近海海上風(fēng)電場水下噪聲傳播模型適用性研究

章 蔚, 楊 紅, 丁 駿, 吉新磊

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近海海上風(fēng)電場水下噪聲傳播模型適用性研究

章 蔚, 楊 紅, 丁 駿, 吉新磊

(上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院, 上海 201306)

通過現(xiàn)場采集近海海上風(fēng)電場工程區(qū)運(yùn)營期風(fēng)機(jī)水下噪聲和背景噪聲數(shù)據(jù), 計算了噪聲信號的倍頻帶聲壓級, 功率譜級和峰值聲壓級, 確定了海上風(fēng)電場水下噪聲總聲源級為148.3 dB, 以此開展近海海上風(fēng)電工程風(fēng)機(jī)水下噪聲頻域特性、功率密度譜特性等研究。在此基礎(chǔ)上使用Kraken簡正波模型和Bellhop射線模型對風(fēng)電場運(yùn)營期風(fēng)機(jī)水下噪聲在水平與垂直方向上的傳播進(jìn)行模擬, 模擬了噪聲在不同頻帶內(nèi)的衰減程度, 結(jié)果顯示模型模擬結(jié)果在不同頻率下的衰減趨勢有著很大差異, 產(chǎn)生了明顯的多途干涉現(xiàn)象, 通過實(shí)測數(shù)據(jù)對建立的噪聲傳播模型進(jìn)行驗(yàn)證, 發(fā)現(xiàn)Kraken簡正波模型在500 Hz以下, Bellhop射線模型在500 Hz以上適合模擬實(shí)際水下噪聲傳播情形, 同時海區(qū)本身背景噪聲的存在會對預(yù)測的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。這些結(jié)論可用于進(jìn)一步對近海海上風(fēng)電場水下噪聲傳播的研究。

海上風(fēng)電場; 水下噪聲; 噪聲傳播模型

近年來, 隨著地球化石資源的不斷枯竭和人類日益提高的環(huán)保意識, 清潔能源更加受到人們的關(guān)注。風(fēng)能是一種重要的清潔能源, 我國位于熱帶和亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū), 風(fēng)力資源十分豐富, 具有大規(guī)模開發(fā)的潛力。為促進(jìn)我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展, 2012年7月國家能源局發(fā)布了《風(fēng)電發(fā)展“十二五”規(guī)劃》, 海上風(fēng)電場越來越成為我國能源版圖中的重要組成部分, 我國近海海上風(fēng)電場的建設(shè)數(shù)量也在逐年增加。但是近海海上風(fēng)電場可能對工程海域的生態(tài)環(huán)境帶來一定的影響, 特別是施工期和運(yùn)營期產(chǎn)生的水下噪聲對海洋生物的影響。近海海上風(fēng)電場運(yùn)營期作為近海海上風(fēng)電場整個生命周期中最長的一個階段[1], 期間風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和機(jī)艙內(nèi)的機(jī)械振動均產(chǎn)生水下噪聲, 對近海海上風(fēng)電場運(yùn)營期產(chǎn)生的水下噪聲及其傳播衰減特性進(jìn)行研究, 對于促進(jìn)海洋環(huán)境和生物資源的保護(hù)具有一定重要的意義。

20世紀(jì)60年代以來, 科學(xué)技術(shù)迅速進(jìn)步, 人類對海洋中聲傳播的研究投入了大量的精力, 提出并發(fā)展了多種水下聲傳播模型和實(shí)用程序。Porter等[2-3]為了解決海洋傳播預(yù)報的問題, 提出了一種全新的算法, 構(gòu)成Kraken簡正波建模的基礎(chǔ)。據(jù)文獻(xiàn)[4], Tindle等給出了標(biāo)準(zhǔn)楔形模型的絕熱簡正波解。Porter等[4]基于BELLHOP模型, 采用高斯波束跟蹤方法, 計算水平非均勻環(huán)境中的聲場。李凡利等[5]用不同簡正波的速度差異導(dǎo)致的到達(dá)時間上的不同來反演海底參數(shù), 以獲取海底相關(guān)信息。李佳訊等[6]選擇Kraken模型為基礎(chǔ), 設(shè)計了一種海洋聲場數(shù)值預(yù)報系統(tǒng), 并運(yùn)用該系統(tǒng)進(jìn)行海洋聲場數(shù)值模擬研究, 對目標(biāo)區(qū)域典型的聲場結(jié)構(gòu)進(jìn)行聲線路徑的模擬和傳播損失的計算, 并且與前人結(jié)果比較, 證明模擬結(jié)果是正確的。黃建強(qiáng)等[7]利用射線理論建立淺海近程聲傳播模型, 指出該模型可以有效地模擬淺海聲傳播情況, 能夠較好地滿足淺海聲傳播仿真的需要。楊娟等[8]給出了利用射線理論建立的低頻矢量聲場模型, 表明用射線理論來預(yù)報聲場,具有計算簡便的特點(diǎn)。劉長華等[9]建議使用錨泊式海洋剖面觀測浮標(biāo)系統(tǒng), 以獲取海洋聲環(huán)境及其他環(huán)境要素, 滿足全方位立體的監(jiān)測要求。謝駿等[10]使用Bellhop模型, 可以更高效地得出計算結(jié)果, 且發(fā)現(xiàn)該模型可便捷地選擇接受特定角度的聲線。目前相關(guān)的聲傳播研究大多集中在船舶噪聲及海洋通信方面, 在海上風(fēng)電工程噪聲及傳播模擬方面的研究明顯較少。本文結(jié)合東黃海近海已建和擬建風(fēng)電工程的噪聲和聲傳播特性實(shí)例研究, 采用Kraken簡正波模型和Bellhop射線模型相互結(jié)合的方式進(jìn)行相關(guān)噪聲的傳播模擬分析, 討論近海海上風(fēng)電工程運(yùn)營期水下噪聲的傳播衰減特性。

1 水下噪聲傳播理論

本文研究近海海上風(fēng)電場風(fēng)力發(fā)電機(jī)(簡稱風(fēng)機(jī), 下同)水下噪聲及其在淺海聲道中的傳播衰減特性, 近海風(fēng)機(jī)水下噪聲源主要為風(fēng)機(jī)的機(jī)械振動, 它通過風(fēng)機(jī)機(jī)身傳遞至水中。本文側(cè)重研究風(fēng)機(jī)水下噪聲從聲源至較近接收點(diǎn)處的傳播衰減特性。

淺海聲道中, 海底聲反射對研究淺海聲場結(jié)構(gòu)和聲場預(yù)報具有重要影響作用, 海底聲反射取決于海底地形和海底底質(zhì), 淺海海底、海面反射聲和直達(dá)聲間的相互作用在不同頻率聲強(qiáng)衰減圖中形成復(fù)雜的干涉圖案。簡正波理論和射線理論是研究洋中聲傳播的兩種主要方法, 它們是波動方程滿足定解條件的解的兩種表達(dá)形式, 簡正波模型、射線模型、快速場模型、反射系數(shù)模型是上述理論的典型應(yīng)用形式。高頻時, 通常射線理論最實(shí)用; 低頻時, 對風(fēng)機(jī)水下噪聲傳播衰減簡正波模型則更為適用。本文考慮到風(fēng)機(jī)周邊區(qū)域?yàn)闇\海近場, 且海底地形變化不大等因素, 將采取簡正波模型和射線模型進(jìn)行數(shù)值模擬計算和研究。

1.1 Kraken簡正波模型

作為經(jīng)典的聲場模型, Kraken簡正波模型主要研究的是聲場中聲音信號振幅和相位的變化。Kraken簡正波方法是用有限差分方法在分層海洋介質(zhì)條件下對簡正波方程求解, 來得到快速精確解。在簡諧聲源形成的穩(wěn)態(tài)聲場中, 假設(shè)海洋聲道為柱面對稱的分層介質(zhì), 簡正波解為波動方程積分解的一種, 每一個簡正波都單獨(dú)滿足波動方程和邊界條件并且以各自的速度進(jìn)行傳播。波動方程的解可以表示為距離函數(shù)()和深度函數(shù)()的乘積, 即:

式中,為聲壓;為距離;為深度。Kraken模型將整個海水深度平均分為個寬度/, 于是得到+1個點(diǎn), 使用有限差分近似可以將Kraken方程中的連續(xù)問題化簡為標(biāo)準(zhǔn)的特征值問題。由Kraken算法得到波動方程的解為:

式中,為水平距離;為深度;S為源深;(S,l)為常數(shù);為海水密度[11-12]。

1.2 Bellhop射線模型

在經(jīng)典的射線理論中使用聲線來表達(dá)聲場中能量的傳播。聲線從聲源出發(fā), 經(jīng)過一定的路徑到達(dá)終點(diǎn), 終點(diǎn)的聲場指的是到達(dá)該點(diǎn)一切聲線的疊加, 射線理論通過程函方程和強(qiáng)度方程來明確聲場的路徑和強(qiáng)度, 在分層的海水中, 射線聲場的表達(dá)式為

其中

(5)式中,0為聲源處聲線的掠射角,為任意深度處的掠射角,是單位立體角輻射功率,()為折射率,為距離,為聲線常數(shù), 聲線從1點(diǎn)到2點(diǎn)的行走時間為:

設(shè)s為出射角, 則

coss=(7)

將相位和強(qiáng)度與聲線的路徑相互結(jié)合, 來進(jìn)行聲壓場的計算, 就可以求出聲場中的傳播損失[13]。

本文運(yùn)用Actup v2.2L[14]軟件進(jìn)行聲波傳播模擬計算。Actup v2.2L軟件一般計算過程分為以下幾步: (1)建立環(huán)境文件來模擬環(huán)境, 其中包括反射系數(shù)、目標(biāo)個數(shù)、目標(biāo)深度、接收深度、聲速剖面、頻率等信息; (2)輸入環(huán)境文件, 選擇所需要使用的模型, 例如Kraken, 利用Kraken程序及環(huán)境文件一起生成二進(jìn)制影文件, 此文件包含計算的聲壓場。(3)根據(jù)研究需要可以使用影文件處理得到傳播衰減圖等信息[15-16]。

1.3 水下噪聲特性計算

將采集的風(fēng)電場水下噪聲wav格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入matlab, 采用pwelch程序, 通過計算輸出噪聲數(shù)據(jù)的聲壓級和聲壓譜級等信息[17-18]。

2 實(shí)例分析

2.1 近海海上風(fēng)電場及噪聲監(jiān)測概況

本文選擇在建的江蘇鹽城濱海北區(qū)風(fēng)電場和已建的上海東海大橋風(fēng)電場一期工程作為研究對象, 其中江蘇鹽城濱海北區(qū)風(fēng)電場具體位置為34.38°~ 34.50°N, 120.13°~120.28°E; 上海東海大橋風(fēng)電場一期工程所在位置為30.75°~30.80°N, 121.95°~122.03°E (圖1)。由于兩個風(fēng)電場都位于水深7~13 m的淺海海域, 海域年平均風(fēng)速大于7 m/s, 海底地形平坦, 沉積物多為泥砂或砂, 環(huán)境類型相似。因此可以根據(jù)上海東海大橋海上風(fēng)電場一期工程運(yùn)營期實(shí)測的水下噪聲數(shù)據(jù), 作為建立近海海上風(fēng)電場水下噪聲傳播模型建模和驗(yàn)證依據(jù), 同時可以應(yīng)用建立的近海海上風(fēng)電場水下噪聲傳播模型預(yù)測在建的風(fēng)電場水下噪聲衰減特性。

圖1 東海大橋風(fēng)電場位置

東海大橋海上風(fēng)電場一期工程為國內(nèi)首個海上風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目, 一期工程共安裝34臺單機(jī)容量3 MW的風(fēng)電機(jī)組, 編號為1—34號。本文選取的是在2014年12月23日至2015年1月4日按照GB/T5265要求對上海東海大橋風(fēng)電場水下噪聲采取的5次調(diào)查數(shù)據(jù)。其中(圖1), 將距離東海大橋風(fēng)電場2、4、8、25號目標(biāo)風(fēng)機(jī)3、5、10 m位置的水下噪聲數(shù)據(jù)用于計算2、4、8、25號風(fēng)機(jī)水下噪聲的源強(qiáng); 將距離25號目標(biāo)風(fēng)機(jī)100、200、300 m位置的水下噪聲數(shù)據(jù)用于噪聲傳播模擬的驗(yàn)證數(shù)據(jù); 將34臺海上風(fēng)機(jī)水下噪聲源強(qiáng)疊加構(gòu)成海上風(fēng)機(jī)水下噪聲源總聲源級, 聲源中心Z點(diǎn)位于34臺風(fēng)機(jī)的幾何中心; 同時采集風(fēng)機(jī)工程區(qū)的背景噪聲數(shù)據(jù)。

江蘇鹽城濱海北區(qū)風(fēng)電工程一期工程共計劃安裝25臺單機(jī)容量4 MW的風(fēng)電機(jī)組, 總裝機(jī)規(guī)模為100 MW。在2014年10月23日至2014年10月24日進(jìn)行了水下背景噪聲數(shù)據(jù)的采集。

水下噪聲數(shù)據(jù)采集過程中根據(jù)各測點(diǎn)具體的海域深度, 每個測點(diǎn)在2~6個水層深度進(jìn)行測量, 每點(diǎn)測量記錄時間均為5 min以上, 測量時船舶關(guān)閉發(fā)動機(jī)和一切發(fā)聲設(shè)備并拋錨, 不產(chǎn)生自噪聲, 同時記錄測點(diǎn)氣象水文數(shù)據(jù)。

2.2 海上風(fēng)機(jī)水下噪聲來源及源強(qiáng)確定

海上風(fēng)電場風(fēng)機(jī)產(chǎn)生水下噪聲的途徑有3種, 第一種是風(fēng)機(jī)葉片的空氣動力噪聲和機(jī)艙內(nèi)機(jī)械振動通過空氣傳入水中, 這部分噪聲由于水氣界面的存在, 極大地阻礙了空氣噪聲向水中的傳播, 另外由于風(fēng)機(jī)機(jī)艙高度為90 m, 在距離風(fēng)機(jī)水平距離21 m以外空氣噪聲在水界面發(fā)生全反射, 能量無法傳入水中, 因此第一種途徑傳入水中的噪聲很微弱, 可以忽略; 第二種是機(jī)艙的機(jī)械振動噪聲導(dǎo)致樁體的結(jié)構(gòu)振動通過風(fēng)機(jī)的塔筒和樁基在水中的部分傳入水中, 這部分是運(yùn)營期水下噪聲的主要來源; 第三種途徑是樁體結(jié)構(gòu)振動噪聲通過樁基傳到海底, 再由海底輻射回水中。

在調(diào)查中對東海大橋風(fēng)電場多臺風(fēng)機(jī)水下噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集, 測量時間內(nèi)主要吹東南風(fēng)(SE), 風(fēng)速分布在6~8 m/s (在船面2 m高度), 風(fēng)機(jī)均處于正常工作狀態(tài), 由于風(fēng)機(jī)場不同風(fēng)機(jī)的間距均大于700 m, 且在大多數(shù)情況下, 海上風(fēng)電場的整體運(yùn)行噪聲較接近單個風(fēng)機(jī)的運(yùn)行噪聲[19-21], 本文選擇風(fēng)電場中的2、4、8、25號目標(biāo)風(fēng)機(jī)調(diào)查數(shù)據(jù)作為研究數(shù)據(jù), 見圖1, 在距離2、4、8、25號目標(biāo)風(fēng)機(jī)3、5、10 m處采集不同水層多組水下噪聲數(shù)據(jù), 綜合這些數(shù)據(jù), 根據(jù)GJB4057-2000[22]計算出2、4、8、25號目標(biāo)風(fēng)機(jī)的聲源級分別為142.6、145.1、139.8、144.4 dB, 以及海上風(fēng)電場水下噪聲總聲源級即聲源中心Z點(diǎn)處聲源級為148.3 dB, 圖2分別給出了東海大橋風(fēng)電場海上風(fēng)機(jī)水下噪聲總的譜源級和1/3倍頻程中心頻率處的譜源級。

圖2 風(fēng)機(jī)水下噪聲源強(qiáng)

2.3 風(fēng)電場海域水下背景噪聲特性分析

江蘇濱海北區(qū)風(fēng)電場海域環(huán)境背景噪聲級隨著頻率的增高而下降, 在頻率20 Hz~20 kHz范圍內(nèi)噪聲譜級的總動態(tài)變化范圍較大, 為40 dB, 總體上, 在100 Hz以上的聲壓譜級在118 dB以下; 500 Hz以上的聲壓譜級均在110 dB以下; 1 kHz以上的聲壓譜為104 dB以下; 2 kHz以上的聲壓譜級為103 dB以下, 5 kHz以上的聲壓譜級為96 dB以下。綜合這些結(jié)果得出在濱海北區(qū)風(fēng)電場海域環(huán)境背景噪聲處于一個較高的范圍, 位于90~120 dB, 峰值聲壓級所處1/3倍頻帶中心頻率位于100 Hz。上海東海大橋風(fēng)電場海域背景噪聲同樣處于一個較高的范圍, 位于91~115 dB, 峰值聲壓級所處1/3倍頻帶中心頻率位于125 Hz。因此在進(jìn)行預(yù)測結(jié)果驗(yàn)證的同時要考慮背景噪聲的影響, 特別是對于100 Hz左右范圍。

2.4 近海海上風(fēng)電場水下噪聲傳播模型的建立和模擬結(jié)果

1) 源強(qiáng)

25號目標(biāo)風(fēng)機(jī)的聲源級為144.4 dB(re 1μPa), 通過確定的源強(qiáng)進(jìn)行噪聲傳播模型的模擬預(yù)測和驗(yàn)證分析。

2) 頻率的選擇

1995年Westerburg對世界上第一個海上風(fēng)電機(jī)進(jìn)行測量發(fā)現(xiàn)噪聲的峰值頻率位于8 Hz和16 Hz。2000年Degn等[23]發(fā)現(xiàn)丹麥的Vindeby風(fēng)電場和瑞典的Gotland風(fēng)電場的峰值頻率分別為25 Hz和160 Hz。2006年Klaus等[24]發(fā)現(xiàn)丹麥的Horns Rev風(fēng)電場的峰值頻率位于150 Hz和300 Hz, 當(dāng)風(fēng)機(jī)功率降低時, 峰值所處頻率也隨之減小了。2008年Diederichs等[25]總結(jié)了4個風(fēng)電場的測量結(jié)果顯示水下噪聲峰值頻率分別為176, 150, 135, 134 Hz?！逗Ｉ巷L(fēng)電工程環(huán)境影響評價技術(shù)規(guī)范》要求中指出: “重點(diǎn)預(yù)測評價中、低頻(1 kHz以下), 尤其是500~800 Hz頻段噪聲對評價海域水下聲敏感海洋魚類尤其是石首魚科魚類(如大黃魚)的影響”。從圖2可以看出風(fēng)機(jī)噪聲譜源級中的較大值集中于100~1 000 Hz, 在這段頻率之間出現(xiàn)數(shù)個表示單頻信號的小尖峰, 單頻信號是風(fēng)機(jī)有規(guī)律的機(jī)械振動產(chǎn)生噪聲的表現(xiàn)形式, 因此從100~ 1 000 Hz進(jìn)行源強(qiáng)傳播的模擬驗(yàn)證具有較高的可信度。

綜合這些國內(nèi)外的研究成果, 結(jié)合風(fēng)機(jī)源強(qiáng)的特性, 海域背景噪聲的特性和海洋生物的敏感頻率范圍, 將預(yù)測的頻率范圍選定為100~1 000 Hz, 選定頻率100、125、160、200、250、315、400、500、630、800、1000 Hz為模擬驗(yàn)證的頻率。

3) 環(huán)境參數(shù)的確定

提取的水深文件, 聲源深度5 m, 接收深度0到15 m, 海水聲速1 500 m/s, 海水密度1 000 kg/m3, 海底聲速1 610 m/s[26-27], 海底密度1 900 kg/m3, 沉積層衰減系數(shù)為0.6 dB/l等參數(shù)。

4) 模擬結(jié)果

利用Actup v2.2L聲學(xué)軟件在matlab軟件平臺上運(yùn)行, 可以得到近海海上風(fēng)電場水下噪聲Kraken簡正波模型和Bellhop射線模型模擬結(jié)果。圖3和圖4分別表示Kraken簡正波模型和Bellhop射線模型模擬的水下噪聲在不同頻率下水平和垂直方向上的衰減特性, 聲源深度為5 m。

圖3 Kraken模型下不同頻率的衰減模擬圖

圖4 Bellhop模型下不同頻率的衰減模擬圖

從模擬出的噪聲衰減圖(圖3、圖4)處理后可以看出噪聲在水平方向和垂直方向均呈現(xiàn)不同程度的衰減, Kraken簡正波模型和Bellhop射線模型的模擬結(jié)果在不同頻率下的衰減過程有著很大的差異。Kraken簡正波模型在頻率100到1 000 Hz下衰減范圍為20~45 dB, 在低頻率下的衰減過程較為平緩, 在高頻率下的衰減則變化則十分劇烈; Bellhop射線模型在頻率100到1 000 Hz下衰減范圍為23~53 dB, 其衰減趨勢均有著很大的波動。這些劇烈的聲場起伏變化表明在模擬的淺海近場環(huán)境下源強(qiáng)發(fā)出的聲音在傳播中產(chǎn)生了明顯的多途干涉現(xiàn)象, 這是由于海底、海面反射, 以及直達(dá)聲多途傳輸產(chǎn)生的一種效應(yīng), 會導(dǎo)致點(diǎn)聲源在傳播過程中受到海洋環(huán)境較大的影響, 說明模擬結(jié)果與海域?qū)嶋H情況有一定的一致性。

2.5 近岸海上風(fēng)電場水下噪聲衰減模型驗(yàn)證和適用性分析

現(xiàn)根據(jù)采集到的東海大橋風(fēng)電場25號目標(biāo)風(fēng)機(jī)水下噪聲數(shù)據(jù)做噪聲傳播衰減的驗(yàn)證, 由于風(fēng)機(jī)噪聲會受風(fēng)機(jī)功率的變化、風(fēng)力大小、潮汐變化、海況、遠(yuǎn)處船只以及東海大橋車輛的影響, 本文選用多次測量數(shù)據(jù)來真實(shí)的反映25號目標(biāo)風(fēng)機(jī)水下噪聲的傳播情況, 使用100、200、300 m三個距離上5 m接收深度的噪聲數(shù)據(jù)和噪聲傳播模擬中5 m接收深度的模擬結(jié)果處理得出實(shí)測數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果的對比圖(圖5)。從分析得出的噪聲頻譜圖可以看出, 在100、200、300 m的水下噪聲聲壓級數(shù)據(jù)中, 峰值聲壓級所處頻率均為100 Hz(圖5), 處于選定的范圍內(nèi)(100~1 000 Hz), 聲壓級較高的部分也基本處于此范圍, 說明在模擬頻率上的選擇是合乎風(fēng)機(jī)實(shí)際產(chǎn)生水下噪聲情況的。風(fēng)機(jī)噪聲由風(fēng)機(jī)的功率大小和風(fēng)機(jī)本身的特性決定的, 經(jīng)過計算得出25號目標(biāo)風(fēng)機(jī)的聲源級為144.4 dB, 該結(jié)果與Klaus等[24]對丹麥的Horns Rev海上風(fēng)電場水下噪聲的測量結(jié)果相比大了20 dB, 推測是由于風(fēng)電場風(fēng)機(jī)的單機(jī)容量不同和結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致, Klaus發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)水下噪聲在150 Hz處出現(xiàn)峰值聲壓級, 與本文得出的東海大橋風(fēng)電場風(fēng)機(jī)水下噪聲在100、200、300 m處峰值聲壓級所處頻率(100 Hz)較為接近。汪啟銘[1]對福清5 MW風(fēng)機(jī)運(yùn)營期水下噪聲中信號成分和在100、200、300 m處測量傳播的衰減分析得出風(fēng)機(jī)發(fā)出的水下噪聲在三個距離上的衰減強(qiáng)度會隨深度變化而變化的結(jié)論, 當(dāng)深度減小, 會產(chǎn)生信號強(qiáng)度的減弱甚至成分的丟失, 汪啟銘選擇在水深1.5 m處和3 m處進(jìn)行水下噪聲的測量, 而本文是選取在水深5 m處測量的數(shù)據(jù), 可見是較為合理的選擇。

圖5 三個距離上實(shí)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的對比

在距離風(fēng)機(jī)100、200、300 m距離處, 使用Kraken模型進(jìn)行模擬在100~500 Hz是比Bellhop模型更加接近于水下噪聲傳播的實(shí)際情況, 而在500~1 000 Hz, Bellhop模型是更加符合的(圖5), 但是在100Hz處出現(xiàn)了誤差達(dá)到30 dB的情況, 產(chǎn)生這樣誤差原因可能是在頻率較低處受到了海洋背景噪聲較大的影響, 海洋背景噪聲和風(fēng)機(jī)產(chǎn)生水下噪聲疊加, 導(dǎo)致實(shí)測的結(jié)果較高, 也正是由于海洋背景噪聲的影響, 導(dǎo)致了實(shí)測值在絕大多數(shù)范圍內(nèi)略高于模擬值。按照500 Hz以下使用Kraken模型, 500 Hz以上使用Bellhop的方法, 可以使得模擬值與真實(shí)值的誤差處于10 dB以內(nèi), 可以較真實(shí)的模擬風(fēng)機(jī)水下噪聲的傳播衰減情況。

通常情況下認(rèn)為射線模型只在高頻遠(yuǎn)距離下適用, 本文的結(jié)果得出在低頻近場下, 射線模型同樣可以發(fā)揮一定的作用, 這與楊娟等[8]的結(jié)論有較好的一致性。在海水中, 聲速呈現(xiàn)梯度分布是一個很重要的特征, 但是由于風(fēng)電場區(qū)域大多水深在10 m左右, 基本不會有聲速變化, 因此在模擬中采用的是等聲速梯度[28-29]。林建桓等[30]提出了結(jié)合簡正波模型和射線模型提出了對遠(yuǎn)場噪聲源采用簡正波方法和近源采用射線方法的混合模型, 取得了很好的結(jié)果, 而本文是針對海上風(fēng)電場工程, 海上風(fēng)電場建設(shè)大多位于近海, 因此選取從頻率高低的角度來進(jìn)行具體的分析。由于海上風(fēng)電場的環(huán)境相似性, 因此可以將得出的噪聲傳播模型適用性結(jié)果適用于濱海北區(qū)風(fēng)電場和其他風(fēng)電工程, 在近海海上風(fēng)電場工程建設(shè)前模擬海上風(fēng)電場運(yùn)營期產(chǎn)生水下噪聲的情況, 可以為風(fēng)電場建設(shè)前的環(huán)境評價提供依據(jù), 以便提出相應(yīng)的預(yù)防措施, 減少水下噪聲對海洋環(huán)境的污染, 對風(fēng)電場海域漁業(yè)資源和珍稀海洋生物的保護(hù)做出貢獻(xiàn)[31]。

3 結(jié)論

本文使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集江蘇鹽城濱海北區(qū)風(fēng)電場海域和上海東海大橋風(fēng)電場一期工程海域水下噪聲數(shù)據(jù), 利用Matlab軟件平臺, 結(jié)合相關(guān)模型進(jìn)行分析, 以期可以為海上風(fēng)電工程中的環(huán)境保護(hù)做出貢獻(xiàn), 結(jié)論如下:

1) 兩個風(fēng)電場海域背景噪聲處于一個較高的范圍, 位于90~120 dB之間, 峰值聲壓級所處頻率位于100 Hz左右, 因此在運(yùn)營期的噪聲模擬和驗(yàn)證的過程中需要考慮背景噪聲的影響。

2) 根據(jù)在東海大橋風(fēng)電場運(yùn)營期風(fēng)機(jī)附近測得的水下噪聲分析計算得到2、4、8、25號目標(biāo)風(fēng)機(jī)的聲源級分別為142.6、145.1、139.8、144.4 dB, 海上風(fēng)電場水下噪聲總聲源級為148.3 dB, 風(fēng)機(jī)聲壓級高的部分集中在低頻范圍(100~1 000 Hz), 在這段頻率之間出現(xiàn)數(shù)個表示單頻信號的小尖峰。

3) 使用Kraken簡正波模型和Bellhop射線模型模擬了運(yùn)營期噪聲從聲源至較近接收點(diǎn)處的傳播衰減情況, 從0~300 m范圍Kraken簡正波模型在頻率100~1 000 Hz下衰減范圍為20~45 dB, Bellhop射線模型衰減范圍為23~53 dB, 水下噪聲在淺海近場環(huán)境傳播中發(fā)生了明顯的多途干涉現(xiàn)象, 與海域?qū)嶋H傳播情況有一定的一致性。

4) 在500 Hz以下使用Kraken簡正波模型, 500 Hz以上使用Bellhop射線模型可以較好的模擬風(fēng)機(jī)實(shí)際水下噪聲傳播情形, 使得模擬值與真實(shí)值的誤差處于10 dB以內(nèi), 發(fā)現(xiàn)在低頻范圍內(nèi)出現(xiàn)了誤差較大的現(xiàn)象, 可能是受到了海洋背景噪聲的影響。

然而本文得出的研究成果僅僅是適用近海海上風(fēng)電場運(yùn)營期情形的, 近海海上風(fēng)電場施工期的打樁活動也是產(chǎn)生水下噪聲污染的一個重要環(huán)節(jié), 打樁行為會向水下輻射高強(qiáng)度寬頻帶的脈沖式噪聲, 需要進(jìn)行更多的研究。

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The applicability research of offshore wind farm underwater noise propagation model

ZHANG Wei, YANG Hong, DING Jun, JI Xin-lei

(College of Marine Sciences, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China)

The noise signals of the octave band sound pressure level, the power spectrum, and the peak sound pressure level were calculated by the acquisition of the offshore wind farm project operating period and the background noise data. The underwater noise source strength of wind turbines was 148.3 dB. Studies on the frequency domain characteristics and power density spectrum characteristics of offshore wind farm engineering area underwater noise were carried out using these data. On this basis, using Kraken model and Bellhop model, the propagation of wind farm operating period underwater noise in the horizontal and vertical distance was simulated and the degree of noise attenuation in different frequency bands was predicted. It was observed that the different simulation results under different frequency attenuation trends showed a large difference and an obvious multi-approach interference phenomenon. The noise propagation models were verified by the measured data, and the adaptive frequency range of the two models was obtained (Kraken model is suitable for frequency below 500 Hz; Bellhop model can be applied to a frequency of more than 500 Hz). The presence of background noise could affect the accuracy of the prediction. These results could be used to predict the spread of the offshore wind farm underwater noise further.

offshore wind farm; underwater noise; noise propagation model

(本文編輯: 劉珊珊)

X834

A

1000-3096(2017)07-0078-09

10.11759/hykx20160423002

2016-04-23;

2016-07-25

海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201205010)

[Marine Public Welfare Industry Research Special Funds Project, No. 201205010]

章蔚(1991-), 男, 安徽祁門人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)榄h(huán)境海洋學(xué), E-mail: 237429936@qq.com; 楊紅, 通信作者, 女, 教授, E-mail: hyang@shou.edu.cn

Apr. 23, 2016