山東省周邊海域潮流能資源評估

李程，高佳，李文善，李歡，蔡仁翰，楊益

(國家海洋信息中心 天津 300171)

山東省周邊海域潮流能資源評估

李程，高佳，李文善，李歡，蔡仁翰，楊益

(國家海洋信息中心 天津 300171)

采用基于三角形可變分辨率網格系統的三維海洋模型，模擬得到2012—2013年山東周邊海域的潮汐潮流。對該海域潮流能進行模擬研究，結果表明：通過檢驗發現SELFE對山東周邊海域的潮汐潮流具有較強的模擬能力。平均流速、最大流速、最大可能流速與能流密度分布一致，較大的區域都發生在渤海海峽和成山頭海域，年平均能流密度分別達到600 W/m2和500 W/m2；選取了13個能流密度較大的重點斷面，對山東省潮流能資源進行評估，山東省潮流能蘊藏量總量為1 202.9 MW，資源較為豐富。其中，渤海海峽諸水道潮流能蘊藏量為914.2 MW，占山東省潮流能總資源儲量的76%；成山角斷面潮流能蘊藏量為190.3 MW，占山東省潮流能總資源儲量的16%。綜合以上計算結果及環境因素，文章推薦開發潮流能的海域為渤海海峽諸水道(尤其是北隍城北側水道)和成山角海域。潮流能的開發利用對于解決能源短缺、改善全球生態環境和維持可持續發展具有重要意義，能夠為我國維護海洋權益、邁向深藍提供科學依據。

山東海域；潮流能；數值模擬

潮流能是一種已經得到廣泛研究的可再生能源，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。20世紀90年代的英國[1]、美國[2]和加拿大[3]等歐美國家都曾對自己國家的沿岸潮流能資源評估方法進行過研究。2009年，歐洲海洋能中心發布了第一版潮流能資源評估指南[4]，對評估方法、數據要求及統計方法都進行了詳細的描述。在我國，早在1989年，王傳崑等[5]基于實測的流速資料提出了中國沿海農村潮流能資源的區劃。結果顯示我國潮流能資源分布很不均衡，其中，東海能源最為豐富，沿岸理論平均功率高達1 096萬kW占全國總量的78.6%。2009年，王傳崑和蘆葦[2]對中國沿海潮流能進行了整體的評估，根據現有的潮流資料進行統計，全國沿岸潮流能資源平均理論總功率為1 396萬kW。浙江省為各地中分布最多的，其次為臺灣、福建、山東沿岸。

山東省北臨渤海，東臨黃海，岸線曲折，地形復雜，海域遼闊，潮流資源豐富。同時，山東半島有3 000 km 余的海岸線，占全國海岸線總長的1/6，具備了開發潮流能的條件。鑒于前人對山東省潮流能蘊藏量的估算是基于實測資料，存在時長短、空間分辨率不足的缺點，本文將利用較新的水動力模型SELFE對山東省近岸海域進行高精度的數值模擬，統計分析該海域潮流能流密度特征，針對特定水道進行潮流能蘊藏量和技術可開發量的估算。

1 資料與方法

1.1 模型和資料介紹

水動力模型采用SELFE[7]，該模型采用非結構化網格，可以對重點關注區域進行網格加密，提高模擬效率；采用半隱式算法，可以適當加大時間步長，提高模擬效率。

對不同分辨率海圖采用ArcGIS進行拼接，結合實地調查獲得的水深和地形資料，采用反距離加權法制作計算區域水深數據(圖1)。

本文中模型驗證的水位資料來源于成山角驗潮站(122°18′E，37°09′N)2013年4月1日—30日逐時水位資料；流速流向數據來源于老鐵山水道海域的調查站位(121°33′E，38°06′N)的2013年5月1日0時至2013年5月2日1時的連續25 h逐時潮流資料。

圖1 計算區域水深

1.2 模擬方法介紹

采用SELFE模型的V3.1dc并行版本。模型設定的計算區域包括了整個山東沿岸海域(圖2)。計算區域面積為42.3萬km2，網格74 233個，節點38 992個，空間分辨率在開邊界處可達8 800 m，空間分辨率在重點關注區域山東沿岸海域最高可達200 m。

圖2 計算區域網格配置

模型的開邊界設置在黃海，節點數位66個，計算所用的潮汐調和常數來自于伴隨同化的渤海、黃海、東海潮汐模式模擬結果。時間步長設定為60 s，每1 h輸出一次計算結果。模式計算時間為從2012年12月1日開始，到2013年12月31日結束。

1.3 模擬數據的有效性檢驗

對模型輸出的水位數據和成山角驗潮站2013年4月1—30日逐時水位資料進行對比分析，相對誤差分別為7.9%，相關系數為0.97(圖3)。其中，*為驗潮站資料，實線為模擬計算結果。

圖3 水位驗證結果

對模型輸出的流速流向數據和老鐵山水道海域的調查站位的2013年5月1日0時至2013年5月2日1時的連續25 h逐時潮流資料進行對比分析，流速、流向的相對誤差分別為9.2%、6.4%，流速、流向的相關系數分別為0.93、0.94(圖4和圖5)。其中，*為實測資料，實線為模擬計算結果。

圖4 流速驗證結果

圖5 流向驗證結果

通過對比可以看出水位、潮流模擬結果與實測資料結果較好的符合，基本正確的模擬了水位、潮流的變化趨勢。總的來說，誤差均在可接受范圍內。可以認為SELFE模型的模擬結果能夠反映山東沿海海域的潮汐潮流特征。

2 潮流能評估結果分析

本文利用數值模擬的結果統計山東海域年平均流速、最大可能流速、年平均能流密度，并選取特定水道對潮流特征量進行統計、計算潮流能蘊藏量以及技術可開發量。計算均以垂向平均流速作為基礎數據。

2.1 平均流速和最大流速

本文沒有考慮溫鹽等影響，采用正壓模型，模型中往往是表層潮流流速最大，并隨著深度的增加逐漸呈指數性衰減。海水垂向流速(僅考慮邊界層摩擦)可以用近似公式計算：

式中：v0為海水表層流速；z為所求流速的海水所在的深度；v(z)為深度z處的海水的流速；d為海水深度；α為經驗常數，一般取7或者10。

通過對流速進行時間平均(一般為1年)得到年平均流速，并且統計了每個網格點的年最大流速，繪制成平均流速與最大流速分布圖(圖6和圖7)。

圖6 平均流速分布

圖7 最大流速分布

由圖7可以看出，流速較大區域主要集中在近岸海域和渤海海峽廟島群島附近的各個水道。其中以成山頭附近和渤海海峽諸水道的流速最大，其平均流速可超過0.9 m/s，局部的平均流速甚至可達1.0 m/s。

2.2 最大可能流速

按照《海港工程規范》的要求，最大可能流速的公式為：

Wmax=1.295WM2+1.254WS2+

式中：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。對模型輸出結果進行潮流調和分析，得到各分潮的橢圓要素，并根據上述公式計算得到模擬區域的最大可能流速分布(圖8)。

圖8 最大可能流速分布

從圖8可以看出，最大可能流速分布與2.1節中平均流速分布以及最大流速分布基本一致。

2.3 能流密度計算

能流密度，是單位時間通過單位映流面積的潮流能量。平均能流密度P計算公式為：

(2)

式中：v為t時刻的流速(m/s)；T為評估周期；ρ為海水密度，這里取常數1 025 kg/m3。

依據式(2)，對山東海域平均能流密度進行計算，再統計分析得到山東海域年平均能流密度，圖9為平均能流密度分布。

圖9 平均能流密度分布

總的來看，能流密度分布與流速的分布相似。渤海海峽諸水道能流密度最大，可達600 W/m2；其次為成山角海域，能流密度可達500 W/m2；再次為三山子島附近(山東半島南部)、黃河口海域以及膠州灣口，能流密度可達120 W/m2。

2.4 重點區域的選取

根據前面計算的潮流特征和年平均能流密度的分布情況，將最大可能流速大于1.0 m/s的區域標記出來，便于更清晰地討論(圖10)。選取渤海海峽各水道、成山頭附近、三山水道、黃河口附近、膠州灣口、瑯琊附近和嵐山附近等多個區域作為重點研究區域，并選取了重點區域中13個能流密度較大的斷面，根據流速數據計算出最大垂向平均流速點的位置和角度[8](表1)。

圖10 代表區域分布

水道出現最大流速點的位置經度E°緯度N°最大流速角度/(°)截面角度/(°)平均能流密度/(W·m-2)成山角12267593742801076176536三山水道122306336823691515183登州水道120752637887222031303435長山水道120715737991797171297大欽水道120794538280827181818308小欽水道120854138348733392439342北隍城北120926838403230062106279北砣磯水道12074333820871003103218南砣磯水道12077003815001156256654膠州灣口120280036030028321932118黃河口1193200376400445134591瑯琊119910035620021951295113嵐山11937003508002157125786

2.5 潮流能蘊藏量及理論可開發量

潮流能蘊藏量是通過某個截面的潮流能量[8]。理論計算公式為：

式中：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，取一年；L水道寬度；H水深，ρ為海水密度，取1 025 kg/m3。

本文在垂向平均流速最大的地方設置斷面，斷面方向與潮流橢圓的主軸方向垂直。對于潮流能理論可開發量的計算選用Flux法[9]，有效影響因子(SIF)取值參考美國電力研究協會[10]在進行潮流能評估時的SIF取值取為15%進行計算。

依據能流密度分布情況，我們選取了重點區域中13個能流密度較大的斷面，這些斷面潮流能蘊藏量較大，經過計算，得到這13個斷面的潮流能蘊藏量、可開發潮流能功率及資源類別(表2)。

表2 山東省潮流能蘊藏量分布

其中，資源類別依據最大流速(vm)劃分，一類資源區vm≥3.06 m/s；二類資源區2.04≤vm<3.06 m/s；三類資源區1.28≤vm<2.04 m/s。根據結果對這13個重點區域進行了資源類別的統計(表3)。

表3 山東省重點區域潮流能資源類別統計

從表2和表3中可以看出，山東省潮流能資源儲量較為豐富，總和為1 202.9 MW。其中，成山角、登州水道、長山水道、大欽水道、小欽水道、北隍城北側6個區域屬于二類資源區；三山子水道、南砣磯水道、北砣磯水道、膠州灣口、黃河口、瑯琊、嵐山7個區域屬于三類資源區。

渤海海峽諸水道蘊藏量最為豐富，北隍城北側、北砣磯水道和登州水道潮流能蘊藏量分別為533.2 MW、135.5 MW和96.7 MW，再加上長山水道、南砣磯水道、大欽水道和小欽水道的蘊藏量，使得渤海海峽諸水道潮流能資源儲量達914.2 MW，占山東省潮流能總資源儲量的76%。成山角斷面潮流能蘊藏量為190.3 MW，占山東省潮流能總資源儲量的16%。其他幾個斷面潮流能蘊藏量較小，其和僅為98.4 MW，占山東省潮流能總資源儲量的8%。

3 結論

本文基于水動力模型SELFE，對山東省海域進行了高精度的數值模擬，很好地重現了該海域潮汐潮流的特征。有效地解決了實測資料稀缺的問題，是一種有效地潮流能資源評估的方法。

山東海域年平均能流密度分布與流速的分布相似。渤海海峽諸水道能流密度最大，可達600 W/m2；其次為成山角海域，能流密度可達500 W/m2；再次為三山子島附近(山東半島南部)、黃河口海域以及膠州灣口，能流密度可達120 W/m2。

本文選取了13個能流密度較大的重點斷面，對山東省潮流能資源進行評估。得到結論如下：

山東省潮流能蘊藏量總量為1 202.9 MW，在全國各省、市、自治區排名第4，其中，渤海海峽諸水道蘊藏量最為豐富，北隍城北側、北砣磯水道和登州水道潮流能蘊藏量分別為533.2 MW、135.5 MW和96.7 MW，再加上長山水道、南砣磯水道、大欽水道和小欽水道的蘊藏量，使得渤海海峽諸水道潮流能資源儲量達914.2 MW，占山東省潮流能總資源儲量的76%。成山角斷面潮流能蘊藏量為190.3 MW，占山東省潮流能總資源儲量的16%。

推薦開發潮流能的海域為渤海海峽諸水道和成山角海域。渤海海峽諸水道自然條件較好，尤其是北隍城北側能流密度高、截面寬、儲量大、潮差較小、冬季不結冰，而且這些區域附近存在很多海島，這些都很有利于開發利用，是最具有開發價值的海域。

[1] 戴慶忠.潮流能發電及潮流能發電裝置[J].東方電機，2010(2).

[2] 王傳崑，蘆葦.海洋能資源分析方法及儲量評估[M].北京：海洋出版社，2009：52-129.

[3] CORNETT A.Inventoryof Canada’s marine renewable energy resources[C]//Ottawa：National Research Council and Canadian Hydraulics centre，2006.

[4] Black &Veatch Consulting，Ltd.Assessment of Tidal Energy Resource[M].Marine Renewable Energy Guides，2009.

[5] 王傳崑，陸德超.中國沿海農村海洋能資源區劃[M].北京：國家海洋局科技司，水電部科技司.1989，1-127.

[6] PAISH O，FARENKEL P，GAVA P.The exploitation of tidal and marine currents，european commission，non-nuclear energy-JOULE Ⅱ，wave energy project result，eirectorate-general science，research and development[C]//Luxembourg：Office for Official Publications of European Communtites，Brussels Luxenmbourg，1996.

[7] ZHANG Y，BAPTISTA A M.SELFE：a semi-implicit Eulerian-Lagrangian finite-element model for cross-scale ocean circulation[J].Ocean Modelling，2008，21(3)：71-96.

[8] 侯放，于華明，鮑獻文.基于高分辨率數值模型的舟山群島海域潮流能資源分析[C]//中國可再生能源學會2011年學術年會論文集，2011.

[9] 呂新剛，喬方利.海洋潮流能資源估算方法研究進展[J].海洋科學進展，2008，26(1)：98-108.

[10] HAGERMAN G，POLAGYE B，BEDARD R，et al.Methodology for estimating tidal current energy resources and power production by tidal In stream energy conversion (TISEC)device[C]//Report EPRI—TP一001 NA Rev 3.Palo Alto：Electric Power Research Institute，2006.

Tidal Current Energy Resource Assessment in Offshore of Shandong Province

LI Cheng，GAO Jia，LI Wenshan，LI Huan，CAI Renhan，YANG Yi

(National Marine Data and Information Service，Tianjin 300171，China)

Tides and tidal currents simulation during 2012—2013 was constructed to explore the tidal current energy in offshore of Shandong Province，by using the three-dimensional ocean model Semi-implicit Eulerian-Lagrangian finite-element model for cross-scale ocean circulation(SELFE)，which is based on the unstructed，variable resolution triangular mesh system.The validation results show that the model is accurate and robust comparing with the observations.According to the statistics of the simulation results，the larger mean flow velocity，maximum velocity and the maximum probable velocity all occur mainly at the channels in Bohai Strait and Chengshantou Area，which is similar to the tidal current energy flux density distribution.The average tidal current energy flux density at channels in Bohai Strait and Chengshantou area is about 600 W/m2and 500 W/m2respectively.Thirteen vertical sections with larger tidal current energy flux density were analyzed to assess that the total tidal current energy in offshore of Shandong Province.The results show that the tidal energy resource in Shandong is abundant with the total number of 1 202.91 MW，at the forth place in China.The tidal energy at the channels in Bohai Strait is 914.2 MW，76% of the total energy；and the tidal energy at Chengshantou area is 190.3 MW，16% of the total energy.Combined with the natural environment，the channels in Bohai Strait (especially Beihuangcheng northern area) and Chengshantou area are the recommended areas to exploit the tidal current energy.

Offshore of Shandong Province，Tidal current energy，Numeric simulation

2016-06-31；

2016-11-30

海洋公益性行業科研專項項目(201505018-2)；國家科技支撐計劃項目(2014BAB12B02)；天津市科技支撐計劃項目(14ZCZDSF00012).

李程，助工，碩士，研究方向為淺海動力學研究，電子信箱：licheng_ouc@163.com

高佳，博士，研究方向為淺海動力學研究，電子信箱：gaojia109@163.com

P731.2

A

1005-9857(2017)01-0075-06