李 暉,何宏舟,楊紹輝

(1.集美大學福建省能源清潔利用與開發(fā)重點實驗室 廈門 361021;2.集美大學福建省清潔燃燒與能源高效利用工程技術研究中心 廈門 361021;3.集美大學機械與能源工程學院 廈門 361021)

波浪能發(fā)電工程的環(huán)境問題思考*

李 暉1,2,3,何宏舟1,2,3,楊紹輝1,2,3

(1.集美大學福建省能源清潔利用與開發(fā)重點實驗室 廈門 361021;2.集美大學福建省清潔燃燒與能源高效利用工程技術研究中心 廈門 361021;3.集美大學機械與能源工程學院 廈門 361021)

波浪能發(fā)電技術在我國具有廣闊的應用前景。文章介紹了波浪能發(fā)電工程對海洋及其附近環(huán)境可能造成的各種影響,認為通過對波浪能裝置進行正確選址,波浪能發(fā)電將成為對海洋環(huán)境最友好的發(fā)電技術之一。

波浪能;發(fā)電;工程;環(huán)境;影響

1 引言

波浪能是一種蘊藏在海洋中的可再生清潔能源,開發(fā)和利用波浪能對于改善我國能源供應,保護生態(tài)環(huán)境,促進經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。我國海岸線漫長,海域廣闊,在利用波浪能方面具有先天的優(yōu)勢[1]。作為波浪能利用的主要形式,波浪能發(fā)電工程近年來在我國發(fā)展迅速。然而,波浪能發(fā)電工程的實施有可能干擾海洋中的各種自然過程,對當?shù)丨h(huán)境產(chǎn)生影響。因此,在波浪能發(fā)電工程的選址過程中,必須要全面評估工程對當?shù)丨h(huán)境的潛在影響,趨利避害,最大化發(fā)揮波浪能發(fā)電技術的優(yōu)勢。本研究將從正反兩方面分析波浪能發(fā)電工程對環(huán)境的影響,同時提出相應的建議,希望對波浪能的開發(fā)利用和環(huán)境保護提供有益參考。

2 波浪發(fā)電裝置造成的波浪能衰減

由于對波浪能的吸收作用,離岸波浪能發(fā)電裝置會造成其背后水域的波浪能級大幅降低。波浪能衰減造成的浪高降低有可能會影響某些需要 “急風高浪”的人類活動 (如沖浪運動),還有可能對近岸的生態(tài)群體構成、沿岸的沉積物運動產(chǎn)生影響。因此本節(jié)首先說明波浪能發(fā)電裝置附近海域波浪能衰減的情況。

下面以美國夏威夷瓦胡島Waimanalo海灘上的波能發(fā)電裝置為例,說明裝置造成的波浪能衰減情況。該波能發(fā)電裝置采用了180個海蛇波能轉換裝置,分成4組,每組45個單元;每組分成3行,每行有15個海蛇裝置[2]。總的波浪能裝置的寬度是12 km,每組裝置之間的海面為600 m寬的航道。據(jù)計算,在裝置背后浪高的總衰減達到12%。圖1所示為波浪通過一組裝置 (45個海蛇裝置)的能量衰減情況[2]。

圖1 具有45個海蛇裝置的單一波能采集單元對波浪的衰減情況[2]

除了通過裝置本身的間隙進行透射,波浪能還經(jīng)過裝置的兩側,通過衍射向裝置的背后傳播。當波浪到達淺水區(qū)和分割深度時,由于臨近波浪的幫助其高度將再次建立。需要說明的是,海蛇裝置以及其他漂浮式波能裝置優(yōu)先從短波中吸收能量,因而對產(chǎn)生沖浪波的長波的影響不大。

3 波浪能發(fā)電對海洋生物的影響

我國海域廣闊,海洋動物資源及海底生態(tài)系統(tǒng)十分豐富,波浪能開發(fā)有可能對水下生物、海鳥以及海底生態(tài)系統(tǒng)造成影響。

3.1 對水下生物和海鳥的影響

(1)波能裝置的安裝如果在海洋哺乳動物的遷徙路徑上進行,則會干擾動物的遷徙行程。在北美的西海岸沿線,人們注意到灰鯨每年都在阿拉斯加州的大西洋海域和下加利福尼亞州的海岸咸水湖之間遷徙。向南的遷徙發(fā)生在每年的11月和12月;向北的遷徙則發(fā)生在兩個時段:第一個時段為3月和4月,第二個時段為5月。在美國,有可能涉及灰鯨遷徙路徑的波能發(fā)電工程施工活動 (如海底測繪,動力電纜的布線等),都安排在灰鯨不遷徙的月份 (7—9月),盡量降低對動物的干擾[3]。這種做法可以為我國借鑒和參考。

(2)水下波能設備的安裝可能會對海草林造成破壞,而海草林經(jīng)常是海洋動物的棲息和避難場所。例如,潛水箱式的波能裝置一般安裝在水下不到20 m的深度,且在離岸2 km以內(nèi),而這也是海草林可能生長的區(qū)域。因此,要盡量避免在海草林生長的地方施工。

(3)來自波能設備的噪音排放有可能使動物受到驚嚇,甚至嚴重危及依靠聲音定位的海洋動物的生存。

(4)高而干燥的海上波能裝置還有可能成為海鳥的理想筑巢地。這種影響從海鳥的角度看是正面的,因為它促進了鳥兒數(shù)量的增加。不過在設備維護期間,要采取必要措施避免干擾海鳥的筑巢區(qū)域,尤其是在它們產(chǎn)卵和孵化的季節(jié)。

3.2 對海底生態(tài)系統(tǒng)的影響

由于波浪能發(fā)電工程的離岸施工活動會破壞海床,波浪能裝置的安裝可能對海底的生態(tài)系統(tǒng)造成影響。海草床是最可能被波能發(fā)電工程影響的海底生態(tài)系統(tǒng)。海草是紅樹林和珊瑚礁之外又一個重要的海洋生態(tài)系統(tǒng),大面積的連片海草被稱為海草床,是許多大型海洋生物甚至哺乳動物賴以生存的棲息地,在生態(tài)上具有重要意義,在我國南海海域已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了寶貴的海草床生態(tài)系統(tǒng)[4]。如果要在海草床上安裝一個波能裝置,設備的安裝施工會對海草床產(chǎn)生嚴重影響,不僅設備放置的地方的海草會遭到破壞,而且設備周圍的海草也要被拔除。此外,電力傳輸電纜的鋪設也會給海草床帶來影響。研究顯示,電纜的鋪設將影響5 m半徑范圍的區(qū)域,而相關的泥沙采集活動則會影響更廣的領域[5]。同時,這些活動將影響海底物種,破壞生態(tài)群體組成;也會降低海水的透明度,進而影響其他的植物群和動物群。

另外,由于波浪能發(fā)電裝置會造成波浪能的局部衰減,這可能改變近岸和潮間帶中藻類群體的物種結構。理論上,波浪能的衰減會促進藻類中非耐波性物種的快速生長,而耐波性物種則受到抑制。例如,食肉型藻類的競爭性生長將得到增強,而鈣化藻則恰好相反[6]。

4 波浪能發(fā)電對沿岸沉積物的影響

最常見的沿岸沉積物是泥沙。海水通過波浪將泥沙帶到海岸帶,當波浪運動到極限位置,速度減小為零時,所攜帶的泥沙就沉積在海岸上。由于波浪的速度由海向陸逐漸減慢,當速度較大時,所有泥沙都隨海水搬運,在速度減慢過程中,海水中攜帶的泥沙顆粒大、比重大的先沉積,顆粒小、比重小的后沉積。顯然,波能裝置造成的波浪能衰減將會影響沿岸沉積物的運動,這取決于波能裝置的類型、尺寸和安裝位置。

(1)漂浮式裝置。漂浮式裝置由于不能吸收高位海域的波浪能,因此對沿岸沉積物的運動影響較小。

(2)海底固定式裝置。在海底固定式裝置的背后,將形成一個明顯的、低能量的 “陰影區(qū)”,從而削弱到達岸邊的波能,影響沉積物的沉積地點而使潮灘變淺。

從上述影響來看,應該要注意選取波浪能發(fā)電裝置的位置,尤其是近岸的海底固定式裝置。

5 波浪能發(fā)電對海洋環(huán)境的污染

波浪能裝置對海洋的污染情況取決于具體的波能轉換方法。主要的污染源來自于兩個方面:一是具有閉環(huán)液壓系統(tǒng)的設備可能存在液壓油泄漏;二是為了防止生物腐蝕和破壞,大部分設備使用了有毒化學品進行涂層。

對于液壓油的泄漏問題,可考慮如下解決措施:① 采用海水或空氣作為工作流體,這樣液壓油的泄漏影響就可以減輕,同時也會減少火災或爆炸的發(fā)生。② 使用隔離閥門增加可靠性控制,一旦發(fā)生泄漏就由裝置的監(jiān)測系統(tǒng)進行報告。③ 通過對設備定期潛水維護或者采用抗破壞涂層來實現(xiàn)漏油控制。在抗破壞涂層的選用方面,推薦使用有機錫化合物(如TBT),這種材料的涂層使用壽命可達6～7年[7]。

由于用于防止浮游生物破壞設備的涂層大多具有毒性(如上文提到的TBT),可考慮將TBT等物質結合到橡膠材料的內(nèi)部結構中,這樣其揮發(fā)速率就比涂層要低得多,而且在抗破壞方面仍然有效。

6 波浪能發(fā)電造成的視覺和噪音污染

6.1 視覺污染

波能裝置給人造成的視覺污染取決于6個因素:①裝置離岸的距離;② 觀察者的主觀感受;③ 海上天氣條件;④ 組成整個裝置的單個設備尺寸;⑤ 裝置和海水之間的顏色反差;⑥ 周圍景觀的影響。

假設觀察者身高180 cm,站在平均海平面位置,在薄霧中(國際可見度為6,范圍為2～10 km)離岸視野范圍為5.2 km[8]。這表明,可以從很遠的距離觀察到近岸的波能裝置,除非海岸地形條件或天氣條件很差。而且,出于海上運輸?shù)陌踩枰?波能裝置要求使用航行燈,并且要與海水形成較大的顏色反差。因此,在海岸線上進行觀察,再小的波能裝置也會對環(huán)境造成視覺污染。尤其在旅游景點,這種影響更不能忽略。此外,在岸的傳輸設備 (如轉換站,架空輸電線路等)也會給人造成視覺沖擊。

不過,隨著距離的增加,漂浮式波能裝置的視覺可見度會劇烈下降。圖2[9]展示了一個高度顏色反差的波浪能轉換裝置的例子,由圖2可見,隨著觀察距離的增加,裝置造成的視覺污染迅速弱化[9]。

圖2 不同觀察距離下波能裝置帶來的視覺污染

6.2 噪音污染

在岸的威爾斯渦輪機和近岸的振蕩水柱(OWC)裝置會發(fā)出令人不悅的噪音。實踐表明,通過優(yōu)化設計和進行聲音屏蔽 (如采用消聲器),這些噪音可以被降低到人類可接受的程度。

文獻中曾經(jīng)報道過OWC裝置中所用的威爾斯渦輪機發(fā)出的空氣噪聲級別,針對一個150 k W的OWC裝置,測量顯示,在裝置處向海端的噪音達到70～90分貝;在岸上距離裝置650 m的地方,噪音小于60分貝;而在附近山谷中測到的噪音相當于一個小型單引擎的飛機飛過頭頂[10]。

不過,即使空氣渦輪機的噪音被消聲器屏蔽,這個聲波也會被帶到周圍的水域中,從而可能干擾軍事聲音追蹤設備。另外,液壓機械也有可能產(chǎn)生水下噪音。

7 波浪能發(fā)電與其他海洋空間活動的沖突

波能發(fā)電裝置會占據(jù)一定的海洋空間,與其他的海洋空間利用活動產(chǎn)生沖突。波能裝置所占據(jù)的空間不僅包括設備的基建空間和錨系空間,而且包括設備周圍的安全隔離區(qū)域 (用以避免離岸火災或爆炸的危險,一般是500 m的半徑范圍)。此外,傳輸電纜也要占據(jù)一定的海床區(qū)域。為了減少與其他海洋空間活動的沖突,在波能裝置的選址方面要謹慎計劃和實施。

7.1 對漁業(yè)的影響

波能發(fā)電工程會給漁業(yè)活動帶來限制,這是因為捕魚工具會破壞電纜,因此在波能裝置安裝的區(qū)域要嚴格限制捕魚作業(yè)。盡管對漁民的經(jīng)濟收益有影響,但實際上這樣做會對魚類提供一個有益的保護,由于增加了魚類棲息地,魚類數(shù)量得到增加?？傊?波能開發(fā)預計不會對漁業(yè)造成破壞性影響。

7.2 對海洋交通的影響

一般來說,大部分的波能發(fā)電工程都將對海洋交通形成障礙。尤其是當波能裝置的實施地點靠近航道、港口、停泊站點或海洋交通比較繁忙的水域時,這種影響更加明顯。為了安全起見,要注意在波能裝置附近設置安全區(qū)域,并使用航標燈和雷達反射器,以減少船只與裝置的碰撞危險。此外,漂浮式裝置必須要錨系牢固,一旦脫離開,就會對過往船只形成新的危險。

7.3 對休閑區(qū)和旅游業(yè)的影響

首先,對休閑和旅游人群來說,波能裝置的最重要影響是視覺污染,當大規(guī)模開發(fā)波浪能時,這種影響不能忽視。其次,對于各種海上休閑運動來說,波能裝置的影響不盡相同:由于波能裝置會造成波浪能的衰減,波能裝置背后較安靜的水域可能對潛水、劃艇、賽艇等運動比較有利,而對沖浪等需要風高浪急的運動較為不利。從沖浪運動的角度考慮,離岸發(fā)電裝置對沖浪波高度的減少范圍應在10%～15%。因此,波能裝置的選址要結合當?shù)氐男蓍e運動方式綜合考量。

7.4 其他潛在的海洋空間沖突

與波能發(fā)電工程可能發(fā)生沖突的其他海洋空間利用還包括:國家海洋保護區(qū)、國家海洋野生動物保護區(qū)、科學研究活動、軍事警戒區(qū)、遠程通信電纜鋪設和采沙采泥活動等。

8 結論

波浪能發(fā)電技術在我國海域具有廣闊的應用前景,在開發(fā)和利用波浪能時,應考慮到波浪能發(fā)電工程對當?shù)丨h(huán)境造成的潛在影響。這些影響包括:對海洋動物和生態(tài)系統(tǒng)的影響;對沿岸沉積物運動的影響;對海洋環(huán)境的污染;視覺和噪音污染;與其他海洋空間利用方式的沖突等。在評估各種潛在影響的基礎上,通過對波浪能裝置進行正確選址,波浪能發(fā)電將會成為對海洋環(huán)境最友好的發(fā)電技術之一。

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國家海洋局海洋可再生能源專項項目(XMME2011BL02);國家自然科學基金項目(51209104);集美大學黃慧貞基金項目(ZC2011019).