海洋波浪及其利用(精)

第1章 绪论 随着煤炭、石油、天然气等传统化石能源的日渐枯竭，世界范围内的能源危机愈演愈烈，各国都坚持走能源可持续发展道路[1，2]，相继制定了各自的新能源战略规划，聚焦于风能、太阳能、海洋能、地热能等清洁可再生能源的开发和利用[3-6]。海洋占据了地球表面积的71%，是地球上*大的能量收集器和储存场所，蕴藏着丰富的资源，包括种类繁多的生物资源、储量丰沛的矿产资源、数不胜数的化学资源以及动力资源，具备为人类生存和社会发展提供能源保障的物质基础[7-9]。 海洋波浪能直接以机械能的形式存在且开发过程中对环境的影响较小，综合可利用时间超过90%，远高于风能和太阳能的20%，是*具发展前景的海洋能源利用形式[10]。“海洋开发、理论为基、评估先行”，深入了解海洋波浪的本质规律及其环境特征是人类高效开展海洋经济活动的先决条件。 党的十九大报告指出，坚持陆海统筹，加快建设海洋强国；要以“一带一路”建设为重点，形成陆海内外联动、东西双向互济的开放格局。国家发展和改革委员会与国家能源局在《能源技术革命创新行动计划(2016—2030年)》中也强调，加强海洋能开发利用，研制高效率的波浪能、潮流能等发电装置。这是党和国家对海洋事业提出的新要求，为今后一段时期的海洋开发和建设提供了基本依据。在这一背景下，国内海洋波浪能发展再次提速。与其他可再生能源相比，海洋波浪能的优越性非常明显[11]。“十三五”以来，国家持续加大海洋波浪能开发利用的力度，我国的波浪能利用迎来前所未有的发展机遇，成为新能源发展过程中的“宠儿”。先期的海洋波浪理论探索和环境研究直接决定着未来波浪能源开发的成败。 1.1 海洋波浪对人类的影响 地球接收太阳照射，日照受热不均匀形成了大气层空气的运动，流动的风掠过海水表面形成了海洋波浪。无尽的风能以波浪运动的形式储存在海水中，且能传播到极为遥远的地方。因此，波浪中蕴含的能量是极不均匀的，狂风暴雨形成的波浪对人类的海洋活动会带来灾难性后果，而和风细雨引起的波浪则可以成为人们获取能源的宝库。 1.1.1 海洋波浪对人类生活的灾难性影响 海洋表面风浪与人类的生产生活息息相关，海洋波浪的破坏力巨大。扑岸巨浪曾将几十吨的巨石抛到20m高处，曾将万吨轮船举上海岸，也曾将护岸的两三千吨重的钢筋混凝土构件掀翻。据统计，海洋波浪灾害所造成的人员伤亡在所有海洋灾害中居于首位，同时也带来了严重的经济损失[12]。 我国由海洋波浪所引发的海难年平均有70余次，损失约1亿元。1949～1982年的34年中，仅被交通部门和海军救助的船只就达到6295艘次，其中约1500艘船只的海难事故是由巨浪引起的。1968～2008年，我国巨浪灾害共出现70次，沉船52063艘，造成直接经济损失233.5亿元。1982～1990年，中国近海因台风浪翻沉各类大小船只14345艘，损坏9468艘，平均每年沉没和损坏各类船只2600余艘。1979年11月，我国“渤海2号”钻井船受寒潮带来的大浪袭击而沉没；1999年11月，“大舜号”客船从烟台驶往大连途中，遭遇寒潮大风浪而倾覆，直接经济损失9000多万元；2013年9月，广东台山和香港5艘渔船在西沙珊瑚岛附近海域遭受强台风“蝴蝶”袭击，2艘沉没、1艘失去联系；2018年7月，两艘游船在返回泰国普吉岛途中，突遇特大暴风雨发生倾覆。通过这些事故可以看到，恶劣气候下的海洋波浪会对人类带来不可估量的灾难性影响，充分掌握其环境特征对防灾减灾具有非常实用的价值。 1.1.2 海洋波浪对船舶航行和海上作业的影响 狂风巨浪对船舶航行和海上作业同样有着很大影响。海洋波浪对船舶的影响主要是使船舶发生偏摆、中垂、中拱、掩埋振荡、螺旋桨空转失速等。海洋波浪较大时还会造成船舶的倾覆，大涌浪能使近岸活动的船舶触底搁浅。大浪能使航行中的船舶航向和航速发生改变，使锚固停泊的船舶发生漂移。如果中、小型船舶的长度和波长相近，那么大涌浪可能使其发生中垂和中拱现象，从而遭到严重损伤，甚至损毁。 高海况会使海上作业人员发生晕动病，造成精力和体力的下降，严重时会引起非战斗减员，影响海上作业、施工进度和工程效果。据研究，一般风浪时人员晕船的发生率为10%～30%，大风浪时高达60%，未经训练的人晕船率为50%～90%。台风造成的台风浪会直接给人类的生命、财产安全带来巨大的威胁。 大浪对海上施工会带来不利影响，严重时甚至会将施工平台损毁，海洋工程中对极值波高都较为关注。高海况会对海上工程建设活动带来严重影响，使得起吊设备、救生器材无法正常使用。恶劣海况会对船舶航行的安全造成影响，从而阻碍工程建设任务的顺利完成。这就需要人们在开展海洋工程实践时充分掌握相关海域的风候、波候等环境特征，以便制定相应的预案。 1.1.3 海洋波浪对缓解能源危机的影响 狂风巨浪能给人类带来巨大的危害和灾难，但如果能够深入把握其本质规律和环境特征，充分利用波浪能资源，同样可以因地制宜为人类带来福祉，成为将来人类的巨大能源补给基地。海洋波浪能发电是目前各发达国家追逐的焦点之一，还可以促进海水上下层的混合，使海水层中拥有更充沛的氧气，满足海中鱼类和其他动植物的需要，有利于渔业的发展。 我国管辖的海域约300万km2，大陆海岸线长达1.8万km，约有偏远海岛7300多个(面积超过500m2)，陆域总面积接近8万km2，星罗棋布分散在我国海域各个角落，其中常住居民的有455个，总人口470多万[13]。有居民的海岛能源十分紧张，严重制约了边远海岛的经济活动。我国在2009年的各种能源消耗总量相当于22.52×108t原油，历史上首次超越美国，成为世界**大能源消耗国。据统计，2040年全球能源消耗将比2010年高出30%左右，能源危机已经成为制约我国乃至全球可持续发展的瓶颈问题，发挥沿海、边远海岛的可再生能源优势，大力实施海洋波浪能发电，将有效缓解能源危机，促进我国能源的可持续发展。 1.2 海洋波浪资源特征研究现状 海洋波浪资源特征对海洋水文保障、海洋国防工程、航海、工程海洋能开发、防灾减灾、海洋权益的维护都有非常实用的价值，主要包括波高波向的季节特征和月(年)变化特征、海洋波浪的周期、极值波高、波浪等级频率、波向频率、波高的长期变化趋势等。其中，极值波高是国防工程和海洋能开发极为关注的要素，波高和波向对船舶的航速航向有着很大影响。 随着科学技术的飞速发展，人们可以实现海洋波浪场的数值模拟和预报。但短期数值预报的时效通常只有3～10天，无法为中长期计划提供指导，尤其是进入陌生海域执行任务时，航海人员、水文气象保障人员也没有太多经验可以借鉴。这就需要对中国海域乃至全球海域的波浪资源特征进行系统性研究，为中长期计划和全球海洋战略的实现提供科学指导。 李明悝和侯一筠[14]利用微波散射计遥感卫星(QuikSCAT)资料和美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction，NCEP)分析资料组合而成的混合风场驱动第三代海浪模式(WAVEWATCH-III，WW3)，对影响东中国海(包括渤海、黄海和东海)的一次冷空气过程带来的大浪进行数值模拟，发现模拟的有效波高与浮标观测资料接近，还发现混合风场的风速与浮标观测风速一致。 徐艳清[15]利用QuikSCAT/NCEP混合风场驱动WW3模式，对东中国海2000～2004年的波候进行模拟研究，发现模拟的有效波高与浮标、观测船、高度计等观测的有效波高一致，其中冬季的模拟效果好于其他季节；徐艳清等[16]还分别利用NCEP风场和QuikSCAT/NCEP混合风场驱动WW3模式，对比发现QuikSCAT/ NCEP混合风场驱动WW3模式得到的有效波高精度高于NCEP风场驱动WW3模式得到的有效波高。 邓兆青等[17]利用区域大气模型系统(RAMS)输出的20年风场驱动第三代浅水波浪数值预报模型(SWAN)，对渤海近20年的波浪进行了数值研究，模拟的有效波高与实测值相符合，研究发现辽东湾的常浪向和强浪向均为西南偏南向；渤海中部的常浪向为偏南向，强浪向为东北向；渤海海峡的常浪向和强浪向均为西北偏北向；莱州湾的常浪向为偏南向，强浪向为东北偏北向；渤海湾的常浪向为偏南向，强浪向为东北向；并利用耿贝尔极值推算法计算了渤海的极值波高，发现极值波高的高值区位于渤海东南部海域，百年一遇极值波高可达6.7m。 周良明等[18]利用WW3模式对南海海域1976～2005年的波浪场进行了数值模拟，取得了较好的效果，并发现南海的常浪向为东北向，北部海域的强浪向为偏东向，中南部海域的强浪向则以东北向为主；夏季波高为全年*小，冬季受东北季风影响，波高为全年*大；还发现南海百年一遇极值波高的高值区分布于海南岛东南部海域。 齐义泉等[19-21]利用约59个月(1992年10月至1997年8月)的地球观测与测高卫星(T/P)高度计反演的海表风速和有效波高，采用经验正交函数方法分析了南海海表风场和波浪场的时空分布特征，研究发现南海海表风场和波浪场的**、第二模态具有很好的相似性，第三模态却表现出明显的不同。他们还利用1987～1988年两年的卫星高度计遥感资料，对南海的海表风场、波浪场的月平均、季平均特征进行分析，发现南海的月平均海表风速和有效波高在东北季风期间较大，在季风过渡季节较小，并且在12月达到*大，5月*小；在西南季风期间，海表风速和有效波高均呈现出南大北小的特点，其余季节则表现出由南到北逐渐增强的分布特征。 葛黎丽等[22]利用数值模拟和资料同化技术，重构了南海1976～2005年的风、浪、流等水文气象要素场，利用韦布尔三参数极值统计模型，计算了南海深水区四个典型区块风、浪、流的多年一遇极值，发现南海极值风速、极值波高的高值中心位于南海北部区域。 周兆黎和杨显宇[23]利用NCEP风场驱动WW3模式，对影响南海的三次冷空气过程进行模拟，并将结果与Jason-1卫星高度计反演的有效波高进行对比，发现模拟的有效波高与观测资料一致性较好，还发现在冷空气活动末期以及近岸地区，模拟效果略差一些，但均方根误差和平均相对误差仍在可以接受的范围内。 刘金芳和孙立尹[24]利用1950～1995年的船舶报资料，对西北太平洋的海表风场、波浪场特征进行分析，研究发现该区域受季风影响显著，季风盛行期的风向、浪向(区分风浪和涌浪)较为一致，该区域赤道附近海域的浪向常年为东北向，冬季季风期间的有效波高为全年*大，过渡季节次之，夏季*小。 郑崇伟等[25-27]利用交叉定标多平台(CCMP)合成洋面风场资料驱动?WW3?海洋波浪模式，重点研究了中国南海海域的海表风场和波浪能资源特征，对1988～2009年共22年的波候进行了数值模拟，得到了南海3小时间隔的波浪能统计数据(次)及相应波浪条件的发生概率。研究表明，除去极端风、浪情况，南海大部分海域全年基本都可进行风能和波浪能开发，峰值出现在12月至次年1月，月平均波浪能能流密度在20kW/m左右；风能、波浪能在冬夏两季、夏季风向冬季风过渡期间都表现出很好的稳定性，5月的稳定性相对较差。 1.3 海洋波浪能开发利用现状 海洋波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能，是海面在风力作用下产生的波浪运动所具有的能量，实质上是吸收了风能而形成的。波浪的能量与波高的平方、波浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比。 海洋波浪的能量传递速率和风速有关，也和风与水相互作用的距离有关。水团相对于海平面发生位移，使波浪具有势能，而水质点的运动，则使波浪具有动能。储存的能量通过摩擦和紊动而消散，其消散速度的大小取决于波浪特征和水深。深水海区大浪的能量消散速度很慢，从而导致波浪系统的复杂性，使它常常伴有局地风和几天前在远处产生的风暴的影响。波浪