丁曉，李洪遠(yuǎn)

（南開(kāi)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300071）

海洋蘊(yùn)涵的可利用能量大大超過(guò)了目前全球能源需求的總和。潮流能具有規(guī)律性、可預(yù)測(cè)性、功率密度大、能量穩(wěn)定等特點(diǎn)，主要用于發(fā)電[1]。發(fā)展潮流能利用技術(shù)，是中國(guó)應(yīng)對(duì)全球氣候挑戰(zhàn)的必然選擇。雖然潮流能是可再生的清潔資源，但是它也可能對(duì)環(huán)境存在著一定的負(fù)面影響。相比潮流能開(kāi)發(fā)利用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究，關(guān)于潮流能發(fā)電對(duì)環(huán)境影響的研究還處于起步階段，尤其缺乏一些定量的研究。本文在總結(jié)關(guān)于潮流能發(fā)電潛在環(huán)境影響的研究的基礎(chǔ)上，識(shí)別了重要的環(huán)境影響并提出了一個(gè)潮流能發(fā)電的環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，以期為潮流能發(fā)電環(huán)境影響評(píng)價(jià)提供一個(gè)可參考的定量與定性相結(jié)合的指標(biāo)體系。

1 潮流能發(fā)電技術(shù)發(fā)展概況

潮流能主要是指海底水道和海峽中較穩(wěn)定的流動(dòng)以及由于潮汐導(dǎo)致的有規(guī)律的海水流動(dòng)[2]。潮流能主要是用于發(fā)電，歐洲、美洲、亞洲各國(guó)都開(kāi)展了潮流能發(fā)電技術(shù)的研究。

美國(guó)是世界上最早開(kāi)展海流發(fā)電研究的國(guó)家之一[3]。1973年美國(guó)首先提出在佛羅里達(dá)海域采用 “科里奧利斯”進(jìn)行海流發(fā)電裝置發(fā)電的方案。1985年，美國(guó)OEK公司設(shè)計(jì)制造了一臺(tái)29 kW的三葉片水輪機(jī)，在紐約市東河吊橋上進(jìn)行了潮流能發(fā)電試驗(yàn)[4]。2007年4月，Verdant Power公司在紐約東河建設(shè)并試運(yùn)行了美國(guó)第一個(gè)重要的潮流發(fā)電項(xiàng)目[5]。2009年4月底，加拿大新斯科舍省電力公司與OpenHydro簽署合同，計(jì)劃在芬迪灣建設(shè)一個(gè)1 MW的潮流發(fā)電項(xiàng)目。

在歐洲，英國(guó)、意大利、德國(guó)、挪威等都開(kāi)展了相關(guān)研究，其中英國(guó)的研究比較多。20世紀(jì)90年代初，英國(guó)IT動(dòng)力公司在歐盟的資助下聯(lián)合幾家公司開(kāi)始潮流能發(fā)電試驗(yàn)研究。2003年，MCT（Marine Current Turbine）公司在英格蘭德文郡的Lynmouth外海安裝了一臺(tái)300 kW的原型機(jī)。2008年12月，MCT公司在北愛(ài)爾蘭斯特湖安裝的原型機(jī)組滿(mǎn)發(fā)電，單機(jī)容量超過(guò)1.2 MW，并投入商業(yè)運(yùn)行[5]。

在亞洲，韓國(guó)從2001起開(kāi)展潮流能發(fā)電設(shè)備的研發(fā)，并于2009年5月完成裝機(jī)容量為1 MW的Uldomok潮流發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置的建設(shè)，中期研究計(jì)劃中從2011年開(kāi)始，此計(jì)劃中除了包括商用設(shè)備的研發(fā)還包括了潮流能發(fā)電環(huán)境影響與環(huán)境監(jiān)測(cè)研究[6]。日本于1975年開(kāi)始進(jìn)行黑海潮流能發(fā)電的資源調(diào)查，日本大學(xué)在1983年—1988年間在來(lái)島海峽進(jìn)行了垂直軸潮流發(fā)電機(jī)的研究[7]，此后對(duì)潮流能的研究一直沒(méi)有權(quán)威報(bào)道。國(guó)內(nèi)的研究主要由大學(xué)主持開(kāi)展，其中哈爾濱工程大學(xué)開(kāi)展最早，從十九世紀(jì)八十年代就開(kāi)始進(jìn)行垂直軸潮流能發(fā)電設(shè)備的研究，中國(guó)海洋大學(xué)[8]、浙江大學(xué)[8]、東北師范大學(xué)[9]緊隨其后，取得了一系列的成果。

目前市場(chǎng)上的潮流能發(fā)電設(shè)備有大概20多種，有些已經(jīng)投入了商業(yè)運(yùn)行，但是還沒(méi)有一種潮流能發(fā)電設(shè)備能進(jìn)行大規(guī)模的商用。

2 潮流能發(fā)電的環(huán)境影響

2.1 潮流能發(fā)電潛在的環(huán)境影響識(shí)別

雖然潮流能被認(rèn)為是清潔的能源，各國(guó)在開(kāi)發(fā)潮流能發(fā)電技術(shù)與設(shè)備的同時(shí)，也開(kāi)始關(guān)注潮流能發(fā)電可能帶來(lái)的環(huán)境影響。但是，潮流能發(fā)電的環(huán)境影響研究還處于起步階段。

2001年12月，英國(guó)貿(mào)易工業(yè)部（TheDepartment of Trade and Industry， DTI）的可更新能源計(jì)劃中有一部分工作是對(duì)潮流能開(kāi)發(fā)的潛在環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)估，但并未對(duì)環(huán)境影響進(jìn)行定量化研究[7-10]。

愛(ài)丁博格大學(xué)2010年的一篇博士論文中，對(duì)地中海海盆中的墨西拿海峽潮流能的利用環(huán)境影響，使用交互式矩陣（interactive matrix）進(jìn)行了研究[11]。目的在于評(píng)價(jià)在能源開(kāi)發(fā)過(guò)程中的環(huán)境影響、影響的程度，以及提出監(jiān)測(cè)計(jì)劃以控制和減小預(yù)期的環(huán)境影響。研究中提出的環(huán)境評(píng)估概念模型，闡述了設(shè)備的安裝階段、運(yùn)行階段和報(bào)廢階段的各種活動(dòng)對(duì)潮流、波況、噪聲、沉積物、海床、含沙量、海岸、海底生物、遠(yuǎn)洋生物、海鳥(niǎo)、鯨類(lèi)、魚(yú)類(lèi)等的影響。

2007年—2008年，加拿大近海能源環(huán)境影響研究會(huì)（Offshore Energy Environmental Research Association，OEERA）開(kāi)展了關(guān)于芬迪灣潮流能開(kāi)發(fā)的戰(zhàn)略環(huán)境影響評(píng)價(jià)[12]，報(bào)告中列出了潮流能轉(zhuǎn)換項(xiàng)目的典型的環(huán)境影響，描述了工程各個(gè)階段與環(huán)境之間可能發(fā)生的相互作用，但并未試圖去預(yù)測(cè)或者評(píng)估影響程度。

蘇格蘭行政院授權(quán)的潮流能和波浪能開(kāi)發(fā)的戰(zhàn)略環(huán)境影響評(píng)價(jià)中，闡述了潮流能發(fā)電對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)、海洋哺乳動(dòng)物、底棲生物及其生境、魚(yú)類(lèi)、貝類(lèi)和海景的潛在影響[13]。

新西蘭波浪和潮流能協(xié)會(huì)（Aotearoa wave and tidal energy association， AWATEA）關(guān)于海洋能轉(zhuǎn)換裝置的環(huán)境影響報(bào)告中關(guān)于潮流能轉(zhuǎn)換裝置的環(huán)境影響分為了一般環(huán)境影響、對(duì)景觀、水力環(huán)境和生物的影響、噪聲產(chǎn)生的影響、產(chǎn)生的化學(xué)影響等[14]。

總結(jié)以上文獻(xiàn)中關(guān)于潮流能發(fā)電的環(huán)境影響研究，將主要的環(huán)境影響源分為：提取動(dòng)能、設(shè)備的輪葉和支撐結(jié)構(gòu)、設(shè)備的安裝/報(bào)廢、噪聲以及突發(fā)污染事故，潮流能發(fā)電對(duì)環(huán)境的潛在影響總結(jié)于表1。

2.2 潮流能發(fā)電的環(huán)境影響監(jiān)測(cè)

潮流能發(fā)電環(huán)境影響評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系可以參考潮流能發(fā)電項(xiàng)目在進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)時(shí)所關(guān)注的一些方面和指標(biāo)。目前關(guān)于潮流能發(fā)電的環(huán)境影響的監(jiān)測(cè)活動(dòng)還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有完整描述整個(gè)監(jiān)測(cè)體系的文獻(xiàn)，環(huán)境監(jiān)測(cè)總是在環(huán)境影響評(píng)價(jià)報(bào)告中有部分提及。

2006年MCT開(kāi)始SeaGen潮流能發(fā)電設(shè)備的環(huán)境影響監(jiān)測(cè)計(jì)劃[15，16]。2009年，加拿大芬迪海洋能源研究中心（Fundy Ocean Research Centre for Energy， FORCE）成立了環(huán)境影響監(jiān)測(cè)咨詢(xún)委員會(huì)，此委員會(huì)將為FORCE的環(huán)境影響監(jiān)測(cè)計(jì)劃提供獨(dú)立專(zhuān)業(yè)的科學(xué)和傳統(tǒng)生態(tài)學(xué)的建議[17]。2010年美國(guó)華盛頓大學(xué)的研究人員Brian Polagye等對(duì)將安裝在大西洋西北部的潮流能發(fā)電設(shè)備的環(huán)境影響進(jìn)行了系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)[18]。而在歐洲的許多潮流能環(huán)境影響研究中，對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)只是提供了一些建議，還沒(méi)發(fā)現(xiàn)關(guān)于環(huán)境監(jiān)測(cè)的詳細(xì)報(bào)告。但DTI在對(duì)安裝在Lynmouth的一臺(tái)原型機(jī)作為研究對(duì)象的報(bào)告中提到，進(jìn)行監(jiān)測(cè)的指標(biāo)包含生態(tài)和物理指標(biāo)[7]，生態(tài)指標(biāo)包括海底、海水上層生物以及海洋哺乳動(dòng)物的密度和豐度，物理參數(shù)包含局部潮流速度、浪高和速度、沉積參數(shù)、海水化學(xué)成分、海水含鹽量、海水溫度概況、環(huán)境噪聲級(jí)等[19]。2005年9月，歐洲海洋能源中心（European Marine Energy Centre， EMEC）的專(zhuān)題討論會(huì)指出[20]：監(jiān)測(cè)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮海洋哺乳動(dòng)物和潛水鳥(niǎo)類(lèi)，而且在一般監(jiān)測(cè)中需要記錄的應(yīng)包含：葉綠素濃度、噪聲、對(duì)海洋哺乳動(dòng)物的影響、對(duì)生境的干擾、識(shí)別水體中可能影響到水下動(dòng)物的變化、對(duì)發(fā)電場(chǎng)地內(nèi)鳥(niǎo)類(lèi)的記錄等。

表1 潮流能發(fā)電產(chǎn)生的潛在環(huán)境影響因子識(shí)別Tab.1 Identification of the potential environmental impact by the tidal current power generation system

3 潮流能發(fā)電環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.1 潮流能發(fā)電環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)確定原則

（1）針對(duì)性原則。指標(biāo)體系的建立應(yīng)針對(duì)潮流能發(fā)電的特點(diǎn)，圍繞表1所列的潮流能開(kāi)發(fā)對(duì)環(huán)境潛在環(huán)境影響進(jìn)行。

（2）可操作性原則。所選指標(biāo)應(yīng)能基本反映潮流能發(fā)電環(huán)境影響的內(nèi)涵，定量的數(shù)據(jù)可獲得，易操作。

（3）科學(xué)性原則。建立的指標(biāo)體系應(yīng)可以進(jìn)行定量或定性分析，并以定量為主。

（4）獨(dú)立性原則。指標(biāo)間應(yīng)盡可能具有相對(duì)獨(dú)立性，指標(biāo)之間不出現(xiàn)相互交叉。

3.2 潮流能發(fā)電環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

根據(jù)GB/T 19485—2004海洋工程環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則，海洋能開(kāi)發(fā)利用工程必須評(píng)價(jià)的單項(xiàng)環(huán)境影響包括：水質(zhì)環(huán)境、沉積物環(huán)境、生態(tài)環(huán)境、地形地貌與水文動(dòng)力環(huán)境[21]。本文結(jié)合潮流能發(fā)電項(xiàng)目的特點(diǎn)，綜合分析潮流能發(fā)電主要的環(huán)境影響，選取能夠反映潮流能電站周邊環(huán)境、具有一定代表性的因子建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。評(píng)價(jià)內(nèi)容分為環(huán)境因素、生物因素和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素三個(gè)方面，具體指標(biāo)如表2所示。

表中的指標(biāo)除了地形地貌中的海岸類(lèi)型和潮灘類(lèi)型外，都是定量指標(biāo)。所有定量指標(biāo)的數(shù)據(jù)獲取都是可行的，但這是建立在對(duì)潮流電站周?chē)h(huán)境的監(jiān)測(cè)或者說(shuō)大量的環(huán)境調(diào)查的基礎(chǔ)之上。

表2 潮流能發(fā)電環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Tab.2 Environmental impact assessment index system of tidal current power generation

4 結(jié) 語(yǔ)

潮流能發(fā)電技術(shù)的研究迅速發(fā)展，方興未艾。雖然潮流能被認(rèn)為是清潔的并且它的開(kāi)發(fā)利用環(huán)境影響較小，但是這并不能說(shuō)明潮流能發(fā)電沒(méi)有環(huán)境影響。在潮流能發(fā)電技術(shù)研究發(fā)展的同時(shí)，潮流能發(fā)電的環(huán)境影響研究理應(yīng)得到更多的關(guān)注。

潮流能發(fā)電的環(huán)境影響評(píng)價(jià)應(yīng)該是建立在識(shí)別潮流能發(fā)電主要的環(huán)境影響，并進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)之上的。要獲知潮流能發(fā)電的環(huán)境影響，應(yīng)該在潮流能發(fā)電站建設(shè)之前進(jìn)行環(huán)境基線(xiàn)調(diào)查，而且在電站的設(shè)備安裝、運(yùn)行和廢棄階段都進(jìn)行相應(yīng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)，再與基線(xiàn)調(diào)查數(shù)據(jù)相比較，即可得到潮流能發(fā)電的環(huán)境影響。而本文提出的潮流能發(fā)電的環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，為潮流能發(fā)電的環(huán)境影響研究和環(huán)境監(jiān)測(cè)所需關(guān)注的因素提供了參考。

[1] 游亞戈，李偉，李偉民，等.海洋能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與前景[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34（14）：1-12.

[2] 游亞戈，馬玉久.海洋能在海洋環(huán)境測(cè)量標(biāo)上的應(yīng)用[J].氣象水文海洋儀器，2003，9：32-34.

[3] 戴慶忠.潮流能發(fā)電機(jī)潮流能發(fā)電裝置 [J].東方機(jī)電，2010（2）： 51-66.

[4] VanZwieten J，Driscoll F R，Leonessa A，et al.Design of a prototype ocean current tubine-Part I：methmatical modeling and dynamics simulation[J].Ocean engineering，2006（33）：1485-1521.

[5] 李波，李龍，楊麗，等.潮流能的利用及研究狀況[J].太陽(yáng)能，2010（9）：39-42.

[6] Tidal current power development in Korea [EB/OL].http：//pemsea.org/eascongress/international-conference/presentation_t4-1_lee.pdf.

[7] The Robert Gordon University.Center for Environmental Engineering and Sustainable Energy.A scoping study for an environmental impact field programme in tidal current energy[R].2002.http：//www.oreg.ca/web_documents/scoping_study.pdf.

[8] 劉宏偉，李偉，林勇剛，等.水平軸螺旋槳式海流能發(fā)電裝置模型分析及實(shí)驗(yàn)研究.太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2009，30（5）：633-638.

[9] Liu H W，Ma S，Li W，et al.A review on the development of tidal current energy in China [J].Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2011（15）： 1141-1146.

[10] The Robert Gordon University，International Centre for Island Technology.Pentland Firth tidal current energy feasibility studyphase 1： Environmental constraints and impacts[R].2002.http：//www.see.ed.ac.uk/～ibryden1/REE/Tidal%20Power%202008/Pentland%20Firth%20Feasibility%20Study-%20phase%201.pdf.

[11] El-Geziry T M.Environmental impact assessment and process simulation of the tidal current energy resource in the Strait of Messina[D].The University of Edinburgh，2010.

[12] OEER Association for the Nova Scotia Department of Energy.Fundy tidal energy strategic environmental assessment final report[R].Nova Scotia：OEERA.2008.

[13] Faber Maunsell and METOC PLC.Scottish marine renewables strategic environmental assessment（SEA）： Non-technical summary[R].2007.http：//www.seaenergyscotland.co.uk/

[14] Aotearoa waveand tidalenergy association（AWATEA）.Environmental impacts of marine energy converters [R].2008.http：//www.awatea.org.nz/docs/Environmental-impacts-ofmarine-energy-converters.pdf.

[15] SeaGen tidal turbine environmental monitoring programme[EB/OL].http：//www.all-energy.co.uk/userfiles/file/Peter_Fraenkel_210509.pdf

[16] Royal Haskoning.SeaGen environmental monitoring programme：Biannual update Version 1-SeaGen Biannual[R].UK：Marine Current Turbines Ltd.2010.

[17] Fundy Ocean Research Centre for Energy–FORCE announces environmental and community advisory teams[EB/OL].http：//dcnonl.com/nw/14905/es.

[18] Assessing environmental effects of tidal turbines[EB/OL].http：//www.redorbit.com/news/science/1965240/assessing_environmental_effects_of_tidal_turbines/.

[19] Black&Veatch Ltd.Tidal stream-Phase II UK tidal stream energy resource assessment[R].UK：Carbon Trust.2005.

[20] Jenny Norris， EMEC， Orkney， et al.EMEC/UKERC workshop：Environmentalimpactsand monitoring ofmarine energy conversion devices[R].UK：UK Energy Resource Centre.2006.

[21] GB/T 19485-2004.海洋工程環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則[S].2004.