摘要：隨著海洋、湖泊、河流和港口等人類活動(dòng)逐漸增加，涉海工程產(chǎn)生的水下噪聲污染及對(duì)海洋生物影響已引起廣泛關(guān)注。工程建設(shè)期環(huán)境影響評(píng)價(jià)中，水下噪聲測(cè)量逐漸海洋管理監(jiān)管的要素。水下沖擊打樁是工程建設(shè)中常見的低頻水下脈沖聲源，能夠傳播較遠(yuǎn)距離。如何規(guī)范地開展水下沖擊打樁噪聲測(cè)量至關(guān)重要。本文給出了水下沖擊打樁噪聲的通用測(cè)量方法，包括聲學(xué)指標(biāo)、測(cè)量系統(tǒng)、測(cè)量布放、聲學(xué)測(cè)量配置、測(cè)量不確定性等，可為海洋工程建設(shè)影響評(píng)價(jià)、海洋生物生態(tài)保護(hù)等提供技術(shù)支撐。

　　關(guān)鍵詞：涉海工程;水下沖擊打樁噪聲;噪聲測(cè)量方法;影響評(píng)價(jià)

　　引言

　　隨著海洋經(jīng)濟(jì)開發(fā)利用的升溫，我國海洋工程數(shù)量不斷增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國圍填海、海上堤壩、跨海橋梁、海底管道、海洋礦產(chǎn)資源勘探開發(fā)等海洋工程數(shù)量以每年400多個(gè)快速遞增，這些涉海工程建設(shè)及民用船運(yùn)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(dòng)物和部分魚類帶來影響甚至傷亡，影響了海洋生物多樣性。人為水下噪聲對(duì)海洋生物影響研究，已成為國際社會(huì)的關(guān)注熱點(diǎn)。《國際保護(hù)野生動(dòng)物遷移公約》敦促各成員國應(yīng)進(jìn)行水下噪聲的環(huán)境評(píng)價(jià)并采取緩解措施，形成水下噪聲影響海洋生物的評(píng)估指南。

　　海洋專業(yè)評(píng)職知識(shí)：海洋相關(guān)課題怎么選研究方向

　　2018年月1822日，聯(lián)合國UN(UnitedNations)召開的第十九屆海洋與海洋法非正式磋商會(huì)議(ICP19)主題即為“人為水下噪聲”，會(huì)前號(hào)召各國提交有關(guān)水下噪聲對(duì)海洋生物影響的科研素材，然而我國因相關(guān)研究匱乏而沒有提交資料，限制了話語權(quán)。認(rèn)識(shí)和了解水下噪聲對(duì)海洋哺乳動(dòng)物、魚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。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。為評(píng)價(jià)水下噪聲對(duì)海洋生物影響，水下噪聲的規(guī)范測(cè)量是關(guān)鍵技術(shù)。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(shè)中，如近海海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)，近海油氣工業(yè)平臺(tái)施工和錨系，跨海、河口、港口、碼頭等基礎(chǔ)和橋梁支撐建設(shè)，水上可再生能源設(shè)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(chǎn)生水中聲波、空氣中聲波、海底聲波和海底表面振動(dòng)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(qiáng)烈的影響聲音傳播。水下沖擊打樁產(chǎn)生聲音的機(jī)理復(fù)雜，雖然理論建模已經(jīng)成為評(píng)估打樁水下噪聲的有效手段之一，但這種手段預(yù)測(cè)水下噪聲需要大量的參數(shù)，如樁基、水文、底質(zhì)等，并且準(zhǔn)確度難以驗(yàn)證，不適合于實(shí)際涉海工程應(yīng)用。

　　因此，打樁作業(yè)期間的水下噪聲測(cè)量非常必要。國外開展了較多水下打樁噪聲的測(cè)量，但由于采用不同的聲學(xué)指標(biāo)，造成方法之間對(duì)比困難，并且往往只能為個(gè)別國家的需求提供指導(dǎo)[610。德國規(guī)定水下沖擊打樁噪聲測(cè)量通常在750m的距離點(diǎn)進(jìn)行，美國的測(cè)量距打樁點(diǎn)通常為10m，而英國和荷蘭通常在多個(gè)距離點(diǎn)測(cè)量1011。為規(guī)范水下沖擊打樁噪聲測(cè)量，2017年，國際標(biāo)準(zhǔn)組織ISO(InternationalOrganizationforStandardization)頒布了通用的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)[1。

　　國內(nèi)開展相關(guān)研究較晚，蘇冠龍等[13測(cè)量了廈門五緣灣碼頭擴(kuò)建工程水下打樁噪聲，監(jiān)測(cè)點(diǎn)距打樁點(diǎn)約50m;吉新磊等[14對(duì)海上風(fēng)機(jī)打樁水下噪聲進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)同樣為50m;時(shí)文靜等[1洪湖新港施工中的打樁作業(yè)進(jìn)行了水下噪聲監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)距打樁點(diǎn)分別為59m、102m、186m和362m;汪啟銘[1采用走航式測(cè)量法在距打樁點(diǎn)200m、500m和1000m處對(duì)水下打樁噪聲進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。

　　總體看，目前國內(nèi)開展水下沖擊打樁噪聲測(cè)量較少，監(jiān)測(cè)距離、監(jiān)測(cè)設(shè)備、監(jiān)測(cè)方式以及分析指標(biāo)存在差異，缺乏統(tǒng)一的水下沖擊打樁噪聲測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際涉海工程中，測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性難以保證，給后續(xù)影響評(píng)價(jià)造成困難。因此，本文從聲學(xué)指標(biāo)、測(cè)量系統(tǒng)、測(cè)量布放、聲學(xué)測(cè)量配置、測(cè)量不確定性等方面，詳細(xì)闡述了水下沖擊打樁噪聲的測(cè)量系統(tǒng)、方法和步驟，能夠應(yīng)用于不同法規(guī)需求，形成水下沖擊打樁噪聲測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，為監(jiān)管機(jī)構(gòu)要求的環(huán)境影響評(píng)、海洋生物生態(tài)保護(hù)等提供技術(shù)支撐。

　　1測(cè)量系統(tǒng)

　　1.1系統(tǒng)組成

　　水下沖擊打樁噪聲測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)包括測(cè)量水聽器(陣)、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等，示意圖如圖。測(cè)量系統(tǒng)可由上述單個(gè)部件由電纜連接而成，也可作為一個(gè)集成系統(tǒng)，提供自容式記錄系統(tǒng)。測(cè)量水聽器應(yīng)具有全方向性響應(yīng)，其靈敏度應(yīng)根據(jù)待測(cè)量聲壓幅度來選擇一個(gè)恰當(dāng)值。對(duì)于低幅度值的信號(hào)，為避免低信噪比，應(yīng)選擇高靈敏度水聽器;對(duì)于高幅度值的信號(hào)，為避免非線性、剪切和系統(tǒng)飽和，應(yīng)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(cè)量信號(hào)的畸變會(huì)使得失去測(cè)量值，因此靈敏度的選擇對(duì)于水下沖擊打樁的測(cè)量是非常重要的。

　　為了增加適應(yīng)性，在信號(hào)放大階段或模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中，最好具有一些可選擇的增益。一旦一些初始測(cè)量值確定聲級(jí)之后，就可以將這些值設(shè)置為合適的值。注意對(duì)于自主式和水聽器含有集成前放增益的測(cè)量系統(tǒng)，布放之后增益通常是不能修改的。如果實(shí)際工程中，需要測(cè)量海洋背景噪聲，應(yīng)選擇低噪聲、高靈敏度的水聽器。

　　信號(hào)調(diào)理部件可以作為系統(tǒng)獨(dú)立單元用于調(diào)整增益，或者作為固定增益集成在水聽器中。為滿足實(shí)現(xiàn)測(cè)量位置的最高預(yù)期聲壓，能夠如實(shí)記錄外界信號(hào)而不會(huì)引起由水聽器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器帶來的失真或過載，需要選擇合適的調(diào)整增益。數(shù)據(jù)采集的頻率響應(yīng)具有足夠高的頻率，至少應(yīng)為最高分析頻率的2.56倍倍，使得待測(cè)量信號(hào)的所有感興趣頻段的記錄都是可信的。對(duì)于水下沖擊打樁測(cè)量，理想的最小采集頻率范圍要求≤20Hz，且≥20kHz。但在非常淺的水域，由于低頻聲波不能傳播，不足20Hz的聲音頻率測(cè)量是非常困難的17。

　　此外，低頻率的聲信號(hào)，普遍會(huì)受到諸如流噪聲和電纜抖動(dòng)的影響。因此實(shí)際工程測(cè)量中，一般不對(duì)20Hz以下頻段進(jìn)行分析。如實(shí)記錄水下沖擊打樁聲壓信號(hào)的幅度，需要足夠的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍，一般要求超過60dB。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量應(yīng)滿足一個(gè)測(cè)試周期、采樣率和通道數(shù)同時(shí)連續(xù)工作的需要。如果為了增加存儲(chǔ)容量，通常使用數(shù)據(jù)壓縮格式，但使用的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)應(yīng)是無損的，或者對(duì)數(shù)據(jù)的影響應(yīng)加以闡明。為便于后續(xù)數(shù)據(jù)分析，應(yīng)該存儲(chǔ)任何關(guān)鍵輔助數(shù)據(jù)或元數(shù)據(jù)，例如時(shí)間、增益、采樣率等。

　　1.2系統(tǒng)校準(zhǔn)

　　整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)該在感興趣的頻帶內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn)，包括水聽器、放大器、采集系統(tǒng)等。水聽器校準(zhǔn)應(yīng)采用國內(nèi)或國際標(biāo)準(zhǔn)，在專門的計(jì)量部門進(jìn)行。水聽器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)通常以一系列離散頻率表示，或以校準(zhǔn)曲線的形式表示。如果在對(duì)水聽器靈敏度進(jìn)行校正之前，記錄的數(shù)據(jù)已被處理為三分之一倍頻程，所需的校準(zhǔn)值是每個(gè)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(nèi)是一個(gè)常數(shù)值。

　　放大器和采集系統(tǒng)，目前國內(nèi)還未有專門的計(jì)量部門，一般采用自校或比對(duì)的方式。校準(zhǔn)后，水聽器和采集系統(tǒng)的不確定度能夠優(yōu)于1dB(以95%置信區(qū)間表示)。校準(zhǔn)的時(shí)間周期一般不超過兩年，并且長期布放和海上試驗(yàn)前后，還應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)檢查。現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)檢查，通常使用一個(gè)商用的水聽器校準(zhǔn)器(如B&K4229)，它能為水聽器提供在某個(gè)頻率(通常250Hz)已知幅度的信號(hào)。校準(zhǔn)器通常由一個(gè)空氣活塞話筒組成，當(dāng)水聽器插入一個(gè)小型耦合器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)已知聲壓級(jí)的信號(hào)。當(dāng)插入水聽器時(shí)，聲壓取決于耦合器內(nèi)的自由體積，可為每種類型的水聽器校準(zhǔn)。雖然該校準(zhǔn)器只提供一個(gè)頻率的檢查，但它能夠滿足實(shí)際工程測(cè)量需求。

　　2測(cè)量布放

　　2.1測(cè)量方式

　　水下沖擊打樁噪聲測(cè)量方式一般包括船基測(cè)量、錨系測(cè)量和漂流測(cè)量三種。船基測(cè)量系統(tǒng)放置在船上，可實(shí)時(shí)記錄顯示;錨系測(cè)量和漂流測(cè)量一般采用自容式測(cè)量。船基測(cè)量時(shí)，從一艘拋錨或漂泊的船上布放水聽器(單獨(dú)地或組陣)，分析和記錄設(shè)備仍舊留船上。這種方法優(yōu)點(diǎn)是布放快速、可移動(dòng)，并且可以相當(dāng)經(jīng)濟(jì)有效地覆蓋一個(gè)相對(duì)較大的區(qū)域;設(shè)備丟失的風(fēng)險(xiǎn)低，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)獲取的數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整設(shè)備參數(shù)設(shè)置以獲取最佳質(zhì)量數(shù)據(jù)(如避免失真和飽和)。

　　這種方法適合測(cè)量水下沖擊打樁噪聲，特別是需要去測(cè)量作為聲源距離函數(shù)的聲場(chǎng)，但易受到某些類型的平臺(tái)相關(guān)噪聲的影響。錨系測(cè)量系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)船基測(cè)量更好的替代系統(tǒng)，能夠提供打樁過程中多個(gè)固定距離的測(cè)量。當(dāng)聲源輸出隨距離變化時(shí)(通常出現(xiàn)在沖擊打樁)，這種方式是非常重要的。相對(duì)于船基測(cè)量，底部錨系測(cè)量能夠更好的減少表面波影響產(chǎn)生的寄生信號(hào)、水聽器遠(yuǎn)離壓力釋放的水空氣界面以及減少布放船的干擾。對(duì)于錨系測(cè)量系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)可行的是采用自容式記錄儀。該系統(tǒng)布放回收需要一個(gè)聲學(xué)釋放器或一個(gè)與海底錨系相連的表面浮標(biāo)，能夠保證記錄儀被拖出水面。目前，實(shí)際工程應(yīng)用中多采用這種測(cè)量系統(tǒng)。

　　漂流測(cè)量系統(tǒng)通常由一個(gè)水聽器和記錄儀組成，與浮標(biāo)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(duì)漂流方向的控制存在局限性，測(cè)點(diǎn)距打樁點(diǎn)的距離變化較大。如果漂流系統(tǒng)帶有一個(gè)GPS接收機(jī)用于提供位置數(shù)據(jù)，就能計(jì)算與打樁點(diǎn)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(guān)的，尤其是在水體中聲波波長的四分之一處，存在強(qiáng)烈的深度相關(guān)。

　　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(yīng)放置在1/2水深的下方，在距海底2m和整體水深的1/2之間18。如果上述深度不切實(shí)際或者有需求去研究噪聲對(duì)海底生物的影響，可以把水聽器放置在海底測(cè)量。實(shí)際工程測(cè)量中，通常采用多個(gè)水聽器，一是當(dāng)一個(gè)水聽器或測(cè)量通道發(fā)生故障，可以實(shí)現(xiàn)備份;二是相比單個(gè)水聽器或單通道，選擇兩個(gè)具有不同靈敏度的水聽器，能夠獲得更大的動(dòng)態(tài)范圍;三是使用多個(gè)水聽器能夠?qū)�測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行平均。如果使用兩個(gè)水聽器，建議布放深度為1/2水深以下的兩個(gè)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(gè)水聽器相距最大化。

　　3測(cè)量數(shù)據(jù)處理

　　3.1術(shù)語與定義

　　水下沖擊打樁噪聲一般采用如下參數(shù)描述：脈沖持續(xù)時(shí)間、脈沖間隔時(shí)間、峰值聲壓級(jí)、聲暴露級(jí)、信噪比、聲壓譜級(jí)、頻帶總聲級(jí)等。脈沖持續(xù)時(shí)間：一次擊打過程，百分比能量的持續(xù)時(shí)間，一般指信號(hào)能量從5%增加到95%所經(jīng)歷的時(shí)間，單位;脈沖間隔時(shí)間：兩次相鄰單脈沖的時(shí)間間隔，單位;峰值聲壓級(jí)：?jiǎn)蝹�(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μPa，計(jì)算公式如下：max(20logpk10refSPL 式中，為單次脈沖時(shí)間序列，單位為Pa;ref為參考值，單位為μPa。聲暴露級(jí)：?jiǎn)蝹�(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1μPa▪s;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)。

　　3.2處理步驟

　　對(duì)于測(cè)量記錄得到的數(shù)據(jù)，首先需要手動(dòng)或自動(dòng)提取打樁期間單次擊打所產(chǎn)生的各個(gè)脈沖信號(hào)，然后選擇一部分或者全部信號(hào)進(jìn)行后續(xù)分析。水下打樁脈沖信號(hào)信噪比較高，一般采取信號(hào)能量與背景噪聲能量之比進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，設(shè)定一個(gè)檢測(cè)門限，取能量比最高值作為信號(hào)出現(xiàn)的位置，如果該值大于檢測(cè)門限值，即可判斷為真實(shí)信號(hào)，再通過加窗根據(jù)能量累積時(shí)間自動(dòng)提取信號(hào)的起始和結(jié)束時(shí)間。給出福建興化灣海上風(fēng)電施工期水下沖擊打樁脈沖信噪比及檢測(cè)門限。完成信號(hào)提取之后，應(yīng)用時(shí)域分析、頻域分析以及時(shí)頻分析等技術(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到上節(jié)所敘述的特征參數(shù)。

　　4結(jié)語

　　為研究影響評(píng)價(jià)，估算噪聲源的源級(jí)以及聲源和接收點(diǎn)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(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程存在的一定局限性，并且聲場(chǎng)模型計(jì)算時(shí)需要同步的水文、底質(zhì)等環(huán)境參數(shù)，增加了測(cè)量成本，實(shí)際工程應(yīng)用中可行性較小。基于本文方法，可獲取不同接收點(diǎn)的聲場(chǎng)值，進(jìn)而擬合估算出聲傳播衰減規(guī)律和聲源級(jí)，也可用于聲場(chǎng)模型輸出值的檢驗(yàn)。水下輻射噪聲對(duì)海洋生物的影響評(píng)價(jià)不屬于本文研究范圍，因此不進(jìn)一步展開論述。

　　本方法可用于近海(水深大于4m小于100m)水下沖擊打樁作業(yè)期間輻射水下噪聲聲壓測(cè)量，其適用范圍不包括由聲波傳播引起的水體中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度測(cè)量或聲波在海底傳播引起的海底振動(dòng)測(cè)量，當(dāng)然振動(dòng)測(cè)量對(duì)于評(píng)估海洋生物的影響也是非常重要，只是目前水下振動(dòng)測(cè)量方法還不成熟，無法形成標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法。這會(huì)在一定程度上影響涉水下沖擊打樁對(duì)海洋生物影響評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性，因此今后的研究中需增加或完善水下振動(dòng)測(cè)量。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]ationalesearchouncil.OceanNoiseandMarineMammals[M].Washington,D.C:TheNationalAcademiesPress,2003.

　　作者：牛富強(qiáng)，李智，薛睿超，馬麗，楊燕明