海洋能开发利用的环境影响研究进展＊

于 灏，徐焕志，张 震，杨 敏

（1．山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室 青岛 266033；2．国家海洋局北海海洋技术保障中心 青岛 266033；3．浙江海洋学院 舟山 316022）

1 引言

为缓解能源供应紧张和应对全球气候变化，开发利用清洁可再生能源已成为今后全球经济发展的必由之路。对于沿海国家和地区而言，海洋能的开发利用不仅成为解决能源问题的重要途径之一，也利于区域经济的长远发展［1－2］。近10余年来，世界各沿海国家对开发海洋能源产业愈发重视，海洋能利用技术也不断发展［3］。与此同时，鉴于传统能源开发利用所引起的严重的生态环境污染问题，海洋能开发利用对生态环境的影响早已开始引起研究人员的关注［4－6］。

目前，海洋能的利用形式仍以发电为主，要将海洋能转化为电能，就需要安装发电装置。对离岸的海洋能发电来说，为了将电能传输回陆地，在海底还需要铺设电缆等输电设施。因此，虽然海洋能本身是一种清洁无污染的能源，但开发利用海洋能的装置、技术方法和活动等却会对海洋环境产生一定的影响。这些影响体现在海洋能开发利用装置的安装施工、运行和到期后处理等各个环节中［5，7］。为确保海洋能资源被科学合理的开发利用，减小甚至避免对海洋环境的影响，尽早开展海洋能的环境影响研究，对于推动海洋能技术向环境友好的方向发展具有重要意义。

2 对海洋环境的主要影响

Boehlert和Gill［8］系统地总结了海洋能装置对海洋环境的影响，根据不同层面，将环境影响进行了分类 （表1）。海洋能开发利用的影响的复杂性可见一斑。同时，很多研究者不仅关注了海洋能装置所引起的负面环境效应，也注意到其所能带来的正面效应，例如水下装置的人工鱼礁作用、鱼群聚集与保护作用等［5，9－12］。

表1 海洋能环境影响分类［8］

续表

海洋能发电装置主要是将潮汐、潮流、海流、波浪等海水运动所产生的巨大能量转化为电能加以利用。能量转换首先影响的就是流速、流量、波高、波长、潮差等水动力要素，发电装置所在海域的水动力环境也随之发生改变［13－16］。例如，Xia等［15］在Severn河口的定量研究表明，潮汐电站大坝的建设使得最大流量大约减少30%～50%，水位高度降低0．5～1．5m。Ahmadian和Falconer［16］也发现，潮流能装置阵列两侧海域的流速增大，而阵列上下游的流速减小。这种影响不仅会影响海洋能发电装置所在海域，甚至会影响到更远的海域［8，17］。

水动力环境的改变，势必会影响海洋能发电装置周边海域的水质环境［14，16］。Falconer等［14］发现Severn潮汐电站的建设使得英国Severn河口的流速减慢，从而引起水体中悬浮颗粒物浓度减小，水体透明度增加。不仅如此，悬浮颗粒物浓度的变化也会引起水体中的溶解氧、盐度、营养盐浓度、金属浓度以及病原体的含量发生改变［8，13，16］。水动力条件同样会影 响 水 体泥沙的沉积，不仅会改变河口的冲淤环境和海底的沉积环境［18］，还能够改造海岸带的地形地貌［19］。

无论是水动力环境的变化、还是水质和沉积环境的变化，对海洋生物来讲，都意味着原有栖息环境的改变［20］，这些改变无疑会影响海洋生物的生存繁衍［14，21－23］。van Deurs等［22］研究了离岸风场对沙鳗的短期 （2 年）和长期 （8年）影响发现，短期内，离岸风电装置的建设导致海底沉积中泥质成分减少，使得幼年和成年沙鳗的生物量增加；而长期来看却出现了沙鳗幼仔减少的现象。具有较强水动力条件的河口区在建设潮汐发电装置后，由于水动力减弱，引起悬浮颗粒物浓度减小，水体透明度增加，会使得底栖生物多样性和生物量增加［14］。

此外，海洋能发电装置产生的噪音、环境振动和电磁场也会影响海洋生物，特别是哺乳动物［23－25］。有研究表明，海上风场水下基础设施建设和电缆铺设分别会产生高达260dB 和178dB的噪音，会破坏100 m 范围内的海洋生物的声学系统［26］。在较大的噪音环境中 （如大于150dB）鱼群会出现惊吓而警觉的反应［27］，其迁徙活动也会受到影响［24］。Simmonds 和Brown研究了28 种鲸鱼的行为，虽然数据有限，但足以证明海洋能装置噪音已影响到鲸鱼的生存［28］。

海洋能装置不仅会直接影响某种或某些海洋生物，还会通过食物链影响其他海洋生物［20］，甚至区域生态系统［8］。例如，波浪能和潮流能发电装置会引起鱼群的聚集或者迁移，而发电装置海域的海鸟数量则也会随之增加或减小［9，20，29］。

3 研究与评价方法

3．1 模型的应用

为评估海洋能开发利用活动的环境影响，研究者通常会应用水环境模型预测海洋能发电装置建设对水动力环境、水质和生物带来的影响，特别是在海洋能发电装置选址和建设前期，甚至用来优化海洋能装置的设计［13－14，16，30］。

其中，水环境模型 （Depth Integrated Velocities And Solute Transport，DIVASTModel）是一种较为常用的水环境模型［13－14，16］。应用于潮流能发电装置的评价时，一般需要对模型进行调整，特别是需要将海洋能发电装置的涡轮作为动量汇的接受者加入模型中，用以模拟涡轮阵对海岸环境的影响［16］。其他的模型还包括河流水质模型 （QUAL2E），三维富营养化模型（CE－QUALICM），水动力模型 （MOHID），水质分析模拟程序 （WASP6），三维水动力学富营养化模型 （EFDC）以及三维水动力－水质耦合模型 （ELCOM－CAEDYM）。这些模型均可以模拟水体环境中物理、化学和生物过程的相互关系［13］。但是，这些模型又均具有自身的特点和适用范围，需要根据模拟的需要进行选择。例如，水生态系统动力学模型 （Computational Aquatic Ecosystem Dynamics Model，CAEDYM）

可以同时表征沉积物中磷酸盐和铵盐的吸附－解吸过程，但三维水动力学富营养化模型 （Environmental Fluid Dynamics Computer Code，EFDC）只能表征磷酸盐的吸附－解吸过程，而在DIVAST 模型中营养盐的吸附－解吸则完全没有在考虑范围内。此外，包括CAEDYM 模型和EFDC 模型在内的大部分模型都没有考虑盐度对沉积物－营养盐关系的影响［13］。在实际应用中，也会将DIVAST 模型与其他模型相结合，如水环 境 模 型 （Flow and Solute Transport in Estuaries and Rivers，FASTER），以便在水动力环境的模拟基础上，进一步预测悬浮颗粒物浓度等的变化［13］。另外，在评估海洋能装置对海岸带地形地貌的影响时，也会将地貌模型与三维水动力模型将结合［19］。

通过模型可以较为便捷地预测海洋能装置的环境影响，特别是在海洋能项目建设前期的选址和设计阶段，建模为项目的决策发挥了极为重要的作用，然而，模型毕竟只是对现实状态的模拟，受计算方法、运算能力、人为因素的影响较多，仍存在着一定的缺陷和限制，需要进一步改进。

3．2 现场监测

与模型相比，通过现场监测获得的环境影响信息更为直接和准确［23］。然而，海洋能储量丰富的海域往往是海况条件恶劣、海上监测作业困难的海域，要获得大量而准确的样品实属不易。因此，研究者在传统监测手段的基础上，发展了新的监测手段。例如，应用遥感技术可以监测难以到达的海域的情况；应用侧扫声呐获得海洋生物栖息地的地形地貌特征；应用配备高清晰度摄影机的水下机器人或者拖曳式水下高清摄像机可以获得较为清晰的海洋能水下装置及其附近海域的水下影像，了解海底生物的栖息情况；应用声学追踪技术，将挂有声学接收机的海床基布放在海底，可以获得一段时间内鱼类的活动数据；应用被动式声学监视器和宽带声音记录仪监测海洋动物，特别是鲸类在海洋能海域的活动情况等［10］。

4 国内外研究进展和相关工作

4．1 环境影响评价

迄今，对海洋能开发利用活动的潜在环境影响进行评估在很多国家和地区已成为政府和海洋能开发利用机构进行海洋能评估的重要组成部分，往往与海洋能选址和储能评估同时进行［31］。国际能源署在海洋能源系统实施协议（IEA OES－IA）中将 “海洋波浪、潮汐和潮流能系统的环境影响与监测效果评估”纳入其四项任务目标之一，并将 《海洋与水动力装置的环境效应》作为主要的报告之一。

早在20世纪80年代，加拿大政府就在芬迪湾、缅因湾等潮汐能丰富的地区开展了潮汐电站的环境影响研究，以期解决潮汐电站所引起的鱼类通过受阻、泥沙沉积、流态改变等环境问题［4，6］。2007—2008年，加拿大近海能源环境影响研究协会 （Offshore Energy Environmental Research Association，OEERA）开展了关于芬迪湾潮流能开发的战略环境影响评价，报告中列出了潮流能转换项目的典型的环境影响，描述了工程各个阶段与环境之间可能发生的相互作用［32－33］。美国能源信息署 （EIA）根据波浪能转化技术对环境的影响对波浪能装置进行分类技术研究，以简化波浪能开发利用者和政府在应用波浪能技术时的处理过程［34］。英国贸易工业部、苏格兰行政院、新西兰波浪和潮流能协会、爱尔兰等也都在近年开展了海洋能装置的环境影响评估，阐述了不同海域海洋能开发利用活动对水动力环境、水质、沉积物环境和海洋生物等的影响［32，35－38］。

我国的环境影响评价制度也包括对海洋能开发利用活动的评价要求，《海洋工程环境影响评价技术导则》（GB／T 19485—2004）对潮汐电站、波浪电站、温差电站等海洋能源开发利用工程的环境影响评价内容等进行了规定［39］。关于海洋能装置的环境影响评价方法研究也相继开展。例如，刘富铀等［40］开展了潮汐电站环境影响的模糊综合评价方法研究，丁晓和李洪远［32］探讨了潮流能发电的环境影响评价指标体系的构建。

4．2 环境影响监测

海洋能开发利用活动所产生的环境效应往往是潜在而深远的，由于海洋能发电装置的发展正处于方兴未艾之际，进入商业化运营的装置还是少数，因此，目前所获得的环境影响数据和资料也是相当有限的。为了更深入地了解海洋能装置的环境影响，开展环境影响监测活动具有重要作用［23］。英国的Wave Hub波浪能电力系统应用多种监测手段，研究了海上装置对水体环境、生物栖息地，以及底栖生物、鱼类、海鸟等海洋生物的影响［10］。美国华盛顿大学的研究人员对将安装在大西洋西北部的潮流能发电设备的环境影响进行了系统的监测［41］。英国SeaGen潮流能发电装置、加拿大芬迪海洋能源研究中心、欧洲海洋能源中心等相继开展了相关的环境影响监测工作［32］。

4．3 用海规划

为促进海洋能开发利用活动与海洋环境保护和其他用海活动的协调发展，用海规划已成为各沿海国家经常采用的方式［42－44］，在海洋能开发利用方面也不例外。

White等［42］研究了应用用海规划解决美国马塞诸塞州离岸风场建设与渔业和鲸鱼观测的用海冲突的可行性，取得较好的效果。Galparsoro等将这种方法用以选择波浪能场址，不仅综合考虑了技术、环境和社会经济因素，以避免与其他用海相冲突，并且每年可以减少千万吨的二氧化碳排放［43］。地中海岛国马耳他应用用海规划协调各种海洋活动包括海洋能、生物多样性保护等的关系，减少利益冲突［44］。在我国，海洋能开发利用活动用海也需要进行海域使用论证，包括在区域用海范围内的，也需要进行用海规划。同时，海洋功能区划中也规定了海洋能开发利用活动的用海范围和管理要求。

5 结束语

整体来看，海洋能开发利用的环境影响研究仍处于起步阶段。随着海洋能开发利用技术的不断成熟和完善，加强环境影响的研究对于保护海洋生态环境，促进经济社会发展与环境保护相协调具有重要意义。

近年来，我国的海洋能开发利用工作得到国家的大力支持，相关法律法规体系、技术标准的建立也已提上议事日程［45］。考虑到环境效应的深远影响，建议充分重视环境影响研究与评估，在海洋能开发利用的选址、工程设计、建设及使用全过程中予以充分的考虑和论证，以优化利用方式，实现海洋能开发利用活动与环境、经济和社会发展相协调。

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