于 灝，徐煥志，張 震，楊 敏

（1．山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266033；2．國(guó)家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心 青島 266033；3．浙江海洋學(xué)院 舟山 316022）

1 引言

為緩解能源供應(yīng)緊張和應(yīng)對(duì)全球氣候變化，開(kāi)發(fā)利用清潔可再生能源已成為今后全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必由之路。對(duì)于沿海國(guó)家和地區(qū)而言，海洋能的開(kāi)發(fā)利用不僅成為解決能源問(wèn)題的重要途徑之一，也利于區(qū)域經(jīng)濟(jì)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展［1－2］。近10余年來(lái)，世界各沿海國(guó)家對(duì)開(kāi)發(fā)海洋能源產(chǎn)業(yè)愈發(fā)重視，海洋能利用技術(shù)也不斷發(fā)展［3］。與此同時(shí)，鑒于傳統(tǒng)能源開(kāi)發(fā)利用所引起的嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境污染問(wèn)題，海洋能開(kāi)發(fā)利用對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響早已開(kāi)始引起研究人員的關(guān)注［4－6］。

目前，海洋能的利用形式仍以發(fā)電為主，要將海洋能轉(zhuǎn)化為電能，就需要安裝發(fā)電裝置。對(duì)離岸的海洋能發(fā)電來(lái)說(shuō)，為了將電能傳輸回陸地，在海底還需要鋪設(shè)電纜等輸電設(shè)施。因此，雖然海洋能本身是一種清潔無(wú)污染的能源，但開(kāi)發(fā)利用海洋能的裝置、技術(shù)方法和活動(dòng)等卻會(huì)對(duì)海洋環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。這些影響體現(xiàn)在海洋能開(kāi)發(fā)利用裝置的安裝施工、運(yùn)行和到期后處理等各個(gè)環(huán)節(jié)中［5，7］。為確保海洋能資源被科學(xué)合理的開(kāi)發(fā)利用，減小甚至避免對(duì)海洋環(huán)境的影響，盡早開(kāi)展海洋能的環(huán)境影響研究，對(duì)于推動(dòng)海洋能技術(shù)向環(huán)境友好的方向發(fā)展具有重要意義。

2 對(duì)海洋環(huán)境的主要影響

Boehlert和Gill［8］系統(tǒng)地總結(jié)了海洋能裝置對(duì)海洋環(huán)境的影響，根據(jù)不同層面，將環(huán)境影響進(jìn)行了分類(lèi) （表1）。海洋能開(kāi)發(fā)利用的影響的復(fù)雜性可見(jiàn)一斑。同時(shí)，很多研究者不僅關(guān)注了海洋能裝置所引起的負(fù)面環(huán)境效應(yīng)，也注意到其所能帶來(lái)的正面效應(yīng)，例如水下裝置的人工魚(yú)礁作用、魚(yú)群聚集與保護(hù)作用等［5，9－12］。

表1 海洋能環(huán)境影響分類(lèi)［8］

續(xù)表

海洋能發(fā)電裝置主要是將潮汐、潮流、海流、波浪等海水運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的巨大能量轉(zhuǎn)化為電能加以利用。能量轉(zhuǎn)換首先影響的就是流速、流量、波高、波長(zhǎng)、潮差等水動(dòng)力要素，發(fā)電裝置所在海域的水動(dòng)力環(huán)境也隨之發(fā)生改變［13－16］。例如，Xia等［15］在Severn河口的定量研究表明，潮汐電站大壩的建設(shè)使得最大流量大約減少30%～50%，水位高度降低0．5～1．5m。Ahmadian和Falconer［16］也發(fā)現(xiàn)，潮流能裝置陣列兩側(cè)海域的流速增大，而陣列上下游的流速減小。這種影響不僅會(huì)影響海洋能發(fā)電裝置所在海域，甚至?xí)绊懙礁h(yuǎn)的海域［8，17］。

水動(dòng)力環(huán)境的改變，勢(shì)必會(huì)影響海洋能發(fā)電裝置周邊海域的水質(zhì)環(huán)境［14，16］。Falconer等［14］發(fā)現(xiàn)Severn潮汐電站的建設(shè)使得英國(guó)Severn河口的流速減慢，從而引起水體中懸浮顆粒物濃度減小，水體透明度增加。不僅如此，懸浮顆粒物濃度的變化也會(huì)引起水體中的溶解氧、鹽度、營(yíng)養(yǎng)鹽濃度、金屬濃度以及病原體的含量發(fā)生改變［8，13，16］。水動(dòng)力條件同樣會(huì)影 響 水 體泥沙的沉積，不僅會(huì)改變河口的沖淤環(huán)境和海底的沉積環(huán)境［18］，還能夠改造海岸帶的地形地貌［19］。

無(wú)論是水動(dòng)力環(huán)境的變化、還是水質(zhì)和沉積環(huán)境的變化，對(duì)海洋生物來(lái)講，都意味著原有棲息環(huán)境的改變［20］，這些改變無(wú)疑會(huì)影響海洋生物的生存繁衍［14，21－23］。van Deurs等［22］研究了離岸風(fēng)場(chǎng)對(duì)沙鰻的短期 （2 年）和長(zhǎng)期 （8年）影響發(fā)現(xiàn)，短期內(nèi)，離岸風(fēng)電裝置的建設(shè)導(dǎo)致海底沉積中泥質(zhì)成分減少，使得幼年和成年沙鰻的生物量增加；而長(zhǎng)期來(lái)看卻出現(xiàn)了沙鰻幼仔減少的現(xiàn)象。具有較強(qiáng)水動(dòng)力條件的河口區(qū)在建設(shè)潮汐發(fā)電裝置后，由于水動(dòng)力減弱，引起懸浮顆粒物濃度減小，水體透明度增加，會(huì)使得底棲生物多樣性和生物量增加［14］。

此外，海洋能發(fā)電裝置產(chǎn)生的噪音、環(huán)境振動(dòng)和電磁場(chǎng)也會(huì)影響海洋生物，特別是哺乳動(dòng)物［23－25］。有研究表明，海上風(fēng)場(chǎng)水下基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和電纜鋪設(shè)分別會(huì)產(chǎn)生高達(dá)260dB 和178dB的噪音，會(huì)破壞100 m 范圍內(nèi)的海洋生物的聲學(xué)系統(tǒng)［26］。在較大的噪音環(huán)境中 （如大于150dB）魚(yú)群會(huì)出現(xiàn)驚嚇而警覺(jué)的反應(yīng)［27］，其遷徙活動(dòng)也會(huì)受到影響［24］。Simmonds 和Brown研究了28 種鯨魚(yú)的行為，雖然數(shù)據(jù)有限，但足以證明海洋能裝置噪音已影響到鯨魚(yú)的生存［28］。

海洋能裝置不僅會(huì)直接影響某種或某些海洋生物，還會(huì)通過(guò)食物鏈影響其他海洋生物［20］，甚至區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)［8］。例如，波浪能和潮流能發(fā)電裝置會(huì)引起魚(yú)群的聚集或者遷移，而發(fā)電裝置海域的海鳥(niǎo)數(shù)量則也會(huì)隨之增加或減小［9，20，29］。

3 研究與評(píng)價(jià)方法

3．1 模型的應(yīng)用

為評(píng)估海洋能開(kāi)發(fā)利用活動(dòng)的環(huán)境影響，研究者通常會(huì)應(yīng)用水環(huán)境模型預(yù)測(cè)海洋能發(fā)電裝置建設(shè)對(duì)水動(dòng)力環(huán)境、水質(zhì)和生物帶來(lái)的影響，特別是在海洋能發(fā)電裝置選址和建設(shè)前期，甚至用來(lái)優(yōu)化海洋能裝置的設(shè)計(jì)［13－14，16，30］。

其中，水環(huán)境模型 （Depth Integrated Velocities And Solute Transport，DIVASTModel）是一種較為常用的水環(huán)境模型［13－14，16］。應(yīng)用于潮流能發(fā)電裝置的評(píng)價(jià)時(shí)，一般需要對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整，特別是需要將海洋能發(fā)電裝置的渦輪作為動(dòng)量匯的接受者加入模型中，用以模擬渦輪陣對(duì)海岸環(huán)境的影響［16］。其他的模型還包括河流水質(zhì)模型 （QUAL2E），三維富營(yíng)養(yǎng)化模型（CE－QUALICM），水動(dòng)力模型 （MOHID），水質(zhì)分析模擬程序 （WASP6），三維水動(dòng)力學(xué)富營(yíng)養(yǎng)化模型 （EFDC）以及三維水動(dòng)力－水質(zhì)耦合模型 （ELCOM－CAEDYM）。這些模型均可以模擬水體環(huán)境中物理、化學(xué)和生物過(guò)程的相互關(guān)系［13］。但是，這些模型又均具有自身的特點(diǎn)和適用范圍，需要根據(jù)模擬的需要進(jìn)行選擇。例如，水生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型 （Computational Aquatic Ecosystem Dynamics Model，CAEDYM）

可以同時(shí)表征沉積物中磷酸鹽和銨鹽的吸附－解吸過(guò)程，但三維水動(dòng)力學(xué)富營(yíng)養(yǎng)化模型 （Environmental Fluid Dynamics Computer Code，EFDC）只能表征磷酸鹽的吸附－解吸過(guò)程，而在DIVAST 模型中營(yíng)養(yǎng)鹽的吸附－解吸則完全沒(méi)有在考慮范圍內(nèi)。此外，包括CAEDYM 模型和EFDC 模型在內(nèi)的大部分模型都沒(méi)有考慮鹽度對(duì)沉積物－營(yíng)養(yǎng)鹽關(guān)系的影響［13］。在實(shí)際應(yīng)用中，也會(huì)將DIVAST 模型與其他模型相結(jié)合，如水環(huán) 境 模 型 （Flow and Solute Transport in Estuaries and Rivers，F(xiàn)ASTER），以便在水動(dòng)力環(huán)境的模擬基礎(chǔ)上，進(jìn)一步預(yù)測(cè)懸浮顆粒物濃度等的變化［13］。另外，在評(píng)估海洋能裝置對(duì)海岸帶地形地貌的影響時(shí)，也會(huì)將地貌模型與三維水動(dòng)力模型將結(jié)合［19］。

通過(guò)模型可以較為便捷地預(yù)測(cè)海洋能裝置的環(huán)境影響，特別是在海洋能項(xiàng)目建設(shè)前期的選址和設(shè)計(jì)階段，建模為項(xiàng)目的決策發(fā)揮了極為重要的作用，然而，模型畢竟只是對(duì)現(xiàn)實(shí)狀態(tài)的模擬，受計(jì)算方法、運(yùn)算能力、人為因素的影響較多，仍存在著一定的缺陷和限制，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

3．2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

與模型相比，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)獲得的環(huán)境影響信息更為直接和準(zhǔn)確［23］。然而，海洋能儲(chǔ)量豐富的海域往往是海況條件惡劣、海上監(jiān)測(cè)作業(yè)困難的海域，要獲得大量而準(zhǔn)確的樣品實(shí)屬不易。因此，研究者在傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段的基礎(chǔ)上，發(fā)展了新的監(jiān)測(cè)手段。例如，應(yīng)用遙感技術(shù)可以監(jiān)測(cè)難以到達(dá)的海域的情況；應(yīng)用側(cè)掃聲吶獲得海洋生物棲息地的地形地貌特征；應(yīng)用配備高清晰度攝影機(jī)的水下機(jī)器人或者拖曳式水下高清攝像機(jī)可以獲得較為清晰的海洋能水下裝置及其附近海域的水下影像，了解海底生物的棲息情況；應(yīng)用聲學(xué)追蹤技術(shù)，將掛有聲學(xué)接收機(jī)的海床基布放在海底，可以獲得一段時(shí)間內(nèi)魚(yú)類(lèi)的活動(dòng)數(shù)據(jù)；應(yīng)用被動(dòng)式聲學(xué)監(jiān)視器和寬帶聲音記錄儀監(jiān)測(cè)海洋動(dòng)物，特別是鯨類(lèi)在海洋能海域的活動(dòng)情況等［10］。

4 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展和相關(guān)工作

4．1 環(huán)境影響評(píng)價(jià)

迄今，對(duì)海洋能開(kāi)發(fā)利用活動(dòng)的潛在環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)估在很多國(guó)家和地區(qū)已成為政府和海洋能開(kāi)發(fā)利用機(jī)構(gòu)進(jìn)行海洋能評(píng)估的重要組成部分，往往與海洋能選址和儲(chǔ)能評(píng)估同時(shí)進(jìn)行［31］。國(guó)際能源署在海洋能源系統(tǒng)實(shí)施協(xié)議（IEA OES－IA）中將 “海洋波浪、潮汐和潮流能系統(tǒng)的環(huán)境影響與監(jiān)測(cè)效果評(píng)估”納入其四項(xiàng)任務(wù)目標(biāo)之一，并將 《海洋與水動(dòng)力裝置的環(huán)境效應(yīng)》作為主要的報(bào)告之一。

早在20世紀(jì)80年代，加拿大政府就在芬迪灣、緬因?yàn)车瘸毕茇S富的地區(qū)開(kāi)展了潮汐電站的環(huán)境影響研究，以期解決潮汐電站所引起的魚(yú)類(lèi)通過(guò)受阻、泥沙沉積、流態(tài)改變等環(huán)境問(wèn)題［4，6］。2007—2008年，加拿大近海能源環(huán)境影響研究協(xié)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)，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［32－33］。美國(guó)能源信息署 （EIA）根據(jù)波浪能轉(zhuǎn)化技術(shù)對(duì)環(huán)境的影響對(duì)波浪能裝置進(jìn)行分類(lèi)技術(shù)研究，以簡(jiǎn)化波浪能開(kāi)發(fā)利用者和政府在應(yīng)用波浪能技術(shù)時(shí)的處理過(guò)程［34］。英國(guó)貿(mào)易工業(yè)部、蘇格蘭行政院、新西蘭波浪和潮流能協(xié)會(huì)、愛(ài)爾蘭等也都在近年開(kāi)展了海洋能裝置的環(huán)境影響評(píng)估，闡述了不同海域海洋能開(kāi)發(fā)利用活動(dòng)對(duì)水動(dòng)力環(huán)境、水質(zhì)、沉積物環(huán)境和海洋生物等的影響［32，35－38］。

我國(guó)的環(huán)境影響評(píng)價(jià)制度也包括對(duì)海洋能開(kāi)發(fā)利用活動(dòng)的評(píng)價(jià)要求，《海洋工程環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則》（GB／T 19485—2004）對(duì)潮汐電站、波浪電站、溫差電站等海洋能源開(kāi)發(fā)利用工程的環(huán)境影響評(píng)價(jià)內(nèi)容等進(jìn)行了規(guī)定［39］。關(guān)于海洋能裝置的環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法研究也相繼開(kāi)展。例如，劉富鈾等［40］開(kāi)展了潮汐電站環(huán)境影響的模糊綜合評(píng)價(jià)方法研究，丁曉和李洪遠(yuǎn)［32］探討了潮流能發(fā)電的環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建。

4．2 環(huán)境影響監(jiān)測(cè)

海洋能開(kāi)發(fā)利用活動(dòng)所產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)往往是潛在而深遠(yuǎn)的，由于海洋能發(fā)電裝置的發(fā)展正處于方興未艾之際，進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的裝置還是少數(shù)，因此，目前所獲得的環(huán)境影響數(shù)據(jù)和資料也是相當(dāng)有限的。為了更深入地了解海洋能裝置的環(huán)境影響，開(kāi)展環(huán)境影響監(jiān)測(cè)活動(dòng)具有重要作用［23］。英國(guó)的Wave Hub波浪能電力系統(tǒng)應(yīng)用多種監(jiān)測(cè)手段，研究了海上裝置對(duì)水體環(huán)境、生物棲息地，以及底棲生物、魚(yú)類(lèi)、海鳥(niǎo)等海洋生物的影響［10］。美國(guó)華盛頓大學(xué)的研究人員對(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)［41］。英國(guó)SeaGen潮流能發(fā)電裝置、加拿大芬迪海洋能源研究中心、歐洲海洋能源中心等相繼開(kāi)展了相關(guān)的環(huán)境影響監(jiān)測(cè)工作［32］。

4．3 用海規(guī)劃

為促進(jìn)海洋能開(kāi)發(fā)利用活動(dòng)與海洋環(huán)境保護(hù)和其他用?；顒?dòng)的協(xié)調(diào)發(fā)展，用海規(guī)劃已成為各沿海國(guó)家經(jīng)常采用的方式［42－44］，在海洋能開(kāi)發(fā)利用方面也不例外。

White等［42］研究了應(yīng)用用海規(guī)劃解決美國(guó)馬塞諸塞州離岸風(fēng)場(chǎng)建設(shè)與漁業(yè)和鯨魚(yú)觀測(cè)的用海沖突的可行性，取得較好的效果。Galparsoro等將這種方法用以選擇波浪能場(chǎng)址，不僅綜合考慮了技術(shù)、環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素，以避免與其他用海相沖突，并且每年可以減少千萬(wàn)噸的二氧化碳排放［43］。地中海島國(guó)馬耳他應(yīng)用用海規(guī)劃協(xié)調(diào)各種海洋活動(dòng)包括海洋能、生物多樣性保護(hù)等的關(guān)系，減少利益沖突［44］。在我國(guó)，海洋能開(kāi)發(fā)利用活動(dòng)用海也需要進(jìn)行海域使用論證，包括在區(qū)域用海范圍內(nèi)的，也需要進(jìn)行用海規(guī)劃。同時(shí)，海洋功能區(qū)劃中也規(guī)定了海洋能開(kāi)發(fā)利用活動(dòng)的用海范圍和管理要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

整體來(lái)看，海洋能開(kāi)發(fā)利用的環(huán)境影響研究仍處于起步階段。隨著海洋能開(kāi)發(fā)利用技術(shù)的不斷成熟和完善，加強(qiáng)環(huán)境影響的研究對(duì)于保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)相協(xié)調(diào)具有重要意義。

近年來(lái)，我國(guó)的海洋能開(kāi)發(fā)利用工作得到國(guó)家的大力支持，相關(guān)法律法規(guī)體系、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的建立也已提上議事日程［45］?？紤]到環(huán)境效應(yīng)的深遠(yuǎn)影響，建議充分重視環(huán)境影響研究與評(píng)估，在海洋能開(kāi)發(fā)利用的選址、工程設(shè)計(jì)、建設(shè)及使用全過(guò)程中予以充分的考慮和論證，以?xún)?yōu)化利用方式，實(shí)現(xiàn)海洋能開(kāi)發(fā)利用活動(dòng)與環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展相協(xié)調(diào)。

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