波浪能，你听说过吗？
什么是波浪能？
波浪的能量来源于海表上空的风能，波浪能的传递速率取决于风速的大小，同时还取决于风和海水的作用距离（李允武，2008）。
海表面波浪的水团从原先位置移动到其他位置时，受万有引力的作用产生势能。此外，水质点是运动的，即存在动能。波浪所具有的能量是势能和动能之和。波浪能的大小与波周期、波高的平方以及波面宽度成正比。
作为新兴海洋绿色能源，波浪能能够用于海水淡化、抽水、供热等。但是利用波浪能实现以上目的的大规模商业化技术仍不成熟，因此，从现实应用层面来说，波浪能发电是波浪能利用的最主要方式，波浪能发电技术是波浪能技术的核心。
波浪能发电技术的基本原理是利用物体在波浪作用下的升沉和摇摆运动，将波浪能转换为机械能，继而带动发电机发电。在此过程中将海水波动中产生的动能与势能转变为可直接利用的稳定电能。
当前，世界上已经投入生产运营的商业化波浪能发电站以及仍处于实验室或者真实海域试验阶段的波浪能发电试点所使用的波浪能发电系统都拥有相近的制式结构。现行的波浪能发电系统一般可分为2 个部分，即受波与转换装置和发电装置。顾名思义，受波与转换装置是利用各种类型的装置中形态各异的受波体尽可能充分地吸收目标海域的波浪能，将海洋波浪的势能与动能变换为机械能的一级转换阶段。这是波浪能发电技术中能量转换的第一步，也是至关重要的一个步骤。由于海洋环境的特殊性和受波体的物理局限性，一级转换往往无法高效率地收集并转换波浪能。所以，在波浪能发电系统设计中，前人通常在受波体之后精心设置专司能量转换的二级转换部件。二级转换装置优化一级转换，使受波体更为充分地收集波浪能，并能够将吸收来的波浪能源高效地转换为所需某种形式的稳定充足的机械能。因为受波体与转换装置相辅相成的紧密联系，研究者们通常将二者合称为波浪能能量转换装置。波浪能能量转换装置是波浪能发电系统的重中之重，也是琳琅满目的波浪能发电设施的最根本区别与最主要创新点。
波浪能的开发对环境的影响
尽管波浪能的开发与利用不会产生大气污染，诸如二氧化碳、氮氧化物、二氧化硫等气体，但是其对沿岸的环境还是会带来一定的潜在影响（梁隽怡，2015）。在下面，主要从波浪能对生物资源的影响、对海洋空间资源的影响、对海洋景观资源的影响、对海洋水动力环境资源的影响这几个方面来分析，以便给波浪能开发人员提供一些环保建议。
1.对海洋生物资源的影响
海洋生物不仅指海水里的鱼群，还包括海岸上的鸟类。对于海洋生物，首先需要考虑取能装置在安装时对其的影响（Barstow et al.，2008）。波浪能提取需要铺设电缆线，需要将一些平台的支柱打进海底，这些工程措施都会加大海水的浑浊度，引起泥沙的沉降，使得海水透光性下降，减缓光合作用的效率，海表浮游植物和浮游动物受到影响，出现不同程度的产量下降，从而影响当地的海产产量。但是这种影响会随着建筑物和装置工程的完成而减弱，即便如此，如果在建设初期充分研究了海域的海底泥沙情况以及海域的生物资源分布，可以减少这样的不利影响。此外，海岸上的工厂建设也会对当地的林木业产生影响，这主要体现在建厂选址上。
装置放入海中，会对部分鱼类的栖息地产生一定程度的破坏，使得海洋生物的生长规律产生变化。而当装置投入使用后，也会对海洋生物产生一定的影响。
回填电缆壕沟会使沉积物和原先基质变得不同，会长期改变或者破坏海底生物的栖息地（Méndez et al.，2008）。建筑物的材料和地基改变了自然的基质或原有的泥沙，使得最底层阶级的无脊椎动物减少，这就破坏了生物链，在一定程度上对海洋生物多样性繁殖产生了负面影响。此外，取能的平台建设于海中会对海水的流速产生影响，以至于泥沙的输送、沉积以及海水侵蚀建筑物所产生的锈蚀物都会破坏当地范围内的生物结构和繁衍。当然，波中取能项目中的能源转换项目也可能给水生栖息物种带来好处，因为项目的建设可以限制当地的捕鱼活动，相比于大量的捕捞活动，建设能源项目对海洋生物的破坏要小很多。
既然波浪能提取的项目对海洋生物物种有负面影响，那么在工程建设之前就有必要采取一些可以减缓这种负面影响的措施，以免带来二次破坏。国外在这方面已经采取了诸多措施，此处在环境评估的基础上列举了几条建议：（1）电缆等的铺设尽可能避开敏感的基质，如活珊瑚、海草床、富源岩石栖息地；（2）电缆路由使用HDD/HDB 方法穿过较为敏感的栖息地；（3）在敏感区域使用动力定位以减少锚的需求量；（4）使用打桩的“软启动”，增强噪声的水平方向传播，使得底栖息生物远离干扰；（5）设计锚系统以减小锚的尺寸大小、海底的封装以及海底的电缆链数。
2.对海洋空间资源的影响
波浪的取能工程，不管是离岸式还是漂浮式的波浪能转置，都会造成海岸线资源的减少。各国的海岸线资源是有限的，因此波能开发建设之初，有必要依据海洋功能区的要求，做好可行性分析和资源评估，以便岸线资源的合理利用，获得更大化的利用效益。
在空间资源评估中，噪声对海洋的影响也是不可忽视的。海洋的生物在其生活的各个方面都需要依靠声波，例如繁殖、喂养、捕食、躲避危险、导航与通信。因此海洋能源转化装置在水下安装和操作的过程中产生的噪声会干扰到海洋生物的生活，使得大部分生物会离开原来的栖息处。如果噪声非常严重，还有可能损坏生物的听力，甚至导致死亡。其中，最为常见的就是由于海洋建设工程中打桩产生的噪声，损坏了近海港海豚的听觉和导航系统，使得大量海豚误入海滩，搁浅而亡。尽管预计在工程正常操作期间产生的噪声很弱，但仍有可能破坏哺乳动物、海龟和远海过来的鱼类的行为。动物的行为和生理能力的改变都有可能导致觅食效率的降低，从而导致繁殖率的降低，增加死亡率。
工程建设和装置运行所制造的噪声会干扰到海鸟在离岸带和潮间带环境的生存。水鸟因为受到陆地上的施工和操作的影响，被迫离开原先的繁殖地。此外，部分海洋哺乳动物和鸟类会受到水下噪声和灯光的吸引，而增加了它们被捕食的概率。
那么在建设波浪能提取工程之前，同样要采取一些措施来减缓噪声对海洋的影响，这里列举了一系列用来降低噪声的技术：（1）在设备内或周围使用隔音设备；（2）在安装过程中使用泡沫屏或其他隔音设备；（3）声音减缓装备（AMD）的操作可以降低噪声对生物的影响；（4）项目的选址远离敏感区；（5）限制项目的设备数量和规模；（6）限制敏感时期的噪声活动。
3.对海洋景观资源的影响
海岸线的景观是大自然给予人类最耀眼的瑰宝之一。波浪能提取装置有的需要漂浮在海面上，有的则建设在岸边，若厂区建设在海洋景观带上，就会破坏海洋景观资源。尽管有的厂区选择架空电线，但这仍会影响海岸线整体美观。因此，从海洋景观资源保护的角度，再一次强调了波浪能提取工程的选址问题。工程的选址一定要遵从海洋功能区的规划，避开景观美丽的海岸，选择人类、动植物稀少的区域，同时还需考虑该海域的波浪能提取效果，海域环境对波浪的影响，遵循因地制宜的原则。
4. 对海洋水动力环境资源的影响
从已有的波能装置来看，其对海洋水动力环境资源的影响还是很大的，例如发电装置“巨鲸”在转化波浪能后，造成了当地海域波面的变化，使得波面变得更加平滑，这在很大程度上减缓了表层海水的运动，虽然这种变化对港口的防护有益，但对海洋生物的生产造成了很大的影响。
若海水里安装了大量的取能设备，会减小流速，增加水面高度。这些影响与安装设备的数量、尺寸结构是密切相关的。转子、衬托、锚、电缆等固定结构装置都会阻碍水体运动，然而水速的减慢会影响海运交通、泥沙沉积以及生物生活。但是移动转子和衬托会增强海洋的混合，有益于温度和盐度的梯度变化。
浮动的波浪能转换装置不但会改变波高等波结构，还会阻碍风能向海表输入，减少了风浪之间的相互作用。诸多类似的变化不会直接对环境产生影响，例如船舶的航行、海滩上的娱乐活动以及波与波间相互作用的减少仅改变底部的侵蚀和泥沙运输。
缓解水动力环境变化最简单的措施是限制设备的数量（减小水质点速度的变化）和选择远离海洋保护区和海底栖息地敏感区。此外，发展适当规模的水生系统且选择合适的环境可以减轻远场效应。对于非再生结构（非金属桩、电缆）造成水体速度的变化则可以通过简化组件形状、减小尺寸或总体表面积、埋电缆、改变设备间的距离等措施而减少。
本文由王芳摘编自董昌明著《海洋绿色能源》（北京：科学出版社，2016）一书，内容有删节。
海洋约占地球表面积的2/3，蕴藏着大量可再生能源，又称绿色能源。本书从物理海洋学基本理论出发，在海洋能源原理、开发技术、对环境的影响等几个方面详细介绍各种海洋绿色能源：波浪能、潮汐能、温差能、盐差能、近岸风能，同时还对中国近海海洋绿色能源的蕴藏量、开发现状和前景进行介绍。海洋绿色能源的开发是中国可持续发展战略的重要组成部分。本书将为中国海洋绿色能源开发提供参考，也为有志于海洋事业的学子们开启发展新思路。
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