CN103390248A - 一种海洋模型数值模拟的潮流能资源评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海洋模型数值模拟的潮流能资源评估方法，技术步骤包括：选取目标海域；完成目标海域海图拼接工作，完成目标海域高精度地形数据产品的制作；将现场调查测得的水深地形数据资料与卫星数据结合，得到目标海域水深地形数据；对目标海域的计算区域进行非结构化网格的网格，完成海洋模型的构造；运用海洋模型进行数值模拟计算；对模拟计算结果与实测数据进行对比验证；进行能流密度的计算；选取能流密度较大的断面计算蕴藏量；根据得到的蕴藏量获取可开发潮流能功率以及资源类别；通过可视化技术将评估结果展示出来。该方法较为准确的估算目标海域的潮流能水平，为解决我国沿海和和海岛区能源短缺提供一个重要途径。

Description

一种海洋模型数值模拟的潮流能资源评估方法

技术领域

本发明涉及海洋能开发技术，具体涉及潮流能资源的评估方法。

背景技术

海洋能具有可再生性和不污染环境等特点，是具有战略意义的亟待开发利用的“取之不竭”的新能源。我国海域辽阔，海洋能资源蕴藏量丰富，开发利用海洋能是解决我国沿海和海岛地区能源短缺的一个重要途径，对于促进我国经济的可持续发展具有重要意义。

潮流能是一种重要的海洋能能资源，分布范围广，极具开发利用价值。海洋潮流能的蕴藏量及其分布是潮流能开发项目设立、设备建设、技术研发的重要前提，科学、准确的评估海洋潮流能资源的蕴藏量对于潮流能的开发利用至关重要。目前，还没有完善准确的潮流能资源的评估方法，不适应海洋潮流能开发利用技术发展的需要。

发明内容

针对目前海洋潮流能开发利用技术发展的需要，本发明推出一种潮流能资源评估的新方法，其目的在于利用非结构化网格的海洋数值模型，模拟潮流流速分布，计算潮流能流密度，进行潮流能资源评估。

本发明涉及的海洋模型数值模拟的潮流能资源评估方法的步骤包括：

第1步、选取潮流能估算的目标海域，选择对应范围的海图资料；

第2步、完成不同分辨率所选海图的拼接工作；从收集到的基础地理信息库提取目标海域相关地形和岸界信息进行补充，采用插值方法完成目标海域高精度地形数据产品的制作；

第3步、将现场调查测得的水深地形数据资料与卫星数据结合，得到目标海域水深地形数据；

第4步、对目标海域的计算区域进行非结构化网格配置，构造海洋模型；

第5步、依附第4步得到的非结构化网格，配置海洋模型运行需要的初始温盐场；依靠调和常数来进行开边界条件设置，所采用的调和常数全部来自于伴随同化的潮汐模型模拟结果，分别为M₂、S₂、N₂、K₁、K₂、O₁、P₁、Q₁8个分潮；

第6步、利用所构造的海洋模型进行数值模拟，计算获得潮流流速，并对流速结果进行验证；

第7步、依附第6步海洋模型计算的流速结果，根据潮流能计算公式，进行海水潮流能能流密度计算；

第8步、依据第7步获得的潮流能能流密度分布情况，选取目标海域中能流密度较大的断面，计算潮流能蕴藏量较大断面的潮流能蕴藏量、可开发潮流能功率，并进行潮流能资源类别划分；

第9步通过可视化技术将潮流能蕴藏量、可开发潮流能功率以及潮流能资源类别的结果直观展示出来。

上述第1步中的海图是指航海必需的精确测绘海洋水域和沿岸地物的专门地图，按一定的比例尺和投影方法绘制而成；所述海图资料主要内容包括：岸形、岛屿、礁石、水深、航标以及无线电导航台分布等。

上述第2步中的插值方法是指在离散数据的基础上补插连续函数，使得连续曲线通过全部给定的离散数据点。利用插值方法可通过函数在有限个点处的取值状况，估算出函数在其他点处的近似值。

上述第4步非结构化网格是指网格区域内的内部点不具有相同的毗邻单元，即与网格剖分区域内的不同内点相连的网格数目不同。

上述第5步中提到的调和常数是指分潮的振幅与迟角。

上述第6步中进行数值模拟的海洋模型包括可以进行温度、盐度、流场或海洋生态预报的基于非结构化网格的海洋模型。

为了确保海洋模型运算结果的可靠性，对上述第6步中海洋模型运算结果进行验证，分别对水位、流速、流向的模拟结果与实测数据进行比较，如误误差超过10%，则使用数据同化方法或通过海洋模型中的参数优化方法，改进并运行该海洋模型，直至误差符合要求而转入下一步骤。

上述第7步中所述的能流密度，又称功率密度，是单位时间通过单位迎流面积的潮流能量，平均功率密度P计算公式为：

$P=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}\frac{1}{T}{\∫}_0^T{V}^3\mathrm{dt}$

式中，V为t时刻的流速（m/s）；T为评估周期，积分时间T取1年；ρ为海水密度，取常数1025kg/m³。

上述第8步中所述的潮流能蕴藏量，是指通过某个断面的潮流能。潮流能蕴藏量Q的计算公式：

$Q=\frac{\mathrm{\ρ}}{2T}{\∫}_0^T{\∫}_0^L{\∫}_{-H}^0{V}^3\mathrm{dydzdt}$

式中，t初始时刻，T为评估周期；L水道宽度；H水深，ρ为海水密度，取1025kg/m³。

对潮流能蕴藏量计算所选取的水道断面位于水道垂向平均流速极值点处，所选取的水道断面与当地潮流椭圆的主轴方向垂直。

对于上述第8步中所述的潮流能理论可开发量的计算,按照潮流能蕴藏量的15%进行计算。

对于上述第8步中所述的潮流能资源类别，依据最大流速（V_m）划分：一类资源区，V_m≥3.06m/s；二类资源区，2.04≤V_m<3.06m/s；三类资源区，1.28≤V_m<2.04m/s。

本发明通过运用基于非结构化网格的海洋模型进行数值模拟，可以较为准确的估算目标海域的潮流能蕴藏量。本发明已在山东省潮流能资源评估研究中进行了成功的应用，具有良好推广应用前景，对于开发利用海洋能资源、解决我国沿海和海岛地区能源短缺具有重要意义。

附图说明

图1为本发明涉及的潮流能资源评估方法的总体流程示意图。

具体实施方式

图1显示了本发明涉及的潮流能资源评估方法的基本流程，结合图1，对本发明的技术方案做进一步说明。

本发明涉及的潮流能资源评估方法包括以下9个基本步骤：

第1步、选取潮流能估算的某一目标海域，根据这个海域的经度纬度范围，选择对应范围的海图资料。

第2步、运用海图拼接软件完成不同分辨率海图的拼接工作，并从收集到的基础地理信息库提取相关地形和岸界信息进行补充，采用插值方法完成预报区域高精度地形数据产品的制作，为预报系统海洋模块的配置和研发做好了准备。由于某海域因为泥沙冲淤造成当地水深地形变化很快，且测定存在困难，所以还将现场调查测得的水深地形数据资料与卫星数据结合，得到计算用的水深地形。

第3步、对目标海域的计算区域进行非结构化网格配置，构造海洋模型。非结构化网格生成技术中发展较为成熟的只有平面三角形网格的自动生成技术三角形网格。三角形网格可以很好的拟合了岸线、岛屿的边界，一些岸界曲折的地方和岛屿附近都采用了较高的分辨率，对某地沿岸海域进行了网格加密，远离沿岸的海域网格可以稀疏一些，这样对非重点研究区域采用较低分辨率，减少了计算网格数量，大大节省了计算资源。

第4步、配置海洋模型运行需要的初始温盐场，采用的温盐初始场为历史观测资料得到的多年平均温度和盐度场；并且依靠调和常数来进行开边界条件设置，所采用的调和常数全部来自于伴随同化的潮汐模型模拟结果，分别为M₂、S₂、N₂、K₁、K₂、O₁、P₁、Q₁8个分潮。

第5步、利用所构造的海洋模型进行数值模拟，计算获得潮流流速，并对流速结果进行验证。

第6步、为了确保海洋模型运算结果的可靠性，对上述第5步中海洋模型结果进行验证，分别对水位、流速、流向的模拟结果与实测数据进行比较，如误差超过10%，则使用数据同化方法或通过海洋模型中的参数优化方法，改进并运行该海洋模型，直至误差符合要求而转入下一步骤。

第7步、潮流能是经某个过流面来开发利用的，能流密度是单位时间通过单位迎流面积的潮流能量，平均功率密度P计算公式为：

$P=\frac{1}{2}\mathrm{\&rho;}\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T{V}^3\mathrm{dt}$

式中，V为t时刻的流速（m/s）；T为评估周期；ρ为海水密度，这里取常数1025kg/m³。因此根据潮流能计算公式，依附模型计算得流速结果，进行能流密度计算。

第8步、依据能流密度分布情况，选取了重点区域中几个能流密度较大的断面计算潮流能储量。潮流能储量Q计算公式：

$Q=\frac{\mathrm{\&rho;}}{2T}{\&Integral;}_0^T{\&Integral;}_0^L{\&Integral;}_{-H}^0{V}^3\mathrm{dydzdt}$

式中，t初始时刻，T为评估周期；L水道宽度；H水深，ρ为海水密度，取1025kg/m³。对潮流能蕴藏量计算是选取的水道断面位于水道垂向平均流速极值点处，水道断面与当地潮流椭圆的主轴方向垂直，上式的积分时间T取一年。经过计算，得到这几个断面的潮流能蕴藏量、可开发潮流能功率及资源类别。这其中，对于潮流能理论可开发量的计算,选取潮流能蕴藏量的15%进行计算。资源类别依据最大流速（V_m）划分，一类资源区，V_m≥3.06m/s；二类资源区，2.04≤V_m<3.06m/s；三类资源区，1.28≤V_m<2.04m/s。

第9步、通过可视化技术将蕴藏量、可开发潮流能功率以及资源类别的结果直观展示出来。

表1给出了本发明在某一海域的具体应用，显示了某一海域潮流能蕴藏量、可开发潮流能功率以及潮流能资源类别。根据潮流能资源蕴藏量该海域为二类资源区。

表1某海区潮流能蕴藏量分布

Claims (10)

1.一种海洋模型数值模拟的潮流能资源评估方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

第1步、选取潮流能估算的目标海域，选择对应范围的海图资料；

第2步、完成不同分辨率所选海图的拼接工作；并从收集到的基础地理信息库提取目标海域相关地形和岸界信息进行补充，采用插值方法完成目标海域高精度地形数据产品的制作；

第3步、将现场调查测得的水深地形数据资料与卫星数据结合，得到目标海域水深地形数据；

第4步、对目标海域进行非结构化网格配置，构造海洋模型；

第5步、依附第4步得到的网格，配置海洋模型运行需要的初始温盐场；依靠调和常数来进行开边界条件设置，所采用的调和常数全部来自于伴随同化的潮汐模型模拟结果，分别为M₂、S₂、N₂、K₁、K₂、O₁、P₁、Q₁8个分潮；

第6步、利用所构造的海洋模型进行数值模拟，计算获得潮流流速，并对流速结果进行验证；

第7步、依附第6步海洋模型计算的流速结果，根据潮流能计算公式，进行海水潮流能能流密度计算；

第8步、依据第7步获得的潮流能能流密度分布情况，选取目标海域中能流密度较大的断面，计算得到潮流能蕴藏量较大断面的潮流能蕴藏量、可开发潮流能功率及资源类别；

第9步通过可视化技术将潮流能蕴藏量、可开发潮流能功率以及潮流能资源类别的结果直观展示出来。

2.根据权利要求1所述的潮流能资源评估方法，其特征在于,第1步所述海图是指航海必需的精确测绘海洋水域和沿岸地物的专门地图，按一定的比例尺和投影方法绘制而成；所述海图资料主要包括：岸形、岛屿、礁石、水深、航标和无线电导航台分布等。

3.根据权利要求1所述的潮流能资源评估方法，其特征在于,第2步所述的插值方法是指在离散数据的基础上补插连续函数，使得连续曲线通过全部给定的离散数据点；利用插值方法可通过函数在有限个点处的取值状况，估算出函数在其他点处的近似值。

4.根据权利要求1所述的潮流能资源评估方法，其特征在于,第4步所述的非结构化网格是指网格区域内的内部点不具有相同的毗邻单元，即与网格剖分区域内的不同内点相连的网格数目不同。

5.根据权利要求1所述的潮流能资源评估方法，其特征在于,第5步所述的调和常数是指分潮的振幅与迟角。

6.根据权利要求1所述的潮流能资源评估方法，其特征在于,第6步所述的海洋模型包括任何可以进行温度、盐度、流场或海洋生态预报的基于非结构化网格的海洋模型；对所述的海洋模型结果进行验证，分别对水位、流速、流向的模拟结果与实测数据进行比较，如误误差超过10%，则使用数据同化方法或通过海洋模型中的参数优化方法，改进并运行该海洋模型，直至误差符合要求而转入下一步骤。

7.根据权利要求1所述的潮流能资源评估方法，其特征在于,上述第7步所述的能流密度，又称功率密度，是单位时间通过单位迎流面积的潮流能量，平均功率密度P计算公式为：

$P=\frac{1}{2}\mathrm{\&rho;}\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T{V}^3\mathrm{dt}$

式中，V为t时刻的流速（m/s）；T为评估周期；ρ为海水密度，取常数1025kg/m³。

8.根据权利要求1所述的潮流能资源评估方法，其特征在于,第8步所述的潮流能蕴藏量，通过某个断面的潮流能,潮流能储量Q计算公式：

$Q=\frac{\mathrm{\&rho;}}{2T}{\&Integral;}_0^T{\&Integral;}_0^L{\&Integral;}_{-H}^0{V}^3\mathrm{dydzdt}$

式中，t初始时刻，T为评估周期，积分时间T取一年；L水道宽度；H水深，ρ为海水密度，取1025kg/m³。

9.根据权利要求1所述的潮流能资源评估方法，其特征在于,第8步所述的潮流能理论可开发量,应按照潮流能蕴藏量的15%进行计算。

10.根据权利要求1所述的潮流能资源评估方法，其特征在于,第8步中所述的资源类别，可以依据最大流速（V_m）划分：一类资源区，V_m≥3.06m/s；二类资源区，2.04≤V_m<3.06m/s；三类资源区，1.28≤V_m<2.04m/s。

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