山東近海潮流能電場建設(shè)環(huán)境影響分析

周 斌，馬 龍，周雅卓，丁 磊

（1.國家海洋局北海海洋工程勘察研究院 青島 266033；2.國家海洋局北海技術(shù)保障中心 青島 266033）

隨著全球人口和經(jīng)濟規(guī)模的不斷增長，化石能源所帶來的環(huán)境問題也越來越嚴重。在此背景下，“低碳經(jīng)濟”“低碳技術(shù)”等一系列新概念應(yīng)運而生，世界各國紛紛把發(fā)展可再生能源作為未來能源戰(zhàn)略的重要組成部分。中國政府為促進可再生能源的發(fā)展，出臺了一系列的政策與法規(guī)，公布實施了 《可再生能源法》，編制完成了 《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》《可再生能源發(fā)展 “十一五”規(guī)劃》等，為中國發(fā)展可再生能源提供了良好的制度環(huán)境。潮流能作為海洋可再生能源的一種，具有無污染、可預(yù)測性高、環(huán)境影響小的特點，近年來，逐漸受到各國政府和私人投資者的重視。在能源和環(huán)境矛盾日漸突出，科學技術(shù)水平不斷提高的情況下，海上潮流能電場領(lǐng)域的投資將逐步增加，建設(shè)規(guī)模將逐步擴大。在積極利用潮流能的同時，也應(yīng)客觀分析其可能帶來的環(huán)境影響，本研究從國內(nèi)外潮流能開發(fā)現(xiàn)狀入手，分析我國山東近海潮流能電場建設(shè)可能帶來的環(huán)境影響，并提出了相應(yīng)的對策。

1 國內(nèi)外潮流能開發(fā)現(xiàn)狀

1.1 國外潮流能開發(fā)現(xiàn)狀

潮流能是指海水流動所具有的動能，它是由漲落潮 （天體引力作用）引發(fā)的海水周期性往復(fù)流動，受地域環(huán)境、地形的影響較明顯［1］。世界上對潮流能的研究與開發(fā)始于20世紀70年代，美國、英國和日本等沿海發(fā)達國家就開始研究如何從潮流中獲得能量［2］。進入21世紀，潮流能發(fā)電從基礎(chǔ)研究開始轉(zhuǎn)向開發(fā)應(yīng)用階段，一些發(fā)達國家紛紛組建潮流發(fā)電技術(shù)研究機構(gòu)，規(guī)劃 建設(shè)潮 流 發(fā)電示 范 項 目［2－5］。2008 年，SeaGen系統(tǒng)在英國北愛爾蘭Stangford投入運行，共安裝10臺1.2 MW機組。英國正在蘇格蘭和北威爾士建設(shè)大型潮流能發(fā)電場，將安裝1.2 MW及以上的SeaGen機組及其他型式的潮流能發(fā)電機組。韓國分別與英國Lunar Energy公司和德國Voith Hydro公司合作，在全羅南道莞島郡Hoenggan水道建設(shè)潮流能發(fā)電場，總裝機容量分別達到300 MW和600 MW。

1.2 國內(nèi)潮流能開發(fā)現(xiàn)狀

根據(jù)20世紀80年代沿海農(nóng)村海洋能資源區(qū)劃的調(diào)查資料［6］，我國130條水道的潮流能資源平均理論功率達1 396萬k W，其中占全國潮流能總量的50%左右，集中在浙江舟山海域和杭州灣，是全國沿岸潮流能開發(fā)利用條件最為理想的地方［7］。此外，遼寧、山東、福建和臺灣沿岸的平均理論功率在114.0萬～228.3萬k W，具有非?？捎^的開發(fā)價值。

我國較為系統(tǒng)的潮流能研究開始于20世紀80年代初［5，8］。2002年，哈爾濱工程大學設(shè)計的亞洲第一座70 k W漂浮式垂直軸潮流實驗電站在浙江舟山建成；2005年，國家 “863”科技計劃的40 k W座底固定式垂直軸潮流能實驗電站在浙江舟山建成；2005年，在 “863”計劃海洋監(jiān)測技術(shù)主題的支持下，東北師范大學研制成功放置于海底的低流速潮流發(fā)電機；2008年，中國海洋大學研制的柔性葉片水流發(fā)電裝置在青島齋堂島水道試驗成功；2009年，由浙江大學研制的25 k W “水下風車”在浙江舟山成功實現(xiàn)試驗運行。

總體來看，目前國內(nèi)潮流能開發(fā)仍處于實驗階段，尤其是在大規(guī)模應(yīng)用方面與國際先進水平尚存在一定的差距。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，兆瓦級大型潮流能電場的建設(shè)必將成為趨勢［9］。

2 山東近海潮流能資源概況

2.1 山東近海水文環(huán)境概況

山東省位于我國東部偏北，地理位置在34°20′N～38°30′N 和114°45′E～122°42′E。海岸線北起魯冀交界處的漳衛(wèi)新河河口與河北省相隔，南以魯蘇交界處德繡針河河口與江蘇省為界。山東省海域分布于渤海和黃海，以蓬萊角為界，向西屬于渤海海域；向東屬于黃海海域。在黃海海域中，以山東半島最東端的成山角為界，分屬于北黃海和南黃海海域。山東近海海洋水文情況較為復(fù)雜［10］，有沿岸低鹽水系和外海高鹽水系兩大水系，有黃海暖流、黃海冷水團和青島外海冷水團，還有渤海沿岸流和蘇北沿岸流。

2.2 山東近海潮流能資源概況

山東近海潮流能資源豐富，理論平均功率為119.5萬k W［6］，主要分布于廟島群島的天然水道、成山頭近海和半島南部各海灣灣口。廟島群島海域的長山水道、北隍城水道和登州水道等幾個水道的潮流能資源相當可觀，尤其是北隍城水道理論平均功率達80.6萬k W［6］。呂新剛等［11］利用三維潮流數(shù)值模式估算出青島膠州灣口潮流能多年平均理論功率為1.6萬k W。武賀等［12］利用短期準調(diào)和分析方法研究了榮成成山頭附近海域潮流的運動變化特征，并估算出該海域潮流能理論蘊藏量為1.77萬k W。

3 山東近海潮流能電場建設(shè)環(huán)境影響分析

潮流能電場是將潮流能轉(zhuǎn)化為機械能進而轉(zhuǎn)化為電能的系統(tǒng)。按照潮流能發(fā)電設(shè)備的類型分類［5］，主要包括水平軸式渦輪機 （horizontal axis turbine）、垂直軸式渦輪機 （vertical axis turbine）、振蕩水翼式 （oscillating hydrofoil）系統(tǒng)和文丘里 （venturi effect）系統(tǒng)等。依據(jù)不同的海域水深，潮流能發(fā)電機組的安裝方式主要可分為兩種：一種為固定式，將機組安裝在固定于海底的樁柱上；另一種為漂浮式，將機組安裝在漂浮于水面的載體下。固定式可上浮系統(tǒng)，可避免影響航運，易于維修，是潮流能發(fā)展的趨勢。

潮流能是一種隨時間、空間而變化的能源，但其變化有規(guī)律可循，并可提前預(yù)測預(yù)報。與常規(guī)化石能源發(fā)電相比，潮流能發(fā)電的環(huán)境效益是顯著的［13－14］。首先，潮流能是清潔的可再生能源，其開發(fā)利用不消耗化石燃料，不會受到能源枯竭的威脅，還可以減少溫室氣體的排放，不會加重日益惡化的環(huán)境負擔。其次，潮流能開發(fā)裝置可安裝在海底或漂浮在海面，不占用寶貴的土地資源，不存在移民安置問題。

目前，國內(nèi)尚未建設(shè)大規(guī)模的潮流能電場，其環(huán)境影響方面的研究工作還有待展開，而國外的一些政府和研究機構(gòu)已開始了此項工作［15］。Geziry T M［16］采用交互式矩陣 （interactive matrix）對地中海墨西拿海峽潮流能項目進行了環(huán)境影響研究，提出了環(huán)境評估概念模型，闡述了施工期、運營期和退役期的各種活動對潮流、波浪、噪聲、沉積物、水質(zhì)、底棲生物和哺乳動物等的影響。Andrew B G［17］分析了潮流能電場項目造成的噪聲、電磁場和碰撞等直接影響，并探討了其運營階段作為人工魚礁可能產(chǎn)生的間接生態(tài)效應(yīng)。Richard Inger等［18］也開展過類似的研究工作。

通過借鑒國外潮流能項目的經(jīng)驗，以下將分析潮流能電場建設(shè)環(huán)境方面的一些共性問題，并結(jié)合海洋功能區(qū)劃，探討山東近海潮流能電場建設(shè)的環(huán)境影響。

4 潮流能電場建設(shè)環(huán)境影響分析

4.1 施工期環(huán)境影響分析

潮流能電場施工內(nèi)容主要包括安裝潮流能發(fā)電機組、鋪設(shè)海底電纜、建設(shè)海上升壓變電站等。固定式機組、升壓站打樁或基礎(chǔ)開挖，以及鋪設(shè)海底電纜挖溝作業(yè)，一方面會造成作業(yè)區(qū)附近海水中的懸浮物濃度升高，透明度降低，對浮游植物的生長起到抑制作用［19－20］；另一方面會占用部分海域底土，改變作業(yè)區(qū)附近底棲生物群落生境。施工結(jié)束后懸浮物經(jīng)過擴散和沉降，作業(yè)區(qū)水質(zhì)將逐步改善，海底電纜路由區(qū)和樁基附近海域浮游植物和底棲生物群落逐步恢復(fù)，形成新的生境，因此其影響屬于短期的可恢復(fù)性質(zhì)［21］。施工期間，作業(yè)船舶產(chǎn)生的機艙含油廢水、施工人員的生活污水和生活垃圾統(tǒng)一收集上岸處理，則不會對海域水質(zhì)造成影響。此外，打樁作業(yè)產(chǎn)生的噪聲會對海洋生物的聽覺系統(tǒng)構(gòu)成多種干擾，影響其傳遞信息、攝食、求偶與洄游等［22］。中國水產(chǎn)科學研究院黃海水產(chǎn)研究所與中科院聲學所實驗測得，在32 m的距離上，對蝦的致死聲強級為120～124 dB，梭魚的致死聲強級則大于120 dB［23］。潮流能電場施工期應(yīng)盡可能避開魚類產(chǎn)卵期。

4.2 運營期環(huán)境影響分析

潮流能電場對水動力和沖淤環(huán)境的影響須針對具體工程的特點和海域環(huán)境特征定量分析，本研究僅采用類比法作定性分析。祁昌軍等［24］針對江蘇海上風電場，利用Mike21軟件建立了二維潮流數(shù)學模型，模擬結(jié)果顯示風電場樁基對工程所在海域的流速、流向、潮位和潮通量等水動力條件影響很小，影響主要在風機樁基附近。張瑋等［25］采用有限單元算法研究了上海近海風電場風機樁群布局對海域水動力條件的影響，認為群樁對當?shù)卮蠓秶某毕统绷魈匦杂绊懮跣?，對工程海域的影響基本集中在風機附近，但不同場址的影響程度也存在著差別。龐啟秀等［26］利用二維潮流模型研究了浙江樂清大門大橋橋墩對周圍海域水動力環(huán)境的影響，認為其影響僅限于橋位附近。固定式機組樁基與海上風電場樁基、橋墩等類似，通過以上類比分析，認為潮流能電場樁基對水動力和沖淤環(huán)境影響較小。

無論是固定式機組還是漂浮式機組，渦輪機轉(zhuǎn)動均可能對游泳動物造成傷害。傳統(tǒng)的渦輪機葉片采用剛性材料，結(jié)構(gòu)笨重，轉(zhuǎn)動的葉片會傷害到海洋生物尤其是海洋哺乳動物［27］。黃渤海主要的哺乳動物有斑海豹、江豚、寬吻海豚、小鳁鯨、偽虎鯨等［28］。山東半島北部的廟島群島是主要經(jīng)濟魚、蝦類進入渤海各產(chǎn)卵場和長成后越冬洄游必經(jīng)之路，也是斑海豹的洄游通道［29］。江豚、寬吻海豚、小鳁鯨和偽虎鯨等在山東半島北部的煙威漁場和南部的石島漁場均有分布［30－32］。大規(guī)模的潮流能電場選址應(yīng)避開產(chǎn)卵場、繁殖場、索餌場和洄游通道，積極探索柔性葉片渦輪機在潮流能開發(fā)中的應(yīng)用，這種新型裝置葉輪轉(zhuǎn)速慢，各種海洋生物可以在葉片附近活動，對海域生態(tài)環(huán)境影響較小。

陸上水電站水頭高、機組轉(zhuǎn)速快，噪聲級可達85 d B以上［33］，而潮流能能量密度低，流速5 m/s當量水頭僅1.3 m［34］，水輪機轉(zhuǎn)速慢，基本不改變海洋環(huán)境噪聲本底值，因此不會對海洋生物造成影響。運營期機組定期維護、檢修產(chǎn)生的廢棄物全部收集上岸處理，不會對海水水質(zhì)造成影響。

機組和樁基長期暴露在海洋腐蝕環(huán)境中，主要采用涂層防腐和陰極保護，犧牲陽極保護裝置一般采用鋁－鋅－銦系合金，其中鋅含量為5.5%～7.0%［35］，因此會有少量鋅釋放到海水中。黃桂橋［36］實驗測得鋁合金陽極塊在海水全浸區(qū)16年暴露的平均腐蝕率為1.5～7.2μm/a，對海域水質(zhì)和沉積物環(huán)境中鋅本底值貢獻極其有限。

潮流能電場海底電纜一般采用金屬鎧裝屏蔽電纜，電纜外層的金屬屏蔽層和鎧裝層可以有效地屏蔽電纜帶電芯線在周圍所產(chǎn)生的電場。但是電纜芯線中的電流所產(chǎn)生的磁場卻不能為其外層金屬屏蔽層有效地屏蔽。類比陸上110 kV電纜線路，最大磁感應(yīng)強度為0.28μT［37］，遠低于國家標準限值［38］，對周圍環(huán)境影響有限。電磁波在海水中傳播的能量衰減速率較空氣環(huán)境中更大，水下電纜輸電釋放的磁場能量會迅速衰減。因此，運營期海底電纜產(chǎn)生的電磁輻射不會對海洋生物產(chǎn)生不利影響。

4.3 對通航和景觀的影響分析

潮流能資源豐富的海域往往位于重要的海峽、灣口，船舶通航密度大，潮流能電場的建設(shè)可能會對通航安全構(gòu)成威脅，引發(fā)船舶碰撞事故。潮流能電場選址應(yīng)避開上述海域的航道，盡量選擇開闊水域，施工期和運營期應(yīng)發(fā)布航海通告，使過往船只注意避讓。

蘇格蘭行政院關(guān)于潮流能的戰(zhàn)略環(huán)境評價從海洋景觀角度分析［39］，認為河口和海峽比基巖海岸敏感，而砂質(zhì)海岸是最為敏感的類型。潮流能電場對海洋景觀的潛在影響主要與其與海岸的距離和安裝方式有關(guān)，一般認為距離海岸線5 km內(nèi)的裝置對景觀有較大的影響，超過10 km其影響較小，位于水下的裝置則對景觀基本無影響。

因此，從通航安全和海洋景觀角度考慮，固定式機組優(yōu)于漂浮式機組，但其選址應(yīng)避開錨地。

4.4 山東近海潮流能電場建設(shè)場址分析

山東省海洋功能區(qū)劃將全省海域劃分為：港口航運區(qū)、漁業(yè)資源利用區(qū)、礦產(chǎn)資源利用區(qū)、旅游區(qū)、海水資源利用區(qū)、海洋能利用區(qū)、海洋工程區(qū)、海洋保護區(qū)、特殊功能區(qū)、保留區(qū)和其他功能區(qū)等共11類、37個二級類、718個功能區(qū)［10］。潮流能電場的建設(shè)應(yīng)與海洋功能區(qū)劃一致或兼容，其用海應(yīng)不影響功能區(qū)劃海域使用管理與環(huán)境保護要求。

根據(jù)前文分析，山東近海潮流能資源比較豐富的區(qū)域主要包括廟島群島海域、成山頭海域和膠州灣海域等。山東省海洋功能區(qū)劃已將榮成市成山頭確定為海洋能利用區(qū)，成山頭近海潮流能資源豐富，地質(zhì)條件良好，周邊社會經(jīng)濟條件優(yōu)越，建設(shè)潮流能電場具有得天獨厚的優(yōu)勢。而廟島群島和膠州灣海域均屬于山東省海洋功能區(qū)劃中確定的重點海域。廟島群島海域重點功能是水產(chǎn)養(yǎng)殖、旅游和海上交通，膠州灣海域重點功能是港口、旅游、漁業(yè)、自然保護、鹽業(yè)。廟島群島海域是海洋生物重要的洄游通道，而且全年波浪較大，海況惡劣，對開發(fā)潮流能不利，以目前的認知和技術(shù)水平，廟島群島還不適宜建設(shè)大規(guī)模潮流能電場。在不影響海上交通和水產(chǎn)養(yǎng)殖的前提下，可嘗試建設(shè)小規(guī)模固定式潮流能電場，解決島上居民用電問題。膠州灣灣口緊鄰青島市區(qū)，建設(shè)固定式潮流能電場無須鋪設(shè)長距離海底電纜，但灣口海域是繁忙的航道，船舶通航密度大，不利于大規(guī)模施工作業(yè)，但可在近岸建設(shè)小型潮流能電站示范項目，用于教學和科研等。

5 結(jié)束語

山東近海豐富的潮流能資源，可為山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)的建設(shè)提供強大的綠色能源。然而大規(guī)模的潮流能電場建設(shè)勢必帶來一定的環(huán)境影響。潮流能電場的選址應(yīng)因地制宜、合理布局，盡可能地避開生態(tài)保護區(qū)、航道錨地和養(yǎng)殖區(qū)等。潮流能項目規(guī)劃階段即應(yīng)進行與其有關(guān)的現(xiàn)狀調(diào)查工作，包括氣象條件、海洋水文動力環(huán)境、海洋地形地貌與沖淤環(huán)境、海水水質(zhì)環(huán)境、海洋沉積物環(huán)境、海洋腐蝕環(huán)境、海洋生態(tài)環(huán)境與漁業(yè)資源和利益相關(guān)者調(diào)查等方面的內(nèi)容，并在此基礎(chǔ)上開展環(huán)境影響評價和海域使用論證等工作，以達到合理有序開發(fā)潮流能資源的目的，實現(xiàn)環(huán)境效益、經(jīng)濟效益和社會效益的統(tǒng)一。

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