蔡靈 姜尚 馬麗 郭洲華

摘要：海上風(fēng)電工程是我國(guó)解決能源危機(jī)的新舉措。為更好地推動(dòng)我國(guó)海上風(fēng)電建設(shè)與海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)的和諧發(fā)展，文章綜述海上風(fēng)電的電磁輻射對(duì)海洋生物的影響。已有的研究表明：海上風(fēng)電對(duì)海洋生物的電磁輻射影響的主要來(lái)源是海底電纜，電磁輻射產(chǎn)生影響主要是因?yàn)槟承┖Ｑ笊锞哂写琶舾行?磁場(chǎng)可能影響魚(yú)類遷徙等海洋生物運(yùn)動(dòng)，且足夠強(qiáng)度的磁場(chǎng)還會(huì)影響海洋生物的生殖和發(fā)育等生理過(guò)程;隨著海上風(fēng)電的快速發(fā)展，深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電的電磁輻射影響亟待更多的研究。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電;電磁輻射;海底電纜;海洋生物;海洋工程

中圖分類號(hào)：TM614;P75;P735文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1005-9857（2019）12-0071-05

Review of the Research on the Effects of Electromagnetic Radiation from Offshore Wind Power on Marine Organisms

CAI Ling，JIANG Shang，MA Li，GUO Zhouhua

（Third Institution of Oceanography，MNR，Xiamen 361005，China）

Abstract：Offshore wind power project is a new measure to solve the energy crisis in China.In order to better promote the harmonious development of offshore wind power construction and marine ecological environment protection，the impact of electromagnetic radiation of offshore wind power on marine organisms was summarized in this paper.It was reported that the submarine cable was the main source of the electromagnetic radiation worked on the marine organisms.The influence of electromagnetic radiation from the submarine cable was summarized mainly due to the magnetic sensitivity of some marine organisms： the magnetic field may affect the movement of marine organisms，such as the migration of fish，etc.，and the magnetic field of sufficient strength may also affect the physiological processes of reproduction and development of marine organisms.With the rapid development of offshore wind power，more research should be made on the influence of electromagnetic radiation of deep sea offshore wind power.

Key words：Offshore wind power，Electromagnetic radiation，Submarine cable，Marine organism，Marine engineering

0引言

風(fēng)力發(fā)電是可再生能源技術(shù)領(lǐng)域最成熟的發(fā)電方式之一，對(duì)解決能源危機(jī)和調(diào)整能源結(jié)構(gòu)具有非常積極的意義。海上風(fēng)電是近年來(lái)我國(guó)興起的海洋工程類型。我國(guó)海上風(fēng)能資源豐富，根據(jù)《中國(guó)風(fēng)電發(fā)展路線圖2050年》，我國(guó)水深5～50 m海域、100 m高度的海上風(fēng)能資源開(kāi)放量為5億kW，總面積為394萬(wàn)km2。

與此同時(shí)，海上風(fēng)電的施工和運(yùn)營(yíng)可能對(duì)海洋環(huán)境造成的影響也是公眾關(guān)心的熱點(diǎn)，其中包括海上風(fēng)電場(chǎng)對(duì)海洋的水文動(dòng)力環(huán)境、地形地貌環(huán)境、沖淤環(huán)境、鳥(niǎo)類生態(tài)環(huán)境、生物生態(tài)環(huán)境、聲環(huán)境和電磁環(huán)境等的影響。目前我國(guó)對(duì)于海上風(fēng)電電磁輻射影響的研究較少，本研究收集并整理多年來(lái)國(guó)內(nèi)外海上風(fēng)電電磁輻射對(duì)海洋生物影響的研究成果，以期為我國(guó)海上風(fēng)電的發(fā)展提供技術(shù)支持，并為相關(guān)研究奠定基礎(chǔ)。

1 電磁輻射影響來(lái)源

海上風(fēng)電機(jī)組、升壓站和海底電纜是海上風(fēng)電主要的電磁輻射影響來(lái)源（圖1）。

風(fēng)電機(jī)組和升壓站均位于海面上，且不同介質(zhì)電磁輻射的衰減很快，對(duì)海洋生物的影響較小。因此，有可能對(duì)海洋生物產(chǎn)生電磁輻射影響的主要是海上風(fēng)電的輸電電纜。同時(shí)，由于電纜絕緣屏蔽外殼接地，屏蔽了電場(chǎng)，電纜外部主要是磁場(chǎng)輻射，且海底電纜產(chǎn)生的磁場(chǎng)主要來(lái)源于保護(hù)層中的鐵磁性材料和自身的加載電流。

2海底電纜的電磁輻射

21海底電纜的基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，海底電纜可分為單芯電纜和三芯電纜[1-2]，我國(guó)海上風(fēng)電的電纜大多數(shù)采用三芯電纜。三芯電纜的優(yōu)點(diǎn)包括：電纜本身可加鋼帶鎧裝，防外力破壞的能力強(qiáng)，占地面積小，可敷設(shè)在各種管材中，雖然施工較困難，但總體施工時(shí)間較短;缺點(diǎn)包括：受電纜盤和自身重量的限制，電纜一般不能太長(zhǎng)，運(yùn)輸不方便，太粗的電纜敷設(shè)時(shí)較困難，不易彎曲，載流量比相同截面的單芯電纜小。

22海底電纜內(nèi)部的電磁場(chǎng)模擬

海底電纜的傳輸方式（交流或直流）、材料、電力傳輸特性和海水電導(dǎo)率等因素都將對(duì)其電磁環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。電纜輸電線路是靜止的磁耦合回路，其負(fù)序阻抗和正序阻抗是相等的，即對(duì)稱運(yùn)行狀態(tài)和不對(duì)稱運(yùn)行狀態(tài)的阻抗相同。對(duì)正（負(fù)）序電流來(lái)說(shuō)，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)主要集中在導(dǎo)線附近的空間內(nèi)，在遠(yuǎn)離導(dǎo)線處的空間將急劇衰減。交變磁場(chǎng)在金屬屏蔽層產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，在屏蔽層及其接地點(diǎn)之間產(chǎn)生感應(yīng)電壓，其中線芯三相電流的向量和為0，感應(yīng)電壓也為0。

上海交通大學(xué)楊鏡非團(tuán)隊(duì)利用Ansys軟件[3]，研究220 kV交流聚乙烯海底電纜并建立模型，得到三芯電纜在正常運(yùn)行時(shí)內(nèi)部的電場(chǎng)分布，結(jié)果表明電纜外部屏蔽層的電場(chǎng)強(qiáng)度已下降到10～17 Vm的量級(jí)，由于電纜內(nèi)部是時(shí)變的電壓和電流，由時(shí)變電場(chǎng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)在電纜外部已經(jīng)很小。

23海底電纜外部的電磁場(chǎng)模擬

英國(guó)利物浦大學(xué)智能監(jiān)控中心[4]提供了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的13 kV海底電纜外部的磁場(chǎng)分布，其中電纜埋深為1 m，且隨著距離的增加，電磁場(chǎng)由電纜中心的最大值迅速降低，在電纜外1 m的范圍內(nèi)，由電纜產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度已降低至10-6 T。根據(jù)科學(xué)家的探測(cè)和研究，地球磁場(chǎng)強(qiáng)度約為（03～06）×10-4 T，因此電纜外部的磁場(chǎng)在很短距離以外的影響已較小。

一些科學(xué)家[5-7]研究三芯海底電纜的電磁輻射。假設(shè)：平均水深為20 m，海砂層厚11 m，電纜埋在海床以下1 m 處（圖2）;電纜的相間電壓為135 kV有效交流電壓，每一相的交流電流為700 A。

營(yíng)運(yùn)中的海上風(fēng)電場(chǎng)電纜使用的三相電纜，每一相導(dǎo)體中均存在120°的相位差，使得周圍導(dǎo)體產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)。模擬結(jié)果顯示：盡管電纜的護(hù)套提供了良好的電場(chǎng)屏蔽，但無(wú)法屏蔽磁場(chǎng)，因此電纜外部存在一定的磁場(chǎng);由于海水和海砂具有不同的電導(dǎo)率，仿真得到的電流密度在海水和海砂之間的界面呈現(xiàn)不連續(xù)狀態(tài)，在觀測(cè)半徑相等的情況下，海水中的電流密度約為海砂中的5倍，因此電纜外部的感應(yīng)強(qiáng)度為10-10～10-5 T。

袁健美等[8]根據(jù)我國(guó)江蘇如東龍?jiān)春Ｉ巷L(fēng)電示范區(qū)的情況，在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)海底電纜開(kāi)展實(shí)際測(cè)量，其中電纜系統(tǒng)額定電壓為35 kV，短路電流為1 200 A，系統(tǒng)頻率為50 Hz，海上測(cè)量水深為5～10 m，海底電纜埋深為2 m，據(jù)此計(jì)算距離電纜01～60 m處的磁場(chǎng)強(qiáng)度約為004～240 mT。

3電磁場(chǎng)對(duì)海洋生物的影響

海洋大型風(fēng)電場(chǎng)長(zhǎng)距離鋪設(shè)的海底電纜所產(chǎn)生的高電壓和大電流將對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響，如當(dāng)電流產(chǎn)生磁場(chǎng)時(shí)，洄游魚(yú)類等海洋生物將受到影響。研究表明：某些海洋生物具有磁敏感性，磁場(chǎng)可能會(huì)影響其運(yùn)動(dòng)方向;海底電纜可能破壞或影響遷徙魚(yú)類的地磁模式，且足夠強(qiáng)度的磁場(chǎng)還會(huì)影響海洋生物的生殖和發(fā)育等生理過(guò)程。

31電磁輻射對(duì)海洋魚(yú)類的影響

電磁場(chǎng)會(huì)對(duì)海洋魚(yú)類的行為產(chǎn)生影響。早在20世紀(jì)70年代俄羅斯學(xué)者[9]就已證明河流中的魚(yú)類從電線下方通過(guò)時(shí)會(huì)有反應(yīng)，并猜測(cè)這是磁力的影響。Nishi等[10]在黑暗的水族箱中用不同強(qiáng)度的人工電磁場(chǎng)刺激日本鰻鱺（Anguilla japonica），并通過(guò)心電圖監(jiān)測(cè)日本鰻鱺的磁敏感性，結(jié)果表明日本鰻鱺對(duì)12663 μT 的EW向水平地磁場(chǎng)產(chǎn)生反應(yīng)，相當(dāng)于鹿兒島SN向水平地磁場(chǎng)強(qiáng)度的038倍，因此日本鰻鱺無(wú)論是在海中還是河中都是磁敏感的。Karlsson[11]在八角形槽中測(cè)試歐洲銀鰻（Anguilla anguilla）的磁性取向，結(jié)果表明單只鰻魚(yú)的方向在2個(gè)磁場(chǎng)之間顯著不同，即鰻魚(yú)對(duì)磁場(chǎng)有反應(yīng)。Souza等[12]在八角形行為箱中施加不同的磁場(chǎng)，在8 d內(nèi)記錄黃鰻（Anguilla rostrata）的位置，結(jié)果表明磁場(chǎng)的變化會(huì)引起黃鰻行動(dòng)方向的改變。丹麥能源公司在Nysted海上風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)有些穿越電纜線路的魚(yú)類遷移受到影響，但并非完全受阻。Gill等[13]采用圍隔實(shí)驗(yàn)的方法，證明底棲板鰓魚(yú)類會(huì)對(duì)海底電纜釋放的相關(guān)類型和強(qiáng)度的電磁場(chǎng)做出反應(yīng)。袁健美等[8]研究海上風(fēng)電磁場(chǎng)對(duì)12種海洋生物的存活率和行為的影響，結(jié)果表明：100 mT（電纜處）強(qiáng)度磁場(chǎng)對(duì)黑鯛（Sparus macrocephalus）的存活率和行為有一定的影響，并初步判斷距離電纜12 m外（磁場(chǎng)強(qiáng)度約為020 mT）的位置為海洋魚(yú)類對(duì)海上風(fēng)電磁場(chǎng)的耐受范圍;文蛤（ Mercenaria mercenaria Linnaeus ）等貝類對(duì)磁場(chǎng)的耐受性較好，海上風(fēng)電磁場(chǎng)對(duì)其存活率沒(méi)有影響;在風(fēng)電正常運(yùn)營(yíng)的情況下，底棲生物的存活率也未出現(xiàn)明顯差異。

同時(shí)，電磁場(chǎng)會(huì)對(duì)海洋魚(yú)類的生理造成一定的影響。Lerchl[14]研究溪紅點(diǎn)鮭（Salvelinus fontinalis）在磁場(chǎng)中暴露的影響：該磁場(chǎng)由亥姆霍茲線圈產(chǎn)生，最大磁通密度為40 μT，頻率為1 Hz，200 ms開(kāi)，800 ms關(guān);通過(guò)特定的放射免疫測(cè)定法估算褪黑激素濃度，結(jié)果表明與對(duì)照組相比，MF暴露顯著增加夜間松果體（P<0001）和血清（P<001）褪黑激素水平。Formicki等[15]的研究結(jié)果表明，低值的恒定磁場(chǎng)暴露能減緩鱒（Salmo trutta）和虹鱒（Oncorhynchus mykiss）的胚胎發(fā)育。Krzemieniewski等[16]在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)歐洲鲇（Silurus glanis）暴露于強(qiáng)度持續(xù)為04～06 T的磁場(chǎng)中時(shí)，其生物量下降率和死亡率升高。然而B(niǎo)ochert等[17]的研究結(jié)果表明，幼體鰈（Plathichthys flesus）在受強(qiáng)度為37 mT 的靜電磁場(chǎng)影響數(shù)周時(shí)，并未受到影響。

32電磁輻射對(duì)其他海洋生物的影響

唐超等[18]研究射頻電磁輻射（RFEMF）、極低頻電磁場(chǎng)（ELFEMF）和交變電場(chǎng)（AEF）3種典型電磁環(huán)境脅迫對(duì)銅綠微囊藻（Microcystis aeruginosa）細(xì)胞氧化應(yīng)激的影響作用。袁健美等[8]的研究結(jié)果表明：縱肋織紋螺（Nassarius variciferus）的回避行為受磁場(chǎng)影響明顯，即在24 h之內(nèi)，405 mT和090 mT磁場(chǎng)暴露條件下的縱肋織紋螺分別有830%和330%逃離實(shí)驗(yàn)缸，其余均分布于實(shí)驗(yàn)缸邊緣;磁場(chǎng)暴露下黑褐新糠蝦（Neomysis awatschensis）的存活率有所降低，且在405 mT時(shí)表現(xiàn)尤為明顯，存活率與對(duì)照組相比顯著降低（1053%）。Lohmann[19]的研究結(jié)果表明，肯普的雷德利海龜（Lepidochelys kempi）、綠海龜（Chelonia mydas）和海龜（Caretta caretta）都利用地球磁場(chǎng)進(jìn)行定位并遷移。Boles等[20]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，在排除其他因素干擾的情況下，多刺龍蝦（Panulirus argus）也利用磁場(chǎng)進(jìn)行定位。

4結(jié)語(yǔ)

截至2017年年底，全球海上風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模累計(jì)達(dá)到1881 GW，我國(guó)海上風(fēng)電新增吊裝容量逐年上升，海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到279 GW，約占全球海上風(fēng)電裝機(jī)總量的148%。根據(jù)風(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃，我國(guó)海上風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量在2020年將超過(guò)5 GW，開(kāi)工容量將超過(guò)10 GW。

海上風(fēng)電項(xiàng)目用海會(huì)造成海洋空間的破碎化，制約海域未來(lái)開(kāi)發(fā)利用活動(dòng)。海上風(fēng)電場(chǎng)占用生境對(duì)鳥(niǎo)類遷徙、海水水質(zhì)和底棲生物的影響，施工噪聲對(duì)海洋哺乳動(dòng)物的影響，海底電纜的電磁輻射影響以及對(duì)海域水文動(dòng)力的影響等都是海上風(fēng)電場(chǎng)工程建設(shè)亟須重點(diǎn)關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題，目前這些問(wèn)題尚未有科學(xué)有力的結(jié)論。

海上風(fēng)電場(chǎng)在發(fā)展初期多布局在潮間帶和近海海域，隨著潮間帶淺海海域資源的緊缺以及海上風(fēng)電深遠(yuǎn)海安裝技術(shù)和能力的提升，越來(lái)越多的風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)始走向深遠(yuǎn)海，深遠(yuǎn)海的海上風(fēng)電發(fā)展?jié)摿薮?。然而由于缺乏深遠(yuǎn)海的相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，世界各國(guó)仍不能有效開(kāi)展深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電項(xiàng)目的生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)。為此，我國(guó)仍須開(kāi)展大量的基礎(chǔ)研究和監(jiān)測(cè)工作。

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