山東省海域狀況及風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)潛力評(píng)估

文 | 董海萍，王乾坤，丁瀅，鄭創(chuàng)坤

近年來(lái)，隨著陸上經(jīng)濟(jì)可開(kāi)發(fā)的風(fēng)能資源越來(lái)越少，全球風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)已出現(xiàn)從陸地向近海發(fā)展的趨勢(shì)，同時(shí)，中國(guó)海上風(fēng)電憑借其風(fēng)能資源優(yōu)越、環(huán)保、節(jié)約土地、規(guī)模大等諸多優(yōu)勢(shì)已成為我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新動(dòng)力。但與陸上風(fēng)電相比，海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)又受到諸多因素影響，涉及眾多技術(shù)問(wèn)題，有著更為復(fù)雜的環(huán)境和不確定性。為此，海上風(fēng)電場(chǎng)的開(kāi)發(fā)需整體評(píng)估和量化各制約因素，從而獲得潛在場(chǎng)址的順序排名。山東省憑借其海岸線(xiàn)長(zhǎng)、海域面積廣、海上風(fēng)能資源條件好和臺(tái)風(fēng)侵?jǐn)_少等優(yōu)勢(shì)，有著得天獨(dú)厚的海上風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)前景。本文以山東省為例，通過(guò)對(duì)山東省海域狀況、海上風(fēng)能資源狀況、海上天氣系統(tǒng)和臺(tái)風(fēng)以及不同海域的制約因素對(duì)風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)和開(kāi)發(fā)順序影響的研究，從而加深海上風(fēng)電從業(yè)者對(duì)山東省海上風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)的認(rèn)識(shí)，并以此探索我國(guó)近海海域風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)的路線(xiàn)和方法。

山東省海域狀況

中國(guó)鄰海有渤海、黃海、東海和南海，而其中與山東省相鄰的為渤海和黃海。渤海深入中國(guó)大陸，為遼寧、河北、天津、山東三省一市環(huán)抱，是中國(guó)的內(nèi)海；總面積為7.7萬(wàn)平方公里，平均深度為18m，最深處達(dá)70m；地質(zhì)結(jié)構(gòu)多為泥（mud），靠近山東省有部分海域?yàn)樯百|(zhì)結(jié)構(gòu)（sand），臨近山東半島的海域有少量的石（stone）和巖石（rock）地質(zhì)結(jié)構(gòu)；且在渤海灣內(nèi)有大量的基礎(chǔ)設(shè)施，如：港口、航道、生產(chǎn)作業(yè)平臺(tái)、燈塔等，這些都是海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的限制區(qū)，在規(guī)劃和籌建前必須進(jìn)一步詳細(xì)測(cè)量，從而在今后風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)和運(yùn)維中予以規(guī)避。黃海的面積約38萬(wàn)平方公里，平均深度44m，最大深度140m；地質(zhì)結(jié)構(gòu)也多為泥，部分砂質(zhì)結(jié)構(gòu)和少量的巖石；較淺的海域面積延伸遼闊，且基礎(chǔ)設(shè)施相對(duì)較少（詳見(jiàn)表1和圖1）。

圖1 山東省臨海的水深、地質(zhì)狀況和基礎(chǔ)設(shè)施圖（藍(lán)色區(qū)域：水深小于30m）

表1 山東省臨海的基本狀況

山東省海域面積較為遼闊，約為16.9萬(wàn)平方公里，在我國(guó)臨海各省、市中排名第四；海岸線(xiàn)長(zhǎng)約為3024.4 km，在各省市中排名第三，故山東省海域有著較好的海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)自然資源。

山東省海上風(fēng)能資源狀況

在風(fēng)電場(chǎng)生命周期中需要足夠的風(fēng)能資源轉(zhuǎn)化為能量，為項(xiàng)目帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益，且風(fēng)能資源狀況也為風(fēng)電機(jī)組選型和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)載荷提供信息輸入。從山東省海域的90m高度風(fēng)譜及水深圖（圖2）中可看到，水深10～30m內(nèi)的海上風(fēng)速基本都在7m/s以上，渤海灣內(nèi)風(fēng)速基本可達(dá)7.5～8.0m/s，黃海海域臨海岸部分地區(qū)為6.5～7.0m/s；海水深30～100m內(nèi)的海上風(fēng)速基本為7.0～7.5m/s，具體見(jiàn)表2。從水深情況也可看出，山東省近海區(qū)域水深60m內(nèi)的海域面積較為寬廣，且風(fēng)況較好，因此山東省近海有利于風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)，在風(fēng)電場(chǎng)生命周期中有足夠的風(fēng)能資源可供利用，為項(xiàng)目帶來(lái)經(jīng)濟(jì)上可行性。

圖2 山東省距離海岸10km外海域90m高度風(fēng)譜及水深

圖3 山東省沿海臺(tái)風(fēng)影響路徑示意圖

表2 山東省沿海風(fēng)速分布狀況

表3 山東省海域風(fēng)特點(diǎn)和天氣系統(tǒng)

山東省海上天氣系統(tǒng)和臺(tái)風(fēng)影響

受季風(fēng)影響，山東省海域冬季寒冷干燥，夏季溫暖潮濕。10月至翌年3月，盛行偏北風(fēng)，北部多為西北風(fēng)，平均風(fēng)速為6～7 m/s；南部多北風(fēng)，平均風(fēng)速為8～9 m/s，常有冷空氣或寒潮入侵，強(qiáng)冷空氣可使黃海沿岸氣溫下降10～15℃/天。4月為季風(fēng)交替季節(jié)，風(fēng)向不穩(wěn)定。5月，偏南季風(fēng)開(kāi)始出現(xiàn)。6－8月，盛行南至東南風(fēng)，平均風(fēng)速5～6 m/s；常受自東海北上的臺(tái)風(fēng)影響，大風(fēng)主要受臺(tái)風(fēng)影響而產(chǎn)生。黃海海區(qū)四季都有6級(jí)（10.8～13.8 m/s）以上的大風(fēng)，但以冬季強(qiáng)度大，春季次數(shù)多。大風(fēng)區(qū)多位于渤海海峽至山東半島頂端成山角一帶以及千里巖和濟(jì)州島等附近海域。山東省海上風(fēng)特點(diǎn)和天氣系統(tǒng)詳見(jiàn)表3。

近年來(lái)，隨著海上風(fēng)電的迅速發(fā)展，臺(tái)風(fēng)對(duì)于沿海及海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)、運(yùn)營(yíng)等造成的影響愈發(fā)凸顯。為了更好地了解臺(tái)風(fēng)對(duì)山東省海上風(fēng)電場(chǎng)的影響，按照中國(guó)《熱帶氣旋等級(jí)》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 19201－2006）的劃分標(biāo)準(zhǔn)：熱帶低壓（10.8～17.1m/s）、熱帶風(fēng)暴（17.2～24.4m/s）、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴（24.5～32.6m/s）、臺(tái)風(fēng)（32.7～41.4m/s）、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)（41.5～50.9m/s）和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)（大于51.0m/s），利用金風(fēng)科技與中國(guó)氣象局共同研發(fā)的“臺(tái)風(fēng)眼”臺(tái)風(fēng)查詢(xún)系統(tǒng)，對(duì)1988—2018年影響山東省海域不同等級(jí)熱帶氣旋的強(qiáng)度、個(gè)數(shù)和路徑進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。從影響山東省海域的歷史熱帶氣旋強(qiáng)度和個(gè)數(shù)（圖3）可知，經(jīng)過(guò)山東省海域的熱帶氣旋共有10個(gè)，其中熱帶低壓5個(gè)、熱帶風(fēng)暴3個(gè)、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴2個(gè)，都未達(dá)到臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度，強(qiáng)度偏弱。

由此可見(jiàn)，山東省海域可基本不考慮臺(tái)風(fēng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的侵?jǐn)_，并且在發(fā)生熱帶風(fēng)暴期間風(fēng)力增大，最大風(fēng)力在10級(jí)以下，而風(fēng)切變和湍流強(qiáng)度又與常態(tài)風(fēng)沒(méi)有大的差別，反而有利于海上風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電，成為風(fēng)電場(chǎng)的效益區(qū)。

山東省海上風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)潛力評(píng)估

海上風(fēng)能資源豐富，適于風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)，但海上風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)遇到的各種制約因素，也直接影響海上風(fēng)電場(chǎng)的投資和運(yùn)營(yíng)成本。制約因素可分為硬性制約（開(kāi)發(fā)過(guò)程中即使不懈努力也不可能或是基本不可能克服的障礙）和軟性制約（開(kāi)發(fā)過(guò)程中通過(guò)與利益相關(guān)者談判可以解決的障礙），這里將通過(guò)分析山東省海域不同的制約因素，如技術(shù)制約、環(huán)境和其他用戶(hù)制約、港口設(shè)施、電網(wǎng)連接等來(lái)評(píng)估海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)。技術(shù)制約是在開(kāi)發(fā)過(guò)程中運(yùn)用專(zhuān)門(mén)技術(shù)專(zhuān)長(zhǎng)可以克服的障礙，它既限制了海上風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)的場(chǎng)地和規(guī)模，又影響到項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)可行性。從上述分析可知，山東省海域風(fēng)能資源狀況較好且無(wú)臺(tái)風(fēng)危害，這是有利因素，但還需對(duì)下述限制性因素進(jìn)行評(píng)估。

一、海霧影響

山東省海域的海霧經(jīng)常出現(xiàn)在4—7月，而山東半島東北角則是海霧出現(xiàn)最頻繁的地區(qū)（5月海霧出現(xiàn)頻率為12%），從山東半島往南海霧出現(xiàn)的頻率逐漸降低。對(duì)于在風(fēng)電場(chǎng)范圍航行的船舶，高的能見(jiàn)度是安全航行的必要條件。因此，在海霧發(fā)生概率較大的海域，需在風(fēng)電機(jī)組上安裝霧燈以警告船舶，從而避免碰撞危險(xiǎn)。同時(shí)，在能見(jiàn)度非常低的情況下，也不適宜安排人員進(jìn)入風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域，這也對(duì)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行和故障排除產(chǎn)生影響。因此，海霧的頻發(fā)將會(huì)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的利潤(rùn)產(chǎn)生影響，這也是山東省海域風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)需要考慮的因素，應(yīng)盡量規(guī)避海霧常發(fā)區(qū)域。

二、海冰

從每年的12月至次年3月，渤海灣特別是遼東灣，以及黃海北部都會(huì)有海冰和浮冰。而浮冰塊的阻塞效應(yīng)將可能導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)遭受過(guò)度載荷，同時(shí)也會(huì)使小型船舶抵達(dá)風(fēng)電機(jī)組很困難，這將對(duì)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)維和故障排除產(chǎn)生影響，應(yīng)受到重視。

三、海床

從山東省海域的地質(zhì)狀況（圖1）可看到，靠近海岸區(qū)域多為砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，稍遠(yuǎn)些海域地質(zhì)結(jié)構(gòu)多為泥，臨近山東半島的海域有少量的石和巖石地質(zhì)結(jié)構(gòu)。為此，既要考慮地質(zhì)條件是否適合樁式基礎(chǔ)的建設(shè)，也要考慮表層沉積物是否移動(dòng)和變化。一般而言，較深海域細(xì)砂覆蓋的海床條件比淺海顆粒較大的海床條件更適宜風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)，因?yàn)榇诸w粒的沉積物對(duì)于打樁更具挑戰(zhàn)性。風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)商已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在淺灘上開(kāi)發(fā)風(fēng)電場(chǎng)可以節(jié)約費(fèi)用，但往往產(chǎn)生其他財(cái)務(wù)負(fù)擔(dān)，如修復(fù)將來(lái)可能暴露在外的電纜或埋在數(shù)米沉積物下的損壞電纜。因此，在山東省近海深水區(qū)的海床結(jié)構(gòu)較適宜風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)。

四、水深和離岸距離

水深和離岸距離是影響項(xiàng)目總資本成本的重要因素，它對(duì)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)方案、施工安裝方案、海底電纜鋪設(shè)難易程度和運(yùn)維方式等都會(huì)帶來(lái)挑戰(zhàn)，必將增加相應(yīng)的資金成本。

為了對(duì)山東省不同水深和離岸距離的風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)進(jìn)行定量評(píng)估，現(xiàn)對(duì)離岸100km內(nèi)不同海域進(jìn)行劃分，具體分為四個(gè)區(qū)域：水深30～60m且離岸距離50km內(nèi)、水深60～100m且離岸距離50km內(nèi)、水深30～60m且離岸距離50～100km、水深60～100m且離岸距離50～100km。圖4 為山東省海岸10km外的離岸距離和水深分布，其中綠色線(xiàn)條為間隔50km的離岸距離，藍(lán)色、紫色和黑色線(xiàn)條分別為水深30m、60m和100m的水深線(xiàn)。距離海岸100km內(nèi)除少量區(qū)域達(dá)60m以上水深外，大部分海域基本都在60m水深內(nèi)，這使得風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)期間的海底電纜鋪設(shè)、施工安裝都相對(duì)便利，費(fèi)用成本也較深水區(qū)低；同樣，水深達(dá)30～60m的海域距離海岸基本在50km內(nèi)，其中圍繞山東半島的海域都在離岸距離50km內(nèi)，只有黃海南部、靠近江蘇省海域的區(qū)域離岸距離達(dá)到100km。由此可見(jiàn)，山東省近海深水區(qū)（30～60m）從水深和離岸距離考慮，非常有利于風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)建設(shè)。

為了對(duì)山東省海域的裝機(jī)容量有定量認(rèn)識(shí)，按照海上風(fēng)電用海管理意見(jiàn)，即“單個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)外緣邊線(xiàn)包絡(luò)海域面積原則上每10萬(wàn)千瓦控制在16km2左右”，以及“雙十”原則，即“海上風(fēng)電場(chǎng)原則上應(yīng)在離岸距離不少于10km、灘涂寬度超過(guò)10km時(shí)海域水深不得少于10m的海域布局”。按照上述原則對(duì)山東省不同海域進(jìn)行裝機(jī)容量的理論估值。圖4中區(qū)域1為離岸距離50km內(nèi)、水深30～60m，總裝機(jī)容量為8778.7萬(wàn)千瓦，主要位于黃海的山東半島北側(cè)和東側(cè)；區(qū)域2為離岸距離50km內(nèi)、水深60～100m，總裝機(jī)容量為667.4萬(wàn)千瓦，主要位于黃海的山東半島東北側(cè)；區(qū)域3為離岸距離50～100km內(nèi)、水深30～60m，總裝機(jī)容量為13080.37萬(wàn)千瓦，由于黃海南部和北部的60m內(nèi)水深的區(qū)域較為寬廣，離岸距離較遠(yuǎn)，主要位于山東半島東南側(cè)和東北側(cè)，裝機(jī)容量較多；區(qū)域4為離岸距離50～100km內(nèi)、水深60～100m，總裝機(jī)容量為7747.69萬(wàn)千瓦，主要位于山東半島東側(cè)。

圖4 山東省海岸10km外離岸距離（間隔50km綠色實(shí)線(xiàn)）及水深（等深線(xiàn)）圖（紫色區(qū)域1：離岸距離50km內(nèi)、水深30～60m；粉色區(qū)域2：離岸距離50km內(nèi)、水深60～100m；藍(lán)色區(qū)域3：離岸距離50～100km、水深30～60m；紅色區(qū)域4：離岸距離50～100km、水深60～100m）

五、港口設(shè)施和電網(wǎng)連接

港口在海上風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)的初期階段就扮演重要角色，且隨著海上風(fēng)電機(jī)組體積規(guī)格的增長(zhǎng)，零部件的運(yùn)輸成本問(wèn)題越來(lái)越成為整個(gè)項(xiàng)目的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并且一旦風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)始運(yùn)作，維護(hù)工作通常也由最近的碼頭來(lái)進(jìn)行。同時(shí)，海上風(fēng)電場(chǎng)的年發(fā)電量和上網(wǎng)電價(jià)等也需考慮搭建輸電設(shè)備的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)等因素，選擇離電網(wǎng)接入點(diǎn)近的海域并網(wǎng)是一種普遍被認(rèn)同的并網(wǎng)方案。因此，在評(píng)估海上風(fēng)電場(chǎng)選址時(shí)，距離港口的距離和電網(wǎng)接入點(diǎn)也是需考慮的因素。

六、其他限制性制約

海上限制性因素非常多，在海上風(fēng)電場(chǎng)選址過(guò)程中，不能忽略其他海域使用者及團(tuán)體，如：海上石油、天然氣的勘探和開(kāi)采活動(dòng)、漁業(yè)和捕撈、航運(yùn)和導(dǎo)航、海底彈藥傾倒區(qū)、管道和電纜、航空和雷達(dá)、用于軍事目的的海域、環(huán)境制約等等，這些都會(huì)成為風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的阻力和障礙。但并不都是排他性的，可考慮互助互補(bǔ)方式，如：海上風(fēng)電場(chǎng)不排除與石油和天然氣開(kāi)采點(diǎn)處于同一地區(qū)，可利用兩者的電網(wǎng)線(xiàn)路統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，將海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)與石油開(kāi)采攜手并進(jìn)；海上風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)也不會(huì)對(duì)漁業(yè)產(chǎn)生危害，海底基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)會(huì)形成類(lèi)似漁礁，可以促進(jìn)局部的具有商業(yè)價(jià)值的魚(yú)類(lèi)種群復(fù)蘇，被認(rèn)為從長(zhǎng)遠(yuǎn)看有益于當(dāng)?shù)夭稉茦I(yè)。

由此可見(jiàn)，為了客觀地評(píng)估和比較潛在風(fēng)電場(chǎng)的場(chǎng)址，有必要設(shè)計(jì)一個(gè)加權(quán)計(jì)分系統(tǒng)，量化風(fēng)電場(chǎng)制約因素，從而獲得潛在風(fēng)電場(chǎng)址的順序排名。

結(jié)論

本文通過(guò)分析和評(píng)估山東省海上風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)的各種限制性因素可知，山東省海域地質(zhì)狀況較適宜風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)建設(shè)，風(fēng)能資源狀況較好，可為項(xiàng)目帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益，并且可不考慮臺(tái)風(fēng)的危害；但海霧影響特別是山東半島東北角海霧出現(xiàn)最為頻繁，而且冬季海冰和浮冰影響也必須受到重視，這將給風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)和運(yùn)維造成資金成本增加。對(duì)不同水深和離岸距離分析可知，距離海岸100km內(nèi)除少量區(qū)域達(dá)60m以上水深外，大部分海域基本都在60m水深內(nèi)，這使得風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)期間的海底電纜鋪設(shè)、施工安裝都相對(duì)便利。同時(shí)，還需考慮其他海域使用者及團(tuán)體，以及港口設(shè)施和電網(wǎng)連接問(wèn)題。