海上風(fēng)電電磁輻射對海洋生物影響的研究綜述

蔡靈 姜尚 馬麗 郭洲華

摘要：海上風(fēng)電工程是我國解決能源危機(jī)的新舉措。為更好地推動(dòng)我國海上風(fēng)電建設(shè)與海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)的和諧發(fā)展，文章綜述海上風(fēng)電的電磁輻射對海洋生物的影響。已有的研究表明：海上風(fēng)電對海洋生物的電磁輻射影響的主要來源是海底電纜，電磁輻射產(chǎn)生影響主要是因?yàn)槟承┖Ｑ笊锞哂写琶舾行?磁場可能影響魚類遷徙等海洋生物運(yùn)動(dòng)，且足夠強(qiáng)度的磁場還會(huì)影響海洋生物的生殖和發(fā)育等生理過程;隨著海上風(fēng)電的快速發(fā)展，深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電的電磁輻射影響亟待更多的研究。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電;電磁輻射;海底電纜;海洋生物;海洋工程

中圖分類號：TM614;P75;P735文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1005-9857（2019）12-0071-05

Review of the Research on the Effects of Electromagnetic Radiation from Offshore Wind Power on Marine Organisms

CAI Ling，JIANG Shang，MA Li，GUO Zhouhua

（Third Institution of Oceanography，MNR，Xiamen 361005，China）

Abstract：Offshore wind power project is a new measure to solve the energy crisis in China.In order to better promote the harmonious development of offshore wind power construction and marine ecological environment protection，the impact of electromagnetic radiation of offshore wind power on marine organisms was summarized in this paper.It was reported that the submarine cable was the main source of the electromagnetic radiation worked on the marine organisms.The influence of electromagnetic radiation from the submarine cable was summarized mainly due to the magnetic sensitivity of some marine organisms： the magnetic field may affect the movement of marine organisms，such as the migration of fish，etc.，and the magnetic field of sufficient strength may also affect the physiological processes of reproduction and development of marine organisms.With the rapid development of offshore wind power，more research should be made on the influence of electromagnetic radiation of deep sea offshore wind power.

Key words：Offshore wind power，Electromagnetic radiation，Submarine cable，Marine organism，Marine engineering

0引言

風(fēng)力發(fā)電是可再生能源技術(shù)領(lǐng)域最成熟的發(fā)電方式之一，對解決能源危機(jī)和調(diào)整能源結(jié)構(gòu)具有非常積極的意義。海上風(fēng)電是近年來我國興起的海洋工程類型。我國海上風(fēng)能資源豐富，根據(jù)《中國風(fēng)電發(fā)展路線圖2050年》，我國水深5～50 m海域、100 m高度的海上風(fēng)能資源開放量為5億kW，總面積為394萬km2。

與此同時(shí)，海上風(fēng)電的施工和運(yùn)營可能對海洋環(huán)境造成的影響也是公眾關(guān)心的熱點(diǎn)，其中包括海上風(fēng)電場對海洋的水文動(dòng)力環(huán)境、地形地貌環(huán)境、沖淤環(huán)境、鳥類生態(tài)環(huán)境、生物生態(tài)環(huán)境、聲環(huán)境和電磁環(huán)境等的影響。目前我國對于海上風(fēng)電電磁輻射影響的研究較少，本研究收集并整理多年來國內(nèi)外海上風(fēng)電電磁輻射對海洋生物影響的研究成果，以期為我國海上風(fēng)電的發(fā)展提供技術(shù)支持，并為相關(guān)研究奠定基礎(chǔ)。

1 電磁輻射影響來源

海上風(fēng)電機(jī)組、升壓站和海底電纜是海上風(fēng)電主要的電磁輻射影響來源（圖1）。

風(fēng)電機(jī)組和升壓站均位于海面上，且不同介質(zhì)電磁輻射的衰減很快，對海洋生物的影響較小。因此，有可能對海洋生物產(chǎn)生電磁輻射影響的主要是海上風(fēng)電的輸電電纜。同時(shí)，由于電纜絕緣屏蔽外殼接地，屏蔽了電場，電纜外部主要是磁場輻射，且海底電纜產(chǎn)生的磁場主要來源于保護(hù)層中的鐵磁性材料和自身的加載電流。

2海底電纜的電磁輻射

21海底電纜的基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，海底電纜可分為單芯電纜和三芯電纜[1-2]，我國海上風(fēng)電的電纜大多數(shù)采用三芯電纜。三芯電纜的優(yōu)點(diǎn)包括：電纜本身可加鋼帶鎧裝，防外力破壞的能力強(qiáng)，占地面積小，可敷設(shè)在各種管材中，雖然施工較困難，但總體施工時(shí)間較短;缺點(diǎn)包括：受電纜盤和自身重量的限制，電纜一般不能太長，運(yùn)輸不方便，太粗的電纜敷設(shè)時(shí)較困難，不易彎曲，載流量比相同截面的單芯電纜小。

22海底電纜內(nèi)部的電磁場模擬

海底電纜的傳輸方式（交流或直流）、材料、電力傳輸特性和海水電導(dǎo)率等因素都將對其電磁環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。電纜輸電線路是靜止的磁耦合回路，其負(fù)序阻抗和正序阻抗是相等的，即對稱運(yùn)行狀態(tài)和不對稱運(yùn)行狀態(tài)的阻抗相同。對正（負(fù)）序電流來說，其產(chǎn)生的磁場主要集中在導(dǎo)線附近的空間內(nèi)，在遠(yuǎn)離導(dǎo)線處的空間將急劇衰減。交變磁場在金屬屏蔽層產(chǎn)生感應(yīng)電勢，在屏蔽層及其接地點(diǎn)之間產(chǎn)生感應(yīng)電壓，其中線芯三相電流的向量和為0，感應(yīng)電壓也為0。

上海交通大學(xué)楊鏡非團(tuán)隊(duì)利用Ansys軟件[3]，研究220 kV交流聚乙烯海底電纜并建立模型，得到三芯電纜在正常運(yùn)行時(shí)內(nèi)部的電場分布，結(jié)果表明電纜外部屏蔽層的電場強(qiáng)度已下降到10～17 Vm的量級，由于電纜內(nèi)部是時(shí)變的電壓和電流，由時(shí)變電場產(chǎn)生的磁場在電纜外部已經(jīng)很小。

23海底電纜外部的電磁場模擬

英國利物浦大學(xué)智能監(jiān)控中心[4]提供了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的13 kV海底電纜外部的磁場分布，其中電纜埋深為1 m，且隨著距離的增加，電磁場由電纜中心的最大值迅速降低，在電纜外1 m的范圍內(nèi)，由電纜產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度已降低至10-6 T。根據(jù)科學(xué)家的探測和研究，地球磁場強(qiáng)度約為（03～06）×10-4 T，因此電纜外部的磁場在很短距離以外的影響已較小。

一些科學(xué)家[5-7]研究三芯海底電纜的電磁輻射。假設(shè)：平均水深為20 m，海砂層厚11 m，電纜埋在海床以下1 m 處（圖2）;電纜的相間電壓為135 kV有效交流電壓，每一相的交流電流為700 A。

營運(yùn)中的海上風(fēng)電場電纜使用的三相電纜，每一相導(dǎo)體中均存在120°的相位差，使得周圍導(dǎo)體產(chǎn)生變化的磁場。模擬結(jié)果顯示：盡管電纜的護(hù)套提供了良好的電場屏蔽，但無法屏蔽磁場，因此電纜外部存在一定的磁場;由于海水和海砂具有不同的電導(dǎo)率，仿真得到的電流密度在海水和海砂之間的界面呈現(xiàn)不連續(xù)狀態(tài)，在觀測半徑相等的情況下，海水中的電流密度約為海砂中的5倍，因此電纜外部的感應(yīng)強(qiáng)度為10-10～10-5 T。

袁健美等[8]根據(jù)我國江蘇如東龍?jiān)春Ｉ巷L(fēng)電示范區(qū)的情況，在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中對海底電纜開展實(shí)際測量，其中電纜系統(tǒng)額定電壓為35 kV，短路電流為1 200 A，系統(tǒng)頻率為50 Hz，海上測量水深為5～10 m，海底電纜埋深為2 m，據(jù)此計(jì)算距離電纜01～60 m處的磁場強(qiáng)度約為004～240 mT。

3電磁場對海洋生物的影響

海洋大型風(fēng)電場長距離鋪設(shè)的海底電纜所產(chǎn)生的高電壓和大電流將對海洋生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響，如當(dāng)電流產(chǎn)生磁場時(shí)，洄游魚類等海洋生物將受到影響。研究表明：某些海洋生物具有磁敏感性，磁場可能會(huì)影響其運(yùn)動(dòng)方向;海底電纜可能破壞或影響遷徙魚類的地磁模式，且足夠強(qiáng)度的磁場還會(huì)影響海洋生物的生殖和發(fā)育等生理過程。

31電磁輻射對海洋魚類的影響

電磁場會(huì)對海洋魚類的行為產(chǎn)生影響。早在20世紀(jì)70年代俄羅斯學(xué)者[9]就已證明河流中的魚類從電線下方通過時(shí)會(huì)有反應(yīng)，并猜測這是磁力的影響。Nishi等[10]在黑暗的水族箱中用不同強(qiáng)度的人工電磁場刺激日本鰻鱺（Anguilla japonica），并通過心電圖監(jiān)測日本鰻鱺的磁敏感性，結(jié)果表明日本鰻鱺對12663 μT 的EW向水平地磁場產(chǎn)生反應(yīng)，相當(dāng)于鹿兒島SN向水平地磁場強(qiáng)度的038倍，因此日本鰻鱺無論是在海中還是河中都是磁敏感的。Karlsson[11]在八角形槽中測試歐洲銀鰻（Anguilla anguilla）的磁性取向，結(jié)果表明單只鰻魚的方向在2個(gè)磁場之間顯著不同，即鰻魚對磁場有反應(yīng)。Souza等[12]在八角形行為箱中施加不同的磁場，在8 d內(nèi)記錄黃鰻（Anguilla rostrata）的位置，結(jié)果表明磁場的變化會(huì)引起黃鰻行動(dòng)方向的改變。丹麥能源公司在Nysted海上風(fēng)電場進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)有些穿越電纜線路的魚類遷移受到影響，但并非完全受阻。Gill等[13]采用圍隔實(shí)驗(yàn)的方法，證明底棲板鰓魚類會(huì)對海底電纜釋放的相關(guān)類型和強(qiáng)度的電磁場做出反應(yīng)。袁健美等[8]研究海上風(fēng)電磁場對12種海洋生物的存活率和行為的影響，結(jié)果表明：100 mT（電纜處）強(qiáng)度磁場對黑鯛（Sparus macrocephalus）的存活率和行為有一定的影響，并初步判斷距離電纜12 m外（磁場強(qiáng)度約為020 mT）的位置為海洋魚類對海上風(fēng)電磁場的耐受范圍;文蛤（ Mercenaria mercenaria Linnaeus ）等貝類對磁場的耐受性較好，海上風(fēng)電磁場對其存活率沒有影響;在風(fēng)電正常運(yùn)營的情況下，底棲生物的存活率也未出現(xiàn)明顯差異。

同時(shí)，電磁場會(huì)對海洋魚類的生理造成一定的影響。Lerchl[14]研究溪紅點(diǎn)鮭（Salvelinus fontinalis）在磁場中暴露的影響：該磁場由亥姆霍茲線圈產(chǎn)生，最大磁通密度為40 μT，頻率為1 Hz，200 ms開，800 ms關(guān);通過特定的放射免疫測定法估算褪黑激素濃度，結(jié)果表明與對照組相比，MF暴露顯著增加夜間松果體（P<0001）和血清（P<001）褪黑激素水平。Formicki等[15]的研究結(jié)果表明，低值的恒定磁場暴露能減緩鱒（Salmo trutta）和虹鱒（Oncorhynchus mykiss）的胚胎發(fā)育。Krzemieniewski等[16]在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)歐洲鲇（Silurus glanis）暴露于強(qiáng)度持續(xù)為04～06 T的磁場中時(shí)，其生物量下降率和死亡率升高。然而Bochert等[17]的研究結(jié)果表明，幼體鰈（Plathichthys flesus）在受強(qiáng)度為37 mT 的靜電磁場影響數(shù)周時(shí)，并未受到影響。

32電磁輻射對其他海洋生物的影響

唐超等[18]研究射頻電磁輻射（RFEMF）、極低頻電磁場（ELFEMF）和交變電場（AEF）3種典型電磁環(huán)境脅迫對銅綠微囊藻（Microcystis aeruginosa）細(xì)胞氧化應(yīng)激的影響作用。袁健美等[8]的研究結(jié)果表明：縱肋織紋螺（Nassarius variciferus）的回避行為受磁場影響明顯，即在24 h之內(nèi)，405 mT和090 mT磁場暴露條件下的縱肋織紋螺分別有830%和330%逃離實(shí)驗(yàn)缸，其余均分布于實(shí)驗(yàn)缸邊緣;磁場暴露下黑褐新糠蝦（Neomysis awatschensis）的存活率有所降低，且在405 mT時(shí)表現(xiàn)尤為明顯，存活率與對照組相比顯著降低（1053%）。Lohmann[19]的研究結(jié)果表明，肯普的雷德利海龜（Lepidochelys kempi）、綠海龜（Chelonia mydas）和海龜（Caretta caretta）都利用地球磁場進(jìn)行定位并遷移。Boles等[20]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，在排除其他因素干擾的情況下，多刺龍蝦（Panulirus argus）也利用磁場進(jìn)行定位。

4結(jié)語

截至2017年年底，全球海上風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模累計(jì)達(dá)到1881 GW，我國海上風(fēng)電新增吊裝容量逐年上升，海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到279 GW，約占全球海上風(fēng)電裝機(jī)總量的148%。根據(jù)風(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃，我國海上風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量在2020年將超過5 GW，開工容量將超過10 GW。

海上風(fēng)電項(xiàng)目用海會(huì)造成海洋空間的破碎化，制約海域未來開發(fā)利用活動(dòng)。海上風(fēng)電場占用生境對鳥類遷徙、海水水質(zhì)和底棲生物的影響，施工噪聲對海洋哺乳動(dòng)物的影響，海底電纜的電磁輻射影響以及對海域水文動(dòng)力的影響等都是海上風(fēng)電場工程建設(shè)亟須重點(diǎn)關(guān)注的環(huán)境問題，目前這些問題尚未有科學(xué)有力的結(jié)論。

海上風(fēng)電場在發(fā)展初期多布局在潮間帶和近海海域，隨著潮間帶淺海海域資源的緊缺以及海上風(fēng)電深遠(yuǎn)海安裝技術(shù)和能力的提升，越來越多的風(fēng)電場開始走向深遠(yuǎn)海，深遠(yuǎn)海的海上風(fēng)電發(fā)展?jié)摿薮?。然而由于缺乏深遠(yuǎn)海的相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，世界各國仍不能有效開展深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電項(xiàng)目的生態(tài)環(huán)境影響評價(jià)。為此，我國仍須開展大量的基礎(chǔ)研究和監(jiān)測工作。

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