为了减少二氧化碳的排放和阻止全球变暖，自1997年工业化国家签署《京都议定书》以来，可再生能源的利用逐年增加^[1]。自1991年世界上第一座海上风电场在丹麦建成以来，海上风电产业发展迅速。截至2013 年底，全球海上风电新增装机容量达1721 MW，占全球风电新增总装机量的4.8%，为历年海上风电新增装机数量之最。2013 年，全球在建的海上风电场25 座，其中欧洲16座，占64%，其装机容量占总装机容量的95%^[2]。

我国海上风电起步较晚，东南沿海地区海上风能资源最为丰富，且毗邻用电需求大的经济发达地区，可以实现就近消化，降低输送成本，发展潜力巨大。自2007 年第一台海上风电机组建成以来，已建成并投入运营的海上风电项目包括上海东海大桥海上风电场、江苏盐城滨海潮间带风电场、龙源江苏如东海上风电场。据Navigant Research最新统计，2013年我国海上风电总容量达355.9 MW，已成为全球第四大海上风电市场^[2]。2014年公布的《全国海上风电开发建设方案(2014-2016) 》中涉及44个海上风电项目，预计2016年将有超过10 GW的装机容量^[3]。无论从当前治理雾霾的现实需求，还是从国家能源结构调整的长远需要来看，可以预见，海上风电场将会越来越多地出现在我国沿海海域。

然而自然科学的发展并不能跟上技术进步的脚步(如近岸风电场建设)，结果就导致我们不能充分了解人类活动对海洋生态系统造成的影响。海上风电场在其将近30年的生命周期中会不断地向海洋中释放噪声，可能会形成噪声污染，并对海洋生物的生理、行为造成影响^[4]，这就使得可再生能源的利用与海洋资源保护相冲突。欧盟在2008年提出了一份议案，要求其成员国对风电场水下噪声进行防护、监控及数据库录入^[5]，2010年国家能源局、海洋局联合制定《海上风电开发建设管理暂行办法实施细则》，要求新建项目施工前必须通过科学的环境评估，包括海上风电场在施工期和风电机运行期的噪声对海洋生物的影响评估^[6]。国外针对海上风电场噪声以及噪声对海洋生物的影响已经展开了相关研究^{[4, 7-14]}，而我国在这方面的工作还比较欠缺，因此我们迫切需要对风机噪声特性及多个风机的累积影响进行研究。

1 调查地区与调查方法 1.1 调查地区概况

东海大桥100 MW海上风电场位于上海市浦东新区近海海域，是亚洲第一个大型海上风电场，为我国海上风电建设示范项目，2009年建成投产，风电场海域平均水深10 m，平均风速8.4 m/s。风电机组分布于临港新城至洋山深水港的东海大桥东侧1 000 m以外沿线，北端、南端分别距南汇嘴岸线8 km、13 km，全部位于上海市境内，距离上海海洋大学直线距离仅16 km，调查条件十分便利。风电场由34台华锐风电SL3000型3 MW海上风电机组组成，总机容量102 MW(图 1) 。

实验还对东海大容量试验风场进行了调查，试验风场位于东海大桥西侧，于2011年建成，风场安装有上海电气W3600型3.6 MW海上风电机组(F1) 及华锐风电SL5000型5 MW海上风电机组(F2) 两台风电机(图 1、图 2) 。

1.2 调查设备与方法

实验室于2014年12月至2015年1月期间租用渔船(沪浦渔49917) 对东海大桥风电场进行实地噪声测定，期间风速1.5~4.5 m/s，风力1~3级，水深8~10 m。

噪声信号使用RESON TC4032-1型水听器(灵敏度-170 dB re 1 V/μPa)进行采集，声音文件使用NAGRA-SD录音机(Audio technology Switzerland S.A.)储存为WAV格式,比特率16 bits/s，采样频率48 kHz。使用AWA6291型声级计(杭州爱华仪器有限公司)和AVM-01型风速仪(台湾泰仕电子工业股份有限公司)记录实时声压和风速。每个采样点分不同深度进行噪声测定，每个深度测定2次，每次测定时间为1 min。

记录噪声时调查船发动机及任何可能产生声音信号的设备全部关闭，船上所有工作人员避免走动并保持安静。水听器保护架末端系一个约10 kg的重物将水听器沉入水中并保持垂直，水听器电缆悬于船舷一侧，并通过电缆上的标记确定测量水深。调查船的坐标通过船载GPS定位仪记录。

单个风机噪声测量时调查船抛锚定点，且在平潮时测量，避免潮汐水流对测量的影响，具体测量点见图 2，测量数据参数见表 1。背景噪声测量于2014年12月24日，风速2 m/s，测量深度3 m。文中所有声压级参考声压均为1 μPa。

1.3 噪声文件分析

记录的噪声文件首先通过人耳分辨，去除一些干扰强烈(如船舶噪音)的文件并估计流速快慢，其余性噪比较高的文件由Cool Edit Pro 2.0软件(Syntrillium Software Corporation，Phoenix，Arizona)将声音文件中的干扰信号去除，然后由声音分析软件Praat(Phonetic Sciences，University of Amsterdam)进行快速傅里叶变换(FFT)，生成噪声频谱图。

2 结果 2.1 背景噪音

背景噪音频谱见图 3，其中黑色频谱图为风电场外2 km处背景噪声频谱图，红色频谱图为风电场外3 km处背景噪音频谱图。从图中可知，距风电场2 km处背景噪音在14 Hz处出现明显峰值，声压级约107 dB，其他频段并未出现明显峰值。距风电场3 km处背景噪音在22 Hz处峰值较明显，声压级约92 dB。2 km处背景噪音声压级在0~1000 Hz频率范围内均高于3 km处背景噪音，0~45 Hz频率范围内高于3 km背景噪音15 dB； 45 Hz之后高于3 km背景噪音3~5 dB。

2.2 单个风机运行期水下噪声特性分析 2.2.1 B1风电机(3 MW)运行期噪音特性分析

图版-1为距离B1风电机15 m，水深3 m处记录到的时长约35 s的水下噪声文件波形图，从图中可以看出，风电机噪声波形无明显特征，并未发现可以辨别出高强度人为噪声的单音波或者电压瞬变。由噪声声谱图(Plate-2) 可以看出风电机水下噪声主要能量集中在500 Hz以下。

图版-3为距离B1风电机15 m，水深3 m处运行期水下噪声的频谱图，从该图可知，在119 Hz、351 Hz处峰值较明显，且在119 Hz处峰值最高，声压级约89 dB。在11 Hz、38 Hz、60 Hz、235 Hz处也具有峰值。

2.2.2 A2风电机(3 MW)运行期噪音特性分析

图版-4为距离A2风电机15 m，水深3 m处运行期水下噪声的频谱图，从该图可知，在325 Hz处峰值最高，声压级约81 dB。在12 Hz、62 Hz、124 Hz、238 Hz、379 Hz处峰值也较明显。

2.2.3 F1风电机(3.6 MW)运行期噪音特性分析

图版-5中黑色频谱图为距离F1风电机15 m，水深10 m处采用抛锚定点法测得的运行期水下噪声的频谱图，红色频谱图为距离F1风电机20 m，水深10 m处采用漂流法测得的运行期水下噪声的频谱图。采用定点法测得的频谱图中可知，此处噪声在22 Hz、62 Hz、139 Hz、186 Hz、359 Hz处峰值明显，并且在22 Hz处峰值最高，声压级约99 dB；采用漂流法测得的频谱图中可知，在11 Hz、60 Hz、121 Hz、182 Hz、255 Hz、352 Hz处出现峰值，且在11 Hz处峰值最高，声压级约101 dB。两种方法所测得的噪声频谱特征基本一致。

2.2.4 F2风电机(5 MW)运行期噪音特性分析

图版-6为距离F2风电机15 m，水深5 m处运行期水下噪声的频谱图，从该图可知，该处噪声在10 Hz、69 Hz处峰值明显，且在69 Hz处峰值最高，声压级约90 dB。

2.3 风电机不同深度水下噪声特性对比

图版-7为B1风电机不同深度水下噪声频谱图，将距离B1风电机15 m，深度分别为3 m、5 m、10 m处所记录的水下噪声文件进行频谱分析，所得结果见表 2。

从图版-7及表 2可以看出，B1风电机不同深度噪声声压级没有显著差异，0~500 Hz范围内3者频谱非常接近，在500 Hz以后5 m深度噪声声压级高于3 m、10 m水深噪音。3条频谱曲线上11 Hz、60 Hz左右、120 Hz左右、237 Hz左右、348 Hz左右均出现明显峰值。

图版-8为A2风电机不同深度水下噪声频谱图，将距离A2风电机15 m，深度分别为3 m、5 m、10 m处所记录的水下噪声文件进行频谱分析，所得结果见表 3。

从图版-8及表 3可以看出，随着海水流速的增加声压级显著增加，并且峰值成分存在丢失与偏移。3条频谱曲线上除366 Hz左右峰值声压级未随流速增加而变化，其余峰值声压级均明显增加。

3 讨论 3.1 风电机噪声测定

风电机附近的海域通常会出现较强的电流干扰，会被灵敏度较高的水听器记录到，从而在噪声频谱中出现由电流引起的“伪峰值”。电流引起的峰值较易辨认，一般都是工频(50 Hz)及其第三谐波(150 Hz)，本次噪声测量均未受到电流干扰。

调查选取了风电场内B1、A2风电机(3 MW)及F1(3.6 MW)、F2(5 MW)两台大功率风电机进行噪声特性分析，结果表明：B1风电机水下噪声主要频率为60 Hz、119 Hz、235 Hz 、351 Hz，声压级约89 dB；A2风电机水下噪声主要频率为62 Hz、124 Hz、238 Hz、325 Hz，声压级约81 dB；F1风电机水下噪声主要频率为62 Hz、139 Hz、186 Hz、359 Hz，声压级约99 dB；F1风电机水下噪声主要频率为69 Hz，声压级约90 dB。可以发现，所有单个风机噪声主要频率均在400 Hz以内，并且B1、A2、F1风机主要频率相差不大，但F2风机噪声频谱只在69 Hz处发现峰值。F2风机在所有测量单个风机中单机容量最大，其风机高度、叶片长度与其他风机均存在差异，虽然4台风机基础类型相同，但由于F2风机承台高度更高，且支撑支柱数量也较多，因为风电机水下噪音主要由风机塔身传递至水中，而F2风机即使在涨潮平潮时也有一定高度的支撑部分处在水面之上，因此可能导致其传入水下的噪声发生了改变。

国外的相关研究也表明风电机水下噪声频率主要为低频：DEGN^[7]在风速约为13 m/s的条件下对两个不同基础的风电机噪音进行了记录分析。其中Vindeby风电机(450 kW，丹麦)以混凝土为基础，风电机噪音频谱集中在400 Hz以内，峰值为25 Hz；Gotland风电机(550 KW，瑞典)具有钢制单桩基础，其噪音峰值为160 Hz、630 Hz。Andersson在距离风电机(2.3 MW)1 m处进行了噪声测定，噪声主要频率为24 Hz、130 Hz，声压级分别为126 dB、142 dB^[8]。

本研究所有噪声频谱中0~50 Hz范围声音受风速及海况影响较大，且在背景噪音中也有明显峰值，因此推测主要由水流及海浪产生。WESTERBURG对风电机(220 kW)运行期间水下噪声的测量结果表明：在距风机100 m，风速12 m/s时，在8 Hz以及16 Hz处出现峰值；风速6 m/s时只在16 Hz处出现峰值。在风速6 m/s和风速12 m/s时，16 Hz处的绝对声压级分别为102 dB和113 dB^[4]。本次调查中，单个风电机噪声声压级范围为81~101 dB，甚至低于背景噪音，这表明风电机水下噪音能级水平较低，在风速较高、海况较差的情况下，其噪音完全会被背景噪音掩盖。因此结合本次调查结果判断，WESTERBURG测量水下噪声时风速较大，风电机噪声很可能被海浪声音掩盖，因此只分析出海浪声音的频谱。上述DEGN和ANDERSSON的调查中50 Hz以下风机噪声峰值都应是水流噪声，而不应算作风机噪声。

背景噪声测定时，由于2 km处有一定海浪，因此声压级较高(107 dB)，3 km处海况好转，声压级降低(92 dB)。不同深度风机水下噪声的测定表明，在潮汐流速较慢的情况下，3个深度所得频谱基本一致，表明噪声频谱与测量深度关系不大，而当水流逐渐加快时，会出现一些主要频率成分的偏移及丢失。在对F1风机的水下噪声进行测量时使用了抛锚定点和调查船随水漂流的方法测定，所得到的结果基本一致，说明这两种方法在噪声测定时都是可取的。抛锚定点法可以对任意设定测量点进行测量，但受测量时间的限制，因为测量一般在平潮期水流较慢的情况下进行，而由于一天中平潮期总共只有大约3 h左右，且两个平潮期间隔6 h左右，因此测量时间具有很强的被动性。漂流法基本不受时间限制，但其漂流路线单一，短时间内不能实现空间上的大尺度变换测量。

综上所述，风电机水下噪音具有低能级水平和低频的特点，风电机噪声测定极易受到外界干扰，如果要对风电机噪声进行精确测定，所需要的测量条件较其他高强度噪声(如打桩、船舶噪音)测定严格。风电机噪音测定时，由于不同风电场的风速、风机功率、风机基础、海床基底等均存在差异，因此所得噪音数据也存在一定差异。并且目前也缺乏风电机水下噪音测量的标准，不同文献测量距离、深度均存在差异，因此也给数据的比较增加了难度。

3.2 风电机噪音对海洋生物的影响

本文对上海东海大桥海上风电场噪音的初步测定结果表明，本风电场机组所产生的噪声强度能级水平还较低。根据能引起内耳损伤的标准^[9]，本风电场风电机所产生的噪声强度可能还不足以导致海洋生物内耳结构的损坏。但是否可能会在风电机附近对海洋生物的行为产生影响尚未可知。因为根据KOSCHINSKI报道，将根据记录到的2 MW风电机噪声，通过水下扩音器回放风电机噪音的实验，对斑海豹(Phoca vitulina)及鼠海豚(Phocoena phocoena)的反应进行了观察，发现：斑海豚可以听到风电机噪音，在面对噪音刺激时显得很警觉并用生物声呐来确定声源位置；而鼠海豚并未表现出逃避反应^[10]。另有报道称在风速较高的情况下，大菱鲆会产生绕开风电场的反应^[11]。WESTERBERG发现在风电机附近(100 m以内)，鳕鱼及斜齿鳊的捕获率要高于距离风电机较远的地方，鳗鱼的捕获率却没有任何区别^[12]。被标记的银鳗游过风电场时，并没有观察到游动速度及方向的任何变化^[8]。ANDERSSON等向三刺鱼和斜齿鳊回放风电场噪声时观察到明显的惊吓反应^[13]。因此，尽管本实验所测得的风电机噪声强度可能还不足以引起海洋生物内耳结构的破坏，但该噪音是否会对在风电机附近的海洋生物的行为产生影响？还有待进一步的行为实验研究验证。