周 斌，馬 龍，周雅卓，丁 磊

（1.國(guó)家海洋局北海海洋工程勘察研究院 青島 266033；2.國(guó)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(jì)規(guī)模的不斷增長(zhǎng)，化石能源所帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重。在此背景下，“低碳經(jīng)濟(jì)”“低碳技術(shù)”等一系列新概念應(yīng)運(yùn)而生，世界各國(guó)紛紛把發(fā)展可再生能源作為未來(lái)能源戰(zhàn)略的重要組成部分。中國(guó)政府為促進(jìn)可再生能源的發(fā)展，出臺(tái)了一系列的政策與法規(guī)，公布實(shí)施了 《可再生能源法》，編制完成了 《可再生能源中長(zhǎng)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(guó)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(wú)污染、可預(yù)測(cè)性高、環(huán)境影響小的特點(diǎn)，近年來(lái)，逐漸受到各國(guó)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(xué)技術(shù)水平不斷提高的情況下，海上潮流能電場(chǎng)領(lǐng)域的投資將逐步增加，建設(shè)規(guī)模將逐步擴(kuò)大。在積極利用潮流能的同時(shí)，也應(yīng)客觀分析其可能帶來(lái)的環(huán)境影響，本研究從國(guó)內(nèi)外潮流能開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀入手，分析我國(guó)山東近海潮流能電場(chǎng)建設(shè)可能帶來(lái)的環(huán)境影響，并提出了相應(yīng)的對(duì)策。

1 國(guó)內(nèi)外潮流能開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外潮流能開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

潮流能是指海水流動(dòng)所具有的動(dòng)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(dòng)，受地域環(huán)境、地形的影響較明顯［1］。世界上對(duì)潮流能的研究與開(kāi)發(fā)始于20世紀(jì)70年代，美國(guó)、英國(guó)和日本等沿海發(fā)達(dá)國(guó)家就開(kāi)始研究如何從潮流中獲得能量［2］。進(jìn)入21世紀(jì)，潮流能發(fā)電從基礎(chǔ)研究開(kāi)始轉(zhuǎn)向開(kāi)發(fā)應(yīng)用階段，一些發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛組建潮流發(fā)電技術(shù)研究機(jī)構(gòu)，規(guī)劃 建設(shè)潮 流 發(fā)電示 范 項(xiàng) 目［2－5］。2008 年，SeaGen系統(tǒng)在英國(guó)北愛(ài)爾蘭Stangford投入運(yùn)行，共安裝10臺(tái)1.2 MW機(jī)組。英國(guó)正在蘇格蘭和北威爾士建設(shè)大型潮流能發(fā)電場(chǎng)，將安裝1.2 MW及以上的SeaGen機(jī)組及其他型式的潮流能發(fā)電機(jī)組。韓國(guó)分別與英國(guó)Lunar Energy公司和德國(guó)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(chǎng)，總裝機(jī)容量分別達(dá)到300 MW和600 MW。

1.2 國(guó)內(nèi)潮流能開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

根據(jù)20世紀(jì)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(guó)130條水道的潮流能資源平均理論功率達(dá)1 396萬(wàn)k W，其中占全國(guó)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(guó)沿岸潮流能開(kāi)發(fā)利用條件最為理想的地方［7］。此外，遼寧、山東、福建和臺(tái)灣沿岸的平均理論功率在114.0萬(wàn)～228.3萬(wàn)k W，具有非?？捎^的開(kāi)發(fā)價(jià)值。

我國(guó)較為系統(tǒng)的潮流能研究開(kāi)始于20世紀(jì)80年代初［5，8］。2002年，哈爾濱工程大學(xué)設(shè)計(jì)的亞洲第一座70 k W漂浮式垂直軸潮流實(shí)驗(yàn)電站在浙江舟山建成；2005年，國(guó)家 “863”科技計(jì)劃的40 k W座底固定式垂直軸潮流能實(shí)驗(yàn)電站在浙江舟山建成；2005年，在 “863”計(jì)劃海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)主題的支持下，東北師范大學(xué)研制成功放置于海底的低流速潮流發(fā)電機(jī)；2008年，中國(guó)海洋大學(xué)研制的柔性葉片水流發(fā)電裝置在青島齋堂島水道試驗(yàn)成功；2009年，由浙江大學(xué)研制的25 k W “水下風(fēng)車(chē)”在浙江舟山成功實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)運(yùn)行。

總體來(lái)看，目前國(guó)內(nèi)潮流能開(kāi)發(fā)仍處于實(shí)驗(yàn)階段，尤其是在大規(guī)模應(yīng)用方面與國(guó)際先進(jìn)水平尚存在一定的差距。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，兆瓦級(jí)大型潮流能電場(chǎng)的建設(shè)必將成為趨勢(shì)［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(guó)東部偏北，地理位置在34°20′N(xiāo)～38°30′N(xiāo) 和114°45′E～122°42′E。海岸線(xiàn)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(tuán)和青島外海冷水團(tuán)，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(wàn)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(zhǎng)山水道、北隍城水道和登州水道等幾個(gè)水道的潮流能資源相當(dāng)可觀，尤其是北隍城水道理論平均功率達(dá)80.6萬(wàn)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(wàn)k W。武賀等［12］利用短期準(zhǔn)調(diào)和分析方法研究了榮成成山頭附近海域潮流的運(yùn)動(dòng)變化特征，并估算出該海域潮流能理論蘊(yùn)藏量為1.77萬(wàn)k W。

3 山東近海潮流能電場(chǎng)建設(shè)環(huán)境影響分析

潮流能電場(chǎng)是將潮流能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電能的系統(tǒng)。按照潮流能發(fā)電設(shè)備的類(lèi)型分類(lèi)［5］，主要包括水平軸式渦輪機(jī) （horizontal axis turbine）、垂直軸式渦輪機(jī) （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(jī)組的安裝方式主要可分為兩種：一種為固定式，將機(jī)組安裝在固定于海底的樁柱上；另一種為漂浮式，將機(jī)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(yùn)，易于維修，是潮流能發(fā)展的趨勢(shì)。

潮流能是一種隨時(shí)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(cè)預(yù)報(bào)。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(kāi)發(fā)利用不消耗化石燃料，不會(huì)受到能源枯竭的威脅，還可以減少溫室氣體的排放，不會(huì)加重日益惡化的環(huán)境負(fù)擔(dān)。其次，潮流能開(kāi)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(wèn)題。

目前，國(guó)內(nèi)尚未建設(shè)大規(guī)模的潮流能電場(chǎng)，其環(huán)境影響方面的研究工作還有待展開(kāi)，而國(guó)外的一些政府和研究機(jī)構(gòu)已開(kāi)始了此項(xiàng)工作［15］。Geziry T M［16］采用交互式矩陣 （interactive matrix）對(duì)地中海墨西拿海峽潮流能項(xiàng)目進(jìn)行了環(huán)境影響研究，提出了環(huán)境評(píng)估概念模型，闡述了施工期、運(yùn)營(yíng)期和退役期的各種活動(dòng)對(duì)潮流、波浪、噪聲、沉積物、水質(zhì)、底棲生物和哺乳動(dòng)物等的影響。Andrew B G［17］分析了潮流能電場(chǎng)項(xiàng)目造成的噪聲、電磁場(chǎng)和碰撞等直接影響，并探討了其運(yùn)營(yíng)階段作為人工魚(yú)礁可能產(chǎn)生的間接生態(tài)效應(yīng)。Richard Inger等［18］也開(kāi)展過(guò)類(lèi)似的研究工作。

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

4 潮流能電場(chǎng)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(chǎng)施工內(nèi)容主要包括安裝潮流能發(fā)電機(jī)組、鋪設(shè)海底電纜、建設(shè)海上升壓變電站等。固定式機(jī)組、升壓站打樁或基礎(chǔ)開(kāi)挖，以及鋪設(shè)海底電纜挖溝作業(yè)，一方面會(huì)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(duì)浮游植物的生長(zhǎng)起到抑制作用［19－20］；另一方面會(huì)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(guò)擴(kuò)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(jī)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(huì)對(duì)海域水質(zhì)造成影響。此外，打樁作業(yè)產(chǎn)生的噪聲會(huì)對(duì)海洋生物的聽(tīng)覺(jué)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(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所與中科院聲學(xué)所實(shí)驗(yàn)測(cè)得，在32 m的距離上，對(duì)蝦的致死聲強(qiáng)級(jí)為120～124 dB，梭魚(yú)的致死聲強(qiáng)級(jí)則大于120 dB［23］。潮流能電場(chǎng)施工期應(yīng)盡可能避開(kāi)魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵期。

4.2 運(yùn)營(yíng)期環(huán)境影響分析

潮流能電場(chǎng)對(duì)水動(dòng)力和沖淤環(huán)境的影響須針對(duì)具體工程的特點(diǎn)和海域環(huán)境特征定量分析，本研究?jī)H采用類(lèi)比法作定性分析。祁昌軍等［24］針對(duì)江蘇海上風(fēng)電場(chǎng)，利用Mike21軟件建立了二維潮流數(shù)學(xué)模型，模擬結(jié)果顯示風(fēng)電場(chǎng)樁基對(duì)工程所在海域的流速、流向、潮位和潮通量等水動(dòng)力條件影響很小，影響主要在風(fēng)機(jī)樁基附近。張瑋等［25］采用有限單元算法研究了上海近海風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)樁群布局對(duì)海域水動(dòng)力條件的影響，認(rèn)為群樁對(duì)當(dāng)?shù)卮蠓秶某毕统绷魈匦杂绊懮跣?，?duì)工程海域的影響基本集中在風(fēng)機(jī)附近，但不同場(chǎng)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(lè)清大門(mén)大橋橋墩對(duì)周?chē)Ｓ蛩畡?dòng)力環(huán)境的影響，認(rèn)為其影響僅限于橋位附近。固定式機(jī)組樁基與海上風(fēng)電場(chǎng)樁基、橋墩等類(lèi)似，通過(guò)以上類(lèi)比分析，認(rèn)為潮流能電場(chǎng)樁基對(duì)水動(dòng)力和沖淤環(huán)境影響較小。

無(wú)論是固定式機(jī)組還是漂浮式機(jī)組，渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)均可能對(duì)游泳動(dòng)物造成傷害。傳統(tǒng)的渦輪機(jī)葉片采用剛性材料，結(jié)構(gòu)笨重，轉(zhuǎn)動(dòng)的葉片會(huì)傷害到海洋生物尤其是海洋哺乳動(dòng)物［27］。黃渤海主要的哺乳動(dòng)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(jì)魚(yú)、蝦類(lèi)進(jìn)入渤海各產(chǎn)卵場(chǎng)和長(zhǎng)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(chǎng)和南部的石島漁場(chǎng)均有分布［30－32］。大規(guī)模的潮流能電場(chǎng)選址應(yīng)避開(kāi)產(chǎn)卵場(chǎng)、繁殖場(chǎng)、索餌場(chǎng)和洄游通道，積極探索柔性葉片渦輪機(jī)在潮流能開(kāi)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(dòng)，對(duì)海域生態(tài)環(huán)境影響較小。

陸上水電站水頭高、機(jī)組轉(zhuǎn)速快，噪聲級(jí)可達(dá)85 d B以上［33］，而潮流能能量密度低，流速5 m/s當(dāng)量水頭僅1.3 m［34］，水輪機(jī)轉(zhuǎn)速慢，基本不改變海洋環(huán)境噪聲本底值，因此不會(huì)對(duì)海洋生物造成影響。運(yùn)營(yíng)期機(jī)組定期維護(hù)、檢修產(chǎn)生的廢棄物全部收集上岸處理，不會(huì)對(duì)海水水質(zhì)造成影響。

機(jī)組和樁基長(zhǎng)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(hù)，犧牲陽(yáng)極保護(hù)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(huì)有少量鋅釋放到海水中。黃桂橋［36］實(shí)驗(yàn)測(cè)得鋁合金陽(yáng)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(duì)海域水質(zhì)和沉積物環(huán)境中鋅本底值貢獻(xiàn)極其有限。

潮流能電場(chǎng)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(xiàn)在周?chē)a(chǎn)生的電場(chǎng)。但是電纜芯線(xiàn)中的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)卻不能為其外層金屬屏蔽層有效地屏蔽。類(lèi)比陸上110 kV電纜線(xiàn)路，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.28μT［37］，遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值［38］，對(duì)周?chē)h(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(chǎng)能量會(huì)迅速衰減。因此，運(yùn)營(yíng)期海底電纜產(chǎn)生的電磁輻射不會(huì)對(duì)海洋生物產(chǎn)生不利影響。

4.3 對(duì)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(chǎng)的建設(shè)可能會(huì)對(duì)通航安全構(gòu)成威脅，引發(fā)船舶碰撞事故。潮流能電場(chǎng)選址應(yīng)避開(kāi)上述海域的航道，盡量選擇開(kāi)闊水域，施工期和運(yùn)營(yíng)期應(yīng)發(fā)布航海通告，使過(guò)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(píng)價(jià)從海洋景觀角度分析［39］，認(rèn)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(lèi)型。潮流能電場(chǎng)對(duì)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(rèn)為距離海岸線(xiàn)5 km內(nèi)的裝置對(duì)景觀有較大的影響，超過(guò)10 km其影響較小，位于水下的裝置則對(duì)景觀基本無(wú)影響。

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

4.4 山東近海潮流能電場(chǎng)建設(shè)場(chǎng)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(yùn)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(hù)區(qū)、特殊功能區(qū)、保留區(qū)和其他功能區(qū)等共11類(lèi)、37個(gè)二級(jí)類(lèi)、718個(gè)功能區(qū)［10］。潮流能電場(chǎng)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(hù)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(huì)經(jīng)濟(jì)條件優(yōu)越，建設(shè)潮流能電場(chǎng)具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。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(diǎn)海域。廟島群島海域重點(diǎn)功能是水產(chǎn)養(yǎng)殖、旅游和海上交通，膠州灣海域重點(diǎn)功能是港口、旅游、漁業(yè)、自然保護(hù)、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(duì)開(kāi)發(fā)潮流能不利，以目前的認(rèn)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(chǎng)。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(chǎng)，解決島上居民用電問(wèn)題。膠州灣灣口緊鄰青島市區(qū)，建設(shè)固定式潮流能電場(chǎng)無(wú)須鋪設(shè)長(zhǎng)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(xiàng)目，用于教學(xué)和科研等。

5 結(jié)束語(yǔ)

山東近海豐富的潮流能資源，可為山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)的建設(shè)提供強(qiáng)大的綠色能源。然而大規(guī)模的潮流能電場(chǎng)建設(shè)勢(shì)必帶來(lái)一定的環(huán)境影響。潮流能電場(chǎng)的選址應(yīng)因地制宜、合理布局，盡可能地避開(kāi)生態(tài)保護(hù)區(qū)、航道錨地和養(yǎng)殖區(qū)等。潮流能項(xiàng)目規(guī)劃階段即應(yīng)進(jìn)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(dòng)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(kāi)展環(huán)境影響評(píng)價(jià)和海域使用論證等工作，以達(dá)到合理有序開(kāi)發(fā)潮流能資源的目的，實(shí)現(xiàn)環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的統(tǒng)一。

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