王 鑫 李大鳴 白志剛 齊占輝 武 賀

(1. 天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300072； 2. 國家海洋技術(shù)中心 天津 300112)

迄今， 我國共開展了3 次較大規(guī)模的波浪能資源勘查與評估(表1， 崑王傳 等， 2009； 韓家新， 2015)。除大規(guī)模的波浪能資源勘查與評估研究外， 多位學(xué)者利用不同的數(shù)據(jù)和方法對中國特定海域的波浪能資源進(jìn)行了分析。鄭崇偉等(2014)利用模擬海浪數(shù)據(jù)、CCMP (cross-calibrated， multi-platform)風(fēng)場資料， 對我國釣魚島、黃巖島附近海域的波浪能、風(fēng)能資源特征展開研究， 其研究表明， 釣魚島、黃巖島海域可用波高(有效波高介于0.5—4m)、2kW/m 以上波浪能流密度出現(xiàn)頻率整體較高。李靖等(2011)也參照該方法評估了臺灣周邊海域的波浪能資源時(shí)空分布特征。張軍等(2012)采用波浪模擬的方法， 較準(zhǔn)確計(jì)算得出福建、浙江沿海海域波浪能資源分布狀況， 并給出相應(yīng)的分析和綜合評價(jià)。另外， 蔣廷松(2013)也利用SWAN (simulating waves nearshore)數(shù)值模型結(jié)合實(shí)測波浪浮標(biāo)數(shù)據(jù)對浙江近岸波浪能資源進(jìn)行分析研究。周凱等(2013)、栗冬慧(2015)、劉首華等(2015)均利用SWAN 模式模擬了山東半島周邊海域的波浪場， 并分析了山東波浪能資源時(shí)空分布特征。楊永增等(2005)在LAGFD-WAM 海浪模式基礎(chǔ)上建立球坐標(biāo)系下MASNUM 海浪數(shù)值模式， 以便進(jìn)行全球或區(qū)域海浪數(shù)值模報(bào)。利用該高分辨率數(shù)值模式， 估算了渤黃東海波浪能流密度分布。劉秋林等(2015)從波浪能發(fā)電裝置、波浪發(fā)電場選址工作需求出發(fā)， 利用第三代波浪模型對齋堂島附近海域進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了當(dāng)?shù)氐牟ɡ藯l件并對蘊(yùn)藏的波浪能資源， 并對目標(biāo)位置的波浪資源進(jìn)行了詳細(xì)地計(jì)算和分析。史宏達(dá)等(2013， 2017)利用波浪數(shù)值模擬提出的聯(lián)合分布法對波浪能資源評估方法進(jìn)行了一定修正， 認(rèn)為該方法對特定海域的波浪能資源評估更具有針對性， 且可為波浪能發(fā)電裝置的研發(fā)服務(wù)。以Izadparast 等(2011)為代表的多位國外學(xué)者， 結(jié)合波浪能裝置能量獲取方式和效能， 對區(qū)域波浪能資源的可開發(fā)量評價(jià)方法進(jìn)行了研究。

表1 中國歷次波浪能資源普查統(tǒng)計(jì) Tab.1 General survey and statistics on wave energy resources in China

綜上所述， 我國對包括波浪能資源的勘查工作水平處于世界前列， 通過多個專項(xiàng)的實(shí)施， 已總體上摸清了我國管轄海域的波浪能資源儲量及其時(shí)空分布狀況。但受到水深地形比例尺及網(wǎng)格分辨率的限制， 評估對于特定小區(qū)域的刻畫還不夠精確， 尤其在波浪能資源豐富的海島周圍， 由于模型對該類島嶼進(jìn)行了簡化或刪除， 無法準(zhǔn)確刻畫島嶼周邊波浪的淺水變形、反射、繞射等波浪傳播機(jī)制， 也難以準(zhǔn)確刻畫其波浪能資源的時(shí)空分布特征和變化規(guī)律。隨著業(yè)內(nèi)對波浪能開發(fā)利用需求的日益迫切， 對小區(qū)域波浪能資源的精細(xì)化勘查和分析提出了更高的要求。本文選擇山東省威海市褚島北部海域作為目標(biāo)海域， 開展海島周邊波浪能資源精細(xì)化勘查與分布特征分析方法研究。

1 波浪能資源精細(xì)化勘查方法研究

開展海島周邊小區(qū)域的波浪能資源精細(xì)化勘查， 需在掌握目標(biāo)海域海洋環(huán)境條件概況的情況下有針對性地制定勘查方案。在缺少目標(biāo)海域前期歷史資料的情況下， 可通過搜集附近海域環(huán)境資料， 間接分析目標(biāo)海域的環(huán)境條件概況， 為勘查方案制定提供參考依據(jù)。

1.1 歷史資料分析

褚島位于山東省威海市孫家疃鎮(zhèn)以北約3.7km處， 褚島南北長0.82km， 平均寬度0.21km， 島岸線長2.68km。褚島地理位置如圖1。

圖1 褚島地理位置 Fig.1 Geographic location of Chudao Island

褚島北部海域缺乏長期有效的波浪觀測資料， 為給精細(xì)化勘查方案的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)， 本文分析褚島以西距離約65km 的煙臺芝罘島附近套子灣的海浪觀測資料和褚島以東60km 的成山頭海洋環(huán)境監(jiān)測站20 年的波浪歷史觀測資料， 對褚島周邊海域波浪特性進(jìn)行間接分析(王鑫等， 2015a)。芝罘島和成山頭與褚島的相對位置如圖2 所示。

1.1.1 芝罘島海域波浪資料分析 采用煙臺套子灣(靠近芝罘島)2012 年1 月1 日至2012 年2 月29 日(冬季)的波浪觀測數(shù)據(jù)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)， 該站冬季最大波高3.40m， 十分之一波高1.36m， 平均周期4.55s。對冬季該站十分之一波高分段進(jìn)行頻率統(tǒng)計(jì)(圖3)。

圖2 芝罘島、小石島與成山頭的相對位置示意圖 Fig.2 Schematic diagram of relative position among Zhifu Island， Xiaoshi Island， and Cape of Chengshantou

圖3 芝罘島海域冬季1/10 波高分段頻率統(tǒng)計(jì) Fig.3 Frequency of 1/10 wave height section in Zhifu Island waters

1.1.2 成山頭海域波浪資料分析 對成山頭海洋環(huán)境監(jiān)測站獲得的1991—2010 年20年的波浪觀測資料進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)分析可以得到， 成山頭以東海域多年平均的十分之一大波波高為1.81m， 十分之一大波周期為6.49s， 多年平均的有效波高為1.01m， 有效周期為5.67s， 圖4 為多年統(tǒng)計(jì)的有效波高大于0.5m 的天數(shù)。

通過對鄰近海洋站波浪資料的分析， 可以推斷褚島海域冬季波浪能資源最佳， 常浪向、強(qiáng)浪向均為西北偏北等波浪的年季變化特點(diǎn)， 為褚島北部海域波浪能資源的精細(xì)化勘查方案的制定提供重要的依據(jù)。

1.2 水深地形條件分析

目標(biāo)海域的水深條件同樣是勘查方案設(shè)計(jì)制定的重要依據(jù)。由圖5 可見， 褚島以北約700—1200m之間存在一處海溝， 海溝呈東西向， 水深最深可達(dá)70m， 水深超過60m 的區(qū)域大約500m 寬， 2500m 長。褚島北部臨岸區(qū)域地形陡峭， 水深變化劇烈， 島北部離岸200m 以外坡度趨于平緩。該海域等深線基本保持東西向， 海溝中部水深較深的地方相對較為平坦。劇烈的水深變化是海島近島處常有的情況， 對波浪在近島海域的傳播和波浪場的分布勢必產(chǎn)生顯著的影響， 這是制定海島周邊波浪能資源勘查方案過程中必須要考慮的因素。

1.3 精細(xì)化勘查方案制定

對褚島周邊海域環(huán)境條件的分析可以初步分析推斷： 褚島海域的全年最大波高出現(xiàn)在冬季， 且平均波高最大月也在冬季， 即該海域冬季波浪能資源最為豐富， 冬季以北浪向?yàn)橹鳌Ｍ瑫r(shí)， 由北側(cè)開闊海域向南至島， 有明顯水深變化， 距島1.2km 處有東西向海溝， 近島處水深快速變淺。據(jù)此， 研究制定精細(xì)化的觀測勘查方案， 遵循以下原則： 觀測方案制定時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注該海域冬季的波浪特性； 因海域水深變化會對波浪傳播和消衰產(chǎn)生影響， 岸線的折射也會影響海域的波浪分布特征， 故在水深變化劇烈處和近島測應(yīng)加密觀測。

圖4 1997—2010 年有效波高大于0.5m 的天數(shù) Fig.4 The number of days with effective wave height greater than 0.5m during 1997—2010

圖5 褚島北部水深和測點(diǎn)布置圖(紅點(diǎn)位置) Fig.5 The bathymetry of northern Chudao Island and deployment of the test points (red dots)

在確定長期觀測點(diǎn)前， 先設(shè)置短期試驗(yàn)測波點(diǎn)對觀測點(diǎn)設(shè)置的合理性做進(jìn)一步試驗(yàn)和驗(yàn)證。根據(jù)對目標(biāo)海域歷史資料和水深分布特征的分析， 共設(shè)置3 個試驗(yàn)測波點(diǎn)： 在海域冬季主浪向迎浪位置即目標(biāo)海域的北測 40m 水深處布設(shè)一個試驗(yàn)測波點(diǎn) (試驗(yàn)點(diǎn)1)； 海域中部距島1.2km 的70m 水深處為近島最深的區(qū)域， 布設(shè)一個試驗(yàn)測波點(diǎn)(試驗(yàn)點(diǎn)2)； 近島30m 水深處， 水深變化最為劇烈的區(qū)域， 且岸線對波浪的反射對此區(qū)域的波浪影響最大， 設(shè)置一個試驗(yàn)測波點(diǎn)(試驗(yàn)點(diǎn)3)， 如圖5 所示。

對三個試驗(yàn)測試點(diǎn)為期一周的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析， 結(jié)果可見， 試驗(yàn)點(diǎn)1 和試驗(yàn)點(diǎn)2 的波浪特征較為一致， 而試驗(yàn)點(diǎn)3 波浪特征與前兩點(diǎn)有明顯差異， 分析是由于島岸線對波浪的折射造成的(圖6)。

在保證觀測質(zhì)量的基礎(chǔ)上， 為降低觀測成本， 同時(shí)降低觀測過程中儀器設(shè)備丟失的風(fēng)險(xiǎn)， 確定觀測方案為： 在試驗(yàn)點(diǎn)1 和試驗(yàn)點(diǎn)3 的位置開展為期一年的連續(xù)觀測， 試驗(yàn)點(diǎn)2 設(shè)備回收； 在利用數(shù)值模型計(jì)算波浪能資源的過程中， 為提高計(jì)算精度， 需考慮海流的作用， 同時(shí)需要獲得風(fēng)要素?cái)?shù)據(jù)， 可選擇同時(shí)具有波浪、海流、風(fēng)觀測能力的綜合多參數(shù)浮標(biāo)或其他綜合觀測設(shè)備布放于試驗(yàn)點(diǎn)1 的位置進(jìn)行觀測。

1.4 目標(biāo)海域波浪場時(shí)空分布特征分析

圖6 三個測試點(diǎn)有效波高數(shù)據(jù)比較 Fig.6 Comparison of effective wave height data at the three test points

依據(jù)制定的精細(xì)化勘查方案， 開展為期1 年的長期觀測。采用觀測時(shí)間為2015 年1 月24 日到12 月24 日的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)對目標(biāo)海域波高和波周期特性進(jìn)行分析： 最大波高6.30m， 周期7.50s。觀測時(shí)段內(nèi)， 平均有效波高0.62m， 周期4.16s， 平均波高0.42m， 周期3.94s。從2015 年1—12 月的有效波高變化可以看出， 波浪觀測結(jié)果與利用周邊海域資料分析的該海域波浪特征基本吻合， 波浪資源的季節(jié)變化顯著， 冬半年波浪較大， 夏半年明顯減弱(圖7)。在冬季(11、12、1 月)平均有效波高可達(dá)1m 以上， 經(jīng)常有大的波高過程； 5—8 月主要受夏季季風(fēng)影響， 但由于褚島所在海域以南緊鄰廣闊的大陸， 風(fēng)浪無法成長， 有效波高基本在0.2—0.3m 之間； 從9 月底開始逐漸增強(qiáng)； 到了10 月份， 開始經(jīng)常出現(xiàn)有效波高超過2m 的大的波浪過程。

2 波浪能資源分布特征分析方法研究

2.1 波向統(tǒng)計(jì)分析

為分析目標(biāo)海域的波浪能資源分布特征， 首先對觀測獲得目標(biāo)海域全年的觀測數(shù)據(jù)以主波向角度 為基準(zhǔn)進(jìn)行分類， 并統(tǒng)計(jì)在各個波向下的有效波高平均值、波周期平均值、風(fēng)速平均值及風(fēng)向平均值。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)計(jì)算， 各個波向的出現(xiàn)頻率及其對應(yīng)的波要素見表2。按照頻率優(yōu)先的原則， 選擇出現(xiàn)頻率高于5%的7 種波況進(jìn)行模擬計(jì)算并按照頻率的高低對其進(jìn)行排序。計(jì)算分析的7 種代表波況及其波要素如表3 所示。

2.2 波浪能量在波向上分布特性的計(jì)算與分析

本文利用SWAN (simulating waves nearshore)計(jì)算統(tǒng)計(jì)出7 種代表波況下的波浪能量， 進(jìn)而利用計(jì)算結(jié)果對目標(biāo)海域的波浪能資源分布特征進(jìn)行分析(鄭崇偉等， 2011， 2015)。

圖7 2015 年1—12 月的有效波高變化 Fig.7 Variations of effective wave height from January to December in 2015

表2 2015 年1 月—2015 年12 月波浪要素統(tǒng)計(jì) Tab.2 Statistics of wave characteristics from January 2015 to December 2015

表3 計(jì)算分析的波況要素表 Tab.3 Wave condition characteristics for simulation calculation

2.2.1 計(jì)算模型設(shè)置 為提高模型的計(jì)算精度和計(jì)算效率， 設(shè)置了不同的運(yùn)算域和網(wǎng)格尺度， 采用嵌套的方法分別進(jìn)行計(jì)算。大模型的模擬范圍為山東半島近海北黃海海域(37°25′9″—37°51′32″N， 121°41′15″—122°35′31″E)， 空間步長約為0.017°。小區(qū)域選取威海北部海岸線、褚島及其北部海域?yàn)槟Ｐ陀?jì)算區(qū)域(37°31′50.35″—37°36′21.18″N， 122°3′3.05″— 122°8′36.36″E)， 空間步長均為0.005°， 在褚島北側(cè)近島處再加密計(jì)算網(wǎng)格； 模型東西向長8173m， 南北向最長為8359m。計(jì)算區(qū)域水深地形如圖8、圖9 所示， 該區(qū)域最大水深70m。

模型的頻率離散采用Log 對數(shù)分布， 最小頻率f0取0.04， 頻率數(shù)n取34； 方向離散使用全方向離散， 滿足技術(shù)要求所需達(dá)到的計(jì)算精度； 通過破碎參數(shù)γ值控制由水深引起的波浪破碎， 一般大量的現(xiàn)場觀測和實(shí)驗(yàn)室模擬表明，γ值跟地形和波況有關(guān)， 在0.6—0.8 之間隨地形坡度而異， 本文采用默認(rèn)值0.73作為破碎指標(biāo)； 模型采用JONSWAP 底摩擦耗散半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算底摩阻系數(shù)， 因目標(biāo)海域以涌浪為主， 計(jì)算公式中常量系數(shù)定為0.038。此外， 考慮到在島嶼海域， 在劇烈變化的水深和復(fù)雜的岸線影響下造成的較大流速也將對波周期等要素產(chǎn)生影響， 本文在模型的邊界條件中加入了潮流流場， 以更好地模擬島嶼周邊波浪要素時(shí)空分布特征。

先使用研究區(qū)域的風(fēng)場作為邊界條件驅(qū)動大模型進(jìn)行運(yùn)算， 并輸出小區(qū)域的波浪譜， 隨后， 再利用輸出的波浪譜， 以及風(fēng)場條件驅(qū)動小模型運(yùn)算， 得到更加細(xì)致的波浪場分布。

2.2.2 計(jì)算模型驗(yàn)證 利用試驗(yàn)點(diǎn)1 和試驗(yàn)3 的實(shí)測波浪數(shù)據(jù)對模型的計(jì)算效果進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證參數(shù)為波高， 驗(yàn)證結(jié)果如圖10、圖11 所示。經(jīng)驗(yàn)證， 數(shù)值模型設(shè)置合理， 計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確有效； 特別是近岸試驗(yàn)點(diǎn)3 驗(yàn)證了改進(jìn)的模型對近島波浪折射、繞射模擬效果良好。

圖8 大區(qū)域模型計(jì)算域地形圖(單位： m) Fig.8 Topography of model computation domain of large area (unit： m)

圖9 小區(qū)域計(jì)算區(qū)域地形圖(單位： m) Fig. 9 Topographic of computational domain of small area (unit： m)

圖10 試驗(yàn)點(diǎn)1 測波浮標(biāo)數(shù)值模擬驗(yàn)證 Fig.10 The numerical simulation verification of telemetering wave buoy at the test point 1

圖11 試驗(yàn)點(diǎn)3 測波浮標(biāo)數(shù)值模擬驗(yàn)證 Fig.11 The numerical simulation verification of telemetering wave buoy at test point 3

2.2.3 波浪能功率密度計(jì)算方法 本文使用SWAN模式計(jì)算得出波高和波周期， 通過“經(jīng)驗(yàn)方法”計(jì)算目標(biāo)海域的波浪能功率密度P。

2.2.4 代表波向波浪能功率密度計(jì)算 對統(tǒng)計(jì)分析得出的出現(xiàn)頻率最高的7 種波況， 利用前述方法進(jìn)行計(jì)算， 計(jì)算結(jié)果如表4。以波況5 為例， 其有效波高和波浪能功率密度空間分布如圖12。

7 種波況的波浪方向都為偏西方向， 利用其計(jì)算分析褚島及其周邊海域波浪能功率密度， 由此可見， 由于遠(yuǎn)遙嘴和褚島對波浪傳播的阻擋， 在威海海岸 線北部至褚島之間和褚島東側(cè)海域， 主要受到波浪繞射的影響， 有效波高較小， 相應(yīng)地波浪能功率密度也較低。在波況1、2、3、6、7 五種波況下， 目標(biāo)海域內(nèi)的波浪能功率密度都不超過1000W/m， 在波況4和波況5 兩種波況下， 目標(biāo)海域區(qū)域的波浪能功率密度超過2000W/m。計(jì)算各個波況頻率在參與計(jì)算的波況總頻率中的占比， 可以得到各個波況的頻率加權(quán)系數(shù)(表5)。

按照表5 中的頻率加權(quán)系數(shù)， 可以得到目標(biāo)海域內(nèi)7 種波況的頻率加權(quán)平均波功率分布， 計(jì)算結(jié)果代表了目標(biāo)海域內(nèi)全年不同波向上的波浪能量分布情況(圖13)。綜合分析各波況的計(jì)算結(jié)果可見： 目標(biāo)海域的波浪能受季風(fēng)和海島及大陸岸線的影響明顯， 而受到水深梯度變化的影響不明顯； 波浪能蘊(yùn)藏量的時(shí)空分布特征總體表現(xiàn)為冬季強(qiáng)夏季弱， 冬季在西側(cè)多會出現(xiàn)波浪能集聚， 西部強(qiáng)東部弱， 且為自西向東遞減； 西北向是波浪能功率密度最大的區(qū)域， 波浪能功率密度值大于1200W/m； 在褚島的東側(cè)海域， 波浪能功率密度較小， 均小于400W/m。

表4 各波況下能量分布特征 Tab.4 Wave power distribution under different wave conditions

圖12 波況5 有效波高(單位： m)和波浪能功率密度(單位： W/m)空間分布 Fig.12 Spatial distribution of effective wave height (unit： m) and wave power (unit： W/m)

表5 波況加權(quán)頻率表 Tab.5 The weighted frequency of wave condition

圖13 目標(biāo)海域各波向波浪能量分布圖(單位： W/m) Fig.13 Wave energy distribution in each wave direction in targeted sea area (unit： W/m)

3 結(jié)論

對小區(qū)域波浪能資源的勘查， 往往是作為波浪能電站建設(shè)前期的評估和選址工作而開展， 其方法和要求有別于以往大范圍普查， 特別是海島周邊復(fù)雜的地形和動力環(huán)境條件， 對勘查工作提出了更高的要求。為實(shí)現(xiàn)對海島周邊海域的精細(xì)化勘查， 本文對傳統(tǒng)勘查方法進(jìn)行了有益的改進(jìn)： 首先搜集歷史數(shù)據(jù)掌握海域的資源條件概況， 結(jié)合對波浪要素分布進(jìn)行的動力學(xué)理論分析， 有針對性地制定勘查方案， 觀測點(diǎn)和觀測周期在水動力復(fù)雜區(qū)域均進(jìn)行加密； 進(jìn)行長期觀測前， 先對觀測點(diǎn)設(shè)置的合理性進(jìn)行短期的試驗(yàn)驗(yàn)證， 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對勘查方案進(jìn)行優(yōu)化， 一是調(diào)整代表性不強(qiáng)的觀測點(diǎn)位置， 二是在保證勘查結(jié)果滿足計(jì)算分析精度要求的前提下， 合并或減少觀測點(diǎn)， 從而減少觀測設(shè)備的投入， 即可有效降低長期觀測期間設(shè)備丟失和損壞的概率， 從而降低勘查成本， 這一勘查方案制定流程和勘查方法不僅適用于波浪能電站建設(shè)等海洋工程的前期選址和評估工作， 在其他海上觀測工作中也具有借鑒和應(yīng)用價(jià)值。

與追求某幾個特定波況下波浪能電站的高效獲能相比， 波浪能電站的設(shè)計(jì)與建造者更關(guān)注電站全年的發(fā)電量。對于海島周邊小區(qū)域波浪能資源分布特征的分析， 應(yīng)建立在長期精細(xì)化勘查的基礎(chǔ)上， 綜合全面分析目標(biāo)海域波浪能資源的時(shí)空分布特征， 以保證電站建成后實(shí)現(xiàn)預(yù)期的年發(fā)電量指標(biāo)要求。本文將統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和數(shù)值模擬方法相結(jié)合， 從對各波向的統(tǒng)計(jì)分析入手， 得出目標(biāo)海域的主要波向及其對應(yīng)的波參量， 進(jìn)而定量地計(jì)算得出了目標(biāo)海域全年在各主要波向上波浪能量分布， 并以此從總體上分析目標(biāo)海域波浪能量時(shí)空分布特征， 分析結(jié)果對于波浪能電站建設(shè)前期評估和選址具有很高參考價(jià)值。本文研究的方法對于應(yīng)用俘獲能量效果受波向影響明顯的波浪能開發(fā)利用技術(shù)或波浪能陣列的波浪能電站設(shè)計(jì)尤其適用。此外， 利用類似的方法， 對全年波周期和波高在各值域的出現(xiàn)概率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)， 進(jìn)而分析計(jì)算目標(biāo)海域全年波浪能量集中的波周期和波高區(qū)間， 對于波浪能電站能量俘獲裝置的設(shè)計(jì)優(yōu)化同樣具有較高的指導(dǎo)價(jià)值。