舟山海域重要水道潮流能资源评估

陈 超,鲍 敏*,叶 钦,严聿晗,曹振轶,张乾江

(1.卫星海洋环境动力学国家重点实验室,浙江 杭州 310012; 2.自然资源部第二海洋研究所,浙江 杭州 310012; 3.自然资源部海洋空间资源管理技术重点实验室,浙江 杭州 310012; 4.浙江省近海海洋工程环境与生态安全重点实验室,浙江 杭州 310012; 5.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

0 引言

海洋能指依附在海水中的可再生能源,资源存储量及开发前景巨大,其中潮流能作为可预测性较强的部分,具有显著的战略地位。潮流能开发利用的主要方式是通过涡轮机进行发电,具有成本较低、技术完善、对环境影响小等优点[1-2]。浙江近海海域的强潮特征显著,潮差大、潮流急,其潮流能资源占全国总量的41.9%,其中舟山海域潮流能资源约占浙江省的54.0%,开发潜力巨大[3-4]。

早期对舟山海域潮流能资源的评估主要利用预报和实测的潮流数据进行[5]。近些年来,研究者应用FVCOM、SCHISM、ROMS等海洋模式对舟山海域的水动力场进行了模拟,根据模拟结果分析了潮流能资源的分布特征、储量大小及可开发性[6-11]。潮流能可开发量的计算多使用Flux法和Farm法。Flux法综合考虑了影响潮流能开发的因素,适合于在大范围海域的评估;而Farm法根据涡轮机的具体类型和排布方式计算涡轮机的发电功率,适合水道内部小范围的潮流能资源评估[12-13]。

本文应用FVCOM海洋模式,建立舟山海域高分辨率的潮汐潮流模型,分析潮流能资源分布及储量,并针对当地潮流特征,进行潮流能资源的可开发性分析,进一步根据涡轮机参数应用Farm法计算了潮流能资源的可开发量。

1 数值模型的构建及验证

1.1 数值模型的构建

FVCOM海洋模式采用非结构化三角形网格以及σ坐标变换,能较好地刻画该区域复杂的岸线和海底地形,适合中国近海潮汐潮流的数值模拟[14]。模式计算范围如图1a所示,水深数据来自于中华人民共和国海事局提供的数字化海图,并进行了平均海平面校正。计算区域内共有网格节点 216 360 个,网格单元419 873个,在舟山海域主要水道内进行了局部加密,加密区域最高分辨率可达50 m。开边界采取水位驱动,数据来自全球潮汐数据库TPXO7。计算以“冷态”启动,即模型中零时刻所有网格的潮位和流速均为零,时间步长为2 s。模拟时间为2017年7月20日 00∶00 至2017年8月31日23∶00,结果每1小时保存1次。模式验证点和西堠门水道(L1)、册子水道(L2)、螺头水道(L3)、灌门水道(L4)、龟山航门(L5)、桃花港(L6)的空间分布如图1b所示。

图1 模式计算区域(a)和水道、验证点分布(b)

1.2 数值模型的验证

采用2017年8月的实际观测资料对模拟结果进行验证,因实际观测中的潮位、潮流受到风场、径流等影响,故需先对资料进行调和分析。如表1所示,分潮振幅的绝对误差均在10 cm以内,迟角的最大绝对误差出现在W1站位O1分潮,为24.35°,M2、S2分潮迟角均在20°以内。

表1 模型潮位验证

限于篇幅,仅展示大潮期间表层流速的验证结果(图2)。从图中可以看出,模拟结果与观测数据中潮流的方向和大小变化具有良好的一致性。平均流速、流向的误差如表2所示,大、中、小潮期间,S1、S2和S3站位流向的绝对误差均不超过25°,流速的相对误差最大为17.2%。综上所述,该模型的潮汐潮流模拟结果可靠,可用于进行后续分析。

表2 S1、S2、S3站潮流流向、流速误差

图2 大潮期间S1、S2、S3站位表层潮流验证

2 舟山海域潮流能资源蕴藏量

能流密度是衡量潮流能资源蕴藏量的重要指标,用P表示[15],计算公式如下:

(1)

式中:ρ是海水密度,取ρ=1 024 kg/m3,v是潮流的瞬时速度。

如图3a所示,舟山海域的平均能流密度大多在0.5～2.0 kW/m2之间,各水道(29.9°N—30.3°N,121.9°E—122.3°E)的平均能流密度超过2.0 kW/m2,舟山岛东侧海域(30.0°N—30.2°N,122.3°E—122.5°E)的平均能流密度普遍低于1.0 kW/m2,大部分为0.5～0.9 kW/m2。最大能流密度(图3b)在舟山岛附近为6～15 kW/m2,而西堠门水道、册子水道、螺头水道、灌门水道、龟山航门、桃花港6处水道(L1～L6)中最大能流密度超过20 kW/m2,其他海域普遍为5～10 kW/m2。

L1—西堠门水道;L2—册子水道;L3—螺头水道;L4—灌门水道;L5—龟山航门;L6—桃花港

3 舟山海域重要水道潮流能资源评估

3.1 水道潮流能可开发时长和潮流特征

除了资源蕴藏量,潮流能实际可开发量还取决于可开发时长,该指标与涡轮机的具体参数相关。本文中涡轮机的启动流速为1.0 m/s、额定流速为2.5 m/s。根据流速占比统计方法[16]计算得到2017年8月6处水道不同流速的占比分布。从图4可知,6处水道中流速低于1.0 m/s的时长,即未达到启动流速的时长,均占总评估时长的20%以下,其中占比最大的为螺头水道,达19.09%;流速在1.0～2.5 m/s 的时长,即达到涡轮机启动流速的时长,均占总评估时长的70%以上,其中灌门水道的占比较大,为75.77%;流速高于2.5 m/s的时长,即达到额定流速的时长,均占总评估时长的6%以上,其中册子水道的占比最大,达14.78%。综合比较可见,在册子水道中涡轮机发电的总时长和以额定功率发电的时长为6条水道之首,表明该水道可供开发的潮流能资源最多。

图4 舟山海域6个重要水道流速的占比分布

对各水道的潮流特征进行多角度分析(表3),其中潮流的不对称性αv和旋转性αθ[6]、潮流涨落期间的流向稳定性αf和αe[9]的计算公式如下:

表3 舟山海域重要水道潮流特性

(2)

αθ=180°-|θe-θf|

(3)

(4)

(5)

式中:vf、ve分别为涨、落潮期间的平均流速,θf、θe分别为涨、落潮期间的潮流主轴方向,Tf、Te分别为涨、落潮持续时间,θt是t时刻的流向,θ0是最大流速所对应流向,vt是t时刻的流速。因涨落潮交替过程中流速的无规律性会影响潮流整体特征[17],故在计算时将转流状态(流速为0 m/s)、憩流状态(流速小于0.5 m/s)的流速数据剔除。

由表3可知,龟山航门的平均流速最大,为2.04 m/s,西堠门水道、螺头水道、灌门水道、龟山航门、桃花港的最大流速均超过3.0 m/s,册子水道的平均流速和最大流速相对较小,分别为1.73和2.98 m/s。6处水道内的涨、落潮平均流速大小接近潮流平均流速,其中涨潮流速大于落潮流速。涨、落潮流的主轴方向与水道走势接近。

当涡轮机放置在潮流不对称性较强的水道中时,除了会导致发电状况的不平稳、不连续以外,也会损坏涡轮机的电机,还会影响周围海域的水体交换、物质输运和能量传递,并且会影响沉积物原有的冲淤平衡[18]。研究显示各水道内潮流均具有一定的不对称性(表3),其中螺头水道、灌门水道、龟山航门的不对称性较强,潮流涨、落期流速的大小差异明显,而西堠门水道、册子水道、桃花港的潮流不对称性均小于0.1。

潮流的旋转性对涡轮机运转的影响也不可忽略[19]。目前工程应用中主要使用水平轴涡轮机,叶片在潮流作用下旋转,将水流动能转化为机械能,进一步转化成电能。潮流的旋转性除了降低涡轮机发电效率,还会影响涡轮机底座的稳定性。由表3可知,水道内潮流均具有一定旋转性,其中,螺头水道的潮流旋转性最明显,达23.35°。

另外,受地形、风场等要素影响,潮流流向会发生变化。从表3可知,在各水道中,螺头水道的涨潮流向标准差最大,灌门水道的落潮流向标准差最大,分别为3.6°和3.1°,两条水道的流向稳定系数较低,表明流向相较于其他水道更加分散。而册子水道、桃花港的涨、落潮流向稳定系数均达到0.99,潮流集中于主轴附近,最适宜涡轮机布置。

综上所述,西堠门水道、册子水道和桃花港具备可开发时间长、流速大、不对称性低、旋转性小、流向稳定性高等优点,适宜作为潮流能开发选址。

3.2 舟山海域重要水道潮流能资源开发评估

3.2.1 水道内部潮流能开发选址分析

使用有效发电小时数和可利用小时数来表征涡轮机的发电时间,前者表示涡轮机的总发电时长,后者表示涡轮机以额定功率进行发电的时长[20],具体计算公式如下:

(6)

(7)

式中:ts表示有效发电小时数,tr表示可利用小时数,v1表示涡轮机启动流速,vr表示涡轮机额定流速,vt表示t时刻的流速。模拟时间为2017年8月1日至31日,共31天。

由图5可以看出,各水道内有效发电小时数大部分在400～500 h之间,可利用小时数在水道中部最大可达100 h,两者空间分布类似。

图5 西堠门水道、册子水道、桃花港的有效发电小时数分布(a,b,c)、可利用小时数分布(d,e,f)与潮流能发电站潜在选址分布(g,h,i)

根据潮流能发电的有效小时数和可以利用小时数的空间分布,选择两者的高值区作为潮流能开发的潜在选址(图5g～5i)。西堠门水道共有4处潜在选址区,其中D3较D1、D2、D4远离主航道,适宜作为潮流能开发的选址。册子水道中共有1处潜在选址,该处非航道,适宜作为潮流能开发选址。桃花港共有2处潜在选址,其中D7较D6可开发面积更大,可开发时长更长,更适合进行大规模潮流能的开发。综上分析,西堠门水道、册子水道和桃花港中潮流能开发的最佳位置如下:西堠门水道内D3处、册子水道内D5处以及桃花港内D7处。

3.2.2 水道的潮流能可开发量

涡轮机在水道中沿潮流方向交错多行排列,横、纵间距分别为涡轮机叶片长度的2倍和6倍,叶片长度取20 m[21],可开发的潮流能(Pe)由以下公式计算得到:

Ad=π×(D2)×0.25

(8)

Pd=Pm×Ad×η

(9)

Pe=Pd×As×N

(10)

式中:Ad为涡轮机叶片扫过面积;D为叶片长度;Pd为单个涡轮机的效率;Pm为平均能流密度;η为涡轮机组的总效率,本文中取值为0.4;As为潮流能开发海区的总面积;N为单位面积内放置的涡轮机个数。

西堠门水道的选址(D3)大小为 450 m×1 000 m,可布置56个涡轮机(7行×8列);册子水道的选址(D5)大小为650 m×1 500 m,可布置120个涡轮机(10行×12列);桃花岛的选址(D7)大小为1 000 m×2 600 m,可布置336个涡轮机(16行×21列)。应用Farm法进行潮流能可开发量计算,结果汇总至表4。

表4 基于Farm法估算的潮流能可开发量

由表4可知,西堠门水道、册子水道、桃花港选址处潮流能可开发量分别为27.53、39.96和130.26 MW。张洁 等[11]认为虽然西堠门大桥附近的能流密度最大,但其位于航道,影响通行,不适合作为潮流能开发的选址。而本文中将该水道能流密度最大的区域划分为两个区(图5g中D2、D3区),认为D3区受通航影响较小,可进行潮流能资源开发。在可开发量的计算方面,张洁 等[11]应用Flux法计算得到西堠门水道选址处的可开发量为4.5 MW,而本文应用Farm法计算D3区的潮流能可开发量为27.53 MW,远高于前者。

4 结论

本文应用FVCOM海洋模式构建舟山海域水动力模型,在验证了模型可靠的基础上,根据模拟结果确定了潮流能资源密集的水道,通过对比水道潮流特征及内部可开发性,确定了潮流能开发的最佳选址,并应用Farm法评估资源可开发量,结论如下。

1)潮流能资源在西堠门水道、册子水道、螺头水道、灌门水道、龟山航门、桃花港6处水道中密集,平均能流密度超过2.0 kW/m2,最大能流密度超过 20 kW/m2,潮流能资源丰富。

2)西堠门水道、册子水道、桃花港3处水道内,流速大于1.0 m/s时长超过80%,潮流不对称性小于0.1,潮流旋转性小于10°,涨落潮稳定系数均大于0.98,有效发电小时数为400 h以上,可利用小时数最高可超100 h,表明这3处水道适宜进行潮流能的开发利用。

3)西堠门水道、册子水道、桃花港3处水道适宜进行潮流能开发,选址处可放置涡轮机数量分别为56、120和336个,潮流能可开发量分别为27.53、39.96和130.26 MW。