海洋牧场与海上风电融合发展的适宜性评价：以奉贤海上风电场为例.pdf

水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期Water Resources and Hydropower Engineering Vol.54 No.S2李松.海洋牧场与海上风电融合发展的适宜性评价:以奉贤海上风电场为例J.水利水电技术(中英文),2023,54(S2):426-430.LI Song.Suitability evaluation of the combination of offshore wind energy with marine ranching:Taking Fengxian Offshore Wind Farm as an exampleJ.Water Resources and Hydropower Engineering,2023,54(S2):426-430.海洋牧场与海上风电融合发展的适宜性评价:以奉贤海上风电场为例李 松1,2(1.上海勘测设计研究院有限公司,上海 200120;2.中国长江三峡集团有限公司长江生态环境工程研究中心,北京 100038)收稿日期:2023-02-26基金项目:上海勘测设计研究院有限公司科标业课题(2021FD(8)-034);中国长江三峡集团有限公司项目(201903173)作者简介:李 松(1991),男,工程师,博士研究生,研究方向为长江口生态系统演变研究。E-mail:lisong 摘 要:海洋牧场和海上风电产业融合发展已经成为现代化海洋产业发展的重点方向,有着广阔的应用前景。采用层次分析法(AHP)法等方法从制约因素、环境因素、风电场位置等多方面构建评价指标体系,以奉贤海上风电场为例,对海洋牧场和海上风电产业融合发展的适宜性进行评估。结果表明奉贤海上风电项目场址具有建设海洋牧场的良好条件,但水质环境和生物资源整体较差,水域存在富营养化等问题,建议优先建设修复型海洋牧场,待水质及生态条件有所恢复后可进一步开展增殖型或休闲型海洋牧场的建设。关键词:海洋牧场;海上风电;适宜性评价;层次分析法(AHP)DOI:10.13928/ki.wrahe.2023.S2.068中图分类号:TV213.4文献标志码:A文章编号:1000-0860(2023)S2-0426-05Suitability evaluation of the combination of offshore wind energy with marine ranching:Taking Fengxian Offshore Wind Farm as an exampleLI Song1,2(1.Shanghai Investigation,Design&Research Institute Co.,Ltd.,Shanghai 200120,China;2.Yangtze Eco-Environment Engineering Research Center,China Three Gorges Corporation,Beijing 100038,China)Abstract:The integrated development of Marine ranching and offshore wind farm industry has become the key direction of the de-velopment of modern Marine industry and has a broad application prospect.Analytic Hierarchy Process(AHP)and other method were used to build an evaluation index system from the constraints,environmental factors,wind farm location and other aspects.Fengxian offshore wind farm was taken as an example to evaluate the suitability of the integrated development of Marine ranches and offshore wind power industry.The result show that Fengxian offshore wind farm project site has good conditions for the con-struction of Marine ranch,but the water quality environment and biological resources are generally poor,and there are eutrophica-tion problems in the water area.It is suggested to give priority to the construction of restoration type Marine ranch,and after the water quality and ecological conditions have been restored,the construction of value-added type or leisure type Marine ranch can be further carried out.Keywords:marine ranching;offshore wind farm;suitability evaluation;analytic hierarchy process(AHP)624李 松/海洋牧场与海上风电融合发展的适宜性评价:以奉贤海上风电场为例水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期0 引 言0 引 言 近年来,海上风电项目作为我国新能源发展的前沿领域,发展十分迅速1。截至 2021 年年底,我国海上风电累计装机容量达 23.4GW,成为全球最大的海上风电市场2。海洋除了蕴含着丰富的清洁能源,也是人类获取优质蛋白的“蓝色粮仓”3。海洋牧场则是基于海洋生态学原理和现代海洋工程技术,充分利用自然生产力,在特定海域科学培育和管理渔业资源而形成的人工渔场4-5。目前,各国在建设海洋牧场时普遍采用人工鱼礁作为海底资源恢复和生态环境修复的重要方式6。风电场桩基已被证明可以充当人工鱼礁,从而增加鱼类和其他底栖生物的数量。由于风电场具有排他性,所在区域禁止捕鱼,可形成禁渔区。因此,在海上风电场内融合发展海洋牧场不仅具有理论可行性,更具有实践性。海洋牧场与海上风电的融合发展被视为“现代高效农业和新能源产业跨界融合发展的典型代表”6,可实现清洁能源与安全水产品的同步高效产出,是建设节约集约用海的重要新型产业模式与未来发展方向,在改善国民膳食结构、促进能源结构调整、实现“碳达峰”、“碳中和”等方面作出重要贡献7-8。海上风电与海洋牧场的融合在国外发展较早,以德国、荷兰、比利时、挪威等为代表的欧洲国家已于2000 年实施了海上风电和海水增养殖结合的试点研究,其原理为将鱼类养殖网箱、贝藻养殖筏架固定在风机基础之上,以达到集约用海的目标6。2000 年德国启动了“海水养殖-风电场多用途先驱项目(Aq-uaculture-Wind Farm Multi-Uses)”,在北海不同海域进行了贻贝和牡蛎与海上风电协同开发试验。以德国Borsele 风电场为例,认为风电场养殖海藻的优势有:吸收营养物质和减少富营养化、减弱波浪从而减少桩基础的侵蚀、对鱼类资源的贡献以及为当地创造就业机会。2010 年,Deepdock 公司在 North Hoyle OWF(威尔士)的风电场对贻贝底层养殖进行了试验。罗德岛海岸附近的 Block Island wind Farm 开展了在海上风电装置海域养殖贻贝的尝试。目前国内不少学者也陆续开展了海上风电与海洋牧场融合发展的相关研究。杨红生等6提出了具有我国特色的海洋牧场和海上风电融合发展的理念与途径,论述了融合发展的关键科学问题与技术瓶颈。陈灏等1则针对广东省的海上风电发展现状,探讨了以人工藻礁场+海上风电场为特点的融合发展模式的可行性。张嘉祺等8在“双碳”及“海洋强国”战略背景下,针对海上风电场与海洋牧场的开发现状、技术瓶颈及协同开发等问题,分析了项目规划选址、风电基础及海珍品种类筛选、配套设施开发等方面的技术难点。班淇超等9开展了基于海洋牧场与离岸风电功能集成的海洋建筑可行性研究。孙岳等10分析了海洋牧场和海上风电融合发展的发展理念、国内外发展现状、发展必要性和发展瓶颈,肯定了海洋牧场和海上风电融合发展的生态与社会效益。目前我国在山东、福建、广东等省已率先探索开展海上风电与海洋牧场融合发展试点11。现阶段海上风电与海洋牧场的融合多是以风电机组为主、海洋牧场为辅,风电场址确定后海上风电工程与海洋牧场同步建设,或在已建成的海上风电海域配套建设海洋牧场。但受场址位置和环境条件的限制,并不是所有的海上风电场都适合开展海洋牧场的建设。然而,国内现有研究多为海洋牧场与海上风电融合发展的生态环境影响评价或综述性研究,鲜有针对海洋牧场与海上风电融合发展的适宜性开展研究。因此本文选取了奉贤海上风电项目场址,采用 AHP 法建立评价指标体系,结合海洋生态环境调查数据等,探讨上海南部海域海上风电场建设海洋牧场融合发展的适宜性,根据评价结果对风电场未来发展建设提出建议,探索海上风电产业高质量发展方向。11 研究区域与数据来源研究区域与数据来源1.1 研究区概况“十四五”期间,上海拟规划 4 个海上风电基地,包括长江口外北部海上风电基地、长江口外南部海上风电基地、杭州湾海上风电基地及深远海域海上风电基地,共 12 个风电场址。奉贤海上风电项目场址位于奉贤区杭州湾北部海域(见图 1),风电场场址中心北距芦潮港海堤线约 12 km,东距东海大桥约10.0 km。1.2 数据来源 本文采用的数据主要来源于 2022 年 5 月、9 月奉贤海上风电场址及周边海域海洋生态环境调查资料,调查项目包括海洋生态和渔业资源。具体调查站位如图 2 所示。2 研究方法2 研究方法2.1 评价指标体系 研究基于科学性、可行性等原则,参考海上风电与海洋牧场融合发展相关研究成果,采用 AHP 法,从环境因素、风电场因素和制约因素三方面构建适宜724李 松/海洋牧场与海上风电融合发展的适宜性评价:以奉贤海上风电场为例水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期图 1 研究区域位置图 2 研究区域调查点位示意性评价指标体系。其中环境因素包括水文环境(水 深、海流)、水质环境(溶解氧、CODMn、无机氮、磷酸盐、石油类)和生物资源(浮游动植物、底栖生物和渔业资源);风电场因素主要考虑风电场的位置。制约因素主要考虑自然灾害、社会经济、用海冲突等方面的影响。若存在相关制约因素,则风电场场址不适宜开展海洋牧场的建设。评价指标体系如表 1 所列。2.2 指标权重确认 本研究指标权重的确定采用层次分析法(AHP)-熵权法组合权重计算,可有效地降低 AHP 方法中人为主观因素的干扰和熵权法极值影响所引起的误差。具体计算方法参见相关文献12-14。具体权重如表2 所列。表 2 各项评价指标的权重目 标评价指标权 重评价要素权 重海上风电和海洋牧场融合发展的适宜性评价水文环境水质环境生物资源风电场指标0.260.360.280.10水 深0.35水 流0.65溶解氧0.20无机氮0.30磷酸盐0.30CODMn0.15石油类0.05浮游植物0.30浮游动物0.28底栖生物0.07渔业资源0.35场区位置12.3 指标分级标准 结合专家意见,对各评价指标划分评价等级,共分为适宜、基本适宜、一般、较差四个评价等级。参考相关文献资料15-21,确定指标分级阈值并赋值,如表 3 所列。2.4 评价指标赋值 根据奉贤海上风电场环境调查资料,场址海域水深 1026 m;涨落潮平均流速约为 1.43 m/s。水质调 表 1 海洋牧场与海上风电融合发展适宜性评价指标体系影响因素评价指标评价要素意 义环境因素水文环境水质环境生物资源水 深海 流溶解氧、CODMn、无机氮、磷酸盐、石油类浮游植物浮游动物底栖生物渔业资源影响利用空间、生物种类、温度、光照等流速影响着海洋牧场的功能发挥,也会影响鱼礁的投放与使用等;流速过大不利于海洋生物聚集。海洋水质会直接影响海域的初级生产力海洋生态环境为增殖海洋生物提供保障风电场因素风电场位置离岸距离风电场水域离岸距离相对较小时利于海洋牧场建设和渔民对增殖海产品的捕获自然灾害台风、寒潮等海洋牧场用海区域应选择自然灾害发生频率较低的海域制约因素社会经济经济基础、产业结构、发展规划综合考虑风电场所在区域经济基础、产业结构和发展规划等社会经济因素,综合评估海洋牧场建设的适宜性用海冲突考虑与海洋功能区划的兼容性限制因子824李 松/海洋牧场与海上风电融合发展的适宜性评价:以奉贤海上风电场为例水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期表 3 评价等级划分与赋值目标层准则层指标层适 宜基本适宜一 般较 差3 分2 分1 分0 分划分依据海上风电和海洋牧场融合发展的适宜性评价海洋水文标海洋水质(浓度)海洋生物(丰度、生物量)风电场指标水深/m2404060608080100水流/ms-11.11.3 1.5 溶解氧/mgL-1656450.4磷酸盐/mgL-10.0150.030.0450.045CODMn/mgL-12345石油类/mgL-10.050.30.50.5浮游植物/104 cellsm-310050100105010浮游动物/个m-33 000 1 0003 0001001 0004 34 23 500 300500 100300 100 场区位置/km101050508080100人工鱼礁建设技术规范(SCT94162014)海水水质标准(GB 30971997)文献资料15-21查结果表明,2022 年春秋季海域溶解氧均值为 7.41 mg/L,CODMn平均浓度为 1.59 mg/L,无机氮、磷酸盐浓度分别为为0.77 mg/L、0.034 mg/L,石油类浓度均值为 0.004 mg/L;水质环境营养盐超标严重。海域生物资源浮游植物丰度均值为 3.12105 ind./m3;浮游动物栖息密度均值为7049.91 ind./m3;大型底栖动物平均生物量为 2.295 g/m2;游泳动物生物量为252.75 kg/km2。根据调查数据,对各评价指标进行赋值,如表 4 所列。表 4 评价指标赋值评价指标赋 值水文环境水质环境生物资源风电场水 深3水 流1溶解氧3无机氮0磷酸盐1CODMn3石油类3浮游植物1浮游动物3底栖生物1渔业资源1场区位置32.5 适宜性指数计算 适宜性指数计算采用加权综合指数法,公式如下S=ni=1Xi Wi(1)式中,Wi为第 i 项指标的权重;Xi为第 i 项指标的分值;n 为评价指标个数。对所得适宜性指数做归一化处理,并采用三分法划分评价等级,如表 5 所列。表 5 评价等级评价分级适 宜基本适宜一 般较 差适宜性指数0.751.000.500.750.250.5000.253 结果与讨论3 结果与讨论3.1 限制因素分析 奉贤海上风电项目场址位于杭州湾北侧、上海南部海域,属亚热带季风性气候,四季分明,日照充分,雨量充沛。跟据小洋山金鸡门站统计数据,区域多年平均寒潮日数为 3.6 d/a,多年平均热带风暴次数(7 级以上)为 3.6 次/a,多年平均大风日数为 22.4d/a。自然条件相对较好。社会经济方面,2019 年上海市水产品总产量达 26.8 万 t,渔业经济总产值为58.4 亿元,市场潜力较大,且经济条件良好。根据全国海洋功能区划(20112020 年)上海市海洋功能区划(20112020)相关要求,奉贤海上风电场址区域建设海洋牧场无用海限制,且风电场内为禁航区,不会对周边工程建设和航运产生影响。综上,奉贤海上风电场址区域开展海洋牧场融合建设无明显制约因素。3.2 适宜性分析 根据指标权重与得分计算适宜性指数,并对结果进行归一化处理。对于水文环境,其水深条件适宜,水流较缓,有利于海洋牧场鱼礁的投放及生物聚集,评价结果为基本适宜(S=0.57)。对于水质环境,存在富营养化问题,无机氮、磷酸盐超标严重,评价结果为一般(S=0.50)。对于生物资源,海域受工程及航道等人类活动扰动,底栖生物、浮游植物调查结果较差,评价结果为基本适宜(S=0.52)。风电场场区位置距离岸边较近(10 km),区域位置较好,交通较便利,有利于工程的建设与后期管理。综上,奉贤海上风电项目场址开展海洋牧场建设融合发展条件基本适宜(S=0.57)。3.2 综合评价结果及建议 综上所述,奉贤海上风电项目场址具有建设海洋924李 松/海洋牧场与海上风电融合发展的适宜性评价:以奉贤海上风电场为例水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期牧场的良好条件。但水质环境和生物资源评分整体较低,特别是水质条件,无机氮超标严重,水域存在污染问题,进而影响水水生态质量,海域初级生产力较低。因此,根据上述评价结果,奉贤海上风电场区域应优先进行修复型海洋牧场建设,改善水质条件和生态环境,提升初级生产力。待水质及生态条件有所恢复后可进一步开展增殖型或休闲型海洋牧场的建设。4 结 语4 结 语 本文针对海洋牧场与海上风电融合发展的适宜性的问题,采用 AHP 法从制约因素、环境因素和风电场因素等多方面入手,构建了包括水文指标、水质指标、生物指标、风电场位置指标等多项指标的适宜性评价指标体系,结合指标权重,对奉贤海上风电项目场址建设海洋牧场的适宜性进行评价,结果表明奉贤海上风电项目场址具有建设海洋牧场的良好条件,但水质环境和生物资源整体较差,水域存在富营养化等问题,建议优先建设修复型海洋牧场,待水质及生态条件有所恢复后可进一步开展增殖型或休闲型海洋牧场的建设。参考文献:1 陈灏,孙省利,张才学,等.广东省实施海洋牧场与海上风电融合发展的可行性分析J.海洋通报,2022,41(2):208-214.2 杨昊.我国海上风电发展探析与对策建议J.大众用电,2022,37(9):13-15.3 胡扬杰,梁君,徐汉祥,等.浙江省生态养护型海洋牧场建设现状、问题与未来J.浙江海洋大学学报(自然科学版),2022,41(5):373-381.4 陈丕茂,舒黎明,袁华荣,等.国内外海洋牧场发展历程与定义分类概述J.水产学报,2019,43(9):1851-1869.5 杨红生.海洋牧场构建原理与实践M.北京:科学出版社,2017.6 杨红生,茹小尚,张立斌,等.海洋牧场与海上风电融合发展:理念与展望J.中国科学院院刊,2019,34(6):700-707.7 罗茵方,琼玟.中国科学院南海海洋研究所副研究员岳维忠“海洋牧场+海上风电”不止于构想J.海洋与渔业,2019(2):73-75.8 张嘉祺,王琛,梁发云.“双碳”背景下我国海上风电与海洋牧场协同开发初探J.能源环境保护,2022,36(5):18-26.9 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