水下噪声对海洋生物的影响评价-风电场环境影响评价

海上风电场产生的水下噪声来自于施工期和营运期。施工期的主要噪声为水下打桩等所产生的水下冲击波噪声，营运期的主要噪声为风力发电机组运转产生的水下噪声，尤其是低频噪声通过结构振动经风力发电机组塔筒、桩基等不同路径传入水中而产生的水下噪声。

海上风电场水下噪声对海洋生物的影响评价采用定性与定量相结合的方法，通常包括如下内容：

（1）拟建海上风电场工程海域海洋噪声现状调查。调查内容包括水上声环境和水下声环境。

（2）选择与拟建风电场工程规模、风力发电机组型号、海域环境特征、施工工艺等相似的已建海上风电场工程作为类比对象，在类比工程海域开展实际风力发电机组运转产生的水下噪声的现场监测，为水下噪声影响的类比分析提供基础数据。

（3）利用国内外已有的水下打桩等工程的相关文献数据，或对与拟建海上风电场打桩施工相类似的实际打桩作业的水下噪声进行现场测量，类比分析拟建海上风电场工程施工期水下噪声的强度分布以及对海洋生物的影响。

（4）根据营运期水下噪声预测分析结果，通过搜集国内外资料、模拟试验等手段进行评价海域内主要水下声敏感海洋生物的声学特性行为学研究，从可听度、掩蔽、行为反应和危害（TTS/PTS）（鱼、海洋哺乳动物）角度，重点预测评价中、低频（1k Hz以下）尤其是500～800Hz频段噪声对评价海域水下声敏感海洋鱼类尤其是石首鱼科鱼类（如大黄鱼）以及重要经济鱼类的产卵场、索饵场、越冬场和洄游通道的影响；预测评价中、高频（1k Hz以上）噪声对海洋哺乳动物及海洋珍稀濒危动物等其他水下声敏感海洋生物种类个体和群体的影响范围与程度。

6.6.2.1　施工期水下噪声对海洋生物的影响

水下工程施工所产生的噪声及对某些海洋生物的影响研究近年来已引起国际海洋生态保护领域的高度关注，发表了一系列的文章。美国自然杂志、美国声学学报、海洋环境研究等刊物上均有一些相关的论文（Christonpher C.，Jepson P.D，2003）。

海上风电场施工作业将在水下产生较强的噪声场，典型的工程作业如桩基打桩作业，拖轮及驳船作业。这些噪声往往同时发生，对附近海域的海洋生物将造成影响。

1.海上风电场施工噪声源

海上风电场施工噪声源主要包括以下方面：

（1）施工机械。施工现场的各类机械设备包括装载机、挖掘机、打桩机，还有电气接线埋设等，这类机械工程噪声是主要的海上施工噪声源。

（2）运输船只。施工中设备、材料以及土石方调配等运输将动用大量运输船只，这些运输船的频繁行驶经过和施工将对施工海域产生较大干扰噪声。船舶噪声包括机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声，其中机械噪声和螺旋桨噪声为主要噪声源。船舶机械噪声是船上各种机械振动通过基座传递引起船壳振动并辐射至水下产生的噪声，其来源包括机械运动不平衡产生的噪声、机械碰撞噪声以及轴承噪声等。机械噪声与船速的关联度较低，在低速情况下，螺旋桨噪声和水动力噪声的强度相对较小，船舶噪声主要为机械噪声。在高速情况下，螺旋桨噪声成为船舶噪声的主要成分。螺旋桨噪声的来源包括螺旋桨叶片振动以及螺旋桨空化。

（3）桩基打桩噪声。水下打桩可分为冲击打桩和振动打桩两类，冲击打桩使用水锤泵对桩施加冲击力将桩沉入地下，振动打桩使用旋转偏心块对桩施加交变力，通过振动将桩沉入地下（Blackwell，S.B.，2004）。水下冲击打桩是海洋工程的典型主要强噪声来源，其特点为高声源级，单次冲击表现为脉冲式宽频波形，而对于一根桩柱需要多次冲击才能完成作业，因此表现为连续多个脉冲的脉冲串，图6-11为水下打桩施工现场。

图6-11　水下打桩

2.水下打桩噪声的声压级和声谱级

对于涉海工程及海上风电场建设中常见的桩基施工，国外的研究资料表明（Kastelein，R.A.等，2005）：浅海海域撞击式桩基（直径1m左右）施工的声源级在194d B/re 1μPa左右，400m距离处（声压级134dB/re 1μPa）网箱中的鲑鱼并未出现生理致伤或明显行为模式改变。Susanna B.Blackwell（2004）的研究显示：在水深12m的浅海，距离撞击式桩基施工80m处测量所得的声压级未超过美国国家海洋渔业机构（NMFS）颁布的鲸类最大可承受声压标准180dB/re 1μPa（NMFS，2000）。

英国货贝（COWEIR）海上风电公司对BURBO BANK施工中所监测到的水下打桩噪声时—频分布图（JR Nedwell，2007）见图6-12、图6-13。

图6-12　测打桩噪声时域图（距离100m）

图6-13　实测打桩噪声频域图（距离100m）

表6-2为历年来国内外资料所得的典型桩芯材料与不同直径对应的水下打桩单次冲击噪声声级。

表6-2　典型桩芯材料与不同直径的单次打桩对应声源级表（10m）　单位：dB/re 1μPa

3.水下打桩噪声对海洋生物的影响

海上风电场水下打桩噪声对海洋生物的影响分析通常在文献分析的基础上，根据拟建风力发电机组桩柱直径、打桩方式及工程海域声波传播衰减特点，参考文献资料或依据类比监测结果，类比分析水下打桩所产生的声源级；采用噪声衰减模式或类比测量的结果，预测分析噪声随桩基不同距离的衰减；参考国内外关于海洋生物的噪声限制阈值或保护阈值的已有研究成果，分析拟建海上风电场打桩施工对工程海域海洋生物的影响程度和范围。(www.xing528.com)

声衰减计算可采用的计算公式为

式中 TL——传播损失，为声源级减去目标声级值（即保护阈值）的差，dB；

D——目标声级值所在的位置与声源的距离，m；

R——计算传播损失时的参考距离，根据声源级计算点与声源本身的距离而定，按照通用标准惯例通常取1m；

F——衰减因子，其值会随着海况（如水深、底质状况、海面宽阔程度）和打桩的工程参量（如桩的类型材质，以及桩机功率）而变化；距离预测中选取的参考距离R为1m，而衰减因子F为20，该衰减因子适用于浅海声传播的一般衰减计算，为较近距离的球面扩展损失。计算中暂不考虑海水对声传播的吸收。

关于海洋生物的噪声保护阈值，可参考国外的相关标准和限值。自20世纪90年代，美国和欧洲等海洋国家就开始了针对水下打桩噪声的监测和研究。1997年，美国高能源地质勘探组织专家小组，针对海洋哺乳动物可能遭到海上地质勘探中水下空气枪所发出的脉冲噪声伤害而进行了噪声暴露的估测分析，最后认定180dB/re 1μPa为“超过该声级则可能具有行为、生理及听力影响的潜在危害”；同时也表明视不同的动物，该阈值可能有±10dB/re 1μPa的浮动。而后，美国国家海洋渔业局（NMFS）继续采用该门限值作为“不可逾越”的最高声级；随后又对鳍足类调整至190d B/re 1μPa；而160dB/re 1μPa的行为影响门限值则是基于早期80年代对鲸类遭到脉冲噪声所产生反应的观察结果。表6-3为美国国家海洋渔业局现行采用的（过渡性）保护门限值（NOAA Fisheries Northwest Regional Office，2012，http：//www.nwr.noaa.gov/Marine Mannals/MM sound throshld.cfm）

表6-3　美国对海洋哺乳动物和鱼类的水下噪声（过渡性）门限值

6.6.2.2　运营期水下噪声对海洋生物的影响

运营期的水下噪声主要由风力发电机组运转而产生，尤其是低频噪声通过结构振动经塔筒、风力发电机组桩基等不同路径传入水中而产生了水下噪声。欧洲一些国家的海上风电项目水下噪声测量资料表明（Nedwell，J.R.，Edwards，B.，Turnpenny A.W.H.，2004）：运营期的风力发电机组运转噪声远低于施工期的打桩噪声。风力发电机组运行中向水下辐射噪声的主要途径是风力发电机组运行的噪声源从空气中直接通过海面折射到水下、通过风力发电机组塔架传导到水中、从风力发电机组塔架到海底再辐射到水中3条声传播路径组成，见图6-14。

图6-14　风力发电机组运行水下噪声传播路径

风力发电机组运行过程中产生的噪声主要有机械（结构）噪声和空气动力学噪声。机械噪声指由于内部机械设备运转时，机械部件间的摩擦力、撞击力或非平衡力，使机械内部部件和壳体振动而辐射发出噪声。空气动力学噪声指风力发电机组的叶片与空气相互作用而产生的噪声。随着科技的进步，通过提高机械制造精度、配备减震橡胶垫、在机舱盖内部加装隔音棉，机械噪声在现代风力发电机组中控制的越来越低，已不是主要噪声源。空气动力噪声源处于半自由空间，空间位置高，持续时间长，是海上风电场营运期间的主要噪声源。

海上风电场营运期风力发电机组水下噪声对海洋生物的影响通常采用类比分析的方法，通过对与拟建风电场工程相似的类比工程风力发电机组运转时水下噪声值的实测，类比预测拟建风电场营运期风力发电机组运转在工程海域产生的水下噪声值和分布；再参考国内外文献资料或进行预测的噪声源强下海洋生物声学特性行为的模拟实验，分析风力发电机组运转水下噪声对海洋生物影响的程度和范围。

丹麦、瑞典、荷兰、英国是最早进行海上风电开发的国家，对海上风电场所引起的水下噪声研究也进行了较多的研究。2003年建成的英国North Hoyle海上风电场在营运期对风力发电机组水下噪声进行了监测研究，在离风力发电机组最近227m距离上，测出的风力发电机组水下噪声在300Hz左右声压谱级达到最大值，为100dB/re 1μPa，随后强度随频率增加而减少（J.R.Nedwell等，2007）。英国的Kentish Flats海上风电场营运期的水下噪声测量结果显示，噪声声压谱级在10～300 Hz有明显的线谱信号，300 Hz～10k Hz有宽带噪声，但强度基本上已与背景噪声相当。J.R.Nedwell等在2003年总结了约500次单独测量的浅水风电场营运期水下噪声，在频率10 Hz～120k Hz上North Hoyle海上风电场的水下噪声平均值约为116dB/re 1μPa，变化范围为90～158d B/re 1μPa；而Scroby Sands海上风电场所测结果是水下噪声平均值为120dB/re 1μPa，变化范围为100～135dB/re 1μPa。这结果与两个项目在建设前期所测量的海洋背景噪声级相符。同时还注意到，即使是十分靠近一个正在运行的风力发电机组，其噪声也没有比背景噪声高出20d B/re 1μPa。从英国已有几个营运的海上风电场风力发电机组水下噪声的测量结果来看，风力发电机组营运中在水下产生了噪声，但风力发电机组噪声的特征并不明显，也没有对较远处的背景噪声产生影响。

6.6.2.3　水下噪声对海洋生物影响的实验研究

水下噪声对鱼类的影响有：掩蔽鱼之间的通讯；不断引起鱼的警觉—生理变化；短暂或永久的听力伤害。

不同鱼类在不同声压级条件下会产生不同的反应，类似于人类的听力、听阈和痛阈，不同鱼类也具有其特定的听觉阈值，包括以下方面：鱼类能感受的阈值（Absolute Hearing Threshold，AHT）；鱼类出现生理反应的阈值（Awareness Reaction Threshold，AWRT），如心跳加快等；使鱼类开始逃逸的阈值（Avoidance Response Threshold，AVRT）。

试验和研究证明，当水域声压值大于AVRT时，鱼类会逃离该水域，而仅当鱼类长时间、连续性暴露在远高于AVRT声压条件下，噪声才会对鱼类身体器官造成影响，并出现鱼类昏迷和死亡的现象。

水下噪声对海洋生物影响的模拟实验是预测评价拟建海上风电场噪声对海洋生物影响的重要手段，其目的是通过在预测噪声源强条件下对鱼类、底栖生物等的行为变化的观察和生理学指标的测定，评价风电场水下噪声对海洋生物的影响。

模拟实验的内容和方法一般包括以下方面：

（1）不同发射声源级，不同频率和发射信号持续时间，在水下发射噪声源，观测水下噪声对鱼种及其他海洋生物的行为变化。

（2）以拟建海上风电场营运期风力发电机组运转产生的水下噪声级（一般根据类比海上风电场工程营运期水下噪声的测量数据得出）作为噪声源强，在水下播放，观测水下噪声对鱼种及其他海洋生物的行为变化。

（3）鱼种及其他海洋生物的行为变化除了肉眼观测外，还将对其进行血液酶活力变化的测量，其目的是了解海洋生物的活力状态。

实验测定的参数包括行为学参数和生理学参数。行为学参数包含死亡率和运动轨迹（是否有回避强声场的行为）。生理学参数包含激素水平、酶的活性等。