朱榮華，龍正如，田振亞，張亮，張康

(廣東明陽風(fēng)電產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，中山 528437)

0 引言

目前國內(nèi)外海上風(fēng)電場最常用的基礎(chǔ)型式為鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。這些基礎(chǔ)大都需要進(jìn)行打樁施工，通過打樁錘敲擊，使鋼管樁插入海底承載風(fēng)電機(jī)組載荷。打樁錘能量以聲波形式在水中傳播，形成噪音污染，對生活在此海域的動物造成嚴(yán)重影響。為了保護(hù)海豚、海豹等海洋生物，德國聯(lián)邦海事局（BSH)要求：打樁過程中，以樁為圓心，750m直徑范圍內(nèi)音量不超過160db。根據(jù)歐洲海上風(fēng)場建設(shè)經(jīng)驗，打樁過程中排放的噪音大部分超出了BSH規(guī)定值，對海洋生物產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，海上風(fēng)場建設(shè)打樁過程中必須采取噪音消減措施。

1 常見海上風(fēng)電機(jī)組鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)類型

目前，國內(nèi)外海上風(fēng)電機(jī)組鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)類型主要有單樁、三腳架、水上三樁、導(dǎo)管架。所有基礎(chǔ)形式都需要在海底打入1.5m－6m直徑的鋼樁，形成風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)底座[1]。廣東珠海桂山海上風(fēng)場示范項目采用四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)形式，如圖1所示，其較大的底盤提供了巨大的抗傾覆彎矩，可作為大型風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)，其主體結(jié)構(gòu)為四根主支腿，主支腿之間均布X斜撐，形成穩(wěn)定的桁架結(jié)構(gòu)。通過在海底插入四根鋼管樁，呈正四邊形分布，樁頭位于海面以下，導(dǎo)管架的四根主支腿末端分別插入鋼管樁樁頭內(nèi)腔或者套在鋼管樁樁頭外部，然后通過灌漿施工連接成整體[2]。

圖1 珠海桂山導(dǎo)管架基礎(chǔ)

2 海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)打樁噪音

目前，離岸風(fēng)場建設(shè)主要集中在淺海海域，海域水深起伏變動大，沉積物類型、溫度、鹽度以及重復(fù)的海面和海床反射等因素，使噪音傳播計算變得十分復(fù)雜。

根據(jù)Nedwel等人對打樁聲源聲壓級經(jīng)驗預(yù)測公式[3]：

式中，SL－打樁聲源聲壓級；D－風(fēng)電機(jī)組樁基礎(chǔ)直徑。

在淺海區(qū)域，海床與噪音能量磁滯損耗的緊密耦合導(dǎo)致噪音吸收損耗高，打樁噪音在水中傳播為三維空間傳播，采用球面波傳播模型進(jìn)行聲波在水中傳播損耗計算：

式中，TL－聲波水中傳播損耗；a－海水吸收系數(shù)(dB/km)；r －測量處到聲源的距離。

根據(jù)聲音傳播公式：

式中，SPL－測量處聲壓級。

根據(jù)上述公式可以推算出表1中世界各國海上風(fēng)場樁基礎(chǔ)打樁在不同距離處的聲壓級。

由表1可知，單樁基礎(chǔ)型式樁徑較大，在打樁過程中產(chǎn)生的水下噪音較大，導(dǎo)管架及群樁基樁徑較小，產(chǎn)生的噪音相對單樁較小，風(fēng)電機(jī)組樁徑大小與水下噪音強(qiáng)度成正比，噪音隨著測量距離的增加而逐漸減小。但是由于各海域水文條件不同，海水吸收系數(shù)差異、聲音疊加和持續(xù)時間等因素的不確定性，上述公式所計算的結(jié)果可能與實際值有所誤差。

3 海上風(fēng)場施工過程中的降噪措施

3.1 打樁錘套筒

打樁錘套筒，如圖2所示，是在打樁錘上敷設(shè)隔音及消音材料，減少錘體與樁體的沖擊噪音，緩解海面上噪音的傳播。同時打樁錘在打樁過程中施加軟啟動，在打樁過程中打樁錘能量隨時間推移逐漸增加，使附近的海洋生物逐漸適應(yīng)，有足夠時間疏散、遠(yuǎn)離施工區(qū)域。

3.2 單樁結(jié)構(gòu)套筒

單樁結(jié)構(gòu)套筒主要通過在單樁體外圍布置封閉結(jié)構(gòu)體，將樁與結(jié)構(gòu)體隔離，在樁和海水之間形成一個充滿空氣或真空的空間，樁與結(jié)構(gòu)體之間可以選擇氣泡幕、真空層、真空球體及柱狀體，也可以是被束縛的管狀液體或空氣，包裹樁體的結(jié)構(gòu)體可以是單層或多層，通過在結(jié)構(gòu)體上布設(shè)其他固體消音材料如隔音絕緣、圍體泡沫涂層、火山巖、橡膠木材等來降低或吸收噪音。結(jié)構(gòu)物可以是定長、伸縮式的鋼殼或者其他材料形式[4]。

（2）蘗肥：氮肥總量的30%，在水稻返青后（四葉期）立即施入或在插秧后3～4天及時施入，調(diào)節(jié)肥用量2kg硫胺，看田找施，哪黃施哪。

3.3 整體氣泡帷幕

整體氣泡帷幕通過在海床表面布置水體管道系統(tǒng)，空氣壓縮機(jī)將空氣導(dǎo)入管道，從管道開口處上升的氣泡形成一個封閉的泡幕簾，由于空氣和水的密度差異，氣泡簾對噪音傳播產(chǎn)生高阻尼損耗和散射，并把噪音帶出水面排放到空氣中進(jìn)行降噪，如圖3所示。

表1 樁徑-范圍噪音影響

氣泡帷幕作為一種成熟的降噪技術(shù)，優(yōu)點在于適用于更深的水域和直徑更大的管樁，并在各商業(yè)風(fēng)場的施工中廣泛應(yīng)用，經(jīng)過改良后使用圍堰作為其外殼，克服水流因素的影響，排除不穩(wěn)定干擾，可以取得良好的降噪效果，同時氣泡帷幕布設(shè)在風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)外圍作為二次消音系統(tǒng)，除降噪外也有利于警告海洋生物不要靠近。

4 歐洲海上風(fēng)場工程經(jīng)驗

4.1 “Borkum West II”風(fēng)場整體降噪技術(shù)

在德國“Borkum West II”風(fēng)場31號、40號風(fēng)電機(jī)組三腳架基礎(chǔ)施工中采用 “大氣泡幕”降噪技術(shù)，通過船上布置的4臺空氣壓縮機(jī)（150m3/min）將壓縮空氣導(dǎo)入海底水體管道系統(tǒng)，如圖4所示，形成封閉泡幕簾，反射和吸收打樁噪音。

測量結(jié)果表明，單排環(huán)形的“大泡幕簾”在水深約30m“Borkum West II”風(fēng)場，減噪效果達(dá)到9dB－13dB，降低了90%噪音污染，在一定受限情況下可以控制噪音值在160dB范圍內(nèi)，減少打樁對海域生物的干擾。整體氣泡幕的缺點是在強(qiáng)潮汐流的影響下，氣泡幕會隨著水流漂移，效果不穩(wěn)定。

4.2 “Alpha Ventus”風(fēng)場小氣泡幕降噪技術(shù)

為了克服大氣泡幕的缺陷，“Alpha Ventus”風(fēng)場9號風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)2號樁和3號樁樁靴采用分層小氣泡帷幕降噪技術(shù)，1號樁無降噪措施。原計劃在三腳架樁靴下端內(nèi)側(cè)預(yù)裝四層氣泡發(fā)射管線系統(tǒng)，樁靴外側(cè)上部安裝浮力體和6層氣泡發(fā)射管線，如圖5所示。但由于天氣原因，上部浮力體和6層氣泡發(fā)射管線未被安裝使用[5]。

每個樁基需要進(jìn)行約4700次錘擊才能打入海底固定，滿足風(fēng)電機(jī)組載荷承載要求，平均每分鐘液壓打樁錘錘擊40次，打樁過程持續(xù)2個小時左右，圖6所示為距樁源500m處測得2號樁不同時間段對應(yīng)的噪音聲壓級。

4.3 “London Array”風(fēng)場HSD降噪技術(shù)

英國北海“London Array”風(fēng)場打樁過程中使用HSD（Hydro Sound Dampers）來降低施工噪音，HSD系統(tǒng)是在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)上附著高彈性材料制作的充滿空氣的薄殼體，上部設(shè)置浮動環(huán)，浮動環(huán)及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)底部配備承重結(jié)構(gòu)，如圖7所示。HSD通過薄殼體直接進(jìn)行水下噪音高阻尼衰減、高散射及調(diào)整諧振頻率實現(xiàn)降噪。

圖2 打樁錘套筒（圖片來源于MENCK）

圖3 整體氣泡帷幕

圖4 “大泡幕簾”降噪技術(shù)

圖5 三腳架樁靴降噪措施

圖6 “Alpha Ventus”2號樁噪音數(shù)據(jù)記錄

圖7 HSD系統(tǒng)

測試結(jié)果表面，HSD系統(tǒng)在“London Array”風(fēng)場平均降低9dB噪音，在100Hz—2000Hz頻率范圍內(nèi)能夠高達(dá)19dB，并且不受海流方向影響。針對不同的頻率范圍，可以對HSD系統(tǒng)薄殼體內(nèi)壓和厚度進(jìn)行調(diào)整，增加噪音吸收或阻尼效果。HSD降噪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用便捷，極具成本效益，不受海洋潮流的影響，無需供應(yīng)壓縮空氣的設(shè)備，適用于不同類型的樁體等，為海上打樁降噪提供極大的參考價值[7]。

5 珠海桂山海上風(fēng)場示范項目的消音措施建議

珠海桂山海上風(fēng)電場位于白海豚的棲息地，打樁噪音將會影響到白海豚的行為和族群生活，輕者短暫性聽覺喪失，重者永久性聽覺喪失行為障礙。所以，對于打樁降噪將是極其重要的保護(hù)措施，通過水聲波傳播公式計算打樁噪音，導(dǎo)管架基礎(chǔ)型式管徑越小，在建設(shè)過程中產(chǎn)生的水下噪音小，再配合其他的消音降噪方法，將噪音強(qiáng)度控制在約120dB左右，將符合中華白海豚所能接受的噪音強(qiáng)度。另外，工程施工期間可搭配現(xiàn)場監(jiān)控、海豚驅(qū)趕器和強(qiáng)度漸增打樁法減緩措施，以避免中華白海豚靠近施工影響范圍而造成嚴(yán)重傷害。

6 結(jié)語

任何海事工程都會對海洋環(huán)境產(chǎn)生各種程度的影響，海洋工程建造過程中產(chǎn)生的噪音污染是不可避免的。但是，可以通過一定的措施來控制噪音，使噪音不致于對海洋生物造成危害。最大可能地降低工程開發(fā)產(chǎn)生的噪音對海洋生物和生態(tài)環(huán)境的影響，讓海上風(fēng)場施工得以順利進(jìn)行，是本文提出降噪技術(shù)的目的。

[1]朱榮華,李少清,張美陽.珠海桂山200MW海上示范風(fēng)場風(fēng)電機(jī)組導(dǎo)管架基礎(chǔ)方案設(shè)計.風(fēng)能,2013,43(9):94-98.

[2]朱榮華,田振亞,龍正如等.海上風(fēng)電機(jī)組導(dǎo)管架基礎(chǔ)水下灌漿技術(shù)分析.風(fēng)能,2013,46(12):104-107.

[3] Helen Bailey,Bridget Senior,Dave Simmons,Jan Rusin,Gordon Picken, Paul M.Thompson.Assessing underwater noise levels during pile-driving at an offshore windfarm and its potential effects on marine mammals.2010.

[4] Tobias Verfu?，Jülich.Noise Mitigation Measures & Low-noise Foundation Concepts-State of the Art.2012.

[5] Research at alpha ventus-first results.2010,3.

[6] Jorg Rustemeier,Tanja Griebmann,Raimund Rolfes.Test of bubble curtain to mitigate hydro sound levels at offshore construction sites.2011.

[7] Benedikt Bruns,Christian Kuhn.Mitigation of offshore piling noise-offshore application of Hydro Sound Dampers.2011.