海上风电场运营期水下噪声测量及特性初步分析

牛富强, 杨燕明， 许肖梅, 周在明, 黄跃坤

(1. 国家海洋局第三海洋研究所, 福建 厦门　361005; 2.厦门大学 海洋与地球学院, 福建 厦门　361005)

海上风电场运营期水下噪声测量及特性初步分析

牛富强1,2, 杨燕明1， 许肖梅2, 周在明1, 黄跃坤1

(1. 国家海洋局第三海洋研究所, 福建 厦门361005; 2.厦门大学 海洋与地球学院, 福建 厦门361005)

海上风电场运营期间产生的水下噪声影响了海洋生态环境。针对国内对风机水下噪声定量研究的缺乏，测量分析了海上风电场运营期单机容量3.0 MW和5.0 MW风机产生的水下噪声，并利用简正波模型仿真噪声分布。数据处理结果表明，风机产生的水下噪声强度较低，集中分布在800 Hz以下的低频段，噪声谱具有主频特性，高风速下主频更加明显;噪声强度随风速的增加而增大，而与风机功率差异不明显；噪声谱主频分布与风机功率、风速、桩基结构等有关。总体看，单个风机运营期间产生的水下噪声对海洋生态环境影响区域小。现场测量数据及结果可为海上风电工程环境影响评价提供技术参考，具有较大的工程应用价值。

海上风电场；水下噪声；噪声测量；运营期

海上风电场作为一种可再生能源成了传统能源的替代品[1]。近年来，开发海上风电已逐渐成为世界各国共识。目前，我国海上风电开发已进入快速发展期，预计2014年开工建设的项目多达7个[2]。然而，海上风电场的建设以及运营必然对工程海域生态和水文地质条件等环境存在一定的影响[3]，如海域密布的风机基础结构对水位、流速、纳潮量及海洋调节能力等水动力条件的影响、海上风电场运营期对候鸟迁徙的干扰以及对海洋生物的影响等。环境影响制约着海上风电的发展。海上风电场对生态、航道、海床、自然景观、鸟类等影响的分析报告已经有了较为成熟的方法，然而风电场运营期产生的水下噪声对海洋生物的影响评估目前在全世界范围内仍显不足，主要原因在于缺乏运营期间对水下噪声数据的监测。本文开展海上风电场在运营期的水下噪声测量对其特性分析研究。

海上风电场工作周期一般分为四个阶段：施工前期、施工期、运营期和停运期[4]。由于施工期产生的水下噪声，类似于其他涉海活动，例如航道疏浚、港口、海底隧道、跨海桥梁建设等，因此国外开展研究较多，近些年国内也有厦门大学、国家海洋局第三海洋研究所等进行了研究，并积累了一些数据。施工期产生的强噪声，峰值高达200 dB(re 1μPa @ 1 m)以上，可破坏当地海域生态环境，甚至会造成海洋生物的直接伤亡[5]。通常情况下，虽然运营期产生的水下噪声强度较低，集中在低频段(1 kHz以下)，但由于海上风电场运营周期长(一般20～30年)，并且风机持续存在，因此会增加当地海域的噪声级。这些噪声对海洋生物行为影响尚不明确，仅能通过观察极少数的物种来判断，例如，由于噪声频率范围与某些海洋哺乳动物(如鼠海豚)的敏感阈值相一致[6]，因此当存在运营期间噪声时会对其行为产生影响。

海上风电场运营期水下噪声的现场监测，目前国外公开文献中仅有少量几组数据。世界上第一次风电场水下噪声测量是在20世纪90年代中期瑞典进行的[7]。在瑞典海域的东南方向近岸有一个容量220 kW的风机，塔高35 m，距风机约100 m处的水下噪声测量结果表明，当风速在6 m/s 和12 m/s时，风机产生的噪声分别为102 dB和113 dB，噪声谱峰位置约在16 Hz处。对丹麦海域容量450kW重力混凝土结构风机和瑞典海域容量550 kW单桩式结构风机测量[8]，风速为13 m/s时，距风机约20 m处的水下噪声测量结果表明，前者产生的水下噪声峰值频率为25 Hz，对应强度119 dB，后者产生的噪声峰值频率为160 Hz，对应强度95 dB。2002-11～2003-02对瑞典Utgrunden风电场1.5 MW风机测量[9]，结果表明风机产生的水下噪声具有4个主频，分别为178 Hz、358 Hz、537 Hz和723 Hz。最近一组是对丹麦Middelgrunden风电场2.0 MW风机测量[6]，风速在13 m/s时，距离风机40 m处的噪声峰值频率为125 Hz，对应强度114 dB。基于有限的现场监测数据，西班牙学者尝试开展了基于声场模型仿真风电场附近海域的水下噪声分布[10]。对单机容量超过2.0 MW风机测量国外也未有开展。而国内仅对风电场空气中产生的噪声进行测量，尚未对水下噪声进行监测，缺乏风电场产生的水下噪声数据。张丹等[11]对吉林长岭王子风电场风机运行噪声进行了监测，并对噪声的衰减规律进行了分析，但这些数据都是空气中的噪声。王文团等[12]根据大量的环保验收实际测量数据，对陆上风电场产生的空气噪声的变化规律与影响特点进行分析研究，给出了地面风速、负荷与噪声强度的关系。仇丰等[13]采用风电噪声预测模型，对空气中风电场噪声的近、远场分布情况进行预测。李静等[14]从海上风电场建设的各个阶段，分析了渤海海域建设海上风电场对环境的影响，重点指出风电场运行阶段，对鱼群种类、渔业、鸟类等影响，但没有对水下噪声进行监测。本文利用自容式水下声音记录仪对上海东海大桥海上风电场运营期单机容量3.0 MW和5.0 MW风机产生的水下噪声进行测量，并进行噪声功率谱级和频带内总声级计算，最后基于简正波的声传播模型分析风电场周边海域的水下噪声分布。

1海上风电场运营期水下噪声的现场测量

1.1运营期水下噪声的产生及传播机制

海上风电场在运转过程中可能产生两类噪声：① 风机叶片的转动，在空气中产生气动噪声；② 机组内部的机械运转产生噪声：风机叶片带动齿轮箱和发电机转动过程中，机械传动会产生振动(包括轮毂中活动部件的机械噪声)并通过风轮机相应结构辐射到水中。这两类噪声传播路径见图1，主要分三种：① 气动噪声通过水气界面进入水中；② 结构振动噪声会直接通过塔架辐射入水；③ 结构振动通过与海底相连的底座辐射噪声并在海床上传播，部分声能在海床传播过程泄漏进入水中。

图1　风机运转过程产生的噪声传播路径示意图Fig.1 Mechanism of underwater noise generation by an offshore wind turbine

声波从一种介质进入另一种介质时会发生反射和透射，反射系数和透射系数与介质特征阻抗有关。由于空气的特征阻抗远远小于水的，因此，空气声波入水时，会发生全反射，透射入水声波强度可近似为零[15]。通过海底传播的噪声大小由海底沉积物类型决定，而结构振动辐射入水的噪声，传播距离最远，强度最大，是海上风电场产生水下噪声的主要来源[16]。风机运行中，塔架会受到各种激振力的作用，包括旋转部件质量不均衡、齿轮齿合、电磁作用等[17]，每个激振力的具有不同的离散频率，因此风机塔架振动辐射的水下噪声具有窄带性。旋转不平衡产生低频成分(<50 Hz)，齿轮齿合产生从8～1 000 Hz频率成分，而电磁作用会产生50～2 000 Hz频率成分。激振力的强度和结构内阻尼会影响辐射水下噪声强度。随着风速增加，叶片转动加快，结构激振力增强，辐射水下噪声强度会增加。不同桩基结构的内阻尼不同，辐射的水下噪声也会有差异。

1.2测量对象

本文测量围绕我国已经投入运营的第一个海上风电场—上海东海大桥海上风电场展开(见图2)。

图2　上海东海大桥海上风电场示意图Fig.2 Location of Shanghai Donghai bridge offshore wind farm

海上风电场位于上海市临港新城至洋山深水港的东海大桥东侧1 000 m以外海域，共布置34台单机3.0 MW的风机，分5排，东西向间距均为1 000 m，第一排与第二排之间有一条1 000 t辅道通航，南北向间距超过1 000 m，其余四排南北向间距均为500 m。此外，东海大桥西侧有一台单机5.0 MW(36#)的风机在试运行。

风机是采用华锐风电自主研发的SL3000-90和SL5000-128。参数见表1。

表1　SL3000-90和SL5000-128技术参数

1.3测量方法

测量系统由自容式水下声音记录仪组成。记录仪水听器灵敏度-180 dB(re 1v/μPa)，采集系统连续采用率可达80 kHz，存储容量128 GB，20 Hz～30k Hz频率响应曲线平坦，输入端含有一个35 kHz的3阶低通滤波器。系统技术指标可保证测量数据的有效性。

分别测量了2#、36#风机产生的水下噪声，共设置2个测点(见图2)。整个测量期间，辅助航道无航船通过，测点附近无船舶活动。文献[8]研究表明，风机产生的水下噪声频率较低，声强主要集中在1 kHz以下频段的几个单频。因此将自容式水下声音记录仪采样率设置为10 kHz。表2给出站点信息及测量期间的海洋环境参数值，图3、图4分别给出风速、流速、水温和记录仪深度随时间变化情况。

表2　站点信息及测量期海洋环境参数

图3　测量期间风速和流速随时间变化Fig.3 Wind speed and flow velocity change with time during measurements

图4　测量期间水温和记录深度随时间变化Fig.4 Water temperature and depth of hydrophone change with time during measurements

1.4数据处理

将获取的噪声数据按照一定的时间规则截为多段，至少需选取3 min的数据。本文研究选取10 min，分为40段，每段时长为15 s。然后将每一段数据画出来，通过观察，剔除存在明显干扰信号(如脉冲信号或幅值异常信号)的噪声段，将挑选后的噪声数据作为待处理的数据。浅海声传播存在一个截止频率，声波波长小于或等于4倍水深时，才可能在水中传播。结合测量海域的水深，本文频率分析范围选择30 ～1 000 Hz。噪声功率谱级和总声级计算模型如下：

设有效噪声信号为x(n)，长度为L，将其按覆盖分为Ⅰ段，每段长度为N(N根据分辨率、方差要求选定，且要求N≥fs，fs为采样率)。

对第i段加窗后的有效噪声信号序列xi(n)w(n)进行快速傅里叶变换，并对结果因加窗导致的能量差异进行修正，得到该段信号噪声功率为：

(1)

(2)

式中：i=1,2,…,I，k=1,2,…,N-1。

对所有Ⅰ段有效噪声信号取线性平均：

(3)

计算带宽归一化的噪声功率谱级PSD(fi)：

K(fi)-G-10lg[(h-l+1)×Δf]

(4)

式中：fi为1/3倍频程中心频率；Δf为频率分辨率；h，l分别为fi的上下限频率对应的位置；M(fi)为水听器灵敏度；K(fi)为系统频响；G为系统增益。

根据PSD(fi)可以计算出频带内的总声级Lp：

(5)

式中：n为频带内包含的1/3倍频程点的个数。

2结果及分析

2.1风机产生水下噪声窄带谱级分布

海上风电场内部和周边一定海域内的噪声级随着风机数目的增多而增大。由于声线干涉作用，来自不同风机的噪声在风电场内部会产生复杂的声场。因此测点选择尽可能离其他风机较远的地方，以减少声场干涉影响。本文测量站点靠近单个风机，风机周围1 000 m范围没有其他风机工作，更远距离风机带来的叠加效应可以忽略。高风速下，3.0 MW风机产生水下噪声与环境噪声谱级分布见图5。

图5　3.0 MW风机产生水下噪声谱级分布Fig.5 Spectral noise density at high wind speed from 3.0 MW wind turbine

由图5可知风机产生水下噪声强度较低，主要集中在500 Hz以下的三个单频，分别为118 Hz、210 Hz、334 Hz，对应强度值为99.68 dB、96.55 dB、91.75 dB。文献[18]给出了适用于计算水深小于100 m的浅海声传播损失公式：

TL=(16.07+1.85lg(f))(lg(r)+3)+

(0.174+0.46lg(f)+0.5(lg(f))2)r

(6)

式中：r为传输距离，范围1 ～ 80 km；f为频率，范围100～ 10 kHz。

根据式(6)可计算出风机产生水下噪声三个主频的声源级，分别为134.33 dB、132.04 dB、127.92 dB。

2.2不同风速下风机产生水下噪声谱特性

为了分析风速对风机产生水下噪声的影响，将测量期间的风速定义为三种：低风速(3～5 m/s)、中风速(8 m/s)、高风速(11～12 m/s)，结果见图6，水下噪声谱采用1/3倍频程频带声压级能较好的反应噪声源的频谱特性。

图6可知风速是重要的影响因素，总体看风速越大，产生的水下噪声强度越大。海上风力发电机具有旋转设备的运行结构，此种结构在较高转速运行时会受到明显的叶轮转频及倍频谐波激励作用[19]。3.0 MW风机，在中高风速时，具有3个主频，主频分布几乎一致，而低风速时，第一个主频消失；5.0 MW风机，高低风速时，主频分布差异性不明显。

2.3不同功率和桩基结构风机产生水下噪声谱特性

表3给出了不同功率和桩基结构的风机产生水下噪声谱特性。

表3　不同功率和桩基结构风机产生水下噪声特征

图6　不同风速下风机产生水下噪声谱级分布Fig.6 Noise spectrum from wind turbine in third-octave levels at different wind speeds

从表3可知，水下噪声强度和峰值频率随桩基结构、功率变化而改变，不同桩基结构具有不同的噪声特性，但功率差异性不显著。目前，功率不同而结构完全相同的风机水下噪声数据有限，无法给出明确定论。

3运营期海上风电场水下噪声分布

测量条件限制，没有获取更多距离的测量值，因此需要使用声传播模型来预测风机周边区域的水下噪声分布。利用简正波模型仿真3.0 MW风机周边海域水下噪声分布，声源级采用测量获取的值。仿真其他参数设置如下：水深d=14 m，声源深度Sd=5 m，接收深度Rd=5 m；海水和海底为均匀介质，海水密度ρw=1 000 kg/m3，实测海水声速见图7(a)，海底密度ρb=1 668 m/s，海底声速cb=1 806 m/s，海底的衰减系数α=0.5 dB/λ(λ为波长)。

图7(b)、图7(c)、图7(d)分别给出了三个峰值频率50 Hz、100 Hz和125 Hz下噪声强度区域变化，由此可知风机产生的水下噪声强度较低，影响区域小，较远距离海域产生的水中噪声值与海洋环境噪声相当。但浅海具有复杂的传播环境，并且风机结构振动传播也涉及海底情况，因此模型仿真只是一种理论估算，与实际情况并非完全相符，存在一定局限性。

图7　风机周边区域水下噪声强度分布Fig.7 Noise intensity distribution in the surroundings of wind turbine

4结论

本文对海上风电场运营期不同功率、不同桩基结构风机产生的水下噪声进行测量，从噪声功率谱级和频带内总声级分析，主要得到以下结论：

(1) 风机尺寸(功率)、海深、桩基结构、沉积物等不同，但产生的水下噪声具有一些共同特性：噪声强度较低，主要能量集中800 Hz以下低频段，具有2个或3个主频。

(2) 水下噪声强度主要与风速有关，风速越大，风机产生的水下噪声值越大，而与风机功率差异不明显。关于风速与风机产生水下噪声的主频分布关系，目前没有统一定论。文献[16]指出主频分布与风机机械性能有关，与风速无关；而文献[9]研究表明风由于风机转动与风速有关，因此主频分布随风速不同而变化，本文测量结果与后者一致。

(3) 本文研究可为海上风电工程环境影响评价提供技术参考，具有较大的应用价值。多个风机产生水下噪声分布，还有待后续工作从实测和理论模型两方面做深入探讨。

致谢：感谢魏士俨、曾德祺两位同志在本研究实验数据获取方面给予的帮助。

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Measurements and analysis of underwater noise from the operation of offshore wind farms

NIU Fu-qiang1,2, YANG Yan-ming1, XU Xiao-mei2, ZHOU Zai-ming1, HUANG Yue-kun1

(1. Third Institute of Oceanography, SOA, Xiamen 361005, China;2. College of Oceanography and Environmental Science, Xiamen University, Xiamen 361005, China)

Underwater noise from the operation of offshore wind farms has impacted the marine environment. Underwater noise was recorded from one 3.0 MW and one 5.0 MW wind turbine in Shanghai during a normal operation phase in this paper. Finally, a normal mode propagation model was designed to predict the noise distribution of wind turbines. The results of the data processing show that noise during operation is of a much lower intensity and generally dominated by a series of pure tones below 800 Hz. The dominating frequencies become obvious at high wind speed. The sound intensity increases with the wind speed but has no significant difference with the power of the wind turbines. In addition, the frequency content of the noise seems to change with the power of the wind turbines, the wind speed and the foundation type. The zones of the noise effects on the marine environment are small during the operation of the wind farms. The results of this paper can provide technical information for environmental impact assessment of offshore wind farms and have great value in engineering applications.

off-shore wind farm; underwater noise; noise measurement; operation phase

10.13465/j.cnki.jvs.2016.12.034

国家海洋局第三海洋研究所基本科研业务专项经费(海三科2013020);海洋公益性行业科研专项(201105011)

2015-01-08修改稿收到日期：2015-05-08

牛富强 男，博士，助理研究员，1981年生

杨燕明 男，博士，研究员，1966年生

O427.5

A