Как минимизировать шумовое загрязнение во время гидрографических исследований

Понимание масштабов шумового загрязнения в гидрографических исследованиях

Морские гидрографические исследования имеют основополагающее значение для безопасной навигации, развития морской инфраструктуры, мониторинга окружающей среды и научного картирования морского дна. Однако те самые инструменты, которые делают эти исследования возможными - двигатели судов, эхо-зонды с несколькими лучами, сонарные сканы, профилировщики снизу и профилировщики акустического доплеровского тока - вводят значительный антропогенный шум в морскую среду. Этот шум может перемещаться на большие расстояния под водой и мешать поведению, связи и выживанию морских организмов, особенно тех, которые полагаются на звук для основных жизненных функций.

Задача состоит не в том, чтобы полностью устранить шум, что было бы непрактично для операций по обследованию, а в том, чтобы минимизировать его интенсивность, продолжительность и пространственный след. Комплексная стратегия сочетает в себе технологические обновления, оперативное планирование, соблюдение нормативных требований и мониторинг в режиме реального времени. Эта статья предоставляет подробное, авторитетное руководство по снижению шумового загрязнения во время морских гидрографических исследований, опираясь на последние исследования, передовые методы промышленности и нормативную базу.

Источники антропогенного шума

Шум при гидрографических съемках исходит из нескольких источников, каждый из которых имеет различные частотные диапазоны и характеристики распространения:

• Двигатели и машины: Вибрации двигателя, кавитация винта и шум генератора производят низкочастотный звук (10-500 Гц), который может перемещаться на сотни километров. Даже небольшие суда для обследования могут генерировать уровни выше 150 дБ re 1 мкПа на 1 м.
• Активные сонарные системы: Многолучевые эхозондеры и субботние профилировщики излучают импульсы от 12 кГц до 200 кГц, при этом уровни источника часто превышают 220 дБ re 1 мкПа на 1 м. В то время как высокие частоты ослабевают быстрее, кумулятивный эффект повторных пингов может вызвать временные пороговые сдвиги слуха.
• Вспомогательное оборудование: Динамические двигатели, кабельные лебедки и системы сбора данных добавляют непрерывный низкоуровневый шум.
• Пушки и искреры:] Иногда используемые для более глубокого профилирования, эти импульсивные источники производят широкополосный шум до 250 дБ и являются одними из самых вредных для морских млекопитающих.

Акустический эффект на морскую фауну

Морские животные, особенно китообразные (киты, дельфины, свиньи), ластоногие (тюлени, морские львы) и рыбы, зависят от звука для навигации, кормления, избегания хищников, спаривания и социальной сплоченности. Воздействие повышенных уровней шума может вызвать:

• Маскажирование: Перекрытие шума обзора биологически важными частотами ухудшает способность обнаруживать вызовы, эхолокации кликов и сигналы окружающей среды.
• Поведенческие нарушения: Избегание зон обследования, изменение моделей погружений, прекращение кормления и повышение уровня гормонов стресса. Например, исследования показали, что клювистые киты могут прекратить кормление в течение нескольких часов после воздействия сонаров средней частоты.
• Физиологические повреждения: Очень высокие уровни звука могут вызвать временные или постоянные сдвиги порога слуха, баротравму и даже внутренние травмы.
• Эффекты на уровне популяции: Повторяющиеся нарушения во время критических сезонов размножения или кормления могут снизить репродуктивный успех и выживаемость.

Международный совет по исследованию моря (ICES) и Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA) опубликовали обширные рекомендации по критериям воздействия шума, которые должны информировать каждый план обследования.

Нормативно-правовые рамки и руководящие принципы

Минимизация шумового загрязнения является не только этическим обязательством, но и зачастую юридическим требованием.Несколько международных и национальных органов установили пороговые значения, протоколы смягчения последствий и обязательства по представлению отчетности в отношении гидрографических обследований.

Международные стандарты

Международная морская организация (ИМО) разработала добровольные руководящие принципы по снижению шума под водой от коммерческих судов, которые могут быть адаптированы для судов для обследования. Кроме того, Соглашение о сохранении мелких китообразных Балтийского, Северо-Восточной Атлантики, Ирландского и Северного морей (ASCOBANS) и Конвенция о сохранении мигрирующих видов диких животных (CMS) обеспечивают региональные рамки для смягчения шума.

Для гидролокаторных операций Международный совет по исследованию моря (ICES) публикует всеобъемлющее «Руководство по оценке и смягчению последствий подводного шума от морских научных исследований», которое включает поэтапные процедуры оценки рисков. Операторы обследования должны ознакомиться с последними руководящими принципами ICES в качестве базового уровня для своих планов экологического менеджмента.

Национальные и местные правила

• Соединенные Штаты: NOAA Fisheries применяет Закон о защите морских млекопитающих (MMPA) и Закон об исчезающих видах (ESA). Геодезисты должны получить разрешения на случайный захват (ITA) или подтверждающие письма и придерживаться строгих зон остановки, если морские млекопитающие приближаются на определенные расстояния.
• Рамочная директива по морской стратегии (MSFD) требует от государств-членов достижения «хорошего экологического статуса» для подводного шума. Многие страны (например, Германия, Великобритания, Норвегия) имеют дополнительные условия разрешения, требующие акустического мониторинга в реальном времени, сезонных ограничений и использования наилучших доступных методов.
• Австралия и Новая Зеландия: Австралийский закон об охране окружающей среды и сохранении биоразнообразия (EPBC) регулирует выбросы шума, и государственные учреждения часто налагают меры по смягчению последствий, такие как процедуры мягкого запуска и зоны отчуждения.
• Канада: Канада: Канада (FLT: 1) Промысел и океаны (DFO) выдает руководящие принципы в соответствии с Законом о рыболовстве и Законом о видах, подверженных риску, с особым вниманием к критическим местам обитания правого кита Северной Атлантики и кита-убийцы Южного жителя.

Операторы должны взаимодействовать с соответствующими регулирующими органами на ранней стадии планирования и включать все условия разрешения в план экологического менеджмента (EMP) исследования.

Практические стратегии минимизации шумового загрязнения

Успешный подход к смягчению последствий сочетает в себе выбор оборудования, оперативные меры и мониторинг. Ниже приведены практические стратегии, организованные по категориям.

Проектирование судов и двигательные системы

Сам корабль часто является доминирующим источником шума. Модернизация или выбор судов с шумоподавлениями может привести к значительному снижению:

• Тихие пропеллеры: Высококосые, сильно перекошенные или продувные пропеллеры снижают кавитационный шум. Контролируемые пропеллеры также позволяют работать с оптимальной эффективностью для скоростей обзора.
• Акустические корпуса: Комнаты двигателя могут быть инкапсулированы звукопоглощающими материалами для уменьшения шума, передаваемого структурой.
• Гибридная или электрическая тяга: Аккумуляторно-электрические или гибридные дизель-электрические суда работают почти бесшумно на низких скоростях. Класс автономных судов «E-Surveyor» демонстрирует, что электрическая тяга может достигать уровня источника ниже 120 дБ, что намного тише, чем обычные обзорные запуски.
• Динамический шум системы позиционирования: Если требуется DP, используйте азимутальные двигатели с низкокавитационными конструкциями и избегайте запуска ненужных двигателей во время сбора данных.

Сонар и Эхо Sounder Selection

Современные производители оборудования для съемки теперь предлагают варианты с низким уровнем шума, которые соответствуют стандартам точности при одновременном снижении акустической мощности.

• Выберите более низкие уровни источника, когда это возможно: Многие многолучевые системы позволяют регулировать мощность передачи и длину импульса. Используйте минимальный уровень, необходимый для заданной глубины воды и отражательной способности морского дна.
• Используют передовые методы пульсового кодирования: Частотно-модулированные (FM) чирпы или фазово-кодированные сигналы могут поддерживать отношение сигнал-шум с более низкой пиковой мощностью, чем стандартные импульсные сигналы.
• Используют двухчастотные системы: Высокочастотный (например, 400 кГц) канал для мелководья и более низкой частоты только при необходимости снижает общее воздействие звука.
• Выключите избыточные сонары: Не запускайте боковое сканирование и многолучевой одновременно, если покрытие может быть достигнуто последовательно.

Оперативное планирование и расписание

Тщательное планирование может значительно снизить вероятность столкновения с чувствительными видами и совокупным шумовым следом.

• Избегание биологически чувствительных периодов: Воздержитесь от проведения обследований во время сезонов отела, размножения или миграции в районах, где, как известно, обитают охраняемые виды.
• Пространственное избегание: Используйте исторические данные наблюдений, модели распределения среды обитания и пассивный акустический мониторинг в реальном времени для выявления областей с высокой плотностью животных и соответственно перенаправляйте обследования.
• Процедуры мягкого запуска (ramp-up): Постепенно увеличивайте мощность гидролокатора в течение 15-30 минут, чтобы животные могли уходить до полного воздействия.
• Оптимизированные линии обзора: Проектирование интервала линий и направления трека для минимизации общей инсонифицированной области и предотвращения перекрытия инсонификации одной и той же области.

Меры по смягчению последствий: занавески для пузырьков и устройства для затухания

Для особо шумных операций, таких как профилирование снизу с помощью искричков или пневматических пистолетов, временные физические барьеры могут уменьшить распространение звука:

• Системы занавески пузырьков: Воздушные шланги, расположенные вокруг источника звука, выделяют сжатый воздух, образующий барьер из пузырьков. Несоответствие импеданса поперек пузырькового облака ослабляет шум на 10-20 дБ в толще воды. Эффективные конструкции требуют тщательного размещения и достаточного потока воздуха.
• Акустические системы разъединения: Изолировать источник звука от воды с помощью жесткого или гибкого барьера (например, «коффердамы» или «звукоразрушающие панели») — редко используется в исследованиях с открытой водой, но применимо в закрытых гаванях.

Пассивный акустический мониторинг (PAM)

Мониторинг в реальном времени вокализаций морских млекопитающих и рыб позволяет динамически смягчать последствия:

• Развернуть буксируемые гидрофонные решетки или стационарные донные регистраторы для обнаружения видов на расстоянии до нескольких километров.
• Используйте алгоритмы автоматического обнаружения и классификации (например, PAMGuard, Neptune) для оповещения наблюдателей.
• Когда животное, которое вокалирует, обнаруживается в заранее определенной зоне безопасности, необходимо выполнить отключение или снижение уровня источника.
• Последующий анализ данных PAM может уточнить будущие стратегии смягчения последствий и продемонстрировать соответствие нормативным требованиям.

Программа пассивного акустического мониторинга NOAA предлагает подробные ресурсы по методам развертывания и протоколам анализа. (]