打樁水下噪聲對長江江豚影響初探

時文靜 王志陶 方 亮 董黎君 王士勇 王 丁 王克雄

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打樁水下噪聲對長江江豚影響初探

時文靜1, 2王志陶1, 2方 亮1, 2董黎君1, 2王士勇1, 2王 丁1王克雄1

(1. 中國科學院水生生物研究所, 武漢 430072; 2. 中國科學院大學, 北京 100049)

長江江豚; 打樁噪聲; TTS; 聽覺掩蔽

人類活動, 如打樁、船舶、聲納、水下爆破, 產生的水下噪聲可能潛在影響著魚類和海洋哺乳動物[1]。其中, 噪聲污染對鯨類動物的影響尤其需要關注。眾所周知, 鯨類動物是發聲分類明顯的群體, 它們已經進化成高度依賴聲音進行諸如交流、遠距離感知環境、巡游、在不透明介質中發現獵物等生存活動的物種, 而長時間暴露于噪聲中可能會對這些重要功能產生不利影響[2, 3]。水下噪聲對鯨類動物的影響已有很多研究文獻。Stone 和 Tasker[4]在用地震探測儀工作時發現, 所有小型齒鯨、虎鯨()和所有須鯨都會遠離探測儀器, 而在儀器不工作時逃避現象不明顯, 其中小型齒鯨出現最嚴重的橫向逃避, 至少逃離到視覺觀察范圍之外; Bailey等[5]記錄了近岸風力發電機的打樁噪聲, 并結合海洋哺乳動物的聽覺特性評估對其的影響, 結果表明在距打樁點100 m的范圍內可能造成瓶鼻海豚的聽覺傷害, 即使在打樁點50 km之外的水域打樁噪聲都會干擾到瓶鼻海豚的行為; Tougaard等[6]發現在打樁影響區域, 港灣鼠海豚的發聲行為有所減少, 直到打樁結束后48h才恢復正常; 另外, Brandt 等[7]發現在近岸風力發電機的施工期, 可監測到的打樁噪聲對港灣鼠海豚()產生消極影響的平均距離大于17.8 km, 并且在距打樁點22 km不存在消極影響, 相反, 動物的活動暫時增加。不同的人為噪聲源產生的聲音特征不同, 例如頻率、振幅、持續時間、增強時間(達到最大振幅所需要的時間)、方向性(寬帶聲音的帶寬)和重復率, 這些不同特征的水下噪聲可能對鯨類動物的影響和傷害也是不同的[8]。另外即使相同的噪聲源在相同距離對不同種類的動物的影響也存在著差異, 一個鯨類物種對某個噪聲源的反應不能想當然地用于推論其他鯨類物種[9]。

長江江豚()是窄脊江豚的一個亞種, 即長江亞種, 主要分布于從宜昌到上海的長江中下游干流及其相連的洞庭湖和鄱陽湖[10, 11]。在過去的幾十年中, 長江江豚的種群數量明顯下降, 干流中長江江豚的種群數量從1993年的約2550頭下降到2006年的1200頭, 并且棲息地呈現破碎化, 許多歷史上有長江江豚分布的水域現已難覓其蹤影[12]; Mei等[13]根據2012年的考察結果, 估算出長江干流的江豚數目為505頭, 再加上鄱陽湖和洞庭湖的長江江豚, 從而估計出長江江豚的總數目為1040頭。長江江豚作為我國特有的江豚亞種, 2013年被世界自然保護聯盟(IUCN)列為“極危級”[14]。與其他小型鯨類一樣, 長江江豚主要是通過聲學感覺系統進行巡航、捕食和通訊等生命活動[15], 同時長江江豚生活在人類活動繁忙的內河和湖泊中, 與海洋鯨類相比更容易受到人類的威脅。長江江豚的聽覺能力敏感, 特別是在45—139 kHz的頻率內[16]。Li等[17, 18]的研究表明, 長江江豚具有極強的回聲定位能力, 并且新生幼豚主要通過低頻、高頻聲音與母豚保持聯系。已經有研究表明長江江豚對機動船動力發出的水下噪音常表現出緊張不安, 船舶與江豚出現存在弱的負相關關系[19, 20]。

隨著經濟的發展, 長江沿岸以及兩湖的碼頭、橋梁等涉水工程建設也在持續升溫, 這些涉水工程在建設和運營時會使水下噪聲增加, 進而可能會對長江江豚造成威脅和傷害, 特別是高聲級的打樁活動、水下爆破活動等。目前, 有關單位已經就水下噪聲對長江江豚影響開展了部分研究, 但尚不系統, 也沒有打樁噪聲對長江江豚影響的研究。長江新螺段白豚國家級自然保護區位于長江中游, 是長江江豚僅有的3個國家級原地保護區之一[21]。張先鋒等[22]1990年12月在新螺段發現長江江豚累計131—161頭次。熊遠輝等[21]在2001年7月—2003年6月對該江段開展了系統的監測, 共發現長江江豚253群次、1699—1770頭次, 其中在石碼頭附近的18 km江段上發現34群次、222—247頭次, 并估算出保護區內的長江江豚數量為50—64頭; 熊遠輝等[21]還發現長江江豚主要集中在沿岸淺水區, 約75%出現在距岸100 m內, 近90%在岸邊200 m內。本研究記錄并分析了長江新螺段白豚國家級自然保護區內石碼頭江段上的碼頭施工期的打樁噪聲, 探討了打樁噪聲對長江江豚造成的潛在影響, 并提出了一些防范建議, 希望有助于加強對施工水域長江江豚的保護。

1 材料與方法

1.1 數據采集

2011年7月21日在洪湖市長江石碼頭江段, 對洪湖新港施工中的打樁作業進行了水下噪聲監測。施工打樁點底部為礫巖, 局部區段存在有空洞充填物, 每個樁的作業持續時間約為30min, 共約1300次打擊。鋼管樁的直徑為900mm。噪音監測位點距離打樁點分別為59、102、186和362m, 并且在距打樁點59m的位點采集了非打樁作業時的水下噪聲作為背景噪聲, 考慮到長江江豚在該江段主要集中在沿岸淺水區, 監測點設在岸邊200 m范圍內, 監測點見(圖1、表1)。

表1 打樁水下噪聲監測點基本信息

在打樁作業時, 通過激光測距儀(ELITE1500 LRF, Bushnell, Missouri)測距, 調整并確定實驗船與打樁點的距離, 實驗船拋錨或牽掛于固定物上定位, 關閉發動機。記錄GPS位點(GPS 72, Garmin), 測量水深(Hondex electronics CO., LTD.Aichi, Japan)。錄音時, 水下聲音通過水聽器(CR3; Cetacean Research Technology, Washington; Sensitivity:–210dB re 1V/μPa; Frequency Response Range:0.1Hz—240kHz+3/–12dB)由聲壓變為電壓信號, 經電壓前置放大器(VP2000; Teledyne Reson, Denmark; Gain:0—50dB)的放大和濾波之后, 以.wav的格式存儲于野外數字錄音機(FR-2; Fostex, Tokyo, Japan; 采樣率:96 kHz、192kHz; Bit Resolution:16bit、24bit)的SD卡中。錄音時設置電壓前置放大器的濾波范圍為1Hz— 50 kHz, 野外數字錄音機的采樣率為192kHz、采樣精度為24bit, 水聽器置于水下3m水層。

受設備數量限制, 錄音采樣只使用一條船和一套錄音設備, 所以在各個距離點采樣不是同步進行的。因為單次采樣過程較快, 并且打樁設備工作方式、水文氣候條件等未有明顯改變, 所以本研究假定在整個打樁過程中沖擊能量的差異不明顯。

1.2 數據分析

將存儲在SD卡中的.wav聲音文件導入電腦中, 然后用SpectraLAB(version 4.32.18d, Sound Technology Inc.)軟件和MATLAB(R2010b, The Mathworks, Natick, MA)自編聲音分析程序進行數據處理和分析。在進行快速傅里葉變換(FFT)時, 選擇FFT Size為8192, Hanning窗, FFT Overlap為50%。在此設置下頻率分辨率為23.438 Hz, 時間分辨率為21.33 ms。

1.3 度量標準

沖擊式打樁產生的聲音具有“多脈沖(Multiple pulses)”的特征, 這些脈沖在時間上是間隔的, 可由強度和持續時間描述其特征[23]。脈沖持續時間(90)是一次打擊中包含總累積能量的90%的一段時間(圖2, 本實驗中的打樁噪聲)。對于聲音強度, 本文主要用峰值-峰值聲壓級(p-p)和單個脈沖的聲暴露級(ss)描述。此外, 文中還用到峰值聲壓級(0-p)和累積聲暴露級(cum)。不管是p-p、ss, 還是0-p、cum, 都是一個比率, 在計算時需要用到參考值, 對于水下聲音參考聲壓為1 μPa[24], 在后文的方程式中統一用0表示。

p-p是打樁脈沖聲壓從正到負最大差值(正值)的聲級, 單位為dB re 1 μPa。數學表達式用(1)表示,p-p表示單個脈沖中最大與最小瞬時聲壓的差值。對于同一個打樁脈沖,0-p比p-p約小6 dB re 1 μPa[25]。

ss是聲壓的平方值在脈沖持續時間(90)上的積分, 單位為dB re 1 μPa2·s。數學表達式用(2)表示, 其中()表示時間所對應的聲壓[26]。

cum是整個作業過程中多次沖擊信號的ss的總和,cum可以近似的用公式(3)進行計算, 其中代表脈沖數目[26]。

1.4 傳播損耗()和聲源級()

傳播損耗()是指信號從聲源發出后在傳播過程中的聲音強度的衰減。正是由于傳播損耗, 隨著與噪聲源距離的增加水下噪聲水平逐漸減小, 直到與背景噪聲水平相同, 一旦超過這個范圍就可以假定為噪聲不再對環境產生貢獻。

A. 脈沖信號的波形圖; B. 脈沖信號的能量累積圖(曲線代表能量累積的百分比, 垂線代表脈沖的起始時間5和結束時間95, 垂線兩端各占總能量的5%)

A. Time series for a single stroke; B. The cumulative energy for a single stroke (The curve indicates the percentage of energy cumulating, vertical lines indicate the start and end times of the90duration, both sides of the90duration all contain 5% of the total cumulative energy)

聲音在水下環境中的傳播可能在不同的地區有很大的不同, 也可能會隨著水深等物理條件的變化而變化[27]。本實驗中的打樁噪聲監測點都屬淺水區(表1), 噪聲在淺水環境中(<50 m)的傳播可近似為柱狀傳播, 所以傳播損耗可以用公式(4)計算, 其中代表監測點與聲源的距離, 單位為m[28, 29]。

聲源級()是距離聲源1 m處噪聲的聲級[5], 理論上可以用距聲源的噪聲聲級和傳播損耗進行計算。

2 結果

圖3和圖4是在不同采樣點(圖1中的位點1、2、3、4)所采集到的打樁噪聲的時域圖和聲譜圖。由圖中可以看出, 在離打樁點較近的區域(59 m)打樁噪聲非常強烈, 甚至在較高頻率都有明顯的能量分布(圖4)。隨著與打樁點距離的增大, 所記錄到的打樁噪聲的振幅逐漸減小(圖3), 并且不管是在低頻還是在較高頻率其強度都在減小(圖4)。

要計算打樁脈沖的ss, 首先必須要確定脈沖持續時間90。圖5顯示, 隨著與打樁點距離的增加, 打樁脈沖包含總累積能量90%的時間也在逐漸增加, 為了數據的統一性, 本研究選取距打樁點59 m的打樁脈沖計算90[(60±6.5) ms,=13], 并假定所有打樁脈沖的脈沖持續時間均為60 ms。

基于以上方法, 計算了不同監測位點的打樁脈沖的強度(p-p和ss)。由表2可以看出隨著與打樁點距離的增加, 打樁噪聲的強度基本上呈逐漸減小的趨勢, 并且在較近的距離(59 m和102 m)減小明顯, 在較遠的距離(186 m和362 m)減小相對不明顯。

基于公式(3)和表2中的數據(不同位點的p-p、ss)做回歸分析, 估算聲源級強度(表3)?；诒?所列聲源級大小, 進一步可求得打樁噪聲聲源的0-p為(199.4±2.6) dB re 1 μPa, 單個樁體作業的聲源的cum為(206.8±2.2) dB re 1 μPa2·s。

頻率組成是聲音非常重要的特征參數, 為了進一步得出噪聲在各個頻率的強度, 本研究分析得出了不同距離下的打樁噪聲以及背景噪聲的1/3倍頻程功率譜圖(圖6)。因為哺乳動物的有效濾波帶寬接近于1/3倍頻程, 所以在評估水下噪聲對鯨類動物的影響時, 通常以1/3倍頻程帶寬為單位對聲壓級進行測定[30], 其中1/3倍頻程是對于任意頻帶而言, 頻率上限與頻率下限的比值為21/3 [24]。另外圖中的聽力閾曲線是Popov等[16]在中國科學院水生生物研究所對兩頭長江江豚進行實驗而獲得的。

圖6中顯示, 打樁噪聲的主要能量分布于1 kHz以下的頻率, 距打樁點較近時(59 m和102 m)打樁噪聲衰減明顯, 較遠時(186 m和362 m)衰減不明顯, 與p-p和ss變化相似。就聲音強度而言, 即使在距打樁點較遠的位點(362 m), 打樁噪聲在各個頻率(200 Hz—50 kHz)的聲級都明顯高于背景噪聲, 特別是在較高的頻率(2— 50 kHz); 另外在8—45 kHz的頻率范圍內, 背景噪聲的強度高于長江江豚的聽力閾。

在評估噪聲對海洋哺乳動物的影響時, 可能需要用到權重,權重是在動物功能性聽覺頻率范圍內基于頻率的權重函數[3]。在進行權重時, 將海洋哺乳動物分為五類功能性聽覺群體, 對于長江江豚這種高頻發聲的鯨類, 功能性聽覺頻率范圍為200 Hz—180 kHz[3, 23]。圖7是權重后的打樁噪聲和背景噪聲的1/3倍頻程功率譜圖。與圖6比較, 圖7中進行權重后的噪聲的聲級在低頻(<400 Hz)有少許減小, 而在頻率高于400 Hz時, 幾乎沒有變化。

表2 不同距離下打樁噪聲的強度

表3 聲源級估算

3 討論

3.1 打樁噪聲影響的衡量標準

對于暴露在噪聲中的動物, 至少有4個主要的方面值得關注: 永久性聽覺閾移(PTS)、暫時性聽覺閾移(TTS)、聽覺掩蔽和行為干擾[31]。PTS和TTS都會表現出動物聽覺能力的實際地改變, 由于道德和法律的原因, 至今還沒有人為的對鯨類動物誘發PTS的研究, 一般認為重復的TTS會導致PTS, 特別是動物還沒有從先前的TTS中完全恢復而又暴露在另一噪聲中, 然而如果聲音足夠強烈, 甚至可能在沒有產生TTS的情況下引起PTS[8]。聽覺掩蔽是指一個外來噪聲代替或者掩蓋了目標信號, 并且噪聲不一定是對相同頻率的信號才有掩蔽, 與中頻或高頻噪聲相比, 低頻噪聲可能會掩蔽更寬范圍的頻率[8, 31]。行為干擾是動物應對聲音時其行為的顯著性改變[31], 噪聲對鯨類動物的行為干擾很普遍, 同時也很難進行長期評估, 但是通過仔細的數據收集的確已經證明了行為干擾的存在[31]。

齒鯨類動物依據發聲特征可以分為兩類, 一類既能發出長持續時間的調頻純音信號(即通常所說的“哨叫聲”)又能發出脈沖信號(即所謂的“滴答聲”); 另一類齒鯨只發出脈沖信號, 其脈沖信號的能量峰值頻率在110 kHz左右[24]。長江江豚屬于第二類, 其發出的回聲定位信號具有典型的高頻、窄帶、超聲脈沖等結構特征, 典型脈沖信號的峰值頻率的平均值為(125±6.92) kHz[17]。

打樁噪聲為低頻、高聲源級的脈沖信號, 其主要能量的頻帶一般在1 kHz以下[23]。根據本實驗的研究結果, 打樁噪聲的聲源級:p-p為(205.4±2.6) dB re 1 μPa、未權重的cun為(206.8±2.2) dB re 1 μPa2·s; 打樁噪聲的主要能量分布于1 kHz以下的頻率。對于發高頻信號的鯨類動物, 沖擊信號對其TTS傷害有一個雙重的衡量標準,0-p為224 dB re 1 μPa,權重的為198 dB re 1 Pa2·s[3]。根據本實驗的結果, 打樁噪聲聲源的0-p為(199.4±2.6) dB re 1 μPa, 未權重的cum為(206.8±2.2) dB re 1 μPa2·s, 根據Southall等[3]的標準, 打樁噪聲聲源的0-p遠遠低于引起鯨類動物TTS的標準。由于聲源的頻率組成未知, 所以本研究未能得到聲源權重的cum, 不過計算出了距打樁點59 m處的打樁噪聲權重的cum, 為(195.4±0.9) dB re 1 μPa2·s (=13), 接近于引起動物TTS的標準。當然這個標準是對所有高頻發聲鯨類動物的粗略的規定, 而具體到某一種動物還需更準確的依據標準。

3.2 打樁噪聲對長江江豚的影響

Popov等[32]對噪聲引起的長江江豚的TTS以及恢復做了研究, 在長江江豚暴露在一段噪聲之后對其聽覺進行測試, 結果顯示長江江豚在強度為140 dB re 1 μPa的32 kHz單頻噪聲環境中暴露3min, 會導致其對45 kHz的聲音產生TTS高達20 dB re 1 μPa, 并且要18min才可恢復。而對于此次實驗, 距打樁點59 m處的打樁噪聲(圖6、圖7), 在較高頻率(10—50 kHz)的聲級接近于140 dB re 1 μPa, 所以在距打樁點59 m的范圍內, 打樁噪聲很有可能會對長江江豚造成直接的TTS傷害。當然長江江豚對這種傷害性的噪聲應該會有逃避行為, 但是如果動物的逃避行為在某些受限制的水域受到阻礙, 這種傷害就會發生。

目標噪聲可否被動物聽到取決于兩個方面, 背景噪聲和動物聽力閾, 當目標噪聲既高于背景噪聲又高于動物聽力閾時才能被動物聽到。圖6和圖7顯示, 各個位點的打樁噪聲都明顯高于背景噪聲和動物聽力閾, 可以被長江江豚聽到, 而這些可以被動物聽到的高強度的打樁噪聲, 很有可能妨礙動物對有用信號的接收。打樁噪聲的主要能量分布在低頻, 這尤其會對只能發低頻聲音(2— 3 kHz)或還不能熟練發高頻聲音的幼豚(出生不到100d)造成傷害[18], 一旦幼豚和母豚分離, 這些打樁噪聲可能會干擾幼豚尋找母豚, 依賴于母豚的幼豚可能因為找不到母豚而受傷甚至死亡。事實上, 野外考察也發現初生江豚的死亡率較高[33]。

關于噪聲對動物影響的研究, 行為干擾是一個很重要的方面, 由于實驗的局限性, 本實驗并沒有涉及這部分的內容。在以后的研究中, 可以在打樁作業時對野外動物進行觀察或用已有的打樁噪聲對豢養長江江豚進行噪聲回放實驗, 從而得到打樁噪聲對動物行為干擾的相關數據。

打樁聲音的特征因底質、樁的類型(柏木或鋼鐵)、樁的大小的不同而不同, 底質越堅硬、樁越大, 打樁噪聲越高[34]。此次實驗是在同一施工水域先后采集的兩個樁體的打樁噪聲, 這次實驗的結果可以作為參考, 并不普遍適用于所有類型的樁體作業。

3.3 減緩措施

雖然此次實驗沒有監測更遠距離的打樁噪聲, 不能確定在距打樁點多遠時打樁噪聲衰減到不能被長江江豚聽到, 但可以確定的是在距打樁點362 m的打樁噪聲明顯高于背景噪聲, 很有可能會造成動物的聽覺掩蔽。為了緩解打樁噪聲對動物的影響, 一般從降低打樁噪聲強度、讓動物在打樁前遠離噪聲源這兩個方面采取措施, 例如用氣泡幕或樁體套筒對打樁噪聲進行隔離或抑制、緩啟動等。Robinson等[35]發現通過緩啟動打樁噪聲聲級可以均勻的增加, 通過對打樁聲音大小和動物的逃離速度的有效的測量, 可以使動物在緩啟動過程中逃離打樁區域, 這種方法可以降低打樁噪聲對動物突然的傷害。

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A PRELIMINARY STUDY ON IMPACT OF PILING UNDERWATER NOISE ON THE YANGTZE FINLESS PORPOISE ()

SHI Wen-Jing1, 2, WANG Zhi-Tao1, 2, FANG Liang1, 2, DONG Li-Jun1, 2, WANG Shi-Yong1, 2, WANG Ding1and WANG Ke-Xiong1

(1. Institute of Hydrobiology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430072, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Yangtze finless porpoises; Piling noise; Temporary Threshold Shift (TTS); Masking

10.7541/2015.52

Q171.1

A

1000-3207(2015)02-0399-09

2014-01-08;

2014-08-21

國家自然科學基金(31170501); 科技部支撐計劃(2011BAG07B05); 香港海洋公園基金資助

時文靜(1987—), 女, 山東單縣人; 碩士; 主要從事鯨類聲學研究。E-mail: shiwenjingnizi@163.com

王克雄, 研究員; 主要從事鯨類保護生物學研究。E-mail: wangk@ihb.ac.cn