基于尊重习惯航路的福建沿海海上风电场选址方法研究
时间：2023-02-14 21:00:05 来源：千叶帆 本文已影响人
文 吴志华
风电是清洁、低碳、高效的可再生能源，近年来市场活跃度显著增高，在国家发展战略的指引下，海上风电将是风电发展的重要领域，前景十分广阔。福建沿海平均风速大、风向稳定，是全国风资源最好的地区之一。但同时福建沿海是我国南来北往航运主通道，也是闽台海上贸易往来的必经之路，由于其地理位置特殊，易受东北季风、热带气旋与雾的影响。此外，福建省沿海渔场分布广阔，岛礁、浅滩众多，海上航路密布，船舶通航密度高，通航环境复杂，为我国六大航运高风险水域之一。在福建沿海发展海上风电，首当其冲面临的问题就是如何找到合适的选址位置。因此在规划与项目实施阶段，如何协调海上风电场建设与船舶航路之间的相互关系，已成为福建沿海发展海上风电产业必须重点关注的问题。
我国在海上风电场选址方面有关航路的标准规范暂不完善，现阶段仍处于尝试、摸索和不断完善的过程。
交通运输部海事局（以下简称部海事局）《关于加强海上风电场海事安全监管的指导意见》（海通航函〔2017〕1500号）提到了一些基于通航安全考虑的选址要求：“海上风电场建设应充分考虑对通航环境的影响以及对船舶通信导航和定位设备造成的电磁干扰等因素，保持与现有及规划航道、锚地、航路留有足够的距离”，但未出台具体管理法规和技术标准来明确航路和安全距离。
《海上风力发电场设计标准》（GB/T 51308—2019）7.2.6要求“海上风力发电场应与锚地和航路保持安全距离……当不能避免时，应进行专题论证”，随后在其“条文说明”中说明“与港外航路应按照船型进行评价，按照不小于2 n mile控制”。但该标准未明确“航路”定义，基于此的安全距离建议也不具操作性。
因此，在海上风电场选址实践中，需要解决三个问题：一是明确何谓“航路”；
二是辨识风电场与航路的相互关系；
三是确定海上风电场与航路的安全距离。
现有水上交通法规体系并无“航路”的明确定义。有关教材指出航路是海洋、港湾等水域内供船舶安全航行的通道，是船舶由始发港安全、迅速地驶往目的港所选定的路线。业界通常认为航路形式包括了航道、海事部门公布的相关航路（包括船舶定线制）、航海图书资料中介绍的推荐航路、规划航路以及传说中的“习惯航路”。福建沿海航路相关情况梳理如下：
（一）海事部门公布的航路
部海事局先后公布了厦门、闽江口、湄洲湾口三个水域的船舶定线制，福建海事局对外公布了内、中、外推荐航路。
（二）航海图书资料中介绍的航路
现有航海图书资料中介绍并得到航海者普遍认可的航路、推荐航路、航法，包括海军航保部《中国航路指南》（见图1）、东海航海保障中心《中国沿海航行指南》（见图2）、福建海事局《福建沿海航行指南》中介绍的航路航法。
图1 《中国航路指南》推荐航路
图2 《中国沿海航行指南》推荐航路
（三）规划航路
交通运输部于2011年印发了《全国沿海船舶航路总体规划》和《全国沿海船舶定线制总体规划》，福建沿海已推进实施了部分航路和定线制。
（四）习惯航路
船舶通常是根据航行地区的水文、气象、地理条件和船舶状况以及航次任务、所处通航环境、本船状态、天气海况、航海经验、良好船艺等因素，自行选择相对安全、经济的航路。对航行于某一水域的大部分船舶来说，更愿意采用符合该水域通航环境特点的安全和经济航法通过该水域，这种意愿构成了习惯航路的基础。习惯航路可以理解为因航行和水文特征方面的便利性而吸引航海者航行的通道，代表着大多数船舶的航行选择，习惯航路上的交通量能一定程度上说明航海者选择该航行通道的意愿。习惯航路也成了海事部门开展航路规划研究、划定航路、船舶定线制及其他通航功能区的重要依据。
从以上介绍的福建沿海航路情况看，无论是海事部门公布的航路，还是航海图书资料介绍的航路、规划航路，都存在一定的局限性，不能代表福建沿海航路的实际情况，也不能作为海上风电场选址的唯一依据。而基于习惯航路开展海上风电场选址研究，基本做到了对其他航路类型的一并考虑，该方法是较为谨慎且相对科学的，在福建沿海海上风电场选址实践中成为了建设单位、设计部门、科研单位、海事部门、能源部门、专家学者等一致推荐的做法。
目前的航海图书资料并无详尽的习惯航路介绍，但随着计算机技术和大数据分析技术的广泛应用，分析并辨识某个水域的习惯航路已并非难事。
从船舶交通流历史轨迹看，福建沿海到处都是船舶走过的路，若以每艘船舶的航行轨迹来界定航路显然不科学不合理，但对这些船舶航迹线（见图3）进行密度处理（常用的密度处理方法有线密度分析法、核密度分析法、网格数量分析法等）后，即可看出明显的航迹密度分布，图中用深绿-浅绿-黄色-橙色-红色的色带表示密度从小到大的特征（见图4）。
图3 福建沿海船舶航迹线分布
图4 福建沿海船舶航迹密度分布
学术界通常用船舶轨迹密度的分布来界定习惯航路，将累积到一定程度能明显辨识出与周边航迹区别的当做习惯航路对待。这种习惯航路通常在空间密度分布上呈带状，因此常用“航迹带”来表示习惯航路。
由于海上风电场主要风险是对商船航行的影响，因此通常将商船与渔船分开分析，并以商船的“航迹带”为主来考虑海上风电场选址对航路的影响（福建沿海商船和渔船航迹密度分别见图5、图6）。
图5 福建沿海商船航迹密度
图6 福建沿海渔船航迹密度
找到了习惯航路，就可以对风电场场址的可行性做初步判断。通常情况下，场址应避开商船航迹密度图上红色、橙色航迹带，其他颜色航迹带是否可以触及需要做进一步的深入分析。依此，将《福建省海上风电场工程规划》中的相关场址叠加在福建沿海航路上，直观展示海上风电规划与航路的关系。依据其相互位置关系，主要存在如下情况：
（一）位于重要习惯航路上
风电场场址大部分区域均在重要习惯航路航迹带上或侵占了航迹带中线，包括霞浦C区、霞浦D区、霞浦E区、长乐外海B区、长乐外海D区、长乐外海E区、长乐外海F区、长乐外海G区、平潭外海H区、连江外海、平海湾D区等风电场选址（见图7、图8）。
图7 霞浦沿海风电场与航路关系示意图
图8 连江平潭风电场与航路关系示意图
（二）位于小型船舶重要航路上
风电场场址位于小型船舶的习惯航路上，占据该航路将阻断小型船舶航路，包括平潭海坛海峡、六鳌A区。
（三）与主要航迹带重叠
风电场场址部分水域位于主要习惯航路航迹带上，但未侵占航迹带中线，包括平海湾E区、六澳B区、六鳌C区、六鳌E区、六鳌F区、六鳌G区、龙海隆教等风电场选址（见图9）。
图9 漳州沿海风电场与航路关系示意图
（四）与通航密集区重叠
风电场场址部分水域位于主要习惯航路航迹带上，未侵占航迹带中线，但重叠部分交通流密集，包括长乐东洛、南日岛C区等海上风电场。
（五）与航路安全距离不足
包括霞浦A区、兴化湾C区、平潭草屿、平海湾A区、南日岛B区、莆田大麦屿等风电场选址。
以上仅“与主要航迹带重叠”的重叠区域较小、“与航路安全距离不足”两种情况下具备了通过优化场址进一步推进项目的可能。即开展必要的通航安全分析，对场址边界进行优化，使安全距离满足要求，若因各种客观条件限制，安全距离不能满足要求，则应采取措施使风险降至可接受水平。
（一）航路边界的界定方法
参考欧洲一些国家的做法，利用设置门线并确定通过门线的90%船舶流量来界定习惯航路边界（见图10、图11）。
图10 门线设置示意图
图11 航路边界确定示意图
同理，可以分析界定85%、80%或其他比例流量航迹带宽度条件下的航路边界。
以上航路边界的界定可理解为：适当地“压缩”商船航行空间（注意这种“压缩”考虑绝大多数商船的航行习惯和权益），但并没有改变原有的海上交通模式，仍应关注船舶的航行领域、避让义务和应急操作空间需求，海上风电场的选址应充分考虑并避免制约船舶的这种权利、义务和需求。
（二）安全距离的确定
安全距离即为了防止船舶与海上风电场设施及其基础发生触碰，需在两者之间保持一定的空间距离。海上风电场与航路的安全距离，是指海上风电场场址边界线与航路边界之间在平面上保持一定距离的条件下，各类通航风险可控，风电场及周边水域通航安全可以得到有效保障。
确定合理的安全距离是保障船舶航行安全和风电设施自身安全的必要条件，是风电场选址时必须考虑的重要因素。过于保守的考虑，过多倾向于航运的安全，则造成海上风电开发面积减小，达不到应有的效益；
而过于强调海上风电产业的发展，采用迫使船舶航路让步的做法，也将埋下安全祸根。
某海域与航路边界距离为0（即紧贴航路边界）、1 n mile、2 n mile、3 n mile情况下，可供开发海上风电面积分别为106.7 km2、74.3 km2、45.1 km2、14.3 km2，可以看出随着安全距离的增大，可供开发海上风电面积急剧减小（见图12）。距离为0显然不安全，距离3 n mile又有点保守。
图12 不同安全距离下海上风电面的开发面积
确定海上风电场与航路安全距离，应充分考虑《国际海上避碰规则》、船舶操作性能、船舶失控或走锚漂移、海员避让习惯、海上设施保护范围等因素。基于此，福建海事局出台了《海上风电场选址通航安全分析技术指南》，提出了计算参考安全距离的计算公式：
C=0.3 n mile+（5～6）×L+500 m
注：L表示所对应的航路航迹带中确定的代表船舶的船长。当海上风电场位于航路水域盛行风的主风向（特指东北风）下风侧，旋回直径取6×L，其他情况取5×L。
依据上述公式，对图11中的场址安全距离进行重新计算（见图13）：
图13 安全距离示意图
西侧参考安全距离值：
C1=0.3 n mile+5×223 m+500 m=1.17 n mile
东侧参考安全距离值：
C2=0.3 n mile+6×250 m+500 m=1.38 n mile
以上，223 m、250 m分别是风电场址西侧和东侧航迹带的代表船长。
经过作图分析，可开发面积约63.9 km2（见图14）。
图14 与航路边界达参考安全距离的选址示意图
海上风电产业的发展必然对港口航运业带来冲击，如何让传统的航运业与新兴的海上风电产业“和谐共存、协调发展”，首先需要解决的是海上风电场的选址问题。基于习惯航路的海上风电场选址方法，是在充分尊重传统航运业、敬畏船舶良好航行习惯的前提下开展选址，可以促进运输船舶“老用户”和海上风电“新用户”友好相处，既有利于保护海上战略通道和重要航路、为港口和航运发展预留足够通道，也有助于为海上风电产业腾出发展空间，引导海上风电产业安全、高质量、可持续发展。该方法在当前国内海上风电场选址通航标准规范暂不完善的情况下，可起到较好的指引作用。
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