大连周边近岸典型海域海洋环境噪声的测量分析

(1.大连海洋大学海洋科技与环境学院,辽宁大连116023;2.中国水产科学院南海水产研究所,广东广州510300)

摘要：于2013年5月利用带宽为20 Hz～100 kHz的水听器测量系统对大连市周边近岸海域的大黑石、付家庄、星海湾、塔河湾、海之韵5个典型站位的水下噪声进行了测量,获取各站点海洋环境噪声数据以及风速、海况等环境要素,然后进行噪声平均声压级 (Sound pressure level,SPL)的计算和20 Hz～100 kHz带宽的噪声频谱分析。结果表明:付家庄、星海湾海区噪声平均声压级分别为126.58、123.39 dB(以1 μPa为参考声压,下同),船舶航行、近岸工程建设等人为噪声是该海区的主要噪声源;大黑石、塔河湾海域的海洋噪声较低,平均声压级分别为115.66、122.17 dB,潮汐和风浪等自然噪声是该海域的主要海洋噪声源;货运港口及航道附近的海之韵海域平均声压级最高,为132.53 dB,船舶航行等为主要噪声源。总体上,大连周边近岸海域海洋噪声受人类活动因素影响较大,在港口航道、海洋工程等区域显示了较高的噪声水平,而地处渤海的养殖海域噪声最低。本次测量的平均声压级处于鱼类和海洋哺乳动物的听力范围之内,但因声压级相对较低,对当地海水养殖业和海洋哺乳动物应该不会产生显著影响。

关键词：海洋环境噪声;平均声压级;海洋噪声频谱;大连近岸海域

海洋环境噪声指海洋中由水听器接收到的除自噪声以外的一切噪声,是水声信道中的一种干扰背景场[1],包括海面风浪、海洋生物活动、地震扰动、海上运输和勘探等自然和人为活动产生的声波。海洋环境噪声与海洋生物的生存、生长关系密切[2-3]。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]。因此,进行海洋环境噪声来源和强度的研究,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[8]。

大连位于辽东半岛最南端,海岸线长1900多千米,沿岸海港、渔港和海水养殖基地密布。近年来,随着海洋经济的发展,大连海域海洋交通日益繁忙,海岸工程建设不断增多。为了解周边重要养殖区的环境噪声水平和来源,本研究中通过选取不同地点水域实测海洋环境噪声,进行平均声压级测量和噪声谱级分析,旨在为周边水产养殖业和海洋动物的保护提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 水下噪声测量布点

共布设5个站点,分别为大连市的大黑石(E121.318°、N38.967°),付家庄 (E121.621°、N38.864°),星海湾 (E121.577°、N38.876°),塔河湾 (E121.323°、 N38.813°), 海之韵(E121.714°、N38.909°),如图1所示。

5个站点海域噪声源组成各不相同,可以代表大连周边海域一般情况下的环境噪声。大黑石海域地处渤海湾内,有大面积浮筏吊笼养殖场,塔河湾海域地处黄海,周边有较大规模的浮筏养殖区且靠近海滨浴场,付家庄水域为大连重要的海滨浴场,星海湾近岸有填海造陆与跨海大桥工程建设,海之韵公园距大连港较近,周边海域分布较多货运码头和航道。

1.2 数据采集与处理

现场调查于2013年5月进行,利用水听器测量系统 (Aquafeeler III型,日本AquaSound),包括水听器 (SH-100K型,频率为20 Hz～100 kHz,接收灵敏度为-210 dB,静电容为5000 pF,操作深度≤50 m)和自带信号放大器,放大器输出信号连接便携式四通道声音记录仪 (R-44型,日本Roland),以.wav格式文件对水下噪声信号进行收录。

在站点海域近岸,将水听器放入水中1.0～1.5 m,使用重锤稳定水听器,防止水动力扰动。每次记录水下噪声2 min,同时测量所在地的风速并记录天气、海况等数据。对于环境日变化较大的站点分别于上午、下午进行两次观测。

在观测之前,使用美国泰克公司的任意波信号发生器 (AFG3022B 型)、数字式示波器(DPO3014型,美国泰克)和系统自带噪声处理软件 (AQ Level Meter)对整个测量系统进行校准。测量数据使用AQ Level Meter软件进行处理,计算各站位的功率谱密度和平均声压级 (Sound pressure level,SPL)。最后,结合环境噪声的Wenz谱级图[9]对各站点频谱进行分析。

功率谱密度和声压级计算的参数设置:时间积分常量为1 s,时间间隔为0.1 s,频段为20 Hz～100 kHz,平均时间为0～90 s。

2 结果与分析

2.1 观测站点水中噪声频谱分析

大黑石海域上、下午噪声频谱图像相似(图2-A),10 kHz以上有线谱存在且声压谱级较大,可能是由近岸建筑工程机械噪声引起,声压级都处于较低水平,在测量频段20 Hz～100 kHz范围内,平均声压级为115.66 dB(以1μPa为参考声压,下同)。

在人为活动较多的付家庄海域,当天声压级达到126.58 dB,午前在20 Hz～4 kHz频段内的平均声压级比午后高4.67 dB(图2-B),船舶航行噪声和10 kHz附近的风成噪声是主要原因之一,80 kHz以上频段有海洋热噪声 (Sea thermal noise)[9]。

工程建设较多的星海湾海域,在200 Hz～10 kHz范围内的噪声较大,这与附近工作船只通过有关,而在10～80 kHz之间主要是桥梁建设的机械噪声。工程建设使星海湾200 Hz～80 kHz频段内平均声压级达到115.43 dB(图2-C)。80 kHz以上频段有海洋热噪声。

属于养殖区的塔河湾海域在高频段3～30 kHz范围内噪声较大,其平均声压级为102.34 dB(图2-D),风成噪声和海面粗糙度 (波浪)[9]是该频段上主要噪声源。50 kHz以上的高频线谱为周期运动设备产生的高频噪声,但无法确定来源。高频热噪声不明显。

航运繁忙的海之韵海域在1～3 kHz频段上噪声较大,其平均声压级为117.91 dB(图2-E),风浪和海面粗糙度是导致该频段声压级变高的主要原因之一。船舶航行噪声频段 (50～500 Hz)的平均声压级为124.29 dB。80 kHz以上频段出现热噪声。

2.2 观测站点水中噪声的声压级

大连周边近岸海域观测站位的海洋环境噪声平均声压级为115.49～132.53 dB(表1)。大黑石观测站上、下午平均声压级变化并不显著,受环境变化影响小,噪声处于相对较低水平;付家庄与大黑石海况相近,付家庄观测站上、下午平均声压级相差4.01 dB,可能是由人为活动导致声压级发生较大的变化;海之韵观测站平均声压级处于较高水平,可认为是港口处频繁行船引起当地海域声压级升高。

种类不同的海洋生物对声音的敏感度有很大差异,且都有其对应的敏感频段[10-11],这主要与它们的听觉器官构造有关。表2为环境噪声在3类海洋生物听觉敏感频段[12]上的平均声压级。大连海域噪声声压级在无脊椎动物敏感频段的范围为101.03～115.23 dB;在鱼类敏感频段上的声压级相对较高,范围为104.13～123.01 dB;在海洋哺乳动物敏感频段的范围为89.67～110.67 dB。大黑石海域在各个频段上的声压级都处于较低水平。[12]

3 讨论

3.1 大连海域噪声来源

海洋环境噪声是一种宽带随机信号,存在着时空变化特性。已有大量文献对1 Hz～100 kHz频段内的噪声进行分类研究[13-16]。结合大连周边近岸海域环境噪声频谱与Wenz谱级图,分析得到大连各观测站点海域噪声来源。海之韵声压级总体偏高,航运和港口货物装卸等人为噪声是主要噪声源。大黑石海域声压级相对较低,受环境变化影响并不显著,自然噪声是主要噪声源。塔河湾海域主要噪声源是风浪等自然噪声。星海湾和付家庄海域主要噪声源分别是工程建设和船舶机械噪声等人为噪声。船舶的机械噪声频段主要在50～500 Hz之间,当地无脊椎类动物和鱼类更易受到此类噪声影响。海岸工程和跨海桥梁建设噪声频率跨度极广,可以影响到大部分海洋生物。

3.2 环境噪声对海洋生物听觉的遮掩

大连海水养殖业中一些重要水产品有海参、海胆、鲍鱼和对虾等无脊椎类动物,以及牙鲆、大菱鲆、东方鲀和真鲷等鱼类。图3为几种生物听觉敏感频段分布和最小听觉声压阈值[12]。用声压级计算公式SPL=20 lg(Pe/Pref) (Pe为被测声压有效值,Pref为参考声压,水中取Pref=1μPa)得到无脊椎类动物声压阈值约为120 dB,大部分鱼类听觉声压阈值为60～100 dB,海洋哺乳动物声压阈值约为40 dB。大连海域噪声频率在0.1 kHz左右时的最高平均声压级为115.23 dB,低于无脊椎类动物的声压听觉阈值;频率为0.1～1.0 kHz时的平均声压级为104.13～123.01 dB,超过了鱼类的声压阈值;频率为15～100 kHz时的平均声压级为89.67～110.67 dB,处于海洋哺乳动物的听觉能力之中。总体上,当地噪声对海参、海胆等无脊椎类生物应该不会产生危害。

海洋环境噪声可能会对鱼类听觉形成遮掩效应,由此导致鱼类同种间交流障碍、繁殖几率降低的可能。Belanger等[17]将圆虾虎鱼Neogobiusmelanostomus置于100、300 Hz频率中,发现当环境噪声超过150 dB时,圆虾虎鱼的声压阈值增加了5～10 dB。Codarin等[7]在实验室中将声压级为97 dB的实测环境噪声对鱼类进行回放,结果发现,鱼类的声压阈值几乎未被遮掩。大连海域环境噪声在鱼类敏感频段内声压级为104.13～123.01 dB,对当地养殖鱼类的声压阈值应不会产生遮掩效果。

3.3 人为噪声对养殖业和海洋生物的影响

目前还没有资料确切表明,长期的、一般情况下的环境噪声是否与鱼类行为、生长和死亡率等存在一定关系,但有研究发现,一些鱼类对附近船只产生的噪声场有回避行为[18-20]。Wysocki等[21]将4类淡水鱼暴露在嘈杂的船舶噪声环境中,发现鱼体内皮质醇水平会相应升高。如果噪声达到一定强度时还可能造成鱼类听觉的功能性损伤。Hastings等[22]将图丽鱼Astronotus ocellatus置于频率为60 Hz和300 Hz且声音强度为180 dB的环境中持续4 h之后,发现部分听觉毛细胞受到损伤。从本研究结果看,所测站点环境噪声级总体偏低,超过了鱼类和哺乳动物的听觉阈值,但并未达到无脊椎类动物的听觉阈值,由此可以推断,大连周边海域噪声水平对当地养殖业和海洋生物影响并不大。

北方养殖鱼类产卵期多集中在春、夏两季,鱼类在此期间内更易受到外界环境干扰,故对海洋噪声来源和强度的研究可以更清楚地了解渔场的噪声情况,采取相应防护措施降低人为噪声,如在鱼类产卵期通过降低船速或绕行养殖区来降低对鱼类的危害。

4 结语

大连地跨黄海和渤海海域,沿岸主要分布有海水养殖区 (附带育苗工厂)、港口航道、造船重工和石油化工企业、海滨浴场 (游乐场)和海洋哺乳类动物保护区等。该研究由于条件限制未能进行工业区和保护区等海域的噪声测量,将在以后的工作中开展。同时,由于海洋环境噪声具有时空随机变化特性,因此,应当进行季节周期的监测,获得连续数据,为合理利用开发近岸海域提供科学依据。

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M easurement and analysis of ambient sea noises in typical inshore water around Dalian

YAO Zhuang1,2,ZHANG Fei-cheng1,YAO Zhi-hui1,LIU Shi-gang1,2,GUO Yu1,2,TANG Yong1
(1.College of Marine Science and Environment,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China;2.South China Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences,Guangzhou 510300,China)

Abstract：The ambient sea noise wasmonitored in five typical inshore stations including Daheishi,Fujiazhuang, Xinghai Bay,Tahe Bay and Haizhiyun around Dalian by a hydrophonemeasuring system with a 20 Hz-100 kHz operating bandwidth in May,2013.The underwater noise data,the wind speed and sea state factorswere also recorded synchronously,and then the average sound pressure levels(SPL)and the noise spectra were analyzed at various stations.The results showed that the average SPLwas126.58 dB at Fujiazhuang and 123.39 dB at Xinghai Bay (1μP as reference,et sequentia)in the sea noise which was primarily derived from navigation and inshore construction engineering,with relatively lower sea noise at Daheishi(average SPL of115.66 dB)and Tahe Bay(average SPL of 122.17 dB)than at other stations.Itwas found that tide and wind wave were the main sources of sea noise at Daheishi,and Tahe Bay.Themaximal sea noise(132.53 dB)was observed at the Haizhiyun station near Dalian freight terminal and sea passage,where navigation,loading and unloading were attributed in the main sources of sea noise.There was relative higher level of ambient sea noise in the area near the sea passage and seaports than that in themarine culture area in the Bohai Sea.Themeasured average SPL,relatively lower SPL noise, waswithin the hearing range of fish and marinemammals,and did not significantly affect on the local aquaculture and marinemammals.

Key words：ambient sea noise;average sound pressure level;sea noise spectrum;inshore water of Dalian

基金项目：农业部 “948”项目 (2011-G29);国家自然科学基金资助项目 (10774021);农业部东海与远洋渔业资源开发利用重点实验室开放课题 (K201201)

作者简介：姚壮 (1988—),男,硕士研究生。E-mail:598969228@qq.com