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海洋能源利用技术进展及展望

海洋能源利用技术进展与展望

余志（发布时间:

2003-4-1）

本篇文章来源于“中国气体分离设备商务网”

中国科学院广州能源研究所，广州510070

本文介绍了海洋能源中潮汐能、波浪能、温差能、海流能和盐差能的资源、转换原理和技术研究进展。

重点介绍了近20年来世界各国开发研究的各种海洋能源转换设备和装置，通过对海洋能关键技术及其进展的分析，对海洋能利用的现状进行了评估。

根据技术及商业可行性、资源可持续发展和环境保护等要素，预测在今后的5-10年内，潮汐能将得到更大规模的应用，波浪能和海流能将逐步产业化。

作为战略能源资源的温差能将在2020年左右，在海洋开发中发挥重要作用。

结合中国的具体情况，建议近期重点研究潮汐发电机组

技术、百千瓦级波浪和海流示范装置以及温差能综合利用试验装置。

1海洋能源的种类与资源

海洋能源通常指海洋中所蕴藏的可再生的自然能源，主要为潮汐能、波浪能、海流能（潮流能）、海水温差能和海水盐差能。

更广义的海洋能源还包括海洋上空的风能、海洋表面的太阳能以及海洋生物质能等。

究其成因，潮汐能和潮流能来源于太阳和月亮对地球的引力变化，其他均源于太阳辐射。

海洋能源按储存形式又可分为机械能、热能和化学能。

其中，潮汐能、海流和波浪为机械能，海水温差为热能，海水盐差为化学能。

1．1潮汐能

潮汐能是指海水潮涨和潮落形成的水的势能，其利用原理和水力发电相似。

潮汐能的能量与潮量和潮差成正比。

或者说，与潮差的平方和水库的面积成正比。

和水力发电相比，潮汐能的能量密度很低，相当于微水头发电的水平。

世界上潮差的较大值约为13一15m，我国的最大值（杭州湾澈浦）为8.9m。

一般说来，平均潮差在3m以上就有实际应用价值。

全世界潮汐能的理论估算值为109kW量级，我国的潮汐能理论估算值虽为108kW量级，但实际可利用数远小于此数。

根据中国海洋能资源区划结果，沿海潮汐能可开发的潮汐电站坝址为424个，总装机容量约为2.2Xl07kW。

浙江和福建沿海为潮汐能较丰富地区。

1．2波浪能

波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。

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。

波浪能是海洋能源中能量最不稳定的一种能源。

台风导致的巨浪，其功率密度可达每米迎波面数千kW，而波浪能丰富的欧洲北海地区，其年平均波浪功率也仅为20-40kW／m中国海岸大部分的年平均波浪功率密度为2-7kW／m。

全世界波浪能的理论估算值也为109kW量级。

利用中国沿海海洋观测台站资料估算得到，中国沿海理论波浪年平均功率约为1．3X107kW。

但由于不少海洋台站的观测地点处于内湾或风浪较小位置，故实际的沿海波浪功率要大于此值。

其中浙江、福建、广东和台湾沿海为波能丰富的地区。

1．3海流能

海流能是指海水流动的动能，主要是指海底水道和海峡中较为稳定的流动以及由于潮汐导致的有规律的海水流动。

海流能的能量与流速的平方和流量成正比。

相对波浪而言，海流能的变化要平稳且有规律得多。

潮流能随潮汐的涨落每天2次改变大小和方向。

一般来说，最大流速在2m／s以上的水道，其海流能均有实际开发的价值。

全世界海流能的理论估算值约为IQ8kW量级。

利用中国沿海130个水道、航门的各种观测及分析资料，计算统计获得中国沿海海流能的年平均功率理论值约为1.4X107kW。

其中辽宁、山东、浙江、福建和台湾沿海的海流能较为丰富，不少水道的能量密度为15一30kW／m2，具有良好的开发值。

值得指出的是，中国的海流能属于世界上功率密度最大的地区之一，特别是浙江的舟山群岛的金塘、龟山和西候门水道，平均功率密度在20kW／m2以上，开发环境和条件很好。

1．4温差能

温差能是指海洋表层海水和深层海水之间水温之差的热能。

海洋的表面把太阳的辐射能的大部分转化成为热水并储存在海洋的上层。

另一方面，接近冰点的海水大面积地在不到1000m的深度从极地缓慢地流

向赤道。

这样，就在许多热带或亚热带海域终年形成20C以上的垂直海水温差。

利用这一温差可以实现热力循环并发电。

全世界海洋温差能的理论估算值为10“kW量级。

根据中国海洋水温测量资料计算得到的中国海域的温差能约为1．5X108kW，其中99％在甫中国海。

南海的表层水温年均在26℃以上，深层水温（800m深处）常年保持在5℃，温差为2＝℃，属于温差能丰富区域。

1．5盐差能

盐差能是指海水和淡水之间或两种含盐浓度不同的海水之间的化学电位差能。

主要存在于河海交接处。

同时，淡水丰富地区的盐湖和地下盐矿也可以利用盐差能。

盐差能是海洋能中能量密度最大的一种可再生能源。

通常，海水（3.5%盐度）和河水之间的化学电位差有相当于240m水头差的能量密度，这种位差可以利用半渗透膜（水能通过，盐不能通过）在盐水和淡水交接处实现。

利用这一水位差就可以直接由水轮发电机发山

全世界海洋盐差能的理论估算值为10kW量级，我国的盐差能估计为1．1XI08kW，主要集中在各大江河的出海处。

同时，我国青海省等地还有不少内陆盐湖可以利用。

2海洋能利用的基本原理与关键技术

海洋能是各种可再生能源中类型最多的一种，其基本转换原理所涉及的学科较多，包括流体力学与流体机械，工程热物理和电化学等。

本节将分别介绍各种海洋能转换的基本原理及研究的关键技术问题。

2．1潮汐发电的原理与技术

潮汐能利用的主要方式是发电。

通过贮水库，在涨潮时将海水贮存在贮水库内，以势能的形式保存，然后，在落潮时放出海水，利用高、低潮位之间的落差，推动水轮机旋转，带动发电机发电。

潮汐电站的功率和落差及水的流量成正比。

但由于潮汐电站在发电时贮水库的水位和海洋的水位都是变化的（海水由贮水库流出，水位下降，同时，海洋水位也因潮汐的作用而变化），因此，潮汐电站是在变工况下工作的，水轮发电机组和电站系统的设计要考虑变工况、低水头、大流量以及防海水腐蚀等因素，远比常规的水电站复杂，效率也低

于常规水电站。

潮汐电站按照运行方式和对设备要求的不同，可以分成单库单向型、单库双向型和双库单向型三种。

2．1．1单库单向型

单库单向型是在涨潮时将贮水库闸门打开，向水库充水，平潮时关闸；落潮后，待贮水库与外海有一定水位差时开闸，驱动水轮发电机组发电。

单库单向发电方式的优点是设备结构简单，投资少；缺点是发电断续，1天中约有65％以上的时间处于贮水和停机状态、

2．1．2单库双向型单库双向型有两种设计方案。

第一种方案利用两套单向阀门控制两条向水轮机引水的管道。

在涨潮和落潮时，海水分别从各自的引水管道进入水轮机，使水轮机单向旋转带动发电机。

第二种方案是采用双向水轮机组。

2．1．3双库单向型

这个方案采用两个水力相联的水库，可实现潮汐能连续发电。

涨潮时，向高贮水库充水；落潮时，由低贮

水库排水，利用两水库间的水位差，使水轮发电机组连续单向旋转发电；其缺点是要建两个水库，投资大且工作水头降低。

潮汐发电的关键技术主要包括低水头、大流量、变工况水轮机组设计制造；电站的运行控制；电站与海洋环境的相互作用，包括电站对环境的影响和海洋环境对电站的影响，特别是泥沙冲淤问题；电站的系统优化，协调发电量、间断发电以及设备造价和可靠性等之间的关系；电站设备在海水中的防腐等。

2．2波浪能转换的原理与技术

波浪发电是波浪能利用的主要方式，此外，波浪能还可以用于抽水、供热、海水淡化以及制氢等。

波浪能利用装置的种类繁多，有关波能装置的发明专利超过千项。

因此，波能利用又被称为发明家的乐园。

但这些装置大部源于几种基本原理，即：

利用物体在波浪作用下的振荡和摇摆运动；利用波浪压力的变化；利用波浪的沿岸爬升将波浪能转换成水的势能等。

经过70年代对多种波能装置进行的实验室研究和80年代进行的实海况试验及应用示范研究，波浪发电技术已逐步接近实用化水平，研究的重点也集中于3种被认为是有商品化价值的装置，包括振荡水柱式装置、摆式装置和聚波水库式装置。

波浪发电装置大都可看作为一个包括三级能量转换的系统。

一般说来，一级能量转换机构直接与波浪相互作用，将波浪能转换成装置的动能、或水的位能或中间介质（如空气）的动能与压能等；二级能量转换机构将一级能量转换所得到的能量转换成旋转机械的动能，如水力透平、空气透平、液压马达等；三级能量转换将旋转机械的动能通过发电机转换成电能。

以下分别介绍上述三种最有前途的装置能量转换原理及过程。

2．2．1振荡水柱波能装置

振荡水柱波能装置可分为漂浮式和固定式两种。

目前已建成的振荡水柱波能装置都利用空气作为转换的介质。

其一级能量转换机构为气室，二级能量转换机构为空气透平。

气室的下部开口在水下与海水连通，气室的上部也开口（喷嘴），与大气连通。

在波浪力的作用下，气室下部的水柱在气室内作强迫振动，压缩气室的空气往复通过喷嘴，将波浪能转换成空气的压能和动能。

在喷嘴安装一个空气透平并将透平转轴与发电机相连，则可利用压缩气流驱动透平旋转并带动发电机发电。

振荡水柱波能装置的优点是转动机构不与海水接

触，防腐性能好，安全可靠，维护方便。

其缺点是二级能量转换效率较低。

2．2．2摆式波能装置

摆式波能装置也可分为漂浮式和固定式两种。

摆体是摆式装置的一级能量转换机构。

在波浪的作用下，摆体作前后或上下摆动，将波浪能转换成摆轴的动能。

与摆轴相联的通常是液压装置，它将摆的动能转换成液力泵的动能，再带动发电机发电。

摆体的运动很适合波浪大推力和低频的特性。

因此，摆式装置的转换效率较高，但机械和液压机构的维护较为困难。

摆式装置的另一优点是可以方便地与相位控制技术相结合。

相位控制技术可以使波能装置吸收到装置迎波宽度以外的波浪能，从而大大提高装置的效率。

2．2．3聚波水库波能装置

聚波水库装置利用喇叭型的收缩波道，作为一级能量转换机构。

波道与海连通的一面开口宽，然后逐渐收缩通至贮水库。

波浪在逐渐变窄的波道中，波高不断地被放大，直至波峰溢过边墙，将波浪能转换成势能贮存在贮水库中。

收缩波道具有聚波器和转能器的双重作用。

水库与外海间的水头落差可达3一8m，利用水轮发电机组可以发电。

聚波水库装置的优点是一级转换没有活动部件，可靠性好，维护费用低，系统出力稳定。

不足之处是电站建造对地形有要求，不易推广。

波浪能利用中的关键技术主要包括：

波浪的聚集与相位控制技术；波能装置的波浪载荷及在海洋环境中的生存技术；波能装置建造与施工中的海洋工程技术；不规则波浪中的波能装置的设计与运行优化；往复流动中的透平研究等。

2．3海洋温羌能的转换原理与捡求

除了发电之外，海洋温差能利用装置还可以同时获得淡水、深层海水、进行空调并可以与深海采矿系统中的扬矿系统相结合。

因此，基于温差能装置可以建立海上独立生存空间并作为海上发电厂、海水淡化厂或海洋采矿、海上城市或海洋牧场的支持系统。

总之，温差能的开发应以综合利用为主。

海洋温差能转换主要有开式循环和闭式循环两种方式。

2．3．1开式循环发电系统

开式循环系统主要包括真空泵、温水泵、冷水泵、闪蒸器、冷凝器、透平一发电机组等部分。

真空泵先将系统内抽到一定的真空，接着起动温水泵把表层的温水抽入闪蒸器，由于系统内已保持有一定的真空度，所以温海水就在闪蒸器内沸腾蒸发，变为蒸汽。

蒸汽经管道由喷嘴喷出推动透平运转，带动发电机发电。

从透平

排出的低压蒸汽进入冷凝器，被由冷水泵从深层海水中抽上的冷海水所冷却，重新凝结为水，并排入海中。

在此系统中，作为工作介质的海水，由泵吸入闪蒸器蒸发）推动透平作功一经冷凝器冷凝后直排人海中，故称此工作方式的系统为开式循环系统。

在开式循环系统中，用海水作工作流体和介质，闪蒸器和冷凝器之间的

压差非常小。

因此，必须充分注意管道等的压力损耗、且使用的透平尺寸较大。

开式循环的副产品是经冷凝

器排出的淡水，这是它的有利之处。

2．3．2闭式循环发电系统

闭式循环系统不以海水而采用一些低涕点的物质（如丙烷、氟利昂、氨等）作为工作介质，在闭合回路内

反复进行蒸发、膨胀、冷凝。

因为系统使用低沸点的工作介质，蒸汽的工作压力得到提高。

闭式循环与开式循环的系统组件及工作方式均有所不同，开式系统中的闪蒸器改为蒸发器。

当温水泵将

表层海水抽上送往蒸发器时，海水自身并不蒸发；而是通过蒸发器内的盘管把部分热量传递给低沸点的工作

流体，如氨水。

温水的温度降低，氨水的温度升育并开始沸腾变为氨气。

氨气经过透平的叶片通道，膨胀作功，

推动零平旋转。

透平排出的氨气进入冷凝器、在冷凝器内由冷水泵抽上的深层冷海水冷却后重新变为液态

氨，再用氨泵（工质泵）把冷凝器中的液态氨重新压进蒸发器，以供循环使用。

闭式循环系统由于使用低沸点工质，可以大大减小装置，特别是透平机组的尺寸。

但使用低沸点工质会

对环境产生污染。

温差能利用的最大困难是温差大小，能量密度太低。

温差能转换的关键是强化传热传质技术。

同时，温

差能系统的综合利用，还是一个多学科交叉的系统工程问题。

2．4海流能利用的原理与关键技术

海流能的利用方式主要是发电，其原理和风力发电相似，几乎任何一个风力发电装置都可以改造成为海

流发电装置。

但由于海水的密度约为空气的1000倍，且装置必须放于水下。

故海流发电存在一系列的关键

技术问题，包括安装维护、电力输送、防腐、海洋环境中的载荷与安全性能等。

此外，海流发电装置和风力发电

装置的固定形式和透平设计也有很大的不同。

海流装置可以安装固定于海底，也可以安装于浮体的底部，而

浮体通过锚链固定于海上。

海流中的透平设计也是一项关键技术。

2；5盐差能的转换原理与关键技术

盐差能的利用主要是发电。

其基本方式是将不同盐浓度的海水之间的化学电位差能转换成水的势能，再

利用水轮机发电，具体主要有渗透压式、蒸汽压式和机协化学式等，其中渗透压式方案最受重视：

将一层半透膜放在不同盐度的两种海水之间，通过这个膜会产生一个压力梯度，迫使水从盐度低的一侧

通过膜向盐度高的一侧渗透，从而稀释高盐度的水，直到膜两侧水的盐度相等为止。

此压力称为渗透压，它与

海水的盐浓度及温度有关。

下面介绍两种渗透压式盐差能转换方法。

2．5．1水压塔渗透压系统

水压塔渗透压系统主要由水压塔、半透膜、海水泵、水轮机一发电机组等组成。

其中水压塔与淡水问由半

透膜隔开，而塔与海水之间通过水泵连通）系统的工作过程如下：

先由海水泵向水压塔内充入海水。

伺时，由

于渗透压的作用，淡水从半透膜向水压垮内渗透，使水压塔内水位上升。

当塔内水位上升到一定高度后，便从

塔顶的水槽溢出，冲击水轮机旋转，带动发电机发电。

为了使水压塔内的海水保持一定的盐度、必须用海水泵

不断向塔内打入海水，以实现系统连续工作，扣除海水泵等的动力消耗，系统的总效率约为20％左右。

2．5．2强力渗压系统

强力系统的能量转换方法是在河水与海水之间建两座水坝分别称为前坝和后坝，并在两水坝之间挖一

低于海平面约200m的水库。

前坝内安装水轮发电机组，使河水与低水库相连，而后坝底部则安装半透膜渗

流器，使低水库与海水相通。

系统的工作过程为：

当河水通过水轮机流入低水库时，冲击水轮机旋转并带动发

电机发电。

同时，低水库的水通过半透膜流入海中，以保持低水库与河水之间的水位差。

理论上这一水位差

可以达到240m。

但实际上要在比此压差小很多时，才能使淡水顺利通过透水而不透盐的半透膜直接排人海

中。

此外，薄膜必须用大量海水不断地冲洗才能将渗透过薄膜的淡水带走，以保持膜在海水侧的水的盐度，使

发电过程可以连续。

渗透压式盐差能发电系统的关键技术是膜技术和膜与海水介面间的流体交换技术。

3海洋能转换技术的研究进展和主要项目

海洋能利用的历史至少可以追溯到中世纪时期。

11世纪在高尔、安达卢西亚和英国沿岸已有原始的潮

汐水车在运转。

波浪能和温差能的利用设想也早在十九世纪末就已提出。

但是，有规模的对海洋能进行开发

研究是本世纪50年代以后，首先是潮汐能，然后是波浪能、温差能等。

以下分别就各种海洋能源的研究技术

进展和主要项目进行介绍。

3．1潮汐能发电技求进展及项目

潮汐发电的主要研究与开发国家包括法国、前苏联、加拿大、中国和英国等，它是海洋能中技术最成熟和

利用规模最大的一种。

全世界潮汐电站的总装机容量为265MW，详见表1。

表1世界主要潮汐电站

国家站名潮差（m）容量（Mw）投运时间

法国朗斯8．52401966

加拿大安纳波利斯7．119.11984

前苏联基斯拉雅3．90.41968

中国江厦5．13．21980

中国白沙口2．40．641978

中国幸福洋4.51．281989

中国岳浦3.60．151971

中国海山4．90．151975

中国沙山5．10.041961

中国例河2．10.151976

中国果子山2．50.041977

3．1．1法国

位于法国圣马洛附近朗斯河口的朗斯潮汐电站工程是当今最著名的潮汐装置。

该电站最早的建议干

1737年提出，1953年由法政府决定兴建，实际建设工作开始于1961年：

月，第一台设备于1966年投入运

行，发电站包括24台每台装机容量10Mw的可逆型机组，总计电站容量240MW。

其水轮机可用来在水流

流入或流出时发电、泵水和起闸门的作用。

这种运行的灵活性使电站在1.5m的低水头下也能在退潮和涨潮

时发电。

由于增加了泵水能力，电站输出逐步增加，现在年总发电能力约力为6X108kWh。

平均潮差约为

8．5m，但最高大潮达13．5m。

水库面积90000m2。

灯泡式装置的性能非常好，其平均利用率稳定地增加到实际最大值的95％，每年因事故而停止运转的

时间平均少于5天，灯泡式装置注水门和船闸的阴极保护系统在抵抗盐水腐蚀方面很有效。

这个系统使用的

是白金阳极，耗电仅为10kW。

这个工程对环境的影响总体是好的。

在拦河坝体上修筑的车道公路使圣马洛和狄纳尔德之间的路线缩

短，在夏天每月的最大通车量达50万辆，这个工程本身对旅游者有巨大的吸引力，每年去那里游览的人达

20万人。

拦河坝有效地把这个河口变成人工控制的湖泊，大大改善了驾驶游艇、防汛和防浪的条件。

3．1．2苏联

苏联于1968年在乌拉湾中的基斯拉雅湾建成了一座潮汐实验电站。

这个钢筋混凝土的站房在摩尔曼斯

克附近的一个干船坞中建好，里面装了一台400扛w的灯泡式水轮机。

然后整个站房用拖船拖到站址，下沉到

预先准备好的砂石基础上。

用一些浮简来减少站房结构的吃水，并使其在拖运时保持稳定性。

3．1．3加拿大

加拿大于1984年在安纳波利斯建成一座装机容量为2MW的单库单向落潮发电站。

该电站的主要目的

是验证大型贯流式水轮发电机组的实用性，为计划建造的芬地湾大型潮汐电站提供技术依据。

安纳波利斯电

站的单机容量为20Mw，是世界上最大的机组。

采用了全贯流技术，可以比灯泡机组成本低15％。

水轮机的

人口直径为7．6m，额定水头5．5m，额定效率89.1％，多年运行的结果表明，机组完好率达97％以上。

3.1．4中国

中国是世界上建造潮汐电站最多的国家，在50年代至7O年代先后建造了近50座潮汐电站，但据80年

代初的统计，只有8个电站仍正常运行发电。

江厦电站是中国最大的潮汐电站，目前已正常运行近20年，但

未能达到原设计的发电水平。

江厦电站研建是国家“六五干重点科技攻关项目，总投资为1130万人民币，1974年开始研建，1980年首

台500kW机组开始发电，至1985年完成6电站共安装500kW机组一台，600kW机组一台和700kW机组3

台，总容量3．2MW。

电站为单库双作用式，水库面积为1．58X106m2，设计年发电量为i0．7X106kWh。

1996年全年的净发电为5．02X106kWh，约为设计值的。

半。

其原因主要是机组运行的设计状态与实际状态有

差别。

同时，机组的保证率、运行控制方式等也都需要提高。

但江厦电站总体说是成功的，为中国潮汐电站的建

造提供了较全面的技术，同时，也为潮汐电站的运行、管理和多种经营等积累了丰富的经验。

3．1．5技术进展

潮汐发电的关键技术包括潮汐发电机组、水工建筑、电站运行和海洋环境等。

中国60年代和70年代初

建的潮汐电站技术水平相对较低。

法国的朗斯电站，加拿大安纳波利斯电站和中国的江厦电站属技术上较成

熟的电站。

潮汐电站中，水轮发电机组约占电站总造价的50％，且机组的制造与安装又是电站建设工期的主要控

制因素。

朗斯电站采用的灯泡贯流式机组属潮汐发电中的第一代机型，单机容量为10MW，加拿大安纳波利

斯电站采用的全贯流式机组为第二代机型，单机容量20Mw。

中国的江厦电站机组参照法国朗斯电站并结

合江厦的具体条件设计，单机容量0．5一0．7MW，总体技术水平和朗斯电站相当。

“八五”期间，在原国家科

委重点攻关项目计划的支持下，中国也研究开发了全贯流机组，单机容量0.14MW，并在广东梅县禅兴寺低

水头电站试运行。

全贯流机组比灯泡贯流机组的造价可降低15％一20％。

总的来说，潮汐发电机组的技术已

成熟，朗斯电站机组正常运行已超过30年，江厦电站也已工作近20年。

但这些机组的制造是基于60一70年

代的技术。

利用先进制造技术、材料技术和控制技术以及流体动力技术设计，对潮汐发电机组仍有很大的改

进潜力，主要是在降低成本和提高效率方面。

水工建筑在潮汐电站中约占造价的45％，也是降低造价的重要方面。

传统的建造方法多采用重力结构

的当地材料坝或钢筋混凝土，工程量大，造价贵。

前苏联的基斯拉雅电站采用了预制浮运钢筋混凝土沉箱的

结构，减少了工程量和造价。

中国的一些潮汐电站也采用了这项技术，建造部分电站设施，如水闸等，起到同

样效果。

潮汐电站的运行是一项高智力的技术丙妙地利用外海水位和水库水位的相位差，可以有效提高电站出

力。

朗斯电站首先采用了一种称作泵卿的技术，使电站年净发电量约增加10％。

泵卿技术就是在单库双作用

电站中，增加双向泵水功能，它可以通过使发电机组具有发电或抽水双重功能来实现，也可以通过增加双向

水泵来实现。

其工作过程是在退潮发电刚刚结束之后，用泵把库面水位抽低1m左右，从而增加涨潮发电的

水头。

因为泵卿是在非常低的水头下进行的，而其后的发电是在高的水头下进行，所以提高水头增加的发电

量远大于抽水的耗电，而产生很大的净能量收益。

潮汐电站的海洋环境问题是一个很复杂的课题，主要包括两个方面。

一是建造电站对环境产生的影响，

如对水温、水流、盐度分层以及水浸到的海滨产生的影响等。

这些变化又会影响到浮游生物及其他有机物的

生长以及这一地区的鱼类生活等。

对这些复杂的生态和自然关系的研究还有待深入。

二是海洋环境对电站

的影响，主要是泥沙冲淤问题。

泥沙冲淤除了与当地水中的含沙量有关外，还与当地的地形及潮汐和波流等