CN112414239B - 一种基于导爆管警示的海洋哺乳动物声学驱赶方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于导爆管警示的海洋哺乳动物声学驱赶方法，涉及海洋哺乳动物声学保护。简称“小炮驱赶法”，具体步骤为：1)利用导爆管作为驱赶小炮材料；2)确定驱赶小炮药量、布放区域和布放深度；3)利用布放平台将驱赶小炮下放至水中指定深度；4)确认驱赶小炮危险区内无目标动物后将驱赶小炮引爆；5)计算小炮驱赶与正式施工间的时间间隔，等待一段时间后进行正式水下爆破施工，完成一次对海洋哺乳动物的声学驱赶。巧妙利用海洋工程爆破中的导爆管，以小药量进行工程爆破前的声驱赶，具有成本低且操作便捷，同时集安全性、有效性及驱赶信号的强随机性等优势于一体，可用于海洋工程爆破施工中对海洋哺乳动物的保护。
Description
技术领域
本发明涉及海洋哺乳动物声学保护，具体是涉及海洋工程爆破施工中利用声学驱赶方式阻止海洋哺乳动物进入临近爆破点的危险海域，使其免受高强度爆破噪声伤害的一种基于导爆管警示的海洋哺乳动物声学驱赶方法。
背景技术
水下爆破是海洋工程中应用最为广泛的施工手段之一，主要分为裸露爆破法、钻孔爆破法及洞室爆破法，其爆炸瞬间释放的巨大能量将快速改变施工海域局部地质结构，大大提高港口航道疏浚、隧道桥梁建设等海洋工程进度。不过，水下爆破施工的同时也将向周围海域辐射高强度冲击波噪声，对周边海域生态声环境场带来了显著改变。
众多海洋哺乳动物，如中国沿岸海域的中华白海豚，其栖息地往往与工程海域存在较大重叠。绝大多数海洋哺乳动物，如海豚、海豹等高度依赖声信号进行信息的获取与交流，对声场环境十分敏感。明显地，海洋工程施工噪声带来的水下声场变化将对海洋哺乳动物产生重大影响，高能量的水下爆破噪声更是存在对动物极大的致伤、致亡风险。因此，开展海洋工程爆破施工噪声影响下的海洋哺乳动物保护技术研究具有重要的科学意义，在实践中也具备极大的实用价值。
声学驱赶技术是一条重要保护途径，其中，多数海洋哺乳动物对声十分敏感的生理特性、水体环境利于声线传播的物理特质赋予该技术实现的基础。目前，海洋工程中常用的声学驱赶保护手段有：声墙驱赶、噪音驱赶及声驱设备驱赶(王克雄,王丁,方亮,等.施工海域中华白海豚声学驱赶保护方法)。声墙驱赶指在驱赶船上布置一排竖直通往水下的竹竿，驱赶时工作人员以敲击竹竿的方式在水下形成一道声墙屏障，从而阻止目标动物进入危险海域。噪音驱赶法指利用船舶不规则变速行驶发出大小不规则的噪音或利用空压机制造机械噪音，以促使动物离开施工海域。以上两种方法产生的驱赶声信号具备较强的随机性，目标动物不易产生习惯化倾向(即一段时间后，动物对驱赶声信号逐渐熟悉并不再产生回避行为)。不过，声墙驱赶与噪音驱赶手段均过于原始，十分耗费时间与人力，且受人为因素影响较大。声驱设备驱赶通过换能器发射可对海豚产生厌恶性刺激的声信号，迫使其离开危险海域。相较前两种方法，该手段较为方便且经济。不过，目前的声驱设备仍无法做到信号的真正随机化，目标动物对熟悉声音的“习惯化”问题仍十分突出，长期使用，一些声驱设备的驱赶信号甚至会成为“开饭铃声”(Mate,B.R.,Brown,R.F.,Greenlaw,C.F.,Harvey,J.T.and Tempte,J.(1987).An acoustic harassment technique to reduce sealpredation on salmon.In:Mate,B.R.and Harvey,J.T.(eds)Acoustical Deterrents inMarine Mammals Conflicts with Fisheries.Oregon Sea Grant Publication ORESU-W-86-001.Oregon State University,Corvallis,Oregon,pp.23-36)，吸引动物前往危险海域觅食。驱赶信号的随机化问题是现阶段声驱设备长期使用效果不佳，未能得到更为广泛应用的主要原因。
现阶段，水下声学驱赶主要仍以上述三个途径实现，驱赶信号一般也借助于人工、机械与换能器三类方式产生。尚无一种新型声驱技术手段可以集安全性、有效性及信号强随机性特质于一体，实现对海洋工程爆破施工中海洋哺乳动物的驱赶保护。
发明内容
本发明的目的在于提供主要应用于裸露爆破与钻孔爆破两类水下爆破工程，以有效避免高强度爆破施工噪声给海洋哺乳动物带来的潜在伤亡风险的一种基于导爆管警示的海洋哺乳动物声学驱赶方法。
本发明的具体步骤为：
1)利用导爆管作为驱赶小炮材料；
2)确定驱赶小炮药量、布放区域和布放深度；
3)利用布放平台将驱赶小炮下放至水中指定深度；
4)确认驱赶小炮危险区内无目标动物后将驱赶小炮引爆；
5)计算小炮驱赶与正式施工间的时间间隔，等待一段时间后进行正式水下爆破施工，完成一次对海洋哺乳动物声学驱赶。
在步骤1)中，所述导爆管可采用水下爆破施工中通用的导爆管，导爆管由塑料导爆管和非电雷管二部份组成，其中塑料导爆管负责引爆其末端非电雷管，非电雷管负责驱赶声源产生；非电雷管可采用单位载药量为0.8g的8号非电雷管。
在步骤2)中，所述确定驱赶小炮药量、布放区域，根据小炮爆炸影响范围及驱赶目标动物听觉灵敏度确定，从爆点半径范围由近向远分为驱赶小炮危险区、爆破施工噪声潜在伤害区(该区域内施工噪声均方根声压级>180dB)和驱赶小炮作用区；驱赶小炮危险区需控制于爆点半径100m范围内，危险区外驱赶信号均方根声压级需小于180dB；为满足上述要求，8号非电雷管总数最大不得超过3枚，危险区监测工作由后续爆破施工中的安全警戒人员一并负责，视现场条件可扩大监测范围；
作为优选，驱赶小炮作用区内冲击声信号均方根声压级需高于施工海域背景噪声30dB，且驱赶作用区范围需大于爆破施工噪声潜在伤害区；通过调整非电雷管数量控制驱赶作用区的范围，1枚8号非电雷管组成的驱赶小炮，其驱赶作用区约为爆点半径1400m，2枚约为1750m，3枚约为2000m。根据爆破施工规模和保护的目标动物听觉灵敏度选择驱赶小炮所用非电雷管数量，施工规模大、驱赶目标动物听觉灵敏度低(如海豹、海狮等鳍脚类动物)情况下，选择3枚8号非电雷管，动物听觉灵敏度中、高等一般情况下，选择1～2枚8号非电雷管。
在步骤2)中，所述布放深度以将驱赶小炮布放于施工海域水深一半的位置为宜；对于特殊需求，可根据施工海域声速剖面分布而产生的不同声传播衰减情况选择布放深度，以获得最佳驱赶效果，如目标动物活跃于水体底层，可根据声速剖面分布布置驱赶小炮，以使驱赶声场向水体底层集中；
在步骤3)中，所述布放平台选择调用施工现场工程船，如施工中的钻孔船或交通船。
在步骤4)中，所述驱赶小炮危险区一般为驱赶小炮的爆点半径100m范围内。
在步骤5)中，所述计算小炮驱赶与正式施工间的时间间隔的方法可为：小炮驱赶与正式施工间的保护时间由目标动物典型游速决定，其值t＝L/V，其中v为游速，单位m/s；t为保护时间，单位s；L为施工噪声伤害距离，一般取值500m，可适当调整；保护时间同样可根据施工现场情况适当延长，但不可过长，以防动物折返。
在驱赶小炮作用区内，其爆炸产生的冲击声波将对目标动物产生警示，从而达到驱赶或阻止海豚、海豹等声敏感类海洋哺乳动物进入危险海域的目的。驱赶小炮在正式爆破前引爆，引爆后等待一段时间(根据海域中保护动物的游动速度确定保护时间)方进行正式水下爆破施工，至此完成一次对海洋哺乳动物的小炮驱赶作业。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1.充分保证安全性。本发明驱赶声源为工程用小当量非电雷管，最大载药量仅2.4g，爆炸能量有限，远低于正式水下爆破。另外，由于爆炸能量呈指数衰减，对动物产生潜在伤害的危险区范围极小，方便在此区域内进行人工监测，以避免目标动物的存在。
2.驱赶范围广。根据水下爆炸声源传播规律，位于小炮危险区外的声驱作用区处能量随距离衰减十分缓慢，为声驱赶提供了大范围空间，十分适用于施工噪声影响范围较大的海洋工程爆破。
3.适合长期驱赶应用。本发明利用小当量非电雷管作为驱赶声源，其引爆后产生的冲击声信号结构高度随机，形式多变。相较于声驱设备，其驱赶声信号随机性强，即使多次应用，目标动物仍难以熟知其驱赶信号，克服了声驱设备信号的伪随机问题，适于长期驱赶应用。
4.操作便捷，经济性好。本发明所用材料和设备均基于工程现有条件，无需过多额外成本。驱赶声源为工程用导爆管，材料易得且成本低廉；借助于施工船只为布放平台，驱赶时仅需将导爆管布放于指定位置引爆，操作便捷且学习成本低。总结而言，本发明在实际操作中具备巨大的便捷性与成本优势。
5.与传统声墙驱赶、噪音驱赶及声驱设备驱赶方法相比，本发明首次集安全性、有效性、信号强随机性等优势于一体。区别于传统声学驱赶方式，本发明以可控水下爆破方式实现驱赶，是声驱手段的一大创新。
附图说明
图1为本发明操作步骤流程图。
图2为驱赶小炮布放与作用范围示意图。
图3为驱赶小炮与正式爆破施工噪声信号时域图(其中，驱赶小炮由1枚8号非电雷管组成，布置于水体底部，水听器距施工点水平距离分别为90m及960m)。
图4为驱赶小炮能量随距离的衰减曲线图。
图5为驱赶小炮驱赶声信号频谱与中华白海豚听阈曲线(仅采用70kHz内中华白海豚听力敏感频段数据，听力曲线来自Li,等(Li,S.,Wang,D.,Wang,K.,Taylor,E.A.,Cros,E.,Shi,W.,Wang,Z.,Fang,L.,Chen,Y.,and Kong,F.(2012).“Evoked-potentialaudiogram of an Indo-Pacific humpback dolphin(Sousa chinensis),”J.Exp.Biol.215,3055–3063)。
图6为驱赶小炮冲击声信号时域图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明做详细描述，以便海洋工程爆破中的普通技术人员理解和实施本发明。
为了对受水下爆破工程噪声影响下的海洋哺乳动物进行保护，本发明利用鲸豚、鳍脚类等主要海洋哺乳动物对声十分敏感的生理特性、水体环境利于声线传播的物理特质，提出了针对海洋工程爆破中的一种基于导爆管警示的海洋哺乳动物声学驱赶方法，即小炮驱赶法。该方法基于工程条件实现，成本低且操作便捷，与传统声墙驱赶、噪音驱赶及声驱设备驱赶相比，该方法集安全性、有效性和信号强随机性等优势于一体，为海洋哺乳动物的保护提供了一种全新的声驱保护技术手段，能有效驱赶或阻止动物进入危险海域从而避免高强度爆破施工噪声带来的伤亡风险。
本发明的简单操作流程如图1所示，具体实施时，首先确定驱赶小炮药量与布放深度。本发明驱赶小炮所用材料为水下爆破工程中常用的导爆管，由"塑料导爆管"和"非电雷管"二部份组成，其中塑料导爆管负责引爆其末端非电雷管，非电雷管负责驱赶声源产生。驱赶时采用单位载药量为0.8g的8号非电雷管。驱赶小炮药量由爆破施工规模和驱赶目标动物听觉灵敏度决定，通过调整非电雷管数量达到药量控制效果。施工规模大、驱赶目标动物听觉灵敏度低(如海豹、海狮等鳍脚类动物)情况下，选择3枚8号非电雷管，动物听觉灵敏度中、高等一般情况下，选择1～2枚8号非电雷管；驱赶小炮一般布放于施工海域水深一半的位置，对于特殊需求，可根据施工海域声速剖面分布而产生的不同声传播衰减情况选择布放深度，以获得最佳驱赶效果。如目标动物活跃于水体底层，可根据声速剖面分布布置驱赶小炮，以使驱赶声场向水体底层集中。
其后，借助如钻孔船或交通船等工程用船，将设定药量的驱赶小炮布放于指定深度，警戒人员确认爆点半径100m范围内(即驱赶小炮危险区)无目标动物后将其引爆。在驱赶小炮作用区内，其爆炸产生的冲击声波将对目标动物产生警示，从而达到驱赶或阻止目标动物进入危险海域的目的。图2给出了驱赶小炮布放与作用范围。相较于正式爆破施工，驱赶小炮能量十分有限，这里以单枚8号非电雷管组成的驱赶小炮海上试验为例，图3给出其信号时域情况，可以看出，驱赶小炮峰值声压仅为正式爆破约1/10水平。另外，从图4给出的驱赶小炮能量衰减情况可以看出，距爆点半径100m内小炮能量衰减十分迅速，在37m后能量已衰减至180dB，此时小炮对目标动物已无伤害风险。综上，小炮驱赶的安全性有充分保证。100m后，驱赶小炮能量以接近于0dB/m速度衰减，此衰减区属于驱赶作用区，低衰减速率为小炮驱赶提供了更大的范围。以中华白海豚为例，图5给出距爆点960m处驱赶小炮冲击声信号与中华白海豚的听阈对比，可以看出即使在较远距离，驱赶小炮信号能量仍位于目标动物听力敏感频段以上。小炮驱赶方法产生的大范围驱赶声场十分适用于水下爆破等施工噪声影响范围较大的海洋工程情况。另外，驱赶小炮信号结构高度随机，形式多变。如图6所示为同一海域进行的四次驱赶小炮试验结果，均由单枚非电雷管组成，可以看出，其信号结构存在显著差异。借助于水下爆破形式，小炮驱赶信号达到了真正的随机化，即使多次应用，目标动物仍难以熟知其驱赶信号，可以实现长期有效驱赶。
最后，引爆驱赶小炮进行警示后，需给予目标动物一段时间逃离危险海域方进行后续正式水下爆破施工，其时间t＝L/V；其中，v为动物游速，单位m/s，以中华白海豚为例，可设其逃离时游速约5m/s；t为保护时间，单位s；L为施工噪声潜在伤害范围，这里取500m。因此，针对中华白海豚的小炮驱赶保护时间选择约为100s，如图3显示的驱赶小炮与正式爆破时域情况所示，驱赶小炮与正式爆破施工间存在一段约100s的保护时间。在实际小炮驱赶过程中，保护时间可根据现场情况适当延长，但不可过长，以防动物返回。
本发明基于鲸豚、鳍脚类等海洋哺乳动物(如鲸鱼、海豚、海豹等)对水下声信号十分敏感的特性，利用海洋工程爆破中使用的导爆管作为驱赶小炮材料，布放于施工点附近海域，在正式爆破施工前引爆，其引爆后的可控冲击声波将对保护的目标动物产生警示作用，达到驱赶或阻止动物进入爆破施工危险海域的目的。相较传统声墙驱赶、噪音驱赶及声驱设备驱赶方式，本发明巧妙地利用海洋工程爆破中的导爆管，以小药量进行工程爆破前的声驱赶，成本低且操作便捷，同时集安全性、有效性及驱赶信号的强随机性等优势于一体，可用于海洋工程爆破施工中对海洋哺乳动物的保护。
Claims (7)
1.一种基于导爆管警示的海洋哺乳动物声学驱赶方法，其特征在于具体步骤为：
1)利用导爆管作为驱赶小炮材料；
2)确定驱赶小炮药量、布放区域和布放深度；
所述确定驱赶小炮药量、布放区域，根据小炮爆炸影响范围及驱赶目标动物听觉灵敏度确定，从爆点半径范围由近向远分为驱赶小炮危险区、爆破施工噪声潜在伤害区和驱赶小炮作用区；驱赶小炮危险区需控制于爆点半径100m范围内，危险区外驱赶信号均方根声压级需小于180dB；为满足上述要求，8号非电雷管总数最大不得超过3枚，危险区监测工作由后续爆破施工中的安全警戒人员一并负责，视现场条件可扩大监测范围；
3)利用布放平台将驱赶小炮下放至水中指定深度；
4)确认驱赶小炮危险区内无目标动物后将驱赶小炮引爆；
5)计算小炮驱赶与正式施工间的时间间隔，等待一段时间后进行正式水下爆破施工，完成一次对海洋哺乳动物声学驱赶；
所述计算小炮驱赶与正式施工间的时间间隔的方法为：小炮驱赶与正式施工间的保护时间由目标动物典型游速决定，其值t＝L/V，其中v为游速，单位m/s；t为保护时间，单位s；L为施工噪声伤害距离，一般取值500m，适当调整；保护时间同样根据施工现场情况适当延长，但不可过长，以防动物折返。
2.如权利要求1所述一种基于导爆管警示的海洋哺乳动物声学驱赶方法，其特征在于在步骤1)中，所述导爆管采用水下爆破施工中通用的导爆管，导爆管由塑料导爆管和非电雷管二部份组成，其中塑料导爆管负责引爆其末端非电雷管，非电雷管负责驱赶声源产生。
3.如权利要求2所述一种基于导爆管警示的海洋哺乳动物声学驱赶方法，其特征在于所述非电雷管采用单位载药量为0.8g的8号非电雷管。
4.如权利要求1所述一种基于导爆管警示的海洋哺乳动物声学驱赶方法，其特征在于在步骤2)中，所述爆破施工噪声潜在伤害区为正式爆破施工噪声均方根声压级>180dB所处范围；驱赶小炮作用区内驱赶声信号均方根声压级需高于施工海域背景噪声30dB，且驱赶作用区范围需大于爆破施工噪声潜在伤害区；通过调整非电雷管数量控制作用区范围，1枚8号非电雷管组成的驱赶小炮，其作用区约为爆点半径1400m，2枚约为1750m，3枚约为2000m；根据爆破施工规模和保护的目标动物听觉灵敏度选择驱赶小炮所用非电雷管数量，施工规模大、驱赶目标动物听觉灵敏度低情况下，选择3枚8号非电雷管，动物听觉灵敏度中、高等一般情况下，选择1～2枚8号非电雷管。
5.如权利要求1所述一种基于导爆管警示的海洋哺乳动物声学驱赶方法，其特征在于在步骤2)中，所述布放深度以将驱赶小炮布放于施工海域水深一半的位置为宜；对于特殊需求，可根据施工海域声速剖面分布而产生的不同声传播衰减情况选择布放深度，以获得最佳驱赶效果，如目标动物活跃于水体底层，可根据声速剖面分布布置驱赶小炮，以使驱赶声场向水体底层集中。
6.如权利要求1所述一种基于导爆管警示的海洋哺乳动物声学驱赶方法，其特征在于在步骤3)中，所述布放平台选择调用施工现场工程船。
7.如权利要求6所述一种基于导爆管警示的海洋哺乳动物声学驱赶方法，其特征在于所述布放平台采用施工中的钻孔船或交通船。
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