摘要：隨著海洋、湖泊、河流和港口等人類活動逐漸增加，涉海工程產生的水下噪聲污染及對海洋生物影響已引起廣泛關注。工程建設期環境影響評價中，水下噪聲測量逐漸海洋管理監管的要素。水下沖擊打樁是工程建設中常見的低頻水下脈沖聲源，能夠傳播較遠距離。如何規范地開展水下沖擊打樁噪聲測量至關重要。本文給出了水下沖擊打樁噪聲的通用測量方法，包括聲學指標、測量系統、測量布放、聲學測量配置、測量不確定性等，可為海洋工程建設影響評價、海洋生物生態保護等提供技術支撐。

　　關鍵詞：涉海工程;水下沖擊打樁噪聲;噪聲測量方法;影響評價

　　引言

　　隨著海洋經濟開發利用的升溫，我國海洋工程數量不斷增加。據統計，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生存的海洋哺乳動物和部分魚類帶來影響甚至傷亡，影響了海洋生物多樣性。人為水下噪聲對海洋生物影響研究，已成為國際社會的關注熱點。《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。

　　海洋專業評職知識：海洋相關課題怎么選研究方向

　　2018年月1822日，聯合國UN(UnitedNations)召開的第十九屆海洋與海洋法非正式磋商會議(ICP19)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環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，亟需不斷完善。為評價水下噪聲對海洋生物影響，水下噪聲的規范測量是關鍵技術。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;而淺水環境引起大量的混響、水體和海底或河底的相互作用，強烈的影響聲音傳播。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，不適合于實際涉海工程應用。

　　因此，打樁作業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[610。德國規定水下沖擊打樁噪聲測量通常在750m的距離點進行，美國的測量距打樁點通常為10m，而英國和荷蘭通常在多個距離點測量1011。為規范水下沖擊打樁噪聲測量，2017年，國際標準組織ISO(InternationalOrganizationforStandardization)頒布了通用的測量標準[1。

　　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，監測點距打樁點約50m;吉新磊等[14對海上風機打樁水下噪聲進行了監測，監測點同樣為50m;時文靜等[1洪湖新港施工中的打樁作業進行了水下噪聲監測，監測點距打樁點分別為59m、102m、186m和362m;汪啟銘[1采用走航式測量法在距打樁點200m、500m和1000m處對水下打樁噪聲進行了監測。

　　總體看，目前國內開展水下沖擊打樁噪聲測量較少，監測距離、監測設備、監測方式以及分析指標存在差異，缺乏統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，給后續影響評價造成困難。因此，本文從聲學指標、測量系統、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、方法和步驟，能夠應用于不同法規需求，形成水下沖擊打樁噪聲測量標準，為監管機構要求的環境影響評、海洋生物生態保護等提供技術支撐。

　　1測量系統

　　1.1系統組成

　　水下沖擊打樁噪聲測量系統應包括測量水聽器(陣)、信號調理、數據采集、數據存儲等，示意圖如圖。測量系統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，提供自容式記錄系統。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，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≤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20Hz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范圍，一般要求超過60dB。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系統校準

　　整個測量系統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三分之一倍頻程，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，目前國內還未有專門的計量部門，一般采用自校或比對的方式。校準后，水聽器和采集系統的不確定度能夠優于1dB(以95%置信區間表示)。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。現場校準檢查，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250Hz)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三種。船基測量系統放置在船上，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域;設備丟失的風險低，能夠實時監測獲取的數據，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。錨系測量系統是一個相對船基測量更好的替代系統，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的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，經濟可行的是采用自容式記錄儀。該系統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。

　　漂流測量系統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。該系統流噪聲影響較小，適用于高潮流區，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四分之一處，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2m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生故障，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。

　　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。脈沖持續時間：一次擊打過程，百分比能量的持續時間，一般指信號能量從5%增加到95%所經歷的時間，單位;脈沖間隔時間：兩次相鄰單脈沖的時間間隔，單位;峰值聲壓級：單個脈沖持續時間內聲壓絕對值的最大值與基準聲壓相比取對數，單位dB，基準值μPa，計算公式如下：max(20logpk10refSPL 式中，為單次脈沖時間序列，單位為Pa;ref為參考值，單位為μPa。聲暴露級：單個脈沖持續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dB，基準值1μPa▪s;單根樁作業需要多次擊打，從而產生累積效應，也即累積聲暴露級。

　　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。給出福建興化灣海上風電施工期水下沖擊打樁脈沖信噪比及檢測門限。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，得到上節所敘述的特征參數。

　　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，近距離不能當做點源分析，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、底質等環境參數，增加了測量成本，實際工程應用中可行性較小。基于本文方法，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4m小于100m)水下沖擊打樁作業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。

　　參考文獻

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

　　作者：牛富強，李智，薛睿超，馬麗，楊燕明