杭州湾潮流能资源储量估算

韩 志，唐志波，丁广佳，姜云鹏，龚希武，王晋宝

（1.浙江海洋学院，舟山 316004；2.交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室,天津 300456）

杭州湾潮流能资源储量估算

韩 志1，唐志波1，丁广佳2，姜云鹏2，龚希武1，王晋宝1

（1.浙江海洋学院，舟山 316004；2.交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室,天津 300456）

采用二维数值模拟方法对杭州湾海域的潮流进行了模拟，得到了杭州湾海域潮流流速的分布特征。在此基础上对杭州湾海域的潮流能储量进行估算，得到杭州湾海域潮流能储量约3.59 GW。从数值模拟的结果可以看出，杭州湾口的金塘水道、龟山航门等通道内水深、流急，潮流能密度较大，是潮流能开发的理想海域，通过对这几个通道进行计算，预计可开发量约700 MW。

潮流能；能流密度；数值模拟；杭州湾

Biography：HAN Zhi（1983-），male，lecturer.

在全球经济飞速发展的今天，能源已经成为人们日益关注的焦点，因为能源是驱动人类社会发展的原动力。地球表面71%的面积被海洋覆盖，其所蕴含的各种能源非常丰富，并且海洋能是清洁的可再生能源，开发和利用海洋能对缓解能源危机和降低环境污染具有重要的意义。

海水在地球以外天体（主要是太阳和月球）的引力作用下周期性的运动，其中海洋表面在引力作用下周期性的升高降低称为潮汐，而利用水位变化引起的位能称为潮汐能；由上述引力导致的海水有规律的流动称为潮流，其具有的动能称为潮流能。

潮汐能的开发利用时间较早，20世纪初德国、法国已经开始研究潮汐发电，其中比较著名的是1967年建成的法国朗斯可口潮汐电站，该电站总装机容量240 MW，年均发电量544 GW·h，目前全世界建成运行、在建以及研究设计阶段的潮汐电站有100多座。我国大陆海岸线长约18 000 km，据全国沿海普查资料统计，全国有近200个海湾、河口，可开发潮汐能年总发电量可达60 TW·h，装机总容量可达20 GW。从调查资料可以看出，潮汐能电站的潜力巨大，但是由于建设潮汐电站需要筑坝蓄水，其对电站周边的海洋环境及生态环境影响巨大，这也是为什么近年来少有潮汐电站在建，一些大型潮汐电站也只处于设计和前期科研阶段。

潮流能主要是利用海水水平运动所具有的动能，在海湾湾口、岛屿之间的水道等海域，流速往往很大，是潮流能开发的重点区域。与潮汐电站相比，潮流能的开发不需要筑坝，对海洋环境影响小；潮流能开发装置可安装在海底或漂浮在海面上，不占用宝贵的土地资源等优点。因此，从20世纪70年代开始，潮流发电的研究发展迅速，目前很多国家都在研制潮流能开发装置，已经有多种原型机模型问世，并且已经有成功并网发电的经验。

我国各海区潮流能分布，东海最强，主要分布在长江口至舟山海域，渤海和黄海次之，其中渤海主要为辽东半岛老铁山水道，黄海主要分布在江苏斗龙港至小洋口一带，南海沿岸最弱，主要分布在台湾海峡、琼州海峡附近［1-4］。根据1989年《全国沿岸农村海洋能资源区划》，东海沿岸理论平均功率为11 GW，占全国总量的78.6%，黄海沿岸平均功率2.3 GW，占全国总量的16.5%；南海沿岸平均功率0.68 GW，占全国总量的4.9%。

1 潮流能储量估算方法

杭州湾海域是著名的强潮海域，其湾口星罗棋布的岛屿之间的通道潮流动力非常强，潮流能蕴藏量巨大，因此有必要对该海域的潮流能储量进行估算，为潮流能的开发提供指导性依据。

目前国际上常用的潮流能估算方法大致可以分为2种：基于能通量的计算方法和基于动力分析的方法［5］。前者包括Farm方法和Flux方法，后者主要是Garrett和Cummins提出的方法［6-8］。在Garrett和Cummins提出的方法中，需要用到水道两端最大水位差和最大水体通量等物理量，考虑到资料缺乏的限制，本文不对该方法做进一步介绍。由于杭州湾属于半开敞式海湾，潮流能储量的估算可以采用基于能通量的Flux方法对杭州湾海域的潮流能进行估算。下面对Flux方法进行介绍。

由于潮流能总是经由某个过流面来开发利用的，因而更有意义的概念是能流密度P，其计算式为

式中：ρ为海水密度；V为潮流流速。潮流随时间时刻改变，因此研究在某时间内的平均值，即平均能流密度Pm更为有意义

总平均功率Ptotal为平均能流密度Pm与和潮流方向垂直的水道断面积的A乘积

Flux方法仅需考虑潮流经过水道的能通量和“有效影响因子”SIF（Significant Impact Factor），与设备无关。考虑到潮流能的有效利用率，在英国Robert Gordon大学（RGU）研究的基础上，Black&Veatch在2004年的报告中提出了有效影响因子SIF的概念，即在不产生显著环境或经济影响的前提下，可供开发利用的潮能占总潮流能资源的百分比。因此，有效潮流能可表示为总平均功率与有效影响因子的乘积。

SIF的取值依赖于地点，具有不确定性，国外的研究表明该值在一般海域取10%～20%为宜。也有学者研究表明在半封闭海湾仅有一条通道与外海相连，在通道上进行潮流能开发，SIF的取值可达到30%。

图1 杭州湾口形势图Fig.1 Sketch of Hangzhou Bay mouth

2 杭州湾潮流特征

历史研究及实测资料显示，杭州湾海域潮流受地形影响呈明显的往复流特征，涨潮时潮流主要通过镇海—舟山、舟山—岱山、岱山—大衢山、大衢山—嵊泗、嵊泗—南汇咀之间的通道进入杭州湾，落潮时又从这几个通道流出（图 1）。曹德明、方国洪［9］的研究表明，杭州湾海域以半日分潮为主，全日分潮在杭州湾内分布比较均匀，最大流速均在10 cm/s左右，M2分潮最大流速在110～120 cm/s，另外湾口处的浅水分潮M4的流速与全日分潮相近，也在10 cm/s左右，图2、图3分别给出了杭州湾海域全日分潮和半日分潮潮流椭圆长短轴的分布情况。

3 采用数值模拟方法进行潮流能估算

图2 杭州湾全日分潮流 椭圆长短轴分布图

图3 杭州湾半日分潮流（M2）椭圆长短轴分布图Fig.3 Semidiurnal current ellipse of the Hangzhou Bay

本文利用高精度网格对杭州湾海域的潮流进行模拟，在此基础上进行潮流能的估算，采用该方法对杭州湾海域的潮流能储量进行估算，其结果更加合理，更加准确。图4为数值模拟研究范围和地形图，图5为计算网格的划分，在湾口地形复杂区域采用加密网格，最小单元尺度100 m左右，以保证较高精度的计算结果。

图4 数值模拟范围示意图Fig.4 Domain of model

图5 计算域网格划分Fig.5 Mesh of simulation domain

通过调整模型边界参数与实测资料进行验证得到杭州湾海域的潮流场分布，表1给出了研究域内10个站点（图6）的4个主要分潮调和常数的误差，从表1中可以看出，各站主要分潮的振幅误差基本小于5 cm，相位误差小于5°。此外模型还对岱山岛与秀山岛之间的高亭水道中5个测站（2007年12月）、秀山岛与舟山本岛之间的灌门水道中8个测站（2004年4月）的流速、流向进行了模拟验证，测站位置见图7，各站潮流流速、流向验证结果见图8，从验证结果可以看出，该模型很好地模拟了杭州湾及附近海域的潮汐及潮流运动，其结果可以作为进一步研究的基础。

在流场分布计算结果的基础上，就可以对某一断面的潮流能进行估算，具体方法为沿计算断面对每一个计算单元的能量进行积分式中：Ptotal为通过某一断面的平均功率；L为断面长度；dn为断面上第n个单元的水深；Ln为第n个单元在断面轴线方向上的投影长度；Vn为第n个单元的平均流速，计算时选取大、中、小潮的平均流速作为年平均流速。

图6 潮位测站位置示意图Fig.6 Position of tidal station

图7 潮流观测站位分布Fig.7 Position of tidal current observation station

表1 各站4个主要分潮调和常数误差统计Tab.1 Error statistics of four principal constituents

图8 流速、流向验证Fig.8 Verification of current speed and direction

根据杭州湾的地形，分别对湾口5个主要潮流通道采用式（5）进行计算，得到各断面的潮流能储量见表2。由计算结果可知，通过杭州湾口4个主要潮流通道的潮流能储量约为3.59 GW，潮流能资源储量巨大。

表2 杭州湾各通道潮流能储量Tab.2 Tidal stream energy of the Hangzhou Bay mouth

4 小结

潮流能的开发受潮流流速的限制，一般认为最大流速小于2 m/s的海域是没有开发价值的。因此，杭州湾口潮汐通道宽阔，水深流急，是开发潮流能的理想区域。本文在数值模拟的基础上对杭州湾海域的潮流能储量进行了估算，通过计算，杭州湾口镇海—舟山、舟山—岱山、岱山—大衢山及大衢山—嵊泗4个主要潮流通道的潮流能储量约为3.59 GW，占东海潮流能储量的1/3以上，非常适合进行潮流能的开发利用。

根据相关学者的研究，在进行潮流能开发时应考虑到对环境的有效影响因子（SIF），杭州湾主要通过湾口的潮汐通道与外海进行交换，因此SIF因子可取20%，按此考虑杭州湾海域可开发的潮流能资源约为700 MW。此外，潮流通道内的流速存在平面分布上的不均匀性也会使估算结果产生误差，因此在进行潮流能站址的选址前应进一步对所选站址海域的潮流场分布进行大范围多点观测，使得预测的可开发量更加准确，以利于站址的选择更加科学。

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Tidal stream energy assessment of Hangzhou Bay

HAN Zhi1，TANG Zhi-bo1，DING Guang-jia2，JIANG Yun-peng2，GONG Xi-wu1，WANG Jin-bao1
（1.Zhejiang Ocean University，Zhoushan316004，China；2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，Key Laboratory of Engineering Sediment，Ministry of Transport，Tianjin300456，China）

In this paper，the tide and tidal current of Hangzhou Bay were simulated by a 2-D numerical model.Then the tidal stream energy reserves of Hangzhou Bay were assessed on the basis of the numerical simulation.The results show that the tidal stream energy reserves of Hangzhou Bay are about 3.57 GW，and the hydropower exploitation amount in the several channels of the mouth of Hangzhou Bay is about 700 MW.

tidal stream energy；stream energy density；numerical simulation；Hangzhou Bay

TV 143；O 242.1

A

1005-8443（2012）04-0303-07

2012-04-09；

2012-07-16

韩志（1983-），男，江苏省连云港人，讲师，主要从事计算流体动力学、传热传质过程研究。