CN113216845B - 一种水下钻孔爆破音的预测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种水下钻孔爆破音的预测方法及系统，所述方法包括：基于多段单响延时连续爆破工艺，采用不同爆破药量进行水下钻孔爆破施工；记录钻爆点的具体经纬度、爆破时间、爆破药量和爆破时相关的海洋环境条件；布设多个监测站点，每个监测站点设置多个测量水层深度进行同步测量；获取水下钻爆监测数据，拟合出水下钻爆冲击波的峰值压力和爆破药量以及测量距离之间的估算公式；基于所述估算公式及水下钻爆监测数据拟合水下钻爆时的平均均方根声压级与距爆点水平距离之间的关系曲线；基于所述关系曲线预测水下钻爆所产生冲击波噪声对目标保护生物的影响范围。本发明可预测水下钻爆所产生冲击波噪声对目标保护生物的影响范围，提前进行预警。
Description
技术领域
本发明属于水下爆破技术领域，具体涉及一种水下钻孔爆破音的预测方法及系统。
背景技术
海洋资源的开发利用和海洋经济的迅猛发展，使水下爆破技术越来越广泛地应用于港口建设、航道整治和水下建筑物拆除等水下工程项目中。水下爆破产生的冲击渡声源级会对海洋哺乳动物和鱼类造成直接或间接影响，因此需要降低爆破噪音，控制爆破噪音大小在允许的范围内。
现有水下爆破音的影响范围只能通过实验监测，存在滞后性，实际爆破噪音大小可能会超出允许范围，对周围环境造成潜在威胁。若能进行水下钻孔爆破音的影响范围预测，将大大改善爆破噪音控制效果。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种水下钻孔爆破音的预测方法及系统，用于解决水下爆破躁音的影响范围监测滞后问题。
本发明第一方面，公开一种水下钻孔爆破音的预测方法，所述方法包括：
基于多段单响延时连续爆破工艺，采用不同爆破药量进行水下钻孔爆破施工；
记录钻爆点的具体经纬度、爆破时间、爆破药量和爆破时相关的海洋环境条件；
布设多个监测站点，每个监测站点设置多个测量水层深度进行同步测量；
获取水下钻爆监测数据，拟合出水下钻爆冲击波的峰值压力和爆破药量以及测量距离之间的估算公式；
基于所述估算公式及水下钻爆监测数据拟合水下钻爆时的平均均方根声压级与距爆点水平距离之间的关系曲线；
基于所述关系曲线预测水下钻爆所产生冲击波噪声对目标保护生物的影响范围，进行预警。
优选的，所述钻爆的总体布局为，钻爆前采用非电雷管进行了2个小炮的尝试性驱赶爆破，其中，小炮1贴近海底，小炮2在水层中间，小炮1的爆炸后，达到预设时间间隔后小炮2爆炸，而后是负责引爆钻爆点的导爆雷管的爆炸，最后是钻孔爆破，钻孔爆破设定为多段。
优选的，所述获取水下钻爆监测数据之后还包括：根据各个监测站点不同监测深度的技术能测数据，分别计算水下噪声频带声压级、声压谱级以及各测点的峰值声压级、均方根值声压级和声暴露级。
优选的，所述均方根声压级表示为：
ptms为水下钻孔爆破声压值；
对于多段钻孔爆破的平均均方根声压Prms_mean，其表达式为：
prms_i为表示第i段水下钻孔爆破峰值声压值，i＝1,2，…，m，m为爆破总段数。
多段钻孔爆破的平均均方根声压级SPLrms_mean表示为：
优选的，所述声暴露级用于描述单次或离散的噪声事件时采用的能量标度方式，其定义为：
式中p(t)表示声压，pref表示参考声压，t1与t2表示该噪声事件对声能有显著贡献的足够长的时间间隔，t0为参考时间；
对于多段钻孔爆破，计算其累计声暴露级，定义为：
其中，SELsum为累计声暴露级，seli为第i段爆破暴露级，m为爆破总段数。
优选的，所述水下钻爆冲击波的峰值压力和爆破药量以及测量距离之间的估算公式为：
式中，Pm为水下爆破冲击波峰值压力，w为平均每炮的爆破药量，R为爆点与测量点的水平距离，k、α分别为试验系数及衰减系数。
优选的，基于所述关系曲线预测水下钻爆所产生冲击波噪声对目标生物的影响范围，进行预警具体包括：
获取目标生物的听阈伤害门限和行为干扰门限，分别将听阈伤害门限和行为干扰门限为平均均方根声压级门限没带入所述关系曲线，得到听阈伤害门限对应的预测距离和行为干扰门限对应的预测距离；
将以爆破时的爆点所在垂线为轴心、以听阈伤害门限对应的预测距离为半径的柱体范围内的区域划定为目标生物的危险区域，将以爆破时的爆点所在垂线为轴心、以行为干扰门限对应的预测距离为半径的柱体范围内的区域划定为目标生物的警戒区域，基于危险区域、警戒区域进行目标生物的保护预警。
优选的，所述方法还包括：在同样的爆破工艺、同样的海洋环境条件下，基于下一次水下钻爆的预计爆破药量通过所述估算公式预测下一次水下钻爆冲击波的峰值压力与距离的对应关系，基于峰值压力与平均均方根声压级之间的对应关系，换算得到平均均方根声压级与距爆点的水平距离之间的对应关系，基于平均均方根声压级与距爆点的水平距离之间的对应关系及目标保护生物的听阈伤害门限和行为干扰门限，提前预测下一次水下钻爆对目标保护生物的影响范围。
本发明第二方面，公开一种水下钻孔爆破音的预测系统，所述系统包括：
爆破施工单元：用于基于多段单响延时连续爆破工艺，采用不同爆破药量进行水下钻孔爆破施工；
环境记录单元：用于记录钻爆点的具体经纬度、爆破时间、爆破药量和爆破时相关的海洋环境条件；
站点布设单元：用于布设多个监测站点，每个监测站点设置多个测量水层深度进行同步测量；
关系估算单元：用于获取水下钻爆监测数据，拟合出水下钻爆冲击波的峰值压力和爆破药量以及测量距离之间的估算公式；
曲线拟合单元：基于所述估算公式及水下钻爆监测数据拟合水下钻爆时的噪声声压级与距爆点水平距离之间的关系曲线；
范围预测单元：基于所述关系曲线预测水下钻爆所产生冲击波噪声对目标生物的影响范围，进行预警。
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
1)本发明采用多段单响延时连续爆破工艺，在控制单段单响药量情况下，通过导爆管调整每爆之间的时间间隔，爆破噪音不会产生叠加共振，爆破噪音被有效的控制在渔业保护门限值内；
2)本发明基于水下钻爆监测数据，拟合出水下钻爆冲击波的峰值压力和药包质量以及测量距离之间的估算公式以及水下钻爆时的平均均方根声压级与距爆点水平距离之间的关系曲线；基于所述关系曲线预测水下钻爆所产生冲击波噪声对目标保护生物的影响范围，进行预警；
3)本发明可基于估算公式及关系曲线进行不同爆破药量下的爆破噪音影响范围预测，在爆破之前就对可能的噪音影响范围进行预估，当预测值超出允许范围时，可预先进行爆破药量调整，有效进行爆破噪音控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的水下钻孔爆破音的预测方法流程示意图；
图2为本发明实施例提供的工程海域所测得水下钻爆声压时域图-上午；
图3为本发明实施例提供的工程海域所测得水下钻爆声压时域图-下午；
图4为本发明实施例提供的水下钻爆时噪声声压级与距钻爆点水平距离关系曲线图；
图5为本发明实施例提供的水下钻爆时对中华白海豚影响范围预测示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提出一种水下钻孔爆破音的预测方法，所述方法包括：
S1、基于多段单响延时连续爆破工艺，采用不同爆破药量进行水下钻孔爆破施工；
所述钻爆的总体布局为，钻爆前采用非电雷管进行2个小炮的尝试性驱赶爆破，其中，小炮1贴近海底，小炮2在水层中间，小炮1的爆炸后，达到预设时间间隔后小炮2爆炸，而后是负责引爆钻爆点的导爆雷管的爆炸，最后是钻孔爆破，采用多段单响延时连续爆破工艺，钻孔爆破设定为多段，在控制单段单响药量情况下，通过导爆管调整每爆之间的时间间隔，单段起爆药量控制在90kg以内，导爆管采用1秒延期导爆管雷管，每个孔一个段别，分别为2段、3段、4段、5段、6段、7段，接线采用1段瞬发(无延时)导爆管雷管。
S2、记录钻爆点的具体经纬度、爆破时间、爆破药量和爆破时相关的海洋环境条件；
S3、布设多个监测站点，每个监测站点设置多个测量水层深度进行同步测量；
S4、获取水下钻爆监测数据，拟合出水下钻爆冲击波的峰值压力和爆破药量以及测量距离之间的估算公式；
首先获取水下钻爆监测数据，根据各个监测站点不同监测深度的技术能测数据，分别计算水下噪声频带声压级、声压谱级以及各测点的峰值声压级、均方根值声压级和声暴露级。
水下噪声频带声压级Lpf公式为：
式中，Lpf为噪声频带声压级，单位为分贝(dB)，pf为测得的一定带宽噪声声压，单位为帕(Pa)，p0为基准声压，单位为单位为帕(Pa)，通常取p0＝1μPa。
水下噪声声压谱[密度]级Lps：
在海洋中基准声压的谱密度级为当声能在Δf中均匀分布时；
Lps＝Lpf-10lgΔf
式中，Lps为噪声声压谱级，又称为等效谱级，单位为分贝(dB)，基准值为
Lpf为测得的中心频率为f的频带声压级，单位为分贝(dB)，基准值为1μPa；Δf为带通滤波器的有效带宽。
所述均方根声压级SPLrmd表示为：
prms为水下钻孔爆破声压值；
对于多段钻孔爆破的平均均方根声压Prms_mean，其表达式为：
prms_i为表示第i段水下钻孔爆破峰值声压值，i＝1,2，…，m，m为爆破总段数。
多段钻孔爆破的平均均方根声压级SPLrms_mean表示为：
所述声暴露级用于描述单次或离散的噪声事件时采用的能量标度方式，其定义为：
式中p(t)表示声压，pref表示参考声压，t1与t2表示该噪声事件对声能有显著贡献的足够长的时间间隔，t0为参考时间，对于声暴露级，t0＝1s；
对于多段钻孔爆破，需要计算其累计声暴露级，定义为：
其中，SELsum为累计声暴露级，SELi为第i段爆破暴露级，m为爆破总段数。
所述水下钻爆冲击波的峰值压力和爆破药量以及测量距离之间的估算公式为：
式中，Pm为水下爆破冲击波的峰值压力，w为平均每炮的爆破药量，R为爆点与测量点的水平距离，k、α分别为试验系数及衰减系数。
S5、基于所述估算公式及水下钻爆监测数据拟合水下钻爆时的均方根声压级与距爆点水平距离之间的关系曲线；
根据峰值压力和爆破药量以及测量距离之间的估算公式可得到噪声传播平均峰值声压随距离的变化关系，可进一步计算出该处水下钻爆时的平均均方根声压级与钻爆点距离之间的关系，得到平均均方根声压级与距爆点水平距离之间的关系曲线。
S6、基于所述关系曲线预测水下钻爆所产生冲击波噪声对目标保护生物的影响范围，进行预警。
获取目标生物的听阈伤害门限和行为干扰门限，分别将听阈伤害门限和行为干扰门限为平均均方根声压级门限没带入所述关系曲线，得到听阈伤害门限对应的预测距离和行为干扰门限对应的预测距离；
将以爆破时的爆点所在垂线为轴心、以听阈伤害门限对应的预测距离为半径的柱体范围内的区域划定为目标生物的危险区域，将以爆破时的爆点所在垂线为轴心、以行为干扰门限对应的预测距离为半径的柱体范围内的区域划定为目标生物的警戒区域，基于危险区域、警戒区域进行目标生物的保护预警。
S7、在同样的爆破工艺、同样的海洋环境条件下，预先进行下一次水下钻爆影响范围预测，调节爆破药量。
在同样的爆破工艺、近乎同样的海洋环境条件下，进行下一次水下钻爆之前，基于下一次水下钻爆的预计爆破药量通过所述估算公式预测下一次水下钻爆冲击波的峰值压力与距离的对应关系，基于峰值压力与平均均方根声压级之间的对应关系，换算得到平均均方根声压级与距爆点的水平距离之间的对应关系，基于平均均方根声压级与距爆点的水平距离之间的对应关系及目标保护生物的听阈伤害门限和行为干扰门限，提前预测下一次水下钻爆对目标保护生物的影响范围；当所述影响范围超过设定的门限范围时，预先调节爆破药量，以进行水下钻孔爆破躁音控制。
与所述方法实施例相对应，本发明还提出一种水下钻孔爆破音的预测系统，所述系统包括：
爆破施工单元：用于基于多段单响延时连续爆破工艺，采用不同爆破药量进行水下钻孔爆破施工；
环境记录单元：用于记录钻爆点的具体经纬度、爆破时间、爆破药量和爆破时相关的海洋环境条件；
站点布设单元：用于布设多个监测站点，每个监测站点设置多个测量水层深度进行同步测量；
关系估算单元：用于获取水下钻爆监测数据，拟合出水下钻爆冲击波的峰值压力和爆破药量以及测量距离之间的估算公式；
曲线拟合单元：基于所述估算公式及水下钻爆监测数据拟合水下钻爆时的平均均方根声压级与距爆点水平距离之间的关系曲线；
范围预测单元：基于所述关系曲线预测水下钻爆所产生冲击波噪声对目标生物的影响范围，进行预警。
下面结合厦门海沧航道扩建四期工程的噪声专项监测的具体实施例对本发明进一步说明。
水下钻孔爆破施工方案为：定位—水下钻孔(多孔分段)—装药(捅药、堵孔)—管网连接—警戒清场—空压机停止—爆破。整个礁区爆破完成后，再进行清渣工作。
1)钻爆点位置、药量和环境条件
本次监测为该工程采用不同药量实施的水下钻爆施工，水下钻爆采用1秒的段延时间隔时间，实际效果可以达到为400～1000ms，实行孔间或排间毫秒延期预裂，逐孔进行起爆；在钻爆前增加了2个小炮(水中采用的非电导爆雷管)，以达提前警示驱赶中华白海豚的目的。共进行2次不同药量下(396kg、489kg)的水下钻爆声学监测，在距离水下钻爆点不同的位置上同步进行了3个测点的声学监测，监测时间分为上、下午两个时段。
钻爆点的具体经纬度、爆破时间、爆破药量和爆破时相关的海洋环境条件见表1所示。在钻爆前还采用了非电雷管进行了2个小炮的尝试性驱赶爆破。其中，小炮1贴近海底(离海底约20cm)，小炮2在水层中间(约水深9m处)。
表1钻爆点位置、药量和爆破时的环境条件
2)监测站点布设
监测当日天气晴朗，西风，风速为2.4m/s，监测海域海况良好。
本次监测在工程海域同时设置了3个调查站点，根据现场水深，在3个调查站点设置多个测量水层深度(站点1分为2层，上午为10m及15m，下午为10m及12m；站点2分为2层，上午为8m及10m，下午为10m及15m；站点3分为4层，上午及下午均为2m、6m、10m、15m)进行同步测量。按照本次钻爆的总体布局，首先是小炮1的爆炸，时间间隔约55s后小炮2爆炸，而后是负责引爆钻爆点的导爆雷管的爆炸(由5发雷管组成，布放于海底，距离海底约20cm)，最后是钻孔爆破。钻孔爆破设定为6段，其中，每段的炸药用量分别是：上午，66kg、63kg、69kg、72kg、57kg、69kg，共计392kg；下午，81kg、84kg、87kg、78kg、81kg、78kg，共计489kg。此外，本次预期的每段微差设定为1.0s。
3)监测、计算结果
图2至图3给出测得的爆破情况示意图。图2监测点距离钻爆点：100m；距离小炮点：12m，接收器布放深度：10m；图3监测点距离钻爆点：90m、距离小炮点：12m，接收器布放深度：10m。表3、表4分别为两次监测总体钻爆最高峰值声压以及平均峰值声压、峰值声压级、平均均方根声压、平均均方根声压级和累计暴露级数据。
表3水下钻爆各调查点监测结果-上午
表4水下钻爆各调查点监测结果-下午
现场在爆破前，对施工海域背景噪声进行同步监测，进行钻爆前和钻爆后的水下噪声声压谱级比较，确保爆破噪音不存在明显的叠加增大。
基于水下钻爆监测数据，拟合出本次水下钻爆冲击波的峰值压力Pm和药包质量w以及测量距离R之间的估算公式：
本工程水下钻爆施工所产生的水下噪声声压分布见表5，根据噪声传播随距离变化关系估算公式，可计算出该处水下钻爆时的平均均方根声压级与钻爆点距离之间的关系，如图4所示。同时根据表6给出的影响门限值标准，给出对中华白海豚影响距离的预测，如表6所示。
表5水下钻爆噪声声压级分布
表6水下钻爆噪声声压级对中华白海豚影响距离预测
| 平均均方根声压级门限(dB) | 180dB(听阈伤害门限) | 160dB(行为干扰门限) |
| 预测距离(m) | 289(危险区域) | 1028(警示区域) |
图5为本工程水下钻爆所产生冲击波噪声对中华白海豚影响范围预测图例。其中，红色圆圈内声压级高于180dB，基于本次监测的数据分析的结果，爆破时在距爆点289m范围内为危险区域，水下噪声将对中华白海豚的听阈产生较大影响，甚至伤亡现象。黄色区域内声压级大于160dB，在该区域内水下噪声将对中华白海豚的行为(如游泳、摄食等)产生影响，基于数据监测的结果，爆破时在距爆点1028m范围内为中华白海豚警示区域，需要防止中华白海豚进入该区域。
进行下一次水下钻爆之前，可预先进行下一次水下钻爆影响范围预测，调节爆破药量。
本发明还公开一种电子设备，包括：至少一个处理器、至少一个存储器、通信接口和总线；其中，所述处理器、存储器、通信接口通过所述总线完成相互间的通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，以实现本发明前述的方法。
本发明还公开一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机实现本发明实施例所述方法的全部或部分步骤。所述存储介质包括：U盘、移动硬盘、只议存储器ROM、随机存取存储器RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的衙要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种水下钻孔爆破音的预测方法，其特征在于，所述方法包括：
基于多段单响延时连续爆破工艺，采用不同爆破药量进行水下钻孔爆破施工；
记录钻爆点的具体经纬度、爆破时间、爆破药量和爆破时相关的海洋环境条件；
布设多个监测站点，每个监测站点设置多个测量水层深度进行同步测量；
获取水下钻爆监测数据，拟合出水下钻爆冲击波的峰值压力和爆破药量以及测量距离之间的估算公式；所述水下钻爆冲击波的峰值压力和爆破药量以及测量距离之间的估算公式为：
式中，Pm为水下爆破冲击波的峰值压力，w为平均每炮的爆破药量，R为爆点与测量点的水平距离，k、α分别为试验系数及衰减系数；
基于所述估算公式及水下钻爆监测数据拟合水下钻爆时的平均均方根声压级与距爆点水平距离之间的关系曲线；
基于所述关系曲线预测水下钻爆所产生冲击波噪声对目标保护生物的影响范围，进行预警；基于所述关系曲线预测水下钻爆所产生冲击波噪声对目标生物的影响范围，进行预警具体包括：
获取目标生物的听阈伤害门限和行为干扰门限，分别将听阈伤害门限和行为干扰门限为平均均方根声压级门限带入所述关系曲线，得到听阈伤害门限对应的预测距离和行为干扰门限对应的预测距离；
将以爆破时的爆点所在垂线为轴心、以听阈伤害门限对应的预测距离为半径的柱体范围内的区域划定为目标生物的危险区域，将以爆破时的爆点所在垂线为轴心、以行为干扰门限对应的预测距离为半径的柱体范围内的区域划定为目标生物的警戒区域，基于危险区域、警戒区域进行目标生物的保护预警；
所述方法还包括：
在同样的爆破工艺、同样的海洋环境条件下，基于下一次水下钻爆的预计爆破药量通过所述估算公式预测下一次水下钻爆冲击波的峰值压力与距离的对应关系，基于峰值压力与均方根声压级之间的对应关系，换算得到平均均方根声压级与距爆点的水平距离之间的对应关系，基于平均均方根声压级与距爆点的水平距离之间的对应关系及目标保护生物的听阈伤害门限和行为干扰门限，提前预测下一次水下钻爆对目标保护生物的影响范围；当所述影响范围超过设定的门限范围时，预先调节爆破药量，以进行水下钻孔爆破噪音控制。
2.根据权利要求1所述水下钻孔爆破音的预测方法，其特征在于，所述钻爆的总体布局为，钻爆前采用非电雷管进行了2个小炮的尝试性驱赶爆破，其中，小炮1贴近海底，小炮2在水层中间，小炮1的爆炸后，达到预设时间间隔后小炮2爆炸，而后是负责引爆钻爆点的导爆雷管的爆炸，最后是钻孔爆破，钻孔爆破设定为多段，通过导爆管调整每爆之间的爆破时间间隔。
3.根据权利要求1所述水下钻孔爆破音的预测方法，其特征在于，水下钻爆的均方根声压级表示为：
prms为水下钻孔爆破声压值；
对于多段钻孔爆破的平均均方根声压Prms_mean，其表达式为：
prms_i为表示第i段水下钻孔爆破峰值声压值，i＝1，2，…，m，m为爆破总段数；
多段钻孔爆破的平均均方根声压级SPLrms_mean表示为：
4.使用权利要求1～3任一项所述方法的一种水下钻孔爆破音的预测系统，其特征在于，所述系统包括：
爆破施工单元：用于基于多段单响延时连续爆破工艺，采用不同爆破药量进行水下钻孔爆破施工；
环境记录单元：用于记录钻爆点的具体经纬度、爆破时间、爆破药量和爆破时相关的海洋环境条件；
站点布设单元：用于布设多个监测站点，每个监测站点设置多个测量水层深度进行同步测量；
关系估算单元：用于获取水下钻爆监测数据，拟合出水下钻爆冲击波的峰值压力和爆破药量以及测量距离之间的估算公式；
曲线拟合单元：基于所述估算公式及水下钻爆监测数据拟合水下钻爆时的平均均方根声压级与距爆点水平距离之间的关系曲线；
范围预测单元：基于所述关系曲线预测水下钻爆所产生冲击波噪声对目标生物的影响范围，进行预警。
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