海上風電機組基礎施工過程中噪音消減方法淺析

朱榮華，龍正如，田振亞，張亮，張康

(廣東明陽風電產業集團有限公司，中山 528437)

0 引言

目前國內外海上風電場最常用的基礎型式為鋼結構基礎。這些基礎大都需要進行打樁施工，通過打樁錘敲擊，使鋼管樁插入海底承載風電機組載荷。打樁錘能量以聲波形式在水中傳播，形成噪音污染，對生活在此海域的動物造成嚴重影響。為了保護海豚、海豹等海洋生物，德國聯邦海事局（BSH)要求：打樁過程中，以樁為圓心，750m直徑范圍內音量不超過160db。根據歐洲海上風場建設經驗，打樁過程中排放的噪音大部分超出了BSH規定值，對海洋生物產生嚴重影響。因此，海上風場建設打樁過程中必須采取噪音消減措施。

1 常見海上風電機組鋼結構基礎類型

目前，國內外海上風電機組鋼結構基礎類型主要有單樁、三腳架、水上三樁、導管架。所有基礎形式都需要在海底打入1.5m－6m直徑的鋼樁，形成風電機組基礎底座[1]。廣東珠海桂山海上風場示范項目采用四樁導管架基礎形式，如圖1所示，其較大的底盤提供了巨大的抗傾覆彎矩，可作為大型風電機組支撐結構，其主體結構為四根主支腿，主支腿之間均布X斜撐，形成穩定的桁架結構。通過在海底插入四根鋼管樁，呈正四邊形分布，樁頭位于海面以下，導管架的四根主支腿末端分別插入鋼管樁樁頭內腔或者套在鋼管樁樁頭外部，然后通過灌漿施工連接成整體[2]。

圖1 珠海桂山導管架基礎

2 海上風電機組基礎打樁噪音

目前，離岸風場建設主要集中在淺海海域，海域水深起伏變動大，沉積物類型、溫度、鹽度以及重復的海面和海床反射等因素，使噪音傳播計算變得十分復雜。

根據Nedwel等人對打樁聲源聲壓級經驗預測公式[3]：

式中，SL－打樁聲源聲壓級；D－風電機組樁基礎直徑。

在淺海區域，海床與噪音能量磁滯損耗的緊密耦合導致噪音吸收損耗高，打樁噪音在水中傳播為三維空間傳播，采用球面波傳播模型進行聲波在水中傳播損耗計算：

式中，TL－聲波水中傳播損耗；a－海水吸收系數(dB/km)；r －測量處到聲源的距離。

根據聲音傳播公式：

式中，SPL－測量處聲壓級。

根據上述公式可以推算出表1中世界各國海上風場樁基礎打樁在不同距離處的聲壓級。

由表1可知，單樁基礎型式樁徑較大，在打樁過程中產生的水下噪音較大，導管架及群樁基樁徑較小，產生的噪音相對單樁較小，風電機組樁徑大小與水下噪音強度成正比，噪音隨著測量距離的增加而逐漸減小。但是由于各海域水文條件不同，海水吸收系數差異、聲音疊加和持續時間等因素的不確定性，上述公式所計算的結果可能與實際值有所誤差。

3 海上風場施工過程中的降噪措施

3.1 打樁錘套筒

打樁錘套筒，如圖2所示，是在打樁錘上敷設隔音及消音材料，減少錘體與樁體的沖擊噪音，緩解海面上噪音的傳播。同時打樁錘在打樁過程中施加軟啟動，在打樁過程中打樁錘能量隨時間推移逐漸增加，使附近的海洋生物逐漸適應，有足夠時間疏散、遠離施工區域。

3.2 單樁結構套筒

單樁結構套筒主要通過在單樁體外圍布置封閉結構體，將樁與結構體隔離，在樁和海水之間形成一個充滿空氣或真空的空間，樁與結構體之間可以選擇氣泡幕、真空層、真空球體及柱狀體，也可以是被束縛的管狀液體或空氣，包裹樁體的結構體可以是單層或多層，通過在結構體上布設其他固體消音材料如隔音絕緣、圍體泡沫涂層、火山巖、橡膠木材等來降低或吸收噪音。結構物可以是定長、伸縮式的鋼殼或者其他材料形式[4]。

（2）蘗肥：氮肥總量的30%，在水稻返青后（四葉期）立即施入或在插秧后3～4天及時施入，調節肥用量2kg硫胺，看田找施，哪黃施哪。

3.3 整體氣泡帷幕

整體氣泡帷幕通過在海床表面布置水體管道系統，空氣壓縮機將空氣導入管道，從管道開口處上升的氣泡形成一個封閉的泡幕簾，由于空氣和水的密度差異，氣泡簾對噪音傳播產生高阻尼損耗和散射，并把噪音帶出水面排放到空氣中進行降噪，如圖3所示。

表1 樁徑-范圍噪音影響

氣泡帷幕作為一種成熟的降噪技術，優點在于適用于更深的水域和直徑更大的管樁，并在各商業風場的施工中廣泛應用，經過改良后使用圍堰作為其外殼，克服水流因素的影響，排除不穩定干擾，可以取得良好的降噪效果，同時氣泡帷幕布設在風電機組基礎外圍作為二次消音系統，除降噪外也有利于警告海洋生物不要靠近。

4 歐洲海上風場工程經驗

4.1 “Borkum West II”風場整體降噪技術

在德國“Borkum West II”風場31號、40號風電機組三腳架基礎施工中采用 “大氣泡幕”降噪技術，通過船上布置的4臺空氣壓縮機（150m3/min）將壓縮空氣導入海底水體管道系統，如圖4所示，形成封閉泡幕簾，反射和吸收打樁噪音。

測量結果表明，單排環形的“大泡幕簾”在水深約30m“Borkum West II”風場，減噪效果達到9dB－13dB，降低了90%噪音污染，在一定受限情況下可以控制噪音值在160dB范圍內，減少打樁對海域生物的干擾。整體氣泡幕的缺點是在強潮汐流的影響下，氣泡幕會隨著水流漂移，效果不穩定。

4.2 “Alpha Ventus”風場小氣泡幕降噪技術

為了克服大氣泡幕的缺陷，“Alpha Ventus”風場9號風電機組基礎2號樁和3號樁樁靴采用分層小氣泡帷幕降噪技術，1號樁無降噪措施。原計劃在三腳架樁靴下端內側預裝四層氣泡發射管線系統，樁靴外側上部安裝浮力體和6層氣泡發射管線，如圖5所示。但由于天氣原因，上部浮力體和6層氣泡發射管線未被安裝使用[5]。

每個樁基需要進行約4700次錘擊才能打入海底固定，滿足風電機組載荷承載要求，平均每分鐘液壓打樁錘錘擊40次，打樁過程持續2個小時左右，圖6所示為距樁源500m處測得2號樁不同時間段對應的噪音聲壓級。

4.3 “London Array”風場HSD降噪技術

英國北海“London Array”風場打樁過程中使用HSD（Hydro Sound Dampers）來降低施工噪音，HSD系統是在網狀結構上附著高彈性材料制作的充滿空氣的薄殼體，上部設置浮動環，浮動環及網狀結構底部配備承重結構，如圖7所示。HSD通過薄殼體直接進行水下噪音高阻尼衰減、高散射及調整諧振頻率實現降噪。

圖2 打樁錘套筒（圖片來源于MENCK）

圖3 整體氣泡帷幕

圖4 “大泡幕簾”降噪技術

圖5 三腳架樁靴降噪措施

圖6 “Alpha Ventus”2號樁噪音數據記錄

圖7 HSD系統

測試結果表面，HSD系統在“London Array”風場平均降低9dB噪音，在100Hz—2000Hz頻率范圍內能夠高達19dB，并且不受海流方向影響。針對不同的頻率范圍，可以對HSD系統薄殼體內壓和厚度進行調整，增加噪音吸收或阻尼效果。HSD降噪系統結構簡單，使用便捷，極具成本效益，不受海洋潮流的影響，無需供應壓縮空氣的設備，適用于不同類型的樁體等，為海上打樁降噪提供極大的參考價值[7]。

5 珠海桂山海上風場示范項目的消音措施建議

珠海桂山海上風電場位于白海豚的棲息地，打樁噪音將會影響到白海豚的行為和族群生活，輕者短暫性聽覺喪失，重者永久性聽覺喪失行為障礙。所以，對于打樁降噪將是極其重要的保護措施，通過水聲波傳播公式計算打樁噪音，導管架基礎型式管徑越小，在建設過程中產生的水下噪音小，再配合其他的消音降噪方法，將噪音強度控制在約120dB左右，將符合中華白海豚所能接受的噪音強度。另外，工程施工期間可搭配現場監控、海豚驅趕器和強度漸增打樁法減緩措施，以避免中華白海豚靠近施工影響范圍而造成嚴重傷害。

6 結語

任何海事工程都會對海洋環境產生各種程度的影響，海洋工程建造過程中產生的噪音污染是不可避免的。但是，可以通過一定的措施來控制噪音，使噪音不致于對海洋生物造成危害。最大可能地降低工程開發產生的噪音對海洋生物和生態環境的影響，讓海上風場施工得以順利進行，是本文提出降噪技術的目的。

[1]朱榮華,李少清,張美陽.珠海桂山200MW海上示范風場風電機組導管架基礎方案設計.風能,2013,43(9):94-98.

[2]朱榮華,田振亞,龍正如等.海上風電機組導管架基礎水下灌漿技術分析.風能,2013,46(12):104-107.

[3] Helen Bailey,Bridget Senior,Dave Simmons,Jan Rusin,Gordon Picken, Paul M.Thompson.Assessing underwater noise levels during pile-driving at an offshore windfarm and its potential effects on marine mammals.2010.

[4] Tobias Verfu?，Jülich.Noise Mitigation Measures & Low-noise Foundation Concepts-State of the Art.2012.

[5] Research at alpha ventus-first results.2010,3.

[6] Jorg Rustemeier,Tanja Griebmann,Raimund Rolfes.Test of bubble curtain to mitigate hydro sound levels at offshore construction sites.2011.

[7] Benedikt Bruns,Christian Kuhn.Mitigation of offshore piling noise-offshore application of Hydro Sound Dampers.2011.