海灣內外的動態水位差模擬研究——一種全新的潮汐能開發方式的探索

張俊彪，繆 斌 ，許雪峰 *,3,楊萬康 ，張 峰 ，潘 沖 ，施偉勇

（1.國家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；2.國家海洋局 閩東海洋環境監測中心站，福建 寧德 352000；3.浙江大學，浙江 杭州 310006)

海灣內外的動態水位差模擬研究
——一種全新的潮汐能開發方式的探索

張俊彪1，繆 斌2，許雪峰*1,3,楊萬康1，張 峰1，潘 沖1，施偉勇1

（1.國家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；2.國家海洋局 閩東海洋環境監測中心站，福建 寧德 352000；3.浙江大學，浙江 杭州 310006)

首次提出了一種全新的海灣潮汐能開發方式——利用海灣內外的動態水位差進行潮汐能發電。原理是利用潮波到達海灣底部和海灣外部的相位不一致性，形成了海灣內外動態水位差，可作為潮汐能發電水頭。并構建了一個理想潮汐能海灣進行水動力數值模擬研究，模擬結果顯示該新型的潮汐能是存在的，且相比傳統潮汐能利用方式對海灣水動力環境和通航影響更小。

數值模擬；潮汐能；海灣；動態

潮汐能的最早利用方式是11世紀出現的潮汐磨坊。潮汐發電的實際應用開始于1912年德國胡蘇姆興建的一座小型潮汐電站。1966年法國建成的朗斯潮汐電站，裝機容量為24萬kW，年均發電量為5.44億kW·h，是目前最大的潮汐電站[1-2]。我國潮汐能發電始于20世紀50年代后期[3]，迄今建成潮汐電站8座，總裝6 120 kW，其中最大的是浙江江廈潮汐試驗電站，為3 900 kW。

但潮汐能在商業上未能取得公認的常規能源地位。朗斯電站總結為“在技術上可行，經濟上不合算”的論點仍是其后許多能源決策者對潮汐能評估的依據。2 0余年來世界上大型潮汐電站仍處于前期論證和試驗研究階段，進展較緩，迄今未見規模大于朗斯的潮汐電站開工建造[4]。

這主要是由于傳統的潮汐電站存在以下的問題：（1）需要在海灣內建設大壩，投資巨大（圖1）；（2）受到庫容的限制，電站的裝機總量有限，如我國最大的江廈潮汐實驗電站[5]裝機總量僅為3 900 kW；（3）建壩對海灣進行截流，會對海灣和庫區內造成較大淤積，影響電站使用壽命和增加維護成本；（4）海灣截流會對魚類洄游、海灣水交換造成影響，破壞海灣生態；（5）需要納潮發電，導致實際發電時間較短。

由于以上缺陷，因此目前潮汐能電站遭遇了發展的瓶頸，中國僅存江廈潮汐實驗電站正常發電。國際上對潮汐能資源的開發也遠遠落后于風能、太陽能等新能源。這對于蘊藏豐富的潮汐能資源是極大的浪費。

本文提出的全新潮汐能發電方法不同于傳統的潮汐電站，是潮汐能開發利用的新思路和新探索。

1 傳統潮汐發電方法及全新方法的提出

1.1 傳統潮汐發電方法

傳統潮汐電站主要由5個基本部分組成：潮汐水庫、堤壩、閘門水道、發電機組和廠房、輸電設施等[6]。

傳統潮汐電站主要有兩類[7]：單庫型（單向型、雙向型）和雙庫型。由于雙庫型潮汐電站發電效率較低且投資較高，因此目前的潮汐電站主要為單庫型。

圖1 傳統單庫型潮汐電站發電工況的平面簡面

圖1為單庫型潮汐電站發電工況的平面簡面。傳統的單庫單向潮汐電站工作原理如下：高潮時段，打開水閘納水，對庫區進行蓄水，當庫區水位達到最高時關閉水閘。等到低潮位時段，水閘保持關閉狀態，庫區內與庫區外達到一定水位差時，打開電站機組進行發電。而單庫雙向潮汐電站與單庫單向型的主要區別是采用雙向發電機組，在漲潮納水階段仍然可以進行發電。傳統潮汐能電站需在海灣內建設截流大壩，因此對生態環境影響較大。

圖2為傳統潮汐發電過程示意圖[7]，由圖可見在水庫水位在高水位和低水位分別有較長時間是等待期（蓄水等待大壩兩側形成較大水位差），在此期間發電機不能發電。從江廈電站運行情況看，裝機年利用小時為2 300～2 500 h之間，發電小時數為5 000～6 000 h。

圖2 傳統單庫型潮汐發電示意圖[7]

1.2 全新的潮汐能發電方法

發電原理：潮波由外海向海岸傳播，高潮等時線到達海灣外要早于到達海灣內，導致海灣外與海灣內的潮汐相位差異，灣內和灣外的水位存在動態的水位差。因此選擇合適的地點，開挖流道，連通灣內與灣外的水體，并在流道上安裝新型雙向潮汐發電燈泡貫流式水輪發電機組[2]，就可以利用灣內和灣外的動態水位差進行雙向發電。

方法介紹：潮波從外海傳到海灣底部需要一定的時間，如圖3所示，結合當地的地形優勢，電站位置設置在海灣底部，開挖流道即可打通海灣底部與外海，在流道上安裝發電機組即完成電站主體工程。發電各階段如下：

發電階段一（圖3）：外海潮波向海岸和海灣底部傳播，當中低潮位線到達海灣內部（即電站的內側）時，中高潮位線已經到達海灣外側（即電站外側）。此時段，電站內側是中低潮位，電站外側是中高潮位，存在水位差，可開啟發電機組進行發電。此階段是從灣外向灣內排水發電。

發電階段二（圖4）：當中高潮位線到達海灣內部（即電站的內側）時，中低潮位線到達海灣外側（即電站外側）。此時段，電站內側是中高潮位，電站外側是中低潮位，存在水位差，發電機組可向外排水發電。

發電階段一和階段二是交替循環工作的，以保證在大多數的時間內電站保持發電。

圖3 新型潮汐能發電示意圖（階段一）

圖4 新型潮汐能發電示意圖（階段二）

1.3 新方法與傳統方法相比的優點

根據上述的新型潮汐能發電的方法，有以下優點：（1）不在海灣內建設大壩，不建設封閉的水庫，僅需在海灣底部開挖通道，因此在發電期間不會減少海灣的納潮量，且有利于海灣底部水交換；（2）與海灣的通航和其他資源利用的矛盾較小；（3）海灣內的水體均可作為發電水體，而發電量主要受流量及內外水位差的限制，因此只要開挖合適的流道、設計合適的流量便可獲得較大的裝機容量。

2 理想潮汐能海灣的水動力模型

為了驗證該新型的潮汐能開發方式是否可行，本文構建了理想的潮汐能海灣水動力模型，進行數值模擬試驗。

2.1 理想海灣網格構建

構建如圖5所示的理想海灣，水深均為10 m，海灣尺度為南北跨度95 km，東西寬60 km。為了便于計算和給定邊界條件，本模型取均勻的正方形網格，網格邊長取3.5 km。采用較大且正規的計算網格具有計算速度較快、模型更穩定的特點，且也能滿足本研究的定性定量的計算要求。

為了確定海灣底部與灣外的動態水位差，分析潮汐能發電的可行性，在模型中設置了兩個點（out、in），如圖5所示。記錄該兩點的全程模擬數據，in、out兩點的水上距離最近約150 km，而in點到灣口的水上距離約100 km。

圖5 理想潮汐能海灣計算網格

2.2 控制方程

控制方程采用N-S的淺水方程[8-9]：

式中：ζ為潮位；g為重力加速度；Aζ，Aη為渦動粘滯系數；u，v為 ξ，η 方向上的流速分量；h 為水深；H=h+ζ為總水深；t為時間；C 為謝才系數，C=1/n·H1/6，n 為糙率系數；f為柯氏系數，f=2ωsinφ，ω為地轉角速度，φ 為緯度。

對水動力方程的離散引用傳統的ADI法數值求解，計算時間步長為1 min。

2.3 邊界條件

（1）邊界條件：開邊界采用水位控制，邊界水位采用潮位預報的方法得到[10-11]：

式中：A0為平均海面；Fi，(v0+u)i為天文要素；Hi，gi為調和常數。為了簡化模型，且更清楚地顯現理想海灣的動態水位差，這里調和常數僅選用2個分潮M2和S2，振幅取值分別為1.8 m和0.5 m，相位取值分別為260°和290°，大致和中國東海強潮區域調和常數相符，計算潮型取大潮。

（2）初始條件：

2.4 參數選取

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

3 理想潮汐能海灣的模擬結果分析

3.1 潮流場分析

海域潮流漲落潮流場分布見圖6。計算結果顯示，理想海灣內漲潮流速最大為2.8 m/s，落潮流速最大為2.2 m/s；平均漲潮流速為1.5 m/s,平均落潮流速為1.3 m/s；由此可見，流速強度和我國的強潮海灣大致相當。而流速較強的位置一般出現在海灣岸線的岬角前沿，海灣底部的流速相對較弱，水交換強度也較弱，這和我國大多數海灣的水動力特征一致。

圖6 圍墾工程實施前雙盤涂附近漲、落急流矢圖

3.2 海灣內外動態水位差發電可行性分析

圖7 動態水位差平面分布圖

圖8 電站內外兩側水位變化過程曲線

圖9 電站內外兩側的動態水位差過程曲線

模型計算結果中，每2 h輸出水位平面分布，如圖7所示。可見，海灣內外動態水位差最大的位置出現海灣底部附近，暨圖示的電站位置。

模型試驗中，在海灣內外（暨電站的內外兩側）分別設置兩個點（圖5），記錄水位變化過程曲線。海灣底部（電站內側）和海灣外（電站外側）的水位變化過程曲線見圖8所示，可見電站內外兩側的潮時相差約4.5 h。電站外側水位表現較為正規；而電站內側低水位時間長于高水位時段，水位抬升過程較快，略有涌潮特征。因此，電站內外兩側的潮時和潮汐特征均表現不一致，使得大多數時間內兩側存在動態水位差。

圖9所示為電站內外兩側的動態水位過程曲線。由圖可見，電站兩側的動態水位差最大可達6.0 m，幾乎接近最大潮差；兩側平均水位差在3.0 m左右，因此可達到較好的發電效果。從過程曲線來看，海灣內側向外側排水（正向）發電的時間更長，而外側向內側排水（逆向）發電的水頭更大。

從可發電時間來看，兩側水位差在90%的時段內大于1.2 m，而現有的潮汐能發電技術水位差大于0.8 m即可進行發電，因此該電站可在大潮90%時段內進行發電，要高于傳統潮汐電站一般大潮的發電時間。

4 小結

本文提出了海灣潮汐能開發的新思路，并構建了理想海灣水動力數值模型進行試驗。試驗結果顯示，在理想的大潮條件下，采用該新型的潮汐能發電方式可使得潮汐電站發電時間提高到90%左右，最大發電水頭幾乎接近最大潮差，相對傳統潮汐電站提高了潮汐能的利用時間。

研究表明，利用海灣內外的動態水位差進行潮汐能發電的新思路，在理論上是可行的。與傳統潮汐能電站的發電模式比較，該全新潮汐能開發方式還有以下優點：不在海灣內建設大壩，因此對海灣的通航等其他資源利用的矛盾較小，也可能對海灣水動力環境影響更小。

而中國沿海有眾多海灣形態都類似于文中的理想海灣，如浙江樂清灣和福建三都澳，因此該潮汐能的全新開發方式可能有較好的發展前景。

[1]劉全根.世界海洋能開發利用狀況及發展趨勢[J].能源工程，1999，2∶5-8.

[2]朱成章.關于我國潮汐能資源和潮汐電站建設情況[J].新能源，1995，17(2)∶5-8.

[3]余志.海洋能利用技術進展與展望[J].太陽能學報，1999，特刊∶214-226.

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

[5]張發華.綜合開發我國潮汐能的探討[J].水力發電學報，1996，3∶33-42.

[6]徐錫華，阮世銳.潮汐電站設計導則[J].國外水電技術，1991，6(2)∶1-2.

[7]李書恒，郭偉，朱大奎.潮汐發電技術的現狀與前景[J].海洋科學，2006，12∶82-86.

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[9]馮士笮，孫文心，等.物理海洋數值計算[M].河南科學技術出版社，1990.

[10]李孟國，王正林.甌江口潮流數值模擬[J].長江科學院院報,2002，19(2)∶8-17.

[11]湯立群，金忠青.正交曲線坐標下河口二維潮流過程計算[J].水動力學研究與進展，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

海洋可再生能源專項資金資助項目（GHME2011CX01，GHME2011ZC05）

張俊彪（1971－），男，高級工程師，主要從事河口近岸動力學研究。

通訊記者：許雪峰（1981-），男，博士研究生，主要從事河口近岸動力學研究。Email：xuxuefeng1981@163.com