舟山海域波浪能資源評估

王衛遠，何倩倩，李睿元

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州311122)

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舟山海域波浪能資源評估

王衛遠，何倩倩，李睿元

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州311122)

摘要：利用QN混合風場作為驅動風場，采用國際通用的MIKE 21 SW模型后報1999年8月～2009年7月舟山海域的波浪場，統計出舟山海域的波浪能資源多年平均波功率密度和空間分布特征，并計算了各個等深線上的波浪能資源理論蘊藏量，初步估算出舟山外圍海域海圖10、20 m和30 m等深線上的波浪能理論平均功率分別為537、953 MW和1 256 MW，對舟山海域波浪能開發利用具有一定的參考價值。

關鍵詞：波浪能；資源評估；數學模型；QN風場；波功率密度；舟山海域

海洋中波浪能資源蘊藏豐富，取之不盡，用之不竭。利用海洋能資源，是當今世界能源研究的方向。特別是在能源關系到國家安全、地球礦物能源逐漸枯竭及環境狀況日益惡化的形勢下，如何有效利用資源豐富、可再生的海洋能源，顯得十分重要。波浪能資源是一種很大程度上未被開發利用的可再生能源之一。 在所有可再生能源中，其具有較高的能量密度。據估算，全球波浪能的理論蘊藏量約為2 TW，全球大部分沿岸波功率密度在20～50 kW/m之間，北大西洋、蘇格蘭、愛爾蘭西部沿岸及太平洋東北部以及澳大利亞南部沿岸波功率密度在70～100 kW/m之間。我國波浪能的理論蘊藏量約為1 000萬kW左右，沿海波功率密度約在2～7 kW/m之間[1]。

20世紀70年代以來，許多沿海發達國家積極開展了波浪能開發利用的研究，在波浪能轉換裝置方面取得了重大進展。當前，波浪能轉換裝置種類繁多，形式多樣。按其結構形式分，主要包括“點頭鴨”式、振蕩水柱式、擺式、聚波蓄能式、振蕩浮子式、閥式等轉換裝置。經過40多年的研究和發展，目前研究的重點仍然主要放在波浪能轉換裝置的設計與改進上。波浪特性和波浪能資源水平是設計與改進波浪能轉換裝置的基礎，也是波浪能開發利用及選址的重要依據[2]。要利用波浪能發電，在選擇和安放波能轉換裝置之前，就需要了解可能安裝波浪能轉換裝置海域的波浪特性和波浪能資源水平，并對該海域波浪能資源進行初步估算，這樣才能對波浪能電站的可行性和經濟性進行評估。為此，許多國家都在利用實測數據或波浪模型后報數據開展波浪能資源調查評估工作，為將來大規模開發利用波浪能資源做準備[3- 8]。

舟山群島許多島嶼遠離大陸，電網不能覆蓋，海島居民因為長期缺乏充足的電能，生活和生產都受到了很大限制，電力缺乏已經成為制約海島地區經濟發展的重要因素之一。舟山海域蘊藏著豐富的波浪能資源，加大波浪能資源的開發利用力度，將對海島地區的用電緊張起緩解作用，對優化該地區能源消費結構、促進經濟社會的可持續發展也具有重要意義。

本文基于上述背景，采用國際通用的MIKE 21 SW模型，把QN(QuikSCAT/NCEP)混合風場作為驅動風場，后報1999年8月～2009年7月舟山海域的波浪場，統計出舟山海域的波浪能資源多年平均波功率密度和空間分布特征，并計算了各個等深線上的波浪能資源理論蘊藏量，對舟山海域波浪能開發利用具有一定的參考價值。

1波浪數學模型

1.1基本原理

MIKE 21 SW模塊基于波作用守恒方程，采用動譜密度N(σ,θ)來描述波浪[9]。模型的自變量為相對頻率σ和波向θ。動譜密度N(σ,θ)與能譜密度E(σ,θ)的關系為

N(σ,θ)=E(σ,θ)/σ

(1)

在笛卡爾坐標系下，MIKE 21 SW的控制方程，即波作用守恒方程可以表示為

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，d為水深；U=(Ux，Uy)為流速；k=(kx，ky)為波數；s為沿θ方向的空間坐標；m為垂直于s的坐標。

MIKE 21 SW模型中的源函數項是描述各種物理現象的源函數的疊加形式，即

S=Sin+Snl+Sds+Sbot+Ssurf

(6)

式中，Sin為風能的輸入；Snl為非線性波波相互作用；Sds為由白帽引起的能量損耗；Sbot為底摩擦引起的能量損耗；Ssurf為由于水深變化引起的波浪破碎導致的能量損耗。

1.2模型計算范圍及網格劃分

本模型重點研究舟山海域波浪能資源分布情況。為了避免邊界對重點研究區域產生影響，特將邊界位置定在距離舟山海域較遠的外海海域。模型南北長約920 km，東西寬約550 km，北邊界至東海與黃海的交界線(長江口北側與韓國濟州島的連線)，東邊界至日本沿岸，南邊界至臺灣島北部。

為了充分反映研究區域及附近水域局部地形的變化情況，同時又適當節約模型計算工作量，本模型采用以研究區域為中心由外向內逐步加密的非結構化計算網格。對于遠離研究區域的模型邊界區域，網格的邊長(以經緯度表示)約為15′，越靠近研究區域計算網格尺寸越小，研究區域內的網格邊長約為2.5′(見圖1)。

經過治療以后,觀察組的治療總有效率高達96.49%,明顯高于對照組的77.19%(P<0.05),詳見表1。

圖1　模型計算范圍及網格劃分

2驅動風場

2.1風資料的選用

QN(QuikSCAT/NCEP)混合風場是對衛星散射計(QuikSCAT)觀測數據和美國國家環境預報中心(NCEP)分析數據進行時、空混合分析的結果，其空間范圍為(88°S～88°N，0～360°E)，覆蓋全球90%無冰海域，空間分辨率為0.5°×0.5°，每6 h記錄1次數據。該風場資料給出了海面10 m高度處的經向風速和緯向風速，具有較高的時空分辨率，被廣泛用作海浪模式的驅動風場。

相關研究表明，需用10年以上的波浪資料對某地或某區域的波浪能資源進行評估[10]；因此，本文利用被廣泛使用的QN混合風場1999年8月～2009年7月的風場資料作為波浪數學模型的驅動風場來推算相應的波浪場。為了在統計時不出現跨年現象，最終統計的時間為2000年～2008年。

2.2風資料的驗證

利用收集到的嵊泗氣象站2009年5月～2009年7月和普陀氣象站2008年11月2009年7月的逐時風速風向資料來驗證QN風資料，部分驗證結果見圖2。更多驗證結果見文獻[11]。

圖2　2009年7月嵊泗氣象站風速風向和QN風速風向比較

由圖2可見，QN風資料的風速風向分別與嵊泗氣象站的風速風向偏差較小，過程線吻合良好，說明QN風資料的可靠性比較高，能較好地反映實際風場，將其作為本模型的驅動風場是可行的。

3波浪數學模型驗證

根據收集到的日本氣象廳22001號浮標站(126.33°E，28.17°N)2000年1月23日00∶00～2000年1月31日00∶00實測波浪資料、國家海洋局東海浮標站(123°59′E，29°30′N)2002年8月26日00∶00～2002年9月7日06∶00實測波浪資料、嵊山海洋站(122°48′E，30°41′N)2003年7月1日00∶00～2003年7月3日00∶00實測波浪資料、七姊八妹列島站2009年11月16日12∶00～2009年11月18日02∶00實測波浪資料和六橫站2011年12月7日10∶00～2011年12月11日00∶00實測波浪資料，對模型計算結果進行驗證(見圖3～圖7)。

圖3　2001號浮標站有效波高驗證

圖4　東海浮標站有效波高驗證

圖5　嵊山海洋站有效波高驗證

圖6　七姊八妹列島站有效波高驗證

圖7　六橫站有效波高驗證

由圖3～圖7可見，除了東海浮標站和六橫站的有效波高計算值與實測值吻合稍差外，其他各站的有效波高的計算值與實測值吻合良好；但總的來說，計算值與實測值的波級及整體變化趨勢相同。需要特別指出的是：一方面，沒有收集到部分站位的實測周期資料；另一方面，儀器和模型統計和計算周期的方法存在差別，周期驗證效果沒有波高好，但總體平均值還是接近的。

綜上所述可以認為，本模型計算結果合理可信，能夠較準確模擬舟山及附近海域波浪的傳播情況。

4舟山海域波浪特征

將2000年～2008年舟山及附近海域歷年平均有效波高取平均，得到9年間舟山及附近海域多年平均有效波高分布圖(見圖8)。

圖8　2000年～2008年平均有效波高分布

由圖8可以看出，受水深和島嶼遮擋的影響，波高明顯呈現外大內小的態勢。嵊山和東福山沿線平均有效波高約1.1 m；0.3 m波高等值線大概位于杭州灣口。這表明波浪在傳播過程中，由于受水深、地形、底摩擦、障礙物以及水流等因素的影響，會發生淺水變形、折射、繞射、反射和破碎等各種復雜現象，導致波能衰減，波高也隨之減小；波高等值線與岸線走向基本一致。

5舟山海域多年平均波功率密度

波功率密度與波高的平方、波周期以及迎波面的寬度成正比，即

(7)

式中，P為單位波前寬度上的波浪功率，kW/m；Tz為平均周期，s；Tp為譜峰周期，s；Hs為有效波高，m。

將2000年～2008年舟山及附近海域歷年平均波功率密度取平均，得到9年間舟山及附近海域多年平均波功率密度分布圖(見圖9)。

圖9　2000年～2008年平均波功率密度分布

由圖9可見，舟山群島內及杭州灣海域受到眾多島礁的遮擋保護，多年平均波功率密度普遍較小，一般小于1.0 kW/m。舟山群島外側多年平均波功率密度較大，如嵊山附近海域多年平均波功率密度約為4.6 kW/m，東福山附近海域多年平均波功率密度約為6.6 kW/m，朱家尖島附近海域多年平均波功率密度約為4.0 kW/m。

6舟山海域波浪能資源理論蘊藏量

波浪能理論平均功率按(7)式和下式計算，即

N=PL

(8)

式中，N表示區段的波浪能理論平均功率，MW；L表示代表區段長度，可選定某一等深線沿著岸線走向量取，km。

舟山海域的波浪能資源豐富，為了全面了解舟山海域的波浪能資源理論蘊藏量，本文結合舟山市的行政區劃范圍，基于已掌握的水深地形資料以及波功率密度分布特征，估算舟山外圍海域海圖10、20、30 m等深線上的波浪能資源。

需要特別指出的是，舟山海域波浪能資源主要分布在群島的外側海域，代表區段長度的選取既要考慮到各級等深線的走向，也要兼顧各級等波功率密度線的分布情況。因此，本文結合等波功率密度線分別對各級等深線進行截斷，求得每個代表區段的平均波功率密度，然后乘以代表區段長度，即可得到每段的波浪能理論平均功率。

通過以上方法，初步估算出2000年～2008年9年間舟山外圍海域海圖10、20 m和30 m等深線上的波浪能理論平均功率分別為537、953 MW和1 256 MW。 文獻[12]中以嵊山海洋站為代表站，取其波功率密度2.76 kW/m，代表區段長166.4 km，估算得到舟山海域的波浪能理論平均功率為459 MW。根據本文計算結果，嵊山海洋站位于海圖30 m等深線附近，波功率密度約為5.0 kW/m；同樣選擇代表區段長166.4 km，估算得到的相當于海圖30 m等深線上的波浪能理論平均功率為832 MW，與459 MW相去甚遠。

在文獻[12]中，利用各個海洋站1976年每日4次觀測的平均波高和平均周期計算相應的波功率密度，最終得到各站的年平均波功率密度，代表區段長度以相鄰兩站連線中點為界，跨省區段以本身內實際長度為準，由此推算各站代表區段上的波浪能理論平均功率。在當時，由于數值模擬技術還不夠成熟，這種統計方法顯得更為直接和方便，能夠用來粗略估計波浪能理論平均功率。本文的波功率密度計算過程和波浪能理論平均功率統計方法比，相對更為準確可靠。因此，可以謹慎認為，文獻[12]中采用的嵊山海洋站波功率密度2.76 kW/m偏小，統計得到的波浪能理論平均功率也相應偏小。

7結語

本研究模型，利用實測波浪資料對模擬結果進行了驗證，波高的計算值與實測值吻合良好，說明本模型計算結果合理可信，能夠較準確地模擬舟山及附近海域波浪的傳播情況。采用經過驗證的QN混合風場資料作為波浪數學模型的驅動風場來推算舟山海域的波浪場，統計分析舟山海域的波浪分布特征，統計出舟山海域的波浪能資源多年平均波功率密度和空間分布特征。根據波浪能資源理論蘊藏量計算方法，初步估算出舟山外圍海域海圖10、20 m和30 m等深線上的波浪能理論平均功率分別為537、953 MW和1 256 MW。研究成果可為舟山海域波浪能開發利用提供參考。

參考文獻：

[1]王傳崑， 盧葦. 海洋能資源分析方法及儲量評估[M]. 北京：海洋出版社， 2009．

[2]PONTES M T， AGUIAR R， OLIVEIRA P H. A nearshore wave energy atlas for Portugal[C]∥Proceedings of OMAE03 22nd International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering (Cancun)， 2003： 1- 8．

[3]鄭崇偉， 李訓強. 基于WAVEWATCH-Ⅲ模式的近22年中國海波浪能資源評估[J]. 中國海洋大學學報， 2011， 41(11)： 5- 12．

[4]BEYENE A， WILSON H J. Digital mapping of California wave energy resource[J]. Internationl Journal of Energy Research， 2007， 31(12)： 1156- 1168．

[5]VICINANZA D， CAPPIETTI L， CONTESTABILE P. Assessment of wave energy around Italy[C]∥Proceedings of the 8th European Wave and Tidal Energy Conference (Uppsala)， 2008： 256- 262．

[6]DEFNE Z， HAAS K A， FRITZ H M. Wave power potential along the Atlantic coast of the southeastern USA[J]. Renewable Energy， 2009， 34(10)： 2197- 2205．

[7]MICHAEL G H， ANDREW D H. National-scale wave energy resources assessment for Australia[J]. Renewable Energy， 2010， 35(8)： 1783- 1791．

[8]KIM G， JEONG W M， LEE K S， et al. Offshore and nearshore wave energy assessment around the Korean Peninsula[J]. Energy， 2011， 36(3)： 1460- 1469．

[9]王衛遠， 何倩倩， 周鵬飛， 等. 福建南日群島海域波浪數值模擬研究[J]. 海洋預報， 2013， 30(5)：26- 30．

[10]STOPA J E， CHEUNG K F， CHEN Y L. Assessment of wave energy resources in Hawaii[J]. Renewable Energy， 2011， 36(2)： 554- 567．

[11]王衛遠， 李睿元， 何倩倩， 等. 波浪能資源調查評估及選址規劃研究[R]. 杭州： 中國水電顧問集團華東勘測設計研究院有限公司， 2014．

[12]王傳崑， 陸德超. 中國沿海農村海洋能資源區劃[R]. 北京：國家海洋局科技司、水利電力部科技司， 1989．

(責任編輯陳萍)

Assessment of Wave Energy Resources in Zhoushan Sea

WANG Weiyuan, HE Qianqian, LI Ruiyuan

(PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited, Hangzhou 310014, Zhejiang, China)

Abstract:After using The QN blended winds as driving force and the MIKE 21 SW to hindcast the wave field of Zhoushan Sea from August, 1999 to July, 2009, the annual average wave power density and space distribution characteristics are counted and the wave energy resources reserves of each depth contour are calculated. The average wave power in theory of 10 m, 20 m and 30 m depth contour in chart out of Zhoushan Sea are preliminarily estimated as 537 MW, 953 MW and 1 256 MW respectively, which has a certain reference value for the development and utilization of wave energy in Zhoushan Sea．

Key Words:wave energy; resource assessment; mathematical model; QN blended wind; wave power density; Zhoushan Sea

中圖分類號：P743.2

文獻標識碼：A

文章編號：0559- 9342(2016)01- 0093- 05

作者簡介：王衛遠(1985—)，男，江蘇東海人，工程師，主要從事海岸工程方面的研究工作．

基金項目：華東勘測設計研究院科技項目資助(KY120206- 04- 01)

收稿日期：2015- 02- 10