海上風電場運營期水下噪聲測量及特性初步分析

牛富強, 楊燕明， 許肖梅, 周在明, 黃躍坤

(1. 國家海洋局第三海洋研究所, 福建 廈門　361005; 2.廈門大學 海洋與地球學院, 福建 廈門　361005)

海上風電場運營期水下噪聲測量及特性初步分析

牛富強1,2, 楊燕明1， 許肖梅2, 周在明1, 黃躍坤1

(1. 國家海洋局第三海洋研究所, 福建 廈門361005; 2.廈門大學 海洋與地球學院, 福建 廈門361005)

海上風電場運營期間產生的水下噪聲影響了海洋生態(tài)環(huán)境。針對國內對風機水下噪聲定量研究的缺乏，測量分析了海上風電場運營期單機容量3.0 MW和5.0 MW風機產生的水下噪聲，并利用簡正波模型仿真噪聲分布。數據處理結果表明，風機產生的水下噪聲強度較低，集中分布在800 Hz以下的低頻段，噪聲譜具有主頻特性，高風速下主頻更加明顯;噪聲強度隨風速的增加而增大，而與風機功率差異不明顯；噪聲譜主頻分布與風機功率、風速、樁基結構等有關?？傮w看，單個風機運營期間產生的水下噪聲對海洋生態(tài)環(huán)境影響區(qū)域小。現(xiàn)場測量數據及結果可為海上風電工程環(huán)境影響評價提供技術參考，具有較大的工程應用價值。

海上風電場；水下噪聲；噪聲測量；運營期

海上風電場作為一種可再生能源成了傳統(tǒng)能源的替代品[1]。近年來，開發(fā)海上風電已逐漸成為世界各國共識。目前，我國海上風電開發(fā)已進入快速發(fā)展期，預計2014年開工建設的項目多達7個[2]。然而，海上風電場的建設以及運營必然對工程海域生態(tài)和水文地質條件等環(huán)境存在一定的影響[3]，如海域密布的風機基礎結構對水位、流速、納潮量及海洋調節(jié)能力等水動力條件的影響、海上風電場運營期對候鳥遷徙的干擾以及對海洋生物的影響等。環(huán)境影響制約著海上風電的發(fā)展。海上風電場對生態(tài)、航道、海床、自然景觀、鳥類等影響的分析報告已經有了較為成熟的方法，然而風電場運營期產生的水下噪聲對海洋生物的影響評估目前在全世界范圍內仍顯不足，主要原因在于缺乏運營期間對水下噪聲數據的監(jiān)測。本文開展海上風電場在運營期的水下噪聲測量對其特性分析研究。

海上風電場工作周期一般分為四個階段：施工前期、施工期、運營期和停運期[4]。由于施工期產生的水下噪聲，類似于其他涉海活動，例如航道疏浚、港口、海底隧道、跨海橋梁建設等，因此國外開展研究較多，近些年國內也有廈門大學、國家海洋局第三海洋研究所等進行了研究，并積累了一些數據。施工期產生的強噪聲，峰值高達200 dB(re 1μPa @ 1 m)以上，可破壞當地海域生態(tài)環(huán)境，甚至會造成海洋生物的直接傷亡[5]。通常情況下，雖然運營期產生的水下噪聲強度較低，集中在低頻段(1 kHz以下)，但由于海上風電場運營周期長(一般20～30年)，并且風機持續(xù)存在，因此會增加當地海域的噪聲級。這些噪聲對海洋生物行為影響尚不明確，僅能通過觀察極少數的物種來判斷，例如，由于噪聲頻率范圍與某些海洋哺乳動物(如鼠海豚)的敏感閾值相一致[6]，因此當存在運營期間噪聲時會對其行為產生影響。

海上風電場運營期水下噪聲的現(xiàn)場監(jiān)測，目前國外公開文獻中僅有少量幾組數據。世界上第一次風電場水下噪聲測量是在20世紀90年代中期瑞典進行的[7]。在瑞典海域的東南方向近岸有一個容量220 kW的風機，塔高35 m，距風機約100 m處的水下噪聲測量結果表明，當風速在6 m/s 和12 m/s時，風機產生的噪聲分別為102 dB和113 dB，噪聲譜峰位置約在16 Hz處。對丹麥海域容量450kW重力混凝土結構風機和瑞典海域容量550 kW單樁式結構風機測量[8]，風速為13 m/s時，距風機約20 m處的水下噪聲測量結果表明，前者產生的水下噪聲峰值頻率為25 Hz，對應強度119 dB，后者產生的噪聲峰值頻率為160 Hz，對應強度95 dB。2002-11～2003-02對瑞典Utgrunden風電場1.5 MW風機測量[9]，結果表明風機產生的水下噪聲具有4個主頻，分別為178 Hz、358 Hz、537 Hz和723 Hz。最近一組是對丹麥Middelgrunden風電場2.0 MW風機測量[6]，風速在13 m/s時，距離風機40 m處的噪聲峰值頻率為125 Hz，對應強度114 dB?；谟邢薜默F(xiàn)場監(jiān)測數據，西班牙學者嘗試開展了基于聲場模型仿真風電場附近海域的水下噪聲分布[10]。對單機容量超過2.0 MW風機測量國外也未有開展。而國內僅對風電場空氣中產生的噪聲進行測量，尚未對水下噪聲進行監(jiān)測，缺乏風電場產生的水下噪聲數據。張丹等[11]對吉林長嶺王子風電場風機運行噪聲進行了監(jiān)測，并對噪聲的衰減規(guī)律進行了分析，但這些數據都是空氣中的噪聲。王文團等[12]根據大量的環(huán)保驗收實際測量數據，對陸上風電場產生的空氣噪聲的變化規(guī)律與影響特點進行分析研究，給出了地面風速、負荷與噪聲強度的關系。仇豐等[13]采用風電噪聲預測模型，對空氣中風電場噪聲的近、遠場分布情況進行預測。李靜等[14]從海上風電場建設的各個階段，分析了渤海海域建設海上風電場對環(huán)境的影響，重點指出風電場運行階段，對魚群種類、漁業(yè)、鳥類等影響，但沒有對水下噪聲進行監(jiān)測。本文利用自容式水下聲音記錄儀對上海東海大橋海上風電場運營期單機容量3.0 MW和5.0 MW風機產生的水下噪聲進行測量，并進行噪聲功率譜級和頻帶內總聲級計算，最后基于簡正波的聲傳播模型分析風電場周邊海域的水下噪聲分布。

1海上風電場運營期水下噪聲的現(xiàn)場測量

1.1運營期水下噪聲的產生及傳播機制

海上風電場在運轉過程中可能產生兩類噪聲：① 風機葉片的轉動，在空氣中產生氣動噪聲；② 機組內部的機械運轉產生噪聲：風機葉片帶動齒輪箱和發(fā)電機轉動過程中，機械傳動會產生振動(包括輪轂中活動部件的機械噪聲)并通過風輪機相應結構輻射到水中。這兩類噪聲傳播路徑見圖1，主要分三種：① 氣動噪聲通過水氣界面進入水中；② 結構振動噪聲會直接通過塔架輻射入水；③ 結構振動通過與海底相連的底座輻射噪聲并在海床上傳播，部分聲能在海床傳播過程泄漏進入水中。

圖1　風機運轉過程產生的噪聲傳播路徑示意圖Fig.1 Mechanism of underwater noise generation by an offshore wind turbine

聲波從一種介質進入另一種介質時會發(fā)生反射和透射，反射系數和透射系數與介質特征阻抗有關。由于空氣的特征阻抗遠遠小于水的，因此，空氣聲波入水時，會發(fā)生全反射，透射入水聲波強度可近似為零[15]。通過海底傳播的噪聲大小由海底沉積物類型決定，而結構振動輻射入水的噪聲，傳播距離最遠，強度最大，是海上風電場產生水下噪聲的主要來源[16]。風機運行中，塔架會受到各種激振力的作用，包括旋轉部件質量不均衡、齒輪齒合、電磁作用等[17]，每個激振力的具有不同的離散頻率，因此風機塔架振動輻射的水下噪聲具有窄帶性。旋轉不平衡產生低頻成分(<50 Hz)，齒輪齒合產生從8～1 000 Hz頻率成分，而電磁作用會產生50～2 000 Hz頻率成分。激振力的強度和結構內阻尼會影響輻射水下噪聲強度。隨著風速增加，葉片轉動加快，結構激振力增強，輻射水下噪聲強度會增加。不同樁基結構的內阻尼不同，輻射的水下噪聲也會有差異。

1.2測量對象

本文測量圍繞我國已經投入運營的第一個海上風電場—上海東海大橋海上風電場展開(見圖2)。

圖2　上海東海大橋海上風電場示意圖Fig.2 Location of Shanghai Donghai bridge offshore wind farm

海上風電場位于上海市臨港新城至洋山深水港的東海大橋東側1 000 m以外海域，共布置34臺單機3.0 MW的風機，分5排，東西向間距均為1 000 m，第一排與第二排之間有一條1 000 t輔道通航，南北向間距超過1 000 m，其余四排南北向間距均為500 m。此外，東海大橋西側有一臺單機5.0 MW(36#)的風機在試運行。

風機是采用華銳風電自主研發(fā)的SL3000-90和SL5000-128。參數見表1。

表1　SL3000-90和SL5000-128技術參數

1.3測量方法

測量系統(tǒng)由自容式水下聲音記錄儀組成。記錄儀水聽器靈敏度-180 dB(re 1v/μPa)，采集系統(tǒng)連續(xù)采用率可達80 kHz，存儲容量128 GB，20 Hz～30k Hz頻率響應曲線平坦，輸入端含有一個35 kHz的3階低通濾波器。系統(tǒng)技術指標可保證測量數據的有效性。

分別測量了2#、36#風機產生的水下噪聲，共設置2個測點(見圖2)。整個測量期間，輔助航道無航船通過，測點附近無船舶活動。文獻[8]研究表明，風機產生的水下噪聲頻率較低，聲強主要集中在1 kHz以下頻段的幾個單頻。因此將自容式水下聲音記錄儀采樣率設置為10 kHz。表2給出站點信息及測量期間的海洋環(huán)境參數值，圖3、圖4分別給出風速、流速、水溫和記錄儀深度隨時間變化情況。

表2　站點信息及測量期海洋環(huán)境參數

圖3　測量期間風速和流速隨時間變化Fig.3 Wind speed and flow velocity change with time during measurements

圖4　測量期間水溫和記錄深度隨時間變化Fig.4 Water temperature and depth of hydrophone change with time during measurements

1.4數據處理

將獲取的噪聲數據按照一定的時間規(guī)則截為多段，至少需選取3 min的數據。本文研究選取10 min，分為40段，每段時長為15 s。然后將每一段數據畫出來，通過觀察，剔除存在明顯干擾信號(如脈沖信號或幅值異常信號)的噪聲段，將挑選后的噪聲數據作為待處理的數據。淺海聲傳播存在一個截止頻率，聲波波長小于或等于4倍水深時，才可能在水中傳播。結合測量海域的水深，本文頻率分析范圍選擇30 ～1 000 Hz。噪聲功率譜級和總聲級計算模型如下：

設有效噪聲信號為x(n)，長度為L，將其按覆蓋分為Ⅰ段，每段長度為N(N根據分辨率、方差要求選定，且要求N≥fs，fs為采樣率)。

對第i段加窗后的有效噪聲信號序列xi(n)w(n)進行快速傅里葉變換，并對結果因加窗導致的能量差異進行修正，得到該段信號噪聲功率為：

(1)

(2)

式中：i=1,2,…,I，k=1,2,…,N-1。

對所有Ⅰ段有效噪聲信號取線性平均：

(3)

計算帶寬歸一化的噪聲功率譜級PSD(fi)：

K(fi)-G-10lg[(h-l+1)×Δf]

(4)

式中：fi為1/3倍頻程中心頻率；Δf為頻率分辨率；h，l分別為fi的上下限頻率對應的位置；M(fi)為水聽器靈敏度；K(fi)為系統(tǒng)頻響；G為系統(tǒng)增益。

根據PSD(fi)可以計算出頻帶內的總聲級Lp：

(5)

式中：n為頻帶內包含的1/3倍頻程點的個數。

2結果及分析

2.1風機產生水下噪聲窄帶譜級分布

海上風電場內部和周邊一定海域內的噪聲級隨著風機數目的增多而增大。由于聲線干涉作用，來自不同風機的噪聲在風電場內部會產生復雜的聲場。因此測點選擇盡可能離其他風機較遠的地方，以減少聲場干涉影響。本文測量站點靠近單個風機，風機周圍1 000 m范圍沒有其他風機工作，更遠距離風機帶來的疊加效應可以忽略。高風速下，3.0 MW風機產生水下噪聲與環(huán)境噪聲譜級分布見圖5。

圖5　3.0 MW風機產生水下噪聲譜級分布Fig.5 Spectral noise density at high wind speed from 3.0 MW wind turbine

由圖5可知風機產生水下噪聲強度較低，主要集中在500 Hz以下的三個單頻，分別為118 Hz、210 Hz、334 Hz，對應強度值為99.68 dB、96.55 dB、91.75 dB。文獻[18]給出了適用于計算水深小于100 m的淺海聲傳播損失公式：

TL=(16.07+1.85lg(f))(lg(r)+3)+

(0.174+0.46lg(f)+0.5(lg(f))2)r

(6)

式中：r為傳輸距離，范圍1 ～ 80 km；f為頻率，范圍100～ 10 kHz。

根據式(6)可計算出風機產生水下噪聲三個主頻的聲源級，分別為134.33 dB、132.04 dB、127.92 dB。

2.2不同風速下風機產生水下噪聲譜特性

為了分析風速對風機產生水下噪聲的影響，將測量期間的風速定義為三種：低風速(3～5 m/s)、中風速(8 m/s)、高風速(11～12 m/s)，結果見圖6，水下噪聲譜采用1/3倍頻程頻帶聲壓級能較好的反應噪聲源的頻譜特性。

圖6可知風速是重要的影響因素，總體看風速越大，產生的水下噪聲強度越大。海上風力發(fā)電機具有旋轉設備的運行結構，此種結構在較高轉速運行時會受到明顯的葉輪轉頻及倍頻諧波激勵作用[19]。3.0 MW風機，在中高風速時，具有3個主頻，主頻分布幾乎一致，而低風速時，第一個主頻消失；5.0 MW風機，高低風速時，主頻分布差異性不明顯。

2.3不同功率和樁基結構風機產生水下噪聲譜特性

表3給出了不同功率和樁基結構的風機產生水下噪聲譜特性。

表3　不同功率和樁基結構風機產生水下噪聲特征

圖6　不同風速下風機產生水下噪聲譜級分布Fig.6 Noise spectrum from wind turbine in third-octave levels at different wind speeds

從表3可知，水下噪聲強度和峰值頻率隨樁基結構、功率變化而改變，不同樁基結構具有不同的噪聲特性，但功率差異性不顯著。目前，功率不同而結構完全相同的風機水下噪聲數據有限，無法給出明確定論。

3運營期海上風電場水下噪聲分布

測量條件限制，沒有獲取更多距離的測量值，因此需要使用聲傳播模型來預測風機周邊區(qū)域的水下噪聲分布。利用簡正波模型仿真3.0 MW風機周邊海域水下噪聲分布，聲源級采用測量獲取的值。仿真其他參數設置如下：水深d=14 m，聲源深度Sd=5 m，接收深度Rd=5 m；海水和海底為均勻介質，海水密度ρw=1 000 kg/m3，實測海水聲速見圖7(a)，海底密度ρb=1 668 m/s，海底聲速cb=1 806 m/s，海底的衰減系數α=0.5 dB/λ(λ為波長)。

圖7(b)、圖7(c)、圖7(d)分別給出了三個峰值頻率50 Hz、100 Hz和125 Hz下噪聲強度區(qū)域變化，由此可知風機產生的水下噪聲強度較低，影響區(qū)域小，較遠距離海域產生的水中噪聲值與海洋環(huán)境噪聲相當。但淺海具有復雜的傳播環(huán)境，并且風機結構振動傳播也涉及海底情況，因此模型仿真只是一種理論估算，與實際情況并非完全相符，存在一定局限性。

圖7　風機周邊區(qū)域水下噪聲強度分布Fig.7 Noise intensity distribution in the surroundings of wind turbine

4結論

本文對海上風電場運營期不同功率、不同樁基結構風機產生的水下噪聲進行測量，從噪聲功率譜級和頻帶內總聲級分析，主要得到以下結論：

(1) 風機尺寸(功率)、海深、樁基結構、沉積物等不同，但產生的水下噪聲具有一些共同特性：噪聲強度較低，主要能量集中800 Hz以下低頻段，具有2個或3個主頻。

(2) 水下噪聲強度主要與風速有關，風速越大，風機產生的水下噪聲值越大，而與風機功率差異不明顯。關于風速與風機產生水下噪聲的主頻分布關系，目前沒有統(tǒng)一定論。文獻[16]指出主頻分布與風機機械性能有關，與風速無關；而文獻[9]研究表明風由于風機轉動與風速有關，因此主頻分布隨風速不同而變化，本文測量結果與后者一致。

(3) 本文研究可為海上風電工程環(huán)境影響評價提供技術參考，具有較大的應用價值。多個風機產生水下噪聲分布，還有待后續(xù)工作從實測和理論模型兩方面做深入探討。

致謝：感謝魏士儼、曾德祺兩位同志在本研究實驗數據獲取方面給予的幫助。

[1] 周艷芬, 耿玉杰, 呂紅轉. 風電場對環(huán)境的影響及控制[J]. 湖北農業(yè)科學, 2011, 50 (13): 2642-2646．

ZHOU Yan-fen, GENG Yu-jie, Lü Hong-zhuan. The environment impact of wind power station and its control [J]. Hubei Agricultural Sciences, 2011, 50 (13): 2642-2646．

[2] 中國海上風電擬開工項目匯總(2014-4-2)[EB/OL]. http://news.bjx.com.cn/html/20140416/504097.shtml,2014-4-16．

[3] 上海市勘測設計研究院.東海大橋海上風電場工程概況和環(huán)境評價的初步結論[R].2006．

[4] Nedwell J, Howell D. A review of offshore wind farm related underwater noise sources[R]. Report No. 544 R 0308, Cowrie, 2004．

[5] Tougaard J, Madsen P T, Wahberg M. Underwater noise from construction and operation of offshore wind farms [J]. Bioacoustics, 2008, 17(1): 143-146.

[6] Tougaard J, Henriksen O D. Underwater noise from three types of offshore wind turbines: Estimation of impact zones for harbor porpoises and harbor seals [J]. J Acoust Soc Am, 2009, 125(6): 3766-3773．

[7] Westerberg H. Impact studies of sea-based windpower in Sweden [J]. BfN-Skripten, 2000,29:136-146．

[8] Degn U. Offshore wind turbines—VVM, Underwater noise measurements, analysis, and predictions [R].Report No. 00-792 rev.1.?degaard & Danneskiold-Sams?e A/S, 2000．

[9] Ingemansson Technology AB. Utgrunden offshore wind farm—measurements of underwater noise[R]. Report 11-00329-03012700. Ingemansson Technology A/S, Gothenburg, 2003．

[10] Cobo P, Kormann J, Ranz C. Underwater noise impact of offshore wind farms during construction and operation phases[C]// 14th International Congress on Sound Vibration. Cairns,Australia, 2007．

[11] 張丹,孫世軍,苗瑩.風電能源開發(fā)及其對聲環(huán)境的影響[J].中國環(huán)境管理, 2010(1): 38-39．

ZHANG Dan, SUN Shi-jun, MIAO Ying.Wind energy development and its impact on the environment of noise [J]. Chinese Journal of Eenvironmental Management,2010(1):38-39.

[12] 王文團,石敬華,賈坤,等.風力發(fā)電噪聲及其影響特點[J].噪聲與振動控制, 2011(2): 83-87．

WANG Wen-tuan, SHI Jing-hua, JIA Kun, et al. Analysis of characteristics of wind power noise and its environmental influence [J].Noise and Vibration Control, 2011(2):83-87．

[13] 仇豐,廖琦琛,丁明明,等.風電場噪聲預測模型[J].噪聲與振動控制, 2012(5):118-122．

QIU Feng, LIAO Qi-chen, DING Ming-ming, et al. Study on noise prediction model for wind power field [J].Noise and Vibration Control, 2012(5):118-122．

[14] 李靜,孫亞勝.渤海海域風電場建設的環(huán)境影響分析[J].能源與環(huán)境,2008(5):55-58．

LI Jing, SUN Ya-sheng. Environment impact analysis of constructing offshore wind farm in Bohai Sea [J]. Energy and Environment, 2008(5):55-58．

[15] 許肖梅.聲學基礎[M].北京:科學出版社,2003:114-118．

[16] Madsen P T, Wahlberg M, Tougaard J, et al. Wind turbine underwater noise and marine mammals: implications of current knowledge and data needs[J]. Mar Ecol Prog Ser, 2006, 309:279-295．

[17] Marmo B, Roberts I, Buckingham M P, et al. Modelling of noise effects of operational offshore wind turbines including noise transmission through various foundation types [R]. Report MS-101-REP-F. Edinburgh: Scottish Government, 2013．

[18] 劉伯勝,雷家煜.水聲學原理[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社, 1993:94-95．

[19] 董霄峰,練繼建,楊敏,等. 諧波干擾下海上風機結構工作模態(tài)識別[J].振動與沖擊,2015,34(10): 152-156．

DONG Xiao-feng, LIAN Ji-jian, YANG Min, et al. Operational modal identification of an offshore wind turbine structure under harmonic interference[J]. Journal of Vibration and Shock, 2015, 34(10): 152-156．

Measurements and analysis of underwater noise from the operation of offshore wind farms

NIU Fu-qiang1,2, YANG Yan-ming1, XU Xiao-mei2, ZHOU Zai-ming1, HUANG Yue-kun1

(1. Third Institute of Oceanography, SOA, Xiamen 361005, China;2. College of Oceanography and Environmental Science, Xiamen University, Xiamen 361005, China)

Underwater noise from the operation of offshore wind farms has impacted the marine environment. Underwater noise was recorded from one 3.0 MW and one 5.0 MW wind turbine in Shanghai during a normal operation phase in this paper. Finally, a normal mode propagation model was designed to predict the noise distribution of wind turbines. The results of the data processing show that noise during operation is of a much lower intensity and generally dominated by a series of pure tones below 800 Hz. The dominating frequencies become obvious at high wind speed. The sound intensity increases with the wind speed but has no significant difference with the power of the wind turbines. In addition, the frequency content of the noise seems to change with the power of the wind turbines, the wind speed and the foundation type. The zones of the noise effects on the marine environment are small during the operation of the wind farms. The results of this paper can provide technical information for environmental impact assessment of offshore wind farms and have great value in engineering applications.

off-shore wind farm; underwater noise; noise measurement; operation phase

10.13465/j.cnki.jvs.2016.12.034

國家海洋局第三海洋研究所基本科研業(yè)務專項經費(海三科2013020);海洋公益性行業(yè)科研專項(201105011)

2015-01-08修改稿收到日期：2015-05-08

牛富強 男，博士，助理研究員，1981年生

楊燕明 男，博士，研究員，1966年生

O427.5

A