廈門灣海域及金門水道潮流能特征分析

陳金瑞

（福建省海洋預報臺，福建 福州 350003）

廈門灣位于福建省南部沿海九龍江入海口處，是一個半封閉型海灣，屬于構造成因的港灣，兼有河口灣性質，其岸線曲折，地形復雜，東有大小金門島，南有大小擔島，西有九龍江徑流，由于受河流徑流、海洋潮流和岸線地形共同作用，廈門灣海域流場情況較為復雜。

隨著世界各國對能源需求的不斷增長和環境保護的日益加強，潮流能作為一種海洋可再生能源，已經得到廣泛的關注及研究，研究主要集中在探討潮流能開發裝置和潮流能資源計算方法。近年來，歐洲（尤其是英國）、加拿大、美國等發達國家都對各自管轄的海域開展了潮流能資源評估（Energy Technology Support Unit， 1993；Commission of the E uropean Communities， 1996；Black&Veatch Consulting Ltd，2004；Cornett，2006；Hagerman et al，2006）。基于前期海洋能工作，2009年歐洲海洋能中心發布了第一版潮流能資源評估指南（Black&Veatch Consulting Ltd，2009），詳細描述了潮流能資源評估的不同階段、數據要求及分析、評估方法以及資源統計等等。國內也有部分學者和研究機構對全國沿海的潮流能進行了初步估算，1986-1989年完成的《中國沿海農村海洋能資源區劃》（王傳崑等，1989）中列舉出全國潮汐能資源和波浪能、潮流能資源理論功率；2005年啟動的“中國近海海洋綜合調查（908）”專項中，開展了近海的各類海洋能資源調查。總體上講，潮流能資源的開發利用還處于起步階段。由于目前我國的潮流觀測數據較為稀缺，針對重點水道，只能利用數值模式彌補資料缺陷，采用數值模擬與現場調查相配合的方法進行潮流能資源評估（呂新剛等，2008，2009；武賀等，2010）。本文基于FVCOM海洋數值模式建立廈門灣及其附近海域的潮汐潮流模型，統計分析該海域潮流能要素特征，并針對特定水道的潮流能蘊藏量及技術可開發量進行重點分析。

1 水動力模型簡介和驗證

1.1 模型簡介

海洋數值模式FVCOM（An Unstructured Grid，Finite-Volume Coastal Ocean Model）（Chen et al，2006）是由美國馬薩諸塞大學海洋科技研究院和吾茲霍爾海洋研究所聯合開發，它在近海海灣數值模擬中具有明顯優勢：水平方向上無結構三角形網格能很好地擬合復雜岸線并對重點區域進行局部加密；垂向上采用σ坐標變換能很好擬合復雜海底地形；采用有限體積方法能夠保證整個研究區域和單元網格都能滿足動量、能量和質量守恒；三維干濕網格處理技術可更好地解決海灣灘涂面積大的變邊界問題等。

1.2 模型配置

1.2.1 計算網格和地形數據

圖1 計算區域網格

本文的計算區域范圍（圖 1）為 117.75°E-119.35°E，23.60°N-24.80°N，覆蓋了整個廈門灣及其附近海域，模擬海域內水平方向上共有71 426個三角形節點，138 432個三角形單元。對廈門灣海域進行加密，最小網格距小于100 m。計算時間是從2009年12月27日到2011年1月1日，前面5 d用于模型穩定，不用于本文潮流能參數的數據統計。

本模型的岸線和近岸的水深數據來源于福建省908專項調查成果，外海區域的水深數據來源于中華人民共和國海事局出版的海圖，將二者擬合的水深數據插值到模擬區域網格點上，見圖2，廈門灣內大部分水深介于5～20 m之間，最大水深達31 m。

1.2.2 邊界條件

本文在模擬過程中不考慮溫鹽變化以及大氣對海洋的影響，模型采用零初始條件，即初始時刻潮位和流速均設為0；開邊界是由101個節點組成，用 8 個主要天文分潮（M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1）的調和常數后報出開邊界水位驅動模型，開邊界的調和常數是從福建省海洋與漁業廳“十一五”期間建立的臺灣海峽三維溫、鹽、流模型中提取出來，采用了干濕網格處理技術，灘涂的數據來自福建省908專項調查成果。

1.3 模型驗證

本文選取廈門驗潮站2010年6-7月的逐時潮位觀測數據（因為這期間廈門海域海況較好，無臺風和冷空氣影響）驗證數值結果，驗潮站以及流速驗證點位置如圖2。7月水位對比曲線（圖3）表明二者吻合較好，平均絕對誤差為17.8 cm，平均相對誤差為5.8%。表1給出了翔安、廈門和龍海3個站的調和常數（3個潮位站觀測得到2010年逐時潮位數據調和分析所得），各個分潮的振幅和遲角與實測結果吻合較好，誤差都在允許范圍內。

本文還對比了福建908專項調查中廈門灣海域的流速數據，大潮期間為2005年9月20日13∶00至2005年9月21日14∶30，小潮期間為2005年9月28日14∶00至2005年9月29日 16∶00，站點位置見圖2。圖4-6給出了大小潮期間C1、C2和C3站點的流速流向對比曲線，紅線為實測數據，藍線為模擬結果，除了C2站，C1和C3站潮流驗證點的流速流向模擬和實測吻合，統計大潮流速大于30 cm/s的數據，C1站的流速相對誤差為21.5%，流向絕對誤差10.4°；C2站的流速相對誤差為22.1%，流向絕對誤差17.7°。綜上所述，通過對潮位、流速和流向對比表明，本文所建立廈門灣潮汐潮流模式是可信的，模擬結果能較好地體現廈門灣海域的潮汐潮流特征。

圖2 計算區域水深等值線及驗證點分布

圖3 7月份廈門站實測數據與模擬結果對比曲線

表1 觀測與計算的調和常數對比表

圖4 C1站潮流過程曲線

圖5 C2站大小潮過程曲線

圖6 C3站大小潮過程曲線

2 潮流能要素特征分析

在潮汐潮流驗證的基礎上，利用數值模擬結果統計廈門灣海域大小潮年平均流速、最大可能流速、年平均功率密度，并針對特定的水道計算其年各級潮流累計時間、水道潮流能資源蘊藏量以及技術可開發量（用垂向平均流速作為基礎數據）。

2.1 大小潮年平均流速

本文將一年中所有的大潮期（連續3 d）流速峰值的平均值取為大潮年平均流速；一年中所有的小潮期（連續3 d）流速峰值的平均值取為小潮年平均流速。統計廈門灣海域的大小潮年平均流速，結果見圖7和圖8，大小潮期間年平均流速分布趨勢基本一致，平均流速較大區域主要發生在金門水道、金門北東水道、廈門東側水道、九龍江口至青嶼水道以及安海灣口門附近海域，其中以金門北東水道最大，大潮期間介于1.2～1.6 m/s，金門水道次之，大潮期間介于為1.1～1.3 m/s。

圖8 小潮年平均流速分布圖

2.2 最大可能流速

根據歷史資料以及本次模型計算的結果顯示，廈門灣及其附近海域屬于規則半日潮，按照《海港工程規范》的要求，最大可能流速的公式為：

其中 WM2、WS2、WK1、WO1、WM4、WMS4分別為M2、S2、K1、O1、M4、MS4分潮潮波的潮流橢圓長半軸。根據上述公式計算得到模擬區域的最大可能流速分布見圖9，最大可能流速分布基本與大小潮平均流速分布一致，在模擬區域內最大可能流速較大區域發生在金門北東水道、金門水道以及安海灣灣口，其他區域的最大可能流速基本上小于1.4m/s；該海域最大可能流速最大值可達到2.2 m/s，發生在金門北東水道，金門水道次之。

圖9 最大可能流速分布圖

2.3 年平均功率密度

功率密度，又稱能流密度，是單位時間通過單位過流面積的潮流能量。潮流能通常是經某個過流面來開發利用的，因此功率密度是衡量潮流能的一個重要標志。功率密度P計算公式（呂新剛等，2008）為：

其中：ρ為海水密度；V為潮流流速。潮流隨時間改變，通常取上式在某時間內的平均值——平均功率密度Pm：

將一年內的功率密度的平均值取為年平均功率密度（圖10），其分布與大小潮年平均年功率密度基本上相似，年平均功率密度較大的區域發生在金門北東水道、金門水道以及安海灣灣口；以金門北東水道年平均功率密度最大，可達400 W/m2；金門水道次之，達250 W/m2左右。

圖10 年平均功率密度分布圖

2.4 年各級潮流累計統計

潮流能發電機的發電原理為潮流作用在渦輪機葉片上使葉片旋轉，然后通過發電機將旋轉葉片的動能轉換為電能來進行發電。發電過程不止要考慮潮流的最大流速，還必須考慮水道等年各級潮流累計時間，因為就目前的發電裝置技術，流速過低時潮流將不足以帶動渦輪機葉片轉動。只有流速達到一個臨界速度之上時才會被潮流能發電機利用并產生電能，稱這個臨界速度為截入速度（cut-inspeed）。潮流能發電機本身設計時有一個額定功率，使潮流能發電機達到額定功率時的潮流的臨界流速稱之為額定流速（rated speed）。當潮流流速超過額定流速時即使流速繼續增加，潮流能發電機的發電功率也不會隨之變大，而是始終保持額定功率不變。不同國家設計潮流能發電機的額定流速和截入速度不同，基本上額定流速都在2.5 m/s，截入流速一般低于1 m/s。

對金門水道附近的海域選取一個流速最大的點作為特征點進行分析，統計一年內在不同速度區間上出現的概率分布圖11：垂向平均潮流最大介于1.8～1.9 m/s，這與《中國沿海農村海洋能資源區劃》指出金門水道的最大流速可達1.96 m/s基本一致，不過發生時間不是很多，一年內垂向平均流速超過1 m/s的時間為2 483 h，占28.3%。

圖11 垂向平均潮流累計時間統計曲線

2.5 金門水道潮流能資源蘊藏量和技術可開發利用量

潮流資源評估主要依賴于潮流數值模擬數據作為評估主要基礎數據。一般來說，由于潮流能總是經過某個過流截面來開發利用的，因此潮流能儲量是指拋開一切技術因素，通過某個截面的潮流能。理論計算公式（呂新剛等，2010）：

其中：P是指周期T內潮流能的平均功率；t初始時刻，T為評估周期；L水道寬度；H水深，ρ為海水密度，取1 025 kg/m3。

本文計算潮流能蘊藏量的斷面位于金門水道垂直平均流速極值點處，方向與當地潮流橢圓的主軸方向垂直，該斷面長度為1 981 m，平均水深16 m，最深處為30 m，積分時間T取一年。

針對于金門水道潮流技術可開發量的計算，本文選用FLUX方法（呂新剛等，2009），有效影響因子SIF的取值參考（Hagerman et al， 2006）取為15%進行計算，通過計算金門水道潮流能蘊藏量為2 917 kW，其技術可開發量為438 kW，通過計算月平均蘊藏量，見圖12，3、4月份和9月份形成兩個峰值、6月份達到波谷；大潮年平均蘊藏量為4 970 MW。

圖12 金門水道2010年月平均蘊藏量

3 結語

本文基于海洋數值模式FVCOM，以8個主要分潮作為驅動，在較準確刻畫廈門灣海域潮汐潮流變化的情況下，統計其各潮流能要素特征，得到以下初步結論：

（1）大小潮期間年平均年流速分布趨勢基本致，大潮期間平均流速大于小潮期間；大小潮期間平均流速較大區域主要發生在金門水道、金門北東水道、廈門東側水道、九龍江口至青嶼水道以及安海灣口門附近海域，其中以金門北東水道最大，大潮期間介于1.2～1.6 m/s，金門水道次之，大潮期間介于為 1.1～1.3 m/s；

（2）最大可能流速分布基本與大小潮平均流速分布一致，該海域最大可能流速最大值可達到2.2 m/s，發生在金門北東水道，金門水道次之；

（3）金門水道垂向平均潮流最大介于1.8～1.9 m/s，一年內垂向平均流速超過1 m/s的時間為2 483 h，占28.3%；

（4）通過計算金門水道潮流能蘊藏量為2 917 kW，其技術可開發量為438 kW。

致謝：福建省908專項調查成果提供了寶貴基礎數據，科室同事提出寶貴修改意見，謹在此一并致謝。

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