于 灝，徐煥志，張 震，楊 敏

（1．山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災減災重點實驗室 青島 266033；2．國家海洋局北海海洋技術保障中心 青島 266033；3．浙江海洋學院 舟山 316022）

1 引言

為緩解能源供應緊張和應對全球氣候變化，開發(fā)利用清潔可再生能源已成為今后全球經濟發(fā)展的必由之路。對于沿海國家和地區(qū)而言，海洋能的開發(fā)利用不僅成為解決能源問題的重要途徑之一，也利于區(qū)域經濟的長遠發(fā)展［1－2］。近10余年來，世界各沿海國家對開發(fā)海洋能源產業(yè)愈發(fā)重視，海洋能利用技術也不斷發(fā)展［3］。與此同時，鑒于傳統(tǒng)能源開發(fā)利用所引起的嚴重的生態(tài)環(huán)境污染問題，海洋能開發(fā)利用對生態(tài)環(huán)境的影響早已開始引起研究人員的關注［4－6］。

目前，海洋能的利用形式仍以發(fā)電為主，要將海洋能轉化為電能，就需要安裝發(fā)電裝置。對離岸的海洋能發(fā)電來說，為了將電能傳輸回陸地，在海底還需要鋪設電纜等輸電設施。因此，雖然海洋能本身是一種清潔無污染的能源，但開發(fā)利用海洋能的裝置、技術方法和活動等卻會對海洋環(huán)境產生一定的影響。這些影響體現(xiàn)在海洋能開發(fā)利用裝置的安裝施工、運行和到期后處理等各個環(huán)節(jié)中［5，7］。為確保海洋能資源被科學合理的開發(fā)利用，減小甚至避免對海洋環(huán)境的影響，盡早開展海洋能的環(huán)境影響研究，對于推動海洋能技術向環(huán)境友好的方向發(fā)展具有重要意義。

2 對海洋環(huán)境的主要影響

Boehlert和Gill［8］系統(tǒng)地總結了海洋能裝置對海洋環(huán)境的影響，根據(jù)不同層面，將環(huán)境影響進行了分類 （表1）。海洋能開發(fā)利用的影響的復雜性可見一斑。同時，很多研究者不僅關注了海洋能裝置所引起的負面環(huán)境效應，也注意到其所能帶來的正面效應，例如水下裝置的人工魚礁作用、魚群聚集與保護作用等［5，9－12］。

表1 海洋能環(huán)境影響分類［8］

續(xù)表

海洋能發(fā)電裝置主要是將潮汐、潮流、海流、波浪等海水運動所產生的巨大能量轉化為電能加以利用。能量轉換首先影響的就是流速、流量、波高、波長、潮差等水動力要素，發(fā)電裝置所在海域的水動力環(huán)境也隨之發(fā)生改變［13－16］。例如，Xia等［15］在Severn河口的定量研究表明，潮汐電站大壩的建設使得最大流量大約減少30%～50%，水位高度降低0．5～1．5m。Ahmadian和Falconer［16］也發(fā)現(xiàn)，潮流能裝置陣列兩側海域的流速增大，而陣列上下游的流速減小。這種影響不僅會影響海洋能發(fā)電裝置所在海域，甚至會影響到更遠的海域［8，17］。

水動力環(huán)境的改變，勢必會影響海洋能發(fā)電裝置周邊海域的水質環(huán)境［14，16］。Falconer等［14］發(fā)現(xiàn)Severn潮汐電站的建設使得英國Severn河口的流速減慢，從而引起水體中懸浮顆粒物濃度減小，水體透明度增加。不僅如此，懸浮顆粒物濃度的變化也會引起水體中的溶解氧、鹽度、營養(yǎng)鹽濃度、金屬濃度以及病原體的含量發(fā)生改變［8，13，16］。水動力條件同樣會影 響 水 體泥沙的沉積，不僅會改變河口的沖淤環(huán)境和海底的沉積環(huán)境［18］，還能夠改造海岸帶的地形地貌［19］。

無論是水動力環(huán)境的變化、還是水質和沉積環(huán)境的變化，對海洋生物來講，都意味著原有棲息環(huán)境的改變［20］，這些改變無疑會影響海洋生物的生存繁衍［14，21－23］。van Deurs等［22］研究了離岸風場對沙鰻的短期 （2 年）和長期 （8年）影響發(fā)現(xiàn)，短期內，離岸風電裝置的建設導致海底沉積中泥質成分減少，使得幼年和成年沙鰻的生物量增加；而長期來看卻出現(xiàn)了沙鰻幼仔減少的現(xiàn)象。具有較強水動力條件的河口區(qū)在建設潮汐發(fā)電裝置后，由于水動力減弱，引起懸浮顆粒物濃度減小，水體透明度增加，會使得底棲生物多樣性和生物量增加［14］。

此外，海洋能發(fā)電裝置產生的噪音、環(huán)境振動和電磁場也會影響海洋生物，特別是哺乳動物［23－25］。有研究表明，海上風場水下基礎設施建設和電纜鋪設分別會產生高達260dB 和178dB的噪音，會破壞100 m 范圍內的海洋生物的聲學系統(tǒng)［26］。在較大的噪音環(huán)境中 （如大于150dB）魚群會出現(xiàn)驚嚇而警覺的反應［27］，其遷徙活動也會受到影響［24］。Simmonds 和Brown研究了28 種鯨魚的行為，雖然數(shù)據(jù)有限，但足以證明海洋能裝置噪音已影響到鯨魚的生存［28］。

海洋能裝置不僅會直接影響某種或某些海洋生物，還會通過食物鏈影響其他海洋生物［20］，甚至區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)［8］。例如，波浪能和潮流能發(fā)電裝置會引起魚群的聚集或者遷移，而發(fā)電裝置海域的海鳥數(shù)量則也會隨之增加或減?。?，20，29］。

3 研究與評價方法

3．1 模型的應用

為評估海洋能開發(fā)利用活動的環(huán)境影響，研究者通常會應用水環(huán)境模型預測海洋能發(fā)電裝置建設對水動力環(huán)境、水質和生物帶來的影響，特別是在海洋能發(fā)電裝置選址和建設前期，甚至用來優(yōu)化海洋能裝置的設計［13－14，16，30］。

其中，水環(huán)境模型 （Depth Integrated Velocities And Solute Transport，DIVASTModel）是一種較為常用的水環(huán)境模型［13－14，16］。應用于潮流能發(fā)電裝置的評價時，一般需要對模型進行調整，特別是需要將海洋能發(fā)電裝置的渦輪作為動量匯的接受者加入模型中，用以模擬渦輪陣對海岸環(huán)境的影響［16］。其他的模型還包括河流水質模型 （QUAL2E），三維富營養(yǎng)化模型（CE－QUALICM），水動力模型 （MOHID），水質分析模擬程序 （WASP6），三維水動力學富營養(yǎng)化模型 （EFDC）以及三維水動力－水質耦合模型 （ELCOM－CAEDYM）。這些模型均可以模擬水體環(huán)境中物理、化學和生物過程的相互關系［13］。但是，這些模型又均具有自身的特點和適用范圍，需要根據(jù)模擬的需要進行選擇。例如，水生態(tài)系統(tǒng)動力學模型 （Computational Aquatic Ecosystem Dynamics Model，CAEDYM）

可以同時表征沉積物中磷酸鹽和銨鹽的吸附－解吸過程，但三維水動力學富營養(yǎng)化模型 （Environmental Fluid Dynamics Computer Code，EFDC）只能表征磷酸鹽的吸附－解吸過程，而在DIVAST 模型中營養(yǎng)鹽的吸附－解吸則完全沒有在考慮范圍內。此外，包括CAEDYM 模型和EFDC 模型在內的大部分模型都沒有考慮鹽度對沉積物－營養(yǎng)鹽關系的影響［13］。在實際應用中，也會將DIVAST 模型與其他模型相結合，如水環(huán) 境 模 型 （Flow and Solute Transport in Estuaries and Rivers，F(xiàn)ASTER），以便在水動力環(huán)境的模擬基礎上，進一步預測懸浮顆粒物濃度等的變化［13］。另外，在評估海洋能裝置對海岸帶地形地貌的影響時，也會將地貌模型與三維水動力模型將結合［19］。

通過模型可以較為便捷地預測海洋能裝置的環(huán)境影響，特別是在海洋能項目建設前期的選址和設計階段，建模為項目的決策發(fā)揮了極為重要的作用，然而，模型畢竟只是對現(xiàn)實狀態(tài)的模擬，受計算方法、運算能力、人為因素的影響較多，仍存在著一定的缺陷和限制，需要進一步改進。

3．2 現(xiàn)場監(jiān)測

與模型相比，通過現(xiàn)場監(jiān)測獲得的環(huán)境影響信息更為直接和準確［23］。然而，海洋能儲量豐富的海域往往是海況條件惡劣、海上監(jiān)測作業(yè)困難的海域，要獲得大量而準確的樣品實屬不易。因此，研究者在傳統(tǒng)監(jiān)測手段的基礎上，發(fā)展了新的監(jiān)測手段。例如，應用遙感技術可以監(jiān)測難以到達的海域的情況；應用側掃聲吶獲得海洋生物棲息地的地形地貌特征；應用配備高清晰度攝影機的水下機器人或者拖曳式水下高清攝像機可以獲得較為清晰的海洋能水下裝置及其附近海域的水下影像，了解海底生物的棲息情況；應用聲學追蹤技術，將掛有聲學接收機的海床基布放在海底，可以獲得一段時間內魚類的活動數(shù)據(jù)；應用被動式聲學監(jiān)視器和寬帶聲音記錄儀監(jiān)測海洋動物，特別是鯨類在海洋能海域的活動情況等［10］。

4 國內外研究進展和相關工作

4．1 環(huán)境影響評價

迄今，對海洋能開發(fā)利用活動的潛在環(huán)境影響進行評估在很多國家和地區(qū)已成為政府和海洋能開發(fā)利用機構進行海洋能評估的重要組成部分，往往與海洋能選址和儲能評估同時進行［31］。國際能源署在海洋能源系統(tǒng)實施協(xié)議（IEA OES－IA）中將 “海洋波浪、潮汐和潮流能系統(tǒng)的環(huán)境影響與監(jiān)測效果評估”納入其四項任務目標之一，并將 《海洋與水動力裝置的環(huán)境效應》作為主要的報告之一。

早在20世紀80年代，加拿大政府就在芬迪灣、緬因灣等潮汐能豐富的地區(qū)開展了潮汐電站的環(huán)境影響研究，以期解決潮汐電站所引起的魚類通過受阻、泥沙沉積、流態(tài)改變等環(huán)境問題［4，6］。2007—2008年，加拿大近海能源環(huán)境影響研究協(xié)會 （Offshore Energy Environmental Research Association，OEERA）開展了關于芬迪灣潮流能開發(fā)的戰(zhàn)略環(huán)境影響評價，報告中列出了潮流能轉換項目的典型的環(huán)境影響，描述了工程各個階段與環(huán)境之間可能發(fā)生的相互作用［32－33］。美國能源信息署 （EIA）根據(jù)波浪能轉化技術對環(huán)境的影響對波浪能裝置進行分類技術研究，以簡化波浪能開發(fā)利用者和政府在應用波浪能技術時的處理過程［34］。英國貿易工業(yè)部、蘇格蘭行政院、新西蘭波浪和潮流能協(xié)會、愛爾蘭等也都在近年開展了海洋能裝置的環(huán)境影響評估，闡述了不同海域海洋能開發(fā)利用活動對水動力環(huán)境、水質、沉積物環(huán)境和海洋生物等的影響［32，35－38］。

我國的環(huán)境影響評價制度也包括對海洋能開發(fā)利用活動的評價要求，《海洋工程環(huán)境影響評價技術導則》（GB／T 19485—2004）對潮汐電站、波浪電站、溫差電站等海洋能源開發(fā)利用工程的環(huán)境影響評價內容等進行了規(guī)定［39］。關于海洋能裝置的環(huán)境影響評價方法研究也相繼開展。例如，劉富鈾等［40］開展了潮汐電站環(huán)境影響的模糊綜合評價方法研究，丁曉和李洪遠［32］探討了潮流能發(fā)電的環(huán)境影響評價指標體系的構建。

4．2 環(huán)境影響監(jiān)測

海洋能開發(fā)利用活動所產生的環(huán)境效應往往是潛在而深遠的，由于海洋能發(fā)電裝置的發(fā)展正處于方興未艾之際，進入商業(yè)化運營的裝置還是少數(shù)，因此，目前所獲得的環(huán)境影響數(shù)據(jù)和資料也是相當有限的。為了更深入地了解海洋能裝置的環(huán)境影響，開展環(huán)境影響監(jiān)測活動具有重要作用［23］。英國的Wave Hub波浪能電力系統(tǒng)應用多種監(jiān)測手段，研究了海上裝置對水體環(huán)境、生物棲息地，以及底棲生物、魚類、海鳥等海洋生物的影響［10］。美國華盛頓大學的研究人員對將安裝在大西洋西北部的潮流能發(fā)電設備的環(huán)境影響進行了系統(tǒng)的監(jiān)測［41］。英國SeaGen潮流能發(fā)電裝置、加拿大芬迪海洋能源研究中心、歐洲海洋能源中心等相繼開展了相關的環(huán)境影響監(jiān)測工作［32］。

4．3 用海規(guī)劃

為促進海洋能開發(fā)利用活動與海洋環(huán)境保護和其他用?；顒拥膮f(xié)調發(fā)展，用海規(guī)劃已成為各沿海國家經常采用的方式［42－44］，在海洋能開發(fā)利用方面也不例外。

White等［42］研究了應用用海規(guī)劃解決美國馬塞諸塞州離岸風場建設與漁業(yè)和鯨魚觀測的用海沖突的可行性，取得較好的效果。Galparsoro等將這種方法用以選擇波浪能場址，不僅綜合考慮了技術、環(huán)境和社會經濟因素，以避免與其他用海相沖突，并且每年可以減少千萬噸的二氧化碳排放［43］。地中海島國馬耳他應用用海規(guī)劃協(xié)調各種海洋活動包括海洋能、生物多樣性保護等的關系，減少利益沖突［44］。在我國，海洋能開發(fā)利用活動用海也需要進行海域使用論證，包括在區(qū)域用海范圍內的，也需要進行用海規(guī)劃。同時，海洋功能區(qū)劃中也規(guī)定了海洋能開發(fā)利用活動的用海范圍和管理要求。

5 結束語

整體來看，海洋能開發(fā)利用的環(huán)境影響研究仍處于起步階段。隨著海洋能開發(fā)利用技術的不斷成熟和完善，加強環(huán)境影響的研究對于保護海洋生態(tài)環(huán)境，促進經濟社會發(fā)展與環(huán)境保護相協(xié)調具有重要意義。

近年來，我國的海洋能開發(fā)利用工作得到國家的大力支持，相關法律法規(guī)體系、技術標準的建立也已提上議事日程［45］?？紤]到環(huán)境效應的深遠影響，建議充分重視環(huán)境影響研究與評估，在海洋能開發(fā)利用的選址、工程設計、建設及使用全過程中予以充分的考慮和論證，以優(yōu)化利用方式，實現(xiàn)海洋能開發(fā)利用活動與環(huán)境、經濟和社會發(fā)展相協(xié)調。

［1］ESTEBAN M，LEAEY D．Current developments and future prospects of offshore wind and ocean energy［J］．Applied Energy，2012，90：128－136．

［2］ALLAN G J，BRYDEN I，MCGREGOR P G，et al．Concurrent and legacy economic and environmental impacts from establishing a marine energy sector in Scotland［J］．Energy Policy，2008，36（7）：2734－2753．

［3］王傳崑 ．國外海洋能技術的發(fā)展［J］．太陽能，2008（12）：17－20．

［4］朱忠德．芬地灣潮汐電力開發(fā)的環(huán)境影響［J］．電力環(huán)境保護，1985（S1）：62－65．

［5］GILL A B．Offshore renewable energy：ecological implications of generating electricity in the coastal zone［J］．Journal of Applied Ecology，2005，42（4）：605－615．

［6］DABORN G R．朱大鈞，徐招才．芬地灣潮汐能開發(fā)對環(huán)境的影響［J］．水資源保護，1988（4）．

［7］INGER R，ATTRILL M J，BEARHOP S，et al．Marine renewable energy：potential benefits to biodiversity？An urgent call for research［J］．Journal of Applied Ecology，2009，46：1145－1153．

［8］BOEHLERT G W，GRILL A B．Environmental and ecological effects of ocean renewable energy development：A current synthesis［J］．Oceanogra－phy，2010，23（2）：68－81．

［9］GRECIAN W J，INGER R，ATTRILL M J，et al．Potential impacts of wave－powered marine renewable energy installations on marine birds［J］．Ibis，2010，152（4）：683－697．

［10］WITT M J，SHEEHAN E V，BEARHOP S，et al．Assessing wave energy effects on biodiversity：the Wave Hub experience［J］．Philosophical Transactions of the Royal Society a—Mathematical Physical and Engineering Sciences，2012，370（1959）：502－529．

［11］LANGHAMER O，WILHELMSSON D，ENGSTROM J．Artificial reef effect and fouling impacts on offshore wave power foundations and buoys—apilot study［J］．Estuarine Coastal and Shelf Science，2009，82（3）：426－432．

［12］INGER R，ATTRILL M J，BEARHOP S，et al．Marine renewable energy：potential benefits to biodiversity？An urgent call for research［J］．Journal of Applied Ecology，2009，46（6）：1145－1153．

［13］KADIRI M，AHMADIAN R，BOCKELMANNEVANS B，et al．A review of the potential water quality impacts of tidal renewable energy systems［J］．Renewable ＆ Sustainable Energy Reviews，2012，16（1）：329－341．

［14］FALCONER R A，XIA J Q，LIN B L，et al．The Severn Barrage and other tidal energy options：Hydrodynamic and power output modelling［J］．Science in China Series E－Technological Sciences，2009，52（11）：3413－3424．

［15］XIA J，F(xiàn)ALCONER R A，LIN B．Hydrodynamic impact of a tidal barrage in the Severn Estuary，UK［J］．Renewable Energy，2010，35（7）：1455－1468．

［16］AHMADIAN R，F(xiàn)ALCONER R A．Assessment of array shape of tidal stream turbines on hydroenvironmental impacts and power output［J］．Renewable Energy，2012，44：318－327．

［17］ ESTEBAN M D，LOPEZ－GUTIERREZ J S，DIEZ J J，et al．Offshore Wind Farms：Foundations and Influence on the Littoral Processes［J］．Journal of Coastal Research，2011，SI64：656－660．

［18］ LANGHAMER O．Effects of wave energy converters on the surrounding soft－bottom macrofauna（west coast of Sweden）［J］．Marine Environmental Research，2010，69（5）：374－381．

［19］NEILL S P，JORDAN J R，COUCH S J．Impact of tidal energy converter（TEC）arrays on the dynamics of headland sand banks［J］．Renewable Energy，2012，37：387－397．

［20］FRID C，ANDONEGI E，DEPESTELE J，et al．The environmental interactions of tidal and wave energy generation devices［J］．Environmental Impact Assessment Review，2012，32：133－139．

［21］ AHMADIAN R，F(xiàn)ALCONER R，BOCKELMANN－EVANS B．Far－field modelling of the hydro－environmental impact of tidal stream turbines［J］．Renewable Energy，2012，38（1）：107－116．

［22］VAN DEURS M，GROME T M，KASPERSEN M，et al．Short－and long－term effects of an offshore wind farm on three species of sandeel and their sand habitat［J］．Marine Ecology－Progress Series，2012，458：169－180．

［23］LIN L，YU H．Offshore wave energy generation devices：Impacts on ocean bio－environment［J］．Acta Ecologica Sinica，2012，32：117－122．

［24］GILL A B，BARTLETT M，THOMSEN F．Potential interactions between diadromous fishes of U．K．conservation importance and the electromagnetic fields and subsea noise from marine renewable energy developments［J］．Journal of Fish Biology，2012，81（2）：664－695．

［25］ KIKUCHI R．Risk formulation for the sonic effects of offshore wind farms on fish in the EU region［J］．Marine Pollution Bulletin，2010，60（2）：172－177．

［26］NEDWELL J，LANGWORTHY J，HOWELL D．Assessment of sub－sea acoustic noise and vibration from offshore wind turbines and its impact on marine wildlife：initial measurement of underwater noise during construction of offshore windfarms，and comparison with background noise，in Subacoustech Report 544R0424to COWRIE［R］．The Crown Estate：London，UK．2004．

［27］PEARSON W H，SKALSKI J R，MALME C I．Effects of sounds from a geophysical survey device on behavior of captive rockfish （Sebastesspp．）［J］．Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sci－ences，1992，49：1434－1456．

［28］SIMMONDS M P，BROWN V C．Is there a conflict between cetacean conservation and marine renewable－energy developments？［J］．Wildlife Research，2010，37（8）：688－694．

［29］LANGTON R，DAVIES I M，SCOTT B E．Seabird conservation and tidal stream and wave power generation：Information needs for predicting and managing potential impacts［J］．Marine Policy，2011，35（5）：623－630．

［30］ MASDEN E A，REEVE R，DESHOLM M，et al．Assessing the impact of marine wind farms on birds through movement modelling［J］．Journal of the Royal Society Interface，2012，9（74）：2120－2130．

［31］亨寧G L，托馬斯R C，達雷爾J T，et al．美國金科夫市近海海洋能資源評估［J］．水利水電快報，2011．32（3）：5－13．

［32］丁曉，李洪遠．潮流能發(fā)電的潛在環(huán)境影響及其評價指標體系研究［J］．海洋經濟，2011，1（4）：18－22．

［33］OEER Association for the Nova Scotia Department of Enger．Fundy tidal energy strategic environmental assessment final report［R］．2008：Nova Scotia：OEERA．

［34］ MARGHERITINI L，HANSEN A M，F(xiàn)RIGAARD P．A method for EIA scoping of wave energy converters－based on classification of the used technology［J］．Environmental Impact Assessment Review，2012，32（1）：33－44．

［35］FABER M，METOC P．Scottish marine renewables strategic environmental assessment（SEA）：Non－technical summary［R］．2007．

［36］Aotearoa Wave and Tidal Enery Association．Environmental impacts of marine energy converters［R］．2008．

［37］The Robert Gordon University，International Cen－tre for Island Technology．Pentland Firth tidal current energy feasibility study phase 1：Environmental constraints and impact［R］．2002．

［38］O’HAGAN A M，LEWIS A W．The existing law and policy framework for ocean energy development in Ireland［J］．Marine Policy，2011，35：772－783．

［39］中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局和中國國家標準化管理委員會．海洋工程環(huán)境影響評價技術導則［S］．2004．

［40］劉富鈾，張智慧，徐紅瑞，等．潮汐電站潛在環(huán)境影響模糊綜合評價［J］．海洋技術，2007，26（3）：110－113．

［41］Assessing environmental effects of tidal turbines［EB／OL］．［2013－03－21］．http：／／www．redorbit．comnewsscience／1965240／assessing＿environmental＿effects＿of＿tidal＿turbines／．

［42］WHITE C，HALPERN B S，KAPPEL C V．Ecosystem service tradeoff analysis reveals the value of marine spatial planning for multiple ocean uses［J］．Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2012，109（12）：4696－4701．

［43］GALPARSORO I，LIRIA P，LEGORBURU I，et al．A Marine Spatial Planning Approach to Select Suitable Areas for Installing Wave Energy Converters（WECs），on the Basque Continental Shelf（Bay of Biscay）［J］．Coastal Management，2012，40（1）：1－19．

［44］DEIDUN A，BORG S，MICALLEF A．Making the Case for Marine Spatial Planning in the Maltese Islands［J］．Ocean Development and International Law，2011，42（1－2）：136－154．

［45］葉盛林，孟偉慶，徐春紅．實施標準戰(zhàn)略加快我國海洋能的開發(fā)利用［J］．標準科學，2010（12）：29－33．