海洋鹽差能資源調(diào)查與評估方法探討

周慶偉，白楊，張松，劉富鈾，陳利博

(國家海洋技術(shù)中心 天津 300112)

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海洋鹽差能資源調(diào)查與評估方法探討

周慶偉，白楊，張松，劉富鈾，陳利博

(國家海洋技術(shù)中心 天津 300112)

我國海洋鹽差能蘊(yùn)藏量豐富，但是海洋鹽差能調(diào)查的方法并不明確。文章完善了海洋鹽差能調(diào)查與評估計算的方法，用實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，并對海洋鹽差能調(diào)查與評估給出了建議。

海洋鹽差能；調(diào)查與評估方法；淡水徑流量；蘊(yùn)藏量

海洋鹽差能是指在江河入海口，由于淡水和海水鹽度不同所存在的一種物理化學(xué)能，常以滲透壓形式表現(xiàn)出來。滲透壓是指用半透膜把兩種不同濃度的溶液隔開時發(fā)生滲透現(xiàn)象，到達(dá)平衡時半透膜兩側(cè)溶液產(chǎn)生的位能差。滲透壓的大小是由兩種溶液的濃度差所決定的。鹽差能的能量與滲透壓和淡水量(滲透水量)成正比[1]。利用這一水位差就可以直接由水輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。鹽差能發(fā)電的基本方式是將不同鹽濃度的海水之間的化學(xué)電位差能轉(zhuǎn)換成水的勢能，再利用水輪機(jī)發(fā)電，主要有滲透壓式、蒸汽壓式和反向電滲析等[2]。

我國海域遼闊，海岸線漫長，入海的江河眾多，入海的徑流量巨大，在沿岸各江河入?？诟浇N(yùn)藏著豐富的鹽差能資源。據(jù)統(tǒng)計我國沿岸全部江河多年平均入海徑流量約為1.5×1012～1.6×1012m3，各主要江河的年入海徑流量約為1.4×1012～1.5×1012m3，據(jù)估算，我國沿岸鹽差能理論儲量為3.58×1015kJ[3]。在石油、煤炭、天然氣等不可再生能源日益枯竭的當(dāng)今，發(fā)展海洋鹽差能等海洋可再生能源開發(fā)利用在世界主要沿海國家都具有重要的戰(zhàn)略意義。

1 海洋鹽差能調(diào)查與評估方法

海洋鹽差能開發(fā)利用的關(guān)鍵在于發(fā)電裝置的研究和調(diào)查區(qū)域鹽差能理論蘊(yùn)藏量的評估計算。目前國內(nèi)外對于發(fā)電裝置的關(guān)鍵技術(shù)研究取得了可喜的成果，主流技術(shù)是采用滲透壓能法和反電滲析法進(jìn)行發(fā)電[4]。雖然還有很多關(guān)鍵技術(shù)不是很成熟，尤其是發(fā)電成本較高直接制約了海洋鹽差能發(fā)電技術(shù)的利用，但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和政策法規(guī)的支持，相信將來這些技術(shù)難點(diǎn)會逐步得到解決。

在建立海洋鹽差能發(fā)電站前需要先摸清該區(qū)域鹽差能的理論蘊(yùn)藏量，“我國近海海洋綜合調(diào)查與評價專項(xiàng)”開展了“我國近海海洋可再生能源調(diào)查與研究”，對我國近海海洋鹽差能進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查。項(xiàng)目吸收了國內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)，形成了適合我國的鹽差能資源調(diào)查與評估的方法。本文對上述項(xiàng)目使用的簡化公式與文獻(xiàn)[3]中的公式進(jìn)行了比較和修改，并對蘊(yùn)藏量調(diào)查和評估方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

1.1 海洋鹽差能計算方法

1.1.1 海洋鹽差能理論蘊(yùn)藏量標(biāo)準(zhǔn)化公式

理論蘊(yùn)藏量可按式(1)計算：

N=πQ

(1)

式中：N為鹽差能理論蘊(yùn)藏量(W)；π為滲透壓(J/m3)；Q為多年平均淡水徑流量(m3/s)。

1.1.2 滲透壓

目前滲透壓估算的方法有以下3種。

(1)由范特荷夫首先提出了滲透壓與濃度之間的關(guān)系式，但對于強(qiáng)電解質(zhì)的海水修改后的滲透壓公式可由公式(2)得出[5]：

π=iCRT

(2)

式中：i為范特荷夫系數(shù)(Van＇t Hoff)；C為液體的體積摩爾濃度(mol/L)；R為氣體常數(shù)，取8.314[J/(mol·K)]；T為絕對溫度(K)。

(2)淡水與海水間的滲透壓是海水鹽度和溫度的函數(shù)，隨著鹽度和溫度的增高而增大。同時，滲透壓還與海水的冰點(diǎn)溫度有關(guān)。實(shí)際海水的滲透壓可以通過式(3)至式(6)經(jīng)驗(yàn)公式計算得出：

(3)

π0=12.08ΔTg

(4)

ΔTg=9.66×10-2DCl+5.2×10-6(DCl)3

(5)

DCl=(S-0.030)/1.8050

(6)

式中：π0為海水0℃時滲透壓(J/m3)；t為相對溫度(℃)；ΔTg為海水冰點(diǎn)下降值(℃)；DCl為海水氯度；S為鹽度[6]。

(3)海水DCl中元素體積摩爾濃度與氯度的關(guān)系為：C=ρ·DCl%/m，其中DCl%為海水的氯度；m為Cl的摩爾濃度，35.45 g/mol；ρ為海水密度，這里取1.015×103 kg/m3。帶入公式(2)得滲透壓計算公式：

π=(0.71+0.002 6t)(S-0.03)

(7)

式中：t為海水溫度(℃)。

海洋鹽差能理論蘊(yùn)藏量計算難點(diǎn)在于確定滲透壓的計算方法，以上3種滲透壓計算方法都屬于估算，但不管哪種公式計算出的滲透壓值誤差都不會超過10%，決定海洋鹽差能理論蘊(yùn)藏量最主要的參數(shù)是淡水徑流量，該值是鹽差能調(diào)查中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1.2 海洋鹽差能調(diào)查方法

1.2.1 淡水徑流量測量方法

淡水徑流量的測量主要包括以下兩種方法：①通過流速儀和浮標(biāo)等方法進(jìn)行斷面測流，同時進(jìn)行測深，從而計算流量的傳統(tǒng)方法；②在測量斷面使用ADCP進(jìn)行流量的測量，分定點(diǎn)式和走航式測量[7]。

在海洋鹽差能調(diào)查中宜采用簡單易行、準(zhǔn)確高效的走航式ADCP測量流量，ADCP走航測量流量已經(jīng)在水利部門應(yīng)用多年，研究學(xué)者對ADCP的原理、誤差分析、感潮河段使用方法等進(jìn)行了較多的研究[8-10]，積累的大量的測量經(jīng)驗(yàn)。

1.2.2 水溫和鹽度測量方法

在淡水徑流量測量斷面上選取一個測點(diǎn)進(jìn)行同步溫度、鹽度測量，并沿淡水流向方向上設(shè)置若干斷面，在斷面上布設(shè)若干站位進(jìn)行連續(xù)同步觀測剖面水溫和鹽度，并進(jìn)行記錄。

1.2.3 淡水徑流量測量斷面設(shè)站基本原則

宜滿足以下基本原則：①靠近江河入?？谔?；②測量斷面所在的河段宜順直，水流集中、穩(wěn)定，無分流、岔流、斜流、死水等現(xiàn)象；③斷面長度較窄、通視條件好、受風(fēng)浪影響較?。虎墚?dāng)河段內(nèi)有固定分流，分流量超過斷面總流量的20%時，應(yīng)分別設(shè)置斷面進(jìn)行同步測量；⑤斷面長度超過3 km時需要進(jìn)行多船分段同步測量。

1.2.4 水溫和鹽度測量站位布設(shè)基本原則

宜滿足以下基本原則：①斷面和站位的分布、數(shù)量，以滿足數(shù)據(jù)統(tǒng)計的需求及圖件的比例尺要求為依據(jù)；②斷面和站位的布設(shè)，根據(jù)該區(qū)域地貌特征和水文條件合理布局；③斷面的設(shè)置方向，宜與江河入海的淡水流向一致，站位可采用等距離或沿等深線分布。

2 驗(yàn)證方法

2.1 計算公式驗(yàn)證

對于25℃的海水，其滲透壓近似計算得24.8 atm，但不同海域的溫度和體積摩爾濃度都不同，因此不對此公式進(jìn)行驗(yàn)證。利用式(3)至式(6)進(jìn)行滲透壓計算，結(jié)果見表1。

表1 滲透壓與海水鹽度、溫度的關(guān)系

注：滲透壓以標(biāo)準(zhǔn)大氣壓atm表示，1 atm=1.013 25×105Pa.

比與文獻(xiàn)[3]中給出的滲透壓與海水鹽度、溫度關(guān)系表相比兩者相差3%左右。

2.2 實(shí)測資料驗(yàn)證

在閩江入?？谶x取斷面進(jìn)行了5個航次的走航ADCP淡水徑流量調(diào)查，并在入?？谕膺x取站位進(jìn)行了定點(diǎn)連續(xù)溫鹽觀測。由于閩江水系呈扇形分布，具有源長、流域面積大、多支流、比降大等特點(diǎn)，閩江在汛期洪水量大，最大洪峰超過3×104m3/s。夏季調(diào)查受洪水影響較大，本次調(diào)查使用ADCP實(shí)測的結(jié)果無法代表整個夏季的徑流情況，所以在計算閩江口鹽差能蘊(yùn)藏量時使用了永泰、竹岐水文站2009年的徑流數(shù)據(jù)。計算得各季平均淡水徑流量，春季為1 403 m3/s，夏季為2 008 m3/s，秋季為914 m3/s，冬季為622 m3/s。

閩江口外海溫度、鹽度及利用式(7)計算的海洋鹽差能理論蘊(yùn)藏量統(tǒng)計見表2。

表2 溫度、鹽度及鹽差能理論蘊(yùn)藏量統(tǒng)計

文獻(xiàn)[3]中統(tǒng)計1984—1987年的鹽差能資料，閩江口年平均徑流量為1.75×103m3/s，入海水量5.52×1010m3，滲透壓取值24 atm時計算理論功率為4.25×106kW。2009年閩江年平均淡水徑流量為1.24×103m3/s，年淡水徑流總量為3.91×1010m3，通過年平均溫度和鹽度計算出的滲透壓為22.69，鹽差能理論蘊(yùn)藏量為2.81×106kW。對比2009年結(jié)算結(jié)果與歷史資料的計算結(jié)果趨勢一樣。存在誤差的主要原因：一是淡水徑流量年際變化較大存在風(fēng)水年枯水年；二是采用的滲透壓計算方法不同，但總體不影響海洋鹽差能理論蘊(yùn)藏量的評估。

3 建議

通過驗(yàn)證對比，本文的計算方法能較好地對江河入海口海洋鹽差能資源調(diào)查與評估，但還存在以下幾點(diǎn)問題需要注意。

(1)歷史資料的收集。盡量收集調(diào)查區(qū)域的相關(guān)歷史資料，主要包括：江河入?？诟浇恼居^測的淡水徑流量和潮位歷史數(shù)據(jù)；江河入?？谕夂Ｑ笳竞透?biāo)等觀測的海水溫度、鹽度數(shù)據(jù)。為了對調(diào)查海域鹽差能資源開發(fā)利用，需要對同時收集調(diào)查區(qū)域的地理、氣候狀況，流場、波浪、溫鹽等水文動力環(huán)境狀況，水深地形、海底地貌及地質(zhì)結(jié)構(gòu)等狀況，災(zāi)害、海洋功能區(qū)劃、社會經(jīng)濟(jì)等狀況等進(jìn)行評估。

(2)流量測量斷面的選擇。流量數(shù)據(jù)直接關(guān)系到評估的準(zhǔn)確性，因此測量斷面的選擇至關(guān)重要，而我國江河入?？诙嘤胁砹髦Я?，在斷面選擇前進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)地勘察是很有必要的。

(3)調(diào)查時次和調(diào)查時間跨度的選擇。建議調(diào)查周期為一年中的4個季度各施測3次，每次按大、中、小潮期施測，每個潮期觀測時間長度內(nèi)至少包含1個漲潮和落潮，落潮每小時測量1次，漲潮可以加密為每半小時測量1次。為了提高流量測量精度，可以適當(dāng)?shù)脑黾邮y次數(shù)。

[1] 韓家新,中國近海海洋-海洋可再生能源[M].北京:海洋出版社,2015：2.

[2] 紀(jì)娟,胡以懷,賈靖,等.海水鹽差發(fā)電技術(shù)的研究進(jìn)展[J].能源技術(shù),2007,28(6):336-338,342.

[3] 王傳崑.海洋能資源分析方法及儲量評估[M].北京:海洋出版社,2009：187-197.

[4] 劉伯羽,李少紅,王剛,等.鹽差能發(fā)電技術(shù)的研究進(jìn)展[J].可再生能源,2010,28(2):141-144.

[5] 李云才.關(guān)于建造海水滲透壓能發(fā)電站的探索[J].海洋工程,1985,3(3):89-96.

[6] 馮士筰,李鳳岐,李少菁.海洋科學(xué)導(dǎo)論[M].北京:高等教育出版社,1999：58.

[7] 水利部長江水利委員會水文局.SL 337—2006聲學(xué)多普勒流量測驗(yàn)規(guī)范[S].北京:中國水利水電出版社,2006.

[8] 田淳，劉少華.聲學(xué)多普勒測流原理及應(yīng)用[M].鄭州:黃河水利出版社,2003：3.

[9] 陳學(xué)林.聲學(xué)多譜勒流速剖面儀流量測驗(yàn)精度分析[J].人民黃河,2005,7：12-14.

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On the Investigation and Evaluation Method of Marine Salinity Gradient Energy

ZHOU Qingwei，BAI Yang，ZHANG Song，LIU Fuyou CHEN Libo

(National Ocean Technology Center，Tianjin 300112)

There is plenty of marine salinity gradient energy storing in China’s seas.But the survey method for the energy is still not clear.A method to survey and evaluate the marine salinity gradient energy was proposed in this paper，which was verified with actual data.The results showed that this method is practical.Furthermore，some suggestions for the survey and evaluation for the energy were made.

Marine salinity gradient energy，Survey evaluation method

周慶偉，工程師，研究方向?yàn)楹Ｑ笳{(diào)查、海洋測繪，電子信箱：zhouqingwei13@163.com

P746

A

1005-9857(2016)01-0082-04