江蘇沿海海域潮流能資源分析評估

吉會峰，高清清，宋心剛，丁言者，楊波，劉吉堂

（自然資源部南通海洋中心，江蘇南通226002）

0 引言

海洋表面積（約為3.61×108km2）為地球表面積的70.8%，海洋中蘊藏著巨大的可再生能源[1]。目前，開發利用海洋能的主要形式有海上風電、潮汐能發電、潮流能發電和波浪能發電等[2-3]。潮流能發電原理與風力發電原理類似，即通過轉換裝置將水流動能轉化為機械能，進而轉化為電能[4]。與其他海洋能資源相比，潮流能具有可預測、環境影響小、投資靈活、技術成熟度高、功率密度大、能量穩定等特點[5]。潮流能在近十年里受到世界各沿海國家的重視，相關技術研發工作也在開展[6]。

江蘇是能源消費大省。近年來，隨著經濟的迅速發展，江蘇的能源消耗量持續增加，因此需要通過大力發展新能源來保障經濟發展。江蘇海域遼闊，沿海有很多潮汐水道，特別是輻射沙洲水道，其局部區域潮差大、潮流強，蘊藏著豐富的潮流能資源，具有廣闊的開發利用前景。海域潮流特征和潮流能資源狀況是潮流能開發利用及建設選址的重要依據[7]，在建設潮流能發電裝置之前，需要對其進行詳細了解和評估。通過潮流數值模擬獲得數據結果，進而開展潮流能評估是一種有效方法，已被廣泛應用于不同海域的潮流能估算中[7-9]。

本文通過數值模擬方法建立了江蘇沿海水動力模型，采用觀測資料進行模型的驗證；計算江蘇海域一年的潮流場，并在分析潮流特性的基礎上，統計分析江蘇海域潮流能年平均功率密度及年有效流時空間分布，計算典型水道斷面潮流能的理論蘊藏量，為江蘇沿海潮流能的開發利用提供相關工作基礎。

1 數學模型建立與驗證

本文利用MIKE21[10]水動力模塊建立二維潮流數學模型對區域流場進行模擬。MIKE21 是丹麥水利研究所（Danish Hydraulic Institute）開發的專業二維自由水面流動模擬系統，適用于近海海域、海灣、港區及河道水環境的模擬。模型基于二維/三維不可壓縮和Reynolds 值均勻分布的Navier-Stokes 方程，并服從于Boussinesq 假定和靜水壓力假定。模型計算網格為任意三角形單元，能夠有效準確地模擬岸線的外形輪廓，并根據研究需要對計算網格任意進行加密，以便能夠在大范圍模型中實現局部精細模擬，從而得到合理的數值模擬結果。

1.1 定解條件

初始條件：模型采用冷啟動，即初始潮位、流速均設為0；提前5 d開始模型計算以使其穩定[11]。

邊界條件：①對于閉壁邊界，水體質點在邊界上的法向流速設為零，即V→·n→= 0。②開邊界采用水位邊界條件，水位由8 個主要天文分潮（M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1）的潮汐調和常數進行計算后得到[12-14]。潮汐調和常數由NAO.99b 潮波預報模型[15]結果內插到相應的開邊界網格點上，并根據潮位驗證情況進行局部調整。

1.2 計算范圍及參數設置

本文數值模型網格見圖1a，采用無結構的三角形網格，并在蘇北淺灘區域進行加密。模型網格最小分辨率為200 m，計算區域網格點數共計45 193 個，三角形單元數量為89 155個。水深地形方面，近海水深采用海軍航保部發布的海圖（圖號：12570、12640、12700、13100）上的水深數據，外海水深采用美國國家地球物理數據中心（National Geophysical Data Center，NGDC）公布的ETOP01 全球地形水深數據，并將兩種不同的水深數據訂正到同一個起算面上。

圖1 模型計算區域網格（a）及驗證點位分布（b）Fig.1 Mesh of model domain(a)and distribution of verification points(b)

時間步長根據數值模擬的CFL 數進行自動調整，最短步長取0.01 s，CFL數取0.8。模型采用干濕網格判別法，干水深設置為0.005 m，淹沒水深設置為0.05 m，濕水深設置為0.1 m。水平渦粘系數采用Smagorinsky公式計算。

1.3 模型驗證

利用收集的江蘇沿海呂四站和連云港站的實測潮位數據及啟東（QD01、QD02）、如東（RD01、RD02）、大豐（DF01、DF02）、濱海（BH01、BH02）、連云港（LY01、LY02）海域10 個站點的實測海流數據對模型計算結果的準確性進行驗證，驗證點位分布見圖1b。

1.3.1 潮位驗證

由圖2 的潮位驗證結果可見，呂四站和連云港站的潮位計算值與實測吻合較好，且兩者相位基本一致。對模擬潮位數據進行調和分析，獲得M2、S2、O1和K14 個分潮的調和常數，并與實測潮位數據的調和常數進行驗證對比與誤差分析，結果見表1。對比分析表明4 個分潮振幅的絕對誤差小于9.1 cm、相對誤差小于9.8%，遲角的絕對誤差小于13.3°、相對誤差小于9.9%。圖3 為模型模擬M2、K1兩個分潮的同潮圖，與海洋圖集上的分潮同潮圖相比，兩個分潮的振幅和遲角擬合效果都較好，分潮無潮點位置基本相同。

表1 M2、S2、O1和K1分潮調和常數對比Tab.1 Comparison of observation and simulation of tidal constituents of M2，S2，O1 and K1

圖2 呂四站和連云港站潮位驗證圖Fig.2 The validation of tide level in Lvsi and Lianyungang

圖3 模擬M2和K1分潮同潮圖Fig.3 The cotidal charts of M2 and K1 constituents

1.3.2 流速、流向驗證

啟東、如東、大豐、濱海、連云港海域5個點位的潮流驗證結果見圖4。模型計算結果與實測數據值吻合較好，流速和流向變化過程與實測結果基本一致。引入模型精度檢測參數（Skill Score，SS）[16]對海流模擬結果進行評價，結果見表2，計算公式為：

表2 各海流驗證站位SS值Tab.2 The SS values of current verification stations

圖4 流速流向驗證結果Fig.4 The validation of current speed and direction

式中：Mi為模擬結果；Oi為實測結果；Oˉ為實測結果的均值。當SS＞0.65 時，模型可信度極高；SS 為0.5～0.65 時，模型可信度較好；SS為0.2～0.5 時，模型可信度一般；SS＜0.2 時，模型可信度較差。由表2 可知，各驗證站位流速SS 值介于0.774～0.971，流向SS 值介于0.817～0.997，均大于0.65，表明模型可信度高。

以上模型的率定與驗證表明，模型物理參數和計算參數的設置基本合理，能夠較好地反映江蘇海域潮流運動特征。

2 結果分析

2.1 江蘇沿海流速空間分布特征

水動力模型計算時間為一年，計算結果選擇每0.5 h 記錄一次，得到逐0.5 h 潮流場，對計算結果進行統計，分別計算江蘇沿海年平均流速（模型輸出逐0.5 h 流速值的平均值）和年最大流速（模型輸出逐0.5 h流速值中的最大值）。計算結果分布見圖5。江蘇沿海潮流年平均流速最大可達1.13 m/s，出現在輻射沙洲以北東臺附近海域；在東臺—大豐海域以及濱海廢黃河口附近海域存在流速高值區，年平均流速在0.8 m/s以上；連云港海域年平均流速較小，普遍在0.4 m/s以下；其他區域流速為0.4 ～0.8 m/s。潮流年最大流速分布特征與年平均流速較為一致，輻射沙洲北側東臺附近海域年最大流速可達3.0 m/s。

圖5 年平均流速（a）和最大流速（b）分布Fig.5 The distribution of annual mean velocity(a)and maximum velocity(b)

2.2 江蘇沿海潮流特性及可能最大流速

江蘇沿海潮流性質以規則半日潮流為主。從江蘇沿海潮流矢量圖（見圖6a）中可以看出，江蘇南部輻射沙洲外海區域潮流流態為典型的旋轉流；輻射沙洲近岸水域受地形影響，潮流流態主要為沿沙脊通道的往復流。江蘇北部尤其是新洋港—廢黃河口之間海域潮流以往復流為主，廢黃河口—海州灣潮流的旋轉流性質有所加強；連云港南北兩翼區域潮流橢圓率稍小，主軸方向較為明顯，外海海域呈現較強的旋轉流性質。

圖6 潮流矢量（a）和可能最大流速（b）分布Fig.6 The distribution of tidal current vector(a)and possible maximum velocity(b)

根據水動力模型一年的潮流計算結果，進行調和分析可以得到M2、S2、K1、O1、M4和MS4分潮的調和常數，繼而計算得到江蘇沿海潮流的可能最大流速，結果見圖6b。從圖中可以看出，除連云港海域外，江蘇沿海潮流可能最大流速基本在1.5 m/s 以上，其中濱海—東臺近岸海域可能最大流速較大，超過2.0 m/s，輻射沙洲個別區域可能最大流速可達3.6 m/s。

2.3 江蘇沿海潮流能空間分布特征

潮流能來源于海水在周期性運動中所攜帶的動能，潮流能功率密度是分析評估潮流能資源特性的重要指標[17]，計算公式為：

式中：P為潮流能功率密度，單位：W/m2；ρ為海水密度，取1 025 kg/m3；V為潮流流速，單位：m/s。

根據模型計算出江蘇海域逐0.5 h潮流場，按照式（3）計算出對應時刻的潮流能功率密度值，取算術平均后得到年平均功率密度，結果見圖7。由圖可見，江蘇沿海海域潮流能功率密度總體呈南北低、中間高的分布趨勢，即：連云港海域潮流能功率密度基本在200 W/m2以下；鹽城近岸基本在200 W/m2以上，濱海廢黃河口附近部分區域在400～600 W/m2，大豐、東臺部分區域在600 W/m2以上，東臺市弶港鎮外側輻射沙洲個別水道區域最大值可達1 450 W/m2；南通近岸灘涂區域基本在200 W/m2以下，向外海方向增加到200～400 W/m2。本文計算的年潮流能功率密度分布趨勢與酈凱等[18]利用潮流數學模型模擬得到的平均潮流能流密度分布基本一致，本文得到的潮流能功率密度最大值略高于酈凱等的研究結果。

圖7 年平均潮流能功率密度（a）和年有效流時（b）分布Fig.7 The distribution of annual mean tidal current energy power density(a)and significant hours(b)

計算區域內每個模擬點全年流速≥0.6 m/s 的累計時間之和（潮流能年有效小時數，即年有效流時[19]）的分布情況。從圖7 可以看到，除連云港區域和近岸灘涂區域外，江蘇沿海大部分區域潮流能年有效流時＞2 400 h，鹽城近岸區域以及南通外海區域普遍＞4 800 h。

結合江蘇沿海水深地形，分別統計江蘇沿海區域（啟東圓陀角—贛榆繡針河口）10 m、20 m和30 m等深線范圍內潮流能功率密度和年有效流時情況，結果見表3。江蘇沿海10 m等深線范圍內年平均潮流能功率密度為0～1 450 W/m2，平均值為229 W/m2，年有效流時為0～6 896 h，平均值為3 759 h；10～20 m 等深線范圍內年平均潮流能功率密度為18～890 W/m2，平均值為213 W/m2，年有效流時為263～6 190 h，平均值為4 196 h；20～30 m等深線范圍內年平均潮流能功率密度為35～356 W/m2，平均值為168 W/m2，年有效流時為385～6 652 h，平均值為4 053 h。

表3 不同等深線區域范圍內潮流能功率密度和年有效流時統計Tab.3 Tidal current energy power density and significant hours in different isobath areas

2.4 典型斷面資源量估算

為進一步了解江蘇海域潮流能資源的蘊藏量情況，根據計算得到的江蘇沿海潮流能功率密度分布，在濱海廢黃河口、輻射沙洲北部西洋、東部苦水洋、南部黃沙洋4 處各取一條特征斷面（見圖8），計算潮流能資源理論蘊藏量。斷面的選取主要考慮潮流能功率密度大小，同時考慮潮流能開發建設所需的水深限制條件。因此，斷面位置均選取在潮流能功率密度較大的水道且平均水深＞15 m 的區域。為便于比較，斷面長度統一設置為10 km，斷面走向垂直于漲落潮流主流向，所選斷面潮流能功率密度及水深情況見表4。

表4 江蘇海域典型斷面潮流能理論蘊藏量Tab.4 Theoretical reserves of tidal current energy resources in typical sections

圖8 典型斷面位置Fig.8 Location of typical sections

基于Flux方法[20]計算潮流能資源理論蘊藏量：

式中：Ptotal為潮流能蘊藏量；Pm為平均潮流能功率密度；A為水道斷面面積。

經計算，輻射沙洲北部西洋斷面潮流能資源理論蘊藏量最高為157 MW，其次為廢黃河口斷面92 MW，輻射沙洲苦水洋和黃沙洋斷面分別為41 MW和40 MW。上述潮流能估算結果為模型計算得到的理論數據，在實際潮流能開發過程中還需要考慮環境影響等方面，總潮流能也會由于發電裝置的不同有所區別。

3 結論

研究建立了江蘇沿海二維潮流數學模型，并利用實測海流資料進行模型驗證。驗證結果顯示模型計算結果與實測值吻合較好，模型可信度極高。在驗證準確的基礎上，從潮流能功率密度和年有效小時數等參數對江蘇沿海潮流能資源空間特性和時間特性進行分析，并運用Flux 法對典型水道的潮流能資源量進行評估和對比分析。結果表明：

①江蘇沿海海域潮流能功率密度總體呈南北低、中間高的分布趨勢；除連云港海域外，大部分海域潮流能功率密度在200 W/m2以上，在濱海、大豐、東臺海域存在高值區，輻射沙洲個別水道區域最大值可達1 450 W/m2。

②除連云港海域和近岸灘涂區域外，江蘇沿海大部分區域潮流能年有效流時＞2 400 h，鹽城近岸區域以及南通外海區域潮流能年有效流時普遍＞4 800 h。

③江蘇沿海10 m、20 m 和30 m 等深線范圍內年平均潮流能功率密度平均值分別為229 W/m2、213 W/m2、168 W/m2，年有效流時平均值分別為3 759 h、4 196 h、4 053 h。

④濱海廢黃河口、輻射沙洲北部西洋、東部苦水洋、南部黃沙洋4 個特征斷面上10 km 寬度潮流能資源理論蘊藏量分別為92 MW、157 MW、41 MW和40 MW，西洋斷面潮流能資源理論蘊藏量最高。