厦门湾海域及金门水道潮流能特征分析

陈金瑞

（福建省海洋预报台，福建 福州 350003）

厦门湾位于福建省南部沿海九龙江入海口处，是一个半封闭型海湾，属于构造成因的港湾，兼有河口湾性质，其岸线曲折，地形复杂，东有大小金门岛，南有大小担岛，西有九龙江径流，由于受河流径流、海洋潮流和岸线地形共同作用，厦门湾海域流场情况较为复杂。

随着世界各国对能源需求的不断增长和环境保护的日益加强，潮流能作为一种海洋可再生能源，已经得到广泛的关注及研究，研究主要集中在探讨潮流能开发装置和潮流能资源计算方法。近年来，欧洲（尤其是英国）、加拿大、美国等发达国家都对各自管辖的海域开展了潮流能资源评估（Energy Technology Support Unit， 1993；Commission of the E uropean Communities， 1996；Black&Veatch Consulting Ltd，2004；Cornett，2006；Hagerman et al，2006）。基于前期海洋能工作，2009年欧洲海洋能中心发布了第一版潮流能资源评估指南（Black&Veatch Consulting Ltd，2009），详细描述了潮流能资源评估的不同阶段、数据要求及分析、评估方法以及资源统计等等。国内也有部分学者和研究机构对全国沿海的潮流能进行了初步估算，1986-1989年完成的《中国沿海农村海洋能资源区划》（王传崑等，1989）中列举出全国潮汐能资源和波浪能、潮流能资源理论功率；2005年启动的“中国近海海洋综合调查（908）”专项中，开展了近海的各类海洋能资源调查。总体上讲，潮流能资源的开发利用还处于起步阶段。由于目前我国的潮流观测数据较为稀缺，针对重点水道，只能利用数值模式弥补资料缺陷，采用数值模拟与现场调查相配合的方法进行潮流能资源评估（吕新刚等，2008，2009；武贺等，2010）。本文基于FVCOM海洋数值模式建立厦门湾及其附近海域的潮汐潮流模型，统计分析该海域潮流能要素特征，并针对特定水道的潮流能蕴藏量及技术可开发量进行重点分析。

1 水动力模型简介和验证

1.1 模型简介

海洋数值模式FVCOM（An Unstructured Grid，Finite-Volume Coastal Ocean Model）（Chen et al，2006）是由美国马萨诸塞大学海洋科技研究院和吾兹霍尔海洋研究所联合开发，它在近海海湾数值模拟中具有明显优势：水平方向上无结构三角形网格能很好地拟合复杂岸线并对重点区域进行局部加密；垂向上采用σ坐标变换能很好拟合复杂海底地形；采用有限体积方法能够保证整个研究区域和单元网格都能满足动量、能量和质量守恒；三维干湿网格处理技术可更好地解决海湾滩涂面积大的变边界问题等。

1.2 模型配置

1.2.1 计算网格和地形数据

图1 计算区域网格

本文的计算区域范围（图 1）为 117.75°E-119.35°E，23.60°N-24.80°N，覆盖了整个厦门湾及其附近海域，模拟海域内水平方向上共有71 426个三角形节点，138 432个三角形单元。对厦门湾海域进行加密，最小网格距小于100 m。计算时间是从2009年12月27日到2011年1月1日，前面5 d用于模型稳定，不用于本文潮流能参数的数据统计。

本模型的岸线和近岸的水深数据来源于福建省908专项调查成果，外海区域的水深数据来源于中华人民共和国海事局出版的海图，将二者拟合的水深数据插值到模拟区域网格点上，见图2，厦门湾内大部分水深介于5～20 m之间，最大水深达31 m。

1.2.2 边界条件

本文在模拟过程中不考虑温盐变化以及大气对海洋的影响，模型采用零初始条件，即初始时刻潮位和流速均设为0；开边界是由101个节点组成，用 8 个主要天文分潮（M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1）的调和常数后报出开边界水位驱动模型，开边界的调和常数是从福建省海洋与渔业厅“十一五”期间建立的台湾海峡三维温、盐、流模型中提取出来，采用了干湿网格处理技术，滩涂的数据来自福建省908专项调查成果。

1.3 模型验证

本文选取厦门验潮站2010年6-7月的逐时潮位观测数据（因为这期间厦门海域海况较好，无台风和冷空气影响）验证数值结果，验潮站以及流速验证点位置如图2。7月水位对比曲线（图3）表明二者吻合较好，平均绝对误差为17.8 cm，平均相对误差为5.8%。表1给出了翔安、厦门和龙海3个站的调和常数（3个潮位站观测得到2010年逐时潮位数据调和分析所得），各个分潮的振幅和迟角与实测结果吻合较好，误差都在允许范围内。

本文还对比了福建908专项调查中厦门湾海域的流速数据，大潮期间为2005年9月20日13∶00至2005年9月21日14∶30，小潮期间为2005年9月28日14∶00至2005年9月29日 16∶00，站点位置见图2。图4-6给出了大小潮期间C1、C2和C3站点的流速流向对比曲线，红线为实测数据，蓝线为模拟结果，除了C2站，C1和C3站潮流验证点的流速流向模拟和实测吻合，统计大潮流速大于30 cm/s的数据，C1站的流速相对误差为21.5%，流向绝对误差10.4°；C2站的流速相对误差为22.1%，流向绝对误差17.7°。综上所述，通过对潮位、流速和流向对比表明，本文所建立厦门湾潮汐潮流模式是可信的，模拟结果能较好地体现厦门湾海域的潮汐潮流特征。

图2 计算区域水深等值线及验证点分布

图3 7月份厦门站实测数据与模拟结果对比曲线

表1 观测与计算的调和常数对比表

图4 C1站潮流过程曲线

图5 C2站大小潮过程曲线

图6 C3站大小潮过程曲线

2 潮流能要素特征分析

在潮汐潮流验证的基础上，利用数值模拟结果统计厦门湾海域大小潮年平均流速、最大可能流速、年平均功率密度，并针对特定的水道计算其年各级潮流累计时间、水道潮流能资源蕴藏量以及技术可开发量（用垂向平均流速作为基础数据）。

2.1 大小潮年平均流速

本文将一年中所有的大潮期（连续3 d）流速峰值的平均值取为大潮年平均流速；一年中所有的小潮期（连续3 d）流速峰值的平均值取为小潮年平均流速。统计厦门湾海域的大小潮年平均流速，结果见图7和图8，大小潮期间年平均流速分布趋势基本一致，平均流速较大区域主要发生在金门水道、金门北东水道、厦门东侧水道、九龙江口至青屿水道以及安海湾口门附近海域，其中以金门北东水道最大，大潮期间介于1.2～1.6 m/s，金门水道次之，大潮期间介于为1.1～1.3 m/s。

图8 小潮年平均流速分布图

2.2 最大可能流速

根据历史资料以及本次模型计算的结果显示，厦门湾及其附近海域属于规则半日潮，按照《海港工程规范》的要求，最大可能流速的公式为：

其中 WM2、WS2、WK1、WO1、WM4、WMS4分别为M2、S2、K1、O1、M4、MS4分潮潮波的潮流椭圆长半轴。根据上述公式计算得到模拟区域的最大可能流速分布见图9，最大可能流速分布基本与大小潮平均流速分布一致，在模拟区域内最大可能流速较大区域发生在金门北东水道、金门水道以及安海湾湾口，其他区域的最大可能流速基本上小于1.4m/s；该海域最大可能流速最大值可达到2.2 m/s，发生在金门北东水道，金门水道次之。

图9 最大可能流速分布图

2.3 年平均功率密度

功率密度，又称能流密度，是单位时间通过单位过流面积的潮流能量。潮流能通常是经某个过流面来开发利用的，因此功率密度是衡量潮流能的一个重要标志。功率密度P计算公式（吕新刚等，2008）为：

其中：ρ为海水密度；V为潮流流速。潮流随时间改变，通常取上式在某时间内的平均值——平均功率密度Pm：

将一年内的功率密度的平均值取为年平均功率密度（图10），其分布与大小潮年平均年功率密度基本上相似，年平均功率密度较大的区域发生在金门北东水道、金门水道以及安海湾湾口；以金门北东水道年平均功率密度最大，可达400 W/m2；金门水道次之，达250 W/m2左右。

图10 年平均功率密度分布图

2.4 年各级潮流累计统计

潮流能发电机的发电原理为潮流作用在涡轮机叶片上使叶片旋转，然后通过发电机将旋转叶片的动能转换为电能来进行发电。发电过程不止要考虑潮流的最大流速，还必须考虑水道等年各级潮流累计时间，因为就目前的发电装置技术，流速过低时潮流将不足以带动涡轮机叶片转动。只有流速达到一个临界速度之上时才会被潮流能发电机利用并产生电能，称这个临界速度为截入速度（cut-inspeed）。潮流能发电机本身设计时有一个额定功率，使潮流能发电机达到额定功率时的潮流的临界流速称之为额定流速（rated speed）。当潮流流速超过额定流速时即使流速继续增加，潮流能发电机的发电功率也不会随之变大，而是始终保持额定功率不变。不同国家设计潮流能发电机的额定流速和截入速度不同，基本上额定流速都在2.5 m/s，截入流速一般低于1 m/s。

对金门水道附近的海域选取一个流速最大的点作为特征点进行分析，统计一年内在不同速度区间上出现的概率分布图11：垂向平均潮流最大介于1.8～1.9 m/s，这与《中国沿海农村海洋能资源区划》指出金门水道的最大流速可达1.96 m/s基本一致，不过发生时间不是很多，一年内垂向平均流速超过1 m/s的时间为2 483 h，占28.3%。

图11 垂向平均潮流累计时间统计曲线

2.5 金门水道潮流能资源蕴藏量和技术可开发利用量

潮流资源评估主要依赖于潮流数值模拟数据作为评估主要基础数据。一般来说，由于潮流能总是经过某个过流截面来开发利用的，因此潮流能储量是指抛开一切技术因素，通过某个截面的潮流能。理论计算公式（吕新刚等，2010）：

其中：P是指周期T内潮流能的平均功率；t初始时刻，T为评估周期；L水道宽度；H水深，ρ为海水密度，取1 025 kg/m3。

本文计算潮流能蕴藏量的断面位于金门水道垂直平均流速极值点处，方向与当地潮流椭圆的主轴方向垂直，该断面长度为1 981 m，平均水深16 m，最深处为30 m，积分时间T取一年。

针对于金门水道潮流技术可开发量的计算，本文选用FLUX方法（吕新刚等，2009），有效影响因子SIF的取值参考（Hagerman et al， 2006）取为15%进行计算，通过计算金门水道潮流能蕴藏量为2 917 kW，其技术可开发量为438 kW，通过计算月平均蕴藏量，见图12，3、4月份和9月份形成两个峰值、6月份达到波谷；大潮年平均蕴藏量为4 970 MW。

图12 金门水道2010年月平均蕴藏量

3 结语

本文基于海洋数值模式FVCOM，以8个主要分潮作为驱动，在较准确刻画厦门湾海域潮汐潮流变化的情况下，统计其各潮流能要素特征，得到以下初步结论：

（1）大小潮期间年平均年流速分布趋势基本致，大潮期间平均流速大于小潮期间；大小潮期间平均流速较大区域主要发生在金门水道、金门北东水道、厦门东侧水道、九龙江口至青屿水道以及安海湾口门附近海域，其中以金门北东水道最大，大潮期间介于1.2～1.6 m/s，金门水道次之，大潮期间介于为 1.1～1.3 m/s；

（2）最大可能流速分布基本与大小潮平均流速分布一致，该海域最大可能流速最大值可达到2.2 m/s，发生在金门北东水道，金门水道次之；

（3）金门水道垂向平均潮流最大介于1.8～1.9 m/s，一年内垂向平均流速超过1 m/s的时间为2 483 h，占28.3%；

（4）通过计算金门水道潮流能蕴藏量为2 917 kW，其技术可开发量为438 kW。

致谢：福建省908专项调查成果提供了宝贵基础数据，科室同事提出宝贵修改意见，谨在此一并致谢。

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