度大于2 kW/m，約有15%的時間波能流密度大于20 kW/m。由此可知永興島附近海域蘊藏著較為豐富的、適宜開發(fā)的波浪能資源，而夏季由于波浪能流密度較低且穩(wěn)定，是進(jìn)行海上施工、設(shè)備安裝和測試較好的時間窗口。