羅嘉佳

(深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，廣東 深圳 518000)

1 海水抽水蓄能電站概述

我國現(xiàn)有抽水蓄能電站均建于大陸地區(qū)，要求站址具有上、下水庫(上蓄下調(diào))。隨著地質(zhì)條件優(yōu)越、地形成庫條件好、水庫庫容大、裝機(jī)容量大、工程量相對較小[1]等開發(fā)條件較好的地點(diǎn)逐漸開發(fā)，今后的抽水蓄能電站選址將日益困難。在此情況下，利用海水進(jìn)行抽水蓄能發(fā)電這種新型蓄能方式進(jìn)入人們的視野，成為目前重要的研發(fā)任務(wù)之一。海水抽水蓄是傳統(tǒng)抽水蓄能技術(shù)的有效補(bǔ)充，具備傳統(tǒng)抽水蓄能電站的優(yōu)點(diǎn)，又有效利用了幾乎無限的海水資源。目前，海水抽水蓄能系統(tǒng)的研究方向是利用大海作為蓄水下庫，充分利用其水資源，解決傳統(tǒng)抽水蓄能電站對淡水量的依賴，對于臨海和淡水資源缺乏的島國和城市具有非常廣闊的發(fā)展前景[2]。

海水抽水蓄能有著明顯的優(yōu)點(diǎn)：選址方便——我國海岸線漫長，站址可選擇余地大，并且靠近沿海建設(shè)的火電站、核電站等電源，對于輸電、電力系統(tǒng)調(diào)峰有利；造價(jià)較低——可以利用大海作為蓄水水庫，不必另行建設(shè)下庫(調(diào)節(jié))，也不受水量限制[3]。

根據(jù)全國海水抽水蓄能電站普查成果(2017年)[4]，我國海水抽水蓄能電站資源儲量豐富。本次普查廣西、海南、廣東、福建、浙江、江蘇、山東、遼寧8省(區(qū))，共發(fā)現(xiàn)海水抽水蓄能電站238個(gè)資源站點(diǎn)(近海174個(gè)，島嶼64個(gè))，資源總量為42083MW(近海37446MW，島嶼4637MW)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，浙閩粵3省海水抽水蓄能資源豐富，合計(jì)184個(gè)資源站點(diǎn)，占8省(區(qū))總量的77%；3省資源量共31207MW，占8省(區(qū))總量的74%。初篩出廣東省上川島、南澳島、萬山島，浙江省青天灣、天燈盞、桃花島、龍?zhí)?，福建省浮鷹島等8個(gè)站點(diǎn)作為全國海水抽水蓄能電站試驗(yàn)示范項(xiàng)目比選的備選站點(diǎn)。

1999年3月，世界上第一座海水抽水蓄能電站Okinawa Yambaru電站在日本沖繩島建成投產(chǎn)，也是迄今唯一付諸實(shí)踐的海水抽水蓄能電站。裝機(jī)容量30MW，最大工作水頭152m，最大流量26m3/s。該電站是一個(gè)試驗(yàn)性項(xiàng)目，從建成開始進(jìn)行了為期5年的真機(jī)試驗(yàn)[5]。主要的研究項(xiàng)目有：上水庫海水滲漏；電站建筑材料海水侵蝕有效；海洋生物附生問題；抽水蓄能電站在各種海洋氣候條件下的運(yùn)行[6]。工程運(yùn)行實(shí)踐表明，它為沖繩本島電網(wǎng)的負(fù)荷平衡和頻率穩(wěn)定起到了重要作用[7]。2004—2014年，電站進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行階段，同時(shí)進(jìn)一步研究了電站蓄能緊急對應(yīng)能力驗(yàn)證及機(jī)組運(yùn)行狀況。2016年，日本電源開發(fā)株式會社決定將沖繩海水抽水蓄能發(fā)電站撤除，計(jì)劃將相關(guān)的設(shè)備移到別處再利用[8]。

秉承可持續(xù)發(fā)展理念，抽水蓄能電站技術(shù)的發(fā)展與環(huán)境保護(hù)必須協(xié)調(diào)共進(jìn)。海水抽水蓄能電站是新興事物，在運(yùn)行過程中究竟會對周邊環(huán)境造成什么影響，是人們非常關(guān)心的問題。

2 運(yùn)行期環(huán)境影響分析

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[9]的分析和Okinawa Yambaru電站運(yùn)行期間的監(jiān)測[4]，海水抽水蓄能電站運(yùn)行期的主要環(huán)境影響有以下幾方面。

2.1 上水庫海水滲透對地下水的影響

海水抽水蓄能電站儲存了大量海水，如果庫岸邊坡和庫底沒有做好防滲處理，高鹽度的海水就會在巨大水壓下迅速滲漏到周邊土壤和巖石縫隙中，從而可能造成土壤鹽漬化、淺層潛水咸化及部分地段Ⅰ承壓含水層咸化[10]，極大威脅上庫周邊植物的生長，甚至造成周邊地區(qū)的人畜飲水困難。

2.2 上水庫海水水汽對周邊陸生生態(tài)的影響

受大風(fēng)的動力作用，上水庫海水表面容易形成富含鹽離子的水滴隨風(fēng)飄散到周邊植被的莖桿和枝葉上，造成其生理脫水，嚴(yán)重時(shí)枯萎致死，在海岸地區(qū)被稱為海煞[11]。有文獻(xiàn)[12]指出，受浪花飛濺影響區(qū)域的綠化植物常見病害情況是葉緣或葉尖脫色、微黃，葉片有黃斑或褐斑，甚至大面積枯焦。海煞現(xiàn)象最明顯的區(qū)域?yàn)殡x岸邊10～20m區(qū)間。

2.3 取、排水對周邊水生生物的影響

電站向上庫抽水蓄能時(shí)，設(shè)置在海洋內(nèi)的取水口急速抽取海水會產(chǎn)生巨大吸力，把周邊的浮游動植物隨水流一并吸入流道內(nèi)，形成卷載效應(yīng)(也稱卷吸效應(yīng))，對水生生物造成傷害，主要因?yàn)闇囟取毫?、流速等變化引起的物理傷害。?jù)東北師范大學(xué)研究[13]，由于水泵卷載，浮游動物量和浮游植物量的損失分別約為40%和10%。

電站向海洋放水發(fā)電時(shí)，排水口高速水流可能會對近岸海域的珊瑚礁產(chǎn)生沖刷影響。

3 環(huán)境影響預(yù)防和減緩措施

3.1 做好上水庫的防滲處理

為了阻止上水庫的海水滲透到周邊環(huán)境中，上水庫表面的防滲襯砌結(jié)構(gòu)尤為重要。有研究[14]對三種聯(lián)合防滲形式進(jìn)行了對比，即“土工膜和黏土”、“瀝青混凝土和鋼筋混凝土”、“瀝青/鋼筋混凝土和土工膜”，結(jié)果表明，土工膜或復(fù)合土工膜是海水抽水蓄能電站庫盆防滲的首推材料，鋼筋混凝土與土工膜聯(lián)合防滲方案的適應(yīng)性比較強(qiáng)，基本能夠適用于大多數(shù)地質(zhì)條件，建議選用有涂層保護(hù)的鋼筋混凝土面板進(jìn)行庫岸防滲。而Okinawa Yambaru電站在上庫整個(gè)庫盆表面設(shè)置的聯(lián)合防滲形式(由下至上)是機(jī)制沙礫排水層—無紡?fù)凉げ季彌_墊層—EPDM防滲層，如圖1所示。

圖1 Okinawa Yambaru電站上水庫防滲結(jié)構(gòu)

同時(shí)，為預(yù)防橡膠板局部破損而導(dǎo)致海水泄漏，Okinawa Yambaru電站在防滲體系底部增加了一道保險(xiǎn)，即在排水層中埋設(shè)排水管，導(dǎo)入排水泵抽回上庫或排洪鋼管流入海洋。排水管設(shè)置了鹽度監(jiān)測儀，一旦檢測出排水管道內(nèi)鹽度異常，即自動向中控室發(fā)出警報(bào)，啟動排水泵或打開排洪鋼管。

除做好防滲襯砌和滲漏海水收集系統(tǒng)外，建設(shè)單位還應(yīng)在修建海水抽水蓄能電站之前對站址區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)的地下水水文地質(zhì)條件調(diào)查和生態(tài)調(diào)查。根據(jù)上水庫滲水與站址地下水流場的水力聯(lián)系情況，建立地下水監(jiān)測系統(tǒng)，在電站運(yùn)行期間進(jìn)行定期監(jiān)測。在正常運(yùn)行情況下，海水的滲透與泄漏是通過每天的監(jiān)測和檢查來進(jìn)行觀測的[3]。Okinawa Yambaru電站對EPDM橡膠板密封性的觀察從1998年8月水庫開始蓄水就啟動，5年真機(jī)運(yùn)行期間，上庫蓄水池防海水滲透系統(tǒng)完全沒有發(fā)生海水滲漏跡象。上水庫庫周植物動物種群、小溪池塘等地表水體水質(zhì)的建設(shè)前后對比監(jiān)測結(jié)果，也印證了海水滲透和泄漏現(xiàn)象沒有發(fā)生。

3.2 增加上水庫正常蓄水位與壩頂高差以減少海煞現(xiàn)象

對于上水庫的海水飛濺問題，在規(guī)劃選址和設(shè)計(jì)階段，總平面布置時(shí)考慮臺風(fēng)及其影響，采取一定的安全儲備措施，如防濺墻，可通過風(fēng)洞試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬，結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)，綜合確定防濺墻的高度和防濺工程措施[15]。根據(jù)Okinawa Yambaru電站的經(jīng)驗(yàn)，利用棄渣沿上水庫邊沿筑壩及種植樹林，使得上水庫正常蓄水位與壩頂高差在2m以上，就可以有效地避免海煞現(xiàn)象[16]。真機(jī)運(yùn)行過程檢測結(jié)果表明，在沒有臺風(fēng)的通常情況下，風(fēng)速無法使得上水庫中出現(xiàn)飛散鹽分的現(xiàn)象。在臺風(fēng)狀況下，位于水庫下風(fēng)向的土壤和樹葉表面，鹽分增量屬于自然變化幅度內(nèi)，沒有達(dá)到鹽害水平。上水庫庫周植被始終生長茂盛亦可印證這一點(diǎn)。

3.3 優(yōu)選取、排水口位置并設(shè)法降低周邊流速

取、排水口的選址應(yīng)該在詳盡生態(tài)調(diào)查基礎(chǔ)上進(jìn)行，選擇設(shè)置在珊瑚礁盡可能少的沿岸，同時(shí)要考慮取水口深度，以盡可能避開表層水體浮游魚卵、仔魚。

在取、排水口周圍可以設(shè)置利用混凝土扭王塊壘砌的尾水防浪壩，既減小了大型魚類游進(jìn)取水口范圍的可能性，同時(shí)也可使尾水防浪壩外周邊的流速減緩，接近于海域平均流速，減少了浮游生物的被動吸入。目前，Okinawa Yambaru電站采取的措施是在出水口設(shè)置了預(yù)制混凝土塊組成的擋水消能結(jié)構(gòu)，這樣可使發(fā)電工況下排水的流速降至大約10cm/s[17]。

電站運(yùn)行過程中，建設(shè)單位應(yīng)該做好取水口附近的漁業(yè)資源的監(jiān)測，適當(dāng)作出漁業(yè)補(bǔ)償，通過人為措施，出資采用人工放流等手段來強(qiáng)化、縮短漁業(yè)資源恢復(fù)過程。

4 結(jié)論與建議

從目前的資料來看，在做好相應(yīng)的工程防護(hù)措施之后，海水抽水蓄能電站的建設(shè)對周邊環(huán)境影響較小。是一種綠色建站方式，充分利用了海洋資源。但海水抽水蓄能電站是新事物，上水庫建設(shè)對周邊生態(tài)環(huán)境的影響程度、抽排水對近岸海域的生態(tài)環(huán)境影響程度均有待觀察，所以在電站建設(shè)前、建設(shè)過程中、運(yùn)行期均應(yīng)高度重視環(huán)境監(jiān)測。監(jiān)測的對象包括：近岸海域的浮游動植物、魚類；上水庫內(nèi)的浮游動植物、魚類；上水庫附近的空氣鹽分、植被；上水庫附近的土壤動物；上水庫附近的土壤鹽分；上水庫附近的兩棲類、鳥類；項(xiàng)目區(qū)地下水和地表水水質(zhì)；環(huán)境噪音；尾水防浪壩外側(cè)海浪高度及水流速度；海洋生物吸附量。