Uldolmok海峡垂直剖面参数的估算及潮流速度的评估

《Renewable Energy》：Estimation of vertical profile parameters and tidal current velocity assessment in Uldolmok Strait

潮汐能转换系统设计需准确评估垂直电流剖面参数，本研究基于乌尔多莫克海峡两个月ADCP实测数据，采用幂律与对数剖面法计算得出幂律指数4.40–12.24、底床粗糙度0.38–0.41、摩擦速度0.08–0.164 m/s等关键参数，揭示流速与摩擦速度强相关（r=0.89）、底床粗糙度与粗糙长度呈指数关系（R2=0.96）。IEC标准方法使代表流速提升31.2%，验证了标准化评估在强湍流环境中的适用性，为系统设计提供可靠基准数据。

　　在应对全球气候变化和减少温室气体排放的背景下，可再生能源的开发变得尤为重要。潮汐能作为一种具有高能量密度和可预测性的能源形式，近年来受到了广泛关注。韩国西南部海岸，尤其是位于海南郡和济州郡之间的乌尔多姆克海峡（Uldolmok Strait），因其强劲且稳定的潮汐流而被认定为潮汐能转换的理想区域。该地区的年能量密度超过50 MWh/m2，显示出其在潮汐能资源开发中的巨大潜力。然而，尽管这些区域具备独特的物理条件，关于其垂直潮汐流速剖面的实地分析仍然相对有限。本文旨在通过深入研究乌尔多姆克海峡的垂直潮汐流速结构，为潮汐能转换器（TEC）的设计和性能评估提供必要的基础数据。

潮汐能转换器的工作原理是通过捕捉潮汐流的动能来发电，因此，流速的准确评估对于提高系统效率至关重要。在狭窄或浅水区域，如海峡，垂直流速剖面受到海底摩擦力的影响，并因海底地形和底粗糙度等因素而随深度变化。这种深度依赖的流速变化不仅影响涡轮机的性能，还对系统的结构稳定性产生重要影响。因此，在进行资源评估时，采用分层分析的方法显得尤为关键。分层分析能够更精确地描述不同深度处的流速特征，从而为潮汐能转换系统的设计提供科学依据。

本文利用了在乌尔多姆克海峡三个测量点收集的两个月的声学多普勒流速剖面仪（ADCP）数据，对垂直潮汐流速剖面进行了详细研究。通过对数据的分析，研究人员采用多种方法来估算关键参数，包括功率律指数、床面粗糙度、摩擦速度以及粗糙度长度。研究结果显示，功率律指数的范围为4.40–12.24，床面粗糙度为0.38–0.41，摩擦速度为0.08–0.164 m/s，粗糙度长度为0.007–0.212 m。这些参数的估算不仅揭示了潮汐流速剖面的特性，还为理解该区域的流体力学行为提供了重要线索。

在对估算参数进行相关性分析时，研究发现摩擦速度与潮汐流速之间存在显著的正相关关系，床面粗糙度与粗糙度长度也表现出较强的关联性。这一发现表明，这两个参数在描述潮汐流速剖面时具有相似的物理意义，可能在某些情况下相互替代。然而，值得注意的是，不同深度的流速变化仍然需要通过精确的分层分析来捕捉，因为这些变化对于涡轮机的运行效率和系统的安全性至关重要。

为了进一步提高评估的准确性，本文还采用了国际标准推荐的三种代表性的流速评估方法：全深度平均法、扫掠面积平均法以及瞬时功率加权法。其中，基于国际电工委员会（IEC）技术规范TS 62600-200的方法在估算代表流速时表现出更高的准确性，其结果比传统平均方法高出31.2%。这一方法的核心在于对流速进行非线性加权处理，从而更真实地反映流速与可用能量之间的关系。相比之下，传统的平均方法可能低估了实际的能量潜力，尤其是在存在显著垂直剪切的高能环境中。

此外，研究还指出，在强流区域，摩擦速度通常较高，而粗糙度长度的估算范围较广，这与区域内复杂的地形和底质条件有关。例如，混合地形可能包括粗糙的岩石区域和沉积物区域，这些不同的底质条件会对流速剖面产生不同的影响。因此，准确的垂直剖面参数估算对于理解目标区域的流体力学特性具有重要意义，同时也有助于量化不同水深下的流速变化。这种信息对于优化潮汐能转换器的设计和布局至关重要，因为它可以帮助确定最佳的安装深度和位置，以最大化能量捕获效率并确保系统的稳定性。

在实际应用中，垂直剖面信息不仅有助于提高潮汐能转换系统的性能，还能为其他海洋工程和环境研究提供参考。例如，了解强流区域的流速分布可以为海洋结构的设计提供重要依据，同时也有助于评估海洋生态系统的动态变化。因此，本文的研究成果不仅对潮汐能开发具有直接价值，也为更广泛的海洋科学研究提供了数据支持。

本文的研究方法强调了基于实地测量的数据分析在潮汐能资源评估中的重要性。虽然数值模型可以模拟详细的流体运动，但它们的可靠性依赖于与观测数据的系统性对比和验证。因此，结合高分辨率的实地测量数据，可以更准确地描述潮汐流速剖面的特性，为后续的工程设计和应用提供坚实的基础。通过采用标准化的评估方法，本文不仅提高了估算结果的准确性，还增强了不同研究之间数据的可比性，为全球范围内的潮汐能开发提供了统一的参考框架。

从实际操作的角度来看，本文的研究结果表明，在设计潮汐能转换系统时，必须充分考虑垂直流速剖面的特性。例如，摩擦速度和粗糙度长度的估算可以用于评估海底摩擦对能量捕获的影响，而功率律指数的分析则有助于理解流速随深度变化的规律。这些参数的综合应用可以为系统的设计提供更加全面的信息，帮助工程师在复杂的海洋环境中做出更科学的决策。

与此同时，本文的研究也揭示了当前在潮汐能资源评估领域仍存在的不足。尽管已有许多研究探讨了潮汐流速剖面的特性，但大多数研究仍然依赖于高分辨率数值模型，而较少关注基于实地测量的分析方法。这种趋势可能导致对实际流体行为的理解存在偏差，尤其是在强流区域，由于流速变化较大，数值模型可能无法完全捕捉到所有细节。因此，本文的研究强调了实地测量在潮汐能资源评估中的必要性，并为未来的研究提供了新的方向。

总的来说，本文的研究为潮汐能资源的评估提供了重要的科学依据。通过对乌尔多姆克海峡的垂直潮汐流速剖面进行详细分析，研究人员不仅揭示了该区域的流体力学特性，还为潮汐能转换器的设计和优化提供了关键参数。此外，研究还强调了采用国际标准评估方法的重要性，以及如何通过分层分析提高评估的准确性和可靠性。这些成果对于推动潮汐能技术的发展具有重要意义，同时也为其他海洋工程和环境研究提供了有价值的参考。