老铁山水道潮流能初步估算

武贺，赵世明，张松，王鑫，马治忠

（国家海洋技术中心，天津 300111）

老铁山水道潮流能初步估算

武贺，赵世明，张松，王鑫，马治忠

（国家海洋技术中心，天津 300111）

采用ECOMSED海洋数值模型较好地模拟了渤海的潮流运动状况，估算了老铁山水道的潮流能的理论蕴藏量，并采用FLUX方法对该水道的技术可开发量进行了评估。结果表明，老铁山水道北侧近岸海域最大可能流速约2.5 m/s，平均功率密度超过500 W/m2，大潮平均最大功率密度为3 700 W/m2，小潮平均最大功率密度为1 400 W/m2，水道潮流能资源理论蕴藏量为26.9×104kW，技术可开发量为2.69×104kW。

ECOMSED；老铁山水道；潮流能

老铁山水道位于渤海、黄海的分界线上，北起老铁山灯塔，南至北隍城，全长约为13 km，水道北侧水深流急，平均水深约为60 m，水道南侧水深较浅，平均水深约为30 m，该水道实测最大流速超过2.3 m·s-1，潮流能源蕴藏量丰富。我国早期的潮流能资源评估工作[1]曾利用郑志南[2]提出的评估方法计算了该水道蕴藏量并得到了初步结论，这对于潮流数据匮乏的评估研究初期具有重要的开创性意义。然而，由于受到水深地形、海水密度等因素的影响，水道截面的水平方向和垂直方向上的流速不可能相同，因此以单点流速代表整个水道的截面流速的做法值得商榷，加之能量与流速存在着3次方的关系，使得评估结果有可能存在不小的误差。随着计算机和数值计算技术的发展，已经可以实现准确的潮波模拟和潮流预报，获取丰富的四维（三维空间和时间）潮流数据，从而彻底解决潮流能资源评估工作中的数据短缺问题，事实上，国外不少学者已经成功地采用此类方法进行了一些水道的潮流资源评估试验[3-8]，相比之下，国内的潮流数值模拟研究虽然也较为成熟[10-12]，却很少应用于潮流资源评估工作[9]。因此，本文将利用国际上广泛使用的ECOMSED海洋环流数值模式对渤海、北黄海进行潮波模拟计算，在较好地完成潮流模拟的基础上，采用FLUX计算方法分析计算老铁山水道的潮流能蕴藏量和可开发量，该项研究工作对进一步了解老铁山水道潮流能资源的时空分布和日后的潮流能资源开发利用具有重要的实践意义。

2 数值模式及其设置

ECOMSED海洋环流数值模式是一个模拟水动力、波浪和沉积物输运的三维数值模型，该模式具有热力学方程完整、拟合水深地形较好、收敛速度快等特点，被广泛地应用于近海动力科学研究和海洋工程。本文考虑M2、S2、K1、O1 4个分潮。模式计算区域包括渤海和北黄海，水深数据采用1︰100万中国海图，开边界潮汐调和常数采用T/P反演数据。水平方向采用seagrid软件生成的正交曲线网格（见图1），并在黄渤海分界线海域进行网格加密以便更好地了解老铁山水道的潮流运动状况，其最小分辨率为1 km×1 km，垂向上均匀分5层。

图 1 模拟海域网格设置及水深分布（m）Fig.1 Depth distribution and the grid settings of the simulative area (m)

3 数值模拟结果

潮位方面，本文分别选取具有代表性鲅鱼圈、秦皇岛、塘沽、龙口和蓬莱5个验潮站潮位数据进行调和分析，并与计算结果进行比较。表1显示，渤海湾内5个海洋观测站的实测潮位数据与计算结果吻合良好， 此外，4个分潮（M2、S2、K1、O1）的同潮图（图2a-图2d）也很好地再现了渤海海域各潮波系统的驻波性质。

潮流方面，采用2009年3月1个ADCP定点站位（121°05.8′E，38°41.8′N）连续25 h的实测资料对中海域模拟结果进行验证（见图3a-3b），由各站位流速、流向对比图可知，计算值与实测结果吻合较好。

综上所述，本文较好地模拟了渤海的潮波运动状况，成功地再现了渤海海域各主要分潮潮波系统的驻波性质，为进行准确的潮流能计算奠定了基础。

表 1 渤海沿岸5个验潮站调和常数实测与计算误差Tab.1 Errors of harmonic constants between measurements and calculations of five tide stations around the Bohai Sea

图 2a M2分潮同潮图Fig.2a Co-tidal line of M2 tide

图 2b S2分潮同潮图 Fig.2b Co-tidal line of S2 tide

图2c K1分潮同潮图Fig.2c Co-tidal line of K1 tide

图2d O1分潮同潮图 Fig.2d Co-tidal line of O1 tide

图 3a 实测与预报流速曲线图(3月10日-3月11日)Fig.3a Speed of the tidal current between measurement forecast (Mar 10 to Mar 11)

图 3b 实测与预报流向曲线图(3月10日-3月11日) Fig.3b Direction of the tidal current between measurement and and forecast (Mar 10 to Mar 11)

4 老铁山水道潮流能分析

4.1 估算方法

潮流能估算的基本方法有两类[9]，一类以能通量为基础，一类基于动力分析。前者包含了FLUX方法、FARM方法等，后者则是Garrett[3]提出的一种新方法，应用上，FARM方法最为广泛，FLUX方法次之，Garrett方法还很少，由于本文仅对老铁山水道的潮流能蕴藏量及技术可开发量进行初步评估，并未涉及潮流能开发装置类型及转换效率参数等，因此，本文采用使用广泛的FLUX方法。平均功率的理论公式及实际计算公式分别为：

式中：

P是指周期T内潮流能的平均功率(W)；

t初始时刻，T为评估周期，一般取一个朔望月即可(s)；

L水道宽度(m)；

H水深(m)；

ρ为海水密度，取1025kg·m-3。

实际计算公式

SIF为有效影响因子。文献[15]显示，全部潮流能中可开发部分的比例与地点有关。在水道或海峡、海岬、海湖、共振河口等各海域中SIF的取值各有不同。由于老铁山水道属于海峡范畴，因此本文取10%。

4.2 最大可能流速分布

采用文献[14]中所记载的最大可能流速计算公式，根据潮流类型的不同，分别计算各网格点最大可能流速。图4显示，最大可能流速较强海域主要为渤海海峡、黄河口附近、辽东湾两处海域以及河北曹妃甸附近，其最大可能流速都超过1 m·s-1；强流速区位于老铁山水道北侧，最大可能流速值大都超过1.5 m·s-1，其中有2个网格点超过2.5 m·s-1，其中一点的最大功率密度可达12.5 kW·m-2，且离岸较近，具有较大的潮流能开发潜力。此外，北隍城至蓬莱的庙岛群岛诸水道最大可能流速也较强，大都超过1.5 m·s-1。

图 4 渤海海域最大可能潮流速度分布（m·s-1）Fig.4 Most possibility speed of tidal current in Bohai Sea (m·s-1)

4.3 潮流能蕴藏量

图5、图6、图7分别为老铁山水道平均能流密度分布、大潮平均最大功率密度分布和小潮平均最大功率密度分布，图中显示，此3个重要参数分布基本相同，且与最大可能流速分布相似。其中有2个网格点的平均能流密度超过500 W·m-2，大潮最大功率密度可达3 700 W·m-2，小潮最大功率为密度为1 400 W·m-2，涉及海域面积约为10 km2。过最大平均功率密度点，绘制渤海海峡潮流涨急时刻的法向线（图5中虚线），以此虚线为截面，采用公式（2），计算出老铁山水道潮流能理论蕴藏量为26.9 ×104kW，技术可开发量为2.69×104kW。

图 5 老铁山水道平均能流密度水平分布（W·m-2）Fig.5 Distribution of average tidal energy density at LaoTieshan channel（W·m-2）

图 6 老铁山水道大潮平均最大能流密度水平分布（W·m-2）Fig.6 Distribution of average tidal energy density during the spring tide period at LaoTieshan channel（W·m-2）

图 7 老铁山水道小潮平均最大能流密度水平分布（W·m-2）Fig.7 Distribution of average tidal energy density during the neap period at LaoTieshan channel（W·m-2）

众所周知，潮流能随着潮流流速的变化也进行着周期性的变化。由于海峡（水道）海域的年平均潮流能与月平均潮流能差别不大[9],本文仅给出老铁山水道一个朔望月的潮流能时间分布（图8）。经统计计算，该水道小于50×104kW的时间比例约为81.4 %，介于50×104kW和100×104kW的时间比例约为13.4 %，大于100×104kW的时间比例约为6 %。

图 8 老铁山水道潮流能时间变化曲线（一个朔望月）Fig.8 Change of the tidal energy during one month at LaoTieshan channel

5 结 论

本文采用ECOMSED海洋数值模型模拟了渤海的潮流运动状况，绘制了K1、O1、M2、S2 4个分潮的同潮图，并与实测潮位、潮流数据进行了对比分析。在此基础上估算了老铁山水道潮流能的理论蕴藏量，并采用FLUX方法对该水道的技术可开发量进行了评估。结果表明，老铁山水道北侧近岸海域最大可能流速大于2.5 m/s，平均功率密度超过500 W·m-2，大潮平均最大功率密度为3 700 W·m-2，小潮最大功率密度为1 400 W·m-2，水道潮流能资源理论蕴藏量为26.9×104kW，技术可开发量为2.69 ×104kW，潮流能资源随时间不断变化，在一个朔望月的周期内，能量大于50×104kW的时间比例约为81.4 %，介于50×104kW和100×104kW之间的时间比例约为13.4 %，大于100×104kW的时间比例约为6 %。

[1]王传崑, 陆德超.中国沿海农村海洋能资源区划 [M].1989: 1-127.

[2]郑志南.海洋潮流能的估算 [J].海洋通报, 1987, 6(4): 70-75.

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[9]吕新刚, 乔方利, 赵昌, 等.海洋潮流能资源的数值估算——以胶州湾口为例 [J].太阳能学报, 2010, 31(2): 137-143.

[10]赵保仁, 方国洪.渤、黄、东海潮汐潮流的数值模拟 [J].海洋学报, 1994, 16(5): 1-10.

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[13]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.

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[15]Black & Veatch Consulting, Ltd.Phase II, UK tidal stream energy resource assessment [R].Marine Energy Challenge Report, 2005, No.107799/D/2200/03.

Preliminary assessment of tidal energy in Lao Tieshan channel

WU He, ZHAO Shi-ming, ZHANG Song, WANG Xin, MA Zhi-zhong

（National Ocean Technology Center, Tianjin 300111, China）

ECOMSED ocean model is applied to simulate the tidal wave system on Bohai sea, and the error between investigation and simulation can be acceptable.Based on this result, we assess the tidal energy of LaoTieshan channel.By the method of FLUX, a conclusion can be extracted like this: the probable velocity of maximum of north of this channel can reach to 2.5 m/s, and the average density of power is above 500W/m2, meanwhile, the maximal densities of power of spring tide period and neap tide period are 3 700 W/m2and 1 400 W/m2respectively, and theoretical tidal energy and the available tidal energy of LaoTieShan Channel are 26.9×104kW and 2.69×104kW.

ECOMSED; LaoTieshan channel; tidal energy

P743.1

A

1001-6932(2011)03-0310-05

2010-11-19；收修改稿日期：2011-01-20

我国近海海洋综合调查评价专项 (908-01-NY, 908-02-05-01, 908-ZC-I-21 )。

武贺 ( 1981－ )，男，硕士，主要从事近海环境动力学研究。电子邮箱：wh-crane@sohu.com。