渤海海峽潮流能高分辨率數值估算＊

吳倫宇，王 興，熊學軍＊

（1.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島266061；2.海洋環境科學和數值模擬國家海洋局重點實驗室，山東 青島266061；3.國家海洋局 北海環境監測中心，山東 青島266033）

潮流能指潮流做水平運動所具有的動能，屬于海洋可再生能源的一種。對潮流能的利用，就是使用發電裝置將潮流能轉化成電能的過程。受裝置的機械效率、裝置本身對潮流的削弱等因素影響，總的潮流能蘊藏量只有部分是可以被開發利用的。呂忻等［1］對潮流能的開發利用現狀進行了綜述并對我國的潮流能開發提了幾點建議。呂新剛等［2］對國際國內潮流能資源評估方法進行了綜述，對潮流能資源的評估主要有FARM、FLUX、動力分析以及國內鄭志南的方法，眾多各有利弊的方法并存也說明了潮流能資源評估的復雜性。但簡單來說，各種方法最終實際上確定了一個可開發量與總蘊藏量的比例系數。例如基于FLUX方法，美國EPRI的TISEC（Tidal In—Stream Energy Conversion）計劃將比例系數取為15%。也就是說潮流能的實際可開發量比蘊藏量要小了近一個量級。

渤海海峽是渤、黃海之間的潮流通道，散布于其中的大大小小的島嶼將海峽分割成了諸多水道，因此這里是長江口以北的中國海域潮流能資源最為豐富的區域，另外這里受山東半島的掩護，波浪也較小，適合電站的建設。對渤海海峽的潮流能資源進行估算首先要對渤海海峽的潮流狀況有所認識。目前我們掌握了老鐵山水道南部以及長山水道兩個錨系站一個月的海流資料，但相對整個渤海海峽來說資料仍缺乏，用僅有的資料難以勾勒出渤海海峽的潮流分布整體狀況，為此本研究建立了一個高分辨率的潮流模型，通過兩個海流測站的資料對模式進行可靠性驗證之后，利用模式結果對渤海海峽的潮流以及潮流能狀況進行了分析。

1 渤海海峽地形

渤海海峽指遼東半島南端老鐵山西角和東角至山東半島北岸蓬萊登州頭一帶海域（圖1），南北寬約106km，最大水深86m。廟島群島散布在海峽中，把渤海海峽分割成10個主要水道。各水道的寬度和深度差異較大，但總的趨勢是北面的水道寬而深，南面的窄而淺。自北而南諸水道依次為老鐵山水道、隍城水道、大欽水道、小欽水道、北砣磯水道、南砣磯水道、高山水道、猴磯水道、長山水道和登州水道（根據海軍航保部海圖）。

圖1 渤海海峽和廟島群島位置示意圖Fig.1 A sketch map showing the locations of the Bohai Strait and the Miaodao archipelago

2 模式建立

本研究采用FVCOM 三維海洋模型。FVCOM（Finite Volume Coastal Ocean Model）是無結構網格的、有限體積的、三維原始方程的海洋模式。模型包含動量方程、連續方程、溫鹽守恒方程以及狀態方程，通過采用二階湍封閉模型［3］來對方程進行封閉。水平方向上是三角網格，而在垂向方向上采用的是σ坐標。有限體積的方法（FVM）既有有限元方法（FEM）幾何拓撲結構上的靈活性，又有限差分方法（FDM）在數值離散上的簡單的特點。流和溫鹽利用積分形式的方程中計算，這樣可以更好的保證質量、動量等在復雜岸界下計算的守恒性［4，5］。

2.1 潮流模型基本控制方程

在σ坐標下：

式中，x，y，和σ分別為水平的東、北坐標和垂直方向的坐標；u，v和ω是x，y，σ三個方向上的速度分量；D為水深；η為水位；ρ為密度；P為壓力；f為科氏參數；g為重力加速度；patm為大氣壓；?τx，?τy為東、北方向的底摩擦項。

2.2 開邊界分潮的選取

老鐵山水道A站潮流調和分析結果見表1，其中M2，S2，N2，K1，O1五個分潮橢圓長軸均大于10cm/s，為影響該區域的主要分潮，因此利用這五個分潮可以較為精確的揭示渤海海峽的潮流特征。

表1 A站各分潮的橢圓長軸流速Table 1 Velocity along the major axes of ellipse of each tidal constituents at Station A

2.3 計算區域和網格設置

模擬海域東起北黃海，西至整個渤海。三維計算網格平面為三角網格。垂向按6層劃分，海峽島嶼處的網格分辨率100～200m，其余部分的分辨率為3～6km。網格的節點數為20 555，三角網格數為38 718，如圖2所示。圖3則給出放大了的廟島群島海域的網格設置。

3 計算結果分析

3.1 模式結果驗證

我國近海物理海洋與海洋氣象專項調查于2006－08在老鐵山水道南部（A站，水深61m）和長山水道（B站，水深31m）獲得的兩個定點海流觀測數據（站點位置見圖1）。該觀測采取的是坐底式觀測方式，觀測層厚2m，觀測儀器采用美國RDI公司生產的Work Horse 300K聲學多普勒剖面流速儀（ADCP），流速測量范圍為0～500cm/s，精度為0.5%，流向測量精度為±2°。雖然觀測與模型都是三維的，但由于潮流能的利用并不是針對某個水層來進行的（例如Seaflow發電機的渦輪直徑為11m），而是對整段水層的利用，所以用垂向平均的潮流來討論比較合適。由于觀測的海流不光包含潮流，仍有一部分余流，利用T＿tide調和程序［6］對海流序列進行調和分析去掉余流后再與模式對比，時間上包含了兩個大小潮過程，對比結果如圖4和圖5所示。其中A站流速的平均相對誤差11.4%，流向的平均絕對誤差是16.8°；B站流速的平均相對誤差10.9%，流向的平均絕對誤差是17.2°。

3.2 主要分潮同潮時線圖

渤、黃、東海的潮波運動較早便有許多數模研究論文［7－8］，這些工作得出了各主要分潮潮波的基本運動規律，總的來說各分潮同潮時線的基本面貌是一致的，后期的工作主要是利用各種方法將實測資料包括驗潮站和衛星遙感資料同化到數值模式中，從而提高數值模擬的精度，例如王永剛等［9］在數值模式中使用了松弛同化的方法，取得了較好的效果。圖6給出了主要的半日分潮M2和全日分潮K1的同潮時線圖，M2潮波由外海經渤海海峽傳入渤海，其振幅在0.5m左右，遲角300度左右，而K1分潮的重要特征是在渤海海峽南部存在一個無潮點，形成了一個逆時針旋轉的潮波系統，這與王永剛等［9］的工作是比較一致的。

3.3 潮流橢圓

一般來說，往復流區的潮流能便于集中開發利用。由于渤海海峽的潮流以正規半日潮和不正規半日潮為主［10］（本研究模式計算得到的潮流形態數分布與文獻［10］中結果基本一致，圖略），因此以M2分潮潮流橢圓為主來討論渤海海峽潮流的往復性。為了詳細的表達各水道潮流情況，將渤海海峽從北向南分四部分來畫圖表示（圖7），整體來看，整個渤海海峽的潮流以往復流為主，旋轉流只占很少一部分。老鐵山角的西側凹處稍偏向于旋轉流（圖7a）。南、北隍城島和大、小欽島的水道以往復流為主，其中小欽水道往復性不如大欽水道和皇城水道（圖7b）。砣磯島、高山島、猴磯島之間的水道呈較明顯的旋轉特性，在砣磯島的西南角有一片往復流區（圖7c）。長山水道以往復流為主，但北長山島北端凹處出現旋轉流。登州水道除了南長山島南端存在旋轉流區，其余均為往復流（圖7d）。

圖7 渤海海峽M2分潮潮流橢圓分布Fig.7 Distribution of M2ellipse in the Bohai Strait

3.4 最大可能流速

一般說來，最大潮流超過2m/s的海區才比較有開發利用潮流能的價值。最大可能潮流流速按下式計算：對于規則半日潮流海區，用計算式；對于規則全日潮流海區，用計算；對于不規則半日潮流和不規則全日潮流區，則取上述兩式計算結果中的最大值［11］。圖8給出了渤海海峽最大可能流速分布。

從圖8看，大流速區域出現在水道和岬角處，在海島的東西兩端往往存在著低流速區域，而在島的南北兩端的頂點處往往出現流速極大值，且如果對面也有島（即形成水道），其大流速區范圍將擴大，這是由于渤海海峽的潮波基本呈東西走向的緣故。

具體來說，在老鐵山水道北側的老鐵山角附近海域，存在著大片超過2m/s的海區，甚至有的區域超過了3m/s，最大值為3.3m/s，這也是渤海海峽模擬的最大流速。武賀等［12］指出老鐵山北側近岸海域最大可能流速約2.5m/s，這與本研究差異較大。為此作者查閱了最新的渤海海峽的海圖（海圖一般根據實測資料繪制），在老鐵山西角標有流速6.3kn（合3.2m/s），這支持本研究觀點。同樣超過3m/s的海區還有海峽最南部登州水道靠北長山島一側。其次在北隍城島的北部、南隍城島的南部（最大達1.8m/s）以及二者之間的隍城水道（超過2m/s）也出現流速較大區域。小欽水道兩個島東西錯落，離得較遠，因此大潮流區域比大欽水道要小。砣磯島、高山島、猴磯島之間的南、北砣磯水道、高山水道、猴磯水道最大也只有1.5m/s左右。另外兩個大流速區出現在長山水道北側以及登州水道西部區域，最大值在1.5～1.8m/s之間。

圖8 渤海海峽最大可能流速分布（m·s－1）Fig.8 Distribution of the possible maximum velocity of tidal current in the Bohai Strait（m·s－1）

4 渤海海峽潮流能資源分析

主要從流速、能流密度、潮流往復性等方面來討論渤海海峽的潮流能情況。

1）潮流流速大小直觀的反應了潮流能大小。由圖8可以看出老鐵山水道北部和登州水道流速都超過了3m/s，是渤海海峽潮流能最為豐富的地方，其中老鐵山水道北部的大流速區海域面積最廣。其余超過2m/s的海區包括：隍城水道、小欽水道、大欽水道、大黑山島和北長山島北部頂端。

2）潮流的能流密度是指通過單位面積的潮流能量，定義為：

式中，U為潮流流速；ρ為海水密度。

能流密度是表征某一海域潮流能量強弱或潮流能資源豐富程度的重要指標。e越大，表明該處的潮流能量越高，資源越豐富。潮流能的蘊藏量定義為P＝e·A，A為潮流所通過的截面面積。如本文章前言所述，實際的可開發量國際上至今也沒有統一的方法，對于不同的海灣、水道不同的發電機或是不同的布放密度、布放方式其比例系數如何確定，也是個難題，因此本研究不去做各種方法的可開發量的計算和比較，而是直接從能流密度上討論渤海海峽的潮流能資源的分布情況。呂新剛等［13］指出計算潮流能平均蘊藏量，以1a以上的資料為宜，這是因為潮流的變化有半日、全日、月、年等周期，最長的周期為18.6a。圖9給出了根據2006年的潮流后報資料計算的平均能流密度分布場。由于能流密度是流速的三次方，因此其分布情況與最大流速分布基本一致，而等值線更集中。從能流密度的大小來看，水道、島嶼南北端點處一般都會超過100W/m2，而老鐵山水道北部和北長山島北部的能流密度超過了300W/m2。表2給出了渤海海峽能流密度大于100W/m2的海區位置及相應的面積。從表中看出對平均能流密度大于100W/m2的海區來講，老鐵山角最大，為515.9km2，這比登州水道的40km2要大一個量級，而登州水道要比其余各個水道的面積也分別大了一個量級。

圖9 渤海海峽平均能流密度分布（W·m－2）Fig.9 Distribution of mean power density in the Bohai Strait（W·m－2）

表2 渤海海峽能流密度大于100W/m2的海區及對應的面積Table 2 The regions where the power density is larger than 100W/m2 and their corresponding areas in the Bohai Strait

3）從潮流往復性來看，老鐵山角的東側和外海（30m等深線以深）以往復流為主，西側靠岸部分往復性不明顯。登州水道大流速區的北側往復性也不明顯，而水道南部流速相對較小的海域是純正的往復流。另外幾個流速大于2m/s的水道或者島的頂端，均是典型的往復流。

綜上所述，渤海海峽水道眾多，其潮流能的開發潛力大，其中以最北部老鐵山角周邊以及最南部的登州水道潮流能最為可觀，而老鐵山水道北部高能區面積最廣，其中超過100W/m2的區域高達515.9km2。因此作者認為老鐵山東角近岸海域適合進行大規模的潮流發電站建設。

5 結語

本研究基于FVCOM模式，建立了渤海海峽高分辨的潮流模型，并通過兩個長期定點ADCP測流資料對模式的可靠性進行了驗證。利用模型結果詳細的描述了渤海海峽的潮流狀況，包括潮流橢圓，最大可能潮流等。以模型結果為基礎，繪制了能流密度圖，并結合流速、潮流的往復性討論了渤海海峽潮流能分布情況。對平均能流密度大于100W/m2的海區面積來講，老鐵山角比登州水道要大一個量級，而登州水道要比其余各個水道的面積也大了一個量級。最后建議在老鐵山角東部近岸海域適合進行大規模的潮流發電站建設。本文章僅從水動力的角度對渤海海峽潮流能資源進行了評估，實際建站之前還應綜合考慮海底底質、軍事用海、航行、對生態環境影響等各種因素。另外需要指出的是發電機在海底建成之后特別是建設規模較大時，會影響到潮流場，從而影響到能流密度的計算，如何考慮它們之間的相互作用從而對潮流能資源進行更為合理的評估是我們仍需進一步研究的問題。作者的下一步工作，將在潮流模式中考慮發電機對潮流場的影響，并選定某一海區進行深入的潮流能資源評估研究。

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