海洋环境噪声是水声信道中的一种干扰背景场,是在海洋中由水听器接收到的除自噪声以外的一切噪声,包括海洋噪声、生物噪声、地震噪声、雨噪声、人为噪声(航海、工业、钻探等噪声)等。在海洋环境噪声场中,声波来源广泛,既有自然声源,也有人为声源;不同声源场产生不同频率和声级的噪声,同一频率范围的噪声可能由一个或多个声源产生。

       近年来,随着人类对海洋的探索,人为的水下噪声正在威胁着许多鱼类及海洋哺乳动物的健康和生殖能力,尤其是一些高强度的噪声会导致海洋动物听觉缺失,甚至死亡。导致水底噪音增加的原因主要包括航运船只、声纳和沿岸建筑施工的增多,以及海上钻井作业和海上风电场的增加等。本研究中,作者搜集了人为活动及自然过程对海洋环境噪声影响的相关资料,并对现有文献进行综述与归纳,将环境噪声按声源的发声频率进行分类,旨在说明各频率段部分声源及其水下噪声的水平,呼吁人们在改进沿岸及海上的工作方法,降低人为噪声;另一方面,也为改善水产养殖动物的水声环境、提高沿海水产养殖产量及保护野生海洋动物(尤其是海洋哺乳动物)提供参考资料。

1 海洋环境噪声分类

1.1 极低频噪声

1.1.1 深海环境极低频噪声

       地球的地壳运动是海洋中极低频噪声的主要来源。有一种很强烈且几乎是连续的震动形式就是微震,其具有1/7 Hz的准周期性;单次大地震和远处火山爆发等间歇地震动也是深海低频噪声的来源。除地壳运动外,潮汐、海洋湍流、波浪的海水静压力效应等声源也是水下声场的贡献因子。如反向传播的海面波浪非线性相互作用会产生频率为5～10 Hz以下的环境噪声,海洋湍流所产生的声谱在1～20 Hz的十倍频程内。湍流是由海洋中或大或小的无规则水流形成,它会使水听器、电缆颤动或作响,其内部压力产生声效应。湍流压力的变化还会辐射到一定距离外,即在湍流以外的海水中产生噪声。

       另外,水下生物声源部分也是海洋中极低频噪声源的构成因素,部分海洋哺乳动物,如须鲸类可发出低频呻吟声。Cummings等和Watkins曾记录了蓝鲸Balaenoptera musculus和长须鲸Balaenoptera physalus的发声信号频率为10～20 Hz。Thompson等曾在1979年测出了以上两物种以10～25 Hz的低频发声,并估计声源级(距离声源1 m处)可达190 dB(0 dB re 1 μPa)。

1.1.2 大气声源

       大气中发出的声波能够耦合进入水下声场,大气声源的性质和传播特性决定了其对水下声场的贡献限定在极低频频率与超低频频率。其中雷鸣声可产生30 Hz以下的极低频声谱,并在10 Hz以下能探测其能量。

1.1.3 浅海水下爆破施工

        随着人类对近海岸的开发利用,爆破施工成为目前港口工程建设的重要手段之一。进行水下爆破时,爆炸瞬间的声波频率受炸药性质及装药量的轻微影响,频率为4～10 Hz;随后受水的摩擦力和黏滞力的影响,冲击波逐渐钝化为声波,频率也会发生改变,变化后卓越频率为10～105 Hz。

1.2 超低频、甚低频噪声

1.2.1 低频超电磁噪声

       目前,海洋环境中出现的超低频电磁噪声多与潜艇相关。潜艇周围的电磁噪声主要由轴频电场和工频电场在超低频频段内的分量产生,并与潜艇航速有直接关系,但由于保密性,国外公开的文献中并无具体数值可参考。已知对潜艇通信的有效手段主要以甚低频(3～30 kHz)和超低频(30～300 Hz)通信为主,潜艇进行水下超低频通信时会受到工频噪声的干扰,可推断出潜艇周围的电磁噪声为超低频电磁噪声。

1.2.2 船舶航行与地震勘探

       测量结果表明,在船舶航行频繁的海区,在5～500 Hz频率范围内,自然噪声谱与船舶的辐射噪声谱极大值相当符合,在此低频内,船舶航行是全球海洋噪声的主要来源。每一艘船都具有独特的声纹,并随船速、船况、船载、船上活动甚至船舶航行通过的水体性质而发生变化,目前已有对某些水面船舶种类的辐射噪声测量数据库,如伦敦Lloyd's注册数据库,它收集了对深海商船辐射噪声的测量数据,可查阅到某些商船的有效声纹信息。但军舰的声纹数据源被列为机密,由美国海军研究署等政府部门持有,不能用于科学研究。

       地质勘探也是海洋低频声音的一个贡献因子,它是探测海底矿物储量的主要手段,广泛应用于石油和天然气工业,还被用来研究海底和地壳的地质、地震及火山活动等。在地质勘探中使用的空气枪,产生的噪音主要以超低频率(5～300 Hz)为主。

1.2.3 中低频声纳、鱼雷

       声纳是使用声能来展示水下物体的物理性质并能定位该物体,其应用范围广泛,适应工程指标和布放策略的变化。目前声纳系统兼备军民应用,分为低频(＜1 kHz)、中频(1～10 kHz)、高频(＞10 kHz)。通常军用声纳具备所有频率范围,而民用声纳限于较高频。

       军用声纳一般限于全球一小部分特定海区使用。除了战争状态,军用声纳的使用海区、活动水平、活动时间均有明确限定。美国海军拖曳阵列低频主动监视系统(SURTASS-LFA)在100～500 Hz频率范围工作的垂直阵列中使用,该阵列多达18个声源发射器,每个声源器的工作声源级为215 dB左右。美国的一种新型军用主动探测声纳,工作频率小于500 Hz,噪声谱级峰值高达220 dB。此外,据报道:美国海军舰壳AN/SQS -53C战术声纳在1～5 kHz频带发射脉冲,工作声源级为235 dB;AN/SQS-56声纳在5～10 kHz频带发射脉冲,工作声源级为223 dB。根据不同应用,商用声纳一般工作在中心1～200 kHz或更高的窄频带,某些声纳换能器的声源级高达250 dB。

       以不同航速行驶的鱼雷,产生的宽频带辐射噪声谱也有所不同。鱼雷虽然有多种推动系统,但研究发现,在1 kHz频段上,螺旋桨空化的辐射噪声为海洋甚低频噪声源的有效贡献因子。

1.2.4 工业和建设活动

       从位于海边的电厂到打桩、疏浚、造船、运河水闸结构作业以及港口的日常活动,其类别相当广泛。人们对进入海洋环境中的这种能量(陆基到海岸线水域的结合)耦合了解的很少。许多活动(如冲击式打桩、电厂工作、工业机械运转、疏浚中的机械运动、风力发电等)产生各种声源级和声图案,已有文献给出了对这些声源发出水下声波的测量结果。

       油气工业采用的钻探技术需要许多设备,如钻探船、钻塔、钻探平台及钻探时的补给船、飞机等,在所有使用的钻探设备中钻探船产生的噪声是最嘈杂的,其跨越频带为10 Hz～10 kHz(其中10～30 Hz频率段为极低频),声源级高达190 dB。

1.2.5 海面粗糙度

       在频率为500 Hz～25 kHz范围内,自然噪声级与海况有直接关系,并与用水听器测量期间当地的风速有关,因此,在此频率范围内,海面粗糙度产生的噪声为甚高频段自然噪声的噪声源。

       海面降雨对海洋中的声波也有贡献。研究发现,在1～10 kHz频段,暴雨的噪声谱近于“白噪声”,而在10 kHz处,暴雨的噪声级超过无雨时18 dB;在几百赫兹至20 kHz以上的宽广频率范围,降雨噪声级能增加自然环境噪声水平达35 dB。

1.2.6 大气声源、地质声源与海冰效应

       雷鸣是海洋噪声天然出现的一种大气声源,不仅包括30 Hz以下的极低频声谱,还包括30 Hz～1 kHz以上的超低频与甚低频声谱。

       地壳运动能产生极低频噪声,其中,地震的水下声波在短距离内可将频率延伸至100 Hz以上,并能持续几秒至几分钟。除地壳运动外,海底海流的运动引起沉积物运动,能产生频率从1～200 kHz以上的环境噪声谱。

       海面上的冰盖能从根本上改变海洋噪声场。附近冰块的相对运动可在大块浮冰内产生声波,刚性冷冰的机械应力引发的爆裂释放出更高强度的声波,冰川的冰裂和冰皱产生的机械噪声水平也非常高。如Buck等[19]在离活动冰脊的距离为100 m、水深为30 m处,在声波频率为10～100 Hz间测得声压谱的密度级为97 dB。

1.2.7 生物发声

       目前生存的鱼类远远超过25 000种,人们在某种程度上知道大约有100种(仅占0.4%)鱼类的声行为。海洋哺乳动物发声涵盖了10～200 kHz以上非常宽广的频率。在繁育季节,各种发声鱼类和海洋哺乳动物对海洋噪声所起的作用会显著增加。

1)鱼及海洋无脊椎动物。

      许多种鱼可通过各种机制发出声波,声波大小随不同的生态系统及日间、季节等时间尺度发生变化,发出的声波为5 Hz～5 kHz,大多数为1 kHz以下的脉冲信号,主要用于通信、捕食、游泳以及其它行为。与鱼类相比,海洋无脊椎动物的发声种类较少,研究较多的是海胆Echinoidea与鳌虾Synalpheus regalis。海胆摄食时,牙齿磨擦珊瑚礁能发出几百赫兹左右的声音,同时其硬壳也会让声音产生共鸣,这种噪音能导致海胆身上的刺以一定频率振动,可使周围环境噪声级提高20～30 dB。鳌虾在其聚居地可发出2～200 kHz频带范围的声音,其中30～200 kHz范围为高频噪声。

2)海洋哺乳动物。

       虽然海洋哺乳动物发声频率涵盖较广,但根据已知文献的描述,其发声频率主要集中在30 Hz～30 kHz。大多数的大型须鲸类,如南露脊鲸Eubalaena australis、北极鲸Balaena mysticetus、灰鲸Eschrichtius robustus、座头鲸Megaptera novaeangliae可记录到1 kHz以下、声源级在180 dB以上的发声。Au等在2000年3月初(繁育季节)记录到鲸豚的发生频率为100～150 Hz、250～350 Hz、600～650 Hz的最高声级。齿鲸类(海豚和齿科鲸)可发出1～25 kHz的哨音,部分种类的海豚Delphinidae也可发出129 Hz～30 kHz的哨音。

1.3 高频噪声

1.3.1 高频声纳

       高频军用声纳(10 kHz以上)应用于数十至数千米距离的武器和反武器场合,猎雷系统所用的高频声纳从数十千赫的探测到数百千赫的定位,系统使用脉冲信号并且指向性很强。与军用声纳相比,民用声纳一般在更高的频率下工作,其中商用声纳设计用于特殊用途,如测障碍物、测深、探鱼等。根据不同应用,商用声纳一般在中心频率为1～200 kHz或更高的窄频带内工作。

1.3.2 热噪声

       由分子扰动产生的热噪声是深海自然环境高频噪声的主要噪声源,通过对Wenz谱级图[33]的分析可以得出,热噪声频率在10 kHz以上的频谱带上且主要集中在30 kHz以上。

1.3.3 生物发声

       能进行高频发声的海洋生物大多限于海洋哺乳动物,关于海洋非哺乳动物高频发声的文献报道较少,其中有介绍鳌虾在其聚居地可发出频带为30～200 kHz的高频噪声。海洋哺乳动物发出高频声音主要用于回音定位,齿鲸(海豚和齿科鲸)能发出种群特有的咔哒声,峰值能量远高于100 kHz,并能发出谐波高达100 kHz的哨音。根据录音调查记录显示,斑海豹Phoca largha在空气中能发出40 kHz的高频声音,海豚在水下使用频率在200～350 kHz以上的超声波进行“回音定位”。

2 海洋环境噪声对海洋动物的影响

       许多海洋动物依靠敏锐的听觉和复杂的发音系统进行日常活动,如导航、定位、觅食、逃避天敌、个体间交流等,而这些活动必须依赖于声音。Wartzok等的研究表明,海洋动物总体上在10 Hz～200 kHz范围具备功能性听力,主要分为3种:次声弓头鲸科(功能听力的可能范围在15 Hz～20 kHz,其中在20 Hz～2 kHz有良好的灵敏度);高频声波物种(在100 Hz～100 kHz的可变峰值宽带谱);超声主流物种(灵敏度在200 Hz～200 kHz,峰值谱在16～120 kHz)。

2.1 海洋环境噪声对野生海洋动物的影响

       人类进入工业化社会后,海洋噪声的增长主要与商业航运有关。Andrew等综合以往的研究进行分析比较,结果表明,在过去33年时间里,加利福尼亚某地收集的频段噪声数据在20～80 Hz,增长约10 dB,他们将这种变化归因于商船数量和总吨位的增加。部分商用测深仪和鱼探仪工作在50 kHz和200 kHz两种频率下,50 kHz频率正好在海洋哺乳动物的听力灵敏度范围内,有些鱼探仪在深海和浅海的生物繁殖区工作,将会直接影响到海洋动物。

2.1.1 对个体的影响 暴露在高强度的声音之下

       可能导致海洋哺乳动物出现暂时性听觉缺失,或暂时性的听觉灵敏度减弱,从而降低其觅食的效率,或阻碍彼此间的沟通。声级足够高时,会导致海洋哺乳动物听力永久性缺失,或听力的灵敏度永久减弱。曾经在地中海、巴哈马新普罗维登斯海峡发生的大规模喙鲸Hyperoodontidae搁浅事件,在时空上与正在进行的军事演习所使用的声纳有关联,被怀疑是喙鲸听力损伤所致。

       噪声干扰的增加会使海洋动物改变浮游和潜水规律,改变发音的形式(音量和节奏),甚至与船只发生碰撞。对人为噪声和其它干扰,海洋哺乳动物中的白鲸Delphinapterus leucas反应最为强烈,距离破冰船和深槽作业船舶50 km时,白鲸会产生一系列行为反应,如迅速游离船舶至80 km以外,游出水面呼吸,改变潜水模式,改变种群组成,改变发声等。

       噪声增加而使声音难以被听到时会出现声音屏蔽,这会干扰海洋哺乳动物利用听力进行沟通:干扰个体间的声通讯,尤其是母仔间的声通讯,甚至导致幼仔与母体失去联系;干扰交配季节雌、雄个体间的声通讯,导致失去潜在配偶,影响正常交配,对个体繁殖产生影响;无法侦测到天敌,对海洋哺乳动物的生存不利。如海上油田建设期间噪声可能会对斑海豹的某些行为造成短期的有害影响,并且可能导致成年海豹与幼仔的隔离。

2.1.2 对群体的影响

       如果海洋动物无法忍受噪声的滋扰,将完全改变其活动范围。如环境噪声会使它们集体迁移,放弃重要栖息地,从而影响正常的生态系统。噪音干扰的增加还会造成部分海洋哺乳动物的大规模搁浅等。通常情况下,受到影响的海洋动物将被迫调整其活动范围,一些群体的活动空间将受到限制或压缩。如动物在休息时比参加集群活动时更容易受到噪声干扰,处于休息状态的海豚往往回避船舶,觅食中的海豚不理睬船舶,参加集群活动的海豚可能会靠近船舶。声音屏蔽使动物无法侦查到猎物或动物合作狩猎时不能有效沟通,觅食就会受到影响,从而影响群体的生存。

2.2 工程爆破对水产养殖动物的影响

       近年来,人类在近海岸进行的各种建设施工活动影响了附近海域水产养殖业发展及野生海洋动物的生存环境。工程爆破作为港口工程建设的重要手段且由于爆破点多在近海岸或水下,对附近水产养殖业和水下生态环境的影响最大。

       爆炸物爆炸时,会在瞬间变成高温高压的气体,随后产生强大的冲击波。这种冲击波会使周围产生瞬时的高压,并以波动的形式向外传播,对波及到的生物产生影响。在水中爆炸时,冲击波最容易损伤的是鱼类的膘,除此之外,还有鱼类的肝、脾、肾等内部器官。当鱼离爆炸源比较近时,除了对鱼类的内部器官造成损害以外,对鱼的身体外部也会造成损伤。研究表明,鱼卵只有在距离爆破点20 m以外时,爆破产生的冲击波才不会对鱼卵有明显的伤害。

       针对水下爆破,李文涛等得出这样的结论:爆炸中导致鱼类死亡的主要原因是鱼鳔破裂(对于有鳔鱼类来说),除了鱼鳔以外,其它内部器官也容易受到损伤。鱼类离爆炸地点的距离越大,受爆炸的影响就会越小。对于无鳔鱼类来说,同样条件下存活的机会要大得多。而对于同种鱼类来说,鱼的体质量越轻,受爆炸的影响就会越大。

       另外,水下爆破会影响海水浑浊度和悬浮体,产生的浊水团会影响爆破点附近的生态系统,从而威胁海洋生物资源。在国内外诸多研究中还间接阐述了爆炸产生的冲击波对渔业生物的影响。蒋玫等通过炸礁爆破试验,研究了水下爆破冲击波对渔业生物造成的影响效应,并根据冲击波的衰减规律,对渔业生物所受的损害进行了较深入的研究。