大型桁架式深水养殖平台水下声环境演变特征及潮汐-海流联合调制作用

《Frontiers in Marine Science》：A study on the evolutionary patterns of the acoustic environment of large-scale truss-type deep-sea aquaculture platforms

　　

为研究大型深水养殖平台运行对局部水域声环境的影响，本研究基于典型平静海况下连续46小时同步多通道观测数据集，分析了一大型桁架式平台及其周围水域声环境的演变特征。结果表明：平台运行对水下声环境的干扰主要集中在500 Hz以下的低频段，水下近场呈现明显的离散谐波骨架结构，特征基频24.41 Hz处功率谱密度达122.29 dB re 1μPa²/Hz（较闲置状态约高16 dB）；但在2 kHz以上频段，该信号与环境背景完全重叠。启动与停机瞬间甲板空气声场与水下水声场的像素级时间同步，以及空气-水界面强烈的声阻抗失配，定量确认了推进系统激发的结构弹性波主要通过刚性桁架桩基的固体传播路径向水下辐射。在观测窗口内，远距站声级表现出明显的昼夜差异，与浅水声速剖面的日变化一致：白天观测到4 m声道轴，夜间则呈现正梯度上折射，可能增强海面散射，并导致夜间远距站特征声衰减。此外，在46小时观测期内，远距站低频声景似乎受到半日潮汐动力过程的调制：噪声峰值落后潮位峰值约6小时，在小潮期（流速<0.3 m/s）声背景降至-40 dB re 1μPa²/Hz以下，表现出潮汐与海流交替驱动的宏观非平稳特征。上述发现源自单次46小时平静海况观测，应视为过程级证据而非气候统计结论，可为类似深水养殖平台的声环境监测、生态评估及养殖声学设备优化布放提供参考数据支持与科学方法借鉴。

深水养殖是海洋开发的重要方向，也是缓解近岸生态压力、保障“蓝色食物”供给的关键途径。随着近岸养殖容量趋于饱和，大型桁架式养殖平台因其结构强度高、抗风浪能力强、养殖水体容量大、自动化程度高等优势，正逐渐成为深远海养殖的主流装备。水下声景是海洋生态系统的组成部分，鱼类依赖声信号完成觅食、通讯、避敌和洄游导航等生命活动。人为水下噪声可通过听觉掩蔽、生理应激和行为回避等机制对海洋生物造成干扰。同时，主动与被动声学技术已广泛应用于鱼群行为监测、生物量评估、网衣破损预警及声学调控等生产场景，其探测性能直接受背景噪声水平制约。已有关于水产设施、海上风电和油气平台的水下噪声研究提供了方法参考，但针对大型桁架式深水养殖平台仍存在两点不足：一是缺乏与周边环境背景噪声的长时序同步比较，难以准确量化平台噪声对局部声景的贡献；二是缺乏潮位和海流交替驱动低频背景噪声的定量关系与机制认识。因此，对该类平台的噪声特征及其环境影响进行定量评估具有重要的生态与工程价值。

研究人员以中国湛江海域某大型矩形桁架式深水养殖平台（总长101 m，宽47.5 m，养殖吃水15 m，养殖水体约60,000 m³）为对象，布设了三套同步声学观测系统：平台中央网箱内水听器、甲板上方空气声级计、以及距平台1.5 km处的远距离参考水听器。在典型平静海况下开展了连续46小时的声学、流速和潮位同步观测。主要结论包括：平台稳态运行时的水下噪声干扰严格限于500 Hz以下，近场水下呈离散谐波骨架，24.41 Hz处功率谱密度（power spectral density, PSD）达122.29 dB re 1μPa²/Hz，较闲置状态升高约16 dB，而2 kHz以上完全淹没于自然背景；甲板空气声场主频24.83 Hz与水下水声24.41 Hz在启停瞬间呈现像素级同步，验证了结构弹性波经刚性桁架桩基固体传声向水下辐射的主要路径；远距站低频声景在观测窗口内受半日潮汐和海流交替调制，噪声峰滞后潮位峰约6小时，小潮期流速低于0.3 m/s时环境噪声降至-40 dB re 1μPa²/Hz以下。该研究为类似深水养殖平台声环境监测、生态影响评估及养殖声学装备优化部署提供了基础数据和科学方法参考。

关键技术方法方面，研究人员遵循《声学 水下噪声测量》（GB/T5265—2009）开展水下噪声测量。使用两台USR-2000L自容式水听器（频率范围10 Hz–20 kHz，灵敏度≥-170 dB re 1 V/μPa）获取水下声信号，使用声级计（10 Hz–20 kHz，灵敏度-28.0 dB）同步采集甲板空气声，同时布放自容式流速仪和验潮仪记录流速（0–3 m/s，采样间隔1 min）与潮位。数据分析基于MATLAB平台：将DAT格式水听器数据按24位读取并换算为声压波形，直接读取WAV文件获得声级计时域波形；采用短时傅里叶变换（short-time Fourier transform, STFT）分析目标时段时频特征；利用PSD比较不同运行状态的能量分布；并通过Welch平均的非重叠分段方法构建长时间序列的时频功率谱（time-frequency power spectrum, TFP），其时间分辨率在水下声数据中为3分钟，空气声数据中为1分钟。

研究结果部分：

3.1 实验区水文特征与声速剖面：白天声速剖面在约4 m深度出现声速极小值，形成典型浅水声道轴；夜间剖面转为正梯度结构，声速随深度线性增加，与日落后海面冷却驱动的对流混合一致。这为声传播的昼夜差异提供了环境背景。

3.2 平台相关声景与远站环境噪声的时空变异性：46小时频谱时间序列显示，水下近场与甲板空气声场在低频段高度同步，机组运行时25 Hz特征线同时出现；远距站在稳态运行期间无法分辨该线谱，但在机组启停瞬间，其低频背景基线对应骤降，表明平台运行状态与远站低频声景变化在时间上存在耦合。

3.3 工况变化下声场瞬态变化与频域耦合特征：机组启动后，甲板空气声场在20–500 Hz出现密集窄带线谱，主频24.83 Hz处相对PSD峰值达53.50 dB，比闲置背景高约15 dB；500 Hz–5 kHz以宽带噪声为主，10 kHz以上两条PSD曲线完全收敛。停机后线谱消失。

3.4 近场水下声场对工况变化的响应与频域辐射特性：水下近场时频谱在启动瞬间出现多根窄带线谱，标志性频率为24.41 Hz，与空气声场变化时间精确同步。绝对PSD比较显示，运行时主频PSD为122.29 dB re 1μPa²/Hz，较闲置时约106.5 dB高近16 dB；在48.8、73.2、100、122 Hz等倍频处出现谱峰。干扰严格限于500 Hz以下，2 kHz以上两条曲线完全重叠，处于72–86 dB re 1μPa²/Hz自然背景范围。

3.5 低频声环境短期变异性与潮汐、海流动力学关联：1.5 km远距站0–200 Hz低频声谱与潮位、流速在46小时内表现出时间关联。噪声能量峰与潮位峰之差约6小时；当流速降至0.3 m/s以下时，低频背景降至-40 dB re 1μPa²/Hz以下；流速增强时低频能量相应上升。观测关系与半日潮汐时间尺度一致，但更长时间的持续性仍需更多观测验证。

讨论与结论部分：昼夜声速剖面的差异被用来解释远站特征声的夜间衰减：白天声道轴可减少边界作用，夜间正梯度导致声能量向上折射，频繁入射海面，增强散射与耗散。空气-水界面声阻抗失配约3,600，直接透射进入水体的声能可忽略，而水下近场的高能线谱证实了固体传声占主导地位，因此该类型平台的减噪应优先考虑设备基座的结构隔振与阻尼。潮汐通过改变水压梯度驱动流速周期性变化，低流速时流致噪声减弱，导致低频环境噪声出现规则低槽。本研究为单次46小时平静海况观测，未进行传播损失建模，远距站定义基于稳态运行时平台线谱不可分辨的事实；缺少原位结构振动测量和沉积声学参数是主要局限。未来拟采用多节点多距离阵列和全波形反演，实现跨介质声辐射-传播-衰减三维动态边界的精确重建。结论可概括为：平台水下声干扰严格限于500 Hz以下，24.41 Hz处PSD为122.29 dB re 1μPa²/Hz，较背景高约16 dB；2 kHz以上完全重叠。甲板空气声（24.83 Hz）与水下近场像素级同步验证了刚性结构传声路径。远站低频声振幅与半日潮汐和海流相关，弱流（<0.3 m/s）时环境噪声降至-40 dB re 1μPa²/Hz以下，噪声峰与潮位峰时差约6小时。该0.3 m/s仅为本次数据的经验参考值，并非普适临界值。结论局限于46小时平静天气窗口，外推到其他季节和海况需进一步测量。