山东近海潮流能电场建设环境影响分析

周 斌，马 龙，周雅卓，丁 磊

（1.国家海洋局北海海洋工程勘察研究院 青岛 266033；2.国家海洋局北海技术保障中心 青岛 266033）

随着全球人口和经济规模的不断增长，化石能源所带来的环境问题也越来越严重。在此背景下，“低碳经济”“低碳技术”等一系列新概念应运而生，世界各国纷纷把发展可再生能源作为未来能源战略的重要组成部分。中国政府为促进可再生能源的发展，出台了一系列的政策与法规，公布实施了 《可再生能源法》，编制完成了 《可再生能源中长期发展规划》《可再生能源发展 “十一五”规划》等，为中国发展可再生能源提供了良好的制度环境。潮流能作为海洋可再生能源的一种，具有无污染、可预测性高、环境影响小的特点，近年来，逐渐受到各国政府和私人投资者的重视。在能源和环境矛盾日渐突出，科学技术水平不断提高的情况下，海上潮流能电场领域的投资将逐步增加，建设规模将逐步扩大。在积极利用潮流能的同时，也应客观分析其可能带来的环境影响，本研究从国内外潮流能开发现状入手，分析我国山东近海潮流能电场建设可能带来的环境影响，并提出了相应的对策。

1 国内外潮流能开发现状

1.1 国外潮流能开发现状

潮流能是指海水流动所具有的动能，它是由涨落潮 （天体引力作用）引发的海水周期性往复流动，受地域环境、地形的影响较明显［1］。世界上对潮流能的研究与开发始于20世纪70年代，美国、英国和日本等沿海发达国家就开始研究如何从潮流中获得能量［2］。进入21世纪，潮流能发电从基础研究开始转向开发应用阶段，一些发达国家纷纷组建潮流发电技术研究机构，规划 建设潮 流 发电示 范 项 目［2－5］。2008 年，SeaGen系统在英国北爱尔兰Stangford投入运行，共安装10台1.2 MW机组。英国正在苏格兰和北威尔士建设大型潮流能发电场，将安装1.2 MW及以上的SeaGen机组及其他型式的潮流能发电机组。韩国分别与英国Lunar Energy公司和德国Voith Hydro公司合作，在全罗南道莞岛郡Hoenggan水道建设潮流能发电场，总装机容量分别达到300 MW和600 MW。

1.2 国内潮流能开发现状

根据20世纪80年代沿海农村海洋能资源区划的调查资料［6］，我国130条水道的潮流能资源平均理论功率达1 396万k W，其中占全国潮流能总量的50%左右，集中在浙江舟山海域和杭州湾，是全国沿岸潮流能开发利用条件最为理想的地方［7］。此外，辽宁、山东、福建和台湾沿岸的平均理论功率在114.0万～228.3万k W，具有非常可观的开发价值。

我国较为系统的潮流能研究开始于20世纪80年代初［5，8］。2002年，哈尔滨工程大学设计的亚洲第一座70 k W漂浮式垂直轴潮流实验电站在浙江舟山建成；2005年，国家 “863”科技计划的40 k W座底固定式垂直轴潮流能实验电站在浙江舟山建成；2005年，在 “863”计划海洋监测技术主题的支持下，东北师范大学研制成功放置于海底的低流速潮流发电机；2008年，中国海洋大学研制的柔性叶片水流发电装置在青岛斋堂岛水道试验成功；2009年，由浙江大学研制的25 k W “水下风车”在浙江舟山成功实现试验运行。

总体来看，目前国内潮流能开发仍处于实验阶段，尤其是在大规模应用方面与国际先进水平尚存在一定的差距。随着技术的不断发展，兆瓦级大型潮流能电场的建设必将成为趋势［9］。

2 山东近海潮流能资源概况

2.1 山东近海水文环境概况

山东省位于我国东部偏北，地理位置在34°20′N～38°30′N 和114°45′E～122°42′E。海岸线北起鲁冀交界处的漳卫新河河口与河北省相隔，南以鲁苏交界处德绣针河河口与江苏省为界。山东省海域分布于渤海和黄海，以蓬莱角为界，向西属于渤海海域；向东属于黄海海域。在黄海海域中，以山东半岛最东端的成山角为界，分属于北黄海和南黄海海域。山东近海海洋水文情况较为复杂［10］，有沿岸低盐水系和外海高盐水系两大水系，有黄海暖流、黄海冷水团和青岛外海冷水团，还有渤海沿岸流和苏北沿岸流。

2.2 山东近海潮流能资源概况

山东近海潮流能资源丰富，理论平均功率为119.5万k W［6］，主要分布于庙岛群岛的天然水道、成山头近海和半岛南部各海湾湾口。庙岛群岛海域的长山水道、北隍城水道和登州水道等几个水道的潮流能资源相当可观，尤其是北隍城水道理论平均功率达80.6万k W［6］。吕新刚等［11］利用三维潮流数值模式估算出青岛胶州湾口潮流能多年平均理论功率为1.6万k W。武贺等［12］利用短期准调和分析方法研究了荣成成山头附近海域潮流的运动变化特征，并估算出该海域潮流能理论蕴藏量为1.77万k W。

3 山东近海潮流能电场建设环境影响分析

潮流能电场是将潮流能转化为机械能进而转化为电能的系统。按照潮流能发电设备的类型分类［5］，主要包括水平轴式涡轮机 （horizontal axis turbine）、垂直轴式涡轮机 （vertical axis turbine）、振荡水翼式 （oscillating hydrofoil）系统和文丘里 （venturi effect）系统等。依据不同的海域水深，潮流能发电机组的安装方式主要可分为两种：一种为固定式，将机组安装在固定于海底的桩柱上；另一种为漂浮式，将机组安装在漂浮于水面的载体下。固定式可上浮系统，可避免影响航运，易于维修，是潮流能发展的趋势。

潮流能是一种随时间、空间而变化的能源，但其变化有规律可循，并可提前预测预报。与常规化石能源发电相比，潮流能发电的环境效益是显著的［13－14］。首先，潮流能是清洁的可再生能源，其开发利用不消耗化石燃料，不会受到能源枯竭的威胁，还可以减少温室气体的排放，不会加重日益恶化的环境负担。其次，潮流能开发装置可安装在海底或漂浮在海面，不占用宝贵的土地资源，不存在移民安置问题。

目前，国内尚未建设大规模的潮流能电场，其环境影响方面的研究工作还有待展开，而国外的一些政府和研究机构已开始了此项工作［15］。Geziry T M［16］采用交互式矩阵 （interactive matrix）对地中海墨西拿海峡潮流能项目进行了环境影响研究，提出了环境评估概念模型，阐述了施工期、运营期和退役期的各种活动对潮流、波浪、噪声、沉积物、水质、底栖生物和哺乳动物等的影响。Andrew B G［17］分析了潮流能电场项目造成的噪声、电磁场和碰撞等直接影响，并探讨了其运营阶段作为人工鱼礁可能产生的间接生态效应。Richard Inger等［18］也开展过类似的研究工作。

通过借鉴国外潮流能项目的经验，以下将分析潮流能电场建设环境方面的一些共性问题，并结合海洋功能区划，探讨山东近海潮流能电场建设的环境影响。

4 潮流能电场建设环境影响分析

4.1 施工期环境影响分析

潮流能电场施工内容主要包括安装潮流能发电机组、铺设海底电缆、建设海上升压变电站等。固定式机组、升压站打桩或基础开挖，以及铺设海底电缆挖沟作业，一方面会造成作业区附近海水中的悬浮物浓度升高，透明度降低，对浮游植物的生长起到抑制作用［19－20］；另一方面会占用部分海域底土，改变作业区附近底栖生物群落生境。施工结束后悬浮物经过扩散和沉降，作业区水质将逐步改善，海底电缆路由区和桩基附近海域浮游植物和底栖生物群落逐步恢复，形成新的生境，因此其影响属于短期的可恢复性质［21］。施工期间，作业船舶产生的机舱含油废水、施工人员的生活污水和生活垃圾统一收集上岸处理，则不会对海域水质造成影响。此外，打桩作业产生的噪声会对海洋生物的听觉系统构成多种干扰，影响其传递信息、摄食、求偶与洄游等［22］。中国水产科学研究院黄海水产研究所与中科院声学所实验测得，在32 m的距离上，对虾的致死声强级为120～124 dB，梭鱼的致死声强级则大于120 dB［23］。潮流能电场施工期应尽可能避开鱼类产卵期。

4.2 运营期环境影响分析

潮流能电场对水动力和冲淤环境的影响须针对具体工程的特点和海域环境特征定量分析，本研究仅采用类比法作定性分析。祁昌军等［24］针对江苏海上风电场，利用Mike21软件建立了二维潮流数学模型，模拟结果显示风电场桩基对工程所在海域的流速、流向、潮位和潮通量等水动力条件影响很小，影响主要在风机桩基附近。张玮等［25］采用有限单元算法研究了上海近海风电场风机桩群布局对海域水动力条件的影响，认为群桩对当地大范围的潮汐和潮流特性影响甚小，对工程海域的影响基本集中在风机附近，但不同场址的影响程度也存在着差别。庞启秀等［26］利用二维潮流模型研究了浙江乐清大门大桥桥墩对周围海域水动力环境的影响，认为其影响仅限于桥位附近。固定式机组桩基与海上风电场桩基、桥墩等类似，通过以上类比分析，认为潮流能电场桩基对水动力和冲淤环境影响较小。

无论是固定式机组还是漂浮式机组，涡轮机转动均可能对游泳动物造成伤害。传统的涡轮机叶片采用刚性材料，结构笨重，转动的叶片会伤害到海洋生物尤其是海洋哺乳动物［27］。黄渤海主要的哺乳动物有斑海豹、江豚、宽吻海豚、小鳁鲸、伪虎鲸等［28］。山东半岛北部的庙岛群岛是主要经济鱼、虾类进入渤海各产卵场和长成后越冬洄游必经之路，也是斑海豹的洄游通道［29］。江豚、宽吻海豚、小鳁鲸和伪虎鲸等在山东半岛北部的烟威渔场和南部的石岛渔场均有分布［30－32］。大规模的潮流能电场选址应避开产卵场、繁殖场、索饵场和洄游通道，积极探索柔性叶片涡轮机在潮流能开发中的应用，这种新型装置叶轮转速慢，各种海洋生物可以在叶片附近活动，对海域生态环境影响较小。

陆上水电站水头高、机组转速快，噪声级可达85 d B以上［33］，而潮流能能量密度低，流速5 m/s当量水头仅1.3 m［34］，水轮机转速慢，基本不改变海洋环境噪声本底值，因此不会对海洋生物造成影响。运营期机组定期维护、检修产生的废弃物全部收集上岸处理，不会对海水水质造成影响。

机组和桩基长期暴露在海洋腐蚀环境中，主要采用涂层防腐和阴极保护，牺牲阳极保护装置一般采用铝－锌－铟系合金，其中锌含量为5.5%～7.0%［35］，因此会有少量锌释放到海水中。黄桂桥［36］实验测得铝合金阳极块在海水全浸区16年暴露的平均腐蚀率为1.5～7.2μm/a，对海域水质和沉积物环境中锌本底值贡献极其有限。

潮流能电场海底电缆一般采用金属铠装屏蔽电缆，电缆外层的金属屏蔽层和铠装层可以有效地屏蔽电缆带电芯线在周围所产生的电场。但是电缆芯线中的电流所产生的磁场却不能为其外层金属屏蔽层有效地屏蔽。类比陆上110 kV电缆线路，最大磁感应强度为0.28μT［37］，远低于国家标准限值［38］，对周围环境影响有限。电磁波在海水中传播的能量衰减速率较空气环境中更大，水下电缆输电释放的磁场能量会迅速衰减。因此，运营期海底电缆产生的电磁辐射不会对海洋生物产生不利影响。

4.3 对通航和景观的影响分析

潮流能资源丰富的海域往往位于重要的海峡、湾口，船舶通航密度大，潮流能电场的建设可能会对通航安全构成威胁，引发船舶碰撞事故。潮流能电场选址应避开上述海域的航道，尽量选择开阔水域，施工期和运营期应发布航海通告，使过往船只注意避让。

苏格兰行政院关于潮流能的战略环境评价从海洋景观角度分析［39］，认为河口和海峡比基岩海岸敏感，而砂质海岸是最为敏感的类型。潮流能电场对海洋景观的潜在影响主要与其与海岸的距离和安装方式有关，一般认为距离海岸线5 km内的装置对景观有较大的影响，超过10 km其影响较小，位于水下的装置则对景观基本无影响。

因此，从通航安全和海洋景观角度考虑，固定式机组优于漂浮式机组，但其选址应避开锚地。

4.4 山东近海潮流能电场建设场址分析

山东省海洋功能区划将全省海域划分为：港口航运区、渔业资源利用区、矿产资源利用区、旅游区、海水资源利用区、海洋能利用区、海洋工程区、海洋保护区、特殊功能区、保留区和其他功能区等共11类、37个二级类、718个功能区［10］。潮流能电场的建设应与海洋功能区划一致或兼容，其用海应不影响功能区划海域使用管理与环境保护要求。

根据前文分析，山东近海潮流能资源比较丰富的区域主要包括庙岛群岛海域、成山头海域和胶州湾海域等。山东省海洋功能区划已将荣成市成山头确定为海洋能利用区，成山头近海潮流能资源丰富，地质条件良好，周边社会经济条件优越，建设潮流能电场具有得天独厚的优势。而庙岛群岛和胶州湾海域均属于山东省海洋功能区划中确定的重点海域。庙岛群岛海域重点功能是水产养殖、旅游和海上交通，胶州湾海域重点功能是港口、旅游、渔业、自然保护、盐业。庙岛群岛海域是海洋生物重要的洄游通道，而且全年波浪较大，海况恶劣，对开发潮流能不利，以目前的认知和技术水平，庙岛群岛还不适宜建设大规模潮流能电场。在不影响海上交通和水产养殖的前提下，可尝试建设小规模固定式潮流能电场，解决岛上居民用电问题。胶州湾湾口紧邻青岛市区，建设固定式潮流能电场无须铺设长距离海底电缆，但湾口海域是繁忙的航道，船舶通航密度大，不利于大规模施工作业，但可在近岸建设小型潮流能电站示范项目，用于教学和科研等。

5 结束语

山东近海丰富的潮流能资源，可为山东半岛蓝色经济区的建设提供强大的绿色能源。然而大规模的潮流能电场建设势必带来一定的环境影响。潮流能电场的选址应因地制宜、合理布局，尽可能地避开生态保护区、航道锚地和养殖区等。潮流能项目规划阶段即应进行与其有关的现状调查工作，包括气象条件、海洋水文动力环境、海洋地形地貌与冲淤环境、海水水质环境、海洋沉积物环境、海洋腐蚀环境、海洋生态环境与渔业资源和利益相关者调查等方面的内容，并在此基础上开展环境影响评价和海域使用论证等工作，以达到合理有序开发潮流能资源的目的，实现环境效益、经济效益和社会效益的统一。

［1］国家海洋局 .HYT045—1999海洋能源术语［S］.北京：中国标准出版社，1999.

［2］戴庆忠 .潮流能发电及潮流能发电装置［J］.东方机电，2010（2）：51－66.

［3］刘美琴，仲颖，郑源，等 .海流能利用技术研究进展与展望［J］.可再生能源，2009，27（5）：78－81.

［4］林勇刚，李伟，刘宏伟，等 .水下风车海流能发电技术［J］.浙江大学学报：工学版，2008，42 （7）：1242－1246.

［5］李波，李龙，杨丽，等 .潮流能的利用及研究状况［J］.太阳能，2010（9）：39－42.

［6］王传崑 .中国沿海农村海洋能资源区划［M］.北京：国家海洋局科技司，水电部科技司，1989.

［7］陈耕心 .浙江沿岸和长江口区潮流能源及其开发利用［J］.东海海洋，1991，9（1）：13－18.

［8］游亚戈，李伟，刘伟民，等 .海洋能发电技术的发展现状与前景［J］.电力系统自动化，2010，34（14）：1－12.

［9］高艳波，柴玉萍，李慧清，等 .海洋可再生能源技术发展现状及对策建议［J］.可再生能源，2011，29（2）：152－156.

［10］山东省人民政府 .山东省海洋功能区划［M］.北京：海洋出版社，2004.

［11］吕新刚，乔方利，赵昌，等 .海洋潮流能资源的数值估算：以胶州湾口为例［J］.太阳能学报，2010，31（2）：137－143.

［12］武贺，赵世明，徐辉奋，等 .成山头外潮流能初步估算［J］.海洋技术，2010，29（3）：98－100.

［13］王传崑 .潮流发电［J］.华东水电技术，1998（2）：59－60.

［14］吕新刚，乔方利 .海洋潮流能资源估算方法研究进展［J］.海洋科学进展，2008，26（1）：98－108.

［15］尼尔森N M，赵艳春 .潮流与河道水流能量转换技术［J］.水利水电快报，2008，29（7）：22－25.

［16］GEZIRY T M.Environmental impact assessment and process simulation of the tidal current energy resource in the Strait of Messina［D］.Edinburgh：The University of Edinburgh，2010.

［17］ANDREW B G.Offshore renewable energy：ecological implications of generating electricity in the coastal zone ［J］.Journal of Applied Ecology，2005，42：605－615.

［18］RICHARD I，MARTIN J A，STUART B，et al.Marine renewable energy：potential benefits to biodiversity？An urgent call for research［J］.Journal of Applied Ecology，2009，46：1145－1153.

［19］徐兆礼，李鸣，高倩，等 .洋山工程影响海洋环境关键因子的分析［J］.海洋环境科学，2010，29（5）：617－635.

［20］匡华，匡良.ECOMSED数学模型研究悬浮物对海洋环境影响［J］.四川理工学院学报：自然科学版，2008，21（2）：47－50.

［21］张秀云，焦亦平，张凤林 .大长山岛海底输水管道工程对海域环境影响的初步探讨［J］.海洋通报，1998，17（4）：63－69.

［22］沈金鳌 .防治能量污染保护海洋生态［J］.海洋开发与管理，2000，17（3）：50－53.

［23］周时强，王清池，李文权，等 .声波对海洋生物的影响与作用的研究［J］.海洋技术，2001，20（2）：9－11.

［24］祁昌军，廖琦琛，董浩平，等 .江苏辐射沙洲潮间带风电场对海洋水动力场的影响分析［J］.环境污染与防治，2011，33（8）：69－80.

［25］张玮，王斌，夏海峰 .近海风电场风机桩群布局对海域水动力条件的影响［J］.中国港湾建设，2007（2）：1－4.

［26］庞启秀，李孟国，麦苗 .桥墩对周围海域水动力环境影响研究［J］.中国港湾建设，2008（3）：32－35.

［27］王树杰，李冬，赵龙武，等 .柔性叶片水流发电模型实验研究［J］.太阳能学报，2010，31（3）：362－366.

［28］王丕烈 .中国海洋哺乳动物区系［J］.海洋学报，1991，13（3）：387－392.

［29］王丕烈，韩家波，马志强 .黄渤海斑海豹种群现状调查［J］.野生动物杂志，2008，29（1）：29－31.

［30］王丕烈 .黄渤海产中小型齿鲸类的调查［J］.动物学杂志，1979（2）：33－36.

［31］王丕烈 .黄海小鳁鲸生殖习性的研究［J］.海洋与湖沼，1982，13（4）：338－344.

［32］王丕烈 .黄海须鲸类的研究［J］.动物学报，1978，24（3）：269－277.

［33］田必勇 .抽水蓄能电站水轮机的噪声控制［J］.水电站机电技术，2004（6）：49－50.

［34］王传崑，卢苇 .海洋能资源分析方法及储量评估［M］.北京：海洋出版社，2009：130－152.

［35］中国船舶工业集团公司 .GB/T 4948—2002铝—锌—铟系合金牺牲阳极［S］.北京：中国标准出版社，2003.

［36］黄桂桥 .铝合金在海洋环境中的腐蚀研究：海水全浸区16年暴露试验总结［J］.腐蚀与防护，2002，23（2）：47－50.

［37］蒋宏济，万力，王继纯.110 kV电缆电磁辐射对环境的影响［J］.高压电技术，2005，31（1）：87－88.

［38］国家环境保护总局 .HJ/T 24—1998 500 kV超高压送变电工程电磁辐射环境影响评价技术规范［S］.北京：中国标准出版社，1999.

［39］FABER M.Scottish marine renewable strategic environmental assessment （SEA）：Non-technical summary［R］.Edinburgh：Scottish Executive，2007.