灌門水道潮流能資源評估及開發(fā)條件初步分析

趙建春，陸 延，陳國海，楊 娟，王衛(wèi)遠

（1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.神華國華（舟山）發(fā)電有限責任公司，浙江 舟山 316000）

灌門水道潮流能資源評估及開發(fā)條件初步分析

趙建春1，陸 延2，陳國海1，楊 娟1，王衛(wèi)遠1

（1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.神華國華（舟山）發(fā)電有限責任公司，浙江 舟山 316000）

浙江舟山海域是我國沿海潮流能試驗研究和開發(fā)利用的熱點區(qū)域，灌門水道即舟山海域著名的強潮流通道。首先，通過建立平面二維潮流數(shù)學模型，分析研究了灌門水道的潮流能資源分布特征，估算了其潮流能資源蘊藏量和技術可開發(fā)利用量。其次，分析了在灌門水道開展潮流能開發(fā)利用所需要面臨的各種限制因素，對潮流能發(fā)電示范項目的開發(fā)條件進行了初步分析評估。研究成果顯示，灌門水道內(nèi)的最大流速普遍超過3 m/s，平均能流密度普遍超過3 kW/m2，可作為在本區(qū)域開展潮流能開發(fā)利用選址規(guī)劃的重要依據(jù)。

舟山；潮流能；資源評估；開發(fā)利用

潮流能是指海水在月球、太陽等天體的引力作用下做周期性往復水平運動所形成的動能。浙江省作為我國沿海重要省份，其潮流能資源十分豐富，居全國沿海各省之首，占全國總量的51%，而浙江省沿岸96%的潮流能資源又集中于舟山海域和杭州灣口[1]。在舟山海域規(guī)劃建設潮流能開發(fā)利用項目，可以為海島的經(jīng)濟發(fā)展發(fā)揮重要作用，對于優(yōu)化該地區(qū)能源消費結(jié)構(gòu)，促進經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

舟山海域的強流區(qū)多集中于島嶼與島嶼之間的水道航門。其中，龜山航門、灌門、西堠門等是舟山海域著名的強潮潮流水道，在潮流能的開發(fā)利用方面具有非常優(yōu)越的資源條件。神華國華（舟山）發(fā)電有限責任公司（下文簡稱“國華舟山電廠”）廠址位于舟山本島北部的白泉鎮(zhèn)外山咀（圖1），其西北側(cè)隔舟山金海造船廠（長跳咀）與灌門相鄰，灌門北側(cè)的秀山島與官山島之間，即為著名的龜山水道。在優(yōu)先考慮資源條件的前提下，結(jié)合后續(xù)項目用海、用地、電網(wǎng)接入等方面需求，本文以灌門水道為例，基于數(shù)學模型手段反演了舟山海域的平面二維潮流水動力場，通過分潮流最大流速、能流密度等特征參數(shù)，對水道內(nèi)的潮流能資源條件進行了評估；此外，結(jié)合其他工程建設條件和環(huán)境限制因素，對在灌門水道開展潮流能發(fā)電項目的開發(fā)條件進行了初步評估。

1 區(qū)域概況

灌門位于舟山本島北側(cè)與秀山島之間海域，水深20～70 m（圖1）。鄰近海域有圓山、青山、涼帽山、粽子山、太平山、稻桶山等島嶼存在，水道最窄處位于粽子山與龍王跳咀之間，20 m等深線寬度約550 m。該海域漲潮流向西北，落潮流向東南，流速為4～5 kn，最大可達6 kn，粽子山附近有急流旋渦[2]。

圖1 灌門海域水下地形示意圖

2 潮流能資源評估

2.1 數(shù)值建模

本文采用MIKE 21 FM[3]搭建平面二維潮流數(shù)值模型，用于反演灌門水道及其鄰近海域的潮流場情況，并且據(jù)此對各特征流速和能流密度的空間分布情況進行統(tǒng)計分析。

2.1.1 水動力控制方程 模型計算所采用的水動力控制方程如下：

式中：t為時間；x，y代表右手Cartesian坐標系；η為水面相對于未擾動水面的高度，即通常所說的速在x，y方向上的垂向平均流速；g為重力加速度；f為科氏力參數(shù)，f=2Ωsinφ（其中Ω=0.729×10-4s-1為地球自轉(zhuǎn)角速率，φ為計算海域所處地理緯度），n為模型計算所用曼寧系數(shù)；εx，εy為x，y方向上的水平渦動粘滯系數(shù)。

2.1.2 模型建立及相應參數(shù) 模型計算域覆蓋了杭州灣和整個舟山群島海域，開邊界北至長江口南匯東灘、南至浙江象山，東至外海E124°30′附近。為節(jié)約計算容量、節(jié)省時間，對網(wǎng)格進行逐層加密，研究區(qū)域外的網(wǎng)格尺度較大，邊界處網(wǎng)格尺寸約為3 km，越接近研究區(qū)域網(wǎng)格越小，灌門水道及鄰近海域的網(wǎng)格尺寸約為100 m。

模型求解采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中心網(wǎng)格有限體積法求解。模型北、東、南三向開邊界采用MIKE軟件自帶全球潮汐模型給定的調(diào)和參數(shù)進行潮位預報，陸域入海徑流則采用模擬時段的平均入海徑流量，其余均為陸地邊界。模型計算時間步長0.01～30 s；利用Smagorinsky公式估算水流的水平渦粘系數(shù)，相應Smagorinsky系數(shù)取值為0.28 m2/s；采用曼寧公式給定糙率，深水區(qū)糙率一般取0.011～0.016，灘地糙率一般取0.020～0.030；計算初始潮位取平均潮位，初始流速則取零；模型計算不考慮風和浪的影響。

2.1.3 模型率定及模型計算 為了保證所建立數(shù)學模型的準確性和計算精度，根據(jù)國華舟山電廠委托相關單位于2014年11月24日至11月30日期間在研究海域（站位分布見圖2）開展的多點同步大、中、小潮全潮水文測驗數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進行率定，見圖3（潮位）和圖4（潮流流速、流向）。

圖2 模型率訂實測站位圖

由圖可知，模型計算值與實測值相比，除個別站點受局部岸線及水下地形特征偏差影響，計算誤差相對較大，但總體而言兩者之間變化趨勢比較吻合，本文所搭建模型能夠較好反映壩址所在海域潮汐、潮流水動力的整體時空變化特征。

研究區(qū)域附近岱山水文站2012年各月的實測潮差統(tǒng)計資料統(tǒng)計顯示，該站6月平均潮差為2.12m，與全年平均潮差2.13 m最為接近。因此，本報告將2012年6月作為模型計算期（即代表月），用來代表全年的平均潮流動力情況。

圖3 模型潮位驗證結(jié)果

圖4 模型潮流驗證結(jié)果

2.2 流速分布特征分析

潮流數(shù)模計算結(jié)果顯示，在漲潮期間，潮流由外海傳入本研究區(qū)域后，分為四股分別進入岱山水道、高亭水道、龜山航門和灌門水道；在落潮期間，上述各股潮流又在舟山本島與長途山一線水域匯集，并經(jīng)黃大洋至外海。灌門水道內(nèi)的漲、落潮流向以NW—SE向為主。在秀山、官山、青山等島嶼的背流側(cè)，由于島嶼遮蔽作用影響，流速普遍較低；在島嶼之間的水道、航門區(qū)域，由于流道束窄、過流截面變小，流速有明顯增大現(xiàn)象。漲潮期間，灌門水道的流速高值區(qū)主要集中在龍王跳咀～粽子山斷面以西；落潮期間，高流速區(qū)則轉(zhuǎn)移至上述斷面以東。

模型計算時段內(nèi)，研究海域的時段最大流速、平均流速分布情況如圖5～圖6所示。由圖可知，高亭水道、龜山航門、灌門水道內(nèi)的最大流速普遍超過3 m/s，月平均流速普遍超過1 m/s；局部區(qū)域的最大流速可達5 m/s，月平均流速可達2 m/s。 2.3潮流能功率估算

圖5 研究海域最大流速分布特征

圖6 研究海域平均流速分布特征

國外評估潮流能資源特征時[4]，常使用特征流速Vrmc，即速度三次方的均方根，該參數(shù)是衡量潮流能功率密度的重要指標：

式中：Vj為每隔10 min記錄的各時刻流速；N為統(tǒng)計序列的時間步長總數(shù)。

平均能流密度ADP（單位：W/m2）則通過式（5）計算求得：

由圖7可知，龜山航門與灌門水道的平均能流密度普遍超過3 kW/m2，局部水深較淺區(qū)域的平均能流密度甚至可超過6 kW/m2，潮流能資源豐富，具有較強的開發(fā)利用價值。

圖7 研究海域潮流能平均功率密度分布特征

潮流能理論蘊藏量的計算公式為：

式中：P為周期T內(nèi)潮流能的平均功率（單位W）；t為初始時刻；T為評估周期（單位s）；L和H分別為統(tǒng)計水道控制斷面的寬度和水深（單位m）；ρ為海水密度，取1 025 kg/m3。

在基于平面二維潮流數(shù)值模型進行潮流能資源量的估算時，實際計算公式為：

式中：P是指周期T內(nèi)潮流能的平均功率（單位W）；n為周期T內(nèi)流速的采樣個數(shù)；m為統(tǒng)計水道控制斷面的網(wǎng)格數(shù)；vt,i為對應時刻、對應網(wǎng)格上的流速（單位m/s）；Hi為對應網(wǎng)格上的水深（單位m）；Bi為對應網(wǎng)格寬度（單位m）。

根據(jù)研究海域潮流能平均功率密度的空間分布特征，最終在灌門水道海域的龍王跳咀—粽子山和粽子山—青山之間劃定兩個控制斷面（見圖2）估算其潮流能資源量。提取控制斷面上各計算網(wǎng)格的水深、寬度、流速等特征值，經(jīng)公式計算，得到上述兩個控制斷面的潮流能理論蘊藏量分別為14.76× 104kW和4.34×1044kW。

目前國內(nèi)外在統(tǒng)計潮流能的技術可開發(fā)量時，比較常用的有FARM方法和Flux方法[5]。其中，F(xiàn)lux方法認為潮流能的總蘊藏量中，只有一部分是可以被開發(fā)利用的。利用Flux方法評估潮流能資源，僅需考慮潮流經(jīng)過水道的能通量和有效影響因子（SIF），與具體設備無關。據(jù)此方法，潮流能的可開發(fā)量PAsite可以簡單表示為理論蘊藏量PEtotal與有效影響因子SIF的乘積，即：

Black&Veatch給出了不同海區(qū)SIF參考值，其中水道、開闊海域、海岬，均為10%～20%[6]。依據(jù)美國電力研究會的研究案例，確定本研究海域的有效影響因子SIF取值為15%。經(jīng)公式計算，得到兩個控制斷面的技術可開發(fā)量分別為2.21×104kW和0.65×104kW。

國家海洋局組織完成的我國近海海洋綜合調(diào)查與評價專項（即“908”專項）成果[7]顯示，灌門水道的年平均理論蘊藏量為10.04×104kW（僅統(tǒng)計了一個斷面）。本文所給估算結(jié)果，在量級上與其比較接近，兩者所選斷面、統(tǒng)計時段和模型計算精度的不同是導致誤差出現(xiàn)的主要原因。

3 工程開發(fā)條件初步分析

3.1 水深地形條件

灌門水道海域的水下地形變化比較復雜，近岸區(qū)5 m等深線離岸距離約為100 m左右，近岸區(qū)水下邊坡普遍較陡，在龍王跳咀、長跳咀、短跳咀等區(qū)域有犄角狀地形突出，造成近岸區(qū)域局部流速普遍增大，而有深泓線則基本上位于水道中央，水深普遍大于50 m。從目前掌握的地形資料判斷，高流速區(qū)的水深條件基本滿足百千瓦級潮流能發(fā)電設備的布置安裝。

3.2 交通運輸條件

潮流能發(fā)電工程的大部分主體建筑物一般均位于海上，施工物資與設備在到達施工基地后需要進行運輸方式的轉(zhuǎn)化與調(diào)整，以滿足工程施工的要求。灌門水道的水深條件常年可滿足常規(guī)船舶正常運行，因此海上發(fā)電場內(nèi)的交通運輸可通過船舶自航或拖輪牽引進行移位與航行。

3.3 并網(wǎng)接入條件

潮流能示范電站的裝機容量一般較小（百千瓦至兆瓦級），工程建設對浙江、舟山電網(wǎng)的影響均比較小，所發(fā)電量完全能夠被電網(wǎng)就近消納。針對示范電站的離岸距離和機組出口電壓等級，可分別采用“低壓發(fā)電機+海上升壓平臺”或“中壓發(fā)電機+岸基中壓變流器”的形式，將潮流能機組所發(fā)電力并入當?shù)仉娋W(wǎng)。此外，國華舟山電廠位于舟山本島北側(cè)，灌門水道南岸，電廠內(nèi)的已有輸電設施也為潮流能示范項目接入電網(wǎng)提供了非常便利的條件。

3.4 重要環(huán)境限制因素

根據(jù)相關規(guī)劃，灌門水道在功能區(qū)劃上屬于岱山港口航運區(qū)，功能區(qū)內(nèi)重點保障港口、航道和錨地用海，在不影響港口航運基本功能前提下，兼容工業(yè)用海、城鎮(zhèn)建設用海和旅游娛樂用海；此外，灌門水道為馬岙港區(qū)現(xiàn)有主要進港航道，灌門航道按10萬噸級船舶雙向通航設計，其中灌門狹口寬度滿足10萬噸級+5萬噸級船舶雙向通航。因此，通航功能用海是影響區(qū)域內(nèi)其他工程用海的重要環(huán)境限制因素之一。

圖8 馬岙港區(qū)各航道示意圖

此外，連接岱山與舟山之間疏港公路也是在灌門水域規(guī)劃潮流能示范電站場址時需要考慮的重要環(huán)境影響因素。該公路由江南大橋、官山大橋、秀山大橋以及秀山陸上接線公路和秀山至舟山本島的陸路通道連接而成。其中，官山島以北部分已于2014年建成，秀山大橋也已于2015年開工建設，預計2018年底建成。秀山與舟山本島之間的連島工程方案，目前正在研究制定中。

綜上，在灌門水道開發(fā)潮流能示范電站，在海洋功能兼容方面具有一定可操作性，但需要在兼顧水深、資源條件的前提下，合理避讓港航、海事、橋梁、軍事等其他用海管理區(qū)域。并且通過科學規(guī)劃，減少潮流能示范工程開發(fā)對現(xiàn)有海洋環(huán)境的影響程度。

4 結(jié)語

隨著人類對海洋能等清潔可再生能源需求的不斷加大以及潮流能發(fā)電技術和裝備制造水平的不斷提高，潮流能將迎來廣闊的發(fā)展空間。浙江舟山海域是我國沿海潮流能試驗研究和開發(fā)利用的熱點區(qū)域，灌門水道即舟山海域著名的強潮流通道。本文基于數(shù)模手段研究認為，灌門水道的潮流能資源儲量非常豐富，具有較好的開發(fā)利用價值，并對其開發(fā)條件進行了初步分析。研究成果可作為在灌門水道海域開展潮流能開發(fā)利用選址規(guī)劃的重要依據(jù)。

[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]舟山市海洋功能區(qū)劃[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]呂新剛，喬方利．海洋潮流能資源估算方法研究進展[J].海洋科學進展，2008，26(1):98-108.

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

[7]韓家新.中國近海海洋——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

海洋可再生能源專項資金資助項目（GHME2013GC03）

趙建春（1985-），男，碩士，高級工程師，主要研究方向為海洋水文及海洋能規(guī)劃。E-mail：zhao-jcz@ecidi.com