舟山海域波浪能资源评估

王卫远，何倩倩，李睿元

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州311122)



舟山海域波浪能资源评估

王卫远，何倩倩，李睿元

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州311122)

摘要：利用QN混合风场作为驱动风场，采用国际通用的MIKE 21 SW模型后报1999年8月～2009年7月舟山海域的波浪场，统计出舟山海域的波浪能资源多年平均波功率密度和空间分布特征，并计算了各个等深线上的波浪能资源理论蕴藏量，初步估算出舟山外围海域海图10、20 m和30 m等深线上的波浪能理论平均功率分别为537、953 MW和1 256 MW，对舟山海域波浪能开发利用具有一定的参考价值。

关键词：波浪能；资源评估；数学模型；QN风场；波功率密度；舟山海域

海洋中波浪能资源蕴藏丰富，取之不尽，用之不竭。利用海洋能资源，是当今世界能源研究的方向。特别是在能源关系到国家安全、地球矿物能源逐渐枯竭及环境状况日益恶化的形势下，如何有效利用资源丰富、可再生的海洋能源，显得十分重要。波浪能资源是一种很大程度上未被开发利用的可再生能源之一。 在所有可再生能源中，其具有较高的能量密度。据估算，全球波浪能的理论蕴藏量约为2 TW，全球大部分沿岸波功率密度在20～50 kW/m之间，北大西洋、苏格兰、爱尔兰西部沿岸及太平洋东北部以及澳大利亚南部沿岸波功率密度在70～100 kW/m之间。我国波浪能的理论蕴藏量约为1 000万kW左右，沿海波功率密度约在2～7 kW/m之间[1]。

20世纪70年代以来，许多沿海发达国家积极开展了波浪能开发利用的研究，在波浪能转换装置方面取得了重大进展。当前，波浪能转换装置种类繁多，形式多样。按其结构形式分，主要包括“点头鸭”式、振荡水柱式、摆式、聚波蓄能式、振荡浮子式、阀式等转换装置。经过40多年的研究和发展，目前研究的重点仍然主要放在波浪能转换装置的设计与改进上。波浪特性和波浪能资源水平是设计与改进波浪能转换装置的基础，也是波浪能开发利用及选址的重要依据[2]。要利用波浪能发电，在选择和安放波能转换装置之前，就需要了解可能安装波浪能转换装置海域的波浪特性和波浪能资源水平，并对该海域波浪能资源进行初步估算，这样才能对波浪能电站的可行性和经济性进行评估。为此，许多国家都在利用实测数据或波浪模型后报数据开展波浪能资源调查评估工作，为将来大规模开发利用波浪能资源做准备[3- 8]。

舟山群岛许多岛屿远离大陆，电网不能覆盖，海岛居民因为长期缺乏充足的电能，生活和生产都受到了很大限制，电力缺乏已经成为制约海岛地区经济发展的重要因素之一。舟山海域蕴藏着丰富的波浪能资源，加大波浪能资源的开发利用力度，将对海岛地区的用电紧张起缓解作用，对优化该地区能源消费结构、促进经济社会的可持续发展也具有重要意义。

本文基于上述背景，采用国际通用的MIKE 21 SW模型，把QN(QuikSCAT/NCEP)混合风场作为驱动风场，后报1999年8月～2009年7月舟山海域的波浪场，统计出舟山海域的波浪能资源多年平均波功率密度和空间分布特征，并计算了各个等深线上的波浪能资源理论蕴藏量，对舟山海域波浪能开发利用具有一定的参考价值。

1波浪数学模型

1.1基本原理

MIKE 21 SW模块基于波作用守恒方程，采用动谱密度N(σ,θ)来描述波浪[9]。模型的自变量为相对频率σ和波向θ。动谱密度N(σ,θ)与能谱密度E(σ,θ)的关系为

N(σ,θ)=E(σ,θ)/σ

(1)

在笛卡尔坐标系下，MIKE 21 SW的控制方程，即波作用守恒方程可以表示为

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，d为水深；U=(Ux，Uy)为流速；k=(kx，ky)为波数；s为沿θ方向的空间坐标；m为垂直于s的坐标。

MIKE 21 SW模型中的源函数项是描述各种物理现象的源函数的叠加形式，即

S=Sin+Snl+Sds+Sbot+Ssurf

(6)

式中，Sin为风能的输入；Snl为非线性波波相互作用；Sds为由白帽引起的能量损耗；Sbot为底摩擦引起的能量损耗；Ssurf为由于水深变化引起的波浪破碎导致的能量损耗。

1.2模型计算范围及网格划分

本模型重点研究舟山海域波浪能资源分布情况。为了避免边界对重点研究区域产生影响，特将边界位置定在距离舟山海域较远的外海海域。模型南北长约920 km，东西宽约550 km，北边界至东海与黄海的交界线(长江口北侧与韩国济州岛的连线)，东边界至日本沿岸，南边界至台湾岛北部。

为了充分反映研究区域及附近水域局部地形的变化情况，同时又适当节约模型计算工作量，本模型采用以研究区域为中心由外向内逐步加密的非结构化计算网格。对于远离研究区域的模型边界区域，网格的边长(以经纬度表示)约为15′，越靠近研究区域计算网格尺寸越小，研究区域内的网格边长约为2.5′(见图1)。

经过治疗以后,观察组的治疗总有效率高达96.49%,明显高于对照组的77.19%(P<0.05),详见表1。

图1　模型计算范围及网格划分

2驱动风场

2.1风资料的选用

QN(QuikSCAT/NCEP)混合风场是对卫星散射计(QuikSCAT)观测数据和美国国家环境预报中心(NCEP)分析数据进行时、空混合分析的结果，其空间范围为(88°S～88°N，0～360°E)，覆盖全球90%无冰海域，空间分辨率为0.5°×0.5°，每6 h记录1次数据。该风场资料给出了海面10 m高度处的经向风速和纬向风速，具有较高的时空分辨率，被广泛用作海浪模式的驱动风场。

相关研究表明，需用10年以上的波浪资料对某地或某区域的波浪能资源进行评估[10]；因此，本文利用被广泛使用的QN混合风场1999年8月～2009年7月的风场资料作为波浪数学模型的驱动风场来推算相应的波浪场。为了在统计时不出现跨年现象，最终统计的时间为2000年～2008年。

2.2风资料的验证

利用收集到的嵊泗气象站2009年5月～2009年7月和普陀气象站2008年11月2009年7月的逐时风速风向资料来验证QN风资料，部分验证结果见图2。更多验证结果见文献[11]。

图2　2009年7月嵊泗气象站风速风向和QN风速风向比较

由图2可见，QN风资料的风速风向分别与嵊泗气象站的风速风向偏差较小，过程线吻合良好，说明QN风资料的可靠性比较高，能较好地反映实际风场，将其作为本模型的驱动风场是可行的。

3波浪数学模型验证

根据收集到的日本气象厅22001号浮标站(126.33°E，28.17°N)2000年1月23日00∶00～2000年1月31日00∶00实测波浪资料、国家海洋局东海浮标站(123°59′E，29°30′N)2002年8月26日00∶00～2002年9月7日06∶00实测波浪资料、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实测波浪资料、七姊八妹列岛站2009年11月16日12∶00～2009年11月18日02∶00实测波浪资料和六横站2011年12月7日10∶00～2011年12月11日00∶00实测波浪资料，对模型计算结果进行验证(见图3～图7)。

图3　2001号浮标站有效波高验证

图4　东海浮标站有效波高验证

图5　嵊山海洋站有效波高验证

图6　七姊八妹列岛站有效波高验证

图7　六横站有效波高验证

由图3～图7可见，除了东海浮标站和六横站的有效波高计算值与实测值吻合稍差外，其他各站的有效波高的计算值与实测值吻合良好；但总的来说，计算值与实测值的波级及整体变化趋势相同。需要特别指出的是：一方面，没有收集到部分站位的实测周期资料；另一方面，仪器和模型统计和计算周期的方法存在差别，周期验证效果没有波高好，但总体平均值还是接近的。

综上所述可以认为，本模型计算结果合理可信，能够较准确模拟舟山及附近海域波浪的传播情况。

4舟山海域波浪特征

将2000年～2008年舟山及附近海域历年平均有效波高取平均，得到9年间舟山及附近海域多年平均有效波高分布图(见图8)。

图8　2000年～2008年平均有效波高分布

由图8可以看出，受水深和岛屿遮挡的影响，波高明显呈现外大内小的态势。嵊山和东福山沿线平均有效波高约1.1 m；0.3 m波高等值线大概位于杭州湾口。这表明波浪在传播过程中，由于受水深、地形、底摩擦、障碍物以及水流等因素的影响，会发生浅水变形、折射、绕射、反射和破碎等各种复杂现象，导致波能衰减，波高也随之减小；波高等值线与岸线走向基本一致。

5舟山海域多年平均波功率密度

波功率密度与波高的平方、波周期以及迎波面的宽度成正比，即

(7)

式中，P为单位波前宽度上的波浪功率，kW/m；Tz为平均周期，s；Tp为谱峰周期，s；Hs为有效波高，m。

将2000年～2008年舟山及附近海域历年平均波功率密度取平均，得到9年间舟山及附近海域多年平均波功率密度分布图(见图9)。

图9　2000年～2008年平均波功率密度分布

由图9可见，舟山群岛内及杭州湾海域受到众多岛礁的遮挡保护，多年平均波功率密度普遍较小，一般小于1.0 kW/m。舟山群岛外侧多年平均波功率密度较大，如嵊山附近海域多年平均波功率密度约为4.6 kW/m，东福山附近海域多年平均波功率密度约为6.6 kW/m，朱家尖岛附近海域多年平均波功率密度约为4.0 kW/m。

6舟山海域波浪能资源理论蕴藏量

波浪能理论平均功率按(7)式和下式计算，即

N=PL

(8)

式中，N表示区段的波浪能理论平均功率，MW；L表示代表区段长度，可选定某一等深线沿着岸线走向量取，km。

舟山海域的波浪能资源丰富，为了全面了解舟山海域的波浪能资源理论蕴藏量，本文结合舟山市的行政区划范围，基于已掌握的水深地形资料以及波功率密度分布特征，估算舟山外围海域海图10、20、30 m等深线上的波浪能资源。

需要特别指出的是，舟山海域波浪能资源主要分布在群岛的外侧海域，代表区段长度的选取既要考虑到各级等深线的走向，也要兼顾各级等波功率密度线的分布情况。因此，本文结合等波功率密度线分别对各级等深线进行截断，求得每个代表区段的平均波功率密度，然后乘以代表区段长度，即可得到每段的波浪能理论平均功率。

通过以上方法，初步估算出2000年～2008年9年间舟山外围海域海图10、20 m和30 m等深线上的波浪能理论平均功率分别为537、953 MW和1 256 MW。 文献[12]中以嵊山海洋站为代表站，取其波功率密度2.76 kW/m，代表区段长166.4 km，估算得到舟山海域的波浪能理论平均功率为459 MW。根据本文计算结果，嵊山海洋站位于海图30 m等深线附近，波功率密度约为5.0 kW/m；同样选择代表区段长166.4 km，估算得到的相当于海图30 m等深线上的波浪能理论平均功率为832 MW，与459 MW相去甚远。

在文献[12]中，利用各个海洋站1976年每日4次观测的平均波高和平均周期计算相应的波功率密度，最终得到各站的年平均波功率密度，代表区段长度以相邻两站连线中点为界，跨省区段以本身内实际长度为准，由此推算各站代表区段上的波浪能理论平均功率。在当时，由于数值模拟技术还不够成熟，这种统计方法显得更为直接和方便，能够用来粗略估计波浪能理论平均功率。本文的波功率密度计算过程和波浪能理论平均功率统计方法比，相对更为准确可靠。因此，可以谨慎认为，文献[12]中采用的嵊山海洋站波功率密度2.76 kW/m偏小，统计得到的波浪能理论平均功率也相应偏小。

7结语

本研究模型，利用实测波浪资料对模拟结果进行了验证，波高的计算值与实测值吻合良好，说明本模型计算结果合理可信，能够较准确地模拟舟山及附近海域波浪的传播情况。采用经过验证的QN混合风场资料作为波浪数学模型的驱动风场来推算舟山海域的波浪场，统计分析舟山海域的波浪分布特征，统计出舟山海域的波浪能资源多年平均波功率密度和空间分布特征。根据波浪能资源理论蕴藏量计算方法，初步估算出舟山外围海域海图10、20 m和30 m等深线上的波浪能理论平均功率分别为537、953 MW和1 256 MW。研究成果可为舟山海域波浪能开发利用提供参考。

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[3]郑崇伟， 李训强. 基于WAVEWATCH-Ⅲ模式的近22年中国海波浪能资源评估[J]. 中国海洋大学学报， 2011， 41(11)： 5- 12．

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[9]王卫远， 何倩倩， 周鹏飞， 等. 福建南日群岛海域波浪数值模拟研究[J]. 海洋预报， 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]王卫远， 李睿元， 何倩倩， 等. 波浪能资源调查评估及选址规划研究[R]. 杭州： 中国水电顾问集团华东勘测设计研究院有限公司， 2014．

[12]王传崑， 陆德超. 中国沿海农村海洋能资源区划[R]. 北京：国家海洋局科技司、水利电力部科技司， 1989．

(责任编辑陈萍)

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

中图分类号：P743.2

文献标识码：A

文章编号：0559- 9342(2016)01- 0093- 05

作者简介：王卫远(1985—)，男，江苏东海人，工程师，主要从事海岸工程方面的研究工作．

基金项目：华东勘测设计研究院科技项目资助(KY120206- 04- 01)

收稿日期：2015- 02- 10