“雙碳”背景下我國(guó)海上風(fēng)電與海洋牧場(chǎng)協(xié)同開(kāi)發(fā)初探

張嘉祺，王 琛, *，梁發(fā)云

(1.同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海 200092；2.巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(同濟(jì)大學(xué))，上海 200092)

0 引 言

國(guó)際社會(huì)普遍認(rèn)可并簽署的《巴黎協(xié)定》指明了全球綠色低碳發(fā)展轉(zhuǎn)型的大方向，提出了“全球平均溫升控制在顯著低于工業(yè)化前水平的2 ℃之內(nèi)，并努力將把溫升限制在工業(yè)化前水平的1.5 ℃之內(nèi)”的長(zhǎng)期目標(biāo)[1]。作為目前最大的發(fā)展中國(guó)家，我國(guó)于2020年向國(guó)際社會(huì)鄭重承諾，將“采取更加有力的政策和措施，使二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。近年來(lái)，我國(guó)清潔能源占比持續(xù)增加，2021年發(fā)電量已達(dá)2.9萬(wàn)億(kW·h)，占全口徑總量的34.6%[2]，如圖1(a)所示。值得注意的是，我國(guó)綿長(zhǎng)的海岸線和豐富的海上風(fēng)能資源使海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)顯示出巨大潛力，已逐漸成為發(fā)展綠色能源的重要途徑之一。2021年我國(guó)新增海上風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到16.9 GW，較上一年增加約452.3%，發(fā)展十分迅猛[3]，如圖1(b)所示。

同時(shí)，海洋資源也具有極大的開(kāi)發(fā)價(jià)值。海洋牧場(chǎng)的出現(xiàn)不僅大幅提升了海洋資源的開(kāi)發(fā)效率，還能保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境，有利于推動(dòng)海洋開(kāi)發(fā)方式向循環(huán)利用型、可持續(xù)發(fā)展型轉(zhuǎn)變，目前正處于積極探索、大力發(fā)展的階段。因此，已建的國(guó)家級(jí)海洋牧場(chǎng)示范區(qū)主要以養(yǎng)護(hù)漁業(yè)資源、修復(fù)漁業(yè)水域生態(tài)環(huán)境和促進(jìn)漁業(yè)轉(zhuǎn)型增效為目標(biāo)。特別是在“雙碳”和“海洋強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略背景下，以海上風(fēng)電為代表的海洋能源與以海洋牧場(chǎng)為代表的海洋資源開(kāi)發(fā)利用引起了廣泛關(guān)注。

然而，隨著近海海域各功能區(qū)建設(shè)的逐漸完善，用海矛盾凸顯，工程運(yùn)維成本不斷增加，嚴(yán)重制約著我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步高質(zhì)量發(fā)展，主要表現(xiàn)為海上風(fēng)電場(chǎng)對(duì)傳統(tǒng)海上水產(chǎn)養(yǎng)殖、漁業(yè)捕撈的作業(yè)空間的擠占，以及海上風(fēng)電場(chǎng)離岸開(kāi)發(fā)距離增加導(dǎo)致的投資和運(yùn)維成本提升。為解決上述問(wèn)題，協(xié)調(diào)發(fā)展與合理利用海洋能源、資源，實(shí)現(xiàn)海域多能互補(bǔ)、海上風(fēng)電與牧場(chǎng)降本增效，將海上風(fēng)電與海洋牧場(chǎng)融合發(fā)展的構(gòu)想應(yīng)運(yùn)而生。本文在系統(tǒng)總結(jié)海上風(fēng)電與海洋牧場(chǎng)各自開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)的同時(shí)，提出了協(xié)同開(kāi)發(fā)面臨的現(xiàn)實(shí)難點(diǎn)與系統(tǒng)挑戰(zhàn)，并以已有示范工程為例，提供了前瞻性分析和建議。

1 我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀與發(fā)展瓶頸

1.1 我國(guó)海上風(fēng)能資源與海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)的開(kāi)發(fā)歷經(jīng)了3個(gè)階段：科研型示范應(yīng)用、商業(yè)化探索和規(guī)?；ㄔO(shè)[4]。目前，我國(guó)海上風(fēng)電總體上呈現(xiàn)由近海到遠(yuǎn)海、由淺水到深水、由小規(guī)模示范到大規(guī)模集中開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)[5]。

(1)海洋風(fēng)能資源情況

我國(guó)盛行大陸性季風(fēng)氣候，海陸熱力差異大，海上風(fēng)能資源豐富。據(jù)國(guó)家氣象局估算[6]，風(fēng)能資源總儲(chǔ)量約43.5億kW，其中海上可開(kāi)發(fā)利用的風(fēng)能儲(chǔ)量約為7.5億kW[7]?！讹L(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》(GB/T 18710—2002)將風(fēng)功率分為7個(gè)等級(jí)，其中風(fēng)功率密度在4級(jí)以上的區(qū)域有利于風(fēng)能并網(wǎng)發(fā)電。如表1所示，風(fēng)能豐富區(qū)如東南沿海及其島嶼地區(qū)風(fēng)功率密度在200 W/m2以上，有效風(fēng)力出現(xiàn)時(shí)間百分率達(dá)80%～90%，是風(fēng)電開(kāi)發(fā)性價(jià)比最高的區(qū)域[8]。

(2)海上風(fēng)電裝機(jī)情況

2021年風(fēng)電裝機(jī)數(shù)據(jù)顯示[9-10]，我國(guó)全年海上風(fēng)電新增并網(wǎng)裝機(jī)規(guī)模約為16.9 GW，同比增長(zhǎng)452%，穩(wěn)居全球第一?，F(xiàn)有海上風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量約26.4 GW，并計(jì)劃在2030年和2060年海上風(fēng)電總裝機(jī)規(guī)模將達(dá)到100 GW和160 GW。其中，大型海上風(fēng)電基地主要分布在江蘇、浙江、福建、廣東、山東、遼寧和廣西沿海等地區(qū)?！笆奈濉币?guī)劃期間，上述各省陸續(xù)出臺(tái)支持政策(表2)，預(yù)計(jì)將新增4 000～5 000萬(wàn)kW海上風(fēng)電裝機(jī)容量。

表2 沿海主要省份“十四五”海上風(fēng)電相關(guān)規(guī)劃Table 2 Plan of offshore wind power in major coastal provinces during the 14th Five-Year Plan

1.2 “雙碳”背景下我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

“雙碳”戰(zhàn)略為海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)建設(shè)提出了更高要求，可將其進(jìn)程分為規(guī)劃建設(shè)期、運(yùn)行維護(hù)期和退役棄置期，其關(guān)鍵技術(shù)包括深水基礎(chǔ)工程、電力匯集組網(wǎng)與傳輸以及風(fēng)機(jī)退役決策等。規(guī)劃建設(shè)期的主要工作流程涉及風(fēng)場(chǎng)技術(shù)、電網(wǎng)連接方式、開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略、項(xiàng)目結(jié)構(gòu)等規(guī)劃；獲得批復(fù)后，開(kāi)始項(xiàng)目審批、組織競(jìng)配，明確詳細(xì)的工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)采購(gòu)廠商，開(kāi)始安裝調(diào)試；在運(yùn)維維護(hù)期，除了定期服務(wù)、維護(hù)檢修和環(huán)境監(jiān)測(cè)外，還需進(jìn)行必要的升級(jí)改造，而達(dá)到計(jì)劃使用年限后即進(jìn)入退役棄置期。

(1)深水基礎(chǔ)工程

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所處的自然環(huán)境十分復(fù)雜，常年受到海洋災(zāi)害的影響，在服役期間承受較大的水平荷載和傾覆彎矩，保障其下部基礎(chǔ)的安全穩(wěn)定至關(guān)重要。因此，基礎(chǔ)造價(jià)占海上風(fēng)電工程總造價(jià)的比重要遠(yuǎn)高于陸上風(fēng)電，合理地選擇基礎(chǔ)形式對(duì)結(jié)構(gòu)安全和工程造價(jià)具有重要影響[11]。常見(jiàn)基礎(chǔ)形式包括單樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)和浮式基礎(chǔ)，如圖2所示。其中，單樁基礎(chǔ)適用于水深小于50 m的海域，是目前海上風(fēng)電中最常見(jiàn)、最經(jīng)濟(jì)的型式，約80%的海上風(fēng)機(jī)采用該類基礎(chǔ)[12]。導(dǎo)管架基礎(chǔ)相較于單樁基礎(chǔ)工藝更復(fù)雜，但在深水海域中建造成本優(yōu)于單樁，適用于水深40～100 m的海域。漂浮式基礎(chǔ)被認(rèn)為是未來(lái)深遠(yuǎn)海風(fēng)電開(kāi)發(fā)的主要型式，包括立柱式基礎(chǔ)、張力腿式平臺(tái)和半潛式基礎(chǔ)。立柱式基礎(chǔ)因立柱較長(zhǎng)，在海上進(jìn)行安裝難度較大；張力腿平臺(tái)穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)自重輕，但系泊系統(tǒng)的安裝工藝復(fù)雜、安裝費(fèi)用高；半潛式基礎(chǔ)適用于更深水域，安裝難度相對(duì)較小，具有較大前景[13]。

圖2 常見(jiàn)的海上風(fēng)電基礎(chǔ)形式及適用水深Fig.2 Foundations and applicable depth of common offshore wind power

(2)風(fēng)電并網(wǎng)傳輸技術(shù)

隨著大規(guī)模海上風(fēng)電場(chǎng)的投產(chǎn)運(yùn)行，電網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)海上風(fēng)電并網(wǎng)傳輸技術(shù)提出了更高的要求。與陸上風(fēng)電機(jī)組不同，海上風(fēng)電機(jī)組在進(jìn)行高壓交流輸電時(shí)需要滿足更多條件，目前主要有3種方式：高壓交流、相控高壓直流和電壓源型高壓直流。我國(guó)已有的海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)項(xiàng)目多數(shù)集中于50 km左右的海域，主要采用高壓交流輸電方式。在輸出功率相等、可靠性相當(dāng)?shù)那闆r下，直流輸電線路成本將明顯低于交流輸電線路。隨著海上風(fēng)電朝著規(guī)?；?、深遠(yuǎn)海化、大容量化的方向發(fā)展，未來(lái)深遠(yuǎn)海風(fēng)電領(lǐng)域?qū)?huì)更多采用這一傳輸并網(wǎng)方式，由原先的單場(chǎng)并網(wǎng)技術(shù)逐漸發(fā)展成大規(guī)模集群送出技術(shù)[14]，需要提前進(jìn)行技術(shù)攻堅(jiān)和儲(chǔ)備。

(3)海上風(fēng)電退役決策

海上風(fēng)電場(chǎng)退役處置在規(guī)劃設(shè)計(jì)過(guò)程中備受關(guān)注，需要從成本和環(huán)境的角度共同考慮。常見(jiàn)的退役處理策略包括：全面拆除(包括所有風(fēng)場(chǎng)基座葉片以及海上電纜)、更新原有機(jī)型容量的海上風(fēng)電機(jī)組、以及維修保護(hù)延長(zhǎng)使用年限。從成本角度來(lái)看，全面拆除工程量最大、耗時(shí)最長(zhǎng)、花費(fèi)最高，而更新原有機(jī)型中產(chǎn)生的基座搭建、海纜更換也會(huì)提升建設(shè)成本。因此，歐洲許多風(fēng)電項(xiàng)目選擇將設(shè)備遺棄在原建設(shè)區(qū)中，不利于環(huán)境保護(hù)。從多方面考慮，對(duì)已到期的項(xiàng)目進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)是更合理的手段，例如在已退役海上風(fēng)電場(chǎng)搭建海洋牧場(chǎng)，能充分利用現(xiàn)有資源，降低全生命周期成本。

1.3 我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

(1)選址向深遠(yuǎn)?；?/p>

目前，近海海域風(fēng)電建設(shè)規(guī)劃區(qū)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)、交通航道等區(qū)域的沖突加劇，海上風(fēng)電離岸化、向深遠(yuǎn)海發(fā)展成為未來(lái)較明顯的發(fā)展趨勢(shì)。以歐洲的經(jīng)驗(yàn)(截至2020年)，在建海上風(fēng)電項(xiàng)目平均離岸距離44 km，平均水深36 m ，部分項(xiàng)目離岸已超100 km[12]。我國(guó)三峽新能源江蘇大豐H8-2# 300 MW海上風(fēng)電首批機(jī)組于2021年并網(wǎng)發(fā)電，場(chǎng)址中心離岸距離72 km，水深7.5～20.9 m。朝深海發(fā)展后，海上風(fēng)電項(xiàng)目將呈現(xiàn)基地化、規(guī)?；?、集群化的特點(diǎn)。

(2)機(jī)組容量大型化

海上風(fēng)機(jī)大型化不僅能夠攤薄風(fēng)機(jī)制造、建設(shè)、安裝成本，且在運(yùn)營(yíng)維護(hù)過(guò)程中可以減少故障點(diǎn)、降低費(fèi)用。歐洲地區(qū)海上風(fēng)電發(fā)展歷史悠久，現(xiàn)均已投入使用大容量的風(fēng)機(jī)裝置。我國(guó)現(xiàn)有海上風(fēng)電的單機(jī)容量較小(主要以4 MW風(fēng)機(jī)為主)，但2019年起的海上風(fēng)電中標(biāo)項(xiàng)目中，5 MW、6 MW的風(fēng)機(jī)已逐步成為主力，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的10 MW風(fēng)電機(jī)組也已正式投用[15]。

(3)海洋資源一體化

海洋牧場(chǎng)、“Power to X”、能源島被視作未來(lái)海上風(fēng)電的三種創(chuàng)新融合新模式，為產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展提供可能性[16]。海上風(fēng)電與海洋牧場(chǎng)的協(xié)同開(kāi)發(fā)在充分發(fā)揮空間資源價(jià)值的同時(shí)，可以解決水下部分無(wú)法得到有效利用的困局?！稄V東省海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展“十四五”規(guī)劃》提出支撐海洋資源綜合開(kāi)發(fā)利用，推動(dòng)海上風(fēng)電項(xiàng)目開(kāi)發(fā)與海洋牧場(chǎng)、海上制氫等的結(jié)合；《浙江省可再生能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃》中提出將“探索海上風(fēng)電基地發(fā)展新模式”，集約化打造協(xié)同開(kāi)發(fā)的示范項(xiàng)目。

2 我國(guó)海洋牧場(chǎng)開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀與發(fā)展瓶頸

2.1 海洋牧場(chǎng)的建設(shè)與空間布局

海洋牧場(chǎng)的開(kāi)發(fā)建設(shè)對(duì)于拓展海洋漁業(yè)發(fā)展空間、促進(jìn)海洋漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展有重要現(xiàn)實(shí)意義。2006年，國(guó)務(wù)院發(fā)布了《中國(guó)水生生物資源養(yǎng)護(hù)行動(dòng)綱要》?！秶?guó)家級(jí)海洋牧場(chǎng)示范區(qū)建設(shè)規(guī)劃(2017—2025年)》顯示，截至2016年，全國(guó)已投入海洋牧場(chǎng)建設(shè)資金55.8億元。2021年，我國(guó)首個(gè)海洋牧場(chǎng)建設(shè)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《海洋牧場(chǎng)建設(shè)技術(shù)指南》正式發(fā)布。從總體上看，我國(guó)海洋牧場(chǎng)已實(shí)現(xiàn)規(guī)模化產(chǎn)出，已建成國(guó)家級(jí)海洋牧場(chǎng)示范區(qū)153個(gè)，主要分布在遼寧、河北、山東、浙江、廣西、廣東等(圖3)，從北到南建設(shè)了一系列以投放人工魚(yú)礁、苗種，增殖放流，海珍品底播等為主的海洋牧場(chǎng)。

圖3 我國(guó)沿海省份國(guó)家級(jí)海洋牧場(chǎng)示范區(qū)分布情況Fig.3 Distribution of national marine ranching demonstration areas in coastal provinces of China

2.2 國(guó)內(nèi)海洋牧場(chǎng)建設(shè)現(xiàn)狀特征

我國(guó)北方以山東省、遼寧省為代表，依托渤海豐富的魚(yú)類和海珍品資源，建立以“人工魚(yú)礁+藻礁+貝藻”模式為主的經(jīng)營(yíng)性海洋牧場(chǎng)，產(chǎn)出品多為海參、海膽、梭子蟹等。由于企業(yè)資本入駐，北方海洋牧場(chǎng)建設(shè)以企業(yè)投資為主導(dǎo)，在建設(shè)數(shù)量以及建設(shè)規(guī)模方面取得了較大發(fā)展。南方地區(qū)以政府投資管理模式為主，以浙江省、福建省、廣東省為代表，建立了以“人工魚(yú)礁+海藻床+近海島礁魚(yú)種”模式為主的公益性海洋牧場(chǎng)，旨在修復(fù)近海海洋生態(tài)環(huán)境。

山東省灘涂面積遼闊，漁業(yè)資源豐富，近海棲息和洄游的魚(yú)蝦種類達(dá)260余種，擁有國(guó)家級(jí)海洋牧場(chǎng)44處(占全國(guó)40%)。建設(shè)理念上，山東省致力構(gòu)建以“增殖放流+人工魚(yú)礁+藻場(chǎng)移植+智能網(wǎng)箱”為主的海洋牧場(chǎng)建設(shè)模式，通過(guò)采用立體養(yǎng)殖、投放生態(tài)型人工魚(yú)礁、修復(fù)海草場(chǎng)等手段，建立綠色海洋生態(tài)資源環(huán)境。浙江省島嶼數(shù)量眾多，氣候條件溫和，海域遼闊，養(yǎng)料豐富。浙江漁場(chǎng)由舟山、魚(yú)山、溫臺(tái)等6個(gè)漁場(chǎng)構(gòu)成，總面積約22.27萬(wàn)km2，是東海漁場(chǎng)的重要組成部分[17]。但受到迅速發(fā)展的臨海產(chǎn)業(yè)影響，部分近海地區(qū)的海水養(yǎng)殖面積短缺。2018年浙江省出臺(tái)《浙江省海岸線整治修復(fù)三年行動(dòng)方案》，將海洋牧場(chǎng)建設(shè)的重點(diǎn)放在有效改善生態(tài)環(huán)境上，同時(shí)逐步提升漁業(yè)資源的產(chǎn)量。

2.3 海洋牧場(chǎng)的效益分析

(1)生態(tài)效益

海洋牧場(chǎng)屬于人造生態(tài)系統(tǒng)，通過(guò)投放人工漁礁、種植人工藻礁等建立適合海洋生物生長(zhǎng)繁殖的環(huán)境，吸引外部生物與放養(yǎng)生物形成人工漁場(chǎng)，在水生生物棲息地和環(huán)境修復(fù)、漁業(yè)種群資源增殖、海域生態(tài)系統(tǒng)功能提升、生物多樣性維系等方面具有綜合效益，主要體現(xiàn)在以下3方面。

形成安全庇護(hù)場(chǎng)所：人工魚(yú)礁區(qū)為大型藻類、附著生物等提供基質(zhì)，礁區(qū)內(nèi)形成多樣性流場(chǎng)和流態(tài)，為水生生物提供棲息、繁衍、生長(zhǎng)等所需空間。

改善海洋環(huán)境：漁礁周邊及內(nèi)部形成擾流和上升流，加速水層間交換，且藻類移植及海草床建設(shè)可以凈化水質(zhì)、改善底質(zhì)、減緩溫室效應(yīng)、防止赤潮。

保護(hù)生物多樣性：改善海洋生物群落種類和群落結(jié)構(gòu)，優(yōu)化海域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，促進(jìn)海洋漁業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。

(2)經(jīng)濟(jì)效益

產(chǎn)出品中的魚(yú)、蝦、蟹、參和貝等海珍品市場(chǎng)認(rèn)可度高，可提高當(dāng)?shù)貪O業(yè)產(chǎn)業(yè)收入。以天津大神堂海洋牧場(chǎng)為例[18]，在實(shí)地入戶走訪的14戶中有11戶的年收入平均增加10 000元以上。在人工魚(yú)礁區(qū)，刺網(wǎng)漁船每年經(jīng)濟(jì)效益達(dá)5萬(wàn)元/船～10萬(wàn)元/船，釣業(yè)漁船經(jīng)濟(jì)效益達(dá)1萬(wàn)元/船～3萬(wàn)元/船。海洋牧場(chǎng)的建設(shè)將帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)上下游協(xié)同發(fā)展，包括從漁礁設(shè)計(jì)制造、海洋生物的育種、海洋牧場(chǎng)設(shè)施配套，到冷鏈物流運(yùn)輸、海產(chǎn)品加工等產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)。此外，海洋牧場(chǎng)還可增加當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)收入，有效帶動(dòng)沿岸地區(qū)交通運(yùn)輸、休閑垂釣、餐飲旅游等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出新貢獻(xiàn)。

(3)社會(huì)效益

作為一種創(chuàng)新業(yè)態(tài)，海洋牧場(chǎng)的建設(shè)對(duì)沿海省份漁業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到穩(wěn)定的作用，為捕撈漁民提供轉(zhuǎn)產(chǎn)轉(zhuǎn)業(yè)的出路，保障漁區(qū)社會(huì)和諧穩(wěn)定。海洋牧場(chǎng)作為增殖放流、改善水質(zhì)環(huán)境的平臺(tái)，能夠提升社會(huì)對(duì)于海洋生態(tài)環(huán)境與人類活動(dòng)關(guān)系的思考，提倡人與自然和諧共處，打造海洋上的“綠水青山、金山銀山”，合理利用海洋資源，保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境。

2.4 海洋牧場(chǎng)的發(fā)展瓶頸

現(xiàn)代化海洋牧場(chǎng)建設(shè)既要求漁業(yè)產(chǎn)量的提升，還需要特別注重牧場(chǎng)運(yùn)營(yíng)效率。盡管在近年來(lái)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中綜合利用了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和管理方法[19]，海洋牧場(chǎng)的生產(chǎn)實(shí)踐仍存在諸多發(fā)展瓶頸。在生態(tài)養(yǎng)殖模式的構(gòu)建中，現(xiàn)代海洋牧場(chǎng)相較于傳統(tǒng)牧場(chǎng)需要布放大量潛標(biāo)以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)海水參數(shù)變化，隨著其朝規(guī)?；?、深遠(yuǎn)?；较虻陌l(fā)展，不少牧場(chǎng)出現(xiàn)供電不足的情況，導(dǎo)致大型現(xiàn)代化牧場(chǎng)增養(yǎng)殖設(shè)備、資源環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)施等難以維持穩(wěn)定。此外，在我國(guó)沿海諸多省份中，現(xiàn)代化海洋牧場(chǎng)平臺(tái)已不再滿足于其單獨(dú)的養(yǎng)殖功能，各省在注重第一產(chǎn)業(yè)傳統(tǒng)養(yǎng)殖牧場(chǎng)發(fā)展的同時(shí)，也在積極布局第三產(chǎn)業(yè)休閑漁業(yè)和綜合型牧場(chǎng)的建設(shè)。迫切的產(chǎn)業(yè)鏈提升需求對(duì)現(xiàn)代化海洋牧場(chǎng)的建設(shè)模式提出了高標(biāo)準(zhǔn)和新要求。

3 海上風(fēng)電與海洋牧場(chǎng)的協(xié)同開(kāi)發(fā)

面對(duì)未來(lái)平價(jià)發(fā)電、集約用海的需求，在“雙碳”和“海洋強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略背景下，海上風(fēng)電與海洋牧場(chǎng)協(xié)同開(kāi)發(fā)的構(gòu)想應(yīng)運(yùn)而生。如何在有限的資源下實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)、降本增效，形成海上能源水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的跨界合作與多元化模式將成為未來(lái)關(guān)注的重要議題。

3.1 協(xié)同開(kāi)發(fā)的必要性

海洋資源是我國(guó)沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要載體和戰(zhàn)略空間，海洋經(jīng)濟(jì)建設(shè)必須從集約用海入手，尋求開(kāi)發(fā)與保護(hù)的協(xié)調(diào)和平衡，促進(jìn)海岸資源可持續(xù)利用的新理念。從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，海上風(fēng)電與海洋牧場(chǎng)在適宜海域?qū)嵭屑羞B片、適度規(guī)模的開(kāi)發(fā)利用，有助于提升海域利用效率，打造以海上風(fēng)電為核心的多元化海洋經(jīng)濟(jì)生態(tài)圈，為風(fēng)電深遠(yuǎn)海發(fā)展產(chǎn)生的高昂運(yùn)維成本和復(fù)雜運(yùn)營(yíng)管理提供解決思路。

(1)水上和水下空間的融合

傳統(tǒng)風(fēng)電場(chǎng)在選址時(shí)主要遵循4個(gè)準(zhǔn)則：風(fēng)能資源、自然環(huán)境、交通環(huán)境和風(fēng)機(jī)條件[20]。在傳統(tǒng)觀念中，海上風(fēng)電場(chǎng)的選址需要避開(kāi)敏感海域，特別是遠(yuǎn)離海洋自然保護(hù)區(qū)、重要漁業(yè)水域，減少對(duì)航運(yùn)與漁業(yè)捕撈的影響。但從開(kāi)發(fā)利用的角度，?？?、海面到海底均可作為實(shí)踐對(duì)象，不同層次對(duì)應(yīng)不同的自然地理與生態(tài)環(huán)境條件，可形成水上和水下、海面和海底的綜合利用格局。海上風(fēng)電場(chǎng)可為大型底棲生物提供平靜清潔的水域環(huán)境和硬底質(zhì)棲息場(chǎng)所，提高附近物種數(shù)和豐度[21]。此外，休閑觀光型海洋牧場(chǎng)被視作空間融合的另一方向，形成推動(dòng)沿海省份發(fā)展的海洋經(jīng)濟(jì)綜合圈。

(2)風(fēng)電降本與牧場(chǎng)增效的融合

以年均發(fā)電3 500 h為例，初始投資成本宜控制在14 000元/kW以下。2018～2021年，我國(guó)近海海上風(fēng)電場(chǎng)單位千瓦造價(jià)約為14 000～19 000元/kW，海上風(fēng)電機(jī)組及塔筒成本占比超過(guò)一半[22]。其中風(fēng)電機(jī)組、風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)及施工、電纜、塔筒分別可約占47%、19%、8%、4%。隨著海上風(fēng)電向深遠(yuǎn)海海域發(fā)展，運(yùn)維成本占比將持續(xù)上升，需要兼顧經(jīng)濟(jì)性和安全性，可考慮從4個(gè)方面著手：提高風(fēng)電機(jī)組的可靠性、建立智慧運(yùn)維體系、提高運(yùn)維方式效率與運(yùn)維人員專業(yè)性，以及海上功能集群化開(kāi)發(fā)。其中，海上功能集群化開(kāi)發(fā)的思路另辟蹊徑，體現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)融合、學(xué)科交叉的理念。融合適宜的產(chǎn)業(yè)鏈有利于海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的深度發(fā)展，通過(guò)充分利用水上和水下、海面和海底空間開(kāi)展海洋牧場(chǎng)養(yǎng)殖而獲取的利潤(rùn)收入可持續(xù)性覆蓋風(fēng)電項(xiàng)目的建設(shè)和運(yùn)維成本，促進(jìn)風(fēng)電電力的高效產(chǎn)出、利用和消納，有效降低重復(fù)的出海運(yùn)維成本，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)海上資源價(jià)值最大化。此外，實(shí)現(xiàn)協(xié)同開(kāi)發(fā)模式下的大規(guī)模建設(shè)，還可以改善風(fēng)電場(chǎng)的生態(tài)環(huán)境，修復(fù)海上風(fēng)電建設(shè)對(duì)于海洋生態(tài)的破壞。已有研究表明，如果將海上風(fēng)電運(yùn)營(yíng)部門(mén)和海洋牧場(chǎng)養(yǎng)殖部門(mén)適當(dāng)合并，聯(lián)合經(jīng)營(yíng)的協(xié)同開(kāi)發(fā)模式能縮短運(yùn)營(yíng)維修技術(shù)人員及配件的運(yùn)輸時(shí)間，降低運(yùn)維成本[23]。

(3)風(fēng)電與牧場(chǎng)功能的融合

風(fēng)電漁場(chǎng)綜合平臺(tái)的研究目前處于初步階段。Zheng[24]提出了將浮式海上風(fēng)力渦輪機(jī)與魚(yú)養(yǎng)殖鋼性籠結(jié)合的概念。班淇超等[25]分析了風(fēng)電與牧場(chǎng)漁業(yè)在空間上的協(xié)同性。也有研究以虛擬海上風(fēng)蚌養(yǎng)殖場(chǎng)為例，描述了組合式海上多用途平臺(tái)[23]?，F(xiàn)代海洋牧場(chǎng)的發(fā)展方向面向信息化和智能化，為了提高生產(chǎn)效率，海洋牧場(chǎng)建設(shè)需引入現(xiàn)代化養(yǎng)殖設(shè)備、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。在海洋牧場(chǎng)建設(shè)區(qū)域引入海上風(fēng)電機(jī)組能保障海上電力的持續(xù)供應(yīng)，提供電力解決方案，實(shí)現(xiàn)協(xié)同區(qū)域自給自足，使海洋牧場(chǎng)向遠(yuǎn)洋發(fā)展成為可能。

3.2 現(xiàn)階段協(xié)同開(kāi)發(fā)面臨的技術(shù)難點(diǎn)與系統(tǒng)挑戰(zhàn)

海上風(fēng)電和海洋牧場(chǎng)有各自獨(dú)立的選址評(píng)價(jià)體系。海上風(fēng)電對(duì)海域地理?xiàng)l件有極高的要求，在海洋規(guī)劃、海域管理、氣象條件以及環(huán)境保護(hù)等方面需協(xié)調(diào)各部門(mén)[26]；而海洋牧場(chǎng)的選址屬于空間管理范疇，不僅需要考慮生態(tài)學(xué)、海洋學(xué)、水文學(xué)、海洋動(dòng)力學(xué)特征，還要考慮對(duì)投資者及漁民等相關(guān)利益方的社會(huì)影響[27]。我國(guó)南北方存在著巨大差異，二者協(xié)同開(kāi)發(fā)時(shí)需綜合考慮風(fēng)電的選址與海珍品種類，在能源、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、社會(huì)目標(biāo)之間取得平衡，實(shí)現(xiàn)兼顧發(fā)展。就目前而言，協(xié)同開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的選址宜以風(fēng)電機(jī)組為主、海洋牧場(chǎng)為輔，充分發(fā)揮二者在海域使用上的共通性。此外，協(xié)同開(kāi)發(fā)中還面臨諸多其他技術(shù)難點(diǎn)，包括但不限于：海珍品種類的甄選(包含增殖性風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)和海珍品養(yǎng)殖系統(tǒng)的配套設(shè)施搭建)，以及增殖式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)對(duì)于大型底棲動(dòng)物、魚(yú)類、貝殼類等經(jīng)濟(jì)生物生存環(huán)境和生理行為的影響評(píng)估。Buck和Krause[28]提出了水產(chǎn)養(yǎng)殖和可再生能源系統(tǒng)的整合；Karampour[29]等人提出開(kāi)發(fā)新型多用途海上平臺(tái)，充分利用同一地點(diǎn)、同一基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)垂直一體化和共享服務(wù)；鐘豪[30]針對(duì)風(fēng)電漁場(chǎng)綜合平臺(tái)開(kāi)展了相關(guān)的水動(dòng)力性能研究。

盡管山東、江蘇、浙江等省份已就二者協(xié)同發(fā)展進(jìn)行了初步探索，國(guó)家海洋局在《關(guān)于進(jìn)一步規(guī)范海上風(fēng)電用海管理的意見(jiàn)》中明確，目前尚不具備從國(guó)家層面出臺(tái)相關(guān)政策的基礎(chǔ)條件，需加緊建立協(xié)同開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的評(píng)價(jià)體系，評(píng)估協(xié)同開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的技術(shù)可行性、對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的潛在影響、項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)可行性、風(fēng)電與養(yǎng)殖規(guī)模的融合建議，以及不同部門(mén)協(xié)調(diào)、企業(yè)利益關(guān)聯(lián)等。Karampour[29]等人研究了海洋牧場(chǎng)生命周期的不同階段，認(rèn)為規(guī)劃和開(kāi)發(fā)早期需要整體地、多學(xué)科地評(píng)估“藍(lán)色增長(zhǎng)”企業(yè)的可行性，識(shí)別和減輕風(fēng)險(xiǎn)，并在不同利益相關(guān)者之間實(shí)現(xiàn)漸進(jìn)式發(fā)展。

3.3 協(xié)同開(kāi)發(fā)模式在實(shí)踐中的初步嘗試

目前，以德國(guó)、荷蘭等為代表的歐洲國(guó)家開(kāi)展了協(xié)同開(kāi)發(fā)的試點(diǎn)研究，將魚(yú)類養(yǎng)殖網(wǎng)箱、貝藻養(yǎng)殖筏架固定于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，為評(píng)估二者的協(xié)同發(fā)展?jié)摿μ峁┝私?jīng)驗(yàn)[24]。德國(guó)啟動(dòng)了“海水養(yǎng)殖-風(fēng)電場(chǎng)多用途先驅(qū)項(xiàng)目”[31]，在北海不同海域進(jìn)行了貽貝和牡蠣與海上風(fēng)電協(xié)同開(kāi)發(fā)試驗(yàn)，涉及養(yǎng)殖品類、生態(tài)、技術(shù)、法規(guī)、市場(chǎng)等方面，包含多個(gè)子項(xiàng)目：(1)Feasibility Study，旨在探索協(xié)同開(kāi)發(fā)的多用途潛力，提出了4種概念方案(延繩結(jié)構(gòu)、環(huán)形結(jié)構(gòu)、可旋轉(zhuǎn)養(yǎng)殖網(wǎng)箱和半潛式網(wǎng)箱)，詳見(jiàn)圖4；(2)Open Ocean Aquaculture，分析風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)區(qū)域內(nèi)海上貽貝和海藻養(yǎng)殖的可行性；(3)Roster Sand，測(cè)試不同材料和功能的系泊延繩系統(tǒng)在開(kāi)放水域的適用性，提出3種連接方案；(4)Open Ocean Multi-Use，以Veja Mate風(fēng)電場(chǎng)三樁型基礎(chǔ)為對(duì)象，研究半潛式養(yǎng)殖網(wǎng)箱與風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)合的可行性。

圖4 Feasibility Study項(xiàng)目提出的概念方案示意圖[30]Fig.4 Schematic diagram of the conceptual scheme proposed by the Feasibility Study project[30]

在歐盟第七框架計(jì)劃中成員國(guó)發(fā)起“The Ocean of Tomorrow”號(hào)召，其中一個(gè)主題是“多用途海上平臺(tái)”，包含H2OCEAN、MERMAID和TROPOS[32]。TROPOS即“多用途模塊化深水離岸平臺(tái)”，旨在開(kāi)發(fā)用于深水的浮動(dòng)多用途模塊化平臺(tái)系統(tǒng)，并針對(duì)性地將風(fēng)機(jī)浮式基礎(chǔ)和魚(yú)類藻類養(yǎng)殖相結(jié)合(圖5)。韓國(guó)是最早開(kāi)展風(fēng)-漁結(jié)合研究的亞洲國(guó)家，2013年針對(duì)西南海上風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)提出二者結(jié)合的構(gòu)想，是第一個(gè)大規(guī)模與海藻、蚌類養(yǎng)殖相融合的風(fēng)電項(xiàng)目。國(guó)內(nèi)方面，莫爵亭[33]等對(duì)廣東陽(yáng)江“海上風(fēng)電+海洋牧場(chǎng)”發(fā)展模式的可行性進(jìn)行了初步探討，綜合評(píng)估發(fā)現(xiàn)該區(qū)域具有較高的漁業(yè)資源潛力，具備協(xié)同開(kāi)發(fā)的可行性。Zhang[34]等討論了海上風(fēng)電場(chǎng)對(duì)養(yǎng)殖魚(yú)類的噪聲影響，證實(shí)了兩種工程相結(jié)合的生物合理性。我國(guó)的昌邑海洋牧場(chǎng)與三峽300 MW海上風(fēng)電融合試驗(yàn)示范項(xiàng)目于2019年開(kāi)始建設(shè)，位于山東省濰坊昌邑市境內(nèi)北部萊州灣海域，預(yù)計(jì)2024年6月完工。2020年6月，明陽(yáng)陽(yáng)江沙扒300 WM科研示范項(xiàng)目海上風(fēng)電場(chǎng)也正式投入建設(shè)，包含周長(zhǎng)為80 m的網(wǎng)箱，是項(xiàng)目中首個(gè)抗臺(tái)風(fēng)型實(shí)驗(yàn)養(yǎng)殖網(wǎng)箱。

圖5 TROPOS項(xiàng)目[31]Fig.5 TROPOS Project[31]

4 總 結(jié)

海洋經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)的開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)的開(kāi)發(fā)潛力巨大，目前已經(jīng)步入平穩(wěn)快速增長(zhǎng)期，并且朝著深遠(yuǎn)海、大規(guī)模化方向發(fā)展。海洋牧場(chǎng)作為我國(guó)修復(fù)海洋生態(tài)環(huán)境、提高海洋經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的一種重要手段，也在積極布局建設(shè)。本文針對(duì)現(xiàn)階段我國(guó)單體海上風(fēng)電與海洋牧場(chǎng)的開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀和發(fā)展瓶頸進(jìn)行分析，提出協(xié)同開(kāi)發(fā)的必要性和可行性，吸納國(guó)內(nèi)外目前已有協(xié)同開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的案例經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)國(guó)內(nèi)外海上風(fēng)電建設(shè)、海水養(yǎng)殖及二者聯(lián)合開(kāi)發(fā)的案例，為保障融合項(xiàng)目的可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)針對(duì)工程的評(píng)價(jià)體系、設(shè)備設(shè)施開(kāi)發(fā)、政策扶持進(jìn)行綜合考量。