韓 志，唐志波，丁廣佳，姜云鵬，龔希武，王晉寶

（1.浙江海洋學(xué)院，舟山 316004；2.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室,天津 300456）

杭州灣潮流能資源儲量估算

韓 志1，唐志波1，丁廣佳2，姜云鵬2，龔希武1，王晉寶1

（1.浙江海洋學(xué)院，舟山 316004；2.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室,天津 300456）

采用二維數(shù)值模擬方法對杭州灣海域的潮流進行了模擬，得到了杭州灣海域潮流流速的分布特征。在此基礎(chǔ)上對杭州灣海域的潮流能儲量進行估算，得到杭州灣海域潮流能儲量約3.59 GW。從數(shù)值模擬的結(jié)果可以看出，杭州灣口的金塘水道、龜山航門等通道內(nèi)水深、流急，潮流能密度較大，是潮流能開發(fā)的理想海域，通過對這幾個通道進行計算，預(yù)計可開發(fā)量約700 MW。

潮流能；能流密度；數(shù)值模擬；杭州灣

Biography：HAN Zhi（1983-），male，lecturer.

在全球經(jīng)濟飛速發(fā)展的今天，能源已經(jīng)成為人們?nèi)找骊P(guān)注的焦點，因為能源是驅(qū)動人類社會發(fā)展的原動力。地球表面71%的面積被海洋覆蓋，其所蘊含的各種能源非常豐富，并且海洋能是清潔的可再生能源，開發(fā)和利用海洋能對緩解能源危機和降低環(huán)境污染具有重要的意義。

海水在地球以外天體（主要是太陽和月球）的引力作用下周期性的運動，其中海洋表面在引力作用下周期性的升高降低稱為潮汐，而利用水位變化引起的位能稱為潮汐能；由上述引力導(dǎo)致的海水有規(guī)律的流動稱為潮流，其具有的動能稱為潮流能。

潮汐能的開發(fā)利用時間較早，20世紀(jì)初德國、法國已經(jīng)開始研究潮汐發(fā)電，其中比較著名的是1967年建成的法國朗斯可口潮汐電站，該電站總裝機容量240 MW，年均發(fā)電量544 GW·h，目前全世界建成運行、在建以及研究設(shè)計階段的潮汐電站有100多座。我國大陸海岸線長約18 000 km，據(jù)全國沿海普查資料統(tǒng)計，全國有近200個海灣、河口，可開發(fā)潮汐能年總發(fā)電量可達(dá)60 TW·h，裝機總?cè)萘靠蛇_(dá)20 GW。從調(diào)查資料可以看出，潮汐能電站的潛力巨大，但是由于建設(shè)潮汐電站需要筑壩蓄水，其對電站周邊的海洋環(huán)境及生態(tài)環(huán)境影響巨大，這也是為什么近年來少有潮汐電站在建，一些大型潮汐電站也只處于設(shè)計和前期科研階段。

潮流能主要是利用海水水平運動所具有的動能，在海灣灣口、島嶼之間的水道等海域，流速往往很大，是潮流能開發(fā)的重點區(qū)域。與潮汐電站相比，潮流能的開發(fā)不需要筑壩，對海洋環(huán)境影響小；潮流能開發(fā)裝置可安裝在海底或漂浮在海面上，不占用寶貴的土地資源等優(yōu)點。因此，從20世紀(jì)70年代開始，潮流發(fā)電的研究發(fā)展迅速，目前很多國家都在研制潮流能開發(fā)裝置，已經(jīng)有多種原型機模型問世，并且已經(jīng)有成功并網(wǎng)發(fā)電的經(jīng)驗。

我國各海區(qū)潮流能分布，東海最強，主要分布在長江口至舟山海域，渤海和黃海次之，其中渤海主要為遼東半島老鐵山水道，黃海主要分布在江蘇斗龍港至小洋口一帶，南海沿岸最弱，主要分布在臺灣海峽、瓊州海峽附近［1-4］。根據(jù)1989年《全國沿岸農(nóng)村海洋能資源區(qū)劃》，東海沿岸理論平均功率為11 GW，占全國總量的78.6%，黃海沿岸平均功率2.3 GW，占全國總量的16.5%；南海沿岸平均功率0.68 GW，占全國總量的4.9%。

1 潮流能儲量估算方法

杭州灣海域是著名的強潮海域，其灣口星羅棋布的島嶼之間的通道潮流動力非常強，潮流能蘊藏量巨大，因此有必要對該海域的潮流能儲量進行估算，為潮流能的開發(fā)提供指導(dǎo)性依據(jù)。

目前國際上常用的潮流能估算方法大致可以分為2種：基于能通量的計算方法和基于動力分析的方法［5］。前者包括Farm方法和Flux方法，后者主要是Garrett和Cummins提出的方法［6-8］。在Garrett和Cummins提出的方法中，需要用到水道兩端最大水位差和最大水體通量等物理量，考慮到資料缺乏的限制，本文不對該方法做進一步介紹。由于杭州灣屬于半開敞式海灣，潮流能儲量的估算可以采用基于能通量的Flux方法對杭州灣海域的潮流能進行估算。下面對Flux方法進行介紹。

由于潮流能總是經(jīng)由某個過流面來開發(fā)利用的，因而更有意義的概念是能流密度P，其計算式為

式中：ρ為海水密度；V為潮流流速。潮流隨時間時刻改變，因此研究在某時間內(nèi)的平均值，即平均能流密度Pm更為有意義

總平均功率Ptotal為平均能流密度Pm與和潮流方向垂直的水道斷面積的A乘積

Flux方法僅需考慮潮流經(jīng)過水道的能通量和“有效影響因子”SIF（Significant Impact Factor），與設(shè)備無關(guān)?？紤]到潮流能的有效利用率，在英國Robert Gordon大學(xué)（RGU）研究的基礎(chǔ)上，Black&Veatch在2004年的報告中提出了有效影響因子SIF的概念，即在不產(chǎn)生顯著環(huán)境或經(jīng)濟影響的前提下，可供開發(fā)利用的潮能占總潮流能資源的百分比。因此，有效潮流能可表示為總平均功率與有效影響因子的乘積。

SIF的取值依賴于地點，具有不確定性，國外的研究表明該值在一般海域取10%～20%為宜。也有學(xué)者研究表明在半封閉海灣僅有一條通道與外海相連，在通道上進行潮流能開發(fā)，SIF的取值可達(dá)到30%。

圖1 杭州灣口形勢圖Fig.1 Sketch of Hangzhou Bay mouth

2 杭州灣潮流特征

歷史研究及實測資料顯示，杭州灣海域潮流受地形影響呈明顯的往復(fù)流特征，漲潮時潮流主要通過鎮(zhèn)?！凵?、舟山—岱山、岱山—大衢山、大衢山—嵊泗、嵊泗—南匯咀之間的通道進入杭州灣，落潮時又從這幾個通道流出（圖 1）。曹德明、方國洪［9］的研究表明，杭州灣海域以半日分潮為主，全日分潮在杭州灣內(nèi)分布比較均勻，最大流速均在10 cm/s左右，M2分潮最大流速在110～120 cm/s，另外灣口處的淺水分潮M4的流速與全日分潮相近，也在10 cm/s左右，圖2、圖3分別給出了杭州灣海域全日分潮和半日分潮潮流橢圓長短軸的分布情況。

3 采用數(shù)值模擬方法進行潮流能估算

圖2 杭州灣全日分潮流 橢圓長短軸分布圖

圖3 杭州灣半日分潮流（M2）橢圓長短軸分布圖Fig.3 Semidiurnal current ellipse of the Hangzhou Bay

本文利用高精度網(wǎng)格對杭州灣海域的潮流進行模擬，在此基礎(chǔ)上進行潮流能的估算，采用該方法對杭州灣海域的潮流能儲量進行估算，其結(jié)果更加合理，更加準(zhǔn)確。圖4為數(shù)值模擬研究范圍和地形圖，圖5為計算網(wǎng)格的劃分，在灣口地形復(fù)雜區(qū)域采用加密網(wǎng)格，最小單元尺度100 m左右，以保證較高精度的計算結(jié)果。

圖4 數(shù)值模擬范圍示意圖Fig.4 Domain of model

圖5 計算域網(wǎng)格劃分Fig.5 Mesh of simulation domain

通過調(diào)整模型邊界參數(shù)與實測資料進行驗證得到杭州灣海域的潮流場分布，表1給出了研究域內(nèi)10個站點（圖6）的4個主要分潮調(diào)和常數(shù)的誤差，從表1中可以看出，各站主要分潮的振幅誤差基本小于5 cm，相位誤差小于5°。此外模型還對岱山島與秀山島之間的高亭水道中5個測站（2007年12月）、秀山島與舟山本島之間的灌門水道中8個測站（2004年4月）的流速、流向進行了模擬驗證，測站位置見圖7，各站潮流流速、流向驗證結(jié)果見圖8，從驗證結(jié)果可以看出，該模型很好地模擬了杭州灣及附近海域的潮汐及潮流運動，其結(jié)果可以作為進一步研究的基礎(chǔ)。

在流場分布計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，就可以對某一斷面的潮流能進行估算，具體方法為沿計算斷面對每一個計算單元的能量進行積分式中：Ptotal為通過某一斷面的平均功率；L為斷面長度；dn為斷面上第n個單元的水深；Ln為第n個單元在斷面軸線方向上的投影長度；Vn為第n個單元的平均流速，計算時選取大、中、小潮的平均流速作為年平均流速。

圖6 潮位測站位置示意圖Fig.6 Position of tidal station

圖7 潮流觀測站位分布Fig.7 Position of tidal current observation station

表1 各站4個主要分潮調(diào)和常數(shù)誤差統(tǒng)計Tab.1 Error statistics of four principal constituents

圖8 流速、流向驗證Fig.8 Verification of current speed and direction

根據(jù)杭州灣的地形，分別對灣口5個主要潮流通道采用式（5）進行計算，得到各斷面的潮流能儲量見表2。由計算結(jié)果可知，通過杭州灣口4個主要潮流通道的潮流能儲量約為3.59 GW，潮流能資源儲量巨大。

表2 杭州灣各通道潮流能儲量Tab.2 Tidal stream energy of the Hangzhou Bay mouth

4 小結(jié)

潮流能的開發(fā)受潮流流速的限制，一般認(rèn)為最大流速小于2 m/s的海域是沒有開發(fā)價值的。因此，杭州灣口潮汐通道寬闊，水深流急，是開發(fā)潮流能的理想?yún)^(qū)域。本文在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上對杭州灣海域的潮流能儲量進行了估算，通過計算，杭州灣口鎮(zhèn)海—舟山、舟山—岱山、岱山—大衢山及大衢山—嵊泗4個主要潮流通道的潮流能儲量約為3.59 GW，占東海潮流能儲量的1/3以上，非常適合進行潮流能的開發(fā)利用。

根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究，在進行潮流能開發(fā)時應(yīng)考慮到對環(huán)境的有效影響因子（SIF），杭州灣主要通過灣口的潮汐通道與外海進行交換，因此SIF因子可取20%，按此考慮杭州灣海域可開發(fā)的潮流能資源約為700 MW。此外，潮流通道內(nèi)的流速存在平面分布上的不均勻性也會使估算結(jié)果產(chǎn)生誤差，因此在進行潮流能站址的選址前應(yīng)進一步對所選站址海域的潮流場分布進行大范圍多點觀測，使得預(yù)測的可開發(fā)量更加準(zhǔn)確，以利于站址的選擇更加科學(xué)。

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Tidal stream energy assessment of Hangzhou Bay

HAN Zhi1，TANG Zhi-bo1，DING Guang-jia2，JIANG Yun-peng2，GONG Xi-wu1，WANG Jin-bao1
（1.Zhejiang Ocean University，Zhoushan316004，China；2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，Key Laboratory of Engineering Sediment，Ministry of Transport，Tianjin300456，China）

In this paper，the tide and tidal current of Hangzhou Bay were simulated by a 2-D numerical model.Then the tidal stream energy reserves of Hangzhou Bay were assessed on the basis of the numerical simulation.The results show that the tidal stream energy reserves of Hangzhou Bay are about 3.57 GW，and the hydropower exploitation amount in the several channels of the mouth of Hangzhou Bay is about 700 MW.

tidal stream energy；stream energy density；numerical simulation；Hangzhou Bay

TV 143；O 242.1

A

1005-8443（2012）04-0303-07

2012-04-09；

2012-07-16

韓志（1983-），男，江蘇省連云港人，講師，主要從事計算流體動力學(xué)、傳熱傳質(zhì)過程研究。