張 潔,紀(jì)棋嚴(yán)*,左軍成,彭騰騰,蘇 毓,孫永釗

(1.浙江海洋大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,浙江 舟山 316022;2.上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院,上海 201306)

海水在引潮力的作用下,產(chǎn)生周期性的水平流動叫作潮流,潮流根據(jù)流向的變化可以劃分為往復(fù)式潮流和回轉(zhuǎn)式潮流兩種。往復(fù)式潮流是指在一個潮周期內(nèi),流向在一條直線上往復(fù)一次的潮流,而回轉(zhuǎn)式潮流是指在一個潮周期內(nèi)流向不斷變化的潮流[1]。潮流能指潮流做水平運(yùn)動所具有的動能,一般可理解為單位時間通過單位面積的潮流動能[2]。據(jù)估算,我國東海沿岸潮流能占全國沿岸潮流資源總量的78.6%[3]。舟山海域位于浙江省東北部,海域內(nèi)島嶼眾多,島嶼間水道縱橫交錯,水深流急,蘊(yùn)藏著豐富的潮流能資源,可占浙江省沿岸潮流能資源的54.0%[4],其中又以金塘水道、西堠門水道和龜山航門水道等的潮流能資源最為豐富。舟山海域的潮流能開發(fā)利用,可以為海島的經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮重要作用,對優(yōu)化該地區(qū)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu),促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義[5]。

舟山海域潮流能資源的相關(guān)研究最早開始于20世紀(jì)70年代末。1979年,高祥帆①高祥帆.潮流、海流發(fā)電.中國科學(xué)院廣州能源研究所,1979.利用舟山西堠門水道預(yù)報(bào)的大、小潮期間潮流逐時流速資料,計(jì)算出西堠門水道大、小潮的平均能流密度分別為10.68 kW/m2和1.33 kW/m2,整個潮周期的平均能流密度為6.01 kW/m2,西堠門水道的平均理論功率為60.1×104kW/m2。之后,何世鈞[6]利用實(shí)測潮流資料計(jì)算出舟山海域主要水道的潮流能總功率密度為257.28×104kW/m2。陳耕心[4]估算出浙江省潮流能理論平均功率為7 090.28 MW,長江口區(qū)理論平均功率為304.88 MW。王智峰等[7]利用連續(xù)26 h實(shí)測潮流資料,采用Farm 法計(jì)算出高亭水道的潮流能理論可開發(fā)量為4.67 MW,灌門水道潮流能理論可開發(fā)量為9.37 MW,采用Flux法計(jì)算出高亭水道的潮流能理論可開發(fā)量為5.31 MW,灌門水道潮流能理論可開發(fā)量為7.92 MW。侯放等[8]利用FVCOM 海洋數(shù)值模型結(jié)果對比分析了最大潮流流速超過2.5 m/s的8處水道的潮流能分布狀況,結(jié)果表明,舟山群島海域重要水道潮流能理論蘊(yùn)藏總量約為1 400 MW,其中在資源豐富的重要水道的技術(shù)可開發(fā)總量約為200 MW,最大能流密度約為27.24 kW/m2,平均能流密度約為13.83 kW/m2。王衛(wèi)遠(yuǎn)和楊娟[9]利用MIKE 21計(jì)算了2014年舟山海域潮流場,統(tǒng)計(jì)分析了舟山海域的潮流能平均功率密度和空間分布特征,計(jì)算出10個特征斷面上潮流能資源理論蘊(yùn)藏量約為25 000 MW。這些關(guān)于舟山海域及其各水道的潮流能資源蘊(yùn)藏量的計(jì)算評估表明,舟山海域的眾多水道區(qū)域具有較好的潮流能開發(fā)前景。雖然潮流能資源豐富程度是開發(fā)利用潮流的首要條件,舟山海域這一條件非常優(yōu)越,但對舟山海域潮流能的實(shí)際開發(fā)利用還比較少。原因在于,潮流能的實(shí)際開發(fā)利用,除了需要考慮潮流能資源蘊(yùn)藏量外,還要考慮經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、環(huán)境、交通、生活、電網(wǎng)和用戶等多方面因素。已經(jīng)投入使用且規(guī)模比較大的潮流能發(fā)電站是位于舟山海域秀山島周邊的LHD(林東新能源科技股份有限公司)海洋潮流能發(fā)電站,該發(fā)電站的發(fā)電機(jī)組首期裝機(jī)發(fā)電量為1 MW,并于2016年8月并入電網(wǎng)[10]。目前,主要在舟山市岱山縣的高亭水道、龜山水道以及位于定海區(qū)的摘箬山等海域開展一些潮流能發(fā)電裝置的技術(shù)研發(fā)和階段性試驗(yàn)[11]。

在潮流能資源豐富海域選擇合適的場址是建設(shè)潮流能發(fā)電站的先決條件,發(fā)電站場址選擇的好壞對實(shí)現(xiàn)潮流能開發(fā)預(yù)期目標(biāo)至關(guān)重要[12]。流速是潮流能發(fā)電站選址最重要的因素,流速要大且流向不宜多變,以往復(fù)流最佳。場址所在海域的自然災(zāi)害要少,海域地質(zhì)條件要好,海底地形平坦少起伏,水深條件適宜。場址還應(yīng)靠近電力用戶或當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng),以減少鋪設(shè)線纜和并入電網(wǎng)的成本。此外,潮流能發(fā)電站對海洋環(huán)境及交通的不利影響要達(dá)到最小,且其選址應(yīng)該避開主航道,以減少對海上運(yùn)輸?shù)挠绊慬13]。舟山海域的眾多水道不僅潮流能資源豐富,還受島嶼掩護(hù),海況較平穩(wěn),海岸又多為基巖岸,具有優(yōu)越的開發(fā)環(huán)境,這些特征使得開發(fā)建設(shè)潮流能發(fā)電站的場址選擇余地較大[6]。但即使在同一個水道區(qū)域,由于局部條件不同也會對潮流能的分布、發(fā)電機(jī)組的布置、電站的場址等均產(chǎn)生一定的影響。如何根據(jù)海域的潮流能資源特征及潮流能發(fā)電站選址因素選擇最優(yōu)的發(fā)電場址,對最大限度發(fā)揮潮流能發(fā)電機(jī)組效益有著重要意義。

西堠門水道是舟山海域潮流能資源蘊(yùn)藏量最為豐富的水道之一,具有較好的開發(fā)利用前景,如何在該水道內(nèi)選擇合適的發(fā)電場址,需要綜合考慮各要素、詳細(xì)評估該水道的潮流能資源。因此,本文利用高分辨率的FVCOM(Finite Volume,primitive equation Community Ocean Model)數(shù)值模型對舟山海域進(jìn)行潮汐潮流的數(shù)值模擬,估算舟山西堠門水道的總體潮流能,分析比較水道內(nèi)具有開發(fā)潛力的場址區(qū)域,選出最優(yōu)的發(fā)電場址,以期為將來開發(fā)利用西堠門水道潮流能資源提供參考。

1 研究區(qū)域地形

舟山海域西堠門水道(121°51′～121°58′E,30°02′～30°08′N)位于舟山市定海區(qū)金塘島與冊子島之間,整體呈NW—SE走向,長約7.7 km,平均寬2.5 km,最窄處寬約1.9 km;水道內(nèi)深淺不一,中間深兩邊淺,水深范圍約為30～90 m(圖1)。

圖1 西堠門水道位置Fig.1 Location of the Xihoumen Channel

2 數(shù)值模型建立

舟山海域?qū)儆诮堆睾^(qū)域,地形復(fù)雜,島嶼眾多,岸線曲折,選用無結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格的區(qū)域海洋模式可以較好地實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域的高分辨率模擬。所以,本文選用FVCOM 海洋模式對西堠門水道及舟山海域進(jìn)行潮汐潮流模擬。FVCOM 是由美國馬薩諸塞大學(xué)(University of Massachusetts)和伍茲霍爾海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution)聯(lián)合開發(fā)的無結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格、自由表面、有限體積和三維海洋模式[14]。該模式的主要方程包括動量方程、連續(xù)方程、鹽度擴(kuò)散方程、溫度擴(kuò)散方程和狀態(tài)方程,并采用Mellor-Yamada 2.5階和Smagorinsky湍封閉方案分別計(jì)算水平和垂向混合[15]。該模式在垂直方向上采用σ坐標(biāo)變換,可以更好地?cái)M合復(fù)雜的海底地形,被廣泛應(yīng)用于近岸、河口、陸架海和大洋等海域的數(shù)值模擬研究。

本文重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域?yàn)槲鬈╅T水道海域,但模擬區(qū)域包括了舟山群島、杭州灣、長江口以及部分東海海域(120°06′～124°24′E,28°30′～32°12′N),如圖2所示。模型計(jì)算區(qū)域內(nèi)共有三角形網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)51 503個,三角形網(wǎng)格單元96 634個,模型網(wǎng)格由近岸向外海逐漸稀疏,網(wǎng)格最密集區(qū)域是西堠門水道(圖3),該區(qū)域的最小網(wǎng)格步長為50 m。模型的開邊界設(shè)在東海海域,采用逐時潮位驅(qū)動,該逐時潮位數(shù)據(jù)是利用俄勒岡州立大學(xué)(Oregon State University)潮汐反演模型(OSU Tidal Inversion Software,OTIS)[16]后報(bào)生成的。本文建立的模型在垂向上采用均勻的10個σ層,在近岸潮間帶底摩擦系數(shù)取0.001 5～0.002 0,外海及開邊界區(qū)域底摩擦系數(shù)取0.000 5。模型采用正壓模擬,即將溫度和鹽度設(shè)為常數(shù),不考慮風(fēng)場和徑流等其他條件的影響。由于潮汐潮流對邊界驅(qū)動響應(yīng)很快,所以,模型采用冷啟動,即模型網(wǎng)格點(diǎn)的初始水位和流速均為0。經(jīng)過調(diào)試,將模型的計(jì)算時間步長設(shè)為2.0 s,以保證模型穩(wěn)定運(yùn)行。模型模擬時間從2019年8月30日00:00開始至2020年12月31日23:00結(jié)束,輸出的時間間隔為1 h一次,最后用于結(jié)果分析的輸出時間段為2020年1月1日00:00至12月31日23:00。

圖2 潮流模型計(jì)算網(wǎng)格設(shè)置Fig.2 Computation grid of the tidal model

圖3 西堠門水道附近網(wǎng)格設(shè)置Fig.3 Model grid near the Xihoumen Channel

3 模型結(jié)果驗(yàn)證

3.1 觀測數(shù)據(jù)

本文收集了西堠門水道的1個潮流觀測點(diǎn)和1個驗(yàn)潮站的實(shí)測數(shù)據(jù)(圖1),用于驗(yàn)證模型模擬的潮流和潮汐的準(zhǔn)確性。潮流觀測點(diǎn)在西堠門水道附近(121°54′33″E,30°05′40″N),數(shù)據(jù)時間范圍為2020年9月9日00:00至9月23日24:00,時間間隔為15 min。潮流觀測儀器采用美國亞迪儀器公司(Teledyne RDInstruments,Inc.)生產(chǎn)的Work House 300 k Hz聲學(xué)多普勒剖面流速儀(Acoustic Doppler Current Profiler,ADCP),觀測層厚為2 m。由于觀測的海流不僅包含潮流,還有一部分余流,所以對海流數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)和分析去掉余流后再與模式結(jié)果對比。驗(yàn)潮站在金塘島附近(121°54′07″E,30°03′44″N),數(shù)據(jù)時間范圍為2020年3月28日00:00至4月12日24:00,時間間隔為1 h。潮流觀測點(diǎn)和驗(yàn)潮站(圖1)的數(shù)據(jù)均為連續(xù)無中斷,包含了完整的大潮和小潮過程。

3.2 潮位驗(yàn)證

從金塘驗(yàn)潮站的實(shí)測資料與對應(yīng)時段模型的模擬結(jié)果來看,兩者吻合良好(圖4)。金塘驗(yàn)潮站一天中出現(xiàn)2次高潮和2次低潮,實(shí)測最大潮差、最小潮差分別為3.54 m 和0.64 m,平均潮差為2.56 m。該站的潮位驗(yàn)證結(jié)果表明,總體來說模型可以較好地反映金塘附近海域真實(shí)的潮位變化。本文的模型設(shè)置沒有考慮風(fēng)場和徑流的影響,而實(shí)測潮位中除了天文潮還包含了由風(fēng)、徑流等引起的余水位,導(dǎo)致模型在大潮期間模擬結(jié)果與實(shí)測資料相比有一定的誤差。

圖4 模型潮位驗(yàn)證Fig.4 Validation of the model simulated tidal elevation

3.3 潮流驗(yàn)證

潮流資料在時間上包含了一個大小潮過程,其中,小潮時間為2020年9月10日,大潮時間為2020年9月17日,將小、大潮期間海水表層(2 m)、中層(18 m)、底層(32 m)潮流的流速、流向與觀測資料進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果(圖5和圖6)表明,無論大潮期間還是小潮期間,計(jì)算潮流與實(shí)測潮流在各個時刻均有良好的一致性,漲落潮段流速的平均相對誤差為6.6%,流向的平均絕對誤差為9.5°。

圖5 小潮期間潮流驗(yàn)證Fig.5 Validation of the tidal currents of neap tides

圖6 大潮期間潮流驗(yàn)證Fig.6 Validation of the tidal current of spring tides

4 潮流能資源分析

本文選取了2020年全年的模擬結(jié)果,主要從潮流流速分布、有效流時分布和能流密度分布這3個方面開展潮流能資源的統(tǒng)計(jì)分析。

潮流流速大小直觀反映潮流能大小,所以本文從最大漲、落潮流、平均流速和最大流速分布特征方面展開分析。最大漲、落潮流分別為漲潮、落潮時間段內(nèi)最大的潮流,一般可以用漲、落急時刻的潮流來表示。最大漲、落潮流除了流向存在很大差別外,流速大小也會存在較大差異。平均流速指的是一段時間內(nèi)潮流流速大小的平均值,反映潮流大小的平均狀態(tài)。最大流速分布僅考慮流速大小,不考慮流向,從最大流速分布可以看出海域內(nèi)最強(qiáng)的流場分布特征。

潮流的流速大小會隨時間變化而變化,只有流速大于一定值時,潮流發(fā)電裝置才能有效地將潮流的動能轉(zhuǎn)換成電能。因此,有效流時指的是潮流能的有效小時數(shù),它是用來統(tǒng)計(jì)潮流大于某一閾值的累計(jì)時間數(shù)[17]。

能流密度是表征某一海域潮流能量強(qiáng)弱或者潮流資源豐富程度的重要指標(biāo)[2],能流密度值越大表明該處的潮流能量越高,資源越豐富。單位時間內(nèi)通過單位面積的潮流動能即能流密度(P,單位為W/m2)[17],計(jì)算式為:

式中:ρ為海水密度,單位為kg/m3,本文取1.025×103kg/m3;v為潮流流速,單位為m/s,為了表征潮流能量的強(qiáng)弱,引入潮流的最大流速vmax和平均流速分別代入式(1)即可計(jì)算出最大能流密度(Pmax)和平均能流密度

潮流不僅隨時間變化,在垂向空間上也會有差異,即在同一經(jīng)緯度的點(diǎn),流速從表層到底層也會有不同。因此,本文先計(jì)算出各點(diǎn)的垂向平均流速,在此基礎(chǔ)上,對各月的垂向平均流速進(jìn)行時間上的平均,作為該月的平均流速,選取各月份流速的最大值,作為該月的最大流速。參考李慶杰等[18],本文選取1月、4月、7月和10月作為冬季、春季、夏季和秋季的代表月份,分析這4個季節(jié)的潮流能資源特征。

4.1 潮流流速分析

4.1.1 漲、落急流速分布

本文選取與潮流觀測資料對應(yīng)時間段的大潮期間漲、落急潮流流場,分析西堠門水道最大漲、落潮流速分布特征。西堠門水道狹窄,潮流為典型的往復(fù)流,漲、落潮期間,潮流的主要流向與水道平行。西堠門水道漲潮以東南流為主,漲急最大流速可達(dá)2.6 m/s(圖7a)。落潮以西北流為主,落急最大流速可達(dá)2.0 m/s(圖7b)。受水道兩側(cè)島嶼岸線及地形的影響,西堠門水道冊子島兩岬角處流速較大,并且流速高值區(qū)都位于水道東南口。雖然相較而言,漲潮的流速會略大,但無論是漲潮還是落潮,西堠門水道大部分區(qū)域流速均較大,表明水道內(nèi)大多數(shù)區(qū)域都有較大的潮流能開發(fā)潛力。

圖7 大潮期間漲、落急時刻潮流場分布Fig.7 Distribution of maximum flood and ebb tidal currents during spring tides

4.1.2 平均流速分布

由西堠門水道1月(冬季)、4月(春季)、7月(夏季)和10月(秋季)平均流速分布(圖8)可以看出,各月的平均流速空間分布大致相同,水道內(nèi)部有3處峰值區(qū),峰值區(qū)形狀類似,峰值區(qū)流速大小從西北向東南方向遞增,且冊子島西南沿岸海域流速較小。1月(冬季)和10月(秋季)3個峰值區(qū)平均流速的最大值從西北向東南均分別為1.0 m/s、1.1 m/s和1.2 m/s,但10月(秋季)的同一等值線包圍的范圍小于1月(冬季)。4月(春季)和7月(夏季)3個峰值區(qū)平均流速的最大值從西北向東南均分別為0.9 m/s、1.1 m/s和1.1 m/s,4月(春季)和7月(夏季)的同一等值線包圍的范圍大小相似。

圖8 西堠門水道月平均流速分布Fig.8 Distribution of averaged current velocity in the Xihoumen Channel

4.1.3 最大流速分布

由西堠門水道1月(冬季)、4月(春季)、7月(夏季)和10月(秋季)最大流速分布(圖9)可以看出,各月的最大流速空間分布大致相同,水道內(nèi)部有3處峰值區(qū),峰值區(qū)形狀類似,峰值區(qū)流速從西北向東南方向增加,且冊子島西南沿岸海域流速較小。1 月(冬季)3 個峰值區(qū)最大流速的最大值從西北向東南分別為2.2 m/s、2.6 m/s和2.6 m/s。4月(春季)和10月(秋季)3個峰值區(qū)最大流速的最大值從西北向東南均分別為2.0 m/s、2.4 m/s和2.4 m/s,但是,4月(春季)同一等值線包圍的范圍小于10月(秋季)。7月(夏季)3個峰值區(qū)最大流速的最大值從西北向東南分別為2.0 m/s、2.2 m/s和2.4 m/s。

圖9 西堠門水道月最大流速分布Fig.9 Distribution of maximum current velocity in the Xihoumen Channel

由西堠門水道年平均流速和年最大流速分布(圖10)可知,年平均流速和年最大流速空間分布大致相同,水道內(nèi)部都有3處峰值區(qū),峰值區(qū)位置相近,同一等值線圍成的范圍差異較大,峰值區(qū)流速大小從西北向東南方向遞增,冊子島西南沿岸海域流速較小。年平均流速的3個峰值區(qū)的平均流速最大值從西北向東南分別為0.9 m/s、1.1 m/s和1.2 m/s,年最大流速的3個峰值區(qū)的最大流速的最大值從西北向東南分別為2.2 m/s、2.6 m/s和2.6 m/s。

圖10 西堠門水道年平均流速和年最大流速分布Fig.10 Distribution of annual mean current velocity and annual maximum current velocity of Xihoumen Channel

4.2 有效流時分析

本文參考吳亞楠等[17]計(jì)算了2020年全年西堠門水道附近海域流速在0.6～3.5 m/s的有效流時,其空間分布如圖11所示。水道內(nèi)部有3處峰值區(qū),峰值區(qū)的有效流時從西北向東南方向遞增。3個峰值區(qū)的有效流時從西北向東南分別為6 500 h、6 500 h、7 000 h。冊子島西南沿岸海域有效流時較小。西堠門水道大部分區(qū)域的有效流時在5 500 h以上(約占全年總時間的63%,一年按365 d計(jì)算,共8 760 h),表明西堠門水道兼具流速大、有效流時長的特點(diǎn),潮流能資源蘊(yùn)藏量大且可開發(fā)利用時間較長,具有較高的開發(fā)價(jià)值。

圖11 潮流能有效流時分布Fig.11 Distribution of tidal current energy significant hours

4.3 能流密度分析

利用式(1)計(jì)算西堠門水道1月(冬季)、4月(春季)、7月(夏季)、10月(冬季)的平均能流密度,結(jié)果如圖12所示。各月的最大能流密度空間分布與各月的平均流速空間分布相似。1月(冬季)3個峰值區(qū)平均能流密度的最大值從西北向東南分別為0.9 kW/m2、1.3 kW/m2和1.7 kW/m2,4月(春季)和10月(秋季)3個峰值區(qū)平均能流密度的最大值從西北向東南均分別為0.7 kW/m2、0.9 kW/m2和1.3 kW/m2,7月(夏季)3個峰值區(qū)平均能流密度的最大值從西北向東南分別為0.7 kW/m2、0.9 kW/m2和1.1 kW/m2。

圖12 西堠門水道月平均能流密度分布Fig.12 Distribution of monthly mean tidal energy density in the Xihoumen Channel

利用式(1)計(jì)算西堠門水道1月(冬季)、4月(春季)、7月(夏季)、10月(冬季)的最大能流密度,結(jié)果如圖13所示。各月的最大能流密度空間分布與各月最大流速空間分布相似。1月(冬季)3個峰值區(qū)最大能流密度的最大值從西北向東南分別為5.0 kW/m2、8.0 kW/m2和10.0 kW/m2,4月(春季)和10月(秋季)3個峰值區(qū)最大能流密度的最大值從西北向東南均分別為3.0 kW/m2、6.0 kW/m2和7.0 kW/m2,7月(夏季)3個峰值區(qū)最大能流密度的最大值從西北向東南分別為3.0 kW/m2、5.0 kW/m2和6.0 kW/m2。

圖13 西堠門水道月最大能流密度分布Fig.13 Distribution of maximum tidal energy density in the Xihoumen Channel

由西堠門水道年平均能流密度和年最大能流密度分布(圖14)可知,年平均能流密度和年最大能流密度空間分布與年平均流速和年最大流速空間分布相似。年平均能流密度的3個峰值區(qū)的平均能流密度的最大值從西北向東南分別為0.6 kW/m2、0.9 kW/m2和1.2 kW/m2,年最大能流密度的3個峰值區(qū)的最大值從西北向東南分別為3.0 kW/m2、5.5 kW/m2和6.5 kW/m2。

圖14 西堠門水道年平均能流密度和年最大能流密度分布Fig.14 Distribution of annual mean energy flow density and annual maximum energy flow density of Xihoumen Channel

5 選址和發(fā)電前景分析

5.1 潛在場址分析

潮流能蘊(yùn)藏量豐富程度是潮流發(fā)電站選址的首要考慮因素。根據(jù)前文對潮流流速、有效流時和能流密度的分析,西堠門水道有3處峰值區(qū)不僅能流密度大且有效流時長,本文在這3處峰值區(qū)取3個區(qū)域,依次標(biāo)記為A(121°53′39″～121°54′28″E,30°04′52″～30°05′40″N)、B(121°54′01″～121°54′45″E,30°03′53″～30°04′37″N)和C(121°54′47″～121°55′37″E,30°03′22″～30°04′12″N)(圖15),作為潮流能發(fā)電站的潛在選址。結(jié)合潮流的選址因素,通過綜合比較遴選出在西堠門水道內(nèi)建設(shè)潮流能電站的最佳場址。

圖15 潛在場址分布Fig.15 Potential site distribution map

區(qū)域B和C處流速較大,潮流能資源優(yōu)勢比較顯著,但區(qū)域B和C在主通航區(qū),且離岸較遠(yuǎn),不僅影響通航,還增加潮流能發(fā)電站建造的難度和成本。區(qū)域C 附近建有西堠門大橋,受現(xiàn)有通航或跨海橋梁工程影響,開發(fā)利用潮流能會在一定程度上與該海域的交通航運(yùn)產(chǎn)生沖突,因此不宜建發(fā)電站。區(qū)域A 海域附近流速雖然相對較小,但該區(qū)域深度適中(水深為30～60 m),并且離岸較近,海底地形平坦,地址條件良好,是該水道內(nèi)潮流能發(fā)電站的最佳場址。

5.2 發(fā)電前景分析

能流密度僅代表潮流能的理論蘊(yùn)藏量,在實(shí)際開發(fā)過程中只有小部分可以被開發(fā)并最終轉(zhuǎn)換成電能。為更直觀給出最佳選址區(qū)域A 的實(shí)際可開發(fā)潮流能總量,本文在不考慮潮流發(fā)電設(shè)備對潮流能開發(fā)的影響的前提下,采用Flux法②Black&Veatch Consulting,Ltd.UK,Europe,and global tidal energy resource assessment,Marine Energy Challenge Report No.107799/D/2100/05/1.London.2004.③Black&Veatch Consulting,Ltd.UK,Europe,and global tidal energy resource assessment,Marine Energy Challenge Report No.107799/D/2100/05/1.London.2004.估算區(qū)域A 的理論可開發(fā)量,該方法由Black&Veath咨詢公司在2004年發(fā)布的英國潮能流資源評估報(bào)告(簡稱BV-04)中提出的,其在估算過程中僅需考慮潮流經(jīng)過水道的潮流能通量和有效影響因子SIF(Significant Impact Factor)。SIF指在不產(chǎn)生明顯的環(huán)境或經(jīng)濟(jì)影響的前提下,可供開發(fā)利用的潮流能占總潮流能資源的百分比。

Flux法計(jì)算公式為:

式中,Pt為總平均功率,Pm為平均功率密度,S為垂直潮流方向的水道斷面面積。

可供開發(fā)利用的有效潮流能功率可表示為總平均功率與有效影響因子的乘積,計(jì)算公式為:

式中,Ps為有效潮流能功率;SIF 為有效影響因子,SIF 的取值具有不確定性。在BV-04②,Hagerman和Polagye[19]、Bryden等[20]的研究中,SIF 的取值分別為20%、15%以及10%。依據(jù)文獻(xiàn)[19],本文的SIF 取15%。計(jì)算得到區(qū)域A 斷面處的年平均能流密度約為0.6 kW/m2,斷面面積約為5.0×104m2,該站的總平均功率和有效潮流能功率分別為30.0 MW 和4.5 MW,將有效潮流能功率換算成一年的發(fā)電量約為3.9×107kW·h,約占舟山市2020年城鄉(xiāng)居民生活用電量1.1×109kW·h的36%[21]。與舟山秀山島周邊海域現(xiàn)有的LHD 海洋潮流能發(fā)電站首期裝機(jī)發(fā)電量1 MW 相比,本文選取的西堠門最佳場址具有較為可觀的潮流能發(fā)電能力,具有極大開發(fā)潛力和實(shí)際開發(fā)價(jià)值。

6 結(jié)論

本文基于FVCOM 模式建立了舟山海域高分辨率潮汐潮流模型,并利用實(shí)測的潮位和潮流數(shù)據(jù)對模型的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。利用模型結(jié)果詳細(xì)地描述了西堠門水道的潮汐潮流狀況,統(tǒng)計(jì)分析了流速和能流密度的分布特征和潮流能有效流時,并獲得了潮流能發(fā)電場址的最佳位置。主要結(jié)論如下:

1)西堠門水道潮流為往復(fù)流,潮流的流向大致平行于水道,漲潮流速大于落潮流速。水道內(nèi)部有3處流速峰值區(qū),峰值區(qū)流速大小從西北向東南方向遞增,能流密度空間分布特征與對應(yīng)流速空間分布特征類似。

2)西堠門水道具有較高的有效流時。水道內(nèi)大部分區(qū)域的有效流時超過5 500 h,空間分布特征與流速和能流密度空間分布特征相似。其分布較大區(qū)域位于西堠門水道東南部,峰值區(qū)域與流速分布區(qū)一致。

綜合考慮潮流能資源和環(huán)境條件,西堠門冊子島西北岬角處可選為西堠門水道最佳發(fā)電站場址,其總平均功率和有效潮流能功率分別為30.0 MW 和4.5 MW,具有極大開發(fā)潛力。