CN107816020A - 一种基于“连礁成道”开发海洋潮流能资源的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于“连礁成道”开发海洋潮流能资源的方法。具体对未被开发利用的海域进行特征信息提取和处理，以获得海底暗礁、断层、岩性、节理、水深、风浪、潮流流速及海上航线和海底管网分布等信息。进而基于“连礁成坝，坝间成道”的新潮道打造思路，开展潮流能资源量的预测模拟计算和地质条件判识，并据此开展可开发海域的选取。在此基础上，开展拟打造新潮道的设计和“连礁成坝”所需混凝土工程量的计算，从而获得最佳工程技术方案。本发明能够使潮流流速与潮流能资源量成倍增加，且可整条潮道、整个海域利用，从而一举解决目前由于航运、交通和军方对现有潮道占用的问题，以及在现有技术条件下潮流能捕捉效率低，装机容量小的问题。
Description
技术领域
本发明属于海洋新能源技术领域，具体涉及一种通过“连礁成坝、坝间成道”的工程技术手段，打造汇流水道以形成激流，从而大幅提高潮流流速，成倍地增加可利用的潮流能资源量，来开发海域潮流能资源的方法。
背景技术
潮流能是海水受月球和太阳的引力作用而产生的巨大动能，是一种能量密度非常高(太阳能的30倍，风能的4倍)，资源非常丰富，“取之不尽、用之不竭”的可再生能源。主要分布于海湾、河口湾、海峡及岛屿之间的狭窄水道，如渤海湾北部的老铁山水道(17.41kW/m2)、杭州湾北侧海域(28.99kW/m2)、舟山群岛海域(19.08-25.93kW/m2)、福建三都澳-三都角西北部海域(15.11kW/m2)和台湾海峡的澎湖列岛海域(13.69kW/m2)，等等。
目前，国际上主要采用发电的方式来开发利用潮流能资源。在英、美、韩、挪威和新加坡等发达国家，已成功实现了单机兆瓦(MW)级潮流能发电，最大功率可达1.2兆瓦(英国)。而在我国，正在开展兆瓦(MW)级潮流能机组的攻关研制，并于2016年8月在舟山成功实现了1兆瓦机组的发电。
而在潮流能发电装置上，目前国内外主要研发机构如英国MCT公司与挪威Hammerfest Strom公司，以及国内哈尔滨工程大学、浙江大学和中国海洋大学等，主要着眼于潮流能捕捉装置和传递装置(水平/垂直轴叶轮和增速机)的改进，但效果较差。主要表现在潮流能捕捉效率低，装机容量小，运行成本高，投入/产出比低。
此外，由于在潮流能资源丰富的地方，岛屿、暗礁众多，潮道窄而深，往往被军方占用(如潜艇)。而在其两侧，则往往遍布码头，是客船和商船，特别是大型商船进出港口的重要通道，因此无法大规模地开发利用，也造成潮流能资源整体的利用率很低。
综上所述，目前潮流能资源的开发与利用存在如下两个致命的问题：
1)潮流能捕捉效率低，装机容量小，运行成本高，投入/产出比低；
2)航运、交通和军方对现有潮道的占用，无法大规模地开发与利用。
发明内容
针对现有开发技术存在的缺陷与不足，本发明基于发展思路创新，提出一种基于“连礁成道”开发海洋潮流能资源的新方法。在目前尚未被开发利用的海域，通过“连礁成坝、坝间成道”的工程技术手段，打造汇流水道以形成激流，从而大幅提高潮流流速，成倍地增加可利用的潮流能资源量，从而一举解决由于航运、交通和军方对现有潮道占用的问题，以及在现有技术条件下潮流能捕捉效率低，装机容量小的问题。
一种基于“连礁成道”开发海洋潮流能资源的方法，包括如下步骤：
1)对目标海域进行潮流能资源开发初步判识，得到若干可能开发海域；
该判识可以基于待选海域的水文、水动力和地质等情况，结合历史经验或者专家经验法进行选取，选出可能符合潮流能开发利用的若干海域。当然，假如已经有若干待选的可能开发海域，也可以跳过该判识步骤。
2)结合各可能开发海域的现有水深、风浪和潮流流速数据，计算并预测各可能开发海域内，通过“连礁成坝、坝间成道”的工程手段形成新潮道后，可能达到的潮流流速与可能获得的潮流能资源量。
本发明中，“连礁成坝、坝间成道”是指在一系列成排、成带分布的礁石之间浇筑混凝土等材料，形成坝体，在两条坝体之间形成用于开发利用潮流能资源的新潮道。
新潮道的潮流流速与可能获得的潮流能资源量的计算方法为：
由于潮道中不同位置、不同时间的潮流流速和资源量存在差异，因此需要对不同位置进行计算，筛选出最佳的潮流能发电机安装位置。
新潮道内某点i的潮流流速vi为：
其中：vi为新潮道内i点处的潮流流速，单位为m/s；νmax为潮道流入端的潮流最大流速，单位为m/s；h、hi分别为潮道流入端、潮道内i点处的水深，单位为km；A、Ai分别为潮道流入端、潮道内i点处波浪的振幅，单位为km；L为新潮道长度，单位为km；Li为流入端到新潮道内i点处的长度，单位为km；λ为风浪的波长，单位为km；Tc为潮波的周期，单位为Hz；t为潮流流速变化周期中当前时刻距离初始时刻的时间，单位为秒(s)；d、di分别为潮道流入端、潮道内点i处的横截面宽度，单位为km；Tm为潮流流速变化的半月周期；Td为潮流流速变化的半日周期。
在t时刻，新潮道内流经横截面i(即过i点的横截面)的海水动能功率(驱动潮流能发电机)Pi(kW)为：
其中：ρ为海水的密度(kg/m3)。
由于潮流能资源具有随时间周期性变化的特性，因此海水动能功率也会随出现周期性变化。可以通过积分，计算出足够长时间内海水总动能，由此来判断该新潮道是否有开发价值。海水总动能的计算方法为：
在时长为T时间段内，新潮道中流经横截面i(即过i点的横截面)的海水动能Ei(kJ)可以分别由下式计算：
其中：T为当前时刻距离初始时刻的时间，单位为秒(s)。
由上述公式，可以计算各可能开发海域中新潮道内任意点位的潮流流速、海水动能功率与一定时长内海水总动能。潮流能开发利用过程中，对这几个参数都有一定的要求，因此可以对各可能开发海域新潮道中不同位置的潮流流速、海水动能功率与海水动能计算结果进行排序，筛除潮流流速、海水动能功率或海水动能低于阈值的可能开发海域，获得若干有开发潜力的海域；
3)提取各有开发潜力的海域的地质特征信息，并进行地质条件筛选，筛除地质条件不满足开发要求的海域(如离活断层近，安全性差的海域；或穿过大型节理带或岩溶带，稳定性差的海域)，获得若干可开发海域。具体的地址条件要求可以根据相关设计规范或经验进行设定。
4)对各可开发海域进行拟打造新潮道工程参数的测量、计算与设计。所述的拟打造新潮道工程参数包括潮道长度、宽度、深度、潮道收敛角和潮床坡度；其中：
4.1)潮道长度和宽度即为可开发海域的长度和宽度，通过实地测量获得；
4.2)潮道深度即为可开发海域的深度，可开发海域的深度通过遥感数据处理与提取，并结合实地测量数据获得；
4.3)潮道收敛角是影响潮流流量的关键参数(其大小控制潮道流出端的宽度，进而影响潮流流量的大小)。潮道收敛角的计算方法为：
其中：Li为可开发海域长度，单位为km；θ为钝角时，水流对潮道两侧的冲刷作用强，工程稳定性差，因此其取值通常为锐角。
4.4)潮床坡度是影响流速的关键参数(其大小控制潮道流出端的深度，进而影响潮流加速的快慢。在同样流量的情况下，通常深度越小，加速越快，流速越大)，也可以计算得到。由于海床通常并非向单一方向倾斜，为了计算方便将其分解至两个相互垂直方向(维度)，假设海面为水平面，顺潮道走向(潮道走向是指新潮道的中轴线延伸方向)与垂直于潮道走向的潮床坡度分别为α与β。潮床坡度的计算方法为：
其中：α、β通常为锐角，h、hi、hi+1分别为新潮道流入端、新潮道内i点和i+1点处的水深，单位为km；Li为流入端到新潮道内i点处的长度，单位为km；Di为i点和i+1点间的距离长度，单位为km。本发明中，i点和i+1点均为新潮道内的一个点，但需保持两者的连线垂直于新潮道走向。
5)确定上述工程参数信息后，即可大致估算出新潮道的两侧坝体位置。进而根据拟打造新潮道的工程参数，获取拟打造新潮道内两侧坝体所处位置内的暗礁礁石信息(例如礁石的形态、大小、具体位置等信息)，然后根据这些信息计算“连礁成坝(连接礁石形成坝体)”所需的混凝土工程量(体积)。一般而言，新潮道两侧各需一条坝体，但如果有两条并列的新潮道共用一条坝体，则需要将该情况考虑进工程量计算中进行扣减。
6)基于上述计算得到的新潮道的工程参数和混凝土工程量，选择一个或多个可开发海域进行施工，即可打造出预期的新潮道，获得预期的潮流流速和潮流能资源量。
作为优选，在可能开发海域判识和选取之前，预先进行目标海域信息的收集和处理，具体包括：
a)收集目标海域的遥感图与海图，收集或实测目标海域的系列水深、风浪、潮流流速和暗礁高度数据；
b)根据所述的遥感图与海图，对目标海域进行海底地貌和海上航线信息提取与处理，依次获得目标海域海底地貌分布图、目标海域相对水深分布图、目标海域海底管网分布图和目标海域海上航线分布图；
c)根据所述的目标海域海底地貌图与相对水深分布图，结合所述的收集或实测系列水深、风浪和潮流流速数据，对目标海域进行水动力特征信息进行处理与提取，依次获得目标海域水深分布图、目标海域浪高分布图和目标海域潮流流速分布图。
d)根据目标海域海底暗礁、水深、风浪、潮流流速及海上航线和海底管网分布图，开展可能开发海域判识；在此基础上，根据海底地貌图进行测量与计算，获得可能开发海域的长度、宽度和面积。
作为优选，可能开发海域判识的方法如下：
根据所述的目标海域海底地貌、水深、风浪、潮流流速及海上航线、海底管网分布图，开展可能开发海域判识，可能开发海域的判识标准是至少同时满足以下条件：①海域长度≥0.8km，海域宽度≥0.5km；②5m≤海域水深≤15m；③离海上航线、锚地、过驳区和警戒区距离≥3.0km；④海域的高潮流速≥0.6m/s；⑤海域中存在成带分布的暗礁，但不存在分隔性强的暗礁，暗礁累计宽度≤1/4水域宽度。
作为优选，所述的步骤3)中，可开发海域至少要同时满足以下地质标准：
①海域离活断层距离≥1～2km，以确保工程的安全性；②海域内无宽度≥500～800m的岩层节理带，以确保工程的稳定性；③海底灰岩或陡立岩层的面积≤1/3海域面积(前者容易溶蚀崩塌，影响网状布设的潮流能电机的稳定性；后者遍布张开的岩层面与节理面，影响网状潮流能电机的布设)。
作为优选，所述的“连礁成坝”所需混凝土工程量(体积)计算方法为：
对每一个礁间坝体，将其分解为2个或2个以上的次级理想坝体。为此，先计算每个次级理想坝体的体积，之后求和得到该礁间坝体的体积及所有礁间坝体的总体积。
每个礁间坝体体积的具体计算可以采用如下方法：：
假设某礁间坝体i(i＝1,2,……,m)由2个或2个以上的次级理想坝体组成，每个坝体的顶面水平，底面倾斜。次级理想坝体为规则、体积可计算的形体，每块礁间坝体都可以被分割成若干次级理想坝体，进而通过几何学关系计算其体积。沿着潮道走向的倾角(海床坡度)为α，垂直潮道走向的倾角(海床坡度)为β。礁间坝体的顶边长为Li顶(km)，宽为Di·顶(km)，底边长为Li底(km)，宽为Di底(km)，高为Hi(km)，则其体积Vi(km3)可以根据如下公式进行计算：
1)若礁间坝体为塔形礁间坝体，则：
2)若礁间坝体为楔形礁间坝体，则：
其中：γ为楔形体两侧面的夹角。
3)若礁间坝体为浅凹形礁间坝体，则：
其中：ri为弧所在圆的半径(km)。
4)若礁间坝体为新月形礁间坝体，则：
新月形礁间坝体的体积即为前述新月形柱体的体积。
其中：ri为弧所在圆的半径(km)。
5)若礁间坝体为U形礁间坝体，则：
6)若礁间坝体为抛物线形礁间坝体，则：
抛物线形礁间坝体的体积即为前述U形柱体的体积。
本发明的新颖性在于，通过“连礁成坝、坝间成道”的工程手段来打造新潮道，并大幅提升潮流流速来获得巨量的潮流能资源。具体而言，基于海洋遥感图、海洋基础地质图和海图，以及收集或实测的系列水深、风浪、潮流流速和暗礁高程等数据，对未被开发利用的海域(如杭州湾海域)进行特征信息提取和处理，获得海底暗礁，海底断层、岩性、节理、水深、风浪、潮流流速及海上航线和海底管网分布等信息。进而基于“连礁成坝、坝间成道、打造新潮道”的新思路，开展潮流能资源量的预测模拟计算和地质条件判识，并据此开展可开发海域的选取。在此基础上，再开展拟打造新潮道的设计和所需混凝土工程量的计算，从而获得最佳工程技术方案。
基于本发明方法打造的新潮道，流速与潮流能资源量成倍增加，且可整条潮道、整个海域利用，从而一举解决由于航运、交通和军方对现有潮道占用的问题，以及在现有技术条件下潮流能捕捉效率低，装机容量小的问题。同时，本发明与山区水电站相比，由于无需开山、筑路、架桥和盾构隧道等大型辅助工程，因此工程难度和工程量小，建设周期短，建设成本和后期维护成本都低。
附图说明
图1为本发明方法的原理示意图。
图2为本发明方法的流程结构图。
图3为本发明方法的礁间坝体模型示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行更为详细地说明。
如图1所示，一种基于“连礁成道”开发海洋潮流能资源的方法，主要是通过“连礁成坝、坝间成道”的工程手段，来打造新潮道，并大幅提升潮流流速来获得巨量的潮流能资源。
如图2所示，一种基于“连礁成道”开发海洋潮流能资源的方法，包括：图像和数据获取方法、海域选取和资源预测方法及工程方案和资源获取方法等三个部分。
下面详细描述本实施例中，基于“连礁成道”开发海洋潮流能资源的方法的步骤：
1)收集目标海域的遥感图与海图，收集或实测目标海域的系列水深、风浪、潮流流速和暗礁高度数据。
a)其中，目标海域1：10万卫星遥感图像数据源自国家海洋局卫星海洋应用中心，该数据包含岛屿、暗礁、岸线、码头、桥梁和海底管网的分布、形态和相对水深等方面的详细信息。
b)目标海域1：3.5万海图源自向国家海事局，该图包含有海上航线的详细信息(如航线、锚地、过驳区、警戒区等)。
2)根据上述遥感图与海图，对目标海域进行海底地貌和海上航线信息提取与处理，依次获得：①目标海域海底地貌分布图；②目标海域相对水深分布图；③目标海域海底管网分布图；④目标海域海上航线分布图。
其具体数据处理方法如下：
a)在ERDAS IMAGINE 9.2遥感影像处理软件中，输入前述1：10万卫星遥感图像数据，然后输出获得：①目标海域1：10万海底地貌图，包含岛屿、暗礁和沟谷形态、分布与位置等信息；②目标海域1：10万相对水深分布图，包括暗礁和沟谷的相对水深分布状况；③目标海域1：10万海底管网分布图。
b)海上航线信息的获取，采用“长地牌”型号为CD91200L的专业数字化仪/读图仪，对前述收集的1：3.5万海图进行数据采集，获得可开发海域的航线数据。该仪器采用电磁感应工作原理，其有效工作范围为A0幅(914mm×1219mm)，分辨率为2540线，数据传输速率为10-200对/秒，能输出多种工业标准格式的参数。
3)根据上述目标海域海底地貌分布图与相对水深分布图，结合上述收集或实测系列水深、风浪和潮流流速数据，对目标海域进行水动力特征信息进行处理，依次获得：①目标海域水深分布图；②目标海域浪高分布图；③目标海域潮流流速分布图。
水动力特征信息的具体处理方法如下：
a)根据上述目标海域1：10万相对水深分布图，结合上述收集或实测系列水深数据，进行水深校正，获得目标海域1：10万水深分布图，该图包含目标海域暗礁和海底沟谷等的水深分布状况。
b)根据上述收集或实测的系列潮流流速数据，结合上述目标海域1：10万海底地貌分布图与水深分布图，获得目标海域1：10万潮流流速分布图。
4)根据所述的目标海域海底地貌、水深、潮流流速及海上航线、海底管网分布图，开展可能开发海域判识。然后基于水深分布图读取可能开发海域水深，根据海底地貌图进行测量与计算，获得可能开发海域长度和宽度。
本实施例中，可能开发海域判识与计算的具体方法如下：
a)根据上述目标海域海底地貌、水深、潮流流速及海上航线、海底管网分布图，开展可能开发海域判识，可能开发海域判识的判识标准是至少同时满足以下条件：①海域长度≥0.8km，海域宽度≥0.5km；②5m≤海域水深≤15m；③离海上航线、锚地、过驳区和警戒区距离≥3.0km；④海域的高潮流速≥0.6m/s；⑤海域中存在成带分布的暗礁，但不存在分隔性强的暗礁，即暗礁累计宽度≤1/4水域宽度。将备选海域中满足这些条件的海域选出，作为可能开发海域。如图1所示，选出的可能开发海域中包括两块相邻的海域，海域中存在具有大致呈线性分布的一些礁石，可以通过用混凝土连接礁石形成坝体，形成截面渐缩的潮道，使流速与潮流能资源量成倍增加。
b)根据目标海域1：10万水深分布图读取可能开发海域的水深分布数据，根据目标海域1：10万海底地貌图直接进行测量，并进一步通过比例换算，获得可能开发海域长度、宽度等参数。以图1左侧的海域为例，可能开发海域的宽度为包含潮道1和潮道2的海域的宽度，可能开发海域的长度为潮道流入端到潮道流出端的长度。
5)根据上述可能开发海域长度、宽度等信息，结合所述的目标海域水深分布图、潮流流速分布图和风浪信息，开展潮流能资源量模拟计算，预测对海域进行改造形成新潮道后可成倍增加的潮流流速与潮流能资源量。在此预测基础上，开展有开发潜力的海域选择，确定潜力较大的可能开发海域。
资源预测模拟计算过程中，潮流流速与流量变化为半日周期与半月周期变化函数。同时，对预测模型进行两方面提升：(1)考虑风浪引起的海平面上升对流量增加的影响，增加振幅、波长与波频等参数；(2)去掉经验参数(流动系数)，并建立新的函数模型来解决半月周期变化的影响，具体预测模拟计算如下：
本实施例中，计算过程中需对可能开发海域进行概化处理，将海底视为具有一定坡度的平面，忽略局部的、细小的地貌高差波动。假设可能开发海域长度为L(km)，Li为流入端到新潮道内某一点i的长度，单位为km，流入端、潮道内i点处的宽度分别为d、di(km)，流入端、潮道内i点处的截面积分别为s和si(km2)，流入端、潮道内i点处的水深分别为h、hi(km)，流入端、潮道内i点处波浪的表面高程分别为ξ和ξi(km)，流入端、潮道内i点处的流速分别为v和vi(m/s)，流入端横截面、潮道内i点所在横截面处的流量分别为Q和Qi(km3/s)，海床落差为hi'(km)，则：
Q＝Qi(水流连续性方程) (1)
Q＝v×s×10-3＝v×(h+ξ)×d×10-3 (2)
Qi＝vi×si×10-3＝vi×(hi+ξi)×di×10-3 (3)
由此：
其中：A、Ai分别为潮道流入端、潮道内i点处波浪的振幅，单位为km；λ为风浪的波长，单位为km；Tc为潮波的周期，单位为Hz；t为潮流流速变化周期中当前时刻距离初始时刻的时间，单位为秒(s)。
式(4)表明，由于流出端较潮道内i点处水道明显变窄、变浅，因此流速将明显增加。显然，若想将流速提升3～5倍，则只需将水道的宽度和水深的乘积相对缩小3～5倍即可。
由于潮流流速有日变化和月变化，因此假设流入端潮流最大流速为νmax(m/s)，潮流流速变化的半日周期为Td(Td≈12.4h＝44640s)，潮流流速变化的半月周期为Tm(Tm≈14.75d＝1274400s)，则流入端、潮道内i点处潮流瞬时流速v、vi(m/s)可以根据下列公式获得：
由此获得了新潮道内任意t时刻任意i点处潮流瞬时流速，可用于后续计算。
假设潮道流入端为零重力势能参考点，则潮道中某点i相对于潮道流入端海水的重心之差Δhi(km)为：
设△t时间内流入海水的体积为Vi(m3)，海水密度为ρ(kg/m3)，则△t时间内流入潮道中某点海水所具有的机械能ΔEi(kJ)为：
其中，Vi由下式得到：
流入新潮道某截面i的海水动能功率(驱动潮流能发电机)Pi(kW)和总机械能功率Pi总(kW)分别为：
其中：ρ为海水的密度(kg/m3)。
新潮道某截面i的海水动能Ei(kJ)和总机械能Ei总(kJ)可以分别由下式计算：
其中：T为当前时刻距离初始时刻的时间，单位为秒(s)。
上述计算得到的潮流流速与潮流能资源量(包括海水动能功率和海水动能Ei)可以用于开展有开发潜力的海域的进一步挑选，筛除潮流流速、海水动能功率或海水动能低于阈值的可能开发海域。例如，一般潮流流速过低的海域无法满足发电需求，可以进行筛除，而一定时间内(至少要覆盖一个海水动能功率的变化周期)海水动能Ei过小的海域也没有开发价值。由于新潮道中不同位置的潮流能流速、资源量均不同，因此可以对不同位置依次进行计算，挑选出最佳位置后进行比较、筛选。对上述计算得到的潮流流速与潮流能资源量计算结果分别进行排序、筛选后，获得若干有开发潜力的海域，即可进行后续的地质条件筛选。
6)收集各有开发潜力的海域的海洋基础地质图数据，结合前述的目标海域遥感图，对各有开发潜力的海域进行地质特征信息提取，依次获得：①各有开发潜力海域海底断层分布图；②各有开发潜力海域海底岩性分布图；③各有开发潜力海域海底节理分布图。
收集各有开发潜力的海域的海洋基础地质图数据与地质特征信息提取的具体方法如下：
a)从中国地质调查局获取各有开发潜力的海域1：5万海洋基础地质图数据，该数据包含有各有开发潜力的海域内海底断层、岩性、节理的详细信息。
b)在Mapgis 6.7地图处理软件中，输入上述1：5万海洋基础地质图像数据，然后输出获得：①各有开发潜力海域1：5万海底断层分布图，包括断层数量、性质、规模、产状与分布及活动时间等信息；②各有开发潜力海域1：5万海底岩性分布图，包括海底岩层岩性、厚度、产状与分布等信息；③各有开发潜力海域1：5万海底节理分布图，包括节理的走向、延伸长度、密集度、规模和形成时间等信息。
利用上述获得的各种地质特征数据信息，对各有开发潜力海域继续进行地质条件筛选，筛除部分工程稳定性或安全性无法达标的海域。
在本实施例中，地质条件筛选达标的海域时需要同时满足以下标准：①海域离活断层距离≥1～2km，以确保工程的安全性；②海域内无宽度≥500～800m的岩层节理带，以确保工程的稳定性；③海底灰岩或陡立岩层的面积≤1/3海域面积(前者容易溶蚀崩塌，影响网状布设的潮流能电机的稳定性；后者遍布张开的岩层面与节理面，影响网状潮流能电机的布设)。
7)将经过上述两步筛选后保留的海域作为可开发海域。由此，获得了若干既满足潮流流速、资源量要求，又满足地质条件要求的若干海域。然后根据前述的各海域海底断层、岩性和节理分布图，结合前述各海域海底地貌、水深、风浪和潮流流速分布图与实测暗礁高度数据，依据“连礁成坝、坝间成道”的开发思路，进行拟打造新潮道工程参数测量与计算，获得影响拟打造新潮道流速和流量的关键参数——潮道长度、宽度、深度、收敛度和潮床坡度。
本实施例中，假设拟打造新潮道的长度与宽度即为可开发海域的长度与宽度，潮道深度即为可开发海域的深度，可开发海域的深度可以通过遥感数据处理后，提取获得该海域的相对水深，再结合实地测量数据进行校正。拟打造新潮道的收敛度与潮床坡度可采用几何学的计算方法来获得。
如前所述(图1)，假设流入端到新潮道内点i的长度为Li(km)，潮流流入端、潮道内i点处的宽度分别为d、di(km)，水深分别为h、hi(km)，假设海面是水平的，潮床收敛角为θ，将潮床坡度分解为两个垂直的维度：顺潮道走向与垂直于潮道走向的潮床坡度分别为α与β。其中潮道走向可取新潮道中轴线方向，通常概化为直线形式。顺潮道走向的潮床落差为hi′(km)，i点和i+1点为新潮道内任意两个点，但其连线需垂直于新潮道走向。θ、α与β可通过式(16)、式(18)和式(19)推导出来：
h＝hi+hi'(17)
其中：α、β通常为锐角，h、hi、hi+1分别为新潮道流入端、新潮道内i点和i+1点处的水深，单位为km；Li为流入端到新潮道内i点处的距离长度，单位为km；Di为i点和i+1点处的距离长度，单位为km。
为了保证计算的准确性，i点和i+1点的距离可以尽量远一点，或者选取多对点多次计算取平均。本实施例中考虑将点i取在潮流流出端截面上，因此其Li即为海域长度和潮道长度。
式(16)中，收敛角θ的大小反映了潮流流入、流出端的宽度比，因此对新潮道的流量影响很大。而式(18)和式(19)中，潮床坡度α与β的大小反映了水深变浅的速率，与新潮道的流速关系很大。
8)根据拟打造新潮道的工程参数，结合可开发海域的海底暗礁、海底岩性、节理和水深分布等信息，获取拟打造新潮道内需要“连礁成坝”的暗礁信息，即拟打造新潮道两侧坝体所处位置内的暗礁礁石信息(包括礁石形态、大小、准确位置等)，并计算“连礁成坝”所需混凝土工程量(体积)。
本实施方式中，采用几何学的计算方法，并结合岩土工程计算方法，来计算“连礁成坝”打造新潮道所需混凝土工程量(体积)。计算思路和方法：对每一个礁间坝体，将其分解为2个或2个以上的次级理想坝体的组合或者扣减。为此，先计算每个次级理想坝体的体积，之后求和/求差得到该礁间坝体的体积及所有礁间坝体的总体积。计算公式如下：
假设某礁间坝体i(i＝1,2,……,m)由2个或2个以上的次级理想坝体组成，每个坝体的顶面水平，底面倾斜。其中，沿着潮道走向的倾斜角(海床坡度)为α，垂直潮道走向的倾斜角(海床坡度)为β。如图3所示，礁间坝体的顶边长为Li顶(km)，宽为Di·顶(km)，底边长为Li底(km)，宽为Di底(km)，高为Hi(km)，则其体积Vi(km3)可以根据如下公式进行计算(不同的礁间坝体形态采用不同算法)：
1)塔形礁间坝体：
塔形礁间坝体的体积＝截顶锥体A1B1C1D1-A1″B1′C1″D1″的体积+楔形体A1″B1′C1″D1″-A1′B1′C1″E1的体积+楔形体A1′B1′C1″E1-A1′B1′C1′D1′的体积。
2)楔形礁间坝体：
楔形礁间坝体的体积＝楔形体A2B2C2D2′-E2F2′的体积+楔形体C2D2′D2-E2F2′F2的体积。
其中：γ为楔形体两侧面的夹角。
3)浅凹形礁间坝体：
浅凹形礁间坝体的体积＝长方体A3B3C3D3-A3″B3′C3″D3″的体积+楔形体A3″B3′-C3″D3″C3′E3的体积+楔形体B3′C3′-A3″A3′E3D3″的体积-新月形柱体的体积。
其中：ri为弧所在圆的半径(km)。
4)新月形礁间坝体：
新月形礁间坝体的体积即为前述新月形柱体的体积。
其中：ri为弧所在圆的半径(km)。
5)U形礁间坝体：
U形礁间坝体的体积＝长方体A5B5C5D5-A5″B5′C5″D5″的体积+楔形体A5″B5′-C5″D5″C5′E5的体积+楔形体B5′C5′-A5″A5′E5D5″的体积-U形(为抛物线限定)柱体的体积。
6)抛物线形礁间坝体：
抛物线形礁间坝体的体积即为前述U形柱体的体积。
本实施例中，由于潮道1和潮道2共用一条坝体，因此该条坝体工程量只需计算一次。
9)基于上述计算得到的新潮道的工程参数和混凝土工程量，选择一个或多个可开发海域进行施工，即可打造出预期的新潮道，获得预期的潮流流速和潮流能资源量。在潮道中安装潮流能发电设施，即可实现潮流能的开发利用。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。例如，若存在现成数据，图像和数据的处理、获取也可以不进行或者直接采取其他方式实现。另外，混凝土工程量的计算可采用其他工程计算方式，并不一定要采用分割次级理想坝体的方式。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于“连礁成道”开发海洋潮流能资源的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)对目标海域进行潮流能资源开发的初步判识，得到若干可能开发海域；
2)结合各可能开发海域的现有水深、海域长度和宽度、风浪参数和潮流数据，计算并预测通过“连礁成坝，坝间成道”手段形成新潮道后，可能达到的潮流流速与可能获得的潮流能资源量，计算方法为：
新潮道内某点i的潮流流速vi为：
<mrow>
<msub>
<mi>v</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>v</mi>
<mi>max</mi>
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<mn>2</mn>
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<mn>2</mn>
<mi>&pi;</mi>
<mo>&times;</mo>
<mi>t</mi>
</mrow>
<msub>
<mi>T</mi>
<mi>d</mi>
</msub>
</mfrac>
</mrow>
其中：vi为新潮道内i点处的潮流流速，单位为m/s；νmax为潮道流入端的潮流最大流速，单位为m/s；h、hi分别为潮道流入端、潮道内i点处的水深，单位为km；A、Ai分别为潮道流入端、潮道内i点处波浪的振幅，单位为km；L为新潮道长度，单位为km；Li为流入端到新潮道内i点处的长度，单位为km；λ为风浪的波长，单位为km；Tc为潮波的周期，单位为Hz；t为潮流流速变化周期中当前时刻距离初始时刻的时间，单位为秒；d、di分别为潮道流入端、潮道内点i处的横截面宽度，单位为km；Tm为潮流流速变化的半月周期；Td为潮流流速变化的半日周期；
在t时刻，新潮道内流经横截面i的海水动能功率Pi为：
<mrow>
<msub>
<mi>P</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mi>&rho;</mi>
<mo>&times;</mo>
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<mi>v</mi>
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<mn>2</mn>
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<mn>1</mn>
<mn>2</mn>
</mfrac>
<mo>&times;</mo>
<msup>
<msub>
<mi>v</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mn>2</mn>
</msup>
</mrow>
其中：Pi单位为kW；ρ为海水的密度，单位为kg/m3；
在时长为T时间段内，新潮道中流经横截面i的海水动能Ei为：
<mrow>
<msub>
<mi>E</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<msubsup>
<mo>&Integral;</mo>
<mn>0</mn>
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<mn>1</mn>
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<mi>v</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mn>2</mn>
</msup>
<mo>&times;</mo>
<mi>d</mi>
<mi>t</mi>
</mrow>
其中：Ei单位为kJ；T为当前时刻距离初始时刻的时间，单位为秒；
对各可能开发海域中不同位置的潮流流速、海水动能功率与海水动能进行计算，并对计算结果进行筛选，筛除潮流流速、海水动能功率或海水动能低于阈值的可能开发海域，获得若干有开发潜力的海域；
3)提取各有开发潜力的海域的地质特征信息，进行地质条件筛选，筛除工程地质条件不满足开发要求的海域，获得若干可开发海域；
4)对各可开发海域进行拟打造新潮道工程参数的测量、计算与设计，所述的拟打造新潮道工程参数包括新潮道长度、宽度、深度、收敛角与潮床坡度；其中：
4.1)潮道长度和宽度即为可开发海域的长度和宽度，通过实地测量获得；
4.2)潮道深度即为可开发海域的深度，可开发海域的深度通过在遥感数据处理与提取获得相对水深的基础上，再结合实地测量数据获得；
4.3)潮道收敛角的计算方法为：
<mrow>
<mi>t</mi>
<mi>a</mi>
<mi>n</mi>
<mfrac>
<mi>&theta;</mi>
<mn>2</mn>
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<mo>=</mo>
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<mrow>
<mn>2</mn>
<msub>
<mi>L</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
其中：Li为流入端到新潮道内点i的长度，单位为km；θ为潮道收敛角，通常为锐角；
4.4)假设海面为水平面，顺潮道走向与垂直于潮道走向的潮床坡度分别为α与β，潮床坡度计算方法为：
<mrow>
<mi>t</mi>
<mi>a</mi>
<mi>n</mi>
<mi>&alpha;</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
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<mo>+</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
</msub>
</mrow>
<msub>
<mi>D</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
</mfrac>
</mrow>
其中：α、β通常为锐角，h、hi、hi+1分别为新潮道流入端、新潮道内i点和i+1点处的水深，单位为km；i点和i+1点为新潮道内连线垂直于新潮道走向的两个点；Li为流入端到新潮道内i点处的长度，单位为km；Di为i点和i+1点间的距离，单位为km；
5)根据拟打造新潮道的工程参数，获取拟打造新潮道两侧坝体所处位置内的暗礁信息，并计算连接这些礁石的礁间坝体所需混凝土工程量；
6)基于上述计算得到的新潮道的工程参数和混凝土工程量，选择一个或多个可开发海域进行施工，即可打造出预期的新潮道，获得预期的潮流流速和潮流能资源量。
2.如权利要求1所述的基于“连礁成道”开发海洋潮流能资源的方法，其特征在于，在可能开发海域判识和选取之前，预先进行目标海域信息的收集和处理，具体包括：
a)收集目标海域的遥感图与海图，收集或实测目标海域的系列水深、风浪、潮流流速和暗礁高度等数据；
b)根据所述的遥感图与海图，对目标海域进行海底地貌和海上航线信息提取与处理，依次获得目标海域海底地貌分布图、目标海域相对水深分布图、目标海域海底管网分布图和目标海域海上航线分布图；
c)根据所述的目标海域海底地貌图与相对水深分布图，结合所述的收集或实测系列水深、风浪和潮流流速数据，对目标海域进行水动力特征信息进行处理与提取，依次获得目标海域水深分布图、目标海域浪高分布图和目标海域潮流流速分布图。
d)根据目标海域海底暗礁、水深、风浪、潮流流速及海上航线和海底管网分布图，开展可能开发海域判识；在此基础上，根据海底地貌图进行测量与计算，获得可能开发海域的长度、宽度和面积。
3.如权利要求1所述的基于“连礁成道”开发海洋潮流能资源的方法，其特征在于，可能开发海域判识的方法如下：
根据所述的目标海域海底地貌、水深、风浪、潮流流速及海上航线、海底管网分布图，开展可能开发海域判识，可能开发海域的判识标准是至少同时满足以下条件：①海域长度≥0.8km，海域宽度≥0.5km；②5m≤海域水深≤15m；③离海上航线、锚地、过驳区和警戒区距离≥3.0km；④海域的高潮流速≥0.6m/s；⑤海域中存在成带分布的暗礁，但不存在分隔性强的暗礁，暗礁累计宽度≤1/4水域宽度。
4.如权利要求1所述的基于“连礁成道”开发海洋潮流能资源的方法，其特征在于，所述的步骤3)中，可开发海域至少要同时满足以下地质标准：
①海域离活断层距离≥1～2km；②海域内无宽度≥500～800m的岩层节理带；③海底灰岩或陡立岩层的面积≤1/3海域面积。
5.如权利要求1所述的基于“连礁成道”开发海洋潮流能资源的方法，其特征在于，所需混凝土工程量计算方法为：
对每一个礁间坝体，将其分解为2个或2个以上的次级理想坝体，然后先计算每个次级理想坝体的体积，之后求和得到该礁间坝体的体积及所有礁间坝体的总体积。
6.如权利要求5所述的基于“连礁成道”开发海洋潮流能资源的方法，其特征在于，每个礁间坝体的具体计算方法为：
假设某礁间坝体i由2个或2个以上的次级理想坝体组成，i＝1,2,……,m；每个坝体的顶面水平，底面倾斜；该礁间坝体的顶边长为Li顶，单位为km，宽为Di·顶，单位为km，底边长为Li底，单位为km，宽为Di底，单位为km，高为Hi，单位为km；则其体积Vi，可以根据如下公式进行计算：
a)若礁间坝体为塔形礁间坝体，则：
b)若礁间坝体为楔形礁间坝体，则：
其中：Vi单位为km3，γ为楔形体两侧面的夹角；
c)若礁间坝体为浅凹形礁间坝体，则：
其中：ri为弧所在圆的半径，单位为km；
d)若礁间坝体为新月形礁间坝体，则：
其中：ri为弧所在圆的半径，单位为km；
e)若礁间坝体为U形礁间坝体，则：
f)若礁间坝体为抛物线形礁间坝体，则：
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