周在明，楊燕明，牛富強，黃躍坤

（國家海洋局第三海洋研究所海洋聲學(xué)與遙感實驗室，福建 廈門361005）

影響大黃魚的水中聲指標(biāo)＊

周在明，楊燕明，牛富強，黃躍坤

（國家海洋局第三海洋研究所海洋聲學(xué)與遙感實驗室，福建 廈門361005）

為了明確有效地評價聲波對大黃魚影響的指標(biāo)，以水下爆破和濱海山體爆破兩種作業(yè)方式產(chǎn)生的水中聲波數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進行聲波信號的聲壓峰值和聲暴露級分析，并結(jié)合現(xiàn)場大黃魚的行為響應(yīng)進行研究。結(jié)果表明：水下爆破產(chǎn)生的水中聲波瞬態(tài)聲壓幅值較高，能量在瞬間累積到最大值并影響大黃魚的行為和安全；而濱海山體爆破水中聲波的聲壓幅值小，聲暴露時間長，能量的連續(xù)累積造成了大黃魚行為的改變。由于兩種爆破方式作用下的水中聲波在不同的聲暴露時間內(nèi)的聲暴露級較接近，且超過150dB會造成大黃魚的行為異常，因此認(rèn)為聲暴露級是評價水中聲波對大黃魚影響的一個重要指標(biāo)。

工程爆破；水中聲波；大黃魚；聲暴露級；指標(biāo)

工程爆破為人類獲取資源、向海洋拓展空間創(chuàng)造了可能，但由此產(chǎn)生的水下噪聲對水生環(huán)境和水生生物的影響，尤其是對聽覺敏感的珍稀海洋哺乳動物和珍貴魚類的潛在不良影響引起了廣泛關(guān)注［14］。大黃魚隸屬鱸形目石首科，在我國近海漁業(yè)中占有重要地位［5］。大黃魚具有明顯的行為聲學(xué)特征，能夠在一定的時間和環(huán)境條件下發(fā)聲，其耳石結(jié)構(gòu)又使其具備靈敏的聲學(xué)響應(yīng)特性，因此大黃魚易受外界噪聲影響，特定聲信號刺激能使其行為發(fā)生改變，甚至死亡［67］。對魚類影響指標(biāo)的相關(guān)研究表明，不同魚類對水中聲波強度的承受能力顯著不同，其中石首科魚類尤以大黃魚所能承受的水中沖擊波超壓能力較弱，石首科魚類的水中沖擊波超壓安全控制標(biāo)準(zhǔn)約為50kPa，非石首科魚類為200～300kPa，聲壓峰值1～4kPa會造成大黃魚快速逃離和跳離水面，峰值聲壓級超過190dB（轉(zhuǎn)換為峰值聲壓為3 162．3Pa）會導(dǎo)致大黃魚死亡［711］。GB 6722─2011首次將水中聲波對魚類影響的安全控制指標(biāo)進行了說明，其中高敏感石首科魚類在自然狀態(tài)下所承受的水中沖擊波超壓峰值為100kPa，網(wǎng)箱養(yǎng)殖狀態(tài)下所承受的超壓峰值為50kPa［12］；GB 6722─2014對聲波影響下的魚類指標(biāo)做了進一步修訂，認(rèn)為高敏感石首科魚類在自然狀態(tài)下所承受的超壓峰值為10kPa，網(wǎng)箱養(yǎng)殖狀態(tài)下所承受的超壓峰值為5kPa［13］。盡管相關(guān)的研究和規(guī)程對水中聲波影響魚類的安全指標(biāo)進行了定量表達(dá)，但在實際的工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)這些指標(biāo)并不能完全反映水中聲波對魚類的影響程度。本文中通過分析水中聲波對大黃魚影響，給出全面反映聲波對大黃魚影響的評價指標(biāo)，以期為工程爆破標(biāo)準(zhǔn)制定和海洋生態(tài)環(huán)境保護提供參考。

1 實驗方法

本研究的工程爆破包括水下爆破和濱海陸地爆破作業(yè)兩種方式，工程地點位于福建省東北部三沙灣和羅源灣海域（圖1），海域水深15～30m，平均約22．3m，是網(wǎng)箱養(yǎng)殖大黃魚的主要分布區(qū)。其中三沙灣工程作業(yè)區(qū)位于寧德漳灣小歲嶼附近，以水下炸礁作業(yè)為主，羅源灣工程作業(yè)區(qū)位于羅源縣碧里鄉(xiāng)，以濱海山體爆破作業(yè)為主。

為了快速、實時獲取影響大黃魚的有效爆破聲波數(shù)據(jù)，對大黃魚網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)進行定點監(jiān)測，監(jiān)測點距離工程爆破點1．1～1．5km。水聽器位于大黃魚養(yǎng)殖網(wǎng)箱中水下3．5m，是大黃魚的主要活動水層，網(wǎng)箱入水深度6～8m。測量系統(tǒng)主要有2種：第1種為丹麥B＆K Pulse3560和8104標(biāo)準(zhǔn)水聽器構(gòu)建的水下爆破沖擊波監(jiān)測系統(tǒng)，水聽器頻率響應(yīng)為0．1Hz～120kHz，接收靈敏度為（－205±2）dB re 1V／μPa；第2種監(jiān)測設(shè)備是美國Loggerhead Instruments DSG自容式水下聲音記錄儀，其水聽器靈敏度為－180dB re 1V／μPa，頻率響應(yīng)為0．02～30kHz，最高采樣率為80kHz。水下聲波數(shù)據(jù)采集時間為2013年3月和7月。監(jiān)測過程同步記錄了大黃魚的行為反應(yīng)。

圖1 工程試驗區(qū)域示意圖Fig．1 Diagram of engineering experimental regions

2 水中聲波特征

水下爆破過程大體分為3個階段：炸藥的爆轟、沖擊波的形成和傳播以及氣泡的振蕩和上浮，在距離爆炸點一定的距離其主要特征為沖擊波［14］。水下爆破沖擊波的波形特征主要表現(xiàn)在壓力幅值的瞬間跳躍式陡峭上升，然后迅速按指數(shù)規(guī)律下降，在深海中整個作用過程一般只有幾毫秒，在淺海中，由于海面和海底的反射，其持續(xù)時間稍有變長［15］。根據(jù)監(jiān)測到的水中波形信號（圖2（a）），可以發(fā)現(xiàn)水下爆破產(chǎn)生的沖擊波的波頭具有突躍的特點，聲壓值從最小躍升至峰值所用時間僅為0．2ms，雖然爆破藥量和爆破方式不同波形幅值有所差異，但峰值聲壓波形尖銳，壓力幅值迅速增大和衰減的規(guī)律一致（圖3（a））。圖2（a）中聲壓峰值為1 294．3Pa，峰值聲壓級為182．2dB，波形信號持續(xù)時間為120ms。

對于濱海山體爆破地震波經(jīng)過山體基巖傳播進入海岸時，爆破地震波由海岸及海底輻射聲能進入海水并通過海水傳播聲波，此外，地震波也會繼續(xù)通過海床基底傳播。由于基巖介質(zhì)對聲波的天然低通濾波作用和海水良好的聲傳播特征，因此，地震波在海床基底傳播過程中聲能衰減嚴(yán)重，水中聲能主要來源于爆破地震波在海水中的傳播［1618］。濱海山體爆破和水下爆破水中聲波波形有明顯差別：其聲波聲壓峰值較小，峰值聲壓波形較圓滑（圖3（b）），信號持續(xù)時間長，圖2（b）中聲壓峰值為368．9Pa，峰值聲壓級為171．3dB，信號持續(xù)時間約4．1s。

圖2 工程爆破水中波形圖Fig．2 Explosion acoustic waveforms

圖3 工程爆破水中聲波峰值波形Fig．3 Peak shape of acoustic waveforms

因此，從時域波形上看，水下爆破和濱海山體爆破水中聲波信號存在較為顯著的差異。水下爆破聲波的壓力幅值突躍至最大后迅速衰減，波峰陡峭尖銳，聲壓峰值或峰值聲壓級較大，且受爆破藥量的影響聲壓峰值或峰值聲壓級變化幅度較大，根據(jù)監(jiān)測到的水中聲波信號的統(tǒng)計結(jié)果，聲壓峰值或峰值聲壓級分別為（2 803．61±2 126．44）Pa和（186．95±6．25）dB，信號持續(xù)時間約為（0．12±0．05）s。而濱海山體爆破水中聲波信號壓力幅值突躍并不明顯，波峰圓滑，聲壓峰值或峰值聲壓級相對較小，監(jiān)測到的聲波信號的聲壓峰值或峰值聲壓級分別為（261．72±79．34）Pa和（167．99±2．49）dB，信號幅度平緩持續(xù)時間較長，（3．96±0．68）s。

3 水中聲波對大黃魚的影響

3．1 聲壓峰值的影響

水下爆破對水中生物，特別是對魚類的傷害事故時有發(fā)生［811］。究其主要原因，炸藥在水下爆破，特別是在水中爆破時，將在瞬間產(chǎn)生高溫高壓氣體，形成水中沖擊波，且水下爆破產(chǎn)生的沖擊波壓力強度較大［9］。如圖2（a）聲壓峰值迅速達(dá)到1 294．3Pa，用時僅為0．28×10－3s，在此大的聲壓作用下造成了網(wǎng)箱大黃魚（8～12個月）的逃竄和跳動，這與已有的研究較一致［5］。

但濱海山體爆破水中聲波的聲壓幅值較小，如圖2（b）所示，聲壓峰值僅為368．9Pa。從聲壓峰值看，本研究所測到的濱海山體爆破水中聲波信號遠(yuǎn)低于相關(guān)的研究和GB 6722─2011、GB 6722─2014中聲壓峰值對網(wǎng)箱養(yǎng)殖石首科魚類的安全控制標(biāo)準(zhǔn)50和5kPa，也低于相關(guān)的研究中提到的使大黃魚產(chǎn)生快速逃離和跳離水面行為反應(yīng)的聲壓值1～4kPa［713］。然而，在監(jiān)測站位現(xiàn)場卻觀測到了大黃魚的快速游動和跳動，這說明濱海山體爆破一定程度上對大黃魚的正常活動構(gòu)成了威脅，如圖4所示。因此，僅以聲壓峰值作為評價水中聲波對大黃魚影響的指標(biāo)不能解釋大黃魚的異常活動現(xiàn)象。

圖4 濱海山體爆破監(jiān)測點大黃魚的行為反應(yīng)Fig．4 Behavior response of large yellow croakers to coastal mountain blasting

可見，水中聲波信號的最大瞬時聲壓（聲壓峰值）可用于評價水下爆破產(chǎn)生的高強度短時信號對大黃魚的影響，然而對于濱海山體爆破產(chǎn)生的水中聲波則難以用聲壓峰值作為指標(biāo)對大黃魚的行為反應(yīng)進行有效評價。

3．2 聲暴露級的影響

人對噪聲的容忍程度不僅與最大聲壓級（聲壓峰值）有關(guān)還與持續(xù)時間（聲暴露時間）有關(guān)，暴露于一定強度的聲源中會造成暫時性的聽力損失，若暴露持續(xù)一段時間則會導(dǎo)致永久性的聽力減弱［19］。水下噪聲對魚類和其他海洋生物的損傷同樣受聲壓和持續(xù)時間的共同影響［2021］。因此，在評價水中聲波對大黃的影響時需要同時考慮聲信號的聲壓和持續(xù)時間。

聲暴露級Lse是一個獨立聲音事件的總能量并考慮了信號強度和持續(xù)時間，聲暴露級的測算是將聲信號能量歸一化到1s的時間內(nèi)，因此聲暴露級可進行不同聲暴露條件下的能量比較［22］。引入聲暴露級作為水中聲波對大黃魚影響的評價量，其計算公式為：

式中：pa（t）為聲壓；p0為參考聲壓；t1－t2為聲波信號持續(xù)時間；t0為參考時間，通常取1s［2324］。聲暴露級計算的能量通常為信號中心90%的能量值，其開始時間和結(jié)束時間分別為5%和95%的信號持續(xù)時間［2526］。

依據(jù)上述分析，本研究對水下爆破和濱海山體爆破產(chǎn)生的水中聲波信號90%的持續(xù)時間進行聲暴露級能量計算，對應(yīng)圖2的聲暴露過程其能量累積分布如圖5所示?？梢钥闯?，水下爆破水中聲波（圖2（a））的聲暴露級為165．34dB re 1μPa2·s，濱海山體爆破水中聲波（見圖2（b））的聲暴露級為158．55dB re 1μPa2·s，其值較接近。從能量的累積時間看，水下爆破聲波的聲暴露級在短時間內(nèi)聲能迅速累積，在90%的能量累積時間內(nèi)，聲暴露級增加30dB（δ30dB）所用時間為3ms，增加60dB的時間為9ms，能量穩(wěn)定時間為80ms（圖5（a））；對于濱海山體爆破水中聲波能量累積時間較長，聲暴露級增加30dB和60dB所用時間分別為350和510ms，能量穩(wěn)定時間約為2．4s（圖5（b））。從能量值看，兩者在不同時間內(nèi)累積的聲暴露級能量基本相似。對水下爆破和濱海山體爆破水中聲波的聲暴露級計算結(jié)果如表2所示：其能量累積增加30dB的時間相差較小，約為33ms；而聲暴露級增加60dB所用時間具有較大的差別，時間差約為1．312s。在不同的聲暴露時間內(nèi)2種爆破方式產(chǎn)生的水中聲波的聲暴露級超過150dB re 1μPa2·s時對大黃魚的行為活動都產(chǎn)生了一定的影響，如大幅度的跳躍和逃逸等異常行為（圖6）。因此，由于水下爆破和濱海山體爆破水中聲波的傳播路徑不同，導(dǎo)致水下爆破和濱海山體爆破水中聲波能量累積過程不同。水下爆破在短時間內(nèi)能量迅速累積，聲暴露級達(dá)到峰值，能量作用時間短；而濱海山體爆破聲暴露級并沒有迅速達(dá)到峰值，而需要經(jīng)歷一段時間的累積，聲暴露時間較長，能量作用時間較長。

圖5 累積聲暴露級變化曲線Fig．5 Cumulative variation of sound exposure level

表1 工程爆破水中聲波信號聲暴露級統(tǒng)計Table 1 Sound exposure level statistics of engineering balsting

圖6 濱海山體爆破和水下爆破監(jiān)測點大黃魚的行為反應(yīng)Fig．6 Behavior response of large yellow croakers to coastal mountain blasting and underwater explosion

綜合濱海山體爆破和水下爆破的水中聲信號特征可以發(fā)現(xiàn)，不同爆破方式下的水中聲波信號存在一定的差異。由于兩種聲波信號對大黃魚的行為響應(yīng)產(chǎn)生了類似的影響，根據(jù)上述分析并結(jié)合相關(guān)研究，可以認(rèn)為，水下爆破產(chǎn)生的水中聲波瞬態(tài)聲壓幅值較高，能量在瞬間累積到最大值并影響大黃魚的行為與安全，聲暴露時間較短，可依據(jù)聲壓峰值或峰值聲壓級作為評價因素；而濱海山體爆破聲波信號雖然聲壓峰值小，但聲暴露時間較長，能量在相對長的時間內(nèi)累積到較大值，造成大黃魚行為的改變，是能量連續(xù)作用的結(jié)果，應(yīng)以聲暴露級作為評價指標(biāo)。

4 結(jié) 論

濱海山體爆破與水下爆破的聲波信號的聲壓和信號持續(xù)時間存在較明顯的差異，以聲壓峰值和聲暴露級為指標(biāo)進行兩種聲波信號分析，并結(jié)合大黃魚的行為反應(yīng)現(xiàn)象進行研究，主要結(jié)論為：

（1）水下爆破產(chǎn)生的聲波壓力幅值突躍，聲壓先增大，后迅速衰減，信號持續(xù)時間較短；而濱海山體爆破水中聲波壓力幅值突躍不明顯，信號幅度平緩，持續(xù)時間較長。

（2）兩種爆破方式作用下，在不同的聲暴露時間內(nèi)聲暴露級較接近，且超過150dB re 1μPa2·s會造成大黃魚的行為異常，因此聲暴露級可作為水中聲波對大黃魚影響的一個重要評價指標(biāo)。

（3）爆破產(chǎn)生的聲壓峰值或峰值聲壓級作為大黃魚行為與安全的單一判據(jù)難以準(zhǔn)確地衡量其危害，在相關(guān)的研究和安全標(biāo)準(zhǔn)制定中應(yīng)重視聲暴露級這一指標(biāo)參數(shù)。

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Index of underwater acoustic waves impacting on large yellow croakers

Zhou Zaiming，Yang Yanming，Niu Fuqiang，Huang Yuekun

（Ocean Acoustics and Remote Sensing Laboratory，Third Institute of Oceanography，State Oceanic Administration，Xiamen 361005，F(xiàn)ujian，China）

The assessment of the behavior of large yellow croakers（Pseudosciaena crocea）in response to underwater acoustic waves entails clear and exact indices of assessment．In this work we collected data of underwater acoustic waves of coastal mountain blasting and underwater explosion using two types of acoustic instruments（Pulse 3560and DSG）monitored at the sea stations，recorded large yellow croakersbehavioral characteristics，and carried out the index study of two signal parameters，peak pressure and sound exposure level，in combination with comparative analysis of the croakersin situ behaviors．The results showed that，when the pressure amplitudes of the acoustic waves resulting from underwater explosion and mountain blasting were high，the momentary maximal sound energy would reach a momentary maximum value，affecting the croakersbehavior and safety．On the other hand，when the pressure amplitudes were lower but the time of exposure to the acoustic waves were long，the continual accumulation of sound energy would also affect the large yellow croakersbehavior．As a result，the levels of the exposure to the two blasting sound waves in different exposure times were very much consistent，and the croakersabnormal behaviors were observed at sound exposure levels higher than 150dB．So，an important conclusion was derived，combined with large yellow croakersbehavior and related academic research，that sound exposure level can be taken as an important factor，which was the total energy

over the sound exposure time，and should be used to assess the influence of the underwater acoustic waves on the large yellow croaker in underwater explosion and coastal mountain blasting．

engineering blasting；underwater acoustic waves；large yellow croaker（Pseudosciaena crocea）；sound exposure level；index

O383國標(biāo)學(xué)科代碼：13035

A

10．11883／1001－1455（2017）04－0734－07

（責(zé)任編輯 張凌云）

2015－09－17；

2016－01－05

國家海洋局第三海洋研究所基本科研業(yè)務(wù)費專項項目（海三科2013020；2012022）

周在明（1980— ），男，博士，助理研究員，zhouzaiming＠tio．org．cn。