斯旺西湾的潮汐能开发

2014-04-06王妍炜,蔡金栋,蔡建清

水利水电快报 2014年4期

1 工程介绍

拟建的泻湖工程位于尼思(Neath)河引渠(流向尼思河港口和蒙克斯特恩航海俱乐部码头)与塔威(Towe)河(流向斯旺西港口和斯旺西码头)之间。塔尔伯特(Talbot)港口就座落在泻湖的东南。因此，航海与航运对于该地区非常重要，在工程建设时也得到了充分考虑。工程开发商就曾与皇家快艇比赛协会针对泻湖地区的淤泥问题、修建安全区的必要性以及修建水轮机室天然隔离带计划等进行了探讨。如果没有天然隔离带，就需要用线和浮标在水轮机周围400 m范围内标记出隔离区。

拟建的斯旺西湾潮汐泻湖工程(Swansea Bay Tidal Lagoon)是英国规划的系列沿海潮汐发电工程的第一个。潮汐泻湖电力有限公司技术负责人称，在北威尔士和布里奇沃特湾潜在工程地点修建潮汐能发电站后，公司能够向英国输送10000MW的潮汐能电力。他说，从现在起到2023年，英国将有16座电站的使用寿命到期，相当于英国发电总装机的四分之一。

这意味着在2015年之后，英国满足全国电力需求的能力将大大下降。而修建潮汐发电站可以充分利用海洋这一重要的自然资源，满足英国10%的基础电力需求，因此，此时考虑潮汐能的开发利用恰到时机。

这位负责人补充说，坚信潮汐能是一种可以大规模替代传统化石燃料与核电的可靠能源。潮汐发电工程结合了最先进的技术和土木施工方法，以创新的组合方法生产出可预测的清洁电力，造福子孙后代。

斯旺西湾潮汐泻湖工程的额定装机容量为240MW，其年净输出电量为400 GW·h左右，大约可以满足121000户家庭的用电需求，超过了斯旺西镇的年家庭用电总量(大约109000户家庭);相当于斯旺西湾年家庭(斯旺西镇、尼思河港口和塔威河港口大约有173000户家庭)用电量的70%左右;相当于威尔士年家庭用电量的大约9%(按1369000户家庭计算)。

除电力生产外，这项耗资6.5亿英镑的工程还可以提供参观游览设施和其他福利设施，包括艺术、教育、海产养殖、运动休闲设施等。海堤也可在白天向公众开放，用于散步、跑步和骑车等。

由于该项目是装机容量超过100MW的近海发电站，因此被纳入了2008规划法案中的国家重点基础设施项目(NSIP)。根据2008规划法案，此类项目的施工必须先向规划检察官(PINS)提交申请，并由国家能源与气候变化部部长签发“同意开发令”(DCO)方可实施。

由于项目位于威尔士沿海水域，还须获得由“威尔士自然资源海洋许可小组”代表威尔士政府颁发的海洋许可证。对于超出NSIP和DCO权限之外的项目内容，还必需获得地方规划审批机构——斯旺西市及郡议会(CCSC)或尼思和塔尔伯特港市镇议会(NPTCBC)的许可。

2 工程地点选择

之所以选择斯旺西湾作为工程地点，是因为该地区具备修建泻湖的必要条件——水浅而潮差大。塞文(Severn)河河口的潮汐差高居世界第二，斯旺西湾的潮汐差可达10 m以上。此外，这里的海床坡度平缓(便于施工)，同时又靠近人口中心，可以最大限度地减少输电过程中的损失。

3 泻湖潮汐能发电方式

为利用海水发电，需要在泻湖圈出一个11.5km2的水面，以便修建1座长 9.5km的U型海堤，使其从斯旺西湾延伸到海洋、再折回到斯旺西大学新建的科学与创新校区(SAIC)附近的陆地。

这座高5～20 m的海堤，心墙将采用充沙土工管袋进行施工，海堤表面将根据海水的深浅覆盖不同直径的护面块石。

修建海堤的沙土将直接从泻湖工程地点开挖取材，用于保护海堤的护面块石将从海上运输。水面以上海堤高度为3.5 m，堤上可通公路，用于泻湖的运行维护，也可供公众参观游览。

在海堤的西南部将布置一个水轮机室与闸门设施，在水轮机室内将装设16～22台永久水下水轮机(直径7～8 m)，以在涨潮和退潮时发电。还将安装10个左右的闸门，这样可以使海水在必要时不经过水轮机即可直接进出泻湖。

在海水涨潮发电前，需先将水挡在泻湖之外2 h 5 min左右，以形成水头。一旦形成了足够的水头，就可以将水放进泻湖并带动水轮机进行发电。退潮发电的过程也是如此，必须等泻湖外的潮位降低到一定水平以形成足够的水头，才可以从泻湖放水发电。

当退潮或涨潮快结束时，闸门便会打开，以便能尽快在下一次水位涨落之前将泻湖蓄满或排出多余的海水，从而使泻湖内外的海水水位尽可能保持相同水平。这样做可以使发电量最大化，也可以使泻湖内外的环境尽可能接近。

为使湖内外水位相同，也可以在涨潮或退潮接近尾声时采用水泵抽水的方法。

这种发电方法将按潮水涨落的次数进行，每日共发电4次。所生产的电力将通过地下电缆输送到离此最近的国家电网白歌兰(Baglan)变电站。电缆预设在海堤内，沿已建公路或道路铺设到尼思河，然后进入变电站。

4 合作伙伴

潮汐泻湖电力有限公司为私营公司，由总裁M.肖洛克个人注资成立。M.肖洛克是一位新能源领域的企业家，已注资4家新能源公司。

国际顶尖的科斯坦(Costain)公司、阿特金斯集团(Atkins)与荷兰V·诺德(Van Oord)公司均已和潮汐泻湖电力有限公司签署合作协议，拟共同进行泻湖工程的设计、施工与交付。

科斯坦公司是英国一流的工程咨询机构。该公司将与其他合作伙伴一起，以最优的工程方案对斯旺西湾潮汐能开发工程的交付进行协调与管理。其任务包括制定与管理准备阶段与施工阶段的工作计划，为水轮机、闸门、道路等土木工程制定施工方中，包括为修建水轮机室而搭建的临时码头等综合临时工程。

阿特金斯集团在能源、水、海洋与城市发展等多个市场领域拥有75a的设计、施工与项目管理咨询经验。该公司已与潮汐泻湖电力有限公司合作进行了18个月的整体项目可行性考察，并已受委托为该项目提供工程设计与岩土技术咨询，其中包括水轮机机室和新型防波堤的设计以及海床的地质勘测。防波堤结合运用了大型管沙袋和不同直径的护面块石。

V·诺德公司是一个专业致力于挖掘工程、海洋工程与近海工程(石油工程、天然气工程和风力发电工程)的新型国际承包商，有百余年的从业经验，曾参与众多地标性工程，如荷兰三角洲计划中的挡潮闸工程、香港赤邋角国际机场工程、迪拜的朱美拉棕榈岛工程以及北海的若干海上风力发电工程等。V·诺德公司正与潮汐泻湖电力有限公司合作，以共同研制适合斯旺西湾复杂近海状况的新型施工方法。

5 环境评估

正式磋商刚刚结束，对社区意见的征询也已接近尾声，按计划，潮汐泻湖电力有限公司应当在2013年末提交规划申请。如能顺利获得批准，工程将最早于2015年4月动工，并将在2017年正式并网发电。

2013年7月，发布了斯旺西湾潮汐泻湖工程《初期环境信息报告》。报告涉及的部分关键环境问题如下。

5.1 海岸演变、泥沙输移与污染

正在进行一项具体的模型研究，以深入了解项目的最终设计对海洋环境可能造成的改变。同时还利用项目收集的有关数据对研究区域一组相关计算模型进行率定和验证，其中有2个模块是海岸演变过程研究的基础。

进一步收集了研究区域包括海堤工程采沙区的泥沙质量数据。采集数据包括表面和深层泥沙质量，用于泥沙输送建模和污染评估。

针对项目施工、运行和拆除过程中对斯旺西湾及更大范围内的潜在影响，采用了计算机模型进行评估。

5.2 水质

斯旺西湾是休闲旅游胜地，有2个海滨浴场，高尔(Gower)海岸附近更多。此地还是贝类养殖基地，因此水质尤其重要。泻湖本身应该不会对海水造成污染，但工程对湾内水循环的改变会影响到水质，也会对附近污水处理厂延伸到泻湖地区的已建排污管道产生影响。

通过对泻湖形状及水轮机和闸门位置的精心设计，可以尽可能减少这些问题产生的影响。现有计算机水质模型可针对不同设计方案对这些问题产生的影响进行模拟测试。

模拟结果显示，泻湖的潮汐能开发建设对水循环的影响程度并没有预计的严重，但到雨季，会使雨洪从污水处理厂的排水口流出，进而对泻湖以及整个斯旺西湾的水质造成影响。如不对此进行处理，在强降雨后，泻湖地区的水质将不适于开展接触性水上运动。为减轻这一影响，提出如下建议:

(1)增加一个雨洪储存设施，将污水溢流事件控制在每a 1次以下。

(2)或者安装紫外线消毒装置对溢流水质进行处理，以达到《欧盟洗浴用水指令》规定的最低“达标”水平(安全游泳的最低标准)。

具体的水质评估建模工作正在进行当中，将利用新近的现场具体考察数据以及由斯旺西市镇和阿伯里斯特维斯大学(Aberysrwyth University)在智能海岸项目中收集的数据，对现有计算机模型进行升级。

5.3 潮间带与潮下深海生态

正开展关于海湾沙滩及海床海洋植物与动物环境的具体评估。尽管施工地点与任何生态保护区都没有交叉，但是在海湾内有2处海洋生物保护区，分别是布雷克皮尔科学保护区(Blackpill SSSI)和克林姆莲科学保护区(Crymlyn Burrows SSSI)。此外，整个斯旺西湾还有一些重要的生态物种，如蜂巢状珊瑚虫(Sabellaria alveolata)和本地牡蛎(Ostrea edulis)等。

将在各个工程环节上采取措施，尽可能减少工程建设的潜在影响。如在施工方法的环节方面，使用充沙土工管袋施工，可尽量减少施工过程中的悬浮泥沙。另外，项目团队也在研究一些生态修复措施的可行性，如将本地牡蛎再次引进斯旺西湾，以及移植蜂巢状珊瑚虫等。新的潮间带及潮下岩石栖息地的引进，应该也会对该片海域有益。