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 Zhejiang,Fujian and Northern Jiangsu is around 3.0~4.0 m,which 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 range,the spatial distribution of annual potential tidal power
reserves and theoretical average power in different sea areas is more uneven.
Key words:numerical simulation;East China Sea;mean tidal range;tidal energy;annual 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
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 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
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
45 km,近岸浅水区域较小约为 0.5 km,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(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)
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-1 h1/6,模型计算中在水深
小于 20 m 的海域,曼宁系数取 50 m1/3/s,其他海域曼宁系数取
70 m1/3/s;g为重力加速度,取9.8 m/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+1
2(∂u
∂y+∂v
∂x) + ∂v
∂y求 得 ,其 中 系 数 CS取
0.28 m2/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 0.01~20 s 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.1The topographic map and mesh grid of the calculation area
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