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]。海上风电场作为一种可再生能源成了传统能源的替代品^[2]。近年来, 开发海上风电已逐渐成为世界各国共识。为促进我国风电产业持续健康发展, 2012年7月国家能源局发布了《风电发展“十二五”规划》, 海上风电场越来越成为我国能源版图中的重要组成部分。2014年12月国家能源局印发《全国海上风电开发建设方案(2014-2016)^[3], 对我国近海风电场开发建设进行进一步的规划设计。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。

我国近海海上风电场的建设数量逐年增加, 海上风电场建设过程中风机打桩成为近海环境的主要噪声污染源。有些人为活动如水下爆破、打桩和油气勘探等产生的高强度噪声(冲击波)会对鱼类的听力系统造成永久性伤害或直接导致死亡^[4-6], 而长期存在的低强度船舶噪声可能会使鱼类等海洋生物间交流、繁殖能力降低^[7]。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开展了相关研究^{[3, 8]}, 我国在这方面的工作相对欠缺、薄弱。因此, 迫切需要对海上风机打桩水下辐射噪声特性进行研究, 这对于海水养殖业和以海洋动物为主的海洋生物保护具有重要意义^[9]。

1 调查海区与测量方法 1.1 测量海区概况

国家电投滨海海上风力发电有限公司于2015年6月启动建设滨海北区H1# 100 MW海上风电项目, 项目位于滨海北部中山河口至滨海港之间的近海海域, 海底地质主要由冲淤造成, 是侵蚀性粉砂淤泥质^[10]。滨海港水域港界西北侧, 离岸距离7.5 km, 水深6~13 m, 多年平均风速为2.49 m/s, 风电场形状呈矩形, 平行于海岸线方向的距离约为5.6 km, 垂直于海岸线方向的平均距离约为2.8 km。如图 1。

1.2 测量方案

2016年4月23日-24日租用渔船对中电投15#号风机打桩水下噪声进行监测, 单根钢管桩(直径为4.60~6.50 m)。此次监测站点水深10 m距离打桩点50 m的位置, 对1 m和5 m水深的环境噪声同时进行监测。调查当天海况3级, 风速1.9~3.1 m/s。

HTI-96-MIN水听器(灵敏度–165 dB参考1V/μPa)监测采集到的打桩辐射噪声, 利用Song Meter SM2+声学记录器存储为WAV格式, 采样频率为44 100 Hz。在监测站位为不同水深对一次完整的打桩过程进行监测, 每次测量时间不少于2 min。使用FYF-1三杯风速风向表、DYM3空盒气压表和WHM5温湿度表记录监测站位风速、气温、气压和湿度。

到达监测站位后, 调查船发动机以及任何可能产生噪声的设备全部关闭, 船上的工作人员禁止大声说话。水听器距离船沿一定距离垂直投放到水中, 达到监测水深时, 利用Song Meter SM2+声学记录器开始对水下噪声进行记录。如图 2

1.3 测量数据处理

对测量过程中记录的水下噪声文件, 采用已经编程好的MATLAB程序进行数据处理, 以获取水下噪声时域信号图, 功率谱、1/3倍频程功率谱级图等, 同时分析产生在打桩过程中水下辐射噪声的声压级随时间的变化等参数。其中水下噪声频带声压级L_pf、水下噪声谱级L_ps计算公式如公式(1)和公式(2)所示:

$ {L_{{\rm{pf}}}} = 20\lg \frac{{{p_{\rm{f}}}}}{{{p_{\rm{0}}}}} $

(1)

式中, L_pf—噪声频带声压级, 单位为dB; p_f—测得的一定带宽噪声声压, 单位为Pa; p₀—基准声压, 单位为Pa, 通常取p₀=1V/μPa,

$ {\mathit{L}_{{\rm{ps}}}}{\rm{ = }}{\mathit{L}_{{\rm{pf}}}}{\rm{ - 10lg}}\Delta \mathit{f} $

(2)

式中, L_ps—噪声谱级, 单位为dB; L_pf—测得的中心频率为f的频带声压级, 单位为dB, 基准值为1 μPa; Δf—带通滤波器的有效带宽。

2 监测结果分析 2.1 背景噪声

结合《海上工程环境影响评价技术导则》^[11]和《声学水下噪声测量》^[12](GB/T5265-2009)的技术要求在距离在距风电场外部界限3.5 km处进行背景海洋环境噪声测量, 测量期间风电场区域内没有其它施工。在对3 m水深处海洋环境噪声进行监测。监测结果如图 3所示。

从图 3中可知, 在距离风电场3.5 km处进行背景海洋环境噪声测量的结果可以看出, 海洋环境噪声随频率的增加而减小。在频率为1 000~2 000 Hz水下噪声有一较大的波动, 波动范围在3~5 dB。该站位点监测到的噪声是在此海域没有任何施工工况情况下测得的, 与Wenz声压谱密度级曲线图基本吻合^[11], 它代表该海域背景海洋环境噪声水平。对打桩前背景噪声的监测, 1 000~1 200 Hz中有明显水下声压级升高过程, 与Wenz声压谱密度级曲线推测产生这种现象的主要原因是在打桩前工程船的准备工作产生的噪声对水下声环境的影响造成的^[13-14]。

2.2 打桩施工水下噪声特性

打桩过程中对距离打桩点50 m处水下辐射噪声进行监测, 选取一段具有连续打桩过程的数据采用matlab处理采集数据, 此次监测获得的环境噪声时域信号如图 4。

通过图 4可知打桩产生的噪声信号为脉冲信号, 距离打桩点50 m处1 m水深产生的脉冲信号持续时间为0.2 s左右; 同一距离同一时间5 m水深, 脉冲信号持续时长约为1 s, 后者的持续时间显著较长, 此乃由打桩声脉冲经海面、海底反射并和直达声脉冲叠加在一起, 即近场多途叠加的结果^[15]。

连续打桩产生了连续的声脉冲, 单个打桩声脉冲持续时间短, 瞬间能量大, 距离打桩点50 m处单个打桩声脉冲时域信号和声压级, 如图 5。

可见, 打桩瞬间附近噪声突然大幅上升, 距离打桩点50 m处1 m水深的水下噪声由原来的130 dB左右, 瞬间脉冲声压级突增至近180 dB, 波动幅度达到50 dB左右。距离打桩点50 m处5 m水深的单个打桩声脉冲信号持续时间较长达1 s左右, 其时域信号和声压级见图 5, 由于浅海上下边界的反射作用, 使得打桩声脉冲持续时间拓展, 并出现多个大小不等的峰值, 相应的噪声声压级同样出现多个峰值。

图 6是不同水深处打桩噪声谱级与背景噪声的对比, 可见打桩过程中噪声谱级明显高于背景值, 在20~20 000 Hz频段, 打桩噪声级高于工程前该海域背景环境噪声谱级约30~65 dB, 100~1 000 Hz频段打桩噪声谱级具有整体升高的趋势且出现多个峰值。打桩过程产生的水下噪声使得该海域环境噪声整体升高, 对100~1 000 Hz的影响尤为明显。对打桩过程中的水下噪声监测数据进行1/3倍频程谱级处理, 结果如表 1所示。在打桩过程中1、5 m水深处接收到的水下噪声峰值声压级均位于200 Hz频率, 其1/3倍频程带声级分别为164.17 dB和162.84 dB。高于1 000 Hz时, 随着频率的增加, 1/3倍频程谱级逐渐减小。总之, 100~1 000 Hz频段谱级增加最大, 对海洋环境的影响最明显。

3 打桩噪声对海洋生物的影响

根据本次对对中电投15#号风机进行打桩水下辐射噪声监测结果和浅海Marsh和Schulkin半经验公式可以计算出打桩辐射噪声脉冲声源级, 浅海传播Marsh和Schulkin半经验公式传播损失^[16]:

$ R = {\left[ {\frac{1}{3}\left( {H + L} \right)} \right]^{\frac{1}{2}}} $

(3)

H水深, km; L混合层深度, km; R为参考距离, km。

r＞R时

$ {\mathit{T}_{{\rm{L}}}}{\rm{ = 20lg}}\mathit{r}{\rm{ + }}\mathit{\alpha r}{\rm{ + 60-}}{\mathit{k}_{\rm{L}}} $

(4)

α为海水吸收系数dB/km, k_L为近场传播异常dB。

R＜r＜8R时

$ {T_{\rm{L}}} = 15\lg r + \alpha r + 60 + {\alpha _{\rm{T}}}\left( {\frac{r}{H} - 1} \right) + 5\lg H - {k_{\rm{L}}} $

(5)

α_T为浅海衰减系数。

r＞8R时

$ {T_{\rm{L}}} = 10\lg r + \alpha r + 64.5 + {\alpha _{\rm{T}}}\left( {\frac{r}{H} - 1} \right) + 5\lg H - {k_{\rm{L}}} $

(6)

根据本次打桩水下辐射噪声监测结果和浅海Marsh和Schulkin半经验公式可以计算出打桩辐射噪声脉冲声源级(距声源中心1 m处)为210.2 dB。高冲击噪声, 打桩辐射噪声脉冲是一种高冲击性高声强脉冲, 可能通过破坏鱼鳔或鱼体其他部位而造成鱼的死亡。暴露在人为强噪声干扰下的鱼类也可能会造成永久性或暂时性听力丧失, 或增加皮质醇水平和心率。此外, 人为噪声可能会影响鱼类的行为活动和分布:已经发现噪声会干扰鱼类种内交流以及改变鱼对声信号的行为反应^[17]。参考美国国家海洋渔业局现行采用的(过渡性)保护限值^[18]和刘贞文^[19]的研究结果可以确定保护阈值为190 dB(对鳍足目, 如斑海豹, 听力保护范围)、180 dB(对鲸豚目, 如江豚, 听力保护范围)、160 dB(对海洋哺乳动物行为干扰)、150 dB(对石首鱼类, 如大黄鱼), 如叫姑鱼噪声频率范围主要在1 000~4 000 Hz, 其峰值频率在2 000 Hz^[20], 表明本次打桩施工中对海洋生物在一定距离范围内会对其产生影响。打桩施工是一个短时的施工过程, 随着施工过程的结束噪声随着消失, 但是在施工的过程中应对施工海域的海洋生物进行驱赶以及设置安全距离, 减小海洋生物的损失。

4 结论

通过对一次完整的打桩过程进行监测和讨论, 得出如下结果: (1)打桩过程中, 所在海域附近的环境噪声谱级, 100~1 000 Hz频段连续的峰值; (2)打桩声脉冲信号导致工程所在海域附近环境噪声瞬间明显增加, 不同水深处打桩声脉冲的持续时间和噪声级不同; (3)在20~20 000 Hz频段, 打桩噪声级高于工程前该海域背景环境噪声谱级约30~65 dB; (4)声源级(距声源中心1 m处)高达210.2 dB。

施工过程中水下噪声的瞬时高强度的变化, 对一定距离内的海洋生物有不同程度的影响。有必要对我国海上工程水下噪声进行跟踪监测, 同时对不同海域重点生物的听阈范围展开研究, 推算出海上工程施工以及运营过程中对重点生物的影响范围, 并对其行为展开适当的实验研究, 为有效保护海洋生物提供基础数据和科学的物理依据。