灌门水道潮流能资源评估及开发条件初步分析

赵建春，陆 延，陈国海，杨 娟，王卫远

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.神华国华（舟山）发电有限责任公司，浙江 舟山 316000）

灌门水道潮流能资源评估及开发条件初步分析

赵建春1，陆 延2，陈国海1，杨 娟1，王卫远1

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.神华国华（舟山）发电有限责任公司，浙江 舟山 316000）

浙江舟山海域是我国沿海潮流能试验研究和开发利用的热点区域，灌门水道即舟山海域著名的强潮流通道。首先，通过建立平面二维潮流数学模型，分析研究了灌门水道的潮流能资源分布特征，估算了其潮流能资源蕴藏量和技术可开发利用量。其次，分析了在灌门水道开展潮流能开发利用所需要面临的各种限制因素，对潮流能发电示范项目的开发条件进行了初步分析评估。研究成果显示，灌门水道内的最大流速普遍超过3 m/s，平均能流密度普遍超过3 kW/m2，可作为在本区域开展潮流能开发利用选址规划的重要依据。

舟山；潮流能；资源评估；开发利用

潮流能是指海水在月球、太阳等天体的引力作用下做周期性往复水平运动所形成的动能。浙江省作为我国沿海重要省份，其潮流能资源十分丰富，居全国沿海各省之首，占全国总量的51%，而浙江省沿岸96%的潮流能资源又集中于舟山海域和杭州湾口[1]。在舟山海域规划建设潮流能开发利用项目，可以为海岛的经济发展发挥重要作用，对于优化该地区能源消费结构，促进经济社会的可持续发展具有重大意义。

舟山海域的强流区多集中于岛屿与岛屿之间的水道航门。其中，龟山航门、灌门、西堠门等是舟山海域著名的强潮潮流水道，在潮流能的开发利用方面具有非常优越的资源条件。神华国华（舟山）发电有限责任公司（下文简称“国华舟山电厂”）厂址位于舟山本岛北部的白泉镇外山咀（图1），其西北侧隔舟山金海造船厂（长跳咀）与灌门相邻，灌门北侧的秀山岛与官山岛之间，即为著名的龟山水道。在优先考虑资源条件的前提下，结合后续项目用海、用地、电网接入等方面需求，本文以灌门水道为例，基于数学模型手段反演了舟山海域的平面二维潮流水动力场，通过分潮流最大流速、能流密度等特征参数，对水道内的潮流能资源条件进行了评估；此外，结合其他工程建设条件和环境限制因素，对在灌门水道开展潮流能发电项目的开发条件进行了初步评估。

1 区域概况

灌门位于舟山本岛北侧与秀山岛之间海域，水深20～70 m（图1）。邻近海域有圆山、青山、凉帽山、粽子山、太平山、稻桶山等岛屿存在，水道最窄处位于粽子山与龙王跳咀之间，20 m等深线宽度约550 m。该海域涨潮流向西北，落潮流向东南，流速为4～5 kn，最大可达6 kn，粽子山附近有急流旋涡[2]。

图1 灌门海域水下地形示意图

2 潮流能资源评估

2.1 数值建模

本文采用MIKE 21 FM[3]搭建平面二维潮流数值模型，用于反演灌门水道及其邻近海域的潮流场情况，并且据此对各特征流速和能流密度的空间分布情况进行统计分析。

2.1.1 水动力控制方程 模型计算所采用的水动力控制方程如下：

式中：t为时间；x，y代表右手Cartesian坐标系；η为水面相对于未扰动水面的高度，即通常所说的速在x，y方向上的垂向平均流速；g为重力加速度；f为科氏力参数，f=2Ωsinφ（其中Ω=0.729×10-4s-1为地球自转角速率，φ为计算海域所处地理纬度），n为模型计算所用曼宁系数；εx，εy为x，y方向上的水平涡动粘滞系数。

2.1.2 模型建立及相应参数 模型计算域覆盖了杭州湾和整个舟山群岛海域，开边界北至长江口南汇东滩、南至浙江象山，东至外海E124°30′附近。为节约计算容量、节省时间，对网格进行逐层加密，研究区域外的网格尺度较大，边界处网格尺寸约为3 km，越接近研究区域网格越小，灌门水道及邻近海域的网格尺寸约为100 m。

模型求解采用非结构网格中心网格有限体积法求解。模型北、东、南三向开边界采用MIKE软件自带全球潮汐模型给定的调和参数进行潮位预报，陆域入海径流则采用模拟时段的平均入海径流量，其余均为陆地边界。模型计算时间步长0.01～30 s；利用Smagorinsky公式估算水流的水平涡粘系数，相应Smagorinsky系数取值为0.28 m2/s；采用曼宁公式给定糙率，深水区糙率一般取0.011～0.016，滩地糙率一般取0.020～0.030；计算初始潮位取平均潮位，初始流速则取零；模型计算不考虑风和浪的影响。

2.1.3 模型率定及模型计算 为了保证所建立数学模型的准确性和计算精度，根据国华舟山电厂委托相关单位于2014年11月24日至11月30日期间在研究海域（站位分布见图2）开展的多点同步大、中、小潮全潮水文测验数据对模型参数进行率定，见图3（潮位）和图4（潮流流速、流向）。

图2 模型率订实测站位图

由图可知，模型计算值与实测值相比，除个别站点受局部岸线及水下地形特征偏差影响，计算误差相对较大，但总体而言两者之间变化趋势比较吻合，本文所搭建模型能够较好反映坝址所在海域潮汐、潮流水动力的整体时空变化特征。

研究区域附近岱山水文站2012年各月的实测潮差统计资料统计显示，该站6月平均潮差为2.12m，与全年平均潮差2.13 m最为接近。因此，本报告将2012年6月作为模型计算期（即代表月），用来代表全年的平均潮流动力情况。

图3 模型潮位验证结果

图4 模型潮流验证结果

2.2 流速分布特征分析

潮流数模计算结果显示，在涨潮期间，潮流由外海传入本研究区域后，分为四股分别进入岱山水道、高亭水道、龟山航门和灌门水道；在落潮期间，上述各股潮流又在舟山本岛与长途山一线水域汇集，并经黄大洋至外海。灌门水道内的涨、落潮流向以NW—SE向为主。在秀山、官山、青山等岛屿的背流侧，由于岛屿遮蔽作用影响，流速普遍较低；在岛屿之间的水道、航门区域，由于流道束窄、过流截面变小，流速有明显增大现象。涨潮期间，灌门水道的流速高值区主要集中在龙王跳咀～粽子山断面以西；落潮期间，高流速区则转移至上述断面以东。

模型计算时段内，研究海域的时段最大流速、平均流速分布情况如图5～图6所示。由图可知，高亭水道、龟山航门、灌门水道内的最大流速普遍超过3 m/s，月平均流速普遍超过1 m/s；局部区域的最大流速可达5 m/s，月平均流速可达2 m/s。 2.3潮流能功率估算

图5 研究海域最大流速分布特征

图6 研究海域平均流速分布特征

国外评估潮流能资源特征时[4]，常使用特征流速Vrmc，即速度三次方的均方根，该参数是衡量潮流能功率密度的重要指标：

式中：Vj为每隔10 min记录的各时刻流速；N为统计序列的时间步长总数。

平均能流密度ADP（单位：W/m2）则通过式（5）计算求得：

由图7可知，龟山航门与灌门水道的平均能流密度普遍超过3 kW/m2，局部水深较浅区域的平均能流密度甚至可超过6 kW/m2，潮流能资源丰富，具有较强的开发利用价值。

图7 研究海域潮流能平均功率密度分布特征

潮流能理论蕴藏量的计算公式为：

式中：P为周期T内潮流能的平均功率（单位W）；t为初始时刻；T为评估周期（单位s）；L和H分别为统计水道控制断面的宽度和水深（单位m）；ρ为海水密度，取1 025 kg/m3。

在基于平面二维潮流数值模型进行潮流能资源量的估算时，实际计算公式为：

式中：P是指周期T内潮流能的平均功率（单位W）；n为周期T内流速的采样个数；m为统计水道控制断面的网格数；vt,i为对应时刻、对应网格上的流速（单位m/s）；Hi为对应网格上的水深（单位m）；Bi为对应网格宽度（单位m）。

根据研究海域潮流能平均功率密度的空间分布特征，最终在灌门水道海域的龙王跳咀—粽子山和粽子山—青山之间划定两个控制断面（见图2）估算其潮流能资源量。提取控制断面上各计算网格的水深、宽度、流速等特征值，经公式计算，得到上述两个控制断面的潮流能理论蕴藏量分别为14.76× 104kW和4.34×1044kW。

目前国内外在统计潮流能的技术可开发量时，比较常用的有FARM方法和Flux方法[5]。其中，Flux方法认为潮流能的总蕴藏量中，只有一部分是可以被开发利用的。利用Flux方法评估潮流能资源，仅需考虑潮流经过水道的能通量和有效影响因子（SIF），与具体设备无关。据此方法，潮流能的可开发量PAsite可以简单表示为理论蕴藏量PEtotal与有效影响因子SIF的乘积，即：

Black&Veatch给出了不同海区SIF参考值，其中水道、开阔海域、海岬，均为10%～20%[6]。依据美国电力研究会的研究案例，确定本研究海域的有效影响因子SIF取值为15%。经公式计算，得到两个控制断面的技术可开发量分别为2.21×104kW和0.65×104kW。

国家海洋局组织完成的我国近海海洋综合调查与评价专项（即“908”专项）成果[7]显示，灌门水道的年平均理论蕴藏量为10.04×104kW（仅统计了一个断面）。本文所给估算结果，在量级上与其比较接近，两者所选断面、统计时段和模型计算精度的不同是导致误差出现的主要原因。

3 工程开发条件初步分析

3.1 水深地形条件

灌门水道海域的水下地形变化比较复杂，近岸区5 m等深线离岸距离约为100 m左右，近岸区水下边坡普遍较陡，在龙王跳咀、长跳咀、短跳咀等区域有犄角状地形突出，造成近岸区域局部流速普遍增大，而有深泓线则基本上位于水道中央，水深普遍大于50 m。从目前掌握的地形资料判断，高流速区的水深条件基本满足百千瓦级潮流能发电设备的布置安装。

3.2 交通运输条件

潮流能发电工程的大部分主体建筑物一般均位于海上，施工物资与设备在到达施工基地后需要进行运输方式的转化与调整，以满足工程施工的要求。灌门水道的水深条件常年可满足常规船舶正常运行，因此海上发电场内的交通运输可通过船舶自航或拖轮牵引进行移位与航行。

3.3 并网接入条件

潮流能示范电站的装机容量一般较小（百千瓦至兆瓦级），工程建设对浙江、舟山电网的影响均比较小，所发电量完全能够被电网就近消纳。针对示范电站的离岸距离和机组出口电压等级，可分别采用“低压发电机+海上升压平台”或“中压发电机+岸基中压变流器”的形式，将潮流能机组所发电力并入当地电网。此外，国华舟山电厂位于舟山本岛北侧，灌门水道南岸，电厂内的已有输电设施也为潮流能示范项目接入电网提供了非常便利的条件。

3.4 重要环境限制因素

根据相关规划，灌门水道在功能区划上属于岱山港口航运区，功能区内重点保障港口、航道和锚地用海，在不影响港口航运基本功能前提下，兼容工业用海、城镇建设用海和旅游娱乐用海；此外，灌门水道为马岙港区现有主要进港航道，灌门航道按10万吨级船舶双向通航设计，其中灌门狭口宽度满足10万吨级+5万吨级船舶双向通航。因此，通航功能用海是影响区域内其他工程用海的重要环境限制因素之一。

图8 马岙港区各航道示意图

此外，连接岱山与舟山之间疏港公路也是在灌门水域规划潮流能示范电站场址时需要考虑的重要环境影响因素。该公路由江南大桥、官山大桥、秀山大桥以及秀山陆上接线公路和秀山至舟山本岛的陆路通道连接而成。其中，官山岛以北部分已于2014年建成，秀山大桥也已于2015年开工建设，预计2018年底建成。秀山与舟山本岛之间的连岛工程方案，目前正在研究制定中。

综上，在灌门水道开发潮流能示范电站，在海洋功能兼容方面具有一定可操作性，但需要在兼顾水深、资源条件的前提下，合理避让港航、海事、桥梁、军事等其他用海管理区域。并且通过科学规划，减少潮流能示范工程开发对现有海洋环境的影响程度。

4 结语

随着人类对海洋能等清洁可再生能源需求的不断加大以及潮流能发电技术和装备制造水平的不断提高，潮流能将迎来广阔的发展空间。浙江舟山海域是我国沿海潮流能试验研究和开发利用的热点区域，灌门水道即舟山海域著名的强潮流通道。本文基于数模手段研究认为，灌门水道的潮流能资源储量非常丰富，具有较好的开发利用价值，并对其开发条件进行了初步分析。研究成果可作为在灌门水道海域开展潮流能开发利用选址规划的重要依据。

[1]王传崑，卢苇．海洋能资源分析方法及储量评估[M].北京：海洋出版社，2009．

[2]舟山市海洋功能区划[R].舟山市人民政府，2006．

[3]MIKE 21 FlowModel Hydrodynamics Module User Guide[M].DHI，2009．

[4]Assessment ofTidal EnergyResource[S].European Marine EnergyCentre，2009．

[5]吕新刚，乔方利．海洋潮流能资源估算方法研究进展[J].海洋科学进展，2008，26(1):98-108.

[6]Black&Veatch ConsultingLtd.UK，Europe，and Global Tidal Resource Assessment，Marine EnergyChallenge Report[R].2004．

[7]韩家新.中国近海海洋——海洋可再生能源[M].北京：海洋出版社，2015．

Preliminary Analysis on the Tidal Current Energy Resources in the Guanmen Channel off the Coast of Zhejiang Province,China

ZHAO Jian-chun1,LU Yan2,CHEN Guo-hai1,YANG Juan1,WANG Wei-yuan1
1.PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited,Hangzhou 311122,Zhejiang Province,China;
2.Zhejiang Shenhua Guohua Zhoushan Power Generation Corporation Limited,Zhoushan 316000,Zhejiang Province,China

The Zhoushan sea area off the coast of Zhejiang Province has always been a hotspot for the experimental research and exploitation of tidal current energy in China waters,in which the Guanmen Channel is such a famous strait with intense current energy.By means of numerical analysis,this paper has established a 2-D hydrodynamic model to derive and study the spatial distribution characteristics of tidal current energy in the Guanmen Channel,before estimating the potential exploitable current power resources.Then this paper analyzes the various restrictive factors that need to be faced with when developing tidal current energy in the Guanmen Channel,and preliminarily evaluates the specific development condition for the demonstration project.The research results show that the maximum flow velocity in the Guanmen Channel is generally over 3 m/s and the average energy density is accordingly more than 3 km/m2，which can be used as an important basis for the site planning of tidal current energy development in the region.

Zhoushan;tidal current energy;resource assessment;demonstration project;development and utilization

P743

A

1003-2029（2017）04-0064-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.04.012

2017-03-08

海洋可再生能源专项资金资助项目（GHME2013GC03）

赵建春（1985-），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为海洋水文及海洋能规划。E-mail：zhao-jcz@ecidi.com