大連周邊近岸典型海域海洋環(huán)境噪聲的測量分析

姚壯,張飛成,姚智慧,劉世剛,郭禹,湯勇

(1.大連海洋大學(xué)海洋科技與環(huán)境學(xué)院,遼寧大連116023;2.中國水產(chǎn)科學(xué)院南海水產(chǎn)研究所,廣東廣州510300)

大連周邊近岸典型海域海洋環(huán)境噪聲的測量分析

姚壯1、2,張飛成1,姚智慧1,劉世剛1、2,郭禹1、2,湯勇1

(1.大連海洋大學(xué)海洋科技與環(huán)境學(xué)院,遼寧大連116023;2.中國水產(chǎn)科學(xué)院南海水產(chǎn)研究所,廣東廣州510300)

于2013年5月利用帶寬為20 Hz～100 kHz的水聽器測量系統(tǒng)對大連市周邊近岸海域的大黑石、付家莊、星海灣、塔河灣、海之韻5個典型站位的水下噪聲進(jìn)行了測量,獲取各站點海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)以及風(fēng)速、海況等環(huán)境要素,然后進(jìn)行噪聲平均聲壓級 (Sound pressure level,SPL)的計算和20 Hz～100 kHz帶寬的噪聲頻譜分析。結(jié)果表明:付家莊、星海灣海區(qū)噪聲平均聲壓級分別為126.58、123.39 dB(以1 μPa為參考聲壓,下同),船舶航行、近岸工程建設(shè)等人為噪聲是該海區(qū)的主要噪聲源;大黑石、塔河灣海域的海洋噪聲較低,平均聲壓級分別為115.66、122.17 dB,潮汐和風(fēng)浪等自然噪聲是該海域的主要海洋噪聲源;貨運港口及航道附近的海之韻海域平均聲壓級最高,為132.53 dB,船舶航行等為主要噪聲源?？傮w上,大連周邊近岸海域海洋噪聲受人類活動因素影響較大,在港口航道、海洋工程等區(qū)域顯示了較高的噪聲水平,而地處渤海的養(yǎng)殖海域噪聲最低。本次測量的平均聲壓級處于魚類和海洋哺乳動物的聽力范圍之內(nèi),但因聲壓級相對較低,對當(dāng)?shù)睾ＫB(yǎng)殖業(yè)和海洋哺乳動物應(yīng)該不會產(chǎn)生顯著影響。

海洋環(huán)境噪聲;平均聲壓級;海洋噪聲頻譜;大連近岸海域

海洋環(huán)境噪聲指海洋中由水聽器接收到的除自噪聲以外的一切噪聲,是水聲信道中的一種干擾背景場[1],包括海面風(fēng)浪、海洋生物活動、地震擾動、海上運輸和勘探等自然和人為活動產(chǎn)生的聲波。海洋環(huán)境噪聲與海洋生物的生存、生長關(guān)系密切[2-3]。有些人為活動如水下爆破、打樁和油氣勘探等產(chǎn)生的高強度噪聲 (沖擊波)會對魚類的聽力系統(tǒng)造成永久性傷害或直接導(dǎo)致死亡[4-6],而長期存在的低強度船舶噪聲可能會使魚類等海洋生物間交流、繁殖能力降低[7]。因此,進(jìn)行海洋環(huán)境噪聲來源和強度的研究,對于海水養(yǎng)殖業(yè)和以海洋動物為主的海洋生物保護(hù)具有重要意義[8]。

大連位于遼東半島最南端,海岸線長1900多千米,沿岸海港、漁港和海水養(yǎng)殖基地密布。近年來,隨著海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,大連海域海洋交通日益繁忙,海岸工程建設(shè)不斷增多。為了解周邊重要養(yǎng)殖區(qū)的環(huán)境噪聲水平和來源,本研究中通過選取不同地點水域?qū)崪y海洋環(huán)境噪聲,進(jìn)行平均聲壓級測量和噪聲譜級分析,旨在為周邊水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)和海洋動物的保護(hù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 水下噪聲測量布點

共布設(shè)5個站點,分別為大連市的大黑石(E121.318°、N38.967°),付家莊 (E121.621°、N38.864°),星海灣 (E121.577°、N38.876°),塔河 灣 (E121.323°、 N38.813°), 海 之 韻(E121.714°、N38.909°),如圖1所示。

5個站點海域噪聲源組成各不相同,可以代表大連周邊海域一般情況下的環(huán)境噪聲。大黑石海域地處渤海灣內(nèi),有大面積浮筏吊籠養(yǎng)殖場,塔河灣海域地處黃海,周邊有較大規(guī)模的浮筏養(yǎng)殖區(qū)且靠近海濱浴場,付家莊水域為大連重要的海濱浴場,星海灣近岸有填海造陸與跨海大橋工程建設(shè),海之韻公園距大連港較近,周邊海域分布較多貨運碼頭和航道。

圖1 海洋環(huán)境噪聲觀測站位Fig.1 M onitoring stations for ambient sea noise

1.2 數(shù)據(jù)采集與處理

現(xiàn)場調(diào)查于2013年5月進(jìn)行,利用水聽器測量系統(tǒng) (Aquafeeler III型,日本AquaSound),包括水聽器 (SH-100K型,頻率為20 Hz～100 kHz,接收靈敏度為-210 dB,靜電容為5000 pF,操作深度≤50 m)和自帶信號放大器,放大器輸出信號連接便攜式四通道聲音記錄儀 (R-44型,日本Roland),以.wav格式文件對水下噪聲信號進(jìn)行收錄。

在站點海域近岸,將水聽器放入水中1.0～1.5 m,使用重錘穩(wěn)定水聽器,防止水動力擾動。每次記錄水下噪聲2 min,同時測量所在地的風(fēng)速并記錄天氣、海況等數(shù)據(jù)。對于環(huán)境日變化較大的站點分別于上午、下午進(jìn)行兩次觀測。

在觀測之前,使用美國泰克公司的任意波信號發(fā)生 器 (AFG3022B 型)、 數(shù) 字 式 示 波 器(DPO3014型,美國泰克)和系統(tǒng)自帶噪聲處理軟件 (AQ Level Meter)對整個測量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。測量數(shù)據(jù)使用AQ Level Meter軟件進(jìn)行處理,計算各站位的功率譜密度和平均聲壓級 (Sound pressure level,SPL)。最后,結(jié)合環(huán)境噪聲的Wenz譜級圖[9]對各站點頻譜進(jìn)行分析。

功率譜密度和聲壓級計算的參數(shù)設(shè)置:時間積分常量為1 s,時間間隔為0.1 s,頻段為20 Hz～100 kHz,平均時間為0～90 s。

2 結(jié)果與分析

2.1 觀測站點水中噪聲頻譜分析

大黑石海域上、下午噪聲頻譜圖像相似(圖2-A),10 kHz以上有線譜存在且聲壓譜級較大,可能是由近岸建筑工程機械噪聲引起,聲壓級都處于較低水平,在測量頻段20 Hz～100 kHz范圍內(nèi),平均聲壓級為115.66 dB(以1μPa為參考聲壓,下同)。

在人為活動較多的付家莊海域,當(dāng)天聲壓級達(dá)到126.58 dB,午前在20 Hz～4 kHz頻段內(nèi)的平均聲壓級比午后高4.67 dB(圖2-B),船舶航行噪聲和10 kHz附近的風(fēng)成噪聲是主要原因之一,80 kHz以 上 頻 段 有 海洋熱 噪 聲 (Sea thermal noise)[9]。

工程建設(shè)較多的星海灣海域,在200 Hz～10 kHz范圍內(nèi)的噪聲較大,這與附近工作船只通過有關(guān),而在10～80 kHz之間主要是橋梁建設(shè)的機械噪聲。工程建設(shè)使星海灣200 Hz～80 kHz頻段內(nèi)平均聲壓級達(dá)到115.43 dB(圖2-C)。80 kHz以上頻段有海洋熱噪聲。

屬于養(yǎng)殖區(qū)的塔河灣海域在高頻段3～30 kHz范圍內(nèi)噪聲較大,其平均聲壓級為102.34 dB(圖2-D),風(fēng)成噪聲和海面粗糙度 (波浪)[9]是該頻段上主要噪聲源。50 kHz以上的高頻線譜為周期運動設(shè)備產(chǎn)生的高頻噪聲,但無法確定來源。高頻熱噪聲不明顯。

航運繁忙的海之韻海域在1～3 kHz頻段上噪聲較大,其平均聲壓級為117.91 dB(圖2-E),風(fēng)浪和海面粗糙度是導(dǎo)致該頻段聲壓級變高的主要原因之一。船舶航行噪聲頻段 (50～500 Hz)的平均聲壓級為124.29 dB。80 kHz以上頻段出現(xiàn)熱噪聲。

圖2 各觀測站位的噪聲譜級圖 (頻率范圍為20 Hz～100 kHz)Fig.2 Noise spectra at various stations(frequency range varying from 20 Hz to 100 kHz)

2.2 觀測站點水中噪聲的聲壓級

大連周邊近岸海域觀測站位的海洋環(huán)境噪聲平均聲壓級為115.49～132.53 dB(表1)。大黑石觀測站上、下午平均聲壓級變化并不顯著,受環(huán)境變化影響小,噪聲處于相對較低水平;付家莊與大黑石海況相近,付家莊觀測站上、下午平均聲壓級相差4.01 dB,可能是由人為活動導(dǎo)致聲壓級發(fā)生較大的變化;海之韻觀測站平均聲壓級處于較高水平,可認(rèn)為是港口處頻繁行船引起當(dāng)?shù)睾Ｓ蚵晧杭壣摺?/p>

種類不同的海洋生物對聲音的敏感度有很大差異,且都有其對應(yīng)的敏感頻段[10-11],這主要與它們的聽覺器官構(gòu)造有關(guān)。表2為環(huán)境噪聲在3類海洋生物聽覺敏感頻段[12]上的平均聲壓級。大連海域噪聲聲壓級在無脊椎動物敏感頻段的范圍為101.03～115.23 dB;在魚類敏感頻段上的聲壓級相對較高,范圍為104.13～123.01 dB;在海洋哺乳動物敏感頻段的范圍為89.67～110.67 dB。大黑石海域在各個頻段上的聲壓級都處于較低水平。[12]

表1 不同站點的觀測時間、風(fēng)速、海況和水體噪聲平均聲壓級Tab.1 M onitoring time,w ind speed,sea-state scale and average sound pressure level(SPL)at various stations

表2 不同觀測站點水域噪聲在海洋生物聽覺敏感頻段 上的平均聲壓級Tab.2 Average corresponding SPL at frequency range of hearing sensitivity ofmarine organism[12]in ambient sea noise at different observing stations dB

3 討論

3.1 大連海域噪聲來源

海洋環(huán)境噪聲是一種寬帶隨機信號,存在著時空變化特性。已有大量文獻(xiàn)對1 Hz～100 kHz頻段內(nèi)的噪聲進(jìn)行分類研究[13-16]。結(jié)合大連周邊近岸海域環(huán)境噪聲頻譜與Wenz譜級圖,分析得到大連各觀測站點海域噪聲來源。海之韻聲壓級總體偏高,航運和港口貨物裝卸等人為噪聲是主要噪聲源。大黑石海域聲壓級相對較低,受環(huán)境變化影響并不顯著,自然噪聲是主要噪聲源。塔河灣海域主要噪聲源是風(fēng)浪等自然噪聲。星海灣和付家莊海域主要噪聲源分別是工程建設(shè)和船舶機械噪聲等人為噪聲。船舶的機械噪聲頻段主要在50～500 Hz之間,當(dāng)?shù)責(zé)o脊椎類動物和魚類更易受到此類噪聲影響。海岸工程和跨海橋梁建設(shè)噪聲頻率跨度極廣,可以影響到大部分海洋生物。

3.2 環(huán)境噪聲對海洋生物聽覺的遮掩

大連海水養(yǎng)殖業(yè)中一些重要水產(chǎn)品有海參、海膽、鮑魚和對蝦等無脊椎類動物,以及牙鲆、大菱鲆、東方鲀和真鯛等魚類。圖3為幾種生物聽覺敏感頻段分布和最小聽覺聲壓閾值[12]。用聲壓級計算公式SPL=20 lg(Pe/Pref) (Pe為被測聲壓有效值,Pref為參考聲壓,水中取Pref=1μPa)得到無脊椎類動物聲壓閾值約為120 dB,大部分魚類聽覺聲壓閾值為60～100 dB,海洋哺乳動物聲壓閾值約為40 dB。大連海域噪聲頻率在0.1 kHz左右時的最高平均聲壓級為115.23 dB,低于無脊椎類動物的聲壓聽覺閾值;頻率為0.1～1.0 kHz時的平均聲壓級為104.13～123.01 dB,超過了魚類的聲壓閾值;頻率為15～100 kHz時的平均聲壓級為89.67～110.67 dB,處于海洋哺乳動物的聽覺能力之中。總體上,當(dāng)?shù)卦肼晫?、海膽等無脊椎類生物應(yīng)該不會產(chǎn)生危害。

海洋環(huán)境噪聲可能會對魚類聽覺形成遮掩效應(yīng),由此導(dǎo)致魚類同種間交流障礙、繁殖幾率降低的可能。Belanger等[17]將圓蝦虎魚Neogobiusmelanostomus置于100、300 Hz頻率中,發(fā)現(xiàn)當(dāng)環(huán)境噪聲超過150 dB時,圓蝦虎魚的聲壓閾值增加了5～10 dB。Codarin等[7]在實驗室中將聲壓級為97 dB的實測環(huán)境噪聲對魚類進(jìn)行回放,結(jié)果發(fā)現(xiàn),魚類的聲壓閾值幾乎未被遮掩。大連海域環(huán)境噪聲在魚類敏感頻段內(nèi)聲壓級為104.13～123.01 dB,對當(dāng)?shù)仞B(yǎng)殖魚類的聲壓閾值應(yīng)不會產(chǎn)生遮掩效果。

圖3 海洋生物的聽覺靈敏度圖[12]Fig.3 Audiogram s of hearing sensitivity in marine organism[12]

3.3 人為噪聲對養(yǎng)殖業(yè)和海洋生物的影響

目前還沒有資料確切表明,長期的、一般情況下的環(huán)境噪聲是否與魚類行為、生長和死亡率等存在一定關(guān)系,但有研究發(fā)現(xiàn),一些魚類對附近船只產(chǎn)生的噪聲場有回避行為[18-20]。Wysocki等[21]將4類淡水魚暴露在嘈雜的船舶噪聲環(huán)境中,發(fā)現(xiàn)魚體內(nèi)皮質(zhì)醇水平會相應(yīng)升高。如果噪聲達(dá)到一定強度時還可能造成魚類聽覺的功能性損傷。Hastings等[22]將圖麗魚Astronotus ocellatus置于頻率為60 Hz和300 Hz且聲音強度為180 dB的環(huán)境中持續(xù)4 h之后,發(fā)現(xiàn)部分聽覺毛細(xì)胞受到損傷。從本研究結(jié)果看,所測站點環(huán)境噪聲級總體偏低,超過了魚類和哺乳動物的聽覺閾值,但并未達(dá)到無脊椎類動物的聽覺閾值,由此可以推斷,大連周邊海域噪聲水平對當(dāng)?shù)仞B(yǎng)殖業(yè)和海洋生物影響并不大。

北方養(yǎng)殖魚類產(chǎn)卵期多集中在春、夏兩季,魚類在此期間內(nèi)更易受到外界環(huán)境干擾,故對海洋噪聲來源和強度的研究可以更清楚地了解漁場的噪聲情況,采取相應(yīng)防護(hù)措施降低人為噪聲,如在魚類產(chǎn)卵期通過降低船速或繞行養(yǎng)殖區(qū)來降低對魚類的危害。

4 結(jié)語

大連地跨黃海和渤海海域,沿岸主要分布有海水養(yǎng)殖區(qū) (附帶育苗工廠)、港口航道、造船重工和石油化工企業(yè)、海濱浴場 (游樂場)和海洋哺乳類動物保護(hù)區(qū)等。該研究由于條件限制未能進(jìn)行工業(yè)區(qū)和保護(hù)區(qū)等海域的噪聲測量,將在以后的工作中開展。同時,由于海洋環(huán)境噪聲具有時空隨機變化特性,因此,應(yīng)當(dāng)進(jìn)行季節(jié)周期的監(jiān)測,獲得連續(xù)數(shù)據(jù),為合理利用開發(fā)近岸海域提供科學(xué)依據(jù)。

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M easurement and analysis of ambient sea noises in typical inshore water around Dalian

YAO Zhuang1,2,ZHANG Fei-cheng1,YAO Zhi-hui1,LIU Shi-gang1,2,GUO Yu1,2,TANG Yong1
(1.College of Marine Science and Environment,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China;2.South China Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences,Guangzhou 510300,China)

The ambient sea noise wasmonitored in five typical inshore stations including Daheishi,Fujiazhuang, Xinghai Bay,Tahe Bay and Haizhiyun around Dalian by a hydrophonemeasuring system with a 20 Hz-100 kHz operating bandwidth in May,2013.The underwater noise data,the wind speed and sea state factorswere also recorded synchronously,and then the average sound pressure levels(SPL)and the noise spectra were analyzed at various stations.The results showed that the average SPLwas126.58 dB at Fujiazhuang and 123.39 dB at Xinghai Bay (1μP as reference,et sequentia)in the sea noise which was primarily derived from navigation and inshore construction engineering,with relatively lower sea noise at Daheishi(average SPL of115.66 dB)and Tahe Bay(average SPL of 122.17 dB)than at other stations.Itwas found that tide and wind wave were the main sources of sea noise at Daheishi,and Tahe Bay.Themaximal sea noise(132.53 dB)was observed at the Haizhiyun station near Dalian freight terminal and sea passage,where navigation,loading and unloading were attributed in the main sources of sea noise.There was relative higher level of ambient sea noise in the area near the sea passage and seaports than that in themarine culture area in the Bohai Sea.Themeasured average SPL,relatively lower SPL noise, waswithin the hearing range of fish and marinemammals,and did not significantly affect on the local aquaculture and marinemammals.

ambient sea noise;average sound pressure level;sea noise spectrum;inshore water of Dalian

P733.22

A

2014-11-24

農(nóng)業(yè)部 “948”項目 (2011-G29);國家自然科學(xué)基金資助項目 (10774021);農(nóng)業(yè)部東海與遠(yuǎn)洋漁業(yè)資源開發(fā)利用重點實驗室開放課題 (K201201)

姚壯 (1988—),男,碩士研究生。E-mail:598969228@qq.com

湯勇 (1965—),男,博士,教授。E-mail:tang@dlou.edu.cn

10.16535/j.cnki.dlhyxb.2015.05.019

2095-1388(2015)05-0553-05