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江苏滨海海上风电场建设对近岸海洋生态环境的累积影响评价

张晶磊 杨红 王春峰 丁骏

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江苏滨海海上风电场建设对近岸海洋生态环境的累积影响评价

    作者简介: 张晶磊(1990-), 男, 江苏南京人, 硕士研究生, 主要研究方向为环境科学与工程, E-mail:122040820@qq.com;
    通讯作者: 杨红, E-mail:hyang@shou.edu.cn
  • 基金项目: 江苏滨海100WM海上风电工程环境噪声与鸟类专题评价项目(D-8006-14-8047);江苏滨海400WM海上风电工程环境噪声与鸟类专题评价项目(D-8006-16-8029);江苏滨海100WM海上风电工程环境噪声与鸟类跟踪监测项目(D-8006-16-8065)
  • 中图分类号: X820.3

Cumulative impacts assessment of offshore wind power on the marine ecological environment in Binhai, Jiangsu

  • 摘要: 近年来海上风电事业高速发展,而短期内在较小的区域之中建设多个海上风电场会对海洋生态环境造成累积影响。通过对海上风电场建设的累积影响识别,综合运用情景分析法、GIS方法、赋值计算法,结合滨海县海上风电场建设的实际情况,定量分析并评价了海上风电场建设对近岸海域海洋水质和海洋生物造成的累积影响。研究表明:多个海上风电场建设对近岸海域和风电场区附近海域的生态环境累积影响较大,根据风电场建设规模变化设定的三种情景的累积影响综合得分分别为0.475、0.508、0.640,说明海上风电场建设产生的累积影响随建设数量和规模的增加而增加,评价结果表明短期内多个海上风电场建设对近岸海洋生态环境的累积影响较大,应在该海域内合理谨慎地开发海上风电,加强风电场建设管理以及采取有效的生态补偿措施以降低累积影响程度。
  • 图 1  研究区域

    Figure 1.  Map of study region

    图 2  不同情景下不同评价指标的环境等级分布

    Figure 2.  Environmental grade distribution maps of different evaluation indexes under different scenes

    表 1  累积影响识别[19]

    Table 1.  Cumulative impact identification

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    表 2  评价指标等级分类标准、赋值和权重

    Table 2.  Grade classification standard and weight of evaluation index

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    表 3  海上风电工程累积影响评价等级

    Table 3.  Assessment grade of cumulative environmental impact score

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    表 4  不同情景下水环境综合质量不同等级的面积与比例

    Table 4.  The area and proportion of different grades of comprehensive water quality under different scenes

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    表 5  不同情景下浮游生物量不同等级的面积与比例

    Table 5.  The area and proportion of different grades of planktonic biomass under different scenes

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    表 6  不同情景下底栖生物量不同等级的面积与比例

    Table 6.  The area and proportion of different grades of benthic biomass under different scenes

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    表 7  累积环境影响得分与情景比较结果

    Table 7.  Cumulative environmental impact score under different scenes

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出版历程
  • 收稿日期:  2018-02-08
  • 录用日期:  2018-05-09
  • 刊出日期:  2019-12-20

江苏滨海海上风电场建设对近岸海洋生态环境的累积影响评价

    作者简介:张晶磊(1990-), 男, 江苏南京人, 硕士研究生, 主要研究方向为环境科学与工程, E-mail:122040820@qq.com
    通讯作者: 杨红, E-mail:hyang@shou.edu.cn
  • 上海海洋大学 海洋生态与环境学院, 上海 201306
基金项目: 江苏滨海100WM海上风电工程环境噪声与鸟类专题评价项目(D-8006-14-8047);江苏滨海400WM海上风电工程环境噪声与鸟类专题评价项目(D-8006-16-8029);江苏滨海100WM海上风电工程环境噪声与鸟类跟踪监测项目(D-8006-16-8065)

摘要: 近年来海上风电事业高速发展,而短期内在较小的区域之中建设多个海上风电场会对海洋生态环境造成累积影响。通过对海上风电场建设的累积影响识别,综合运用情景分析法、GIS方法、赋值计算法,结合滨海县海上风电场建设的实际情况,定量分析并评价了海上风电场建设对近岸海域海洋水质和海洋生物造成的累积影响。研究表明:多个海上风电场建设对近岸海域和风电场区附近海域的生态环境累积影响较大,根据风电场建设规模变化设定的三种情景的累积影响综合得分分别为0.475、0.508、0.640,说明海上风电场建设产生的累积影响随建设数量和规模的增加而增加,评价结果表明短期内多个海上风电场建设对近岸海洋生态环境的累积影响较大,应在该海域内合理谨慎地开发海上风电,加强风电场建设管理以及采取有效的生态补偿措施以降低累积影响程度。

English Abstract

  • 风能作为新兴可再生能源,相比其他能源具有更好的社会经济和环境效益,已经成为我国能源结构的重要组成部分。江苏省可供开发陆上风电场的资源有限,但海洋风能资源丰富,成为我国海上风电重点发展区域[1]。截至2017年底,江苏沿海区域包括已建、在建和规划未建的海上风电场数量接近30个,装机容量近千万千瓦,这对促进江苏经济社会发展具有重要意义[2]。风能虽然是清洁能源,但海上风电场在建设和运营过程中会对海洋生态环境产生一定影响,如施工期打桩和电缆敷设破坏底栖生态环境,造成底栖生物损失。同时施工引起海域悬浮泥沙增加,形成高浓度扩散场,造成水体溶解氧降低,导致海洋生物损失和死亡[3-5],风电场施工期和运营期的水下噪声会对海洋生物造成一定影响,研究表明长时间的水下噪声会造成鱼类听力损失、行为模式改变等[6],而风机运行产生的水上噪声则会对鸟类的飞行迁徙和栖息产生一定干扰[3]。江苏盐城滨海县地理条件优越、风能资源丰富,受政策、成本导向使这里成为近岸海上风电场建设较为密集的区域。由于海上风电场占海面积大,建设区域邻近盐城国家级珍禽自然保护区以及多种鱼类的产卵场,生态环境较为敏感。而目前海上风电工程环境影响评价仅侧重单一项目的环境影响,大都未全面考虑短时期内在较小区域内密集建设海上风电场对区域海洋生态所产生的累积环境影响,由此会对区域海洋生态环境带来潜在负面问题[7]

    累积环境影响是指当一项行动与其他过去、现在和将来的行动结合在一起时,对自然环境扰动的累积效应[8]。美国和加拿大是最早开展累积影响研究的国家,然而累积影响评价在实际应用中仍未广泛普及,但研究尺度和领域逐步加大、拓宽。有关累积环境影响识别与评价的方法包括矩阵法、网络法、幕景分析法、系统动力学法、GIS方法等[9],Monique等对加拿大水域的五年研究案例进行分析,建立了水域累积环境影响评价的框架[10];韦丹等采用数学模型法建立了锦州湾港口建设对水动力条件和水体交换的环境累积影响评价方法,采用矩阵法和定性分析法对海洋生态环境进行了评价[11];璀瑔结合幕景分析和环境容量法对山东济宁开发区建设的累积影响进行了评价研究,表明幕景分析法是一种有效的累积影响评价方法[12];沈汇超等运用GIS图形叠置,构建了生态敏感区的建设项目对越冬水鸟生境的累积影响评价模型,并提出了相应的生态影响减缓措施[13]。本文主要以滨海北区多个近岸海上风电场工程为例,采用情景分析与GIS相结合的方法探讨其对附近海域生态环境的累积影响,以期建立适宜的区域累积环境影响分析的方法。同时通过对一个区域在建及已建项目的累积环境影响识别及评价,可以较完整地提供一个区域内多项建设项目产生的环境影响信息,通过评价这些影响,提出相关对策措施,从而提高环境评价的有效性,同时对开发行动的类型、速度和空间布局进行有效管理[14-15]

    • 研究区域位于江苏省滨海县北区海域,评价区域总面积约为3920 km2,分别建设有100 MW海上风电场工程和400 MW海上风电场工程。两项工程距岸分别为7.5 km和22 km,涉及海域面积分别约为30 km2和250 km2。两个风电场边缘最短距离约为11 km,中心相距约17 km。风电场距江苏盐城国家级珍禽自然保护区西侧实验区最近距离为0.4 km,距离南侧实验区最近距离为9.8 km。风电场周边分布有小黄鱼、银鲳、带鱼和银姑鱼的产卵场[16-18],研究区域如图 1所示。

      图  1  研究区域

      Figure 1.  Map of study region

    • 本文的数据来源包括:2014年、2015年和2016年的海洋环境和渔业资源调查的实际数据;海上风电项目海洋环境影响评价报告书的相关数据。

    • 研究区域内海上风电场建设规模从100 MW增加至500 MW,占海面积从30 km2增加到280 km2,随着占海面积的扩大,且风电场在长期运行后,在空间和时间上通过加和或协同作用产生累积影响。根据海上风电场建设规模和运行特点以及区域环境现状,针对不同环境要素产生的影响在时空上体现的累积性,对海上风电建设的累积影响进行识别(表 1)。

      表 1  累积影响识别[19]

      Table 1.  Cumulative impact identification

      由于风机基础、升压站基础以及海底电缆的敷设会造成悬浮物浓度增加,造成海洋生物损失,随着施工结束这种影响会慢慢减弱。同时风机基础会改变近岸海域水动力条件,海水交换受到一定程度的影响,降低海水自净能力,导致污染物在工程区域及周边海域逐渐累积;由于大量风机柱分布在区域内,将原本连续的一片海域分割为工程区外、工程区内等多个相对孤立的区域,导致海洋生境面积和规模发生变化,从而对海洋生物产生累积影响;风机基础和海底电缆占用底栖空间,造成底栖生物丧失栖息地和生物损失,多个风电场的建设扩大了占海面积,长期对底栖生物产生累积影响[20]

    • 幕景分析法又称为情景分析法,某一情景可以代表在某一时刻下的人类活动与环境状况,通过设定一系列情景并进行比较分析,可以得出人类活动对环境的影响,通常与GIS或环境数学模型结合使用[19]。为分析海上风电场建设对区域海洋水环境、生物生态和底栖环境的累积影响,根据风电场建设规模的变化而设定三个不同情景:情景1为无海上风电场建设;情景2为有一个规模为100 MW的海上风电场建设;情景3为有两个规模分别为100 MW和400 MW的海上风电场建设。通过对比不同情景下的环境状况,评价海上风电场建设对海洋生态环境的累积影响。

      ARCGIS 10.3软件中的克里金插值法是在有限区域内对区域变化量进行无偏最优估计的一种地统计学方法[21-22],通过对实际监测数据进行插值分析,得出研究区域在不同情景下的环境状态。

    • 在评价海洋生态环境时应考虑到非生物因子和生物因子[22],因此选取水环境综合质量、浮游生物量、底栖生物量为海上风电场对海洋生态环境累积影响的评价指标。水环境综合质量能反映出研究区域海水水质的特征,可以体现风电场建设对海水质量和生物生存条件的影响,水环境综合质量的参评项目和计算方法参照文献进行计算[23];浮游生物量能反映出研究区域海洋生物生态环境的特征;底栖生物量能反映出研究区域底栖环境的特征。

      结合2014年至2016年实际调查的结果,查阅分析近年来的海洋环境和渔业资源统计年鉴,划定了累积影响评价指标等级与分类标准。水环境综合质量的等级与分类参照了罗先香的研究方法[24];浮游生物量和底栖生物量根据实际调查结果以自然断裂法进行分类[25],通过专家咨询确定不同等级的赋值分数。由于风电场施工期集中在秋季,同时秋季环境状况相比春季而言较差,为评价风电场建设在最不利的自然条件下产生的累积影响,故本文选取秋季的调查数据研究风电场建设对海洋生态环境的累积影响。评价权重参照层次分析法的相关原理,根据1~9级及其倒数的标度方法进行两两比较,通过构造判断矩阵计算进行确定[26-27]。根据上述方法确定了评价指标等级分类标准、赋值和权重,如表 2所示。

      表 2  评价指标等级分类标准、赋值和权重

      Table 2.  Grade classification standard and weight of evaluation index

    • 利用ARCGIS面积统计工具对插值结果进行统计分析,采用公式(1)计算得出不同评价指标得分,将插值得出的图形结果转化为数值结果[28]。例如评价指标Y的插值结果为:不同环境等级的面积占研究区域总面积的比分别是Ⅰ级为50%,Ⅱ级为25%,Ⅲ级为15%,Ⅳ为10%,则评价指标Y的得分为0.25×50%+0.5×25%+0.75×15%+1.00×10%=0.463。

      式中:WI为水环境综合质量指数; PI为浮游生物量指数; BI为底栖生物量指数; n为评价等级的数量; Si为第i类环境等级的总面积占评价区域面积的比值; Ei为第i类环境等级的赋值分,如表 2所示。

      为分析多个风电场建设对海洋生态环境的综合累积环境影响,按公式(2)计算累积影响综合指数[28],综合指数的大小可以体现海上风电场建设对区域海洋生态环境的累积影响程度。根据相关研究文献以及咨询专家,将累积影响综合指数划分为4个评价等级,如表 3所示。

      表 3  海上风电工程累积影响评价等级

      Table 3.  Assessment grade of cumulative environmental impact score

      式中:CEI为累积影响综合指数;WI为水环境综合质量指数;PI为浮游生物量指数;BI为底栖生物量指数;XWIXPIXBI为各评价指标对应的权重值,如表 2所示。

    • 本文结合2014年至2016年的实际调查数据,根据表 2的等级与分类标准,利用ARCGIS插值方法得出研究区域内不同情景下不同评价指标的环境状况分布图,图 2(abc)分别为情景1、2、3的水环境综合质量状况分布图;图 2(def)为浮游生物量状况分布图;图 2(ghi)为底栖生物量状况分布图。根据插值分析结果,利用面积统计工具,得出不同等级面积大小和占比情况,结果如表 4~6所示。

      图  2  不同情景下不同评价指标的环境等级分布

      Figure 2.  Environmental grade distribution maps of different evaluation indexes under different scenes

      表 4  不同情景下水环境综合质量不同等级的面积与比例

      Table 4.  The area and proportion of different grades of comprehensive water quality under different scenes

      表 5  不同情景下浮游生物量不同等级的面积与比例

      Table 5.  The area and proportion of different grades of planktonic biomass under different scenes

      表 6  不同情景下底栖生物量不同等级的面积与比例

      Table 6.  The area and proportion of different grades of benthic biomass under different scenes

      从不同环境等级的分布来看,各评价指标的Ⅰ级区域面积均有所减小,Ⅲ、Ⅳ级区域面积均有所增加,其中Ⅰ级区域主要分布在离岸较远的海域,Ⅳ级区域主要集中在近岸海域和风电场建设区域内,表明近岸海域和风电场区附近的海洋生态环境受风电场建设的影响较大,远离工程区的海域环境受到的影响有限。

      从不同环境要素来看,水环境综合质量在情景1下有65.38%的区域为Ⅰ级,没有出现Ⅳ级区域(图 2a),在情景3下Ⅰ级区域降低至10.78%,Ⅳ级区域达到了16.70%(图 2c),区域海洋水环境质量变化明显,风电场区内海水水质的平均超标率有所增加,风电场区南北侧鱼类产卵场所在海域的水质受到一定程度的影响。浮游生物量(图 2d~f)和底栖生物量(图 2g~i)的水平随着风电场建设的规模扩大而降低,近岸海域和风电场区的生物量水平有明显降低,主要为Ⅳ级,在远离风电场区和近岸的海域生物量水平良好,对鱼类产卵场的影响较小,由此可见海上风电场建设对生物环境和底栖环境的影响程度较大,影响范围主要为近岸海域和风电场区附近的海域。

    • 通过赋值计算得出各评价指标指数和累积影响综合指数,结果如表 7所示。从不同的评价指标来看,三种情景下的水环境综合质量指数分别为0.353、0.441、0.617,浮游生物量指数分别为0.450、0.525、0.612,底栖生物量指数分别为0.511、0.512、0.660。通过情景2、情景3与情景1的比较可以看出,海上风电场建设对水环境综合质量的累积影响程度最大,对浮游生物的累积影响程度次之。底栖生物量在原始情景下处于较低水平,情景2与情景1的得分变化很小,情景3较情景1的得分增加了0.149,说明风电场建设对底栖环境的影响和风电场的规模大小有关。

      表 7  累积环境影响得分与情景比较结果

      Table 7.  Cumulative environmental impact score under different scenes

      从累积环境影响综合得分来看,三种情景的累积环境影响综合得分分别为0.475、0.508和0.640,情景2较情景1增加了0.033,情景3较情景1增加了0.165。说明仅有100MW海上风电场建设对海洋生态环境的累积影响一般,而多个海上风电场的建设对海洋生态环境的累积影响较大。

      从宋文玲[29]评价风电场对盐城自然保护区的累积生态影响的结果来看,多个风电场建设会造成保护区植被破坏、生物量减少、景观破碎,对生态系统服务功能带来不同程度的累积影响;潘高娃[30]对内蒙古陆上风电带来的生态环境影响进行了分析,认为同一地区集中建设多个风电场的时候,占地面积和干扰面积就会累积性增大,直接影响到土地利用格局,从而影响到社会发展,牧民生活。这与本文得出的同一海域密集建设的多个风电场建设对生态环境的累积影响较大的结论较为一致,说明在较小的区域内密集开发建设风电场会对区域生态环境产生不利的累积影响。

    • 本文以幕景分析法为框架,将地理信息系统(GIS)技术与数学模型计算法相结合,构建了累积影响综合评价模型,对比分析不同情景下各评价指标以及累积环境影响综合指数,定量评价多个海上风电场建设对海洋生态环境的累积影响,得出如下结论:研究区域海洋水环境综合质量指数由0.353上升到0.617,浮游生物量指数0.450上升到0.612,底栖生物量指数由0.511上升到0.660,近岸海域和风电场区附近海域的海水水质、海洋生物受到海上风电场建设的影响较大。三个情景下的累积影响综合指数分别为0.475、0.508、0.640,表明海上风电场建设对区域海洋生态环境的累积影响会随着建设规模的扩大而增大。

    • (1) 本文选取的水环境综合质量仅能体现区域海洋水环境质量的总体状况,参评的污染物因子缺乏针对海上风电场建设的特点。海上风电场建设除了对海洋生物的生物量产生影响之外,对生物群落结构、生物多样性的影响也是需要考虑和研究的,同时海上风电场建设所产生的噪声污染和对海洋鱼类、鸟类的影响也值得关注。本文仅从海洋水环境质量、浮游生物和底栖动物三个方面对海上风电场建设的累积影响进行了评价分析,因此如何更为全面、科学地选择具有代表性的与海上风电工程相关的评价指标以及评价等级的划分是今后海上风电场累积影响评价研究的重点工作。

      (2) 本文以研究区域风电场建设的实际情况为依据设定了三个情景,在今后的研究中可以结合区域内其他人类活动以及自然环境变化等因素进一步设定多个情景。本文采用GIS技术与综合指数法对累积影响进行了定量评价,但研究所提出的评价指标体系在全面性和实用性上有所欠缺,有待进一步完善和改进,以期更为准确地评价海上风电场建设的累积环境影响。

      (3) 海上风电场运行年限长,一般可达20 a之久,而本文研究的时间尺度较短,风电场长期运营后对区域海洋生态环境的累积影响程度不能够体现,因此应在风电场运营后对累积影响进行跟踪评价,并与当前评价结果进行比较,以反映海上风电场运营期对海洋生态环境累积影响的程度。

参考文献 (30)

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