潮流能發電的潛在環境影響及其評價指標體系研究

丁曉，李洪遠

（南開大學 環境科學與工程學院，天津 300071）

海洋蘊涵的可利用能量大大超過了目前全球能源需求的總和。潮流能具有規律性、可預測性、功率密度大、能量穩定等特點，主要用于發電[1]。發展潮流能利用技術，是中國應對全球氣候挑戰的必然選擇。雖然潮流能是可再生的清潔資源，但是它也可能對環境存在著一定的負面影響。相比潮流能開發利用的技術經濟研究，關于潮流能發電對環境影響的研究還處于起步階段，尤其缺乏一些定量的研究。本文在總結關于潮流能發電潛在環境影響的研究的基礎上，識別了重要的環境影響并提出了一個潮流能發電的環境影響評價指標體系，以期為潮流能發電環境影響評價提供一個可參考的定量與定性相結合的指標體系。

1 潮流能發電技術發展概況

潮流能主要是指海底水道和海峽中較穩定的流動以及由于潮汐導致的有規律的海水流動[2]。潮流能主要是用于發電，歐洲、美洲、亞洲各國都開展了潮流能發電技術的研究。

美國是世界上最早開展海流發電研究的國家之一[3]。1973年美國首先提出在佛羅里達海域采用 “科里奧利斯”進行海流發電裝置發電的方案。1985年，美國OEK公司設計制造了一臺29 kW的三葉片水輪機，在紐約市東河吊橋上進行了潮流能發電試驗[4]。2007年4月，Verdant Power公司在紐約東河建設并試運行了美國第一個重要的潮流發電項目[5]。2009年4月底，加拿大新斯科舍省電力公司與OpenHydro簽署合同，計劃在芬迪灣建設一個1 MW的潮流發電項目。

在歐洲，英國、意大利、德國、挪威等都開展了相關研究，其中英國的研究比較多。20世紀90年代初，英國IT動力公司在歐盟的資助下聯合幾家公司開始潮流能發電試驗研究。2003年，MCT（Marine Current Turbine）公司在英格蘭德文郡的Lynmouth外海安裝了一臺300 kW的原型機。2008年12月，MCT公司在北愛爾蘭斯特湖安裝的原型機組滿發電，單機容量超過1.2 MW，并投入商業運行[5]。

在亞洲，韓國從2001起開展潮流能發電設備的研發，并于2009年5月完成裝機容量為1 MW的Uldomok潮流發電實驗裝置的建設，中期研究計劃中從2011年開始，此計劃中除了包括商用設備的研發還包括了潮流能發電環境影響與環境監測研究[6]。日本于1975年開始進行黑海潮流能發電的資源調查，日本大學在1983年—1988年間在來島海峽進行了垂直軸潮流發電機的研究[7]，此后對潮流能的研究一直沒有權威報道。國內的研究主要由大學主持開展，其中哈爾濱工程大學開展最早，從十九世紀八十年代就開始進行垂直軸潮流能發電設備的研究，中國海洋大學[8]、浙江大學[8]、東北師范大學[9]緊隨其后，取得了一系列的成果。

目前市場上的潮流能發電設備有大概20多種，有些已經投入了商業運行，但是還沒有一種潮流能發電設備能進行大規模的商用。

2 潮流能發電的環境影響

2.1 潮流能發電潛在的環境影響識別

雖然潮流能被認為是清潔的能源，各國在開發潮流能發電技術與設備的同時，也開始關注潮流能發電可能帶來的環境影響。但是，潮流能發電的環境影響研究還處于起步階段。

2001年12月，英國貿易工業部（TheDepartment of Trade and Industry， DTI）的可更新能源計劃中有一部分工作是對潮流能開發的潛在環境影響進行評估，但并未對環境影響進行定量化研究[7-10]。

愛丁博格大學2010年的一篇博士論文中，對地中海海盆中的墨西拿海峽潮流能的利用環境影響，使用交互式矩陣（interactive matrix）進行了研究[11]。目的在于評價在能源開發過程中的環境影響、影響的程度，以及提出監測計劃以控制和減小預期的環境影響。研究中提出的環境評估概念模型，闡述了設備的安裝階段、運行階段和報廢階段的各種活動對潮流、波況、噪聲、沉積物、海床、含沙量、海岸、海底生物、遠洋生物、海鳥、鯨類、魚類等的影響。

2007年—2008年，加拿大近海能源環境影響研究會（Offshore Energy Environmental Research Association，OEERA）開展了關于芬迪灣潮流能開發的戰略環境影響評價[12]，報告中列出了潮流能轉換項目的典型的環境影響，描述了工程各個階段與環境之間可能發生的相互作用，但并未試圖去預測或者評估影響程度。

蘇格蘭行政院授權的潮流能和波浪能開發的戰略環境影響評價中，闡述了潮流能發電對鳥類、海洋哺乳動物、底棲生物及其生境、魚類、貝類和海景的潛在影響[13]。

新西蘭波浪和潮流能協會（Aotearoa wave and tidal energy association， AWATEA）關于海洋能轉換裝置的環境影響報告中關于潮流能轉換裝置的環境影響分為了一般環境影響、對景觀、水力環境和生物的影響、噪聲產生的影響、產生的化學影響等[14]。

總結以上文獻中關于潮流能發電的環境影響研究，將主要的環境影響源分為：提取動能、設備的輪葉和支撐結構、設備的安裝/報廢、噪聲以及突發污染事故，潮流能發電對環境的潛在影響總結于表1。

2.2 潮流能發電的環境影響監測

潮流能發電環境影響評價的指標體系可以參考潮流能發電項目在進行環境監測時所關注的一些方面和指標。目前關于潮流能發電的環境影響的監測活動還沒有發現有完整描述整個監測體系的文獻，環境監測總是在環境影響評價報告中有部分提及。

2006年MCT開始SeaGen潮流能發電設備的環境影響監測計劃[15，16]。2009年，加拿大芬迪海洋能源研究中心（Fundy Ocean Research Centre for Energy， FORCE）成立了環境影響監測咨詢委員會，此委員會將為FORCE的環境影響監測計劃提供獨立專業的科學和傳統生態學的建議[17]。2010年美國華盛頓大學的研究人員Brian Polagye等對將安裝在大西洋西北部的潮流能發電設備的環境影響進行了系統的監測[18]。而在歐洲的許多潮流能環境影響研究中，對環境監測只是提供了一些建議，還沒發現關于環境監測的詳細報告。但DTI在對安裝在Lynmouth的一臺原型機作為研究對象的報告中提到，進行監測的指標包含生態和物理指標[7]，生態指標包括海底、海水上層生物以及海洋哺乳動物的密度和豐度，物理參數包含局部潮流速度、浪高和速度、沉積參數、海水化學成分、海水含鹽量、海水溫度概況、環境噪聲級等[19]。2005年9月，歐洲海洋能源中心（European Marine Energy Centre， EMEC）的專題討論會指出[20]：監測時應優先考慮海洋哺乳動物和潛水鳥類，而且在一般監測中需要記錄的應包含：葉綠素濃度、噪聲、對海洋哺乳動物的影響、對生境的干擾、識別水體中可能影響到水下動物的變化、對發電場地內鳥類的記錄等。

表1 潮流能發電產生的潛在環境影響因子識別Tab.1 Identification of the potential environmental impact by the tidal current power generation system

3 潮流能發電環境影響評價指標體系

3.1 潮流能發電環境影響評價指標確定原則

（1）針對性原則。指標體系的建立應針對潮流能發電的特點，圍繞表1所列的潮流能開發對環境潛在環境影響進行。

（2）可操作性原則。所選指標應能基本反映潮流能發電環境影響的內涵，定量的數據可獲得，易操作。

（3）科學性原則。建立的指標體系應可以進行定量或定性分析，并以定量為主。

（4）獨立性原則。指標間應盡可能具有相對獨立性，指標之間不出現相互交叉。

3.2 潮流能發電環境影響評價指標體系的建立

根據GB/T 19485—2004海洋工程環境影響評價技術導則，海洋能開發利用工程必須評價的單項環境影響包括：水質環境、沉積物環境、生態環境、地形地貌與水文動力環境[21]。本文結合潮流能發電項目的特點，綜合分析潮流能發電主要的環境影響，選取能夠反映潮流能電站周邊環境、具有一定代表性的因子建立評價指標體系。評價內容分為環境因素、生物因素和社會經濟因素三個方面，具體指標如表2所示。

表中的指標除了地形地貌中的海岸類型和潮灘類型外，都是定量指標。所有定量指標的數據獲取都是可行的，但這是建立在對潮流電站周圍環境的監測或者說大量的環境調查的基礎之上。

表2 潮流能發電環境影響評價指標體系Tab.2 Environmental impact assessment index system of tidal current power generation

4 結 語

潮流能發電技術的研究迅速發展，方興未艾。雖然潮流能被認為是清潔的并且它的開發利用環境影響較小，但是這并不能說明潮流能發電沒有環境影響。在潮流能發電技術研究發展的同時，潮流能發電的環境影響研究理應得到更多的關注。

潮流能發電的環境影響評價應該是建立在識別潮流能發電主要的環境影響，并進行環境監測的基礎之上的。要獲知潮流能發電的環境影響，應該在潮流能發電站建設之前進行環境基線調查，而且在電站的設備安裝、運行和廢棄階段都進行相應的環境監測，再與基線調查數據相比較，即可得到潮流能發電的環境影響。而本文提出的潮流能發電的環境影響評價指標體系，為潮流能發電的環境影響研究和環境監測所需關注的因素提供了參考。

[1] 游亞戈，李偉，李偉民，等.海洋能發電技術的發展現狀與前景[J].電力系統自動化，2010，34（14）：1-12.

[2] 游亞戈，馬玉久.海洋能在海洋環境測量標上的應用[J].氣象水文海洋儀器，2003，9：32-34.

[3] 戴慶忠.潮流能發電機潮流能發電裝置 [J].東方機電，2010（2）： 51-66.

[4] VanZwieten J，Driscoll F R，Leonessa A，et al.Design of a prototype ocean current tubine-Part I：methmatical modeling and dynamics simulation[J].Ocean engineering，2006（33）：1485-1521.

[5] 李波，李龍，楊麗，等.潮流能的利用及研究狀況[J].太陽能，2010（9）：39-42.

[6] Tidal current power development in Korea [EB/OL].http：//pemsea.org/eascongress/international-conference/presentation_t4-1_lee.pdf.

[7] The Robert Gordon University.Center for Environmental Engineering and Sustainable Energy.A scoping study for an environmental impact field programme in tidal current energy[R].2002.http：//www.oreg.ca/web_documents/scoping_study.pdf.

[8] 劉宏偉，李偉，林勇剛，等.水平軸螺旋槳式海流能發電裝置模型分析及實驗研究.太陽能學報，2009，30（5）：633-638.

[9] Liu H W，Ma S，Li W，et al.A review on the development of tidal current energy in China [J].Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2011（15）： 1141-1146.

[10] The Robert Gordon University，International Centre for Island Technology.Pentland Firth tidal current energy feasibility studyphase 1： Environmental constraints and impacts[R].2002.http：//www.see.ed.ac.uk/～ibryden1/REE/Tidal%20Power%202008/Pentland%20Firth%20Feasibility%20Study-%20phase%201.pdf.

[11] El-Geziry T M.Environmental impact assessment and process simulation of the tidal current energy resource in the Strait of Messina[D].The University of Edinburgh，2010.

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

[13] Faber Maunsell and METOC PLC.Scottish marine renewables strategic environmental assessment（SEA）： Non-technical summary[R].2007.http：//www.seaenergyscotland.co.uk/

[14] Aotearoa waveand tidalenergy association（AWATEA）.Environmental impacts of marine energy converters [R].2008.http：//www.awatea.org.nz/docs/Environmental-impacts-ofmarine-energy-converters.pdf.

[15] SeaGen tidal turbine environmental monitoring programme[EB/OL].http：//www.all-energy.co.uk/userfiles/file/Peter_Fraenkel_210509.pdf

[16] Royal Haskoning.SeaGen environmental monitoring programme：Biannual update Version 1-SeaGen Biannual[R].UK：Marine Current Turbines Ltd.2010.

[17] Fundy Ocean Research Centre for Energy–FORCE announces environmental and community advisory teams[EB/OL].http：//dcnonl.com/nw/14905/es.

[18] Assessing environmental effects of tidal turbines[EB/OL].http：//www.redorbit.com/news/science/1965240/assessing_environmental_effects_of_tidal_turbines/.

[19] Black&Veatch Ltd.Tidal stream-Phase II UK tidal stream energy resource assessment[R].UK：Carbon Trust.2005.

[20] Jenny Norris， EMEC， Orkney， et al.EMEC/UKERC workshop：Environmentalimpactsand monitoring ofmarine energy conversion devices[R].UK：UK Energy Resource Centre.2006.

[21] GB/T 19485-2004.海洋工程環境影響評價技術導則[S].2004.