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近年来，作为一种新型的维护生态环境的现代渔业生产方式，我国科研工作者在海洋牧场政策法规、制度建设[1-5]和生态环境[6-10]等方面开展了诸多的研究，实现了我国海洋牧场建设从理念构想到初具规模的集制度、设备、技术和管理为一体的现代化海洋牧场。目前，我国海上风电发展快速，逐渐呈现向深远海推进的发展趋势。作为国家清洁能源发展的重点方向，不少学者陆续开展了针对海上风电生态环境影响的若干研究。杨红生等[11]2019年首次提出了我国特色的海洋牧场和海上风电融合发展的理念与途径，指出了其发展的关键问题和技术瓶颈。张晶磊[12]首次尝试基于GIS技术与数学模型法，通过构建海上风电工程累积环境影响综合评价模型来探究江苏滨海北区海上风电工程累积环境影响。苏文等[13]从鸟类、鱼类和海洋生物多样性等方面系统、全面地阐述了海上风电工程区域海洋生态环境的影响。张华等[14]基于历年海洋环境监测数据，选取合理的海洋环境评价指标，分析和探讨了福清化湾海上风电工程运营对海洋环境产生的影响及影响程度。现有研究为科学评价海洋牧场及海上风电可持续开发利用和生态环境保护提供了可行的技术支撑和重要的理论方法。然而，我国海洋牧场与海上风电融合发展在国内尚无试点先例，现有研究多为生态环境影响综合评价和综述性研究，也更多倾向于融合发展模式机理及互作机制等的研究，鲜有在其融合发展模式下环境影响分析的具体实践案例和相关探讨。鉴于此，文章以山东某地海洋牧场与海上风电融合发展试验项目为例，采用数值模拟、数据对比和定性描述相结合方式，分析和探讨该类项目建设对周边海域水文动力、地形地貌和悬浮泥沙等可能产生的影响及影响程度，以期为相关行业评估同类型海洋牧场与海上风电融合发展潜力提供经典案例和思路参考。
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山东某地在充分调研国内外海上风电与海洋牧场产业现状基础上，拟选取特定的海洋牧场海域开展海洋牧场与海上风电融合发展试验示范项目，项目用海示意图见图1。
该项目规划分批建设装机容量为300.3 MW的91台3.3 MW风机机组，在海上风机建设期间，分别开展单桩风机基础与田园型（贝类筏架、藻类筏架、网箱）和投礁型（海珍品礁、集鱼礁、产卵礁）等不同类型海洋牧场设施融合试验。项目用海主要包括风机基础用海面积、海上升压站用海面积和海底电缆（35 kV、220 kV）管道用海面积。
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研究海域采用MIKE21 FM模型软件进行流场模拟计算，项目周边海域模拟采用网格加密，设置网格最小分辨率3 m，整个计算区域内共有节点数122 964个。
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工程前后潮流场模拟结果，见图2。
工程前附近海域大潮期间涨落急时刻，风电场附近海域潮流的主要运动形式为往复流为主。涨急时工程区流向偏SW向，流速一般在20～35 cm/s之间，落急时工程区流向偏NE向，流速一般在20～36 cm/s之间，但工程区东侧流速相对大于工程西侧区域。小潮期间涨落急时刻，小潮期间流向与大潮期间基本一致，但流速整体上减小，涨急时流速一般在11～15 cm/s之间，落急时工程区流向偏NE向，流速一般在9～15 cm/s之间，工程区东侧流速相对大于工程西侧区域。
工程后附近海域大潮期间涨落急时刻，风机桩基会对局部海流造成一定阻隔作用，但仅在桩基周边靠近桩基较近的区域涨落潮流向存在一定幅度的变化，流速与工程前的流速基本一致，但涨急时桩基背流侧流速减小，落急时刻在桩基迎流面两侧减小，流速减小幅值<0.05 m/s。工程后附近海域小潮期间涨落急时工程区流速流向整体与工程前基本一致，但在桩基附近由于绕流的影响流速减小，减小幅值<0.05 m/s。
综上分析，由于风机基础采用直径6 m的单桩，海上升压平台采用直径2 m的桩基，桩基阻水效应有限，项目海洋牧场和海上风电融合建设不会对周边潮汐和潮流特性产生较大影响，建设前后工程周边海域潮波特性及涨、落潮流场特征基本一致。
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选取工程区及周边若干代表点（图3a），通过流速、流向对比分析工程建设前后潮流计算和模拟预测结果，进一步说明工程建设对周边海域潮流场的影响。从代表点与工程的位置及对比站位的流速、流向比较来看（图3b），工程建设使其工程周边流速有所变化。在大潮期间流速变化的幅度最大在1 cm/s，流向最大为2°。因此选取的代表点流速相对变化全部<5%，流向变化<2°，可知，项目建设对周边海域流速和流向影响较小。
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基于项目所在海域工程地质、水深地形等，利用沉积物取样分析、海流观测等方法，通过构建二维数学模型分析潮流、波浪（施加风）作用条件下工程周围海域冲淤环境的变化，见图4。模拟结果表明，工程建设前，工程所在海域以冲淤为主，冲淤强度<0.05 m/a，但在潍坊港防波挡沙堤口门、潍坊水城东北侧堤头处由于堤头冲刷呈现一定的冲刷，局部冲刷强度在0.2 m/a左右。工程建设后，工程所在海域冲淤分布趋势与工程前一致，工程所在海域以淤积为主，但由于风机直径为6 m，仅在局部位置出现0 m等深线。
根据工程建设前后风机所在海域的冲淤变化可知，见图5，风机建成后，风机周边海域沿涨落潮流方向发生淤积现象，风机桩基约100～400 m范围内淤积厚度平均增加0.001～0.003 m，而垂直于潮流主轴方向的周边海域则表现为弱冲刷，平均冲刷深度增加0.002 m，冲刷量变化很小。冲淤强度随着冲淤过程的深入和场区地形向适应工程后水动力环境方向的调整逐年变小。工程后最终累积冲淤变化与首年冲淤变化相差较小，说明工程建设后首年为主要冲刷年。
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较强的海底流可能造成海底表层沉积物的冲刷以及沉积物质的迁移，尤其当海底表层土为非黏性土时。当存在海底电缆等设施时，表层沉积物的冲刷会造成裸露电缆的过度悬跨或埋地光缆的侵蚀暴露，从而对电缆的稳定性造成影响，而且沉积物迁移也会很快填埋海底所挖沟槽。
本研究收集了1984～2017年的不同时期的水深数据，选取工程区域及其周边的0、2、5和7 m等深线进行比较，得到该段时间内工程区域海床演变的总体趋势，见图6。
（1）0 m等深线比对。由1984年和1991年数据比对可知，0 m等深线整体呈离岸移动的趋势，周边海床处于淤积状态。尤其西侧由于人工填筑的原因，0 m等深线向海移动较大，最大处向海扩展2 030 m，最大年均扩展290 m。其余位置年均扩展21.4 m。
（2）2 m等深线比对。由1984年和1991年数据比对可知，2 m等深线整体呈离岸移动的趋势，周边海床处于淤积状态，7年间平均向海扩展310 m，年均扩展44.3 m。仅在正对潍河口处2 m等深线向陆侧凸出，呈现冲刷状态，最大处向陆扩展670 m，7年间平均向陆扩展390 m，年均扩展55.7 m。
（3）5 m等深线比对。由1984年和2002年数据比对可知，以潍河口为分界，潍河西侧5 m等深线整体呈离岸移动的趋势，周边海床处于淤积状态，最远移动距离约2 175 m，18年间平均向海扩展620 m，年均扩展34.4 m；潍河口及东侧5 m等深线整体呈向岸移动的趋势，周边海床处于冲刷状态，最远移动距离约890 m，18年间平均向陆扩展550 m，年均扩展30.6 m。
（4）场区内部7 m等深线比对。本研究收集到场区内部2017年实测数据，由于底图比例尺为1∶15万，无法精确比对。仅根据2017年实测7 m等深线来看，场区内以冲刷状态为主。
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在模拟潮流场的基础上，利用泥沙输运过程并结合工程建设过程中的实际工作状况，进行垂向平均，预测悬浮泥沙的扩散途径及影响范围。项目风机桩基及电缆敷设施工会导致部分海底泥沙悬浮，根据文献[15-17]可知,风机桩基施工引起的周围海域悬浮物浓度不高，增加>10 mg/L悬沙范围半径不超过100 m。本研究仅预测项目施工期电缆铺设产生的悬浮泥沙扩散造成的影响。
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该试验项目潮间带区域电缆沟施工采用两栖挖掘机配合小型铺缆船进行施工作业，电缆埋设时滩面一般处于无水或浅水状态，浅水状态下最大涉水深度为2 m，水深<0.5 m的区域采取低潮干滩施工。低潮位潮间带干地施工时，电缆铺设不会对海域水质造成明显影响；但在高潮位浅水条件下施工时，两栖挖掘机开槽会导致潮间带泥沙再悬浮，从而引起施工点周围水体浑浊，污染局部海水水质。该项目电缆开挖深度2 m，沟槽顶宽、底宽0.5 m，开沟速度20 m/h，沉积物平均密度和起沙率分别按1 250 kg/m3及施工土方量的20％计，同时考虑施工时的超挖量，超挖系数按1.2计。可得在潮间带区域施工条件下，电缆埋设施工悬浮物释放强度为3.33 kg/s。
项目中间水域海底电缆埋深2 m，顶宽1 m，底宽0.5 m。铺缆铺设速率以埋设犁埋设速度6 m/min计，埋设犁施工过程不进行任何挖掘工作，仅在海底临时切割出一条管沟，光缆立刻嵌入到管沟中。埋设犁经过该区域后，海底沉积物将管沟掩埋，而不需要填埋工作。沉积物含水率取25%，悬浮沙湿密度取1.96 t/m3，起沙率按5.0%计算，可得管线铺设悬浮沙的产生速率为11.0 kg/s。
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受地形和潮流条件影响，电缆铺设不同点位施工悬浮物扩散影响范围不同。根据风电场区电缆布置，选取24个代表点，预测在不同电缆敷设计算点施工产生悬浮物的扩散范围和浓度，统计分析悬浮物的最大影响范围，见图7。
结果表明，场区电缆敷设产生的悬浮物浓度大于10 mg·L−1影响范围叠加约为115.872 km2。根据《海水水质标准GB 3097—1997》分析，产生的悬浮物浓度超第Ⅲ类水质面积约为31.429 km2，超第类水质面积约为19.088 km2。由于工程区海域往复流为主，风电场区电缆施工造成的10 mg/L悬沙增增量扩散影响范围在源强周边扩散，10 mg/L的悬沙包络线呈NE～SW向分布，最大影响距离为2.016 km，总影响面积约为115.872 km2。可知，电缆敷设将对工程周边水质产生一定影响，考虑到施工完毕后悬浮物颗粒可在较短时间内沉降，海域环境很快会恢复到背景环境，电缆敷设施工悬沙实际影响范围远小于预测范围。
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项目的建设没有明显改变工程区海域的潮流流态，工程区附近水域的流速发生了较小的变化，在大潮期间流速变化的幅度最大变化在1 cm/s，流向最大为2°，工程建设对平均流速的影响在工程区附近局部范围内，其他水域流速基本不会受到工程的影响。从1984～2017年该段时间内工程区域等深线整体呈离岸移动的趋势，周边海床处于淤积状态，工程周边海域整体冲淤趋势与工程建设前变化不大。电缆敷设将对工程周边水质产生一定影响，考虑到施工完毕后悬浮物颗粒可在较短时间内沉降，海域环境很快会恢复到背景环境，电缆敷设施工悬沙实际影响范围远小于预测范围。
总体上看，本项目海洋牧场和海上风电融合建设对周边海域水文动力、地形地貌和冲淤及悬浮泥沙影响较小。
海洋牧场和海上风电融合发展在国内尚无试点先例，建议相关单位或更多学者从海洋牧场与海上风电融合类型、布局设计和实施方案等角度，多方位开展该类项目融合发展对环境及生物资源影响等研究。同时，建议施工单位在进行电缆敷设时，应尽量避免大范围对海底的扰动，在水深较浅处或潮间带进行电缆敷设时，应按照施工管理，在低潮露滩时开挖作业，减少悬浮物的扬起和对周围海水水质的影响。
海洋牧场与海上风电融合发展项目对海洋环境的若干影响分析
Impact of marine ranching and offshore wind power industrial convergence projects on marine environment
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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，现有研究鲜有在海洋牧场与海上风电融合发展模式下针对海洋环境影响评价的实践案例和相关分析。文章通过实例，采用数值模拟、数据对比和定性描述相结合方式，从水文动力、地形地貌和冲淤及悬浮泥沙3方面详细分析和探讨该类项目建设对海洋环境可能产生的影响及影响程度。结果表明，工程建设对周边海域流速和流向影响较小，在大潮期间流速变化的幅度最大变化在1 cm/s，流向最大为2°，对平均流速的影响在工程区附近局部范围内，其他水域流速基本不会受到工程的影响。工程区域历年等深线整体呈离岸移动的趋势，周边海床处于淤积状态，工程周边海域整体冲淤趋势与工程建设前变化不大。电缆敷设将对工程周边海域水质产生一定影响，考虑到电缆施工完毕后所在海域很快会恢复到背景环境，悬沙实际影响范围远小于预测范围，对水质影响较小。Abstract: The industrial convergence of marine ranching and offshore wind power has become a key direction for the development of the modern marine industry. There are few practical cases and relevant analyses on the marine environmental impact assessment of the industrial convergence of marine ranching and offshore wind power in the existing research. Based on the numerical simulation, data comparison and qualitative description by examples, the impact of such projects on the marine environment is analyzed and discussed in detail from the aspects of hydrodynamics, topography, scouring and silting and suspended sediment. The results show that the construction of the project has little effect on the velocity and direction of the surrounding sea area. During the high tide, the maximum change of the flow velocity is 1 cm/s, and the maximum flow direction is 2°. The influence on the average flow velocity is in the local area near the project area, and the flow velocity in other waters is not affected by the project. The isobaths of the project area tend to move offshore, and the surrounding seabed is in a state of siltation. The overall scouring and silting trend in the surrounding sea areas of the project have little change compared with the situation before the construction of the project. The laying of the cable will have a certain impact on the water quality of the sea area around the project. Considering that the sea area where the cable is located will soon return to the background environment after the cable construction is completed, the actual impact range of suspended sediment is much smaller than the predicted value, and the impact on seawater quality is weak.
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Key words:
- marine ranching /
- offshore wind power /
- industrial convergence /
- marine environment /
- impact analysis
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图 2 工程前后海域计算潮流场
Figure 2. Calculated tidal current field in the marine area before and after the project
图 3 对比站位位置（a）及其流速和流向变化（b）
Figure 3. Comparison of position (a) and changes in velocity and flow direction (b)
图 4 风电场建成前（a）和建成后（b）海域冲淤分布
Figure 4. Before (a) and after (b) the distribution of erosion and silt in the marine area
图 5 风电场建成后冲淤变化
Figure 5. Change of erosion and deposition after the completion of wind farm
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