錢金玉，藺丹清,2，邢彬彬，龔德華，郭建磊，劉英泰，李子銘，殷雷明*

(1.大連海洋大學(xué) 水產(chǎn)與生命學(xué)院，遼寧 大連 116023；2.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江下游漁業(yè)資源環(huán)境科學(xué)觀測實驗站，江蘇 無錫 214081)

地鐵軌道交通的高速發(fā)展，緩解了城市交通系統(tǒng)擁堵的問題，與此同時，地鐵交通系統(tǒng)對周邊環(huán)境產(chǎn)生的輻射噪聲問題，也受到研究者的關(guān)注[1]。目前，國內(nèi)地鐵列車運行速度通常為60～120 km/h，列車噪聲源主要來自輪軌噪聲[2-3]。針對地鐵軌道的空氣噪聲輻射問題，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量研究[4]。羅斌[5]通過地鐵車輛的聲學(xué)邊界元仿真分析，認為列車車廂內(nèi)噪聲主要來源于車廂壁板振動，廂外噪聲主要來源于軌道噪聲輻射。唐吉意等[6]現(xiàn)場分析了寧波地鐵1號線高架橋近遠場的輻射噪聲，結(jié)果表明，雖然不同測量高度點的噪聲幅值存在一定的差異性，但局部峰值都集中在中頻段(400～800 Hz)。王曉[7]也通過實際測量分析了地鐵列車車廂內(nèi)的噪聲源，結(jié)果顯示，低頻噪聲來源于空調(diào)機組噪聲和電氣設(shè)備噪聲，中高頻噪聲來源于輪軌噪聲。

隨著科技技術(shù)的進步，海上風電場建設(shè)、過江通道建設(shè)和碼頭等涉水工程越來越多。研究表明，噪聲會導(dǎo)致魚類聽覺損傷，甚至死亡[8]。海上風電場建設(shè)過程中會產(chǎn)生水下爆破和水下打樁等水下噪聲污染。Nedwell等[9]認為，風電場在運行過程中產(chǎn)生的噪聲主要為低頻噪聲，頻率小于1 kHz，且集中在700 Hz以內(nèi)。水下爆破會產(chǎn)生水下施工中最為極端和典型的高強度噪聲。蘇欣[10]研究發(fā)現(xiàn)，爆炸沖擊波的傳播與流速存在一定的關(guān)系，流速越大，相同距離沖擊波衰減越小。水下打樁技術(shù)被廣泛應(yīng)用于碼頭、港口、橋梁、海上油氣鉆井等海洋工程建設(shè)活動中，Bailey等[11]研究了位于蘇格蘭的海上風電站施工時的打樁噪聲，結(jié)果表明，在距離100 m時，噪聲聲壓級高達205 dB re 1 μPa，直到距離噪聲源80 km時，才檢測到低于環(huán)境噪聲規(guī)定的聲壓級水平。車輛通過水下隧道時所產(chǎn)生的水聲輻射可能會對水生動物造成危害[12]。Holt等[13]研究表明，車輛通過橋梁產(chǎn)生的低頻噪聲幾乎影響整個流域，可能會對黑尾鰷Cyprinellavenusta的聲交流行為產(chǎn)生遮蔽。孫耀等[14]通過現(xiàn)場模擬測定了鉆井噪聲和振動對草魚Ctenopharyngodonidellus生長的影響，結(jié)果表明，鉆井噪聲會顯著降低草魚的生長速率。目前，關(guān)于地鐵列車運行期間產(chǎn)生的噪聲研究多集中在列車運行區(qū)間車廂內(nèi)外的空氣噪聲，而關(guān)于地鐵途徑區(qū)域水下環(huán)境噪聲研究較少。本研究中，以南京地鐵10號線途經(jīng)的南京長江江豚自然保護區(qū)水域為研究對象，實地測量水下環(huán)境噪聲并分析其頻譜，以期為研究地鐵在水下產(chǎn)生的輻射噪聲提供參考，并為評估水下噪聲對長江保護區(qū)內(nèi)水生動物的影響提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測站點的設(shè)置

南京地鐵10號線列車全長為126～144 m，車輛編組采用A型列車6節(jié)編組，最高時速為80 km/h。過江隧道全長為3.6 km，過江隧道采用14.5 m外徑的盾構(gòu)隧道，其內(nèi)設(shè)置了雙向6車道。地鐵列車分為3種運行情況，分別為不通車、單向通車和雙向通車。

水下噪聲參照《聲學(xué)水下噪聲測量》(GB/T5265—2009)方法進行測量。水下噪聲信號使用AQH水聽器(靈敏度：-206 dB re 1 V/μPa，日本)進行采集，水聽器帶寬為20～100 000 Hz，采集后由系統(tǒng)自帶的錄音設(shè)備以192 kHz的采樣頻率進行儲存，并通過系統(tǒng)自帶分析軟件進行離線分析。測量地點位于南京長江江豚自然保護區(qū)(以下簡稱保護區(qū))內(nèi)，保護區(qū)位于江蘇省南京市長江江段上，地理位置為東經(jīng)118°28′39.14″～118°44′38.35″，北緯31°46′34.83″～32°7′3.81″。上游與安徽省馬鞍山市相鄰，下游至南京長江大橋。在保護區(qū)內(nèi)選取南京地鐵10號線江心洲站至綠博園站的夾江水域，進行水下噪聲測量，噪聲監(jiān)測點航線為L1、L2、L3、L4，測量點A、B、C、D、E位置如圖1所示，其中，選取距離長江隧道1 500 m處的長江下游作為水下背景噪聲的測量點(A)。

1.2 方法

測量時搭乘船舶至測量位置拋錨固定，關(guān)閉發(fā)動機，進行水下噪聲測量并記錄現(xiàn)場風速和水文信息等數(shù)據(jù)，水聽器分別放置于水下1、5 m位置處(深度較淺處只設(shè)置水下1 m 測量點)。每個測量點進行3次重復(fù)測量，并取其算數(shù)平均值，每間隔2 min測量1次，每次測量錄制時間大于2 min。通過噪聲源強測量，記錄列車車頭和車尾通過測量點時段內(nèi)的等效聲壓級。噪聲源強測量時域為列車長度/最高時速，約6.1 s。聲壓級(sound pressure level，SPL)相關(guān)計算公式如下。

時閾平均聲壓計算公式[15]為

(1)

其中：Im為測定時間內(nèi)的平均聲壓(Pa)；T為測量時間(s)；p為時閾聲壓(Pa)；t為時間常量(s)。

噪聲頻帶聲壓級(SPL)計算公式[15]為

Lpf=20 lg(pf/p0)。

(2)

其中：Lpf為噪聲頻帶聲壓級(dB re 1 μPa)；pf為測得的一定帶寬噪聲聲壓(Pa)；p0為基準聲壓(Pa)，通常取p0=1 μPa。

由于國內(nèi)外目前尚未見水下地鐵噪聲測量的研究報道，根據(jù)席兆凱等[16]和馬歡等[17]的研究結(jié)果，地鐵列車振動噪聲低頻主峰值分別為63、80 Hz，地鐵輪軌噪聲主頻率在200～4 000 Hz，以此作為參考，本研究中，將20～5 000 Hz頻帶進行1/3倍頻程分析，進一步獲取水下地鐵噪聲頻譜特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 地鐵周邊水域環(huán)境噪聲

水下背景噪聲測量點A(N32°02.3571′, E118°43.1115′)位于距離長江隧道1 500 m的長江下游，最大水深為12 m。由于夾江水域不是長江主航道，因此，無船舶經(jīng)過對噪聲采集產(chǎn)生的干擾。水下背景噪聲時域頻譜和功率譜密度(power spectral density, PSD)如圖2所示，參考Wenz[18]的圖譜分析方法，并通過人耳辨聽及頻譜分析可知，水下背景噪聲主要集中在低頻段，其中，低于100 Hz主要是長江水流產(chǎn)生的噪聲，而頻率在1 000 Hz左右為表面風成噪聲。

2.2 單列地鐵列車經(jīng)過時的水下噪聲

在測量點B(N32°1.7295′, E118°42.5922′)，最大水深11 m，以1列地鐵列車單向通過時水下1、5 m處的噪聲為例(圖3)。根據(jù)現(xiàn)場記錄情況，通過人耳辨聽及頻譜分析可知，測量點的水下噪聲主要包括水流噪聲、風成噪聲、大橋振動噪聲、水底管道抽水聲、地鐵列車經(jīng)過時的“轟隆”聲與輪軌的“咯噔”聲。地鐵噪聲出現(xiàn)時與周圍環(huán)境噪聲(尤其夾江大橋振動噪聲)有頻率疊加現(xiàn)象；通過時域聲壓級分析，在水下5 m處的聲音樣本中，列車經(jīng)過前的時域平均SPL為(119.30±2.15)dB re 1 μPa(簡記為dB，下同)，列車經(jīng)過時的時域平均SPL為(131.48±0.91)dB，地鐵噪聲實時增加12.18 dB(P<0.05)；在水下1 m處的聲音樣本中，列車經(jīng)過前的時域平均SPL為(110.78±2.28)dB，列車經(jīng)過時的時域平均SPL為(120.80±0.59)dB，地鐵噪聲實時增加10.02 dB(P<0.05)，地鐵噪聲從水下5 m處至水下1 m處衰減10.68 dB(圖3(a)、(c))。列車經(jīng)過時，地鐵振動噪聲頻率為50～100 Hz，1/3倍頻程分析顯示，地鐵噪聲主頻率峰值集中在63、80 Hz。以低頻振動63、80 Hz為主要分析對象，列車經(jīng)過時，水下5 m處，63 Hz時域平均SPL較無列車經(jīng)過時顯著增加(13.54±1.30)dB(P<0.05)，80 Hz時域平均SPL較無列車經(jīng)過時顯著增加(15.85±1.40)dB(P<0.05)(圖3(b)、(d))。

*表示有列車與無列車組間有顯著性差異(P<0.05),下同。

如圖4所示，在帶寬20～100 000 Hz范圍內(nèi)，夾江測量點B的地鐵噪聲頻譜主要峰值分布于10 kHz以下，而10 kHz以上帶寬內(nèi)水下1、5 m處聲壓級逐漸減小，且均低于45 dB，相對穩(wěn)定。因此，結(jié)合地鐵噪聲頻譜特征，本研究中進一步分析了20～5 000 Hz帶寬內(nèi)地鐵噪聲的變化情況。

圖4 水下1 m和5 m處地鐵噪聲的聲壓級

2.3 雙列地鐵列車經(jīng)過時的水下噪聲

在測量點C(N32°2.3400′, E118°41.8042′)，以雙軌道2列列車同向分別經(jīng)過時水下1 m處的噪聲為例(圖5)?，F(xiàn)場環(huán)境：風速為0.65 m/s，最大水深為6 m，航道上有行船。通過回放辨聽和時域聲壓級計算分析，同一音頻樣本中，2列列車先后經(jīng)過(未會車)時的情況。列車經(jīng)過前的時域平均SPL為(118.79±0.50)dB，列車1經(jīng)過時的時域平均SPL為(127.83±2.43)dB，列車2經(jīng)過時的時域平均SPL為(131.10±1.22)dB，地鐵噪聲實時增加(9.04～12.31)dB(P<0.05)(圖5(a))。列車經(jīng)過時，地鐵振動噪聲頻率為50～400 Hz。以低頻振動63、80 Hz為主要分析對象，列車經(jīng)過時，63 Hz時域平均SPL較無列車通過時顯著增加(23.43±2.01)dB(P<0.05)，80 Hz時域平均SPL較無列車通過時顯著增加(22.84±1.05)dB(P<0.05)(圖5(b))。

圖5 雙軌道2列列車同向通過時水下的噪聲

同時，在測量點C，以雙軌道2列列車相向經(jīng)過時水下5 m處的噪聲為例(圖6)?，F(xiàn)場環(huán)境同上，通過回放辨聽和時域聲壓級計算，同一音頻樣本中，雙軌道2列列車前后連續(xù)通過(測量點未會車)時的水下噪聲。列車經(jīng)過前的時域平均SPL為(124.62±0.37)dB，雙列車經(jīng)過時的時域平均SPL為(136.82±2.63)dB，地鐵噪聲實時增加12.20 dB(P<0.05)(圖6(a))。列車經(jīng)過時，地鐵振動噪聲頻率為50～100 Hz。以低頻振動63、80 Hz為主要分析對象，列車經(jīng)過時，63 Hz時域平均SPL較無列車通過時顯著增加(23.75±1.07)dB(P<0.05)，80 Hz時域平均SPL較無列車通過時顯著增加(27.59±1.25)dB(P<0.05)(圖6(b))。

圖6 雙軌道2列列車相向通過時水下的噪聲

2.4 船舶噪聲與地鐵噪聲疊加

在測量點D(N32°2.2519′, E118°41.7561′)，以單列列車經(jīng)過時水下5 m處的噪聲為例(圖7)?，F(xiàn)場環(huán)境：風速為2 m/s，最大水深為10 m，監(jiān)測時有船舶經(jīng)過，通過回放辨聽和時域聲壓級計算可知，列車經(jīng)過前的時域平均SPL為(125.618±0.22)dB，列車經(jīng)過時時域平均SPL為(127.80±1.32)dB，地鐵噪聲實時增加2.18 dB(P>0.05)(圖7(a))。以低頻振動63、80 Hz為主要分析對象，列車經(jīng)過時，63 Hz時域平均SPL較無列車通過時顯著增加(9.13±1.36)dB(P<0.05)，80 Hz時域平均SPL較無列車通過時顯著增加(8.23±2.29)dB(P<0.05)(圖7(b))。

圖7 船舶噪聲與地鐵噪聲的疊加頻譜

2.5 長江大橋與地鐵噪聲疊加

在測量點E(N32°1.555 6′, E118°42.584 1′)，此處距離夾江大橋為27 m，最大水深為8 m，風速為1.2 m/s。根據(jù)現(xiàn)場記錄情況，通過人耳辨聽和時域頻譜分析可知，該測量點水下噪聲主要包括水流噪聲、風成噪聲、夾江大橋振動噪聲、水底管道抽水聲和地鐵列車經(jīng)過時的“轟隆”聲與輪軌的“咯噔”聲。列車經(jīng)過前時域平均SPL為(117.05±1.52)dB，列車經(jīng)過時時域平均SPL為(125.20±0.99)dB，地鐵噪聲實時增加8.15 dB(P>0.05)(圖8(a))。以低頻振動63、80 Hz為主要分析對象，列車經(jīng)過時，63 Hz時域平均SPL較無列車通過時顯著增加(9.37±3.32)dB(P<0.05)，80 Hz時域平均SPL較無列車通過時顯著增加(11.59±1.46)dB(P<0.05)(圖8(b))。

圖8 長江大橋與地鐵噪聲的疊加頻譜

2.6 噪聲對自然保護區(qū)魚類的影響

本次地鐵噪聲測量結(jié)果顯示，地鐵噪聲頻率主要集中在20～5 000 Hz，且低頻噪聲主峰值分別為63、80 Hz，參考魚類可聽頻率范圍及聽覺閾值[19]，大多數(shù)魚類能聽到的聲音范圍為50～1 000 Hz，少數(shù)魚類能聽到大于3 kHz的聲音，僅有極少數(shù)魚類能夠聽到大于100 kHz的聲音[20-21]。在南京長江水域水生動物保護區(qū)內(nèi)主要物種包括：長江江豚Neophocaenaasiaeorientalis、胭脂魚Myxocyprinusasiaticus、中華鱘Acipensersinensis等，這些魚類的聽覺敏感頻率均被地鐵噪聲頻率帶寬所覆蓋(表1)，只有長江江豚不在其中。Wang等[22]利用聽覺誘發(fā)電位法測得長江江豚敏感頻率為76 kHz，聽覺閾值為51～55 dB，聽覺敏感頻段為11.2 kHz～152 kHz。劉猛等[23]利用聽性腦干反應(yīng)技術(shù)研究了胭脂魚的聽覺特性，其聽頻范圍為100～5 000 Hz,其中，對100～2 000 Hz的聲音敏感度較高, 最敏感頻率為800 Hz, 聽覺閾值為69.8 dB。Lovell等[24]采用聽性腦干反應(yīng)的電生理方法研究了匙吻鱘Polyodonspathula的聽覺能力，結(jié)果表明，匙吻鱘對頻率為100～500 Hz的聲音有反應(yīng)，其聽覺敏感頻率為200～300 Hz。由此可知，地鐵噪聲對南京長江水域保護區(qū)內(nèi)的魚類等水生生物存在一定影響。

表1 長江保護區(qū)內(nèi)幾種水生生物聽覺特性

3 討論

3.1 水下與空氣中地鐵噪聲特征比較

目前，關(guān)于地鐵列車運行期間產(chǎn)生的噪聲輻射問題，國內(nèi)外相關(guān)研究多集中于地鐵空氣噪聲研究，而對于地鐵列車運行期間產(chǎn)生的水下噪聲研究目前尚未見報道。本次測量過程中，水下與空氣中背景噪聲源不同。水下背景噪聲源主要包括：夾江調(diào)查區(qū)水下背景噪聲源，主要有水流噪聲、風成噪聲和地鐵隧道噪聲；大江調(diào)查區(qū)水下背景噪聲源相對復(fù)雜，主要有水流噪聲、風成噪聲、船舶噪聲、大橋振動噪聲、江底公路隧道噪聲和地鐵隧道噪聲?？諝庵斜尘霸肼曉粗饕ǖ罔F輪軌噪聲、地鐵站臺播報聲、人群嘈雜聲和風成噪聲。此外，根據(jù)測量位置的不同，地鐵空氣噪聲易受箱梁遮板等影響，噪聲源辨識度高，容易區(qū)分。

本次測量南京地鐵10號線水下噪聲，地鐵振動噪聲主頻率峰值分別為63、80 Hz，噪聲源主要為地鐵輪軌噪聲。唐吉意等[6]對寧波地鐵1號線高架橋近遠場輻射噪聲進行了研究，結(jié)果表明，空氣中地鐵噪聲主要集中在低頻段40～70 Hz、90～110 Hz和400～800 Hz。此外，根據(jù)近遠場距離，噪聲在中頻和高頻段隨距離延長衰減較快，而在低頻段則隨距離延長衰減較慢?？諝庵袦y量的低頻噪聲主要在地鐵遠場位置出現(xiàn)主頻率峰值，這是由于地鐵箱梁遮板和翼緣板的遮擋[6]，使得遠點不易受輪軌噪聲的直接干擾，而在近場點，測量點受輪軌噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲干擾，故在低頻段和中頻段均出現(xiàn)主頻率峰值。本研究中，對水下噪聲的測量結(jié)果顯示，空氣中地鐵噪聲和地鐵列車運營期間的水下噪聲在低頻段結(jié)果相似，在400～800 Hz頻段，地鐵水下噪聲受水域環(huán)境影響明顯，未出現(xiàn)明顯的衰減現(xiàn)象。

此外，根據(jù)Wenz[18]的圖譜可知，雨水噪聲頻譜范圍為1 000～10 000 Hz，風成噪聲頻譜范圍為500～25 000 Hz，風成噪聲和雨水噪聲頻率范圍不在地鐵噪聲低頻振動頻率段內(nèi)，故本研究中不考慮季節(jié)天氣變化對地鐵振動噪聲頻譜特征的影響。

3.2 空氣噪聲與水下地鐵噪聲測量方法比較

測量地鐵空氣噪聲主要包括兩個方面，一是地鐵列車運行期間車廂內(nèi)地鐵噪聲變化情況，二是地鐵列車經(jīng)過地區(qū)近場和遠場噪聲的變化情況。測量方法相同，兩者均使用采集裝置定點布置于相應(yīng)的位置進行測量。本次水下噪聲測量中，通過駕駛船舶在設(shè)計航線上進行定點停船、拋錨，再對不同水深處的噪聲環(huán)境進行測量。與空氣中測量地鐵噪聲方法相比，地鐵水下噪聲測量位置無法實現(xiàn)精準定位。此外，在空氣中測量地鐵噪聲時可以通過肉眼辨別地鐵列車位置，而水下噪聲測量則需借助列車運行時刻表與時域頻譜圖進行列車通過情況分析。

3.3 低頻噪聲對魚類的影響

不同頻率的噪聲會對甲殼類[29-30]、魚類[31-32]和哺乳動物類[33]產(chǎn)生潛在影響。大多數(shù)魚類能聽到的聲音范圍為50～1 000 Hz，少數(shù)魚類能聽到大于3 kHz的聲音，僅有極少數(shù)魚類能夠聽到大于100 kHz的聲音[20-21]。在涉水經(jīng)濟建設(shè)工程中，人類生產(chǎn)建設(shè)活動產(chǎn)生的低頻噪音(<500 Hz)在一定程度上破壞了魚類生活原有的“聲境”，對魚類聽覺、生長、行為變化和應(yīng)激反應(yīng)產(chǎn)生一定程度的影響[34]。石妮等[35]研究了不同類型噪聲對魚類聽覺、行為和種群數(shù)量的影響，研究表明，噪聲不但會對魚類聽覺造成暫時性閾移(temporary threshold shift)或永久性閾移(permanent threshold shift)，而且還會使魚類的集群行為、逃避行為及捕食行為發(fā)生變化。喻軍等[36]通過研究地鐵列車振動對魚類攝食和生長的影響發(fā)現(xiàn)，地鐵噪聲會導(dǎo)致草魚生長速率顯著下降。孫耀等[37]利用現(xiàn)場模擬試驗方法，測定了石油鉆井噪聲與振動對鯉Cyprinuscarpio的影響，結(jié)果顯示，鯉的生長大幅度降低。張博[38]采用聽覺誘發(fā)電位法測量褐菖鮋Sebasticusmarmoratus的聽覺閾值，發(fā)現(xiàn)褐菖鮋對低頻聲音信號較敏感，近岸風電場等人類活動產(chǎn)生的低頻噪聲可能會影響褐菖鲉的聲訊交流。林海霞等[39]將石斑魚暴露于600 Hz的正弦波純音(130 dB)信號下，分析聲刺激對斜帶石斑魚Epinepheluscoioides生理生化的影響，結(jié)果顯示，聲刺激會導(dǎo)致斜帶石斑魚產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)。張宇雷等[40]研究了振動頻率對斑石鯛Oplegnathuspunctatus血液和生化指標的影響，其主要原因是低頻振動產(chǎn)生的水粒子位移變化被魚體側(cè)線器官所感知，從而引起斑石鯛腦神經(jīng)興奮，產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)。本研究中地鐵噪聲測量結(jié)果顯示，地鐵噪聲頻率主要集中在20～5 000 Hz，且低頻噪聲主峰值分別為63、80 Hz，參考該水域內(nèi)幾種魚類聽覺敏感頻率(表1)，表明地鐵噪聲對淡水魚類存在潛在影響。

4 結(jié)論

1)地鐵在水下的噪聲頻率主要集中在20～5 000 Hz，且低頻噪聲主峰值分別為63、80 Hz，噪聲來源主要為地鐵輪軌噪聲。

2)地鐵在水下的噪聲頻率帶寬完全覆蓋該水域內(nèi)的魚類聽覺敏感頻率段，地鐵噪聲對魚類生存有一定影響，但長江江豚不在其中。在長江水域的水下環(huán)境噪聲較為復(fù)雜，且目前并未全面開展該保護區(qū)內(nèi)水下噪聲對魚類影響的研究，因此，研究長江江底隧道地鐵列車運營期水下噪聲，分析其頻譜特征及輻射范圍，可為今后進一步研究水下噪聲對保護區(qū)內(nèi)水生生物的影響提供數(shù)據(jù)參考。