江底隧道地铁运营期水下噪声及其对水生生物的影响

钱金玉，蔺丹清,2，邢彬彬，龚德华，郭建磊，刘英泰，李子铭，殷雷明*

(1.大连海洋大学 水产与生命学院，辽宁 大连 116023；2.中国水产科学研究院淡水渔业研究中心 农业农村部长江下游渔业资源环境科学观测实验站，江苏 无锡 214081)

地铁轨道交通的高速发展，缓解了城市交通系统拥堵的问题，与此同时，地铁交通系统对周边环境产生的辐射噪声问题，也受到研究者的关注[1]。目前，国内地铁列车运行速度通常为60～120 km/h，列车噪声源主要来自轮轨噪声[2-3]。针对地铁轨道的空气噪声辐射问题，国内外学者进行了大量研究[4]。罗斌[5]通过地铁车辆的声学边界元仿真分析，认为列车车厢内噪声主要来源于车厢壁板振动，厢外噪声主要来源于轨道噪声辐射。唐吉意等[6]现场分析了宁波地铁1号线高架桥近远场的辐射噪声，结果表明，虽然不同测量高度点的噪声幅值存在一定的差异性，但局部峰值都集中在中频段(400～800 Hz)。王晓[7]也通过实际测量分析了地铁列车车厢内的噪声源，结果显示，低频噪声来源于空调机组噪声和电气设备噪声，中高频噪声来源于轮轨噪声。

随着科技技术的进步，海上风电场建设、过江通道建设和码头等涉水工程越来越多。研究表明，噪声会导致鱼类听觉损伤，甚至死亡[8]。海上风电场建设过程中会产生水下爆破和水下打桩等水下噪声污染。Nedwell等[9]认为，风电场在运行过程中产生的噪声主要为低频噪声，频率小于1 kHz，且集中在700 Hz以内。水下爆破会产生水下施工中最为极端和典型的高强度噪声。苏欣[10]研究发现，爆炸冲击波的传播与流速存在一定的关系，流速越大，相同距离冲击波衰减越小。水下打桩技术被广泛应用于码头、港口、桥梁、海上油气钻井等海洋工程建设活动中，Bailey等[11]研究了位于苏格兰的海上风电站施工时的打桩噪声，结果表明，在距离100 m时，噪声声压级高达205 dB re 1 μPa，直到距离噪声源80 km时，才检测到低于环境噪声规定的声压级水平。车辆通过水下隧道时所产生的水声辐射可能会对水生动物造成危害[12]。Holt等[13]研究表明，车辆通过桥梁产生的低频噪声几乎影响整个流域，可能会对黑尾鲦Cyprinellavenusta的声交流行为产生遮蔽。孙耀等[14]通过现场模拟测定了钻井噪声和振动对草鱼Ctenopharyngodonidellus生长的影响，结果表明，钻井噪声会显著降低草鱼的生长速率。目前，关于地铁列车运行期间产生的噪声研究多集中在列车运行区间车厢内外的空气噪声，而关于地铁途径区域水下环境噪声研究较少。本研究中，以南京地铁10号线途经的南京长江江豚自然保护区水域为研究对象，实地测量水下环境噪声并分析其频谱，以期为研究地铁在水下产生的辐射噪声提供参考，并为评估水下噪声对长江保护区内水生动物的影响提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 监测站点的设置

南京地铁10号线列车全长为126～144 m，车辆编组采用A型列车6节编组，最高时速为80 km/h。过江隧道全长为3.6 km，过江隧道采用14.5 m外径的盾构隧道，其内设置了双向6车道。地铁列车分为3种运行情况，分别为不通车、单向通车和双向通车。

水下噪声参照《声学水下噪声测量》(GB/T5265—2009)方法进行测量。水下噪声信号使用AQH水听器(灵敏度：-206 dB re 1 V/μPa，日本)进行采集，水听器带宽为20～100 000 Hz，采集后由系统自带的录音设备以192 kHz的采样频率进行储存，并通过系统自带分析软件进行离线分析。测量地点位于南京长江江豚自然保护区(以下简称保护区)内，保护区位于江苏省南京市长江江段上，地理位置为东经118°28′39.14″～118°44′38.35″，北纬31°46′34.83″～32°7′3.81″。上游与安徽省马鞍山市相邻，下游至南京长江大桥。在保护区内选取南京地铁10号线江心洲站至绿博园站的夹江水域，进行水下噪声测量，噪声监测点航线为L1、L2、L3、L4，测量点A、B、C、D、E位置如图1所示，其中，选取距离长江隧道1 500 m处的长江下游作为水下背景噪声的测量点(A)。

1.2 方法

测量时搭乘船舶至测量位置抛锚固定，关闭发动机，进行水下噪声测量并记录现场风速和水文信息等数据，水听器分别放置于水下1、5 m位置处(深度较浅处只设置水下1 m 测量点)。每个测量点进行3次重复测量，并取其算数平均值，每间隔2 min测量1次，每次测量录制时间大于2 min。通过噪声源强测量，记录列车车头和车尾通过测量点时段内的等效声压级。噪声源强测量时域为列车长度/最高时速，约6.1 s。声压级(sound pressure level，SPL)相关计算公式如下。

时阈平均声压计算公式[15]为

(1)

其中：Im为测定时间内的平均声压(Pa)；T为测量时间(s)；p为时阈声压(Pa)；t为时间常量(s)。

噪声频带声压级(SPL)计算公式[15]为

Lpf=20 lg(pf/p0)。

(2)

其中：Lpf为噪声频带声压级(dB re 1 μPa)；pf为测得的一定带宽噪声声压(Pa)；p0为基准声压(Pa)，通常取p0=1 μPa。

由于国内外目前尚未见水下地铁噪声测量的研究报道，根据席兆凯等[16]和马欢等[17]的研究结果，地铁列车振动噪声低频主峰值分别为63、80 Hz，地铁轮轨噪声主频率在200～4 000 Hz，以此作为参考，本研究中，将20～5 000 Hz频带进行1/3倍频程分析，进一步获取水下地铁噪声频谱特征。

2 结果与分析

2.1 地铁周边水域环境噪声

水下背景噪声测量点A(N32°02.3571′, E118°43.1115′)位于距离长江隧道1 500 m的长江下游，最大水深为12 m。由于夹江水域不是长江主航道，因此，无船舶经过对噪声采集产生的干扰。水下背景噪声时域频谱和功率谱密度(power spectral density, PSD)如图2所示，参考Wenz[18]的图谱分析方法，并通过人耳辨听及频谱分析可知，水下背景噪声主要集中在低频段，其中，低于100 Hz主要是长江水流产生的噪声，而频率在1 000 Hz左右为表面风成噪声。

2.2 单列地铁列车经过时的水下噪声

在测量点B(N32°1.7295′, E118°42.5922′)，最大水深11 m，以1列地铁列车单向通过时水下1、5 m处的噪声为例(图3)。根据现场记录情况，通过人耳辨听及频谱分析可知，测量点的水下噪声主要包括水流噪声、风成噪声、大桥振动噪声、水底管道抽水声、地铁列车经过时的“轰隆”声与轮轨的“咯噔”声。地铁噪声出现时与周围环境噪声(尤其夹江大桥振动噪声)有频率叠加现象；通过时域声压级分析，在水下5 m处的声音样本中，列车经过前的时域平均SPL为(119.30±2.15)dB re 1 μPa(简记为dB，下同)，列车经过时的时域平均SPL为(131.48±0.91)dB，地铁噪声实时增加12.18 dB(P<0.05)；在水下1 m处的声音样本中，列车经过前的时域平均SPL为(110.78±2.28)dB，列车经过时的时域平均SPL为(120.80±0.59)dB，地铁噪声实时增加10.02 dB(P<0.05)，地铁噪声从水下5 m处至水下1 m处衰减10.68 dB(图3(a)、(c))。列车经过时，地铁振动噪声频率为50～100 Hz，1/3倍频程分析显示，地铁噪声主频率峰值集中在63、80 Hz。以低频振动63、80 Hz为主要分析对象，列车经过时，水下5 m处，63 Hz时域平均SPL较无列车经过时显著增加(13.54±1.30)dB(P<0.05)，80 Hz时域平均SPL较无列车经过时显著增加(15.85±1.40)dB(P<0.05)(图3(b)、(d))。

*表示有列车与无列车组间有显著性差异(P<0.05),下同。

如图4所示，在带宽20～100 000 Hz范围内，夹江测量点B的地铁噪声频谱主要峰值分布于10 kHz以下，而10 kHz以上带宽内水下1、5 m处声压级逐渐减小，且均低于45 dB，相对稳定。因此，结合地铁噪声频谱特征，本研究中进一步分析了20～5 000 Hz带宽内地铁噪声的变化情况。

图4 水下1 m和5 m处地铁噪声的声压级

2.3 双列地铁列车经过时的水下噪声

在测量点C(N32°2.3400′, E118°41.8042′)，以双轨道2列列车同向分别经过时水下1 m处的噪声为例(图5)。现场环境：风速为0.65 m/s，最大水深为6 m，航道上有行船。通过回放辨听和时域声压级计算分析，同一音频样本中，2列列车先后经过(未会车)时的情况。列车经过前的时域平均SPL为(118.79±0.50)dB，列车1经过时的时域平均SPL为(127.83±2.43)dB，列车2经过时的时域平均SPL为(131.10±1.22)dB，地铁噪声实时增加(9.04～12.31)dB(P<0.05)(图5(a))。列车经过时，地铁振动噪声频率为50～400 Hz。以低频振动63、80 Hz为主要分析对象，列车经过时，63 Hz时域平均SPL较无列车通过时显著增加(23.43±2.01)dB(P<0.05)，80 Hz时域平均SPL较无列车通过时显著增加(22.84±1.05)dB(P<0.05)(图5(b))。

图5 双轨道2列列车同向通过时水下的噪声

同时，在测量点C，以双轨道2列列车相向经过时水下5 m处的噪声为例(图6)。现场环境同上，通过回放辨听和时域声压级计算，同一音频样本中，双轨道2列列车前后连续通过(测量点未会车)时的水下噪声。列车经过前的时域平均SPL为(124.62±0.37)dB，双列车经过时的时域平均SPL为(136.82±2.63)dB，地铁噪声实时增加12.20 dB(P<0.05)(图6(a))。列车经过时，地铁振动噪声频率为50～100 Hz。以低频振动63、80 Hz为主要分析对象，列车经过时，63 Hz时域平均SPL较无列车通过时显著增加(23.75±1.07)dB(P<0.05)，80 Hz时域平均SPL较无列车通过时显著增加(27.59±1.25)dB(P<0.05)(图6(b))。

图6 双轨道2列列车相向通过时水下的噪声

2.4 船舶噪声与地铁噪声叠加

在测量点D(N32°2.2519′, E118°41.7561′)，以单列列车经过时水下5 m处的噪声为例(图7)。现场环境：风速为2 m/s，最大水深为10 m，监测时有船舶经过，通过回放辨听和时域声压级计算可知，列车经过前的时域平均SPL为(125.618±0.22)dB，列车经过时时域平均SPL为(127.80±1.32)dB，地铁噪声实时增加2.18 dB(P>0.05)(图7(a))。以低频振动63、80 Hz为主要分析对象，列车经过时，63 Hz时域平均SPL较无列车通过时显著增加(9.13±1.36)dB(P<0.05)，80 Hz时域平均SPL较无列车通过时显著增加(8.23±2.29)dB(P<0.05)(图7(b))。

图7 船舶噪声与地铁噪声的叠加频谱

2.5 长江大桥与地铁噪声叠加

在测量点E(N32°1.555 6′, E118°42.584 1′)，此处距离夹江大桥为27 m，最大水深为8 m，风速为1.2 m/s。根据现场记录情况，通过人耳辨听和时域频谱分析可知，该测量点水下噪声主要包括水流噪声、风成噪声、夹江大桥振动噪声、水底管道抽水声和地铁列车经过时的“轰隆”声与轮轨的“咯噔”声。列车经过前时域平均SPL为(117.05±1.52)dB，列车经过时时域平均SPL为(125.20±0.99)dB，地铁噪声实时增加8.15 dB(P>0.05)(图8(a))。以低频振动63、80 Hz为主要分析对象，列车经过时，63 Hz时域平均SPL较无列车通过时显著增加(9.37±3.32)dB(P<0.05)，80 Hz时域平均SPL较无列车通过时显著增加(11.59±1.46)dB(P<0.05)(图8(b))。

图8 长江大桥与地铁噪声的叠加频谱

2.6 噪声对自然保护区鱼类的影响

本次地铁噪声测量结果显示，地铁噪声频率主要集中在20～5 000 Hz，且低频噪声主峰值分别为63、80 Hz，参考鱼类可听频率范围及听觉阈值[19]，大多数鱼类能听到的声音范围为50～1 000 Hz，少数鱼类能听到大于3 kHz的声音，仅有极少数鱼类能够听到大于100 kHz的声音[20-21]。在南京长江水域水生动物保护区内主要物种包括：长江江豚Neophocaenaasiaeorientalis、胭脂鱼Myxocyprinusasiaticus、中华鲟Acipensersinensis等，这些鱼类的听觉敏感频率均被地铁噪声频率带宽所覆盖(表1)，只有长江江豚不在其中。Wang等[22]利用听觉诱发电位法测得长江江豚敏感频率为76 kHz，听觉阈值为51～55 dB，听觉敏感频段为11.2 kHz～152 kHz。刘猛等[23]利用听性脑干反应技术研究了胭脂鱼的听觉特性，其听频范围为100～5 000 Hz,其中，对100～2 000 Hz的声音敏感度较高, 最敏感频率为800 Hz, 听觉阈值为69.8 dB。Lovell等[24]采用听性脑干反应的电生理方法研究了匙吻鲟Polyodonspathula的听觉能力，结果表明，匙吻鲟对频率为100～500 Hz的声音有反应，其听觉敏感频率为200～300 Hz。由此可知，地铁噪声对南京长江水域保护区内的鱼类等水生生物存在一定影响。

表1 长江保护区内几种水生生物听觉特性

3 讨论

3.1 水下与空气中地铁噪声特征比较

目前，关于地铁列车运行期间产生的噪声辐射问题，国内外相关研究多集中于地铁空气噪声研究，而对于地铁列车运行期间产生的水下噪声研究目前尚未见报道。本次测量过程中，水下与空气中背景噪声源不同。水下背景噪声源主要包括：夹江调查区水下背景噪声源，主要有水流噪声、风成噪声和地铁隧道噪声；大江调查区水下背景噪声源相对复杂，主要有水流噪声、风成噪声、船舶噪声、大桥振动噪声、江底公路隧道噪声和地铁隧道噪声。空气中背景噪声源主要包括地铁轮轨噪声、地铁站台播报声、人群嘈杂声和风成噪声。此外，根据测量位置的不同，地铁空气噪声易受箱梁遮板等影响，噪声源辨识度高，容易区分。

本次测量南京地铁10号线水下噪声，地铁振动噪声主频率峰值分别为63、80 Hz，噪声源主要为地铁轮轨噪声。唐吉意等[6]对宁波地铁1号线高架桥近远场辐射噪声进行了研究，结果表明，空气中地铁噪声主要集中在低频段40～70 Hz、90～110 Hz和400～800 Hz。此外，根据近远场距离，噪声在中频和高频段随距离延长衰减较快，而在低频段则随距离延长衰减较慢。空气中测量的低频噪声主要在地铁远场位置出现主频率峰值，这是由于地铁箱梁遮板和翼缘板的遮挡[6]，使得远点不易受轮轨噪声的直接干扰，而在近场点，测量点受轮轨噪声和结构噪声干扰，故在低频段和中频段均出现主频率峰值。本研究中，对水下噪声的测量结果显示，空气中地铁噪声和地铁列车运营期间的水下噪声在低频段结果相似，在400～800 Hz频段，地铁水下噪声受水域环境影响明显，未出现明显的衰减现象。

此外，根据Wenz[18]的图谱可知，雨水噪声频谱范围为1 000～10 000 Hz，风成噪声频谱范围为500～25 000 Hz，风成噪声和雨水噪声频率范围不在地铁噪声低频振动频率段内，故本研究中不考虑季节天气变化对地铁振动噪声频谱特征的影响。

3.2 空气噪声与水下地铁噪声测量方法比较

测量地铁空气噪声主要包括两个方面，一是地铁列车运行期间车厢内地铁噪声变化情况，二是地铁列车经过地区近场和远场噪声的变化情况。测量方法相同，两者均使用采集装置定点布置于相应的位置进行测量。本次水下噪声测量中，通过驾驶船舶在设计航线上进行定点停船、抛锚，再对不同水深处的噪声环境进行测量。与空气中测量地铁噪声方法相比，地铁水下噪声测量位置无法实现精准定位。此外，在空气中测量地铁噪声时可以通过肉眼辨别地铁列车位置，而水下噪声测量则需借助列车运行时刻表与时域频谱图进行列车通过情况分析。

3.3 低频噪声对鱼类的影响

不同频率的噪声会对甲壳类[29-30]、鱼类[31-32]和哺乳动物类[33]产生潜在影响。大多数鱼类能听到的声音范围为50～1 000 Hz，少数鱼类能听到大于3 kHz的声音，仅有极少数鱼类能够听到大于100 kHz的声音[20-21]。在涉水经济建设工程中，人类生产建设活动产生的低频噪音(<500 Hz)在一定程度上破坏了鱼类生活原有的“声境”，对鱼类听觉、生长、行为变化和应激反应产生一定程度的影响[34]。石妮等[35]研究了不同类型噪声对鱼类听觉、行为和种群数量的影响，研究表明，噪声不但会对鱼类听觉造成暂时性阈移(temporary threshold shift)或永久性阈移(permanent threshold shift)，而且还会使鱼类的集群行为、逃避行为及捕食行为发生变化。喻军等[36]通过研究地铁列车振动对鱼类摄食和生长的影响发现，地铁噪声会导致草鱼生长速率显著下降。孙耀等[37]利用现场模拟试验方法，测定了石油钻井噪声与振动对鲤Cyprinuscarpio的影响，结果显示，鲤的生长大幅度降低。张博[38]采用听觉诱发电位法测量褐菖鮋Sebasticusmarmoratus的听觉阈值，发现褐菖鮋对低频声音信号较敏感，近岸风电场等人类活动产生的低频噪声可能会影响褐菖鲉的声讯交流。林海霞等[39]将石斑鱼暴露于600 Hz的正弦波纯音(130 dB)信号下，分析声刺激对斜带石斑鱼Epinepheluscoioides生理生化的影响，结果显示，声刺激会导致斜带石斑鱼产生应激反应。张宇雷等[40]研究了振动频率对斑石鲷Oplegnathuspunctatus血液和生化指标的影响，其主要原因是低频振动产生的水粒子位移变化被鱼体侧线器官所感知，从而引起斑石鲷脑神经兴奋，产生应激反应。本研究中地铁噪声测量结果显示，地铁噪声频率主要集中在20～5 000 Hz，且低频噪声主峰值分别为63、80 Hz，参考该水域内几种鱼类听觉敏感频率(表1)，表明地铁噪声对淡水鱼类存在潜在影响。

4 结论

1)地铁在水下的噪声频率主要集中在20～5 000 Hz，且低频噪声主峰值分别为63、80 Hz，噪声来源主要为地铁轮轨噪声。

2)地铁在水下的噪声频率带宽完全覆盖该水域内的鱼类听觉敏感频率段，地铁噪声对鱼类生存有一定影响，但长江江豚不在其中。在长江水域的水下环境噪声较为复杂，且目前并未全面开展该保护区内水下噪声对鱼类影响的研究，因此，研究长江江底隧道地铁列车运营期水下噪声，分析其频谱特征及辐射范围，可为今后进一步研究水下噪声对保护区内水生生物的影响提供数据参考。