东ZG海潮汐能分布数值模拟研究_顾振华VIP专享VIP免费

China Rural Water and Hydropower www.irrigate.com.cn
振华顾 晨姚鹏
上海勘测设计研究院有限公司,上海 200434
摘 要潮汐能是一种可再生、绿色无污染且蕴藏量巨大的可再生新能源,潮汐能资源分布特征的研究对于我国潮
开发的现资源点资潮汐
行连源的东中模型
沿岸测站以及前人基于实测数据给出的同潮图均吻合较好。在此基础上结合数值模拟结果和近年发布的国家标准评估
国海开发率和分布球轨
化的影响,各验潮站年平均潮差变化周期19 和相位均相等而变幅则各不相同;东中国海大部分海域平均潮差较
汐能西小部4.5 m 以上,为潮汐能资源丰富
区或丰富区,潮汐理论平均率和年蕴量可2×103kW/km2108kWh/a·km2
以上;浙江福建和苏北沿海较
大部分海域平均潮差达 3.0~4.0 m 左右,主要为潮汐能资源可利用区,潮汐能理论平均功率和年蕴藏量在 1.3×103kW/km2
1.3×108kWh/a·km2
左右;与平均潮差相比潮汐能年蕴藏量和理论平均功率在不同海域间空间分布更不均匀。
关键词:数值模拟东中国海均潮差;潮汐能;蕴藏
中图分类号:TV213.1 文献标识码:ADOI10.12396/znsd.220099
顾振华, 晨,姚鹏.东中国海潮汐能分布数值模拟研究J.中国农村水利水电,202211165-171. DOI10.12396/znsd.220099.
GU Z HGU CYAO P C. Numerical simulation of tidal energy distribution in the east China seaJ. China Rural Water and Hydropower
202211165-171. DOI10.12396/znsd.220099.
Numerical Simulation of Tidal Energy Distribution in the East China Sea
GU Zhen-huaGU ChenYAO Peng-cheng
Shanghai InvestigationDesign and Research Institute Co.LtdShanghai 200434China
AbstractTidal energy is a renewable and pollution-free energy with huge reserves. The research on the distribution characteristics of tidal
energy resources is of great practical significance for the development and utilization of the tidal energy in China. At presentthe investiga
tion of tidal energy resources is mostly the analysis and statistics of discrete point resourcesand there is a lack of continuous calculation of
and research on the tidal energy resources in the whole sea area. In order to understand the distribution of resources in the whole sea areaa
numerical model of the tidal wave motion in the East China Sea is established. The numerical simulation results are in good agreement with
the coastal stations and the co tidal map given by predecessors based on measured data. On this basiscombined with the numerical simula
tion results and the national standards issued in recent yearsthe spatial distribution laws of the technical exploitable leveltheoretical aver‐
age power and annual reserves of tidal energy resources in the East China Sea are evaluated. The results show that due to the change of lunar
orbitthe annual average tidal range variation periodabout 19 yearsand phases are equalbut amplitude is different. Most sea areas in the
East China Sea have a small average tidal range and are poor in tidal energy resourcesbut a small number of sea areas such as the West
Bank of the Korean PeninsulaHangzhou Bay and Taiwan Strait have an average tidal range of more than 4.5 m. They are rich or relatively
rich in tidal energy resourcesand their theoretical average power and annual potential tidal power reserves can above 103kW/km2and 2×
文章编号1007-2284202211-0165-07
收稿日期2022-01-18
基金项目中国长江三峡集团有限公司科研项目资助202003093
作者简介顾振华1987-男,工程师博士,主要从事河口海岸水动力方面的研究。E-mailgzh@sidri.com
水力发电
165
东中国海潮汐能分布数值模拟研究 顾振华 顾 晨 姚鹏程
108kWh/a·km2
. The average tidal range in most coastal areas of ZhejiangFujian and Northern Jiangsu is around 3.0~4.0 mwhich is
mainly the available area of tidal energy resources. The theoretical average power and annual potential tidal power reserves are about 1.3×
103kW/km2and 1.3×108kWh/a·km2
. Compared with the average tidal rangethe spatial distribution of annual potential tidal power
reserves and theoretical average power in different sea areas is more uneven.
Key wordsnumerical simulationEast China Seamean tidal rangetidal energyannual tidal power reserves
0引 言
随着社会的快速发展,人们对能源与环境的需求在不断提
高,由于化石能源的不可再生和环境影响,发展清洁可再生能
必然前新括风洋能
其中潮汐能是人们开发利用较早且资源较丰富的一种海洋能
资源。潮汐能的开发方式主要是利用潮汐涨落所蕴含的势能
1-3
世界上第一个潮汐发电站于1968 年在法国布列塔尼
朗斯河口建成
45
沿海洋沿海
普查对我沿岸 426个海湾口进了统果显我国沿
岸潮汐能年发电量为624 亿kWh虽然蕴藏量丰富但其空间分
布差异较大,普查主要针对主要海湾进行统计,在海湾外较平
直海岸处还有大量的潮汐能资源还未统计在内
6
。适宜建潮汐
的主涂等常优
择资源丰富且便于建坝的海湾河口等地区,但考虑到通航等其
他因素通常海湾河口地区潮汐能无法全部开发,随着技术的发
20纪末了泻式潮电站须占贵海
口的新潮汐发电形式,使得海湾外水深适中海域的潮汐能资源
得到
78
。高飞等人
9
基于流场值模结果
第二次全国沿岸潮汐能资源普查的统计方法给出了山东半岛
附近海域的单位面积潮汐能资源分布图,并根据平均潮差自定
义了我国的潮汐能能量等级划分标准。
目前学者们已经对我国沿海潮汐特性及工程影响等进行
10-13
资源
对离散点资源的分析统计,还较少利用数值模拟方法对潮汐能
资源进行连续大面全海域资源的计算研究,且不同估算方法间
6
14-17
18
的发布,使利用数值方法对潮汐能资源进行大面积研究成为可
能。本文采用较高精度的地形数据和高分辨率网格,模拟了东
中国海域二维潮波场,基于东中国海域数值模拟结果对东中国
海域潮汐能的分布概况进行了初步评估,并对与潮汐能和海洋
工程等密切相关的平均潮差时空分布规律进行了分析,以期为
我国潮汐能开发利用提供一定的参考依据。
1计算海域及数值模式
1.1 型介
MIKE 21 水动力模型对东中国海域进行潮流
数值模拟研究,研究范围覆盖整个东中国海域,模型水深地形
料采C-map 海图,并采用了适应性较好的非结构化三角形
5.8 网格尺度在外海深水区域较大约为
45 km0.5 km便
拟近岸水深和陆地岸线的变化。当网格数大于5.8
工况下模拟所得潮位值不随网格数增加而变化,即已达网格数
5.8万网格数为计算网格,模型水深及网格分布如
1N-S 浅水方程,即水深平均的
水质量守恒方1xy方向的动量方程式23
ζ
t+p
x+q
y= 0 1
p
t+
x(p2
h) +
y(p q
h) + gh ζ
x+g p p2+q2
C2h2-
1
ρw
[
x(E h p
x) +
y(E h p
y) ] - h
ρw
pa
x= 0
2
q
t+
y(q2
h) +
x(p q
h) + g h ζ
y+g q p2+q2
C2h2-
1
ρw
[
y(E h q
x) +
x(E h q
y) ] - h
ρw
pa
y= 0
3
ζhpq分别为xy方向的单宽流量;C
nC=n-1 h1/6模型计算中在水深
20 m 50 m1/3/s其他海域曼宁系数取
70 m1/3/sg为重力加速度,9.8 m/s2pa
ρw为水的密
度 ;E为水的涡动黏滞系数,采用 Smagorinsky 公 式 E=
Cs(ΔxΔy)2(u
x)2+1
2(u
y+v
x) + v
y求 得 ,其 中 系 数 CS
0.28 m2/st为时间,模型计算中时间步长根据网格点水深和网
0.01~20 s 间动态变化,以确保CFL 数小于 0.8 使
型计算稳定。模型边界条件利用MIKE 软件自带的丹麦科技大
DTU10
过程
1.2 型验
1.2.1 基于点的各测点验证
为了验证上述模型的可靠性,基于东中国海近海各潮位测
1计算区域水深地形图及网格分布图
Fig.1The topographic map and mesh grid of the calculation area
166
东中国海潮汐能分布数值模拟研究 顾振华 顾 晨 姚鹏程
的实据进模型性验测点见表 1
2和表 22中蓝色和黑色实线分别代表 2018
2定量分析了模拟值和实测值间主要分潮
振幅迟角相对偏差绝对差,中各测点 M2分潮振幅和
迟角的绝对偏差变化范围分别为-9.8~18.0 cm -4.5°~30.2°
对偏-9.7%~10.0% -1.2%~8.4%K1分潮振幅和迟
角的绝对偏差分别为-2.7~2.9 cm -26.~21.1°相对偏差分
-9.2%~9.1% -7.4%~5.9%
差较差为 10.0%。图 22别从性和量的
度表明各测点模拟值与实测值吻合较好。
1.2.2 基于面的同潮图验证
通过对比基于本文数值模拟结果所构建的同潮图以及前
人基于实测资料所构建同潮图以进一步验证本课题所建立模
3a
3bFang
19
所构的同。其于半分潮 M2S2实测和模拟所
得分潮均从太平洋途径琉球群岛进入东海,在浙江沿海附近分
两个进入海和
并均在渤海形成以秦皇岛和老黄河口附近为中心的两个潮波
系统,在黄海形成以海州湾和山东高角外海为中心的两个潮波
系统另一向南播进入东南部黄海弥港M2分潮振
幅较测和模拟分别1.4 m 1.5 m右,S2分潮实测和
0.6 m 左右。渤海海湾处M2实测
1.0 m S2分潮实测和模拟值均为0.2 m
建附M2分潮较大,实测和模拟值均可达 2.0 m S2
实测和模拟值均可达0.7 m 左右。对于全日分潮K1O1
和模拟所得分潮均从太平洋途径琉球群岛进入东海,随后大部
分继续向西南方向传播,小部分向北传播并在黄海形成以黄海
中南部为中心的潮波系统,在渤海形成以渤海海峡为中心的潮
波系统,与半日分潮相比全日潮相对较弱,大部分海域K1O1
分潮振幅实测和模拟值均小于0.2 m福建附近渤海海湾处振
幅较大实测和模拟值均约为0.3 m 左右。可以看出根据本文模
型计算所得全日分潮和半日分潮的同潮图与Fang
19
实测资料所得同潮图整体变化趋势相当,分布特征基本一致,
数学模型较好地模拟了分潮的传播特征。
2结果与讨论
2.1 年平均潮差时空变化规律分析
境、地形条件、社会经济等多方面条件。其中潮汐条件是潮汐
能资源开发的先决条件,而平均潮差是反应潮汐能蕴藏量的重
要指标之一,因此本节基于各潮位站实测资料对我国沿岸年平
均潮差的时空分布规律进行了分析。
2东中国海沿岸潮位验证图蓝色和黑色实线分别代表模拟值和实测值
Fig.2The tidal verification diagram of the stations along the East China Sea
1各潮位测站位置
Tab.1The location of each station
测点
经度/°
纬度/°
石岛
122.43
36.88
千里
121.38
36.27
射阳河口
120.50
33.82
大丰
120.92
33.18
中浚
121.90
31.117
芦潮
121.83
30.83
鱼山
122.27
28.88
崇武
118.95
24.88
泉州
118.70
24.82
深沪
118.80
24.63
围头
118.57
24.52
东山
117.53
23.73
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中国农村水利水电ChinaRuralWaterandHydropowerwww.irrigate.com.cn东中国海潮汐能分布数值模拟研究顾振华,顾晨,姚鹏程(上海勘测设计研究院有限公司,上海200434)摘要:潮汐能是一种可再生、绿色无污染且蕴藏量巨大的可再生新能源,潮汐能资源分布特征的研究对于我国潮汐能的开发利用具有十分重要的现实意义。当前潮汐能资源的调查较多为对离散点资源的分析统计,缺少对潮汐能资源进行连续全海域的计算研究,为了了解全海域资源的分布,本研究建立了东中国海潮波运动数值模型,数模结果与各沿岸测站以及前人基于实测数据给出的同潮图均吻合较好。在此基础上结合数值模拟结果和近年发布的国家标准评估了东中国海潮汐能资源技术可开发等级、潮汐能理论平均功率和年蕴藏量等的空间分布规律。结果表明受月球轨道变化的影响,各验潮站年平均潮差变化周期(约19年)和相位均相等而变幅则各不相同;东中国海大部分海域平均潮差较小,为潮汐能资源贫乏区,但朝鲜半岛西岸、杭州湾和台湾海峡等小部分海域平均潮差达4.5m以上,为潮汐能资源丰富区或较丰富区,其潮汐能理论平均功率和年蕴藏量可达2×103kW/km2和2×108kWh/(a·km2)以上;浙江福建和苏北沿海较大部分海域平均潮差达3.0~4.0m左右,主要为潮汐能资源可利用区,潮汐能理论平均功率和年蕴藏量在1.3×103kW/km2和1.3×108kWh/(a·km2)左右;与平均潮差相比潮汐能年蕴藏量和理论平均功率在不同海域间空间分布更不均匀。关键词:数值模拟;东中国海;平均潮差;潮汐能;年蕴藏量中图分类号:TV213.1文献标识码:ADOI:10.12396/znsd.220099顾振华,顾晨,姚鹏程.东中国海潮汐能分布数值模拟研究[J].中国农村水利水电,2022(11):165-171.DOI:10.12396/znsd.220099.GUZH,GUC,YAOPC.NumericalsimulationoftidalenergydistributionintheeastChinasea[J].ChinaRuralWaterandHydropower,2022(11):165-171.DOI:10.12396/znsd.220099.NumericalSimulationofTidalEnergyDistributionintheEastChinaSeaGUZhen-hua,GUChen,YAOPeng-cheng(ShanghaiInvestigation,DesignandResearchInstituteCo.,Ltd,Shanghai200434,China)Abstract:Tidalenergyisarenewableandpollution-freeenergywithhugereserves.TheresearchonthedistributioncharacteristicsoftidalenergyresourcesisofgreatpracticalsignificanceforthedevelopmentandutilizationofthetidalenergyinChina.Atpresent,theinvestiga‐tionoftidalenergyresourcesismostlytheanalysisandstatisticsofdiscretepointresources,andthereisalackofcontinuouscalculationofandresearchonthetidalenergyresourcesinthewholeseaarea.Inordertounderstandthedistributionofresourcesinthewholeseaarea,anumericalmodelofthetidalwavemotionintheEastChinaSeaisestablished.Thenumericalsimulationresultsareingoodagreementwiththecoastalstationsandthecotidalmapgivenbypredecessorsbasedonmeasureddata.Onthisbasis,combinedwiththenumericalsimula‐tionresultsandthenationalstandardsissuedinrecentyears,thespatialdistributionlawsofthetechnicalexploitablelevel,theoreticalaver‐agepowerandannualreservesoftidalenergyresourcesintheEastChinaSeaareevaluated.Theresultsshowthatduetothechangeoflunarorbit,theannualaveragetidalrangevariationperiod(about19years)andphasesareequal,butamplitudeisdifferent.MostseaareasintheEastChinaSeahaveasmallaveragetidalrangeandarepoorintidalenergyresources,butasmallnumberofseaareassuchastheWestBankoftheKoreanPeninsula,HangzhouBayandTaiwanStraithaveanaveragetidalrangeofmorethan4.5m.Theyarerichorrelativelyrichintidalenergyresources,andtheirtheoreticalaveragepowerandannualpotentialtidalpowerreservescanabove2×103kW/km2and2×文章编号:1007-2284(2022)11-0165-07收稿日期:2022-01-18基金项目:中国长江三峡集团有限公司科研项目资助(202003093)。作者简介:顾振华(1987-),男,工程师,博士,主要从事河口海岸水动力方面的研究。E-mail:gzh@sidri.com。水力发电165东中国海潮汐能分布数值模拟研究顾振华顾晨姚鹏程108kWh/(a·km2).TheaveragetidalrangeinmostcoastalareasofZhejiang,FujianandNorthernJiangsuisaround3.0~4.0m,whichismainlytheavailableareaoftidalenergyresources.Thetheoreticalaveragepowerandannualpotentialtidalpowerreservesareabout1.3×103kW/km2and1.3×108kWh/(a·km2).Comparedwiththeaveragetidalrange,thespatialdistributionofannualpotentialtidalpowerreservesandtheoreticalaveragepowerindifferentseaareasismoreuneven.Keywords:numericalsimulation;EastChinaSea;meantidalrange;tidalenergy;annualtidalpowerreserves0引言随着社会的快速发展,人们对能源与环境的需求在不断提高,由于化石能源的不可再生和环境影响,发展清洁可再生能源是必然选择。当前新能源主要包括风能、太阳能、海洋能等,其中潮汐能是人们开发利用较早且资源较丰富的一种海洋能资源。潮汐能的开发方式主要是利用潮汐涨落所蕴含的势能发电[1-3],世界上第一个潮汐发电站于1968年在法国布列塔尼朗斯河口建成[4,5]。《中国沿海农村海洋能资源区划》和《中国沿海潮汐能资源普查》对我国沿岸426个海湾河口进行了统计,结果显示我国沿岸潮汐能年发电量为624亿kWh,虽然蕴藏量丰富但其空间分布差异较大,普查主要针对主要海湾进行统计,在海湾外较平直海岸处还有大量的潮汐能资源还未统计在内[6]。适宜建潮汐电站的主要有海湾、河口、泻湖和滩涂等,潮汐发电通常优先选择资源丰富且便于建坝的海湾河口等地区,但考虑到通航等其他因素通常海湾河口地区潮汐能无法全部开发,随着技术的发展,20世纪末提出了泻湖式潮汐能电站等无须占用宝贵海湾河口的新潮汐发电形式,使得海湾外水深适中海域的潮汐能资源得到利用[7,8]。高飞等人[9]基于渤、黄海潮流场数值模拟结果和第二次全国沿岸潮汐能资源普查的统计方法给出了山东半岛附近海域的单位面积潮汐能资源分布图,并根据平均潮差自定义了我国的潮汐能能量等级划分标准。目前学者们已经对我国沿海潮汐特性及工程影响等进行了较多研究[10-13],但对潮汐能资源的调查较多为利用历史资料对离散点资源的分析统计,还较少利用数值模拟方法对潮汐能资源进行连续大面全海域资源的计算研究,且不同估算方法间存在一定差异[6]。近年来随着计算机和数值模拟技术的发展[14-17]以及潮汐能等级划分和资源评估计算方法国家标准[18]的发布,使利用数值方法对潮汐能资源进行大面积研究成为可能。本文采用较高精度的地形数据和高分辨率网格,模拟了东中国海域二维潮波场,基于东中国海域数值模拟结果对东中国海域潮汐能的分布概况进行了初步评估,并对与潮汐能和海洋工程等密切相关的平均潮差时空分布规律进行了分析,以期为我国潮汐能开发利用提供一定的参考依据。1计算海域及数值模式1.1模型介绍本研究采用MIKE21水动力模型对东中国海域进行潮流数值模拟研究,研究范围覆盖整个东中国海域,模型水深地形资料采用C-map海图,并采用了适应性较好的非结构化三角形网格,总网格数约为5.8万,网格尺度在外海深水区域较大约为45km,近岸浅水区域较小约为0.5km,以便模型可以更好地模拟近岸水深和陆地岸线的变化。当网格数大于5.8万时,相同工况下模拟所得潮位值不随网格数增加而变化,即已达网格数无关,因此取5.8万网格数为计算网格,模型水深及网格分布如图1所示。模型控制方程为二维N-S浅水方程,即水深平均的水质量守恒方程[式(1)]和x、y方向的动量方程式(2)和(3):∂ζ∂t+∂p∂x+∂q∂y=0(1)∂p∂t+∂∂x(p2h)+∂∂y(pqh)+gh∂ζ∂x+gpp2+q2C2h2-1ρw[∂∂x(Eh∂p∂x)+∂∂y(Eh∂p∂y)]-hρw∂pa∂x=0(2)∂q∂t+∂∂y(q2h)+∂∂x(pqh)+gh∂ζ∂y+gqp2+q2C2h2-1ρw[∂∂y(Eh∂q∂x)+∂∂x(Eh∂q∂y)]-hρw∂pa∂y=0(3)式中:ζ为水位;h为水深;p、q分别为x、y方向的单宽流量;C为谢才系数,可由曼宁系数n求得C=n-1h1/6,模型计算中在水深小于20m的海域,曼宁系数取50m1/3/s,其他海域曼宁系数取70m1/3/s;g为重力加速度,取9.8m/s2;pa为大气压;ρw为水的密度;E为水的涡动黏滞系数,采用Smagorinsky公式E=Cs(ΔxΔy)2(∂u∂x)2+12(∂u∂y+∂v∂x)+∂v∂y求得,其中系数CS取0.28m2/s;t为时间,模型计算中时间步长根据网格点水深和网格尺寸等在0.01~20s间动态变化,以确保CFL数小于0.8使模型计算稳定。模型边界条件利用MIKE软件自带的丹麦科技大学开发的DTU10全球大洋潮汐模型提取模型外海潮位边界过程。1.2模型验证1.2.1基于点的各测点验证为了验证上述模型的可靠性,基于东中国海近海各潮位测图1计算区域水深地形图及网格分布图Fig.1Thetopographicmapandmeshgridofthecalculationarea166东中国海潮汐能分布数值模拟研究顾振华顾晨姚鹏程站的实测数据进行模型可靠性验证,各测点位置见表1,验证结果如图2和表2所示。图2中蓝色和黑色实线分别代表2018年模拟值和实测值,表2定量分析了模拟值和实测值间主要分潮振幅和迟角的相对偏差和绝对偏差,其中各测点M2分潮振幅和迟角的绝对偏差变化范围分别为-9.8~18.0cm和-4.5°~30.2°,相对偏差分别为-9.7%~10.0%和-1.2%~8.4%,K1分潮振幅和迟角的绝对偏差分别为-2.7~2.9cm和-26.7°~21.1°,相对偏差分别为-9.2%~9.1%和-7.4%~5.9%,可以看出模拟值与实测值误差较小,最大误差为10.0%。图2和表2分别从定性和定量的角度表明各测点模拟值与实测值吻合较好。1.2.2基于面的同潮图验证通过对比基于本文数值模拟结果所构建的同潮图以及前人基于实测资料所构建同潮图以进一步验证本课题所建立模型的准确合理性。图3(a)为基于本文数值模拟结果所构建的同潮图,图3(b)为Fang等人[19]基于卫星高度计数据等实测资料所构建的同潮图。其中对于半日分潮M2和S2,实测和模拟所得分潮均从太平洋途径琉球群岛进入东海,在浙江沿海附近分南北两个方向传播,一条向北传播进入东海北部、黄海和渤海,并均在渤海形成以秦皇岛和老黄河口附近为中心的两个潮波系统,在黄海形成以海州湾和山东高角外海为中心的两个潮波系统,另一条向南传播进入东海南部。黄海弥港附近M2分潮振幅较大,实测和模拟值分别达1.4m和1.5m左右,S2分潮实测和模拟值均为0.6m左右。渤海海湾处M2分潮较大,实测和模拟值均为1.0m左右,S2分潮实测和模拟值均为0.2m左右。东海福建附近M2分潮较大,实测和模拟值均可达2.0m左右,S2分潮实测和模拟值均可达0.7m左右。对于全日分潮K1和O1,实测和模拟所得分潮均从太平洋途径琉球群岛进入东海,随后大部分继续向西南方向传播,小部分向北传播并在黄海形成以黄海中南部为中心的潮波系统,在渤海形成以渤海海峡为中心的潮波系统,与半日分潮相比全日潮相对较弱,大部分海域K1和O1分潮振幅实测和模拟值均小于0.2m,福建附近和渤海海湾处振幅较大实测和模拟值均约为0.3m左右。可以看出根据本文模型计算所得全日分潮和半日分潮的同潮图与Fang等人[19]根据实测资料所得同潮图整体变化趋势相当,分布特征基本一致,数学模型较好地模拟了分潮的传播特征。2结果与讨论2.1年平均潮差时空变化规律分析在实际潮汐能资源开发中需综合考虑潮汐条件、生态环境、地形条件、社会经济等多方面条件。其中潮汐条件是潮汐能资源开发的先决条件,而平均潮差是反应潮汐能蕴藏量的重要指标之一,因此本节基于各潮位站实测资料对我国沿岸年平均潮差的时空分布规律进行了分析。图2东中国海沿岸潮位验证图(蓝色和黑色实线分别代表模拟值和实测值)Fig.2ThetidalverificationdiagramofthestationsalongtheEastChinaSea表1各潮位测站位置Tab.1Thelocationofeachstation测点名经度/(°)纬度/(°)石岛122.4336.88千里岩121.3836.27射阳河口120.5033.82大丰港120.9233.18中浚121.9031.117芦潮港121.8330.83鱼山122.2728.88崇武118.9524.88泉州118.7024.82深沪港118.8024.63围头118.5724.52东山117.5323.73167东中国海潮汐能分布数值模拟研究顾振华顾晨姚鹏程表2东中国海沿岸M2和K1分潮定量验证Tab.2QuantitativeverificationofM2andK1tidalcomponentsalongtheEastChinaSea站名石岛千里岩射阳河口大丰港中浚芦潮港鱼山崇武泉州深沪港围头东山M2振幅实测值/cm84.7101.893.0160.2122.6162.3149.3211.4205.6199.7180.5108.9模型值/cm82.992.092.3156.8130.5152.9147.6215.8201.1205.2198.5115.0绝对偏差/cm-1.8-9.8-0.6-3.37.9-9.4-1.74.5-4.55.618.06.1相对偏差/%-2.1-9.7-0.7-2.16.5-5.8-1.22.1-2.22.810.05.6迟角实测值/cm50.997.6299.3322.2330.3328.6247.3328.7340.9332.71.7341.8模型值/cm59.493.1294.8342.8337.4338.5249.1354.911.1359.17.4348.1绝对偏差/cm8.5-4.5-4.520.67.19.91.826.230.226.45.66.3相对偏差/%2.4-1.2-1.25.72.02.70.57.38.47.31.61.7K1振幅实测值/cm20.619.621.122.421.526.525.631.329.431.631.731.4模型值/cm22.221.422.320.622.328.427.534.226.734.033.631.5绝对偏差/cm1.61.81.2-1.70.71.91.92.9-2.72.41.90.1相对偏差/%7.89.15.5-7.83.47.37.59.2-9.27.56.00.4迟角实测值/cm329.3349.150.361.6213.6218.6221.5283.3283.3285.7302.2290.6模型值/cm329.8350.952.582.7209.1220.1216.1272.0269.8274.9279.1263.9绝对偏差/cm0.41.82.221.1-4.61.5-5.4-11.3-13.4-10.8-23.1-26.7相对偏差/%0.10.50.65.9-1.30.4-1.5-3.1-3.7-3.0-6.4-7.4图3各分潮同潮图Fig.3Theco-tidalchartofeachtidalconstituent168东中国海潮汐能分布数值模拟研究顾振华顾晨姚鹏程根据各验潮站实测数据进行潮位过程的调和回报并分别统计出近80年的年平均潮差变化规律,如图4所示(由于篇幅限制文中仅列出石岛等6个测点)可以看出所有测点年平均潮差均显著呈周期约为19年的周期性变化,与此同时各测点年平均潮差极大值均出现在1998、2015、2034和2053年,年平均潮差极小值均出现在2005、2024、2043和2062年。值得注意的是各测点年平均潮差约19年的变化周期(由于分辨率为年)与月球赤纬角18.6年的变化周期相似,潮波运动主要由天体运行导致的引潮力变化引起的,年平均潮差的周期性变化主要由于月球轨道变化的影响。总体上,各测点年平均潮差随时间变化的周期和相位均相等。由于各测点年平均潮差变化周期约为19年且相位相等,因此本文通过对整个东中国海域的潮位时间过程数值模拟结果直接统计求平均给出了19年平均潮差分布图(图5),并基于数值模拟结果分别给出了东中国海年平均潮差极大值(图6)和极小值(图7)分布图。整体上年平均潮差、年平均潮差极大值和年平均潮差极小值分布规律比较相似,其中渤海年平均潮差整体较小,仅辽东湾等部分海湾处平均潮差可达2.0m左右。黄海朝鲜半岛西岸和苏北沿海均存在较大面积平均潮差较大的海域,分别达4.5m和3.0m以上。东海为我国沿岸平均潮差最大的地区,其中浙江福建沿岸平均潮差可达4.0m左右。总体上年平均潮差极大值略大于年平均潮差约4%,而年平均潮差极小值略小于年平均潮差约4%。2.2潮汐能资源技术可开发等级划分长期以来对我国对潮汐能资源等级的划分并没有统一的标准,在2018年开始实施的国标《海洋可再生能源资源调查与评估指南》中明确将我国潮汐能资源技术可开发等级划分为4个等级,分别为:①潮汐能资源丰富区(H平均>5.0m);②潮汐能资源较丰富区(4.0m<H平均≤5.0m);③潮汐能资源可利用区(3.0m<H平均≤4.0m);④潮汐能资源贫乏区(H平均≤3.0m)。其中H平均表示平均潮差。结合图5平均潮差分布和上述国标中的潮汐能资源等级划分标准,图8给出了东海、黄海、渤海潮汐能资源技术可开发等级分布图。由图8可知,整个东中国海大部分海域均为潮汐能图4各测点年平均潮差的变化Fig.4Variationofannualaveragetidalrangeateachmeasuringpoint图5东中国海平均潮差分布图Fig.5ThedistributionofthemeantidalrangeattheEastChinaSea图6东中国海平均潮差极大值分布图Fig.6ThedistributionofthemaximummeantidalrangeattheEastChinaSea169东中国海潮汐能分布数值模拟研究顾振华顾晨姚鹏程资源贫乏区;潮汐能资源可利用区主要分布在朝鲜半岛西岸、浙江福建沿岸和苏北沿岸;潮汐能资源较丰富区主要分布在朝鲜半岛西岸、杭州湾和台湾海峡等小部分海域;潮汐能资源丰富区整体分布较少,仅在杭州湾和朝鲜半岛西岸等海域少量存在。2.3东中国海潮汐能理论平均功率和年蕴藏量分布估算长期以来不同学者对潮汐能平均功率和年蕴藏量给出了不同的计算方法,且相互间有差别较大。在2018年开始实施的国标[18]中较系统全面地给出了潮汐能理论平均功率和年蕴藏量的计算方法:对于正规半日潮海区:N=225H2F(4)E=1.97×106H2F(5)对于正规全日潮海区:N=12×225H2F(6)E=12×1.97×106H2F(7)对于混合潮海区:N=12×225H2F(1+4-λ4)(8)E=1.97×12×106H2F(1+4-λ4)(9)式中:N为潮汐能理论平均功率,kW;E为年蕴藏量,kWh/a;H为平均潮差,m;F为纳潮库面积,km2;λ为潮型系数,λ=(HK1+HO1)/HM2;HK1、HO1和HM2为相应分潮振幅,可由调和分析求得。从式(4)~(9)可以看出,潮汐类型对潮汐能理论平均功率和年蕴藏量均有较大影响,相同平均潮差条件下,半日潮海区理论平均功率和年蕴藏量可达全日潮海区的2倍,可喜的是东中国海海域平均潮差较大海域的分布与正规半日潮海域的分布正相吻合,这对于提高潮汐能平均功率和年蕴藏量是有利的。由于仅通过平均潮差和潮汐能等级分布图并不能较全面地反映潮汐能功率和年蕴藏量的分布,结合图5中的平均潮差分布和式(4)~(9),图9和图10分别给出了东海、黄海、渤海单位面积潮汐能理论平均功率(kW/km2)和年蕴藏量[kWh/(a·km2)]分布图。对比图9和图10可知,潮汐能理论平均功率和年蕴藏量空间分布规律相同,均主要分布在朝鲜半岛西岸、浙江福建沿岸和苏北沿岸。其中浙江福建沿岸和苏北沿岸理论平均功率和年蕴藏量整体上在1.3×103kW/km2和1.3亿kWh/(a·km2)左右;而整个东中国海潮汐能资源最丰富的朝鲜半岛西岸、杭州湾和台湾海峡等小部分海域潮汐能理论平均功率和年蕴藏量整体可达2×103kW/km2和2亿kWh/(a·km2)以上。东中国海平均潮差和潮汐能年蕴藏量(或理论平均功率)空间分布相似,但潮汐能年蕴藏量的空间分布更不均匀,这主要是由于平均潮差较大海域与更有利于潮汐能电站发电的正规半日潮海域的分布正相吻合,且年蕴藏量与平均潮差的平方成正比[18,20]。3结论前人对潮汐能资源的研究多为对离散点资源的分析统计,图8潮汐能资源分布图Fig.8Thedistributionofthetidalenergyresource图9理论平均功率分布图Fig.9Thedistributionofthetheoreticalaveragepower图7东中国海平均潮差极小值分布图Fig.7ThedistributionoftheminimummeantidalrangeattheEastChinaSea170东中国海潮汐能分布数值模拟研究顾振华顾晨姚鹏程缺少进行全海域的计算研究[6],且不同估算方法间存在一定差异[6-8]。本研究结合模型结果和于2018年开始实施的国家标准对东中国海进行了连续全海域的潮汐能资源分布计算评估。得出以下主要结论:(1)各验潮站年平均潮差随时间变化的周期和相位均相等,而振幅则各不相同。年平均潮差变化周期约为19年(分辨率为年)与月球赤纬角18.6年的变化周期相似,年平均潮差的周期性变化主要由于月球轨道变化的影响。(2)东中国海大部分海域平均潮差较小且为潮汐能资源贫乏区,仅部分海域潮差较大,其中黄海朝鲜半岛西岸平均潮差达4.5m以上,为潮汐能资源丰富区;东海浙江福建沿岸平均潮差达4.0m左右,主要为潮汐能资源可利用区,其中杭州湾和台湾海峡等小部分海域为潮汐能资源丰富区或较丰富区;黄海苏北沿海平均潮差达3.0m以上,主要为潮汐能资源可利用区。(3)潮汐能理论平均功率和年蕴藏量空间分布规律相同,均主要分布在朝鲜半岛西岸、浙江福建沿岸和苏北沿岸,其中浙江福建和苏北沿岸理论平均功率和年蕴藏量整体上在1.3×103kW/km2和1.3亿kWh/(a·km2)左右;而整个东中国海资源最丰富的朝鲜半岛西岸、杭州湾和台湾海峡等小部分海域潮汐能理论平均功率和年蕴藏量可达2×103kW/km2和2亿kWh/(a·km2)以上。(4)由于平均潮差较大海域与更有利于潮汐能电站发电的正规半日潮海域的分布正相吻合,且年蕴藏量与平均潮差的平方成正比,因此与平均潮差相比潮汐能年蕴藏量(或理论平均功率)在不同海域间差异更大空间分布更不均匀。尽管本文对东中国海海域的潮汐能分布进行了评估,潮汐能资源开发还需结合当地地形条件、生态环境条件、社会需求等多种因素才能较准确评估潮汐电站发电量和社会经济效益。参考文献:[1]LEMONISG,CLEVELANDCJ.Waveandtidalenergyconversion[J].EncyclopediaofEnergy,2004,43(4):385-396.[2]DEVINEWP.Placeattachmentandpublicacceptanceofrenewableenergy:Atidalenergycasestudy[J].JournalofEnvironmentalPsychology,2011,31(4):336-343.[3]高翔.潮汐电站贯流式水轮机尾水管流动特性研究[J].武汉大学学报(工学版),2019,52(7):594-599.[4]CHARLIERRH.Re-inventionoraggorniamentotidalpowerat30years[J].Renewable&SustainableEnergyReviews,1997,1(4):271-289.[5]KHANKA,AHMEDM,AKHTERM,etal.Waveandtidalpowergeneration[J].InternationalJournalofAdvanceResearchandInnovativeIdeasinEducation,2018,4(6):71-82.[6]施伟勇,王传岜,沈家法.中国的海洋能资源及其开发前景展望[J].太阳能学报,2011,32(6):913-923.[7]武贺,王鑫,李守宏.中国潮汐能资源评估与开发利用研究进展[J].海洋通报,2015,34(4):370-376.[8]李书恒,郭伟,朱大奎.潮汐发电技术的现状与前景[J].海洋科学,2006,30(12):82-86.[9]高飞,李广雪,乔璐璐.山东半岛近海潮汐及潮汐、潮流能的数值评估[J].中国海洋大学学报:自然科学版,2012,42(12):91-96.[10]童朝锋,曹益铭,高祥宇,等.海南红塘湾潮汐不对称性分析[J].水利水运工程学报,2019(3):9-15.[11]钱沛,冯曦,冯卫兵,等.辐射沙洲海域潮汐不对称对岸线变化的响应[J].水利水运工程学报,2020(3):51-60.[12]何震洲,黄海珍,李磊岩,等.钱塘江涌潮年内变化特征及其影响因素[J].水电能源科学,2021,39(1):35-37,34.[13]蒋艳君.基于小波阈值降噪-EEMD分解的潮汐河网地区纳潮引水调度周期研究[J].水电能源科学,2019,37(2):70-73.[14]朱良生,陈秀华,邱章.永暑礁海区潮汐海流特征分析[J].海洋通报,2005,24(4):1-7.[15]林伟波,魏爱泓,冒士凤.苏北灌河口海域三维水动力数值模拟[J].中国农村水利水电,2018(4):145-152.[16]陈耀祖,高磊,刘子洲,等.山东半岛海洋牧场潮汐特征分析[J].海洋与湖沼,2019,50(4):719-727.[17]杨易,贺涛.近年珠江三角洲洪季余水位和潮差的演变特征研究[J].中国农村水利水电,2021(7):19-23.[18]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.海洋可再生能源资源调查与评估指南第2部分:潮汐能:GB∕T34910.2-2017[S].北京:中国标准出版社,2017.[19]FANGGH,WANGY,WEIZ,etal.Empiricalco-tidalchartsoftheBohai,Yellow,andEastChinaSeasfrom10yearsofTOPEX/Poseidonaltimetry[J].JournalofGeophysicalResearch,2004,109(C11):1-14.[20]KIHOS,SHIONOM,SUZUKIK.Thepowergenerationfromtidalcurrentsbydarrieusturbine[J].RenewableEnergy,1996,9(4):1242-1245.图10年蕴藏量分布图Fig.10Thedistributionoftheannualpotentialtidalpowerresource171

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