波浪能，你聽說過嗎？
什么是波浪能？
波浪的能量來源于海表上空的風能，波浪能的傳遞速率取決于風速的大小，同時還取決于風和海水的作用距離（李允武，2008）。
海表面波浪的水團從原先位置移動到其他位置時，受萬有引力的作用產生勢能。此外，水質點是運動的，即存在動能。波浪所具有的能量是勢能和動能之和。波浪能的大小與波周期、波高的平方以及波面寬度成正比。
作為新興海洋綠色能源，波浪能能夠用于海水淡化、抽水、供熱等。但是利用波浪能實現以上目的的大規模商業化技術仍不成熟，因此，從現實應用層面來說，波浪能發電是波浪能利用的最主要方式，波浪能發電技術是波浪能技術的核心。
波浪能發電技術的基本原理是利用物體在波浪作用下的升沉和搖擺運動，將波浪能轉換為機械能，繼而帶動發電機發電。在此過程中將海水波動中產生的動能與勢能轉變為可直接利用的穩定電能。
當前，世界上已經投入生產運營的商業化波浪能發電站以及仍處于實驗室或者真實海域試驗階段的波浪能發電試點所使用的波浪能發電系統都擁有相近的制式結構。現行的波浪能發電系統一般可分為2 個部分，即受波與轉換裝置和發電裝置。顧名思義，受波與轉換裝置是利用各種類型的裝置中形態各異的受波體盡可能充分地吸收目標海域的波浪能，將海洋波浪的勢能與動能變換為機械能的一級轉換階段。這是波浪能發電技術中能量轉換的第一步，也是至關重要的一個步驟。由于海洋環境的特殊性和受波體的物理局限性，一級轉換往往無法高效率地收集并轉換波浪能。所以，在波浪能發電系統設計中，前人通常在受波體之后精心設置專司能量轉換的二級轉換部件。二級轉換裝置優化一級轉換，使受波體更為充分地收集波浪能，并能夠將吸收來的波浪能源高效地轉換為所需某種形式的穩定充足的機械能。因為受波體與轉換裝置相輔相成的緊密聯系，研究者們通常將二者合稱為波浪能能量轉換裝置。波浪能能量轉換裝置是波浪能發電系統的重中之重，也是琳瑯滿目的波浪能發電設施的最根本區別與最主要創新點。
波浪能的開發對環境的影響
盡管波浪能的開發與利用不會產生大氣污染，諸如二氧化碳、氮氧化物、二氧化硫等氣體，但是其對沿岸的環境還是會帶來一定的潛在影響（梁雋怡，2015）。在下面，主要從波浪能對生物資源的影響、對海洋空間資源的影響、對海洋景觀資源的影響、對海洋水動力環境資源的影響這幾個方面來分析，以便給波浪能開發人員提供一些環保建議。
1.?對海洋生物資源的影響
海洋生物不僅指海水里的魚群，還包括海岸上的鳥類。對于海洋生物，首先需要考慮取能裝置在安裝時對其的影響（Barstow et al.，2008）。波浪能提取需要鋪設電纜線，需要將一些平臺的支柱打進海底，這些工程措施都會加大海水的渾濁度，引起泥沙的沉降，使得海水透光性下降，減緩光合作用的效率，海表浮游植物和浮游動物受到影響，出現不同程度的產量下降，從而影響當地的海產產量。但是這種影響會隨著建筑物和裝置工程的完成而減弱，即便如此，如果在建設初期充分研究了海域的海底泥沙情況以及海域的生物資源分布，可以減少這樣的不利影響。此外，海岸上的工廠建設也會對當地的林木業產生影響，這主要體現在建廠選址上。
裝置放入海中，會對部分魚類的棲息地產生一定程度的破壞，使得海洋生物的生長規律產生變化。而當裝置投入使用后，也會對海洋生物產生一定的影響。
回填電纜壕溝會使沉積物和原先基質變得不同，會長期改變或者破壞海底生物的棲息地（Méndez et al.，2008）。建筑物的材料和地基改變了自然的基質或原有的泥沙，使得最底層階級的無脊椎動物減少，這就破壞了生物鏈，在一定程度上對海洋生物多樣性繁殖產生了負面影響。此外，取能的平臺建設于海中會對海水的流速產生影響，以至于泥沙的輸送、沉積以及海水侵蝕建筑物所產生的銹蝕物都會破壞當地范圍內的生物結構和繁衍。當然，波中取能項目中的能源轉換項目也可能給水生棲息物種帶來好處，因為項目的建設可以限制當地的捕魚活動，相比于大量的捕撈活動，建設能源項目對海洋生物的破壞要小很多。
既然波浪能提取的項目對海洋生物物種有負面影響，那么在工程建設之前就有必要采取一些可以減緩這種負面影響的措施，以免帶來二次破壞。國外在這方面已經采取了諸多措施，此處在環境評估的基礎上列舉了幾條建議：（1）電纜等的鋪設盡可能避開敏感的基質，如活珊瑚、海草床、富源巖石棲息地；（2）電纜路由使用HDD/HDB 方法穿過較為敏感的棲息地；（3）在敏感區域使用動力定位以減少錨的需求量；（4）使用打樁的“軟啟動”，增強噪聲的水平方向傳播，使得底棲息生物遠離干擾；（5）設計錨系統以減小錨的尺寸大小、海底的封裝以及海底的電纜鏈數。
2.?對海洋空間資源的影響
波浪的取能工程，不管是離岸式還是漂浮式的波浪能轉置，都會造成海岸線資源的減少。各國的海岸線資源是有限的，因此波能開發建設之初，有必要依據海洋功能區的要求，做好可行性分析和資源評估，以便岸線資源的合理利用，獲得更大化的利用效益。
在空間資源評估中，噪聲對海洋的影響也是不可忽視的。海洋的生物在其生活的各個方面都需要依靠聲波，例如繁殖、喂養、捕食、躲避危險、導航與通信。因此海洋能源轉化裝置在水下安裝和操作的過程中產生的噪聲會干擾到海洋生物的生活，使得大部分生物會離開原來的棲息處。如果噪聲非常嚴重，還有可能損壞生物的聽力，甚至導致死亡。其中，最為常見的就是由于海洋建設工程中打樁產生的噪聲，損壞了近海港海豚的聽覺和導航系統，使得大量海豚誤入海灘，擱淺而亡。盡管預計在工程正常操作期間產生的噪聲很弱，但仍有可能破壞哺乳動物、海龜和遠海過來的魚類的行為。動物的行為和生理能力的改變都有可能導致覓食效率的降低，從而導致繁殖率的降低，增加死亡率。
工程建設和裝置運行所制造的噪聲會干擾到海鳥在離岸帶和潮間帶環境的生存。水鳥因為受到陸地上的施工和操作的影響，被迫離開原先的繁殖地。此外，部分海洋哺乳動物和鳥類會受到水下噪聲和燈光的吸引，而增加了它們被捕食的概率。
那么在建設波浪能提取工程之前，同樣要采取一些措施來減緩噪聲對海洋的影響，這里列舉了一系列用來降低噪聲的技術：（1）在設備內或周圍使用隔音設備；（2）在安裝過程中使用泡沫屏或其他隔音設備；（3）聲音減緩裝備（AMD）的操作可以降低噪聲對生物的影響；（4）項目的選址遠離敏感區；（5）限制項目的設備數量和規模；（6）限制敏感時期的噪聲活動。
3.?對海洋景觀資源的影響
海岸線的景觀是大自然給予人類最耀眼的瑰寶之一。波浪能提取裝置有的需要漂浮在海面上，有的則建設在岸邊，若廠區建設在海洋景觀帶上，就會破壞海洋景觀資源。盡管有的廠區選擇架空電線，但這仍會影響海岸線整體美觀。因此，從海洋景觀資源保護的角度，再一次強調了波浪能提取工程的選址問題。工程的選址一定要遵從海洋功能區的規劃，避開景觀美麗的海岸，選擇人類、動植物稀少的區域，同時還需考慮該海域的波浪能提取效果，海域環境對波浪的影響，遵循因地制宜的原則。
4.?對海洋水動力環境資源的影響
從已有的波能裝置來看，其對海洋水動力環境資源的影響還是很大的，例如發電裝置“巨鯨”在轉化波浪能后，造成了當地海域波面的變化，使得波面變得更加平滑，這在很大程度上減緩了表層海水的運動，雖然這種變化對港口的防護有益，但對海洋生物的生產造成了很大的影響。
若海水里安裝了大量的取能設備，會減小流速，增加水面高度。這些影響與安裝設備的數量、尺寸結構是密切相關的。轉子、襯托、錨、電纜等固定結構裝置都會阻礙水體運動，然而水速的減慢會影響海運交通、泥沙沉積以及生物生活。但是移動轉子和襯托會增強海洋的混合，有益于溫度和鹽度的梯度變化。
浮動的波浪能轉換裝置不但會改變波高等波結構，還會阻礙風能向海表輸入，減少了風浪之間的相互作用。諸多類似的變化不會直接對環境產生影響，例如船舶的航行、海灘上的娛樂活動以及波與波間相互作用的減少僅改變底部的侵蝕和泥沙運輸。
緩解水動力環境變化最簡單的措施是限制設備的數量（減小水質點速度的變化）和選擇遠離海洋保護區和海底棲息地敏感區。此外，發展適當規模的水生系統且選擇合適的環境可以減輕遠場效應。對于非再生結構（非金屬樁、電纜）造成水體速度的變化則可以通過簡化組件形狀、減小尺寸或總體表面積、埋電纜、改變設備間的距離等措施而減少。
本文由王芳摘編自董昌明著《海洋綠色能源》（北京：科學出版社，2016）一書，內容有刪節。
海洋約占地球表面積的2/3，蘊藏著大量可再生能源，又稱綠色能源。本書從物理海洋學基本理論出發，在海洋能源原理、開發技術、對環境的影響等幾個方面詳細介紹各種海洋綠色能源：波浪能、潮汐能、溫差能、鹽差能、近岸風能，同時還對中國近海海洋綠色能源的蘊藏量、開發現狀和前景進行介紹。海洋綠色能源的開發是中國可持續發展戰略的重要組成部分。本書將為中國海洋綠色能源開發提供參考，也為有志于海洋事業的學子們開啟發展新思路。???
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