海上風(fēng)牧融合的難題與挑戰(zhàn)

孫騰龔語嫣馮翠翠何旭輝張函化天然曲良葉觀瓊

(1.浙江大學(xué)海洋學(xué)院 舟山 316021;2.浙江大學(xué)海南研究院 三亞 572025;3.中國(guó)海油海洋環(huán)境與生態(tài)保護(hù)公益基金會(huì) 北京 100010)

0 引言

可再生能源、可持續(xù)的海產(chǎn)品和健康的海洋生態(tài)系統(tǒng)是藍(lán)色經(jīng)濟(jì)不可或缺的要素。在當(dāng)前各國(guó)紛紛尋求能源轉(zhuǎn)型及碳中和的背景下,海上風(fēng)電具有風(fēng)能密度高、風(fēng)速穩(wěn)定、單機(jī)發(fā)電量大等優(yōu)勢(shì),成為目前熱門的可再生能源發(fā)展著力點(diǎn),多國(guó)也相繼推出海上風(fēng)電擴(kuò)大發(fā)展計(jì)劃。英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、荷蘭等歐洲國(guó)家均計(jì)劃到2030年新增數(shù)十吉瓦的裝機(jī)量,美國(guó)計(jì)劃到2030年累計(jì)裝機(jī)達(dá)到30GW,在亞洲,韓國(guó)、日本、越南等國(guó)計(jì)劃到2030 年累計(jì)裝機(jī)量超過25GW。全球風(fēng)能理事會(huì)近期發(fā)布的《2022年全球風(fēng)能報(bào)告》顯示,2021年,全球海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量21.1 GW,同比增長(zhǎng)兩倍,創(chuàng)歷史最大增幅,并將持續(xù)保持強(qiáng)勁增長(zhǎng)勢(shì)頭[1],我國(guó)海上風(fēng)電累計(jì)并網(wǎng)容量也已達(dá)到千萬千瓦,位居全球第三位。

在傳統(tǒng)漁業(yè)面臨海洋生境碎片化、海水富營(yíng)養(yǎng)化和漁業(yè)資源衰退等問題時(shí),海洋牧場(chǎng)作為漁業(yè)轉(zhuǎn)型新動(dòng)力,近年來發(fā)展勢(shì)頭迅猛,在改善近海漁業(yè)生態(tài)環(huán)境、提高漁業(yè)資源可持續(xù)利用性等方面具有重要意義。魚礁、網(wǎng)箱、海上平臺(tái)等多種形式的海洋牧場(chǎng)在世界范圍蓬勃發(fā)展,我國(guó)也高度重視海洋牧場(chǎng)建設(shè),國(guó)家級(jí)海洋牧場(chǎng)已近100個(gè),用海面積近1 000 km2,高居全球首位。

海洋尤其是近海海域承載著多種用途和功能,以海洋牧場(chǎng)和海上風(fēng)電為代表的海洋工程長(zhǎng)期的發(fā)展讓海域重疊和沖突問題日益顯著,而海上風(fēng)電又存在對(duì)傳統(tǒng)漁業(yè)的排斥性,在此背景下,誕生了海上風(fēng)電與海洋牧場(chǎng)融合發(fā)展的理念,意在通過科學(xué)規(guī)劃與融合,達(dá)到節(jié)約集約用海、助力海洋增匯、推動(dòng)漁業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的目標(biāo)。早在2011 年,Lacroix等[2]就提出了多元化海域使用,通過海洋空間規(guī)劃(MSP)和海岸帶綜合管理(ICZM)來解決海域使用的沖突,包括了在海上風(fēng)電場(chǎng)整合水產(chǎn)養(yǎng)殖等產(chǎn)業(yè)。二者融合有廣闊前景,是機(jī)遇也是挑戰(zhàn),目前主要在探索、評(píng)估和試點(diǎn)階段。本研究介紹了海上風(fēng)牧融合的發(fā)展現(xiàn)況,并從政策、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)劃、生態(tài)影響和經(jīng)濟(jì)可行性等方面存在的技術(shù)挑戰(zhàn)與難題,提出了地方性補(bǔ)貼填補(bǔ)中央退補(bǔ)空當(dāng)、實(shí)驗(yàn)室工作與實(shí)地調(diào)研結(jié)合評(píng)估生態(tài)影響等建議。

1 海上風(fēng)牧融合發(fā)展現(xiàn)狀

自海上風(fēng)牧融合理念提出以來,各國(guó)陸續(xù)開始了試驗(yàn)與摸索。目前商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的風(fēng)牧融合項(xiàng)目極少,包括我國(guó)在內(nèi)的很多國(guó)家都在進(jìn)行試點(diǎn)開發(fā)。

當(dāng)前風(fēng)牧融合雖有設(shè)計(jì)魚類養(yǎng)殖的相關(guān)專利和設(shè)想,但開展的試點(diǎn)主要以海上風(fēng)電和貽貝養(yǎng)殖、海藻培植的結(jié)合為主。歐洲方面,以德國(guó)、荷蘭等為代表的國(guó)家于2000 年開展了海上風(fēng)電與海水增養(yǎng)殖結(jié)合的試點(diǎn)研究[3],將魚類養(yǎng)殖網(wǎng)箱、貝藻養(yǎng)殖筏架固定在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)上(圖1),以達(dá)到集約用海的目標(biāo),并持續(xù)開展效益性、科學(xué)性相關(guān)研究。

歐盟支持的藍(lán)色經(jīng)濟(jì)海洋投資項(xiàng)目(Marine Investment for the Blue Economy,MARIBE),2015年開始在西班牙加納利群島附近將漂浮式風(fēng)機(jī)和鱸魚養(yǎng)殖以及貽貝養(yǎng)殖相結(jié)合,但試點(diǎn)結(jié)果未知。Wever等[4]以德國(guó)的開放海洋多用途項(xiàng)目(Open Ocean Multi-Use,OOMU)為例,分析海上風(fēng)電場(chǎng)養(yǎng)殖的實(shí)際應(yīng)用可行性以及在政策、法律、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)層面的需求和影響,研究提到了對(duì)當(dāng)?shù)刂饕?jīng)濟(jì)魚種的篩選以用作風(fēng)電場(chǎng)養(yǎng)殖的對(duì)象,不同季節(jié)培育不同經(jīng)濟(jì)魚類以達(dá)到效益最大化,渦輪機(jī)和網(wǎng)箱相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)備的一體化構(gòu)建等。Griffin等[5]假設(shè)了一個(gè)海上風(fēng)能公司和貽貝水產(chǎn)養(yǎng)殖公司共址的案例研究來模擬評(píng)估共址的社會(huì)效益,這個(gè)選在德國(guó)北海計(jì)劃Nordergründe風(fēng)電場(chǎng)里進(jìn)行的案例分析得到的結(jié)果是積極的。Buck等[6]在位于德國(guó)所屬北海的海上風(fēng)能發(fā)電區(qū)進(jìn)行了海藻培植研究,使用經(jīng)濟(jì)模型對(duì)北海海藻生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)行調(diào)查,認(rèn)為北海的近海海藻生產(chǎn)在經(jīng)濟(jì)上不可行。Burg[7]在荷蘭Borssele海上風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)的通過半潛長(zhǎng)線生產(chǎn)貽貝苗和消費(fèi)級(jí)貽貝的養(yǎng)殖系統(tǒng),基于經(jīng)濟(jì)模型和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估發(fā)現(xiàn)貽貝養(yǎng)殖是提高海上風(fēng)電場(chǎng)收益的一種有吸引力的商業(yè)模式。Jansen等[8]通過建立的荷蘭所屬北海區(qū)域的空間分布模型表明,風(fēng)電場(chǎng)的海上貽貝生產(chǎn)可以盈利。在比利時(shí),北海養(yǎng)殖項(xiàng)目(Noordzee Aquacultuur)被推動(dòng)進(jìn)行,2017年C-Power集團(tuán)在風(fēng)電場(chǎng)安裝了第一個(gè)貽貝養(yǎng)殖系統(tǒng),項(xiàng)目希望闡明在北海比利時(shí)風(fēng)電場(chǎng)養(yǎng)殖貝類的生物、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性,以及同時(shí)管理貽貝養(yǎng)殖場(chǎng)和海上風(fēng)電場(chǎng)的互補(bǔ)性[9]。韓國(guó)在2016年開展了海上風(fēng)電與水產(chǎn)養(yǎng)殖結(jié)合項(xiàng)目,研究了如何建設(shè)水產(chǎn)品配送中心來有效利用韓國(guó)西南海岸海上風(fēng)力發(fā)電共存式設(shè)施帶來的漁產(chǎn)增長(zhǎng)[10]。韓國(guó)科學(xué)家也對(duì)風(fēng)電場(chǎng)區(qū)的漁業(yè)作業(yè)可能性進(jìn)行了研究[11]。

我國(guó)高度重視海上風(fēng)電與海洋牧場(chǎng)的融合發(fā)展,多省出臺(tái)相關(guān)政策扶持產(chǎn)業(yè)發(fā)展。如,山東省已經(jīng)提出海上風(fēng)牧融合發(fā)展相關(guān)規(guī)劃,省委、省政府提出海洋強(qiáng)省建設(shè)“十大行動(dòng)”,將海上風(fēng)電開發(fā)作為推進(jìn)現(xiàn)代海洋產(chǎn)業(yè)體系行動(dòng)的重要內(nèi)容,積極探索海上風(fēng)電與海洋牧場(chǎng)融合發(fā)展新模式。

政策支持下,我國(guó)廣東陽江和山東昌邑等地規(guī)劃并建設(shè)了海上風(fēng)牧融合項(xiàng)目,其中陽江風(fēng)牧融合項(xiàng)目已投入使用,成為國(guó)內(nèi)首個(gè)漂浮式風(fēng)電基礎(chǔ)與牧場(chǎng)融合項(xiàng)目;昌邑項(xiàng)目也在2022年10月完成全部風(fēng)機(jī)吊裝,項(xiàng)目在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周圍50 m 海域內(nèi)布置養(yǎng)殖區(qū),采取投放產(chǎn)卵礁、集魚礁、海珍品礁等措施,為魚類、貝類等海洋生物提供良好的棲息和產(chǎn)卵場(chǎng)所。此外,我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)因?yàn)榕_(tái)灣海峽極佳的風(fēng)能條件,海上風(fēng)電發(fā)展較快,并在彰化等地開展與牧場(chǎng)的融合發(fā)展相關(guān)研究。莫爵亭等[12]對(duì)陽江項(xiàng)目的研究認(rèn)為項(xiàng)目海域初級(jí)生產(chǎn)力較高,浮游植物、浮游動(dòng)物、大型底棲生物、潮間帶生物、游泳動(dòng)物等物種豐富,具備“海上風(fēng)電+海洋牧場(chǎng)”融合發(fā)展的生態(tài)基礎(chǔ)和優(yōu)勢(shì),也具有較大的漁業(yè)資源潛力和建設(shè)海洋牧場(chǎng)的可行性。陳灝等[13]在分析廣東省海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的基礎(chǔ)上,分析了馬尾藻藻礁建設(shè)在海洋風(fēng)電場(chǎng)的適宜性和投放條件,探討了在廣東省開展以“人工藻礁場(chǎng)+海上風(fēng)電場(chǎng)”為特點(diǎn)的融合發(fā)展模式的可行性。翟方國(guó)等[14]研發(fā)了海底有纜在線觀測(cè)系統(tǒng)以用于海洋牧場(chǎng)與海上風(fēng)電的融合效應(yīng)觀測(cè)。Wang等[15]研究認(rèn)為彰化區(qū)域案例海上風(fēng)電場(chǎng)可配備約720個(gè)培養(yǎng)籠,在海上風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)不受影響的情況下可以使用該方法提供初具經(jīng)濟(jì)規(guī)模的養(yǎng)殖區(qū),作為海上風(fēng)力發(fā)電和海洋養(yǎng)殖的互惠方法。Huang等[16]則通過水動(dòng)力模型與效益算法從設(shè)備融合、海洋環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益等方面全面評(píng)估了我國(guó)臺(tái)灣彰化海上風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域網(wǎng)箱養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)可行性,認(rèn)為我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)有多種魚類養(yǎng)殖能與風(fēng)電融合并獲利。

目前案例主要是對(duì)藻類和貽貝養(yǎng)殖的研究,研究結(jié)果大多是貽貝可以收益甚至成為風(fēng)牧融合項(xiàng)目的大部分收益來源,但海藻養(yǎng)殖很難有經(jīng)濟(jì)效益(表1)。風(fēng)牧融合存在地區(qū)差異,我國(guó)廣東有著馬尾藻生長(zhǎng)的優(yōu)良海洋生態(tài)基礎(chǔ),馬尾藻與風(fēng)電結(jié)合有可能帶來收益,但目前尚未開展。此外,對(duì)于魚類養(yǎng)殖和風(fēng)電融合的文獻(xiàn)極少,更多的信息來自歐洲方面的項(xiàng)目工程網(wǎng)站。

表1 海上風(fēng)牧融合收益可行性研究Table 1 Feasibility study of benefits from the integration of offshore wind and marine ranching

2 風(fēng)牧融合難題與挑戰(zhàn)

海上風(fēng)電與海洋牧場(chǎng)的融合在各國(guó)的鼓勵(lì)下如火如荼地進(jìn)行,但同時(shí)面臨諸多挑戰(zhàn)。本章旨在通過國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究對(duì)比分析,梳理在選址規(guī)劃、設(shè)備兼容、生態(tài)影響評(píng)估和經(jīng)濟(jì)政策可行性等方面的難題與挑戰(zhàn),定位我國(guó)發(fā)展建設(shè)風(fēng)牧融合面臨的問題。

2.1 選址規(guī)劃和魚種選擇

前文提到相關(guān)規(guī)劃沒有專門立法,造成了風(fēng)電的規(guī)劃區(qū)域經(jīng)常更改及延滯建設(shè)。海上風(fēng)電和海洋牧場(chǎng)有各自獨(dú)立的選址方法,這讓選址兼顧二者變得極具挑戰(zhàn)。海上風(fēng)電對(duì)海域地理?xiàng)l件有極高的要求,海洋牧場(chǎng)則對(duì)海域生態(tài)基礎(chǔ)等要求較高,二者融合時(shí)需綜合考慮風(fēng)電的選址與區(qū)域海洋環(huán)境的生態(tài)環(huán)境、水文條件、適宜的經(jīng)濟(jì)魚種。

歐洲多位科學(xué)家通過地理信息系統(tǒng)(GIS)和多標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)(MCE)評(píng)估了近海水產(chǎn)養(yǎng)殖和風(fēng)電場(chǎng)耦合的共址問題。Gimpel通過GIS 和MCE 為德國(guó)北海專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)風(fēng)牧融合選址提供引導(dǎo),基于溫度、鹽度或氧氣等標(biāo)準(zhǔn)總共選擇了13種可能的水產(chǎn)養(yǎng)殖候選物種(海藻、雙殼類、魚類和甲殼類動(dòng)物)作為情景配置。研究認(rèn)為4—6 月,漿草在10～20 m深度的適宜性得分最高,其次是20～30 m 深度的黑線鱈[17]。Di Tullio等[18]重點(diǎn)研究了MCE技術(shù)在海上風(fēng)電場(chǎng)和開放水域貽貝養(yǎng)殖中的應(yīng)用,在MCE技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)了共址可持續(xù)性指數(shù)(SI),考慮了風(fēng)速、深度范圍、設(shè)施位置以及海面溫度異常等因素,使用生物變量葉綠素a和顆粒有機(jī)碳(POC)濃度來評(píng)估效益的影響。Benassai等[19]運(yùn)用適應(yīng)性修改后的可持續(xù)性指數(shù)(SI)將海上風(fēng)電場(chǎng)和開放水域水產(chǎn)養(yǎng)殖之間的兼容性程度進(jìn)行定量評(píng)估,突出了兩種技術(shù)的融合可能帶來的主要問題。

但是利用GIS和MCE進(jìn)行的評(píng)估目前并沒有在工程中得到響應(yīng),也沒有相關(guān)驗(yàn)證機(jī)制。

魚種選擇要考慮選址區(qū)域生態(tài)基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)等問題。例如,Weiss等[20]根據(jù)結(jié)構(gòu)和操作方面評(píng)估在近海網(wǎng)箱中養(yǎng)殖8 種商業(yè)魚類的適宜性。此外,魚種選擇還要考慮處在樁基產(chǎn)生的上升流區(qū)域和尾渦區(qū)域的魚種對(duì)水流的耐受,要考慮區(qū)域水體的生態(tài)基礎(chǔ)對(duì)養(yǎng)殖的支撐,這方面工作目前尚無系統(tǒng)性的研究。

2.2 設(shè)備兼容

海上風(fēng)電與海洋牧場(chǎng)的融合很重要的一環(huán)是設(shè)計(jì)研發(fā)融合設(shè)備和結(jié)構(gòu),需要開發(fā)增殖性風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)和漁業(yè)養(yǎng)殖系統(tǒng)的配套設(shè)施,并進(jìn)行組裝作業(yè),也要做好設(shè)備的受力仿真模擬,如附著在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)上的牧場(chǎng)設(shè)備,會(huì)改變風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在海洋中的受力,需要進(jìn)行模擬,驗(yàn)證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、可靠性。對(duì)于海上風(fēng)電和海洋牧場(chǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)備融合以及相關(guān)運(yùn)營(yíng),有反面的聲音存在。歐洲的風(fēng)力發(fā)電開發(fā)商認(rèn)為風(fēng)電場(chǎng)中的水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)備可能會(huì)對(duì)風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)造成損壞,如網(wǎng)箱養(yǎng)殖錨固系統(tǒng)與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是否可以整合仍有待確定,由于現(xiàn)有風(fēng)電場(chǎng)開發(fā)存在一定的投資風(fēng)險(xiǎn),為了將其與水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)相結(jié)合,影響了金融和保險(xiǎn)公司承接業(yè)務(wù)的意愿,增加了保險(xiǎn)成本和借貸成本[21]。歐洲的大多數(shù)風(fēng)電場(chǎng)開發(fā)商認(rèn)為與水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)的整合可能會(huì)影響風(fēng)力渦輪機(jī)的運(yùn)行和維護(hù)。

2.3 生態(tài)影響評(píng)估:噪聲、電磁場(chǎng)、底座干擾和重金屬

海上風(fēng)牧融合需要做好對(duì)海洋環(huán)境和海洋生物的影響評(píng)估,目前因?yàn)閿?shù)據(jù)的缺乏以及研究方式較為片面,又受制于海洋環(huán)境的復(fù)雜性,很難區(qū)分風(fēng)電場(chǎng)與其他因素的影響關(guān)系,不能很好地揭示海上風(fēng)電對(duì)環(huán)境影響的作用機(jī)制。

海上風(fēng)電對(duì)生境影響主要包括噪聲、電磁場(chǎng)、底座干擾等。本節(jié)將分別介紹目前對(duì)于主要影響因子的評(píng)估研究。

2.3.1 噪聲

噪聲振動(dòng)可以誘發(fā)物理損傷,掩蓋生物對(duì)重要信號(hào)(通信、捕食者躲避和獵物尋找)的探測(cè),影響海洋生物行為。例如,動(dòng)物可能會(huì)離開噪聲區(qū)域,這可能會(huì)干擾覓食或繁殖[22]。

海上風(fēng)電施工期噪聲可能造成生物物理損傷、生理行為異常和遮蔽效應(yīng)。施工過程中基礎(chǔ)的安裝通常可以產(chǎn)生廣泛的峰值源聲級(jí)[23]。多項(xiàng)研究表明施工期噪聲可以對(duì)魚類和海洋哺乳動(dòng)物造成損害和影響。許多科學(xué)家對(duì)此進(jìn)行了研究。Popper等[24]對(duì)打樁噪聲造成的致命和永久性影響的研究揭示了多種物種的各種結(jié)果,從死亡到聽力組織和其他器官的損傷。Halvorsen等[25]發(fā)現(xiàn)湖鱘(Acipenser fulvescens)和尼羅羅非魚(Oreochromis niloticus)發(fā)生損傷的聲暴露最低水平分別為204 d B 和174 d B,隨著聲暴露水平升高,損傷會(huì)更嚴(yán)重。

海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的預(yù)期壽命為20～30年,因此運(yùn)行期階段將是一個(gè)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的水下聲音來源,來自風(fēng)力渦輪機(jī)的水下聲音可以被描述為連續(xù)聲源。Tougaard等[26]在距離聲源100 m 處測(cè)得的單個(gè)渦輪機(jī)的估計(jì)聲壓級(jí)介于105～125 dB 之間。運(yùn)行期相比于施工期噪聲小很多,但仍會(huì)產(chǎn)生一定影響。許多科學(xué)家對(duì)運(yùn)行期海上風(fēng)電場(chǎng)噪聲影響展開調(diào)查和研究。Bergstr?m 等[27]研究了瑞典風(fēng)電場(chǎng)噪聲水平與年際漁獲量之間的相關(guān)性,結(jié)果表明,魚類豐度與當(dāng)?shù)卦肼暛h(huán)境呈負(fù)相關(guān),在較高噪聲水平下,鰻鱺和歐洲鰻魚的魚類豐度降低。Pine等[28]發(fā)現(xiàn)海上風(fēng)電場(chǎng)渦輪機(jī)噪聲延遲了巨蟹的變態(tài)(幼體階段),而在同一水平的自然環(huán)境中沒有看到這種影響。Wahlberg等[29]發(fā)現(xiàn)風(fēng)輪機(jī)運(yùn)行時(shí)相比,風(fēng)輪機(jī)停機(jī)時(shí),風(fēng)輪機(jī)100 m 范圍內(nèi)的鱈魚和擬鯉可捕性增加,在海上風(fēng)電場(chǎng)中,鱈魚的叫聲可能會(huì)被掩蓋,它們的通信范圍也會(huì)縮小。Luczkovich等[30]研究表明,在嘈雜的環(huán)境中,少數(shù)魚類可能會(huì)非自愿地提高它們的發(fā)聲水平。Zhang等[31]研究表明在150 Hz時(shí),馬齒鲉的最低聽覺閾值為70 d B,與140～180 Hz的干擾聲范圍相匹配,渦輪機(jī)水下噪聲的頻率和水平與馬齒鲉的聽覺靈敏度和發(fā)聲重疊,可能對(duì)它們的聲學(xué)通信產(chǎn)生掩蔽效應(yīng),這種慢性掩蔽效應(yīng)可能會(huì)影響它們的行為生態(tài),并導(dǎo)致種群數(shù)量減少。表2整合了多名科學(xué)家實(shí)驗(yàn)得到的魚類受噪聲影響情況。

表2 多種魚類受噪聲影響情況Table 2 Several cases of fish affected by noise

由于材料特性和施工方法不同,各類型海上風(fēng)電的基礎(chǔ)可能具有不同的聲學(xué)輸出,基礎(chǔ)類型也會(huì)影響風(fēng)電場(chǎng)作為聲源的方向性。因此在設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)方案時(shí),需要考慮不同的聲學(xué)情況。各區(qū)域經(jīng)濟(jì)魚種有差異,魚種間的噪聲耐受度也不同,需要實(shí)驗(yàn)室與實(shí)地調(diào)研結(jié)合的評(píng)估工作來給出閾值。

所以,運(yùn)行期的海上風(fēng)電噪聲依然會(huì)對(duì)一些魚類產(chǎn)生影響,而施工期的噪聲甚至可以帶來損傷。如果風(fēng)牧融合,則牧場(chǎng)中的魚類比自然魚類離噪聲源更近,探明我國(guó)主要經(jīng)濟(jì)魚類對(duì)風(fēng)電場(chǎng)噪聲的反應(yīng)和耐受度,是風(fēng)牧融合的一個(gè)難點(diǎn)。

2.3.2 電磁場(chǎng)

海上風(fēng)電對(duì)海洋生物的電磁輻射影響來源包括海上風(fēng)電機(jī)組、升壓站和海底電纜,海底輸出電纜是最主要的電磁輻射影響來源(圖2)。

圖2 典型海上風(fēng)電布置示意圖[37]Fig.2 Typical offshore wind power layout[37]

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)可能影響魚類遷徙等海洋生物行動(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)育等生理過程。

目前廣泛認(rèn)為掩埋的海底光纜產(chǎn)生的電磁場(chǎng)影響隨距離衰減很快,在海洋中對(duì)生物具體能產(chǎn)生何種影響不明晰,不過考慮到風(fēng)電場(chǎng)與牧場(chǎng)結(jié)合后,養(yǎng)殖的物種相比于海洋中野生物種更近地暴露在電磁場(chǎng)中,所以本研究整理了一些國(guó)外關(guān)于海上風(fēng)電電磁場(chǎng)影響的文章。除了少量的實(shí)驗(yàn)室結(jié)果或?qū)崪y(cè)結(jié)果,大部分都是一些潛在影響評(píng)估。

袁健美等[38]以如東龍?jiān)达L(fēng)電示范區(qū)為例開展了海底磁場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)、模擬磁場(chǎng)對(duì)海洋生物的影響試驗(yàn)。Gill等[39]通過龍蝦成長(zhǎng)5 個(gè)階段的習(xí)性以及與假設(shè)的風(fēng)電場(chǎng)環(huán)境,評(píng)估了海上風(fēng)電的電磁場(chǎng)可能影響幼體發(fā)育以及成體的遷移。Bergstr?m等[40]關(guān)注到海上風(fēng)電電磁場(chǎng)可能對(duì)使用電磁信號(hào)檢測(cè)獵物的軟骨魚類產(chǎn)生影響。Gill等[41]在英國(guó)的海上風(fēng)電場(chǎng),通過對(duì)比導(dǎo)體尺寸和電流負(fù)載對(duì)電纜的電磁場(chǎng)(EMF)進(jìn)行建模的研究表明,電流負(fù)載與合成電磁場(chǎng)之間存在直接的比例關(guān)系,可能會(huì)引誘魚類,通過對(duì)安圭拉屬的研究表示電磁場(chǎng)可能干擾魚類利用地磁場(chǎng)的定向能力,從而干擾魚類的遷徙模式。主要研究集中在洄游魚類物種上是因?yàn)樗鼈兪侵匾慕?jīng)濟(jì)魚種且能在淺水區(qū)域接觸到EMF。海底電纜對(duì)底棲生物的影響距離更近,Bochert等[42]研究了海底電纜電磁場(chǎng)對(duì)北海蝦、藍(lán)貽貝等主要生物的影響,在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了持續(xù)3.7 m T靜態(tài)磁場(chǎng)下生物變化研究,結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)動(dòng)物和對(duì)照動(dòng)物之間的存活率沒有差異,貽貝的性腺指數(shù)和病情指數(shù)的測(cè)定對(duì)照組無顯著差異,這也提供了風(fēng)牧結(jié)合的有力依據(jù),底棲生物(如貝類)可以耐受EMF影響,適合作為風(fēng)牧融合的經(jīng)濟(jì)物種。

強(qiáng)度為1 600A 的電流在海底電纜中很常見,其可產(chǎn)生的磁場(chǎng)在1 m 距離處減少到320μT,在4 m處減少到110μT,其值與6 m 以外的地面磁場(chǎng)(50μT)相似。相比之下,承載132 k V 交流電的標(biāo)準(zhǔn)海底電纜在電纜的“表皮”上產(chǎn)生1.6μT 的磁場(chǎng),而承載10～15 k V 直流電的電纜在距離電纜表面幾厘米之外不會(huì)產(chǎn)生顯著的磁場(chǎng)。磁場(chǎng)隨電纜類型和磁場(chǎng)建模而變化很大。因此需要按照實(shí)際海上風(fēng)電場(chǎng)海底電纜具體狀況,結(jié)合當(dāng)?shù)氐闹攸c(diǎn)物種電磁敏感度來進(jìn)行研究。

除了上文提到的實(shí)驗(yàn)室結(jié)論以及經(jīng)驗(yàn)評(píng)估,量化EMF并且確定磁場(chǎng)特征來研究電磁敏感生物是否會(huì)在EMF中產(chǎn)生反應(yīng)一直是科學(xué)家們想要完成的工作。Hutchison等[43]認(rèn)為海底輸電電纜產(chǎn)生的電磁場(chǎng)是可量化的,并以與背景地磁場(chǎng)相似的幅度進(jìn)行測(cè)量,海洋環(huán)境中的電和磁敏感物種可以檢測(cè)到這些EMF,他們發(fā)現(xiàn)對(duì)電敏感的鰩魚(Leucoraja erinacea)和對(duì)磁敏感的美國(guó)龍蝦(Homarus americanus)在交叉電纜的EMF 中產(chǎn)生了重要的生態(tài)行為反應(yīng),都能夠通過高壓直流輸電(HVDC)電纜發(fā)出的EMF移動(dòng),行為運(yùn)動(dòng)的變化可能在后續(xù)推斷出對(duì)電和磁敏感物種的重要生態(tài)后果。此外,他們還通過對(duì)兩條高壓直流電纜的電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行精細(xì)量化,確定了直流磁場(chǎng)的特征,并隨后開發(fā)了海底環(huán)境中直流磁場(chǎng)的精確模型。

要評(píng)估EMF 的影響,也要盡量排除其他因素的影響,因?yàn)闅夂蜃兓惋L(fēng)暴等原因造成的自然和人為干擾以及環(huán)境變化可能會(huì)掩蓋效應(yīng)大小。因此,Hutchison等[44]認(rèn)為要評(píng)估EMF 對(duì)接受物種的影響,需要進(jìn)行基線研究。關(guān)鍵在于選擇一個(gè)敏感物種(龍蝦、彈性鰓、鱘魚、鱈魚)和關(guān)鍵的運(yùn)動(dòng)行為(小范圍、歸巢、季節(jié)性遷徙)進(jìn)行不同條件下的對(duì)照分析來進(jìn)行研究。

因?yàn)榇艌?chǎng)效應(yīng)不明顯,很多研究給出的結(jié)論都是潛在影響,而牧場(chǎng)要與風(fēng)電場(chǎng)融合,牧場(chǎng)生物會(huì)比自然生物更近地暴露在海上風(fēng)電磁場(chǎng)內(nèi),因此,更有效準(zhǔn)確地評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)磁場(chǎng)對(duì)生物的影響是風(fēng)牧融合的另一大難點(diǎn)。另外,國(guó)內(nèi)關(guān)于磁場(chǎng)影響的研究有限,我國(guó)主要經(jīng)濟(jì)魚種對(duì)風(fēng)電磁場(chǎng)的耐受度不明。

2.3.3 底座干擾

提起海上風(fēng)電基礎(chǔ)的生境影響,更多的研究表明了底座的人工礁效應(yīng)。海上風(fēng)電的結(jié)構(gòu)會(huì)引起水流擾動(dòng)從而影響水體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)交換。有資料顯示,海水流經(jīng)風(fēng)電機(jī)組樁基和半潛式平臺(tái)時(shí),迎流面會(huì)產(chǎn)生上升流,沖刷底質(zhì),底層營(yíng)養(yǎng)鹽上涌與表層海水充分交換,促進(jìn)各種浮游植物生長(zhǎng),從而誘集各類海洋生物前來索餌,形成高度復(fù)雜的食物鏈。同時(shí),海水背流面會(huì)產(chǎn)生背渦流,多數(shù)魚類喜歡棲息于流速緩慢的渦流區(qū)。在荷蘭OWEZ 公司海上風(fēng)電場(chǎng),van Hal等[45]科研人員以底棲生物、魚類、鳥類和海洋哺乳動(dòng)物多樣性為評(píng)價(jià)對(duì)象,通過2年實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)該風(fēng)電場(chǎng)已成為生物群落的新棲息地,甚至增加了生物多樣性。推測(cè)原因是底層營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)富集與硬質(zhì)基地給生物豐度帶來依托。除了水下基礎(chǔ)引起的上升流,水上結(jié)構(gòu)引起的風(fēng)尾流也可以誘發(fā)上升流。

但海上風(fēng)電的底座改變了軟質(zhì)基礎(chǔ),在利于當(dāng)?shù)厣锔街耐瑫r(shí)也可能促進(jìn)非本地物種定植,De Mesel等[46]調(diào)查了在比利時(shí)海域建造的第一臺(tái)風(fēng)力渦輪機(jī)的混凝土基礎(chǔ)上發(fā)展起來的大型底棲生物群落,發(fā)現(xiàn)了多種非本地物種出現(xiàn)在風(fēng)電基礎(chǔ)上。另外,底座引起的流場(chǎng)改變也可能影響魚類的產(chǎn)卵等活動(dòng),Barbut等[47]使用粒子跟蹤模型與3D流體動(dòng)力學(xué)模型相結(jié)合評(píng)估海上風(fēng)電場(chǎng)與物種產(chǎn)卵場(chǎng)的空間重疊對(duì)已知育苗場(chǎng)的幼蟲通量的影響,研究表明,歐洲鱸魚、普通鱸魚和布里爾魚可能是受影響最大的比目魚物種。

所以,底座引起的水動(dòng)力變化和海底底質(zhì)改變都會(huì)產(chǎn)生一定的負(fù)面作用,如果無法量化評(píng)估,也會(huì)成為風(fēng)牧融合的難點(diǎn)。

2.3.4 重金屬遷移與懸沙

有學(xué)者對(duì)打樁引起的懸沙和通電保護(hù)基礎(chǔ)產(chǎn)生的鋅元素遷移進(jìn)行了研究。但施工期的懸沙影響廣泛認(rèn)為是暫時(shí)的且影響甚微,且牧場(chǎng)運(yùn)行時(shí)不會(huì)處于施工期的海上風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)。海上風(fēng)電采用犧牲陽極保護(hù)法來避免風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的鋼結(jié)構(gòu)被海水腐蝕的同時(shí),也會(huì)導(dǎo)致重金屬隨流擴(kuò)散,對(duì)周圍水質(zhì)與海洋生態(tài)造成影響。王愿寧[48]以莊河海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行期間釋放出的重金屬鋅為例,研究其輸移擴(kuò)散,在水動(dòng)力模型基礎(chǔ)上,添加對(duì)流擴(kuò)散模型,得到重金屬鋅的濃度、水平擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散面積之間的關(guān)系。

但重金屬離子濃度低,懸沙濃度低且影響時(shí)間短,目前尚無更有效的評(píng)估。若海上風(fēng)牧融合,牧場(chǎng)生物將處于重金屬輸運(yùn)區(qū)域,探明具體影響十分重要。

2.4 經(jīng)濟(jì)可行性和政策可行性

經(jīng)濟(jì)可行性方面,海上風(fēng)電對(duì)傳統(tǒng)漁業(yè)存在排斥性,牧場(chǎng)和風(fēng)電自身的造價(jià)、日常維護(hù)費(fèi)用也較高,如Mikkola[49]介紹了波的尼亞灣一個(gè)結(jié)合了風(fēng)能和魚類養(yǎng)殖的多用途平臺(tái)的案例研究,投資成本主要來自風(fēng)力發(fā)電和平臺(tái)建設(shè),研究表明附著了魚籠的風(fēng)電結(jié)構(gòu)方案增加了成本。因此與海洋牧場(chǎng)的融合既要盡量彌補(bǔ)包括漁業(yè)在內(nèi)的損失,又要在后期能夠覆蓋高昂的建設(shè)維護(hù)費(fèi)用,所以二者融合對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的要求很高,這就需要多方合作,在經(jīng)濟(jì)魚種選擇、區(qū)域規(guī)劃、效益評(píng)估等方面做到最好。

政策可行性方面來看,從發(fā)展清潔能源,實(shí)現(xiàn)碳中和的理念出發(fā),我國(guó)頒布了一系列政策法規(guī)以扶持海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展,以期引導(dǎo)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)快速形成規(guī)模,并實(shí)現(xiàn)平價(jià)并網(wǎng)輸電。其中間接政策是運(yùn)用經(jīng)濟(jì)杠桿進(jìn)行引導(dǎo)和管理,包括金融支持、上網(wǎng)電價(jià)補(bǔ)貼、稅收優(yōu)惠、科研鼓勵(lì)等[50]。我國(guó)對(duì)海上風(fēng)電的投入主要體現(xiàn)為上網(wǎng)電價(jià)補(bǔ)貼和科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)支持[51],但2020年1月,《關(guān)于促進(jìn)非水可再生能源發(fā)電健康發(fā)展的若干意見》中明確新增海上風(fēng)電項(xiàng)目不再納入中央財(cái)政補(bǔ)貼范圍。鄧江鋒等[52]基于演化博弈理論,分析研究了海上風(fēng)電企業(yè)和政府在海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)是否補(bǔ)貼問題上的演化博弈過程,認(rèn)為當(dāng)前海上風(fēng)電全面退補(bǔ)為時(shí)過早,海上風(fēng)電還難以在2022年做到平價(jià)上網(wǎng),退補(bǔ)導(dǎo)致企業(yè)成本壓力巨大。

此外,我國(guó)尚未對(duì)海上風(fēng)電做出專門立法,由于風(fēng)電法律規(guī)范過于籠統(tǒng)、粗放,導(dǎo)致了我國(guó)在海洋資源規(guī)劃上缺乏法律保障,在海上風(fēng)電開發(fā)規(guī)劃上沒有充分考慮漁業(yè)資源、軍事需要、海洋環(huán)境等各系統(tǒng)、各行業(yè)的統(tǒng)籌布局。例如,浙江瑞安海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目選址就進(jìn)行過多次重新規(guī)劃,這必定對(duì)評(píng)估、勘察、招標(biāo)工作有一定阻礙作用。沒有對(duì)海上風(fēng)電由近海岸向深海發(fā)展的導(dǎo)向進(jìn)行明確規(guī)定,這會(huì)給海上風(fēng)電規(guī)劃發(fā)展的一致性帶來阻礙,海上風(fēng)電的審批、規(guī)劃、建設(shè)缺乏有力的法律保障,容易使得海上風(fēng)電布局碎片化[53]。

對(duì)于風(fēng)牧融合,我們關(guān)注到中華人民共和國(guó)農(nóng)村農(nóng)業(yè)部在回復(fù)人大代表意見時(shí)提到,雖然科學(xué)界正在開展研究,但還沒有系統(tǒng)的成果,風(fēng)電是否會(huì)對(duì)海洋牧場(chǎng)中漁業(yè)資源產(chǎn)生影響需要長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)評(píng)估,目前還不具備從國(guó)家層面出臺(tái)相關(guān)政策和規(guī)劃的基礎(chǔ)條件。

海上風(fēng)電在退補(bǔ)政策和缺乏規(guī)劃立法依據(jù)的背景下,與牧場(chǎng)的融合勢(shì)必面臨更多阻力。海上風(fēng)牧的融合也需要系統(tǒng)性成果得到國(guó)家政策層面的扶持。

3 海上風(fēng)牧融合展望

海上風(fēng)電與海洋牧場(chǎng)在海域沖突的背景下走向融合,但作為一個(gè)研究新方向、科研新領(lǐng)域,面臨在政策、生態(tài)、技術(shù)等方面的難點(diǎn)與挑戰(zhàn)。針對(duì)以上問題,給出以下5個(gè)方面建議。

(1)在國(guó)家退補(bǔ)問題方面,介于廣東陽江已成為第一個(gè)平價(jià)并網(wǎng)的海上風(fēng)電工程且全國(guó)范圍海上風(fēng)電已經(jīng)興建多年,這符合一個(gè)產(chǎn)業(yè)的周期性政策調(diào)整。但是目前全國(guó)存在海上風(fēng)電發(fā)展不均的問題,例如江蘇的裝機(jī)量和發(fā)電量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他地區(qū),這就需要各省(自治區(qū)、直轄市)研究地方性補(bǔ)貼政策,填補(bǔ)中央退補(bǔ)帶來空缺和相關(guān)影響,借鑒風(fēng)電發(fā)達(dá)地區(qū)的經(jīng)驗(yàn),取長(zhǎng)補(bǔ)短。

(2)在規(guī)劃布局與選址方面,要加快專項(xiàng)立法,獨(dú)立于可再生能源以及陸上風(fēng)電的海上風(fēng)電建設(shè)相關(guān)法律需要提上日程,讓海上風(fēng)電真正做到有法可依的布局并且高效規(guī)劃與建設(shè)。組織相關(guān)專家,通過GIS等技術(shù),結(jié)合實(shí)際,借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn),形成自己的選址規(guī)劃方法體系,找到兼顧風(fēng)電和牧場(chǎng)選址的最優(yōu)解。

(3)在經(jīng)濟(jì)效益方面,要組織漁業(yè)專家和海洋科學(xué)專家進(jìn)行調(diào)研,選擇優(yōu)勢(shì)經(jīng)濟(jì)魚種,選擇對(duì)噪聲和電磁更耐受的物種,科學(xué)養(yǎng)殖,來彌補(bǔ)漁業(yè)排斥損失和建設(shè)維護(hù)耗資。

(4)在設(shè)備融合方面,要整合機(jī)械、自動(dòng)化、電氣等相關(guān)專業(yè)的資源,根據(jù)魚種、貝類、藻類、底棲類生物需求,探索適合當(dāng)?shù)氐暮Ｉ巷L(fēng)牧融合設(shè)備,并且要嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)地對(duì)其在海洋中的受力穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證。

(5)在生態(tài)影響方面,加快通過實(shí)地調(diào)研結(jié)合實(shí)驗(yàn)室方法,在復(fù)雜的海洋環(huán)境中區(qū)分其他因素對(duì)海上風(fēng)電影響分析的干擾,找到我國(guó)主要經(jīng)濟(jì)魚種噪聲和電磁的閾值,也可以借鑒國(guó)外的魚類閾值,進(jìn)行同種同屬的類比,有效評(píng)估風(fēng)牧融合項(xiàng)目中風(fēng)電場(chǎng)對(duì)牧場(chǎng)生物的影響。尤其是電磁影響,目前更多的是潛在影響,不確定性很大,可采用自然實(shí)驗(yàn)和介觀實(shí)驗(yàn)結(jié)合,掌握重點(diǎn)物種習(xí)性和電磁敏感度,更準(zhǔn)確洞悉其對(duì)牧場(chǎng)物種的長(zhǎng)久影響。

而關(guān)于重金屬遷移的影響,在構(gòu)建模型模擬擴(kuò)散范圍和濃度的基礎(chǔ)上,要結(jié)合應(yīng)用生物損失量的一些評(píng)估方法來定量預(yù)估重金屬(主要是鋅)的輸移擴(kuò)散造成的生物損失量,來為今后的防污染工作提供引導(dǎo)。