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《太陽能學報》2015年第六期

摘要：

以山東半島為依托對深水簡化的波浪能評估方法和Kim簡化的評估方法進行對比研究。首先，運用波浪模型SWAN對山東半島16a的波候進行模擬，并與觀測值進行比較，結果擬合良好；其次，運用這兩種評估方法對山東半島波浪資源能進行計算，并與SWAN模型計算的精確解進行比較；最后，選取兩個斷面和斷面上的10個不同水深點進行研究。研究結果表明：兩種簡化方法計算結果均比精確解大，隨著水深的增加，差距逐漸加大，但與精確解的相關性也逐漸變大，整體而言，深水簡化方法要優于Kim簡化方法。

關鍵詞：

波浪后報；波浪能；評估方法；方法比較

由于能源需求和環境保護等方面的壓力，使得人類不得不把目光轉向于污染小的新能源資源。在所有新能源中，由于波浪能具有污染小、可再生性強、能量密度大等特點，因此已經成為人們最為關注的新能源之一。波浪能的高效利用離不開高效率的波浪能轉換裝置和波浪能資源準確的評估。波浪能評估為波浪發電機組的選址、配置及結構布置等方面提供了參考，是開發利用波浪能資源的基礎。為了能有效地利用開發波浪能資源，許多學者已對各國海域波浪能資源的分布情況做了評估［1~7］，但目前所采用的主要方法是：將評估區域分為兩個區域，即深水區和淺水區。在對深水波浪能進行計算時主要使用的是深水簡化方法，此方法是通過將原方程中波群速做深水簡化得出的，在此基礎上G.Kim等［6］利用能量周期與譜峰周期的關系得到了新的波浪能計算公式。為了解這兩種方法計算結果的可靠性，本文以山東半島為依托，分別運用這兩種方法對山東半島的波浪能資源進行了評估，并與SWAN模型輸出的精確解進行比較研究。研究結果表明兩種簡化方法都能準確地評估出波浪能資源分布情況，但精度有所不同。

1模型理論及參數設定

1.1波浪模型理論第三代波浪模型SWAN主要是基于能量平衡的一種波浪譜模型。在直角坐標系統中，SWAN模型的主導方程可表示。

1.2波浪模型參數設定本次模擬過程中所采用的風場數據是基于WRF模型計算出來的，它的覆蓋范圍為117°E~131°E、24°N~41°N，空間步長0.1°×0.1°，時間步長3h，時間計算范圍為1996-01-01~2011-12-31。整個波浪模擬過程分為兩步：首先是以風場為驅動對整個東中國海的波浪進行了模擬，然后再對山東半島地區進行了嵌套。在對東中國海波浪進行模擬時，計算空間范圍為117.00°E~128.01°E，28°N~41°N，空間步長0.056°×0.068°，計算時間步長1h，輸出時間步長3h，波浪破碎指數為0.84。對山東半島進行模擬時，空間計算范圍117.50°E~124.01°E，35.00°N~38.51°N，空間步長0.0186°×0.0135°，計算時間步長1h，波浪破碎指數為0.92，波浪場輸出時間步長3h。圖1顯示了山東半島的水深地形，圖1中#1、#2、#3分別代表黃河口、鰲山灣和千里巖3個測站的位置，斷面A和斷面B也在圖中標示出來。波浪模擬過程中，考慮了波浪的折射、繞射、白帽損失、底部摩擦損失、波浪破碎損失、四波非線性相互作用等物理現象，計算所采用的波浪譜為JONSWAP譜，譜峰加強因子為3.3，頻譜的最小頻率為0.03，最大頻率為0.80，并把它們等頻率劃分為24份，方向譜把360°劃分為36份。

1.3波浪能評估方法波浪能可用式（2）計算。

2波浪能評估及方法比較

2.1波浪模型模擬結果驗證波浪模擬的準確性直接影響到波浪能評估的質量。為確保波浪模擬的精度，本文對黃河口和鰲山灣和千里巖3個測站處的波高和周期進行了驗證。如圖2所示，圖2a是黃河口測站有效波高和周期觀測值與模擬值的比較圖；圖2b分別是鰲山灣測站觀測的有效波高、有效周期與模擬值的比較圖；圖2c是千里巖測站的觀測值與模擬值的比較圖。總體而言，觀測值與模擬值擬合得較好，不僅變化趨勢一致，且最大值也很相近，但局部上稍有差異，這主要是因為水深地形數據和風場數據存在一定誤差。

2.2近海波浪能評估方法比較圖3顯示了在3種波浪能計算方法下山東半島年平均波浪能密度分布情況。從圖3可知，雖然3種方法所計算出的山東半島年平均波浪能密度分布情況特征很相近，但計算區域的波浪能密度大小仍有一定差異，即兩種簡化的評估方法計算結果普遍比SWAN直接輸出的精確解要大，且這種差異隨地區的不同而異。在南黃海，水深大于50m的地區，深水簡化評估方法所計算出的年平均波浪能密度要比精確解大2kW/m，Kim簡化的方法比精確解大3kW/m；而水深小于40m的地區，深水簡化和Kim簡化兩種評估方法比精確解大1kW/m。在北黃海，深水簡化方法要比精確解大1kW/m，而Kim簡化方法要比精確解大2kW/m。在渤海，兩種簡化方法與精確解之間的差距呈由東往西遞減的趨勢，在黃河口水深約10m處，兩種簡化方法計算結果比精確解約大0.3kW/m。圖4顯示了3種評估方法下斷面A和斷面B的年平均波浪能密度分布情況，從這兩個斷面可看出兩種簡化方法所計算的結果與精確解沿水深變化的趨勢一致，但簡化方法的計算結果與精確解之間的差異隨著水深的變大而逐漸增大，在斷面B的60m水深處，深水簡化方法的計算結果比精確解大1.

1kW/m；而Kim簡化方法比精確解大1.9kW/m。為研究兩種方法隨水深變化的關系，選取斷面A水深5、10、15、20m，斷面B水深10、20、30、40、50、60m，共10個點做相關性分析，結果如表1所示。從表1可知，兩種簡化方法所計算的結果與精確解有很強的相關性，且隨水深的增加而逐漸增強，但是當水深達到一定深度后，相關性基本趨于定值。同時我們也可從表1中發現Kim簡化方法與精確解的相關性始終低于深水簡化的方法。

3結論

綜上所述，兩種評估方法均能準確地描述山東半島波浪能資源分布情況，但估值普遍偏高，且隨著的水深的變大，差距逐漸加大，其中Kim簡化方法在南黃海深水處的計算結果要比精確解約大3kW/m，深水簡化方法計算結果比精確解約大2kW/m。與此同時，隨著水深增加，兩種簡化方法計算結果與精確解的相關性逐漸增加，深水簡化方法的相關性大于Kim簡化方法。就兩種簡化方法而言，深水簡化方法要優于Kim簡化方法。

作者：范飛 朱志夏 梁丙臣 單位：江蘇省交通規劃設計院有限股份公司水運中心 中國海洋大學工程學院海洋工程系