牛富強,李智,薛睿超,馬麗,楊燕明

(1.自然資源部第三海洋研究所 廈門 361005;2.長江三峽集團福建能源投資有限責任公司 福州 350001)

0 引言

隨著海洋經濟開發(fā)利用的升溫,我國海洋工程數量不斷增加。據統(tǒng)計,我國圍填海、海上堤壩、跨海橋梁、海底管道、海洋礦產資源勘探開發(fā)等海洋工程數量以每年400多個快速遞增,這些涉海工程建設及民用船運增加等帶來的水下噪聲污染,給賴以回聲定位系統(tǒng)生存的海洋哺乳動物和部分魚類帶來影響甚至傷亡[1-2],影響了海洋生物多樣性。人為水下噪聲對海洋生物影響研究,已成為國際社會的關注熱點[3-5]。《國際保護野生動物遷移公約》敦促各成員國應進行水下噪聲的環(huán)境評價并采取緩解措施,形成水下噪聲影響海洋生物的評估指南。2018年6月18—22日,聯合國UN(United Nations)召開的第十九屆海洋與海洋法非正式磋商會議(ICP-19)主題即為“人為水下噪聲”,會前號召各國提交有關水下噪聲對海洋生物影響的科研素材,然而我國因相關研究匱乏而沒有提交資料,限制了話語權。認識和了解水下噪聲對海洋哺乳動物、魚類以及其他生物的影響,對海洋生物多樣性和海洋生態(tài)環(huán)境保護具有重要意義。目前,水下噪聲對海洋生物的影響程度、評價標準、管控機制仍不健全,亟須不斷完善。為評價水下噪聲對海洋生物影響,水下噪聲的規(guī)范測量是關鍵技術。

水下沖擊打樁是一種典型的人為水下噪聲源,廣泛存在涉海工程建設中,如近海海上風電場建設,近海油氣工業(yè)平臺施工和錨系,跨海、河口、港口、碼頭等基礎和橋梁支撐建設,水上可再生能源設備的錨系和安裝等。打樁作業(yè)過程,聲源從水表面延伸至海底或河底,將產生水中聲波、空氣中聲波、海底聲波和海底表面振動等;而淺水環(huán)境引起大量的混響、水體和海底或河底的相互作用,強烈地影響聲音傳播。水下沖擊打樁產生聲音的機理復雜,雖然理論建模已經成為評估打樁水下噪聲的有效手段之一,但這種手段預測水下噪聲需要大量的參數,如樁基、水文、底質等,并且準確度難以驗證,不適合實際涉海工程應用。因此,打樁作業(yè)期間的水下噪聲測量非常必要。

國外開展了較多水下打樁噪聲的測量,但由于采用不同的聲學指標,造成方法之間對比困難,并且往往只能為個別國家的需求提供指導[6-10]。德國規(guī)定水下沖擊打樁噪聲測量通常在750 m的距離點進行;美國的測量距打樁點通常為10 m;而英國和荷蘭通常在多個距離點測量[10-11]。為規(guī)范水下沖擊打樁噪聲測量,2017年,國際標準組織(International Organization for Standardization,ISO)頒布了通用的測量標準[12]。國內開展相關研究較晚,蘇冠龍等[13]測量了廈門五緣灣碼頭擴建工程水下打樁噪聲,監(jiān)測點距打樁點約50 m;吉新磊等[14]對海上風機打樁水下噪聲進行了監(jiān)測,監(jiān)測點同樣為50 m;時文靜等[15]洪湖新港施工中的打樁作業(yè)進行了水下噪聲監(jiān)測,監(jiān)測點距打樁點分別為59 m、102 m、186 m和362 m;汪啟銘[16]采用走航式測量法在距打樁點200 m、500 m和1 000 m處對水下打樁噪聲進行了監(jiān)測?？傮w看,目前國內開展水下沖擊打樁噪聲測量較少,監(jiān)測距離、監(jiān)測設備、監(jiān)測方式以及分析指標存在差異,缺乏統(tǒng)一的水下沖擊打樁噪聲測量標準,實際涉海工程中,測量結果的準確性難以保證,給后續(xù)影響評價造成困難。因此,本研究從聲學指標、測量系統(tǒng)、測量布放、聲學測量配置、測量不確定性等方面,詳細闡述了水下沖擊打樁噪聲的測量系統(tǒng)、方法和步驟,能夠應用于不同法規(guī)需求,形成水下沖擊打樁噪聲測量標準,為監(jiān)管機構要求的環(huán)境影響評、海洋生物生態(tài)保護等提供技術支撐。

1 測量系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

水下沖擊打樁噪聲測量系統(tǒng)應包括測量水聽器(陣)、信號調理、數據采集、數據存儲等(圖1)。測量系統(tǒng)可由上述單個部件由電纜連接而成,也可作為一個集成系統(tǒng),提供自容式記錄系統(tǒng)。

圖1 測量系統(tǒng)

測量水聽器應具有全方向性響應,其靈敏度應根據待測量聲壓幅度來選擇一個恰當值。對于低幅度值的信號,為避免低信噪比,應選擇高靈敏度水聽器;對于高幅度值的信號,為避免非線性、剪切和系統(tǒng)飽和,應選擇低靈敏度水聽器。由于水下沖擊打樁屬于高幅度聲壓,并且測量信號的畸變會使得失去測量值,因此靈敏度的選擇對于水下沖擊打樁的測量是非常重要的。為了增加適應性,在信號放大階段或模數轉換過程中,最好具有一些可選擇的增益。一旦一些初始測量值確定聲級之后,就可以將這些值設置為合適的值。注意對于自主式和水聽器含有集成前放增益的測量系統(tǒng),布放之后增益通常是不能修改的。如果實際工程中,需要測量海洋背景噪聲,應選擇低噪聲、高靈敏度的水聽器。信號調理部件可以作為系統(tǒng)獨立單元用于調整增益,或者作為固定增益集成在水聽器中。為滿足實現測量位置的最高預期聲壓,能夠如實記錄外界信號而不會引起由水聽器和模數轉換器帶來的失真或過載,需要選擇合適的調整增益。

數據采集的頻率響應具有足夠高的頻率,至少應為最高分析頻率的2.56倍～4倍,使得待測量信號的所有感興趣頻段的記錄都是可信的。對于水下沖擊打樁測量,理想的最小采集頻率范圍要求小于或等于20 Hz,且大于或等于20 k Hz。但在非常淺的水域,由于低頻聲波不能傳播,不足20 Hz的聲音頻率測量是非常困難的[17]。此外,低頻率的聲信號,普遍會受到諸如流噪聲和電纜抖動的影響。因此實際工程測量中,一般不對20 Hz以下頻段進行分析。如實記錄水下沖擊打樁聲壓信號的幅度,需要足夠的測量動態(tài)范圍,一般要求超過60 dB。數據存儲容量應滿足一個測試周期、采樣率和通道數同時連續(xù)工作的需要。如果為了增加存儲容量,通常使用數據壓縮格式,但使用的數據壓縮技術應是無損的,或者對數據的影響應加以闡明。為便于后續(xù)數據分析,應該存儲任何關鍵輔助數據或元數據,例如時間、增益、采樣率等。

1.2 系統(tǒng)校準

整個測量系統(tǒng)應該在感興趣的頻帶內進行校準,包括水聽器、放大器、采集系統(tǒng)等。水聽器校準應采用國內或國際標準,在專門的計量部門進行。水聽器校準數據通常以一系列離散頻率表示,或以校準曲線的形式表示。如果在對水聽器靈敏度進行校正之前,記錄的數據已被處理為1/3倍頻程,所需的校準值是每個頻帶的平均靈敏度。如果水聽器靈敏度曲線不是平的,就不能假定頻帶內是一個常數值。放大器和采集系統(tǒng),目前國內還未有專門的計量部門,一般采用自?；虮葘Φ姆绞?。校準后,水聽器和采集系統(tǒng)的不確定度能夠優(yōu)于1 dB(以95%置信區(qū)間表示)。校準的時間周期一般不超過兩年,并且長期布放和海上試驗前后,還應進行現場校準檢查?，F場校準檢查,通常使用一個商用的水聽器校準器(如B&K4229),它能為水聽器提供在某個頻率(通常250 Hz)已知幅度的信號。校準器通常由一個空氣活塞話筒組成,當水聽器插入一個小型耦合器時,會產生一個已知聲壓級的信號。當插入水聽器時,聲壓取決于耦合器內的自由體積,可為每種類型的水聽器校準。雖然該校準器只提供一個頻率的檢查,但它能夠滿足實際工程測量需求。

2 測量布放

2.1 測量方式

水下沖擊打樁噪聲測量方式一般包括船基測量、錨系測量和漂流測量3種。船基測量系統(tǒng)放置在船上,可實時記錄顯示;錨系測量和漂流測量一般采用自容式測量。

船基測量時,從一艘拋錨或漂泊的船上布放水聽器(單獨地或組陣),分析和記錄設備仍舊留船上。這種方法優(yōu)點是布放快速、可移動,并且可以相當經濟有效地覆蓋一個相對較大的區(qū)域;設備丟失的風險低,能夠實時監(jiān)測獲取的數據,及時調整設備參數設置以獲取最佳質量數據(如避免失真和飽和)。這種方法適合測量水下沖擊打樁噪聲,特別是需要去測量作為聲源距離函數的聲場,但易受到某些類型的平臺相關噪聲的影響。

錨系測量系統(tǒng)是一個相對船基測量更好地替代系統(tǒng),能夠提供打樁過程中多個固定距離的測量。當聲源輸出隨距離變化時(通常出現在沖擊打樁),這種方式是非常重要的。相對于船基測量,底部錨系測量能夠更好地減少表面波影響產生的寄生信號、水聽器遠離壓力釋放的水空氣界面以及減少布放船的干擾。對于錨系測量系統(tǒng),經濟可行的是采用自容式記錄儀。該系統(tǒng)布放回收需要一個聲學釋放器或一個與海底錨系相連的表面浮標,能夠保證記錄儀被拖出水面。目前,實際工程應用中多采用這種測量系統(tǒng)。

漂流測量系統(tǒng)通常由一個水聽器和記錄儀組成,與浮標或垂錨連接,隨海流自由漂流。該系統(tǒng)流噪聲影響較小,適用于高潮流區(qū),但對漂流方向的控制存在局限性,測點距打樁點的距離變化較大。如果漂流系統(tǒng)帶有一個GPS接收機用于提供位置數據,就能計算與打樁點的距離,從而減輕這種局限性。

水下聲壓的空間分布是與深度相關的,尤其是在水體中聲波波長的1/4處,存在強烈的深度相關。因此無論何種布放方式,水聽器均不能靠近水面位置布放。水聽器的布放深度應放置在1/2水深的下方,在距海底2 m和整體水深的1/2之間[18]。如果上述深度不切實際或者有需求去研究噪聲對海底生物的影響,可以把水聽器放置在海底測量。實際工程測量中,通常采用多個水聽器,一是當一個水聽器或測量通道發(fā)生故障時,可以實現備份;二是相比單個水聽器或單通道,選擇兩個具有不同靈敏度的水聽器,能夠獲得更大的動態(tài)范圍;三是使用多個水聽器能夠對測量數據進行平均。如果使用兩個水聽器,建議布放深度為1/2水深以下的兩個深度,理想的是在1/2水深和3/4水深之間,并且盡可能使兩個水聽器相距最大化。

2.2 布放噪聲減緩建議

除了測量系統(tǒng)本身的自噪聲,測量數據也會被來自平臺或布放方式的噪聲污染,稱為“平臺噪聲”或“布放噪聲”。這些噪聲信號是由于水聽器和測量系統(tǒng)的布放方式及其與周圍環(huán)境的相互作用引起的,如海流、波浪等,通常是很難預測或檢測。布放平臺相關噪聲一般會增加系統(tǒng)自噪聲和背景噪聲,因此設計測量系統(tǒng)及布放方式時,應盡量避免來自這些信號的污染。下面闡述一些常見的產生布放系統(tǒng)自噪聲的信號源,并給出減緩的建議。

(1)流噪聲:介質相對于水聽器或電纜的任何流動,都會在低頻段引起湍流壓力波動,這些波動將引起一個壓敏水聽器的感應,稱為流噪聲。這種噪聲在水聽器周圍的湍流層中產生,并產生與水聽器直徑和流速相關的低頻信號(小于100 Hz)。在高流速環(huán)境下,這是主要噪聲源。對于自容式記錄儀,水聽器從記錄儀主體突出來,加大了記錄儀外殼末端的湍流,會激發(fā)強烈的流噪聲。強烈的流體流動也可能引起錨系的振動,并在記錄儀體內激發(fā)共振。布放時,宜采用導流罩或透聲防護物,使湍流層遠離水聽器。然而,這類噪聲很難消除,減緩效果微小。因此,實際工程中,水聽器應盡量靠近海底布放,或在潮流最小的平潮時測量。也可以采用隨海流自由漂移的漂流系統(tǒng),使水聽器和介質的相對運動大大減小來減緩流噪聲。

(2)電纜振動:當電纜被海流拉緊時,就會產生電纜振動噪聲。由于電纜周圍的海流作用引起電纜振動,從而產生低頻干擾信號。這種信號可通過底部錨系布放和使用圍繞電纜、記錄儀主體的螺旋形機械整流罩減緩[19]。如果使用表面布放,可以用彈性繩或易彎曲的圓圈實現水聽器與電纜之間的去耦合。

(3)表面起伏:任何表面布放的系統(tǒng),如附屬在表面浮標或船上,都會存在被波浪影響的危險。雖然浮標或船只隨水表面移動,但懸浮在水中的水聽器不太可能精確地跟隨移動,這會帶來水聽器深度的改變,生成非常低頻的流體靜壓力起伏。這些流體靜壓力起伏會被水聽器感應,雖然它們是低頻的,但具有一個相對高的幅度,因此要求一個高動態(tài)范圍的系統(tǒng)以避免記錄儀模數轉換器的失真和飽和。使用一個底部錨系框架或水下浮標固定水聽器/記錄儀在海底而非海表面,將會減少表面起伏帶來的影響。如果使用表面布放,可以用彈性繩或運動阻尼器實現水聽器與電纜之間的去耦合。由于這類信號頻率是非常低的(<10 Hz),因此可使用一個高通電子濾波器來消除信號。為了避免飽和,這應該在模數轉換之前進行。許多商業(yè)水聽器含有前置放大器,內置的高通濾波器的截止頻率在5 Hz～10 Hz,以減輕該類信號。

(4)船噪聲:船基測量時,在船操作限制和安全工作范圍內,應盡量在安靜的條件下進行。理想條件下,應該關閉船的發(fā)動機,測量儀器從干電池供電,并且機器和船員在船上發(fā)出的噪聲越少越好(測量期間發(fā)動機工作狀態(tài)應在結果中闡述)。如果船載測深儀產生的頻率在待測量信號的頻率內,測量期間應關閉測深儀。船基測量時,波浪作用到船體的聲音(有時稱“波浪拍擊”),也會影響測量結果。一般通過調整船只順著波浪的方向,使用浮球和浮標連接水聽器長電纜以增加水聽器距船體的距離來減少影響。

(5)機械噪聲:機械噪聲主要包括懸浮物撞擊水聽器的噪聲、水聽器與電纜相互摩擦聲、錨系系統(tǒng)的摩擦、生物摩擦噪聲等。錨系系統(tǒng)有可能相互碰撞的任何部分,都會產生機械噪聲,尤其是錨系中包含金屬零件時(如鏈條)。減緩這類機械噪聲,應采取如下措施:①盡可能避免在支架和錨系中使用金屬錨鏈;②避免金屬與金屬連接;③通過電纜與隔振器(兼容的耦合器)連接,避免水聽器接觸支撐電纜。

2.3 測量站位和頻次

2.3.1 測量站位

測量站位的選擇應至少滿足下面的要求之一:①固定某一個站位測量,以監(jiān)視聲源輸出,與其他水下沖擊打樁事件比對;②測量站位設置以評估環(huán)境影響評價、環(huán)境影響報告或環(huán)境報告中預測的精度;③在允許與標準閾值比較的范圍內進行測量,例如,預期在哪些會超過特定的影響標準;④在特定站位測量,如存在特定種類的海洋生物的區(qū)域。

(1)離岸測量:主要指海區(qū),包括沿海地區(qū)、區(qū)域海洋和大陸架,但不包括港口、沿海入口、內河航道、河口及河流。對于離岸水下打樁輻射噪聲測量,應至少設置一個測量站位。僅設置一個測量站位時,應盡可能地設置在距打樁源750 m處,并且測量覆蓋整個打樁周期。根據測量需求,需要多個站位測量時,這些站位應盡可能分布在距打樁點不同的方位角。為了監(jiān)測海洋動物影響區(qū)域的臨界值,距聲源較遠距離的測量是需要的,在這些距離由于傳播損失,聲信號已經有明顯的衰減。為獲得聲學指標隨距離衰減的經驗估計,測量也可以作為距離的函數,沿著某一個固定的方位角遠離聲源的橫斷面設置至少3個站位。為了避免水深折射效應,這個方位角不能平行于傾斜的海岸線[20],水深不存在顯著變化。

(2)近岸測量:主要指海區(qū)或水區(qū),包括港口、沿海入口、內河航道、河口及河流,但不包括沿海地區(qū)、區(qū)域海洋和大陸架。對于近岸水域,例如,河口、港口等,測量要求與離岸海域是不同的,尤其750 m測量站位是不恰當甚至不可能的。在這些環(huán)境下,靠近樁基測量是必要的,并且應遵循上述的測量站位標準和水聽器深度布放標準。僅設置一個測量站位時,應是距打樁點3倍于打樁點水深的距離。多個站位測量時,站位應盡可能分布在距打樁點不同的方位角。一般不需要進行橫斷面測量。

無論何種測量,均需要進行工程海域的背景噪聲測量。背景噪聲測量可以在打樁前后進行,也可以在打樁期間任何重大間隔時間內進行,測量站位一般選擇任何一個打樁點或者具有代表性的站位。測量頻段應覆蓋20～20 000 Hz,通常用1/3倍頻程表示。

2.3.2 測量頻次

水下打樁噪聲與樁基的類型、尺寸、打樁機的功率等有關。對于同種類型和尺寸的樁基,應至少進行一次測量。實際工程中,需要進行多個樁基打樁作業(yè),一般應在打樁初期和高峰期各進行一次測量。為了將水下噪聲值表征為時間的函數,需要在一段時間內進行測量,并且應覆蓋打樁機的任何輸出功率變化。

3 測量數據處理

3.1 術語與定義

水下沖擊打樁噪聲一般采用如下參數描述:脈沖持續(xù)時間、脈沖間隔時間、峰值聲壓級、聲暴露級、信噪比、聲壓譜級、頻帶總聲級等。

(1)脈沖持續(xù)時間:一次擊打過程,百分比能量的持續(xù)時間,一般指信號能量從5%增加到95%所經歷的時間,單位s。

(2)脈沖間隔時間:兩次相鄰單脈沖的時間間隔,單位s。

(3)峰值聲壓級:單個脈沖持續(xù)時間內聲壓絕對值的最大值與基準聲壓相比取對數,單位d B,基準值1μPa,計算公式如下:

式中:p(t)為單次脈沖時間序列,單位為Pa;pref為參考值,單位為μPa。

(4)聲暴露級:單個脈沖持續(xù)時間內聲壓平方的積分與基準聲壓的平方相比取對數,單位為dB,基準值為1μPa2·s;單根樁作業(yè)需要多次擊打,從而產生累積效應,也即累積聲暴露級,計算公式如下:

式中:p(t)為單次脈沖時間序列,單位為Pa;T為信號持續(xù)時間,單位為s;pref為參考值,單位為μPa。N為脈沖個數;SELss為聲暴露級;SELcum為累積聲暴露級。

(5)信噪比:處理后的均方根帶寬打樁信號電壓與均方根帶寬背景噪聲電壓之比,單位dB。作為一個帶寬量值,信噪比通過一個指定的頻帶來評估,一般是整個感興趣的頻帶,對于本研究規(guī)定20～20 000 Hz,或者指定的1/3倍頻程頻帶。

(6)聲壓譜級:在某一頻率的聲壓譜密度與基準聲壓譜密度,用于描述信號功率隨頻率的分布?？梢杂?Hz帶寬表示,也可以用1/3倍頻程帶寬表示,單位dB,計算公式如下:

式中:Lps(fi)為1/3倍頻程聲壓級;fi為1/3倍頻程中心頻率,單位Hz;Δf為頻率分辨率,單位Hz;pf為實測聲壓數據的傅立葉變換;pref為參考值,單位為μPa。

(7)頻帶總聲級:從低頻截止頻率到高頻截止頻率的寬頻帶內的聲壓級求和,單位dB,計算公式如下:

3.2 處理步驟

對于測量記錄得到的數據,首先需要手動或自動提取打樁期間單次擊打所產生的各個脈沖信號,然后選擇一部分或者全部信號進行后續(xù)分析。水下打樁脈沖信號信噪比較高,一般采取信號能量與背景噪聲能量之比進行自動檢測,設定一個檢測門限,取能量比最高值作為信號出現的位置,如果該值大于檢測門限值,即可判斷為真實信號,再通過加窗根據能量累積時間自動提取信號的起始和結束時間。完成信號提取之后,應用時域分析、頻域分析以及時頻分析等技術進行計算,得到上節(jié)所敘述的特征參數。

3.3 測量不確定性

有兩類不確定性,分別為隨機不確定性和系統(tǒng)不確定性。隨機不確定性,可以通過一定數量的重復測量和檢查結果中的統(tǒng)計分布來評估。但對于水下打樁,如果測量的事件是唯一的,因此可能無法進行重復測量。該類別不確定性是測量精度的度量,如果測量結果可重復且結果偏差較小,則可以實現高精度測量。系統(tǒng)不確定性,代表測量中可能出現系統(tǒng)性偏差的可能性,如由不恰當的儀器校準引起的。該類別不確定性無法通過重復測量進行評估,而應考慮影響測量精度的潛在因素。對于水下打樁噪聲,測量不確定性主要來自測量設備的校準、布放以及聲源和接收位置測量等。在實驗室條件下一般以0.5 dB的不確定度校準水聽器,整個測量系統(tǒng)的不確定度可以在1 dB以上。海洋中實現高精度位置測量是困難的,水下打樁噪聲源和接收站位的位置,通常采用GPS或激光測距設備,雖然設備精度能滿足測量需求,但仍不可避免地存在不確定性。如果聲源和接收距離短,則相對不確定性更大。近距離測量,適合采用激光測距設備;而遠距離(幾百米),適合采用GPS。盡管2.2節(jié)已闡述了布放噪聲的減緩措施,但完全消除是不太現實的,不確定性分析中應該考慮布放噪聲的影響。

4 結語

為研究影響評價,估算噪聲源的源級以及聲源和接收點之間傳播路徑的聲能量損失是非常必要的。由于水下沖擊打樁噪聲產生機制復雜,近距離不能當作點源分析,源級也存在一定的起伏,因此使用聲場模型描述傳播衰減過程存在的一定局限性,并且聲場模型計算時需要同步的水文、底質等環(huán)境參數,增加了測量成本,實際工程應用中可行性較小?；诒疚姆椒?可獲取不同接收點的聲場值,進而擬合估算出聲傳播衰減規(guī)律和聲源級,也可用于聲場模型輸出值的檢驗。水下輻射噪聲對海洋生物的影響評價不屬于本文研究范圍,因此不進一步展開論述。

本方法可用于近海(水深大于4 m小于100 m)水下沖擊打樁作業(yè)期間輻射水下噪聲聲壓測量,其適用范圍不包括由聲波傳播引起的水體中質點振動速度測量或聲波在海底傳播引起的海底振動測量,當然振動測量對于評估海洋生物的影響也是非常重要,只是目前水下振動測量方法還不成熟,無法形成標準測量方法。這會在一定程度上影響涉水下沖擊打樁對海洋生物影響評價結果的科學性,因此今后的研究中需增加或完善水下振動測量。