海上風(fēng)電打樁水下噪聲測(cè)量及其對(duì)大黃魚(yú)的影響

牛富強(qiáng), 李 智, 薛睿超, 楊燕明, 馬 麗

海上風(fēng)電打樁水下噪聲測(cè)量及其對(duì)大黃魚(yú)的影響

牛富強(qiáng)1, 李 智2, 薛睿超1, 楊燕明1, 馬 麗1

(1. 自然資源部 第三海洋研究所, 福建 廈門 361005; 2. 長(zhǎng)江三峽集團(tuán)福建能源投資有限責(zé)任公司, 福建 福州 350001)

海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)期風(fēng)機(jī)打樁會(huì)產(chǎn)生高強(qiáng)度的水下噪聲, 研究水下沖擊打樁噪聲的監(jiān)測(cè)方法、特性分析及對(duì)海洋生物的影響是非常重要的。采用自容式水下聲音記錄儀, 多點(diǎn)同步測(cè)量了福建省興化灣海上風(fēng)電場(chǎng)二期工程建設(shè)期單次完整的水下沖擊打樁噪聲, 從時(shí)頻域特性進(jìn)行了分析, 并利用最小二乘法擬合得到了打樁聲源級(jí)和聲暴露級(jí)。結(jié)果表明: 水下沖擊打樁噪聲是典型的低頻、高強(qiáng)度的脈沖信號(hào), 單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間約90～100 ms, 峰值聲源級(jí)約209.4±2 dB, 聲暴露級(jí)約197.7±2 dB; 主要能量分布在50 Hz～1 kHz頻段, 750 m測(cè)量點(diǎn)的該頻段聲壓級(jí)相比海洋環(huán)境背景噪聲, 提高了約40～50 dB。水下沖擊打樁噪聲頻域能量分布與大黃魚(yú)的聽(tīng)覺(jué)敏感頻段相重疊, 對(duì)大黃魚(yú)影響程度和范圍較大, 實(shí)際工程應(yīng)用中宜采用聲暴露級(jí)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

海上風(fēng)機(jī); 水下打樁噪聲; 聲暴露級(jí); 大黃魚(yú); 環(huán)境影響評(píng)價(jià)

人為水下噪聲對(duì)海洋生物影響研究, 已成為國(guó)際社會(huì)的關(guān)注熱點(diǎn)[1-3]。2018年6月18—22日, 聯(lián)合國(guó)UN(United Nations)召開(kāi)的第十九屆海洋與海洋法非正式磋商會(huì)議(ICP-19)主題即為“人為水下噪聲”, 會(huì)前號(hào)召各國(guó)提交有關(guān)水下噪聲對(duì)海洋生物影響的科研素材, 然而我國(guó)因相關(guān)研究匱乏而沒(méi)有提交資料, 限制了話語(yǔ)權(quán)。涉海工程建設(shè)、海上勘探開(kāi)采、船舶航行、聲吶使用、海洋調(diào)查等人類活動(dòng)產(chǎn)生的水下噪聲會(huì)影響海洋哺乳動(dòng)物和部分魚(yú)類的生存環(huán)境(如覓食、棲息地選擇、遷徙、洄游等), 甚至造成物種的聽(tīng)力損傷或死亡[4-5]。認(rèn)識(shí)和了解水下噪聲對(duì)海洋哺乳動(dòng)物、魚(yú)類以及其他生物的影響, 對(duì)海洋生物多樣性和海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。因此, 開(kāi)展不同人為噪聲源引起的水下噪聲監(jiān)測(cè)、特性分析及評(píng)估對(duì)海洋生物的影響是非常必要的。目前, 水下噪聲對(duì)海洋生物的影響程度、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、管控機(jī)制仍不健全, 亟需不斷完善。

國(guó)外對(duì)于水下噪聲對(duì)海洋生物影響研究已開(kāi)展很多, 包括多種海洋哺乳動(dòng)物[6]、聲敏感魚(yú)類[7-9]。水下打樁是一種重要的噪聲源, 廣泛存在涉海工程建設(shè)中, 如海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)構(gòu)筑、橋梁架設(shè)、油氣平臺(tái)施工等。Bailey等[10]、Branstetter等[11]和Kastelein等[12]研究了水下打樁噪聲對(duì)寬吻海豚()、港海豹()的影響。國(guó)內(nèi)在水下噪聲對(duì)海洋生物影響研究起步較晚, 集中水下爆破、水下打樁、船舶噪聲等對(duì)中華白海豚()[13-16]、斑海豹()[17]、江豚()[18-19]等物種的影響, 但目前研究還不夠系統(tǒng)。

大黃魚(yú)(), 隸屬石首魚(yú)科(Sciaenidae), 黃魚(yú)屬, 是我國(guó)近海網(wǎng)箱養(yǎng)殖的特有優(yōu)質(zhì)魚(yú)種, 具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值。石首魚(yú)屬于聲音敏感性的魚(yú)類, 能夠感受水中聲波的振動(dòng)速度和聲壓強(qiáng)度[20]。Horodysky等[20]利用ABR(auditory brainstem response)方法, 獲取了六種石首魚(yú)的聲壓和振動(dòng)門限閾值。Ramcharitar等[21]同樣基于ABR方法, 研究了兩種不同聽(tīng)覺(jué)結(jié)構(gòu)石首魚(yú)的聽(tīng)覺(jué)閾值及噪聲隱蔽條件下的閾值移位。但這兩項(xiàng)研究均不包括大黃魚(yú)。大黃魚(yú)具有耳石和魚(yú)鰾, 其對(duì)水下噪聲的敏感性比其他的石首魚(yú)更高。劉貞文等[22]利用聲刺激信號(hào)結(jié)合行為學(xué)方法, 開(kāi)展了3個(gè)年齡的大黃魚(yú)聲敏感頻率和聲壓閾值實(shí)驗(yàn), 給出了不同年齡大黃魚(yú)的聲敏感頻率和聲壓閾值。周在明等[23]和劉貞文等[24]研究了福建省羅源灣濱海山體爆破產(chǎn)生的水中聲波對(duì)毗鄰養(yǎng)殖區(qū)大黃魚(yú)的影響, 指出了聲暴露級(jí)是評(píng)價(jià)水中聲波對(duì)大黃魚(yú)影響的一個(gè)重要指標(biāo)。截止目前, 海上風(fēng)機(jī)打樁輻射水下噪聲對(duì)大黃魚(yú)的影響研究未見(jiàn)公開(kāi)報(bào)道。本研究通過(guò)海上風(fēng)機(jī)打樁過(guò)程中的水下噪聲測(cè)量, 結(jié)合大黃魚(yú)的聽(tīng)覺(jué)試驗(yàn)結(jié)果, 分析了水下打樁噪聲對(duì)網(wǎng)箱養(yǎng)殖大黃魚(yú)的影響并提出了一些減緩措施, 為海洋工程建設(shè)影響評(píng)價(jià)、工程毗鄰海域養(yǎng)殖大黃魚(yú)的保護(hù)等提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)

海上風(fēng)電作為新興的一種清潔能源, 具有諸多優(yōu)點(diǎn), 目前我國(guó)沿海地區(qū)正大規(guī)模開(kāi)展海上風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)劃及建設(shè)。然而, 大規(guī)模海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)以及運(yùn)營(yíng)必然對(duì)工程海域生態(tài)環(huán)境存在一定的影響。海上風(fēng)電場(chǎng)工作周期, 一般分為四個(gè)階段: 施工前期、施工期、運(yùn)營(yíng)期和停運(yùn)期。施工期的水下噪聲源主要來(lái)自施工機(jī)械、施工船和樁基打樁, 其中施工機(jī)械、施工船產(chǎn)生的水下噪聲強(qiáng)度較低, 對(duì)海洋生物幾乎沒(méi)有影響, 但風(fēng)機(jī)樁基和海上升壓站基礎(chǔ)沖擊打樁期間, 會(huì)輻射至水中高強(qiáng)度的沖擊波。單次打樁表現(xiàn)為低頻脈沖, 而對(duì)于一根樁柱需要多次擊打才能完成, 表現(xiàn)為連續(xù)多個(gè)脈沖的脈沖串。為了完整獲取一根樁柱擊打過(guò)程產(chǎn)生的水下噪聲數(shù)據(jù), 需采用連續(xù)測(cè)量系統(tǒng)。本研究采用低功耗自容式水下聲音記錄儀, 集水聽(tīng)器和數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)一體。水聽(tīng)器為標(biāo)準(zhǔn)型的, 全方向性, 頻率響應(yīng)20 Hz～35 kHz, 接收靈敏度為–170±2.0 dB re 1 V/μPa; 采集存儲(chǔ)采用高精度芯片, 具有連續(xù)采集模式, 動(dòng)態(tài)范圍大于103 dB, 量化精度24 bits, 放大增益0.5倍、4倍、32倍可選, 采樣率最高48 kHz(本研究設(shè)置為24 kHz), 存儲(chǔ)容量128 GB。該記錄儀能夠滿足水下打樁噪聲的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)[25]。風(fēng)機(jī)打樁點(diǎn)和測(cè)量站點(diǎn)之間的距離通過(guò)GPS(G120BD)測(cè)量計(jì)算獲得, 各站水深由便攜式測(cè)深儀(美國(guó)Speedtech SM-5)獲取。測(cè)量期間, 水下聲音記錄儀和GPS分別經(jīng)過(guò)國(guó)防科技工業(yè)水聲一級(jí)計(jì)量站和福建省計(jì)量科學(xué)研究院的校準(zhǔn), 處于有效期。

1.2 數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

2019年3月21日在福建省興化灣海域, 對(duì)興化灣海上風(fēng)電場(chǎng)二期工程35號(hào)風(fēng)機(jī)第四根樁柱(長(zhǎng)59 m, 直徑1.9 m, 壁厚28 mm)的打樁作業(yè)進(jìn)行了水下噪聲測(cè)量, 共設(shè)置4個(gè)監(jiān)測(cè)站位進(jìn)行同步測(cè)量, 分別距打樁點(diǎn)50 m、760 m、3 150 m和3 770 m, 如圖1所示, 站位信息見(jiàn)表1。單根打樁作業(yè)持續(xù)時(shí)間約為12 min, 共擊打約718次。因打樁作業(yè)持續(xù)時(shí)間較短, 潮位、風(fēng)速、波浪、水溫等環(huán)境未有明顯變化, 所有本研究可當(dāng)做單根打樁的完整過(guò)程中測(cè)量環(huán)境不變。打樁作業(yè)結(jié)束, 在O2站位測(cè)量了非打樁作業(yè)期間的海洋環(huán)境噪聲(背景場(chǎng))。

圖1 測(cè)量站位和打樁平臺(tái)

表1 測(cè)量站位基本信息

水下打樁噪聲測(cè)量方式, 一般分為船基測(cè)量、錨系測(cè)量、漂流測(cè)量三種。本研究采用錨系測(cè)量, 既可以在打樁過(guò)程中固定測(cè)量點(diǎn)與打樁點(diǎn)距離, 又能夠減少表面波浪、壓力釋放的水空氣界面、以及布放船的干擾。水下聲壓的空間分布是與深度相關(guān)的, 尤其是在水體中聲波波長(zhǎng)的四分之一處, 存在強(qiáng)烈的深度相關(guān)[26]。因此, 水聽(tīng)器不能靠近水面位置布放, 本研究水聽(tīng)器測(cè)量深度放置在1/2水深的下方和距海底2 m之間深度層(見(jiàn)表1)。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

測(cè)量完畢后, 將存儲(chǔ)在SD中的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)出至電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析, 獲取單根樁完整作業(yè)過(guò)程產(chǎn)生水下噪聲的時(shí)域波形圖、脈沖長(zhǎng)度、脈沖間隔、峰值聲壓級(jí)、聲暴露級(jí)、聲壓譜級(jí)、20 Hz～10 kHz頻帶總聲級(jí)等。其中, 單個(gè)脈沖長(zhǎng)度為一次擊打過(guò)程信號(hào)能量從5%增加到95%所經(jīng)歷的時(shí)間, 單位s; 脈沖間隔為兩次相鄰單脈沖的時(shí)間間隔, 單位s; 峰值聲壓級(jí)(SPLpk)指單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)聲壓絕對(duì)值的最大值與基準(zhǔn)聲壓相比取對(duì)數(shù), 單位dB, 基準(zhǔn)值1 μPa, 計(jì)算見(jiàn)公式(1); 聲暴露級(jí)(SEL)[25]指單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)聲壓平方的積分與基準(zhǔn)聲壓的平方相比取對(duì)數(shù), 單位dB, 基準(zhǔn)值1 μPa2·s, 計(jì)算見(jiàn)公式(2); 單根樁作業(yè)需要多次擊打, 從而產(chǎn)生累積效應(yīng), 也即累積聲暴露級(jí), 計(jì)算見(jiàn)公式(3)。聲壓譜級(jí)(PSD)可以用1 Hz帶寬表示, 也可以用1/3倍頻程帶寬表示, 本研究采用后者, 單位dB, 計(jì)算公式見(jiàn)(4); 頻帶總聲級(jí)(p)是指從低頻截止頻率到高頻截止頻率的寬頻帶內(nèi)的聲壓級(jí)求和, 單位dB, 計(jì)算見(jiàn)公式(5)。進(jìn)行頻域分析時(shí), 選擇快速傅里葉變換(FFT)點(diǎn)數(shù)為1 024點(diǎn), Hanning窗, 重疊率50%。

式中,()為單次脈沖時(shí)間序列, 單位為?Pa;ref為參考值, 單位為1?μPa。

式中,()為單次脈沖時(shí)間序列, 單位為?Pa;為信號(hào)持續(xù)時(shí)間, 單位為s;ref為參考值, 單位為1μPa2·s。

SELcum= SELss+ 10log10(), (3)

式中,為脈沖個(gè)數(shù)。

PSD(i) =ps(i) + 10lgΔ, (4)

式中,ps(i)為1/3倍頻程聲壓級(jí),i為1/3倍頻程中心頻率, 單位Hz, Δ為頻率分辨率, 單位Hz。

估算水下打樁噪聲的聲源級(jí)并分析其衰減特性, 對(duì)于分析水下打樁影響海洋生物的范圍是非常重要的。由于水下打樁噪聲產(chǎn)生機(jī)制復(fù)雜, 近距離不能當(dāng)做點(diǎn)源分析, 源級(jí)也存在一定的起伏, 因此使用聲場(chǎng)模型描述傳播衰減過(guò)程存在的一定局限性[25]。聲源從產(chǎn)生點(diǎn)到接收點(diǎn), 由于聲波擴(kuò)散、水體吸收等造成能量的損耗, 要準(zhǔn)確得知聲源源級(jí), 需知道隨距離損耗的量, 一般可以下式(6)計(jì)算:

SL = RL + TL, (6)

式中, SL為聲源級(jí), 即距離打樁聲源1 m處的聲級(jí); RL為聲接收級(jí), 即對(duì)打樁進(jìn)行測(cè)量時(shí)測(cè)量點(diǎn)位置的聲級(jí); TL為傳播損失; 三者單位均為dB。由于RL是根據(jù)實(shí)際測(cè)量計(jì)算出來(lái)的, 為得知SL, TL的計(jì)算是最重要的環(huán)節(jié)?？紤]擴(kuò)展損失和吸收損失, TL一般用下式(7)計(jì)算:

TL =× 10 log+, (7)

式中,為擴(kuò)展損失系數(shù), 與傳播條件有關(guān), 如水深、聲速, 近距離一般為柱面擴(kuò)展, 取值1, 遠(yuǎn)距離為球面擴(kuò)展, 取值2;為吸收衰減系數(shù), 與介質(zhì)有關(guān), 并且隨頻率增高而增大, 對(duì)低頻聲傳播損失影響較小, 一般可以忽略;為傳輸距離。本文利用同一直線上的三個(gè)站位(圖1)實(shí)際測(cè)量得到的峰值聲壓級(jí)平均值, 使用最小二乘法線性擬合, 估算出水下打樁噪聲的峰值聲源級(jí)SL。

2 結(jié)果與分析

2.1 水下打樁噪聲時(shí)域特征

圖2和圖3分別給出了多次擊打過(guò)程中O2站位產(chǎn)生的水下沖擊波串及聲譜圖和不同測(cè)量站位單次水下沖擊波的時(shí)域波形。圖3中可以看出, 距打樁點(diǎn)較近的O1站位形成的沖擊波強(qiáng)度非常高, 隨著與打樁點(diǎn)距離的增大, 水下沖擊波的聲壓值逐漸減小, 但到了遠(yuǎn)距離衰減率變小, 如距打樁點(diǎn)3 150 m和3 770 m兩個(gè)站位測(cè)量得到的峰值聲壓值相差不大, 這種規(guī)律符合聲壓值隨距離呈對(duì)數(shù)衰減的規(guī)律。選取第261次～718次擊打的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析, O1、O2、O3三個(gè)站位的水下打樁噪聲的強(qiáng)度見(jiàn)表2。利用這三個(gè)站位的峰值聲壓級(jí)平均值和聲暴露級(jí)平均值擬合得到的聲傳播衰減曲線表達(dá)式為:

RLpk= 209.4 – 11.3log r, (8)

SEL = 197.7 – 13log r, (9)

其中, 擬合和方差(SSE)分別為0.88、2.31, 均方根誤差(RMSE)為0.94、1.52, 擬合優(yōu)度(2)為0.99、0.98。公式(8)可知, 本次測(cè)量水下打樁噪聲峰值聲源級(jí)為209.4±2 dB, 衰減系數(shù)為11.3, 接近柱狀擴(kuò)展, 這與聲場(chǎng)在淺水中柱狀傳播理論一致, 如圖4所示。同樣利用公式(9)可知, 本次測(cè)量水下打樁噪聲的聲暴露源級(jí)為197.7±2 dB, 衰減系數(shù)為13, 如圖5所示。

根據(jù)國(guó)際水下打樁噪聲測(cè)量位置標(biāo)準(zhǔn), 一般選擇距打樁源750 m的測(cè)量點(diǎn)分析單樁作業(yè)的完整過(guò)程[25]。因此, 本研究選擇相近的O2站位(760 m)進(jìn)行分析。單樁完整作業(yè)過(guò)程, 打樁錘的能量及樁柱入土深度變化和O2站位測(cè)量獲得的峰值聲壓級(jí)分別如圖6和圖7所示。由于樁柱入土深度的變化, 阻力會(huì)逐漸增大, 因此一般打樁作業(yè)過(guò)程, 打樁錘的能量是變化的, 本研究測(cè)量中, 打樁錘能量從100 kJ增加到450 kJ, 樁柱入土深度從12.5 m增加到34.7 m, 如圖6。單樁作業(yè)的初期, 監(jiān)測(cè)的水下沖擊波峰值聲壓級(jí)存在一定的起伏, 分布較離散, 在170～180 dB范圍。隨著打樁錘能量的增加, 輻射至水中沖擊波的峰值聲壓級(jí)趨于穩(wěn)定, 并且在同一能量打樁錘的作用下, 對(duì)應(yīng)的峰值聲壓級(jí)變化不大, 如圖7所示。

圖2 水下打樁沖擊波脈沖串

圖3 不同距離下水下打樁沖擊波波形

圖4 水下打樁噪聲峰值聲壓級(jí)平均值擬合衰減曲線

圖5 水下打樁噪聲聲暴露級(jí)平均值擬合衰減曲線

表2 不同距離水下打樁噪聲的強(qiáng)度

圖6 單樁作業(yè)過(guò)程打樁錘的能量和樁柱入土深度變化

圖7 單樁作業(yè)過(guò)程脈沖峰值聲壓級(jí)

除了峰值聲壓級(jí), 聲暴露級(jí)也是評(píng)價(jià)水中聲波對(duì)海洋生物影響的一個(gè)重要指標(biāo)[23]。聲暴露級(jí)既包含了脈沖信號(hào)的聲壓, 又考慮了脈沖信號(hào)的持續(xù)時(shí)間。因此, 計(jì)算聲暴露級(jí), 需要確定脈沖長(zhǎng)度, 也即5%能量到95%能量累積時(shí)間, 見(jiàn)圖8。本研究單樁完整作業(yè)過(guò)程, O2站位測(cè)量獲得的聲暴露級(jí)隨擊打次數(shù)分布結(jié)果如圖9所示。

圖8 單次打樁脈沖持續(xù)時(shí)間

2.2 水下打樁噪聲頻域特征

海洋生物的聽(tīng)覺(jué)閾值是與頻率相關(guān)的, 即使同樣強(qiáng)度的聲壓信號(hào), 頻率不同對(duì)海洋生物的影響是不同的。水下打樁噪聲的功率密度譜能很好的反映其頻域特性。本研究分析了O2站位測(cè)量獲得水下打樁沖擊波的1/3倍頻程功率譜(頻帶聲壓級(jí)), 如圖10, 圖中同時(shí)給出了測(cè)量海域海洋環(huán)境背景噪聲的功率譜級(jí)。水下打樁噪聲的能量分布在50 Hz～1 kHz范圍, 相比海洋環(huán)境背景噪聲, 提高了40～50 dB。

圖9 單樁作業(yè)過(guò)程脈沖聲暴露級(jí)

圖10 水下打樁噪聲和海洋環(huán)境噪聲1/3倍頻程功率譜圖

3 討論

3.1 大黃魚(yú)聽(tīng)覺(jué)試驗(yàn)

為有效評(píng)估水下打樁噪聲對(duì)魚(yú)類的影響, 聲敏感魚(yú)類的聽(tīng)覺(jué)閾值和影響門限是非常關(guān)鍵的參數(shù)。美國(guó)海洋與漁業(yè)局(NMFS)給出了水下噪聲對(duì)聲敏感魚(yú)類的參考門限值[28], 如表3。但這個(gè)參考門限值僅僅是粗略的表達(dá), 沒(méi)有對(duì)魚(yú)的種類進(jìn)行劃分, 也未對(duì)信號(hào)形式進(jìn)行說(shuō)明。實(shí)際上, 魚(yú)類的聽(tīng)覺(jué)敏感性及可聽(tīng)頻率范圍在不同種類中有相當(dāng)大的差異。石首科魚(yú)類尤以大黃魚(yú)所能承受的水中沖擊波超壓能力較弱。大黃魚(yú)體內(nèi)有充滿氣體的魚(yú)鰾, 并且魚(yú)鰾與內(nèi)耳相連, 外界聲壓的瞬間突變, 會(huì)引起魚(yú)鰾壁的快速運(yùn)動(dòng)并傳至內(nèi)耳, 導(dǎo)致聽(tīng)覺(jué)組織損傷。

表3 水下噪聲對(duì)聲敏感魚(yú)類的參考門限值

大黃魚(yú)是我國(guó)近海主要經(jīng)濟(jì)魚(yú)類, 福建閩東海域是重要的養(yǎng)殖基地。大黃魚(yú)具有明顯的行為聲學(xué)特征, 能夠在一定的時(shí)間和環(huán)境條件下發(fā)聲, 其耳石結(jié)構(gòu)又使其具備靈敏的聲學(xué)響應(yīng)特性, 特定聲信號(hào)刺激能使其行為發(fā)生改變, 甚至死亡?！侗瓢踩?guī)程》(GB6722—2011)首次將水中聲波對(duì)魚(yú)類影響的安全控制指標(biāo)進(jìn)行了說(shuō)明, 其中石首科魚(yú)類在自然狀態(tài)下所承受的水中沖擊波超壓峰值為100 kPa (220 dB), 網(wǎng)箱養(yǎng)殖狀態(tài)下所承受的超壓峰值為50 kPa (214 dB); 《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2014)對(duì)聲波影響下的魚(yú)類指標(biāo)做了進(jìn)一步修訂, 認(rèn)為石首科魚(yú)類在自然狀態(tài)下所承受的超壓峰值為10 kPa(200 dB), 網(wǎng)箱養(yǎng)殖狀態(tài)下所承受的超壓峰值為5 kPa (194 dB)[27]。但實(shí)際工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)這一指標(biāo)值不能完全反映水下噪聲對(duì)石首科魚(yú)類的影響程度, 聲暴露級(jí)也是重要的評(píng)估指標(biāo)。周在明等研究結(jié)果表明水下爆破和濱海山體爆破產(chǎn)生的水下噪聲聲暴露級(jí)大于150 dB時(shí), 會(huì)造成養(yǎng)殖區(qū)大黃魚(yú)的行為異常[23]。本研究模擬現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量獲取的水下打樁噪聲作為聲刺激信號(hào), 針對(duì)網(wǎng)箱養(yǎng)殖大黃魚(yú)中魚(yú)和幼魚(yú)進(jìn)行了聽(tīng)覺(jué)影響實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)在大黃魚(yú)育種國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的水池進(jìn)行, 首先對(duì)水池進(jìn)行了聲場(chǎng)標(biāo)定, 標(biāo)定結(jié)果用于聲刺激信號(hào)的強(qiáng)度選擇和大黃魚(yú)影響門限值的計(jì)算。實(shí)驗(yàn)過(guò)程, 人工結(jié)合水上和水下攝像機(jī)同步觀察記錄大黃魚(yú)的行為響應(yīng)。聲刺激信號(hào)強(qiáng)度以3 dB的梯度逐漸增加, 每個(gè)信號(hào)均發(fā)射6次以上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示, 可以看出, 大黃魚(yú)幼魚(yú)所承受噪聲能力明顯小于中魚(yú), 相同的信號(hào), 聲壓級(jí)還未達(dá)到中魚(yú)的暫時(shí)性聽(tīng)覺(jué)位移時(shí), 小魚(yú)已出現(xiàn)生理?yè)p傷, 并有少量死亡。

表4 水下噪聲對(duì)大黃魚(yú)影響門限值

3.2 水下打樁噪聲對(duì)大黃魚(yú)影響

水下噪聲對(duì)魚(yú)類影響分為行為干擾、聽(tīng)覺(jué)掩蔽、暫時(shí)性聽(tīng)覺(jué)位移、永久性聽(tīng)覺(jué)位移和生理?yè)p傷[29-30]。水下噪聲的峰值聲壓級(jí)和時(shí)間相關(guān)的聲暴露級(jí), 是分析水下噪聲對(duì)魚(yú)類影響的兩個(gè)重要指標(biāo)。對(duì)于水下打樁噪聲, 不同于水下爆破沖擊波, 持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng), 單次擊打約持續(xù)90～100 ms, 而峰值聲源級(jí)相對(duì)較低, 約2 950 Pa (209.4 dB), 低于《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2014)規(guī)定的石首科魚(yú)類承受峰值聲壓值。因此, 此類噪聲不合適采用峰值聲壓級(jí)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。本次打樁測(cè)量計(jì)算得到的聲暴露源級(jí)平均值約197.7 dB re 1μPa2×s, 根據(jù)本研究海域聲傳播衰減規(guī)律和大黃魚(yú)聽(tīng)覺(jué)試驗(yàn)結(jié)果, 利用公式(9)可以推算出單根打樁過(guò)程中, 對(duì)養(yǎng)殖區(qū)大黃魚(yú)幼魚(yú)的行為影響范圍約為16.9 km、生理?yè)p傷影響范圍約為0.35 km; 對(duì)養(yǎng)殖區(qū)大黃魚(yú)中魚(yú)的行為影響范圍約為10 km、暫時(shí)性聽(tīng)覺(jué)位移影響范圍約為0.18 km。由于海洋生物聽(tīng)覺(jué)敏感性是與頻率相關(guān)的, 有必要分析水下打樁噪聲的頻譜分布。大黃魚(yú)的敏感頻段分布在100 Hz～ 1 kHz頻帶內(nèi), 閾值在90～110 dB, 高于相同頻段內(nèi)的海洋背景噪聲級(jí)[20]。圖10可知, 水下打樁噪聲能量分布50 Hz～1 kHz, 與大黃魚(yú)的聽(tīng)覺(jué)敏感頻段相重疊, 因此此類噪聲對(duì)大黃魚(yú)影響較大。圖11給出了O2測(cè)量站位水下沖擊打樁噪聲的頻譜與大黃魚(yú)的聽(tīng)覺(jué)閾值[31]曲線對(duì)比, 可以看出100 Hz～1 kHz頻段, 水下沖擊打樁噪聲的頻帶聲壓級(jí)明顯高于大黃魚(yú)的聽(tīng)覺(jué)閾值, 最大相差35 dB。

圖11 水下打樁噪聲功率譜圖和大黃魚(yú)聽(tīng)覺(jué)閾值曲線

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)福建省興化灣海上風(fēng)電場(chǎng)二期工程建設(shè)期風(fēng)機(jī)樁基打樁作業(yè)輻射水下噪聲監(jiān)測(cè)及時(shí)頻域特性分析, 結(jié)合大黃魚(yú)聽(tīng)覺(jué)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 研究了水下沖擊打樁噪聲對(duì)大黃魚(yú)的影響, 得出了以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1) 水下打樁噪聲呈現(xiàn)為低頻、高強(qiáng)度的脈沖信號(hào), 主要能量分布在1 kHz以下, 單次擊打產(chǎn)生的峰值聲源級(jí)和聲暴露級(jí)分別達(dá)到209.4±2 dB和197.7± 2 dB。

(2) 單根樁柱作業(yè)初期, 760 m測(cè)量點(diǎn)獲取的水下噪聲峰值聲壓級(jí)和聲暴露級(jí)離散分布并存在一定的起伏, 隨著打樁錘能量逐漸增加, 測(cè)量值趨于穩(wěn)定, 并且在同一能量打樁錘的作用下, 對(duì)應(yīng)的測(cè)量值變化不大。

(3) 水下打樁噪聲的聲源級(jí)除與打樁錘能量有關(guān)之外, 還與樁柱參數(shù)密切相關(guān), 如樁材質(zhì)、直徑、長(zhǎng)度、壁厚等。水下打樁噪聲的傳播衰減, 與水文底質(zhì)環(huán)境參數(shù)有關(guān), 如傳輸路徑上的聲速剖面、水深、底質(zhì)類型等。本研究方法適用于所有水下打樁作業(yè), 但研究結(jié)果是針對(duì)特定樁柱特定海域, 僅為相似工程作為參考。

(4) 峰值聲壓級(jí)用于描述聲信號(hào)的最大聲壓值, 與信號(hào)持續(xù)時(shí)間無(wú)關(guān); 而聲暴露級(jí)是描述聲信號(hào)在持續(xù)時(shí)間內(nèi)能量的累積。對(duì)于水下打樁, 峰值聲壓級(jí)不足以表征打樁啟動(dòng)和停止時(shí)間內(nèi)的信號(hào)能量, 因此應(yīng)采用峰值聲壓級(jí)和聲暴露級(jí)相結(jié)合評(píng)價(jià)大黃魚(yú)的影響程度。水下打樁噪聲頻域能量分布與大黃魚(yú)的聽(tīng)覺(jué)敏感頻段相重疊, 此類噪聲對(duì)大黃魚(yú)影響程度和范圍較大, 短期會(huì)干擾大黃魚(yú)的行為甚至聽(tīng)覺(jué)位移、生理?yè)p傷, 造成養(yǎng)殖戶利益損失。

(5) 為減緩水下打樁噪聲對(duì)附近大黃魚(yú)的影響, 對(duì)于自然環(huán)境下的魚(yú)類, 一般采用軟啟動(dòng)作業(yè), 打樁錘低能量緩慢啟動(dòng)過(guò)程中, 讓打樁點(diǎn)附近的魚(yú)類逃離危險(xiǎn)區(qū)域; 對(duì)于養(yǎng)殖區(qū)魚(yú)類, 可通過(guò)單層或多層氣泡帷幕、樁體隔離套管來(lái)減弱輻射至水中的聲波強(qiáng)度, 也可以通過(guò)搬遷養(yǎng)殖區(qū)。

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Impact of pile driving underwater noise from offshore wind turbines on the large yellow croaker ()

NIU Fu-qiang1, LI Zhi2, XUE Rui-chao1, YANG Yan-ming1, MA Li1

(1. Third Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources, Xiamen 361005, China; 2. Fujian Energy Investment Co. Ltd, China Three Gorges Corporation, Fuzhou 350001, China)

offshore wind turbine; underwater pile driving noise; sound exposure level; large yellow croaker (); environmental assessment

Pile-driving for wind turbines radiates high-intensity underwater noise during offshore wind farm construction. Therefore, it is imperative to study the measuring methodologies, underwater noise characteristics, and the impact on marine life. In the present study, underwater noise was measured synchronously at multiple stations using a self-contained underwater sound recorder during the entire piling at the construction phase of the Xinghua Bay offshore wind farm phase II project in Fujian Province, China. The sound source level and sound exposure level of noise were obtained by Least-squares fitting after a time and frequency domain analysis. The results showed that underwater noise for piling is a typical low-frequency, high-intensity impulsive noise of a 90 and 100 ms duration, a peak sound source level of 209.4 ± 2 dB, and an average sound exposure level of 197.7 ± 2 dB for a single pulse. The dominant energy of the piling noise was distributed in the 50 Hz to 1 kHz frequency band. The sound pressure level was increased by 40–50 dB in the band at the same measurement station, compared to the ambient noise at 750 m distance from the pile-driving station. Because the energy distribution of underwater piling noise overlaps with the auditory sensitive frequency band of a sizeable yellow croaker in the frequency domain, the piling noise will considerably impact the fish. The sound exposure level should be used as an evaluation index in practical engineering applications.

Oct. 19, 2020

General Program of National Natural Science Foundation of China, No. 419766175; Project supported by China Three Gorges Corporation, No. CTGFB/0002-2018; Project supported by the Natural Science Foundation of Fujian Province, China, No. 2020J01696]

P733.2

A

1000-3096(2021)08-0060-09

10.11759/hykx20201019001

2020-10-19;

2020-12-18

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41976175); 中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司資助項(xiàng)目(CTGFB/0002-2018); 福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2020J01696)

牛富強(qiáng)(1981—), 男, 山東成武人, 副研究員, 博士, 從事海洋聲學(xué)研究, 電話: 0592-2195519, E-mail: niufuqiang@tio.org.cn; 楊燕明(1966—), 通信作者, 博士, 研究員, E-mail: yangyanming@tio.org.cn

(本文編輯: 康亦兼)