海湾内外的动态水位差模拟研究——一种全新的潮汐能开发方式的探索

张俊彪，缪 斌 ，许雪峰 *,3,杨万康 ，张 峰 ，潘 冲 ，施伟勇

（1.国家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；2.国家海洋局 闽东海洋环境监测中心站，福建 宁德 352000；3.浙江大学，浙江 杭州 310006)

海湾内外的动态水位差模拟研究
——一种全新的潮汐能开发方式的探索

张俊彪1，缪 斌2，许雪峰*1,3,杨万康1，张 峰1，潘 冲1，施伟勇1

（1.国家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；2.国家海洋局 闽东海洋环境监测中心站，福建 宁德 352000；3.浙江大学，浙江 杭州 310006)

首次提出了一种全新的海湾潮汐能开发方式——利用海湾内外的动态水位差进行潮汐能发电。原理是利用潮波到达海湾底部和海湾外部的相位不一致性，形成了海湾内外动态水位差，可作为潮汐能发电水头。并构建了一个理想潮汐能海湾进行水动力数值模拟研究，模拟结果显示该新型的潮汐能是存在的，且相比传统潮汐能利用方式对海湾水动力环境和通航影响更小。

数值模拟；潮汐能；海湾；动态

潮汐能的最早利用方式是11世纪出现的潮汐磨坊。潮汐发电的实际应用开始于1912年德国胡苏姆兴建的一座小型潮汐电站。1966年法国建成的朗斯潮汐电站，装机容量为24万kW，年均发电量为5.44亿kW·h，是目前最大的潮汐电站[1-2]。我国潮汐能发电始于20世纪50年代后期[3]，迄今建成潮汐电站8座，总装6 120 kW，其中最大的是浙江江厦潮汐试验电站，为3 900 kW。

但潮汐能在商业上未能取得公认的常规能源地位。朗斯电站总结为“在技术上可行，经济上不合算”的论点仍是其后许多能源决策者对潮汐能评估的依据。2 0余年来世界上大型潮汐电站仍处于前期论证和试验研究阶段，进展较缓，迄今未见规模大于朗斯的潮汐电站开工建造[4]。

这主要是由于传统的潮汐电站存在以下的问题：（1）需要在海湾内建设大坝，投资巨大（图1）；（2）受到库容的限制，电站的装机总量有限，如我国最大的江厦潮汐实验电站[5]装机总量仅为3 900 kW；（3）建坝对海湾进行截流，会对海湾和库区内造成较大淤积，影响电站使用寿命和增加维护成本；（4）海湾截流会对鱼类洄游、海湾水交换造成影响，破坏海湾生态；（5）需要纳潮发电，导致实际发电时间较短。

由于以上缺陷，因此目前潮汐能电站遭遇了发展的瓶颈，中国仅存江厦潮汐实验电站正常发电。国际上对潮汐能资源的开发也远远落后于风能、太阳能等新能源。这对于蕴藏丰富的潮汐能资源是极大的浪费。

本文提出的全新潮汐能发电方法不同于传统的潮汐电站，是潮汐能开发利用的新思路和新探索。

1 传统潮汐发电方法及全新方法的提出

1.1 传统潮汐发电方法

传统潮汐电站主要由5个基本部分组成：潮汐水库、堤坝、闸门水道、发电机组和厂房、输电设施等[6]。

传统潮汐电站主要有两类[7]：单库型（单向型、双向型）和双库型。由于双库型潮汐电站发电效率较低且投资较高，因此目前的潮汐电站主要为单库型。

图1 传统单库型潮汐电站发电工况的平面简面

图1为单库型潮汐电站发电工况的平面简面。传统的单库单向潮汐电站工作原理如下：高潮时段，打开水闸纳水，对库区进行蓄水，当库区水位达到最高时关闭水闸。等到低潮位时段，水闸保持关闭状态，库区内与库区外达到一定水位差时，打开电站机组进行发电。而单库双向潮汐电站与单库单向型的主要区别是采用双向发电机组，在涨潮纳水阶段仍然可以进行发电。传统潮汐能电站需在海湾内建设截流大坝，因此对生态环境影响较大。

图2为传统潮汐发电过程示意图[7]，由图可见在水库水位在高水位和低水位分别有较长时间是等待期（蓄水等待大坝两侧形成较大水位差），在此期间发电机不能发电。从江厦电站运行情况看，装机年利用小时为2 300～2 500 h之间，发电小时数为5 000～6 000 h。

图2 传统单库型潮汐发电示意图[7]

1.2 全新的潮汐能发电方法

发电原理：潮波由外海向海岸传播，高潮等时线到达海湾外要早于到达海湾内，导致海湾外与海湾内的潮汐相位差异，湾内和湾外的水位存在动态的水位差。因此选择合适的地点，开挖流道，连通湾内与湾外的水体，并在流道上安装新型双向潮汐发电灯泡贯流式水轮发电机组[2]，就可以利用湾内和湾外的动态水位差进行双向发电。

方法介绍：潮波从外海传到海湾底部需要一定的时间，如图3所示，结合当地的地形优势，电站位置设置在海湾底部，开挖流道即可打通海湾底部与外海，在流道上安装发电机组即完成电站主体工程。发电各阶段如下：

发电阶段一（图3）：外海潮波向海岸和海湾底部传播，当中低潮位线到达海湾内部（即电站的内侧）时，中高潮位线已经到达海湾外侧（即电站外侧）。此时段，电站内侧是中低潮位，电站外侧是中高潮位，存在水位差，可开启发电机组进行发电。此阶段是从湾外向湾内排水发电。

发电阶段二（图4）：当中高潮位线到达海湾内部（即电站的内侧）时，中低潮位线到达海湾外侧（即电站外侧）。此时段，电站内侧是中高潮位，电站外侧是中低潮位，存在水位差，发电机组可向外排水发电。

发电阶段一和阶段二是交替循环工作的，以保证在大多数的时间内电站保持发电。

图3 新型潮汐能发电示意图（阶段一）

图4 新型潮汐能发电示意图（阶段二）

1.3 新方法与传统方法相比的优点

根据上述的新型潮汐能发电的方法，有以下优点：（1）不在海湾内建设大坝，不建设封闭的水库，仅需在海湾底部开挖通道，因此在发电期间不会减少海湾的纳潮量，且有利于海湾底部水交换；（2）与海湾的通航和其他资源利用的矛盾较小；（3）海湾内的水体均可作为发电水体，而发电量主要受流量及内外水位差的限制，因此只要开挖合适的流道、设计合适的流量便可获得较大的装机容量。

2 理想潮汐能海湾的水动力模型

为了验证该新型的潮汐能开发方式是否可行，本文构建了理想的潮汐能海湾水动力模型，进行数值模拟试验。

2.1 理想海湾网格构建

构建如图5所示的理想海湾，水深均为10 m，海湾尺度为南北跨度95 km，东西宽60 km。为了便于计算和给定边界条件，本模型取均匀的正方形网格，网格边长取3.5 km。采用较大且正规的计算网格具有计算速度较快、模型更稳定的特点，且也能满足本研究的定性定量的计算要求。

为了确定海湾底部与湾外的动态水位差，分析潮汐能发电的可行性，在模型中设置了两个点（out、in），如图5所示。记录该两点的全程模拟数据，in、out两点的水上距离最近约150 km，而in点到湾口的水上距离约100 km。

图5 理想潮汐能海湾计算网格

2.2 控制方程

控制方程采用N-S的浅水方程[8-9]：

式中：ζ为潮位；g为重力加速度；Aζ，Aη为涡动粘滞系数；u，v为 ξ，η 方向上的流速分量；h 为水深；H=h+ζ为总水深；t为时间；C 为谢才系数，C=1/n·H1/6，n 为糙率系数；f为柯氏系数，f=2ωsinφ，ω为地转角速度，φ 为纬度。

对水动力方程的离散引用传统的ADI法数值求解，计算时间步长为1 min。

2.3 边界条件

（1）边界条件：开边界采用水位控制，边界水位采用潮位预报的方法得到[10-11]：

式中：A0为平均海面；Fi，(v0+u)i为天文要素；Hi，gi为调和常数。为了简化模型，且更清楚地显现理想海湾的动态水位差，这里调和常数仅选用2个分潮M2和S2，振幅取值分别为1.8 m和0.5 m，相位取值分别为260°和290°，大致和中国东海强潮区域调和常数相符，计算潮型取大潮。

（2）初始条件：

2.4 参数选取

柯氏力 f=2ω*sin(29.1°)；粘滞系数 A 取 20～60 m2/s；水容重 ρ=1 020 kg/m3；糙率系数 n=0.010。

3 理想潮汐能海湾的模拟结果分析

3.1 潮流场分析

海域潮流涨落潮流场分布见图6。计算结果显示，理想海湾内涨潮流速最大为2.8 m/s，落潮流速最大为2.2 m/s；平均涨潮流速为1.5 m/s,平均落潮流速为1.3 m/s；由此可见，流速强度和我国的强潮海湾大致相当。而流速较强的位置一般出现在海湾岸线的岬角前沿，海湾底部的流速相对较弱，水交换强度也较弱，这和我国大多数海湾的水动力特征一致。

图6 围垦工程实施前双盘涂附近涨、落急流矢图

3.2 海湾内外动态水位差发电可行性分析

图7 动态水位差平面分布图

图8 电站内外两侧水位变化过程曲线

图9 电站内外两侧的动态水位差过程曲线

模型计算结果中，每2 h输出水位平面分布，如图7所示。可见，海湾内外动态水位差最大的位置出现海湾底部附近，暨图示的电站位置。

模型试验中，在海湾内外（暨电站的内外两侧）分别设置两个点（图5），记录水位变化过程曲线。海湾底部（电站内侧）和海湾外（电站外侧）的水位变化过程曲线见图8所示，可见电站内外两侧的潮时相差约4.5 h。电站外侧水位表现较为正规；而电站内侧低水位时间长于高水位时段，水位抬升过程较快，略有涌潮特征。因此，电站内外两侧的潮时和潮汐特征均表现不一致，使得大多数时间内两侧存在动态水位差。

图9所示为电站内外两侧的动态水位过程曲线。由图可见，电站两侧的动态水位差最大可达6.0 m，几乎接近最大潮差；两侧平均水位差在3.0 m左右，因此可达到较好的发电效果。从过程曲线来看，海湾内侧向外侧排水（正向）发电的时间更长，而外侧向内侧排水（逆向）发电的水头更大。

从可发电时间来看，两侧水位差在90%的时段内大于1.2 m，而现有的潮汐能发电技术水位差大于0.8 m即可进行发电，因此该电站可在大潮90%时段内进行发电，要高于传统潮汐电站一般大潮的发电时间。

4 小结

本文提出了海湾潮汐能开发的新思路，并构建了理想海湾水动力数值模型进行试验。试验结果显示，在理想的大潮条件下，采用该新型的潮汐能发电方式可使得潮汐电站发电时间提高到90%左右，最大发电水头几乎接近最大潮差，相对传统潮汐电站提高了潮汐能的利用时间。

研究表明，利用海湾内外的动态水位差进行潮汐能发电的新思路，在理论上是可行的。与传统潮汐能电站的发电模式比较，该全新潮汐能开发方式还有以下优点：不在海湾内建设大坝，因此对海湾的通航等其他资源利用的矛盾较小，也可能对海湾水动力环境影响更小。

而中国沿海有众多海湾形态都类似于文中的理想海湾，如浙江乐清湾和福建三都澳，因此该潮汐能的全新开发方式可能有较好的发展前景。

[1]刘全根.世界海洋能开发利用状况及发展趋势[J].能源工程，1999，2∶5-8.

[2]朱成章.关于我国潮汐能资源和潮汐电站建设情况[J].新能源，1995，17(2)∶5-8.

[3]余志.海洋能利用技术进展与展望[J].太阳能学报，1999，特刊∶214-226.

[4]郭成涛.潮汐能利用的新概念[J].海洋学报，1994，16(1)∶142-148.

[5]张发华.综合开发我国潮汐能的探讨[J].水力发电学报，1996，3∶33-42.

[6]徐锡华，阮世锐.潮汐电站设计导则[J].国外水电技术，1991，6(2)∶1-2.

[7]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，2006，12∶82-86.

[8]李孟国，曹祖德.海岸河口潮流数值模拟的研究与进展[J].海洋学报，1999，21(1)∶61-69.

[9]冯士笮，孙文心，等.物理海洋数值计算[M].河南科学技术出版社，1990.

[10]李孟国，王正林.瓯江口潮流数值模拟[J].长江科学院院报,2002，19(2)∶8-17.

[11]汤立群，金忠青.正交曲线坐标下河口二维潮流过程计算[J].水动力学研究与进展，2003，18(2)∶31-41.

Numerical Research on Dynamic Water-head Between Sea and Gulf——A New Exploration on Development Way of Tidal Energy

ZHANG Jun-biao1,MIU Bin2,XU Xue-feng1,3,YANG Wan-kang1,ZHANG Feng1,PAN Chong1,SHI Wei-yong1
(1.The Second Institute of Oceanography,SOA,Hangzhou Zhejiang 310012,China;2.The Marine Environment Monitoring Center Station of Mindong,SOA,Ningde Fujian 352000,China;3.Zhejiang University,Hangzhou Zhejiang 310006,China)

A new way of the Gulf tidal energy development was proposed using the dynamic water-head inside and outside the Gulf for tidal power generation.Tide inconsistency was used when it reaches the bottom of the Gulf and outside the Gulf,leading to delay in the tide on Gulf bottom.A dynamic water-level difference was formed between inside and outside of the Gulf,which can be used for tidal power water-head.An ideal tidal energy gulf was built up for the hydrodynamic numerical simulation.Results show that the new tidal energy is existent.Compared to the traditional tidal energy,its impaction is smaller to the hydrodynamic environment and navigation.

numerical simulation;tidal energy;gulf;dynamic

P743.3，P753

A

1003-2029（2012）04-0083-05

2012-05-11

海洋可再生能源专项资金资助项目（GHME2011CX01，GHME2011ZC05）

张俊彪（1971－），男，高级工程师，主要从事河口近岸动力学研究。

通讯记者：许雪峰（1981-），男，博士研究生，主要从事河口近岸动力学研究。Email：xuxuefeng1981@163.com