海上風(fēng)機(jī)噪聲對(duì)海洋生物的影響研究*

袁 征，馬 麗，王金坑

（國(guó)家海洋局第三海洋研究所 廈門(mén) 361005）

海上風(fēng)機(jī)噪聲對(duì)海洋生物的影響研究*

袁 征，馬 麗，王金坑

（國(guó)家海洋局第三海洋研究所 廈門(mén) 361005）

海上風(fēng)電是未來(lái)沿海各國(guó)海上能源開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。我國(guó)海上風(fēng)電正處于起步階段，已建和規(guī)劃中的風(fēng)電場(chǎng)逐漸增多。國(guó)內(nèi)對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)環(huán)境影響研究，尤其是風(fēng)機(jī)噪聲對(duì)海洋生物的影響研究幾近空白。文章總結(jié)了近年來(lái)國(guó)外海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中水下噪聲的基本概況，以及對(duì)海洋魚(yú)類(lèi)（游泳魚(yú)類(lèi)和底棲魚(yú)類(lèi)）、哺乳動(dòng)物和底棲生物影響的研究成果。就我國(guó)未來(lái)海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)規(guī)劃，提出海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)期風(fēng)機(jī)噪聲研究的不足及海洋生物聽(tīng)閾范圍研究的缺乏，為我國(guó)制定海上風(fēng)電項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)規(guī)范提供科學(xué)參考，并指出水下噪聲對(duì)我國(guó)海洋生物影響的研究方向。

海上風(fēng)機(jī)；噪聲；海洋生物

1 引言

為應(yīng)對(duì)全球氣候變化和能源供應(yīng)短缺，可再生能源的開(kāi)發(fā)和利用逐漸受到各國(guó)政府的重視［1］。風(fēng)能，作為一種可再生能源，分布廣泛，儲(chǔ)量豐富；尤其是海上風(fēng)能，相比于陸地風(fēng)能，在風(fēng)速、風(fēng)況和發(fā)電的年利用小時(shí)數(shù)上都有明顯的優(yōu)勢(shì)，且不占用土地資源［1－3］。因此，海上風(fēng)電的發(fā)展逐漸成為沿海各國(guó)海上能源資源開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。在歐洲，海上風(fēng)電起步較早，發(fā)展迅速，尤其是北歐，如英國(guó)、荷蘭、德國(guó)、丹麥等［4］。大多數(shù)海上風(fēng)電場(chǎng)都建在淺水區(qū)，但因該區(qū)域海洋生產(chǎn)力較高，是各種海洋生物近岸海域的棲息地，所以大型風(fēng)力渦輪機(jī)的運(yùn)行對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境的影響不容忽視［5－6］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者從不同方面對(duì)此展開(kāi)了相關(guān)研究，如風(fēng)力渦輪機(jī)水下噪聲對(duì)魚(yú)類(lèi)聽(tīng)力范圍及行為生理反應(yīng)的探討［7－18］；對(duì)海洋哺乳動(dòng)物的聽(tīng)力范圍及行為反應(yīng)［3，7，13，19］研究；對(duì)底棲生物的影響研究［13，20－21］等。但總體上我國(guó)關(guān)于海上風(fēng)機(jī)運(yùn)行噪聲對(duì)海洋生物的影響研究還比較少，使得海上風(fēng)電場(chǎng)環(huán)境影響監(jiān)督與管理尚顯不足。

以下就國(guó)內(nèi)外已有研究做簡(jiǎn)要探討。

2 海上風(fēng)機(jī)水下噪聲

Richardson將噪聲定義為損害有用信號(hào)的接收，或者干擾動(dòng)物正常行為的聲音［11］。風(fēng)機(jī)噪聲來(lái)源可分兩類(lèi)：一是氣動(dòng)噪聲，由渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片產(chǎn)生；另一個(gè)是機(jī)械振動(dòng)噪聲，由風(fēng)機(jī)周?chē)諝膺\(yùn)動(dòng)、機(jī)箱內(nèi)齒輪箱和發(fā)電機(jī)機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生。其中，氣動(dòng)噪聲通過(guò)空氣傳入水中，并隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而增強(qiáng)。機(jī)箱內(nèi)的機(jī)械振動(dòng)噪聲則取決于風(fēng)能轉(zhuǎn)化過(guò)程中機(jī)械的精細(xì)程度，也是隨著風(fēng)速增大而增強(qiáng)；不僅如此，隨著時(shí)間的推移，部件磨損引起的振動(dòng)逐漸加強(qiáng)，會(huì)導(dǎo)致噪聲強(qiáng)度越來(lái)越大［9，12，13，22］。

Nedwell認(rèn)為風(fēng)機(jī)噪聲傳入水中分3種途徑：空氣傳播、樁體振動(dòng)引起的水下傳播、樁基底部振動(dòng)引起的底質(zhì)傳播（圖1）。其中，第二種途徑，由樁體振動(dòng)引起的聲波水下傳播起主導(dǎo)作用［5］。

在對(duì)海上風(fēng)機(jī)運(yùn)行噪聲的測(cè)量研究中，多數(shù)是在距離風(fēng)機(jī)一定距離處，將水聽(tīng)器直接放入水下進(jìn)行測(cè)量［2，7，10，23］。且在大多數(shù)情況下，海上風(fēng)電場(chǎng)的整體運(yùn)行噪聲很接近單個(gè)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行噪聲［2，7，10，24］。然而，也有學(xué)者認(rèn)為風(fēng)機(jī)數(shù)量的增加會(huì)導(dǎo)致噪聲水平的增大［8］。因此，為保證風(fēng)機(jī)運(yùn)行噪聲基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)海洋生物影響研究的可靠性與真實(shí)性，建議在研究過(guò)程中采用風(fēng)電場(chǎng)整體噪聲的實(shí)際測(cè)量值。

圖1 風(fēng)力渦輪機(jī)水下噪聲傳播途徑［5］

風(fēng)電場(chǎng)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲多為窄頻噪聲，頻率小于1 k Hz，多數(shù)集中在700 Hz以?xún)?nèi)，其聲音頻譜通常與風(fēng)機(jī)性能有關(guān)而與其他條件無(wú)關(guān)［2，14］。圖2依據(jù)不同條件，各研究者對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)的噪聲測(cè)量值，推算出距離噪聲源1 m處的噪聲聲壓水平［7］。從圖2中可以看出：不同海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行期水下噪聲的測(cè)量值可能會(huì)由于風(fēng)速、測(cè)量記錄條件、噪聲輻射方向等不同而略有差異，但均在一定范圍內(nèi)。

圖2 Westerberg（1994：Nogersund 5 m／s），Degn（2000：Bockstigen 8 m／s and Vindeby 13 m／s），F(xiàn)ristedt et al．（2001：Bockstigen 5m／s）和Ingemansson（2003：Utgrunden 13 m／s）測(cè)量的風(fēng)機(jī)噪聲聲源級(jí)。噪聲級(jí)：背景噪聲級(jí)依據(jù)Piggott（1964）在水深40～50 m處的測(cè)量值［7］。

3 對(duì)海洋生物的影響

海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)期和退役期對(duì)海洋生物的影響只有短短幾個(gè)月的時(shí)間，而在長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的運(yùn)營(yíng)期中，風(fēng)機(jī)噪聲對(duì)海洋生物的影響會(huì)是長(zhǎng)期和累積性的。目前，對(duì)海洋生物的研究重點(diǎn)集中在風(fēng)機(jī)噪聲對(duì)海洋魚(yú)類(lèi)和海洋哺乳動(dòng)物的影響研究：包括海洋魚(yú)類(lèi)對(duì)風(fēng)機(jī)噪聲探測(cè)范圍的確定、噪聲導(dǎo)致魚(yú)類(lèi)的行為和生理反應(yīng)研究等；對(duì)海洋哺乳動(dòng)物的研究主要是風(fēng)機(jī)運(yùn)行噪聲引起的哺乳動(dòng)物行為反應(yīng)，如逃離噪聲源、增加回波定位頻率等。多數(shù)研究表明風(fēng)機(jī)噪聲可能會(huì)對(duì)海洋魚(yú)類(lèi)和哺乳動(dòng)物產(chǎn)生一定的影響，但不會(huì)造成不良生理反應(yīng)及聽(tīng)力損傷；同時(shí)，也有研究認(rèn)為海洋生物可以很好地適應(yīng)風(fēng)機(jī)噪聲，而不產(chǎn)生有害影響。相比較而言，對(duì)海洋底棲生物的噪聲影響研究則較少，且對(duì)其是否存在影響仍有爭(zhēng)議。

3.1 對(duì)魚(yú)類(lèi)的影響

海上風(fēng)機(jī)噪聲對(duì)魚(yú)類(lèi)的影響研究，首先是魚(yú)類(lèi)對(duì)風(fēng)機(jī)噪聲可探測(cè)范圍的確定，其次是風(fēng)機(jī)噪聲對(duì)魚(yú)類(lèi)的行為和生理的反應(yīng)研究。

魚(yú)類(lèi)的聽(tīng)閾范圍在不同物種間存在較大差異，一般在30～1 000 Hz間，最佳聽(tīng)力范圍為100～400 Hz［12，15－16］。依據(jù)魚(yú)類(lèi)的聽(tīng)力敏感度可將其分為聽(tīng)力敏感種和非聽(tīng)力敏感種，不同種對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行噪聲的探測(cè)范圍不同，就目前的研究顯示，魚(yú)類(lèi)的最大探測(cè)距離為0．5～25 km［3，7，25］。其中，聽(tīng)力敏感種，如大西洋鱈（Gadusmorhua）和鯡（Clupea harangus）對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行噪聲的探測(cè)距離為4．6～13 km；非聽(tīng)力敏感種，如比目魚(yú)（Limanda limanda）和大西洋鮭（Salmo salar）對(duì)噪聲的探測(cè)距離為0．5～1 km；金魚(yú)（Carassius auratus）的探測(cè)范圍為15～25 km。當(dāng)噪聲源處于魚(yú)類(lèi)可聽(tīng)區(qū)范圍內(nèi)，可能引起魚(yú)類(lèi)的行為或生理反應(yīng)。

魚(yú)類(lèi)的行為反應(yīng)研究主要是利用超聲波遙感來(lái)觀測(cè)其是否改變游泳行為，或者對(duì)比風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)外、風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)機(jī)運(yùn)行和停止時(shí)的捕獲率，來(lái)判斷其是否具有逃離噪聲源的傾向

等［10，23，25］。研究表明，當(dāng)魚(yú)類(lèi)在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中游近風(fēng)機(jī)時(shí)，并沒(méi)有大幅改變游泳行為；且風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的魚(yú)類(lèi)捕獲率較風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行時(shí)或風(fēng)電場(chǎng)外低；當(dāng)風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的捕獲率比風(fēng)電場(chǎng)外高。由此可見(jiàn)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行噪聲會(huì)對(duì)魚(yú)類(lèi)產(chǎn)生一定的影響，使魚(yú)類(lèi)遠(yuǎn)離風(fēng)電場(chǎng)。同時(shí)，人工魚(yú)礁效應(yīng)增加風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)食物量，使魚(yú)類(lèi)在風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行時(shí)游近風(fēng)電場(chǎng)。

魚(yú)類(lèi)的生理反應(yīng)研究并不多見(jiàn)，現(xiàn)有資料中，只有Smith將金魚(yú)短期（小于24 h）持續(xù)暴露在160～170 d B噪聲環(huán)境下，測(cè)量其血液中葡萄糖和皮質(zhì)醇水平，發(fā)現(xiàn)皮質(zhì)醇會(huì)有一個(gè)短期的激增，而葡萄糖水平不變［17］。除此之外，魚(yú)類(lèi)的聽(tīng)力損傷也屬于生理反應(yīng)的范疇，通過(guò)觀測(cè)魚(yú)耳內(nèi)的毛細(xì)胞是否受損或出現(xiàn)小孔來(lái)判斷噪聲是否對(duì)魚(yú)耳造成聽(tīng)力損傷［18］。而從目前研究來(lái)看，風(fēng)機(jī)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲遠(yuǎn)達(dá)不到上述引起魚(yú)類(lèi)生理反應(yīng)的聲壓水平，因此，即使距離風(fēng)機(jī)很近，也不會(huì)對(duì)魚(yú)類(lèi)產(chǎn)生有害生理影響［3，7，26］。

3.2 對(duì)海洋哺乳動(dòng)物的影響

海上風(fēng)機(jī)噪聲對(duì)海洋哺乳動(dòng)物的影響研究同樣要確定海洋哺乳動(dòng)物對(duì)風(fēng)機(jī)噪聲的探測(cè)范圍，然后關(guān)注在該范圍內(nèi)風(fēng)機(jī)噪聲引起的海洋哺乳動(dòng)物的行為反應(yīng)。

海洋哺乳動(dòng)物聽(tīng)閾范圍較魚(yú)類(lèi)更為廣泛，且種間差別較大。因本研究的海上風(fēng)電場(chǎng)多在近海海域，故重點(diǎn)關(guān)注近海海洋哺乳動(dòng)物斑海豹（Phoca vitulina）和鼠海豚（Phocoena phocoena）的研究，這二者是歐洲諸多海域的代表種，且斑海豹聽(tīng)力敏感，因此有較強(qiáng)的代表性。表1總結(jié)了斑海豹和鼠海豚不同頻率下的聽(tīng)閾值。由此推算出斑海豹對(duì)噪聲的探測(cè)范圍大于1 km，鼠海豚為50～500 m［2－3］。

海洋哺乳動(dòng)物行為反應(yīng)影響研究主要是通過(guò)海上觀測(cè)、航空觀測(cè)、經(jīng)緯儀跟蹤監(jiān)測(cè)、聲吶監(jiān)測(cè)等方法，探究其是否逃離聲源或增加回波定位頻率等［2－3，6，19，25］。研究表明，在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，斑海豹有明顯的小幅逃離聲源的行為，且風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)過(guò)程中的打樁噪聲對(duì)其影響較大；而鼠海豚沒(méi)有改變游泳路徑，僅縮短回波定位的時(shí)間間隔，即增加回波定位頻率。

表1 斑海豹和鼠海豚的聽(tīng)閾范圍

除上述影響外，也有學(xué)者認(rèn)為海洋哺乳動(dòng)物能很好地適應(yīng)風(fēng)電場(chǎng)噪聲［27］。Susi對(duì)全球最大的海上風(fēng)電場(chǎng)Nysted（距離R?dsand海豹保護(hù)區(qū)僅4km）建設(shè)前期、建設(shè)中期和運(yùn)營(yíng)期的海豹，包括斑海豹和灰海豹（Halichoerus grypus），進(jìn)行為期3年的觀測(cè)：認(rèn)為該區(qū)域海豹對(duì)人類(lèi)活動(dòng)較為熟悉，所以對(duì)反復(fù)出現(xiàn)的干擾有較強(qiáng)的忍耐，而不構(gòu)成威脅。此外，由于人工魚(yú)礁效應(yīng)增加風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)食物供給，可能導(dǎo)致斑海豹向著風(fēng)電場(chǎng)區(qū)活動(dòng)［28］。如，Teilman對(duì)運(yùn)營(yíng)初期幾個(gè)月的風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行航空觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)斑海豹在風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)外往返游動(dòng)，推測(cè)其可能原因?yàn)榧竟?jié)性食物豐富期［25］。

3.3 對(duì)底棲生物的影響

海洋底棲生物對(duì)維持整個(gè)海洋生態(tài)系統(tǒng)的健康和穩(wěn)定有著重要作用。回顧海上風(fēng)電近幾十年的發(fā)展，有關(guān)海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)對(duì)底棲生物的潛在影響逐漸受到研究者的關(guān)注，從風(fēng)機(jī)基座的安裝、相關(guān)設(shè)施的建設(shè)、海底電纜的鋪設(shè)、風(fēng)機(jī)運(yùn)營(yíng)，到后期風(fēng)電場(chǎng)結(jié)束運(yùn)營(yíng)，整個(gè)過(guò)程對(duì)海洋底棲生物的影響可分為五類(lèi)：噪聲及振動(dòng)、溫度、電磁場(chǎng)、污染物和擾動(dòng)等［13］。本文只介紹噪聲對(duì)底棲生物的影響。

噪聲對(duì)底棲生物的研究多數(shù)集中在20世紀(jì)90年代對(duì)養(yǎng)殖塘內(nèi)各種蝦、鰻等的噪聲試驗(yàn)研究，研究結(jié)果雖然顯示部分底棲生物對(duì)噪聲和振動(dòng)較為敏感，且低頻噪聲可能引起蝦類(lèi)心跳減速、生長(zhǎng)繁殖率減少、進(jìn)食量減少等。但并沒(méi)有直接的證據(jù)表明風(fēng)機(jī)運(yùn)行噪聲會(huì)對(duì)底棲生物造成有害影響［29－31］。因此，需進(jìn)一步加強(qiáng)這方面研究，明確風(fēng)機(jī)運(yùn)行噪聲是否對(duì)底棲生物產(chǎn)生不良影響。

4 結(jié)論與展望

海洋生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，食物網(wǎng)交錯(cuò)存在，其中任何一個(gè)種群發(fā)生變化都可能引起其他生物種群的巨大變化。因此，研究海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的噪聲對(duì)海洋生物的影響具有重要意義。然而，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)海上風(fēng)電起步較晚，對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的水下噪聲缺乏監(jiān)測(cè)，同時(shí)對(duì)海洋生物的聽(tīng)閾范圍研究較少。因此，在總結(jié)國(guó)外研究成果的基礎(chǔ)上，有必要對(duì)我國(guó)已建海上風(fēng)電場(chǎng)水下噪聲進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，同時(shí)對(duì)不同海域重點(diǎn)生物的聽(tīng)閾范圍展開(kāi)研究，推算出重點(diǎn)生物對(duì)風(fēng)機(jī)噪聲的探測(cè)范圍，并對(duì)其行為反應(yīng)開(kāi)展適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)研究，為有效保護(hù)海洋生物提供科學(xué)的理論依據(jù)。

在關(guān)注風(fēng)電場(chǎng)對(duì)所在海域海洋生物物種影響的同時(shí)，也應(yīng)關(guān)注因多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)引起的區(qū)域海洋整體環(huán)境的變化（如水文動(dòng)力環(huán)境、底棲生物棲息沉積物環(huán)境、風(fēng)機(jī)基座污損生物的累積等），從而改變或增加海洋魚(yú)類(lèi)、哺乳動(dòng)物、鳥(niǎo)類(lèi)等的食物來(lái)源，最終引起區(qū)域海洋生態(tài)系統(tǒng)群落的變化等［32］。做到在最大限度利用海上風(fēng)能的同時(shí)，兼顧整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

本文中所引用的圖表數(shù)據(jù)及結(jié)論，均是基于輸出功率小于2 MW的風(fēng)機(jī)機(jī)組，而未來(lái)海上風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展趨勢(shì)是輸出功率不斷增大，較大輸出功率的風(fēng)機(jī)機(jī)組（如6MW）運(yùn)行噪聲頻率和聲壓水平不同于小功率風(fēng)機(jī)機(jī)組，因此，未來(lái)應(yīng)關(guān)注較大輸出功率風(fēng)電機(jī)組的噪聲影響研究。此外，風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)期產(chǎn)生的水下噪聲，相比于建設(shè)期的噪聲，聲壓水平較小，但持續(xù)時(shí)間久，因此要加強(qiáng)海上風(fēng)電場(chǎng)水下噪聲對(duì)海洋生物長(zhǎng)期累積性影響的研究。

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國(guó)家海洋局環(huán)保司業(yè)務(wù)性課題“國(guó)家海洋環(huán)境保護(hù)與監(jiān)測(cè)”．