潮流能资源是一种很大程度上未被开发利用的可再生能源之一,在所有可再生能源当中,其具有较高的能量密度。据估算,我国东海沿岸潮流能理论平均功率为11. 0 GW,占全国总量的78. 6%;黄海沿岸潮流能理论平均功率为2. 3 GW,占全国总量的16. 5%;南海沿岸理论平均功率0. 68 GW,占全国总量的4. 9%[1]。
20世纪70年代以来,许多沿海发达国家积极开展了潮流能开发利用的研究,在潮流能转换装置方面取得了重大进展。当前,潮流能转换装置种类繁多,形式多样,主要包括水平轴式、垂直轴式、振荡水翼式、套管叶轮式等潮流能转换装置。经过40多年的研究和发展,目前研究的重点仍然主要放在潮流能转换装置的设计与改进上。
舟山海域蕴藏着丰富的潮流能资源,浙江省潮流能资源有54. 0%集中在舟山海域[2],特别是金塘水道、西堠门水道和龟山航门等均为全国潮流能功率密度最大的地区。
潮流特性和潮流能资源水平是设计与改进潮流能转换装置的基础,也是潮流能开发利用及选址的重要依据。要利用潮流能发电,在选择和安放潮流能转换装置之前,就需要了解可能安装潮流能转换装置海域的潮流特性和潮流能资源水平,并对该海域潮流能资源进行初步估算,这样才能对潮流能电站的可行性和经济性进行评估。文献[3]分别利用5个测点和8个测点的连续26 h实测潮流资料对高亭水道和灌门水道的潮流能进行了估算。文献[4]采用二维数值模拟方法对杭州湾海域的潮流进行了模拟,得到杭州湾海域潮流能资源理论蕴藏量约3. 59 GW。文献[5]在利用实测资料验证模型的基础上,对舟山海域的潮流能进行估算和分析,得到舟山海域重要水道潮流能资源理论蕴藏总量约为1. 4 GW。
本文基于上述背景,采用国际通用的MIKE 21 Flow Model_FM HD模块搭建包括杭州湾在内的整个舟山海域水动力模型,并利用实测资料验证模型,然后计算2014年舟山海域的潮流场。统计出舟山海域的潮流能平均功率密度和空间分布特征,并计算潮流能资源理论蕴藏量,对舟山海域潮流能开发利用具有一定的参考价值。
采用MIKE 21 Flow Model_FM HD模块搭建二维潮流数学模型。该模型采用的潮流控制方程为垂向平均的二维浅水方程[6]
式中:t表示时间;x,y为Cartesian坐标系;η为水位;h为总水深,表达式为h=η+ d,d为静水深; 
分别为沿水深平均的x和y方向上速度分量,表达式分别为
;f为科氏力参数,表达式为f= 2Ωsinϕ,其中,Ω为地球自转角速率,取值为0. 729×10- 4 s- 1,ϕ为地理纬度;g为地球重力加速度;ρ为水的密度;ρ0为水的参考密度;τsx,τsy为风应力分量;τbx,τby为底部应力分量;s xx,s x y,s yx,s yy为辐射应力分量;p a为当地大气压;S为源汇项;u s,v s为源汇项的水流速度分量; T xx, T xy,T yx,T yy为横向应力分量,表达式分别为
,T xx= 2A 
,A为水平涡流粘度系数。
计算范围包括整个杭州湾海域,北至长江口,南至三门湾,东至124°E,南北长约330 km,东西宽约370 km,有北、东、南3个开边界,水深统一至平均海平面。模型网格逐层加密,研究区域外网格尺寸较大,单元格边长约10 000 m,研究区域网格较密,单元格边长约1 000 m,模型网格节点数为41 123个,单元总数为73 299个。计算范围、网格划分及地形如图1所示。
北、东、南3个开边界根据MIKE 21全球潮汐模型提供的调和常数生成东边界处的外海潮位过程;闭边界处法向流速为零。
模型的初始条件可表示为
式中:η0(x,y,t 0)表示初始时刻潮位;u 0(x,y,t 0) 和v 0(x,y,t 0)表示初始时刻流速。计算时,初值均取零。
计算海域的糙率是个综合影响因素,是数值计算中十分重要的参数,与当地的水深、床面形态及植被条件等因素有关。本模型选用曼宁糙率系数,根据各海域的不同特点,不同区域取不同的值,岸边潮间带取0. 015~ 0. 025,外海取0. 012~ 0. 013。时间步长取为0. 01~ 60 s。
为了保证模型的精度,特收集涵盖整个研究区域的潮位与潮流测点,具体点位见图2,测点信息分别见表1和表2。利用研究区域9个临时潮位站的实测潮位资料对模型计算得到的潮位进行率定,潮位验证见图3。利用研究区域15个潮流测点的实测潮流资料对模型计算得到的潮流进行率定,流速流向验证见图4和图5。
从潮位验证结果来看,大、小潮各潮位站计算值与实测值基本一致,计算与实测的高、低潮位出现的时间基本一致。从流速、流向验证结果来看,各个测点流速和流向计算值与实测值吻合较好,相位偏差较小,流速过程与现场观测值基本一致,总体来看,潮位、流速和流向验证结果良好。
总的来说,无论潮位、流速和流向,模型计算值与实测值基本一致,因此,可以认为模型计算结果是合理的,模拟的潮流场反映了研究海域的潮流运动特征。
舟山海域岛屿众多,水深变化复杂。外海潮波在传播过程中,波形和结构不断发生变化,潮波振幅急剧增大,波形畸变,波峰前坡陡直、后坡平缓。大部分海区属非正规半日浅海潮流。
舟山海域涨落潮流受地形制约明显,岛屿间水道潮流流速较大,流向大致与水道走向平行,以往复流为主,在较宽阔的水道或水域则存在旋转流。由图5可见,涨潮时,潮流由镇海-舟山、舟山-岱山、岱山-大衢山、大衢山-泗礁山以及泗礁山-绿华山等岛屿之间的5条水道进入杭州湾;落潮时,出自钱塘江河口由西往东的落潮流过庵东断面后,大部分流向东南,有一小股向东后顺杭州湾北岸深槽向东北流向湾口,至上海市南海岸附近转为正东向,最后受长江口落潮流裹挟亦流向东南。
总体上看,潮流的强弱与潮波的振幅的大小相对应,故潮差大的水域,通常潮流流速也大。另外,潮流运动受地形影响很大,一些水道、岛屿和湾口处,虽然潮差不大,但因流量集中,流速也很强,如金塘、西堠门、龟山等水道局部流速均可达2. 5 m/s以上。
潮流能功率密度与海水密度和流速的立方成正比,即
式中:P为潮流能功率密度,k W/m2;ρ为海水密度,kg/m3;v为潮流流速,m/s。
模型计算结果选择半小时记录一次,计算得到逐半小时流场,据此换算成相应时刻的潮流能功率密度,最后取平均得到潮流能年平均功率密度分布图(图6)。由图6可见,潮流能年平均功率密度分布与流场分布较为一致,开敞海域潮流能年平均功率密度普遍小于2. 00 k W/m2。流速大的水道的潮流能年平均功率密度也大,如西堠门水道的年平均功率密度约为2. 67 k W/m2,龟山航门的年平均功率密度约为4. 51 k W/m2。
基于Flux方法[7],潮流能资源理论蕴藏量P total按下式计算
式中:P total为潮流能理论平均功率,k W;P m为潮流能平均功率密度,k W/m2;A为水道断面面积,m2。
舟山海域的潮流能资源丰富,为了全面了解舟山海域的潮流能资源理论蕴藏量,结合舟山市的行政区划范围,基于已掌握的水深地形资料以及潮流能功率密度分布特征,根据能量守恒原理,在避免重复统计的要求下,选取包括典型水道在内的若干特征断面(图6和表3)并计算其潮流能资源理论蕴藏量,其中,断面7潮流能年平均功率密度可达17. 25 k W/m2,理论蕴藏量为64. 8万k W。将各个断面的潮流能资源理论蕴藏量加总即得舟山海域潮流能资源理论蕴藏量约为250万k W。
需要特别指出的是,在排除重复统计的情况下,由于潮波在传播过程中势能和动能不断转化,潮流能资源理论蕴藏量与选取的断面位置有关,本次计算结果仅代表文中所选取的10个断面上的潮流能资源理论蕴藏量之和。
(1)建立了包括舟山海域在内的大范围潮流数学模型,利用实测潮流资料对模拟结果进行了验证,潮位、流速和流向的计算值与实测值吻合良好,说明本模型计算结果合理可信,能够较准确地模拟舟山及附近海域潮流分布特征。
(2)模拟计算2014年舟山海域的潮流场,统计出舟山海域的潮流能平均功率密度和空间分布特征,选取包括典型水道在内的若干特征断面并计算其潮流能资源理论蕴藏量,最终估算得到舟山海域潮流能资源理论蕴藏量约为250万k W。
(3)舟山海域潮流通道多、水深条件好、资源丰富,是开发潮流能的理想海域。
以上研究成果对舟山海域潮流能开发利用具有一定的参考价值。
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