老鐵山水道潮流能初步估算

武賀，趙世明，張松，王鑫，馬治忠

（國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300111）

老鐵山水道潮流能初步估算

武賀，趙世明，張松，王鑫，馬治忠

（國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300111）

采用ECOMSED海洋數(shù)值模型較好地模擬了渤海的潮流運(yùn)動(dòng)狀況，估算了老鐵山水道的潮流能的理論蘊(yùn)藏量，并采用FLUX方法對(duì)該水道的技術(shù)可開(kāi)發(fā)量進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果表明，老鐵山水道北側(cè)近岸海域最大可能流速約2.5 m/s，平均功率密度超過(guò)500 W/m2，大潮平均最大功率密度為3 700 W/m2，小潮平均最大功率密度為1 400 W/m2，水道潮流能資源理論蘊(yùn)藏量為26.9×104kW，技術(shù)可開(kāi)發(fā)量為2.69×104kW。

ECOMSED；老鐵山水道；潮流能

老鐵山水道位于渤海、黃海的分界線上，北起老鐵山燈塔，南至北隍城，全長(zhǎng)約為13 km，水道北側(cè)水深流急，平均水深約為60 m，水道南側(cè)水深較淺，平均水深約為30 m，該水道實(shí)測(cè)最大流速超過(guò)2.3 m·s-1，潮流能源蘊(yùn)藏量豐富。我國(guó)早期的潮流能資源評(píng)估工作[1]曾利用鄭志南[2]提出的評(píng)估方法計(jì)算了該水道蘊(yùn)藏量并得到了初步結(jié)論，這對(duì)于潮流數(shù)據(jù)匱乏的評(píng)估研究初期具有重要的開(kāi)創(chuàng)性意義。然而，由于受到水深地形、海水密度等因素的影響，水道截面的水平方向和垂直方向上的流速不可能相同，因此以單點(diǎn)流速代表整個(gè)水道的截面流速的做法值得商榷，加之能量與流速存在著3次方的關(guān)系，使得評(píng)估結(jié)果有可能存在不小的誤差。隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)值計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的潮波模擬和潮流預(yù)報(bào)，獲取豐富的四維（三維空間和時(shí)間）潮流數(shù)據(jù)，從而徹底解決潮流能資源評(píng)估工作中的數(shù)據(jù)短缺問(wèn)題，事實(shí)上，國(guó)外不少學(xué)者已經(jīng)成功地采用此類方法進(jìn)行了一些水道的潮流資源評(píng)估試驗(yàn)[3-8]，相比之下，國(guó)內(nèi)的潮流數(shù)值模擬研究雖然也較為成熟[10-12]，卻很少應(yīng)用于潮流資源評(píng)估工作[9]。因此，本文將利用國(guó)際上廣泛使用的ECOMSED海洋環(huán)流數(shù)值模式對(duì)渤海、北黃海進(jìn)行潮波模擬計(jì)算，在較好地完成潮流模擬的基礎(chǔ)上，采用FLUX計(jì)算方法分析計(jì)算老鐵山水道的潮流能蘊(yùn)藏量和可開(kāi)發(fā)量，該項(xiàng)研究工作對(duì)進(jìn)一步了解老鐵山水道潮流能資源的時(shí)空分布和日后的潮流能資源開(kāi)發(fā)利用具有重要的實(shí)踐意義。

2 數(shù)值模式及其設(shè)置

ECOMSED海洋環(huán)流數(shù)值模式是一個(gè)模擬水動(dòng)力、波浪和沉積物輸運(yùn)的三維數(shù)值模型，該模式具有熱力學(xué)方程完整、擬合水深地形較好、收斂速度快等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于近海動(dòng)力科學(xué)研究和海洋工程。本文考慮M2、S2、K1、O1 4個(gè)分潮。模式計(jì)算區(qū)域包括渤海和北黃海，水深數(shù)據(jù)采用1︰100萬(wàn)中國(guó)海圖，開(kāi)邊界潮汐調(diào)和常數(shù)采用T/P反演數(shù)據(jù)。水平方向采用seagrid軟件生成的正交曲線網(wǎng)格（見(jiàn)圖1），并在黃渤海分界線海域進(jìn)行網(wǎng)格加密以便更好地了解老鐵山水道的潮流運(yùn)動(dòng)狀況，其最小分辨率為1 km×1 km，垂向上均勻分5層。

圖 1 模擬海域網(wǎng)格設(shè)置及水深分布（m）Fig.1 Depth distribution and the grid settings of the simulative area (m)

3 數(shù)值模擬結(jié)果

潮位方面，本文分別選取具有代表性鲅魚(yú)圈、秦皇島、塘沽、龍口和蓬萊5個(gè)驗(yàn)潮站潮位數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)和分析，并與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。表1顯示，渤海灣內(nèi)5個(gè)海洋觀測(cè)站的實(shí)測(cè)潮位數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果吻合良好， 此外，4個(gè)分潮（M2、S2、K1、O1）的同潮圖（圖2a-圖2d）也很好地再現(xiàn)了渤海海域各潮波系統(tǒng)的駐波性質(zhì)。

潮流方面，采用2009年3月1個(gè)ADCP定點(diǎn)站位（121°05.8′E，38°41.8′N）連續(xù)25 h的實(shí)測(cè)資料對(duì)中海域模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證（見(jiàn)圖3a-3b），由各站位流速、流向?qū)Ρ葓D可知，計(jì)算值與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好。

綜上所述，本文較好地模擬了渤海的潮波運(yùn)動(dòng)狀況，成功地再現(xiàn)了渤海海域各主要分潮潮波系統(tǒng)的駐波性質(zhì)，為進(jìn)行準(zhǔn)確的潮流能計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。

表 1 渤海沿岸5個(gè)驗(yàn)潮站調(diào)和常數(shù)實(shí)測(cè)與計(jì)算誤差Tab.1 Errors of harmonic constants between measurements and calculations of five tide stations around the Bohai Sea

圖 2a M2分潮同潮圖Fig.2a Co-tidal line of M2 tide

圖 2b S2分潮同潮圖 Fig.2b Co-tidal line of S2 tide

圖2c K1分潮同潮圖Fig.2c Co-tidal line of K1 tide

圖2d O1分潮同潮圖 Fig.2d Co-tidal line of O1 tide

圖 3a 實(shí)測(cè)與預(yù)報(bào)流速曲線圖(3月10日-3月11日)Fig.3a Speed of the tidal current between measurement forecast (Mar 10 to Mar 11)

圖 3b 實(shí)測(cè)與預(yù)報(bào)流向曲線圖(3月10日-3月11日) Fig.3b Direction of the tidal current between measurement and and forecast (Mar 10 to Mar 11)

4 老鐵山水道潮流能分析

4.1 估算方法

潮流能估算的基本方法有兩類[9]，一類以能通量為基礎(chǔ)，一類基于動(dòng)力分析。前者包含了FLUX方法、FARM方法等，后者則是Garrett[3]提出的一種新方法，應(yīng)用上，F(xiàn)ARM方法最為廣泛，F(xiàn)LUX方法次之，Garrett方法還很少，由于本文僅對(duì)老鐵山水道的潮流能蘊(yùn)藏量及技術(shù)可開(kāi)發(fā)量進(jìn)行初步評(píng)估，并未涉及潮流能開(kāi)發(fā)裝置類型及轉(zhuǎn)換效率參數(shù)等，因此，本文采用使用廣泛的FLUX方法。平均功率的理論公式及實(shí)際計(jì)算公式分別為：

式中：

P是指周期T內(nèi)潮流能的平均功率(W)；

t初始時(shí)刻，T為評(píng)估周期，一般取一個(gè)朔望月即可(s)；

L水道寬度(m)；

H水深(m)；

ρ為海水密度，取1025kg·m-3。

實(shí)際計(jì)算公式

SIF為有效影響因子。文獻(xiàn)[15]顯示，全部潮流能中可開(kāi)發(fā)部分的比例與地點(diǎn)有關(guān)。在水道或海峽、海岬、海湖、共振河口等各海域中SIF的取值各有不同。由于老鐵山水道屬于海峽范疇，因此本文取10%。

4.2 最大可能流速分布

采用文獻(xiàn)[14]中所記載的最大可能流速計(jì)算公式，根據(jù)潮流類型的不同，分別計(jì)算各網(wǎng)格點(diǎn)最大可能流速。圖4顯示，最大可能流速較強(qiáng)海域主要為渤海海峽、黃河口附近、遼東灣兩處海域以及河北曹妃甸附近，其最大可能流速都超過(guò)1 m·s-1；強(qiáng)流速區(qū)位于老鐵山水道北側(cè)，最大可能流速值大都超過(guò)1.5 m·s-1，其中有2個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)超過(guò)2.5 m·s-1，其中一點(diǎn)的最大功率密度可達(dá)12.5 kW·m-2，且離岸較近，具有較大的潮流能開(kāi)發(fā)潛力。此外，北隍城至蓬萊的廟島群島諸水道最大可能流速也較強(qiáng)，大都超過(guò)1.5 m·s-1。

圖 4 渤海海域最大可能潮流速度分布（m·s-1）Fig.4 Most possibility speed of tidal current in Bohai Sea (m·s-1)

4.3 潮流能蘊(yùn)藏量

圖5、圖6、圖7分別為老鐵山水道平均能流密度分布、大潮平均最大功率密度分布和小潮平均最大功率密度分布，圖中顯示，此3個(gè)重要參數(shù)分布基本相同，且與最大可能流速分布相似。其中有2個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的平均能流密度超過(guò)500 W·m-2，大潮最大功率密度可達(dá)3 700 W·m-2，小潮最大功率為密度為1 400 W·m-2，涉及海域面積約為10 km2。過(guò)最大平均功率密度點(diǎn)，繪制渤海海峽潮流漲急時(shí)刻的法向線（圖5中虛線），以此虛線為截面，采用公式（2），計(jì)算出老鐵山水道潮流能理論蘊(yùn)藏量為26.9 ×104kW，技術(shù)可開(kāi)發(fā)量為2.69×104kW。

圖 5 老鐵山水道平均能流密度水平分布（W·m-2）Fig.5 Distribution of average tidal energy density at LaoTieshan channel（W·m-2）

圖 6 老鐵山水道大潮平均最大能流密度水平分布（W·m-2）Fig.6 Distribution of average tidal energy density during the spring tide period at LaoTieshan channel（W·m-2）

圖 7 老鐵山水道小潮平均最大能流密度水平分布（W·m-2）Fig.7 Distribution of average tidal energy density during the neap period at LaoTieshan channel（W·m-2）

眾所周知，潮流能隨著潮流流速的變化也進(jìn)行著周期性的變化。由于海峽（水道）海域的年平均潮流能與月平均潮流能差別不大[9],本文僅給出老鐵山水道一個(gè)朔望月的潮流能時(shí)間分布（圖8）。經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，該水道小于50×104kW的時(shí)間比例約為81.4 %，介于50×104kW和100×104kW的時(shí)間比例約為13.4 %，大于100×104kW的時(shí)間比例約為6 %。

圖 8 老鐵山水道潮流能時(shí)間變化曲線（一個(gè)朔望月）Fig.8 Change of the tidal energy during one month at LaoTieshan channel

5 結(jié) 論

本文采用ECOMSED海洋數(shù)值模型模擬了渤海的潮流運(yùn)動(dòng)狀況，繪制了K1、O1、M2、S2 4個(gè)分潮的同潮圖，并與實(shí)測(cè)潮位、潮流數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。在此基礎(chǔ)上估算了老鐵山水道潮流能的理論蘊(yùn)藏量，并采用FLUX方法對(duì)該水道的技術(shù)可開(kāi)發(fā)量進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果表明，老鐵山水道北側(cè)近岸海域最大可能流速大于2.5 m/s，平均功率密度超過(guò)500 W·m-2，大潮平均最大功率密度為3 700 W·m-2，小潮最大功率密度為1 400 W·m-2，水道潮流能資源理論蘊(yùn)藏量為26.9×104kW，技術(shù)可開(kāi)發(fā)量為2.69 ×104kW，潮流能資源隨時(shí)間不斷變化，在一個(gè)朔望月的周期內(nèi)，能量大于50×104kW的時(shí)間比例約為81.4 %，介于50×104kW和100×104kW之間的時(shí)間比例約為13.4 %，大于100×104kW的時(shí)間比例約為6 %。

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Preliminary assessment of tidal energy in Lao Tieshan channel

WU He, ZHAO Shi-ming, ZHANG Song, WANG Xin, MA Zhi-zhong

（National Ocean Technology Center, Tianjin 300111, China）

ECOMSED ocean model is applied to simulate the tidal wave system on Bohai sea, and the error between investigation and simulation can be acceptable.Based on this result, we assess the tidal energy of LaoTieshan channel.By the method of FLUX, a conclusion can be extracted like this: the probable velocity of maximum of north of this channel can reach to 2.5 m/s, and the average density of power is above 500W/m2, meanwhile, the maximal densities of power of spring tide period and neap tide period are 3 700 W/m2and 1 400 W/m2respectively, and theoretical tidal energy and the available tidal energy of LaoTieShan Channel are 26.9×104kW and 2.69×104kW.

ECOMSED; LaoTieshan channel; tidal energy

P743.1

A

1001-6932(2011)03-0310-05

2010-11-19；收修改稿日期：2011-01-20

我國(guó)近海海洋綜合調(diào)查評(píng)價(jià)專項(xiàng) (908-01-NY, 908-02-05-01, 908-ZC-I-21 )。

武賀 ( 1981－ )，男，碩士，主要從事近海環(huán)境動(dòng)力學(xué)研究。電子郵箱：wh-crane@sohu.com。