海上风机噪声对海洋生物的影响研究*

袁 征，马 丽，王金坑

（国家海洋局第三海洋研究所 厦门 361005）

海上风机噪声对海洋生物的影响研究*

袁 征，马 丽，王金坑

（国家海洋局第三海洋研究所 厦门 361005）

海上风电是未来沿海各国海上能源开发的重点。我国海上风电正处于起步阶段，已建和规划中的风电场逐渐增多。国内对海上风电场环境影响研究，尤其是风机噪声对海洋生物的影响研究几近空白。文章总结了近年来国外海上风电场运营过程中水下噪声的基本概况，以及对海洋鱼类（游泳鱼类和底栖鱼类）、哺乳动物和底栖生物影响的研究成果。就我国未来海上风电场建设规划，提出海上风电场运营期风机噪声研究的不足及海洋生物听阈范围研究的缺乏，为我国制定海上风电项目环境影响评价规范提供科学参考，并指出水下噪声对我国海洋生物影响的研究方向。

海上风机；噪声；海洋生物

1 引言

为应对全球气候变化和能源供应短缺，可再生能源的开发和利用逐渐受到各国政府的重视［1］。风能，作为一种可再生能源，分布广泛，储量丰富；尤其是海上风能，相比于陆地风能，在风速、风况和发电的年利用小时数上都有明显的优势，且不占用土地资源［1－3］。因此，海上风电的发展逐渐成为沿海各国海上能源资源开发的重点。在欧洲，海上风电起步较早，发展迅速，尤其是北欧，如英国、荷兰、德国、丹麦等［4］。大多数海上风电场都建在浅水区，但因该区域海洋生产力较高，是各种海洋生物近岸海域的栖息地，所以大型风力涡轮机的运行对海洋生态环境的影响不容忽视［5－6］。近年来，国内外许多学者从不同方面对此展开了相关研究，如风力涡轮机水下噪声对鱼类听力范围及行为生理反应的探讨［7－18］；对海洋哺乳动物的听力范围及行为反应［3，7，13，19］研究；对底栖生物的影响研究［13，20－21］等。但总体上我国关于海上风机运行噪声对海洋生物的影响研究还比较少，使得海上风电场环境影响监督与管理尚显不足。

以下就国内外已有研究做简要探讨。

2 海上风机水下噪声

Richardson将噪声定义为损害有用信号的接收，或者干扰动物正常行为的声音［11］。风机噪声来源可分两类：一是气动噪声，由涡轮机转子叶片产生；另一个是机械振动噪声，由风机周围空气运动、机箱内齿轮箱和发电机机械振动产生。其中，气动噪声通过空气传入水中，并随着风机转速的增加而增强。机箱内的机械振动噪声则取决于风能转化过程中机械的精细程度，也是随着风速增大而增强；不仅如此，随着时间的推移，部件磨损引起的振动逐渐加强，会导致噪声强度越来越大［9，12，13，22］。

Nedwell认为风机噪声传入水中分3种途径：空气传播、桩体振动引起的水下传播、桩基底部振动引起的底质传播（图1）。其中，第二种途径，由桩体振动引起的声波水下传播起主导作用［5］。

在对海上风机运行噪声的测量研究中，多数是在距离风机一定距离处，将水听器直接放入水下进行测量［2，7，10，23］。且在大多数情况下，海上风电场的整体运行噪声很接近单个风机的运行噪声［2，7，10，24］。然而，也有学者认为风机数量的增加会导致噪声水平的增大［8］。因此，为保证风机运行噪声基础数据对海洋生物影响研究的可靠性与真实性，建议在研究过程中采用风电场整体噪声的实际测量值。

图1 风力涡轮机水下噪声传播途径［5］

风电场在运行过程中产生的噪声多为窄频噪声，频率小于1 k Hz，多数集中在700 Hz以内，其声音频谱通常与风机性能有关而与其他条件无关［2，14］。图2依据不同条件，各研究者对海上风电场的噪声测量值，推算出距离噪声源1 m处的噪声声压水平［7］。从图2中可以看出：不同海上风电场运行期水下噪声的测量值可能会由于风速、测量记录条件、噪声辐射方向等不同而略有差异，但均在一定范围内。

图2 Westerberg（1994：Nogersund 5 m／s），Degn（2000：Bockstigen 8 m／s and Vindeby 13 m／s），Fristedt et al．（2001：Bockstigen 5m／s）和Ingemansson（2003：Utgrunden 13 m／s）测量的风机噪声声源级。噪声级：背景噪声级依据Piggott（1964）在水深40～50 m处的测量值［7］。

3 对海洋生物的影响

海上风电场的建设期和退役期对海洋生物的影响只有短短几个月的时间，而在长达数十年的运营期中，风机噪声对海洋生物的影响会是长期和累积性的。目前，对海洋生物的研究重点集中在风机噪声对海洋鱼类和海洋哺乳动物的影响研究：包括海洋鱼类对风机噪声探测范围的确定、噪声导致鱼类的行为和生理反应研究等；对海洋哺乳动物的研究主要是风机运行噪声引起的哺乳动物行为反应，如逃离噪声源、增加回波定位频率等。多数研究表明风机噪声可能会对海洋鱼类和哺乳动物产生一定的影响，但不会造成不良生理反应及听力损伤；同时，也有研究认为海洋生物可以很好地适应风机噪声，而不产生有害影响。相比较而言，对海洋底栖生物的噪声影响研究则较少，且对其是否存在影响仍有争议。

3.1 对鱼类的影响

海上风机噪声对鱼类的影响研究，首先是鱼类对风机噪声可探测范围的确定，其次是风机噪声对鱼类的行为和生理的反应研究。

鱼类的听阈范围在不同物种间存在较大差异，一般在30～1 000 Hz间，最佳听力范围为100～400 Hz［12，15－16］。依据鱼类的听力敏感度可将其分为听力敏感种和非听力敏感种，不同种对风机运行噪声的探测范围不同，就目前的研究显示，鱼类的最大探测距离为0．5～25 km［3，7，25］。其中，听力敏感种，如大西洋鳕（Gadusmorhua）和鲱（Clupea harangus）对风机运行噪声的探测距离为4．6～13 km；非听力敏感种，如比目鱼（Limanda limanda）和大西洋鲑（Salmo salar）对噪声的探测距离为0．5～1 km；金鱼（Carassius auratus）的探测范围为15～25 km。当噪声源处于鱼类可听区范围内，可能引起鱼类的行为或生理反应。

鱼类的行为反应研究主要是利用超声波遥感来观测其是否改变游泳行为，或者对比风电场内外、风电场内风机运行和停止时的捕获率，来判断其是否具有逃离噪声源的倾向

等［10，23，25］。研究表明，当鱼类在风机运行过程中游近风机时，并没有大幅改变游泳行为；且风机在运行过程中，风电场内的鱼类捕获率较风机停止运行时或风电场外低；当风机停止运行时，风电场内的捕获率比风电场外高。由此可见，风机运行噪声会对鱼类产生一定的影响，使鱼类远离风电场。同时，人工鱼礁效应增加风电场内食物量，使鱼类在风机停止运行时游近风电场。

鱼类的生理反应研究并不多见，现有资料中，只有Smith将金鱼短期（小于24 h）持续暴露在160～170 d B噪声环境下，测量其血液中葡萄糖和皮质醇水平，发现皮质醇会有一个短期的激增，而葡萄糖水平不变［17］。除此之外，鱼类的听力损伤也属于生理反应的范畴，通过观测鱼耳内的毛细胞是否受损或出现小孔来判断噪声是否对鱼耳造成听力损伤［18］。而从目前研究来看，风机运营过程中产生的噪声远达不到上述引起鱼类生理反应的声压水平，因此，即使距离风机很近，也不会对鱼类产生有害生理影响［3，7，26］。

3.2 对海洋哺乳动物的影响

海上风机噪声对海洋哺乳动物的影响研究同样要确定海洋哺乳动物对风机噪声的探测范围，然后关注在该范围内风机噪声引起的海洋哺乳动物的行为反应。

海洋哺乳动物听阈范围较鱼类更为广泛，且种间差别较大。因本研究的海上风电场多在近海海域，故重点关注近海海洋哺乳动物斑海豹（Phoca vitulina）和鼠海豚（Phocoena phocoena）的研究，这二者是欧洲诸多海域的代表种，且斑海豹听力敏感，因此有较强的代表性。表1总结了斑海豹和鼠海豚不同频率下的听阈值。由此推算出斑海豹对噪声的探测范围大于1 km，鼠海豚为50～500 m［2－3］。

海洋哺乳动物行为反应影响研究主要是通过海上观测、航空观测、经纬仪跟踪监测、声呐监测等方法，探究其是否逃离声源或增加回波定位频率等［2－3，6，19，25］。研究表明，在风机运行过程中，斑海豹有明显的小幅逃离声源的行为，且风电场建设过程中的打桩噪声对其影响较大；而鼠海豚没有改变游泳路径，仅缩短回波定位的时间间隔，即增加回波定位频率。

表1 斑海豹和鼠海豚的听阈范围

除上述影响外，也有学者认为海洋哺乳动物能很好地适应风电场噪声［27］。Susi对全球最大的海上风电场Nysted（距离Rødsand海豹保护区仅4km）建设前期、建设中期和运营期的海豹，包括斑海豹和灰海豹（Halichoerus grypus），进行为期3年的观测：认为该区域海豹对人类活动较为熟悉，所以对反复出现的干扰有较强的忍耐，而不构成威胁。此外，由于人工鱼礁效应增加风电场内食物供给，可能导致斑海豹向着风电场区活动［28］。如，Teilman对运营初期几个月的风电场进行航空观测，发现斑海豹在风电场内外往返游动，推测其可能原因为季节性食物丰富期［25］。

3.3 对底栖生物的影响

海洋底栖生物对维持整个海洋生态系统的健康和稳定有着重要作用。回顾海上风电近几十年的发展，有关海上风电场建设对底栖生物的潜在影响逐渐受到研究者的关注，从风机基座的安装、相关设施的建设、海底电缆的铺设、风机运营，到后期风电场结束运营，整个过程对海洋底栖生物的影响可分为五类：噪声及振动、温度、电磁场、污染物和扰动等［13］。本文只介绍噪声对底栖生物的影响。

噪声对底栖生物的研究多数集中在20世纪90年代对养殖塘内各种虾、鳗等的噪声试验研究，研究结果虽然显示部分底栖生物对噪声和振动较为敏感，且低频噪声可能引起虾类心跳减速、生长繁殖率减少、进食量减少等。但并没有直接的证据表明风机运行噪声会对底栖生物造成有害影响［29－31］。因此，需进一步加强这方面研究，明确风机运行噪声是否对底栖生物产生不良影响。

4 结论与展望

海洋生态系统是一个动态系统，食物网交错存在，其中任何一个种群发生变化都可能引起其他生物种群的巨大变化。因此，研究海上风电场运营过程中的噪声对海洋生物的影响具有重要意义。然而，与发达国家相比，我国海上风电起步较晚，对海上风电场运营过程中的水下噪声缺乏监测，同时对海洋生物的听阈范围研究较少。因此，在总结国外研究成果的基础上，有必要对我国已建海上风电场水下噪声进行跟踪监测，同时对不同海域重点生物的听阈范围展开研究，推算出重点生物对风机噪声的探测范围，并对其行为反应开展适当的实验研究，为有效保护海洋生物提供科学的理论依据。

在关注风电场对所在海域海洋生物物种影响的同时，也应关注因多个风电场建设引起的区域海洋整体环境的变化（如水文动力环境、底栖生物栖息沉积物环境、风机基座污损生物的累积等），从而改变或增加海洋鱼类、哺乳动物、鸟类等的食物来源，最终引起区域海洋生态系统群落的变化等［32］。做到在最大限度利用海上风能的同时，兼顾整个生态系统的稳定。

本文中所引用的图表数据及结论，均是基于输出功率小于2 MW的风机机组，而未来海上风电机组的发展趋势是输出功率不断增大，较大输出功率的风机机组（如6MW）运行噪声频率和声压水平不同于小功率风机机组，因此，未来应关注较大输出功率风电机组的噪声影响研究。此外，风电场运营期产生的水下噪声，相比于建设期的噪声，声压水平较小，但持续时间久，因此要加强海上风电场水下噪声对海洋生物长期累积性影响的研究。

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国家海洋局环保司业务性课题“国家海洋环境保护与监测”．