Modelowanie hałasu podwodnego – wartościowe narzędzie w planowaniu inwestycji z poszanowaniem środowiska naturalnego

4 godzin temu

Zdjęcie: modelowanie hałasu

Hałas podwodny – niewidzialne zagrożenie, które może wywrzeć realny wpływ na życie morskie. W dobie dynamicznego rozwoju morskich farm wiatrowych i infrastruktury offshore, modelowanie hałasu staje się nie tylko wymogiem prawnym, ale i kluczowym narzędziem ochrony środowiska. Sprawdź, jak nowoczesne narzędzia, takie jak MIKE UAS, pozwalają przewidywać skutki akustycznego oddziaływania człowieka na ekosystemy morskie – zanim jeszcze wbity zostanie pierwszy pal.

Hałas podwodny – dlaczego poświęcamy mu tyle uwagi?

Wszelkie dźwięki generowane przez działalność człowieka, mogące zakłócać zdolność zwierząt morskich do odbierania odgłosów naturalnych w ich środowisku, nazywane są hałasem podwodnym. Do głównych jego źródeł należą m.in. ruch statków, eksplozje podwodne, budowa infrastruktury offshore oraz badania sejsmiczne. Dźwięk w wodzie rozchodzi się znacznie szybciej i na większe odległości niż w powietrzu, co sprawia, iż jego wpływ na środowisko morskie jest szczególnie silny.

Hałas antropogeniczny w środowisku morskim może mieć poważne konsekwencje dla życia jego mieszkańców. Wiele organizmów – zwłaszcza ssaki morskie – korzysta z echolokacji do orientacji w przestrzeni, komunikacji oraz polowania. Nadmierny hałas może wywoływać u nich stres, dezorientację, zakłócenie funkcji życiowych, a choćby prowadzić do urazów słuchu lub śmierci.

Nie bez powodu wskazano hałas podwodny jako jedną z jedenastu cech stanu i presji środowiskowych w Ramowej Dyrektywie ds. Strategii Morskiej (RDSM). Dyrektywa ta zobowiązuje państwa członkowskie UE do:

oceny poziomu hałasu podwodnego i jego wpływu na środowisko,
ustanowienia wskaźników monitorujących,
opracowania działań zmniejszających oddziaływanie hałasu na organizmy morskie.

Od kilkunastu lat hałas podwodny stanowi istotny element raportów oddziaływania na środowisko, opracowywanych dla morskich inwestycji. Jest on analizowany pod kątem źródeł hałasu na poszczególnych etapach realizacji inwestycji, ich potencjalnego wpływu na środowisko morskie oraz oceny oddziaływania na gatunki wrażliwe, takie jak morświn czy foka. Podstawą tejże oceny w przypadku morskich farm wiatrowych stało się modelowanie rozprzestrzeniania się hałasu w środowisku wodnym. W przypadku stwierdzenia negatywnego oddziaływania elementem raportu powinno być także zaproponowanie odpowiednich działań mitygujących, w tym przypadku wdrożania technologii i metod ograniczających emisję hałasu podwodnego, jak również plan prowadzenia monitoringu na kolejnych etapach realizacji inwestycji.

Czym jest modelowanie hałasu podwodnego?

Modelowanie hałasu podwodnego to proces numerycznego prognozowania rozprzestrzeniania się dźwięków w wodzie. Uwzględnia ono zarówno charakterystykę źródła hałasu, jak i adekwatności środowiska wodnego – takie jak zasolenie, temperaturę, głębokość czy strukturę dna morskiego.

Po co wykonujemy modelowanie hałasu podwodnego?

Modelowanie hałasu podwodnego jest wykonywane w kilku ważnych celach.

Ocena wpływu na ekosystemy pozwala określić, w jaki sposób hałas wpływa na gatunki morskie, zwłaszcza te korzystające z echolokacji.

Spełnianie wymagań prawnych pomaga inwestorom i instytucjom państwowym dostosować się do wymagań RDSM oraz przepisów krajowych poprzez sprawdzenie, czy poziomy hałasu mieszczą się w dopuszczalnych normach i czy nie wpływają negatywnie na środowisko.

Optymalizacja inwestycji infrastrukturalnych: modelowanie pozwala planować działania minimalizujące hałas, np. przy budowie farm wiatrowych, portów czy wydobyciu surowców.

Planowanie i zarządzanie przestrzenią morską: na podstawie wyników modelowania można wyznaczać strefy ochronne, w których ogranicza się działalność generującą hałas.

Ochrona zdrowia i dobrostanu organizmów morskich: wyniki modelowania pozwalają na przewidywanie skutków hałasu w kontekście migracji, zachowań reprodukcyjnych i innych kluczowych procesów biologicznych, co umożliwia wdrażanie skutecznych działań ochronnych.

MIKE UAS – nowoczesne narzędzie do modelowania hałasu podwodnego

MIKE UAS (ang. Underwater Acoustic Simulator) to zaawansowane narzędzie opracowane przez firmę DHI, specjalizującą się w modelowaniu środowiskowym.

Służy ono do symulacji i analizy rozchodzenia się dźwięku w środowisku morskim. Uwzględnia przy tym czynniki fizykochemiczne, topografię oraz budowę dna morskiego, a jego funkcjonalność obejmuje:

modelowanie rozprzestrzeniania się dźwięków z różnych źródeł,
tworzenie wizualizacji rozprzestrzeniania i zasięgu oddziaływania hałasu,
integrację z modelami hydrodynamicznymi i symulacjami agentowymi (ABM – agent-based modelling) w celu oceny wpływu hałasu na spójność siedlisk i migrację zwierząt.

Narzędzie od wielu już lat jest z powodzeniem wykorzystywane na rynku. Zespoły techniczne i merytoryczne sukcesywnie udoskonalają je, aby jeszcze lepiej odzwierciedlało zmienność propagacji (rozchodzenia się) dźwięku przy zmieniających się warunkach środowiskowych, przyczyniając się do bardziej precyzyjnych prognoz oddziaływania hałasu na organizmy morskie.

MIKE UAS został wykorzystany w wielu projektach w Polsce i za granicą. Do ciekawszych można zaliczyć:

1. Modelowanie hałasu i ocena oddziaływania na środowisko badań geofizycznych

Opis: W tym raporcie przeprowadzono modelowanie propagacji hałasu podwodnego przy użyciu MIKE UAS w celu oceny wpływu impulsowego hałasu z badań geofizycznych na śledzie atlantyckie i płetwale karłowate w Morzu Celtyckim.
Źródło: Noise modelling and environmental risk assessment of a geophysical survey MARA – The Maritime Regulator

2. Realistyczne podejście do propagacji dźwięku w ocenie oddziaływania na środowisko

Opis: Artykuł przedstawia zastosowanie MIKE UAS w ocenach oddziaływania na środowisko, koncentrując się na modelowaniu propagacji hałasu z ruchomych źródeł. Omówiono w nim podejście wykorzystujące modelowanie źródeł ruchomych oraz zastosowanie modeli agentowych (ABM) do symulacji reakcji zwierząt morskich na hałas.
Źródło: Towards a Realistic Approach of Sound Propagation in EIAs: How to represent moving Sources and moving Receivers DHI+2pub.dega-akustik.de+2DHI+2

3. Wpływ hałasu palowania na ssaki morskie

Opis: W badaniu wykorzystano MIKE UAS do modelowania hałasu generowanego przez wbijanie pali wielkośrednicowych podczas budowy morskich farm wiatrowych. Analizowano wpływ hałasu na ssaki morskie, takie jak morświny i foki, uwzględniając różne scenariusze i środki mitygujące.
Źródło: Effect of impact pile driving noise on marine mammals pub.dega-akustik.de+6AIP Publishing+6Regulations.gov+6

Techniczny wymiar modelowania hałasu podwodnego

Akustyka jako dział fizyki zajmujący się badaniem dźwięku – jego powstawaniem, propagacją, oddziaływaniem z materią oraz odbiorem przez ludzi i inne istoty żywe – nie jest prostą dziedziną. Wymaga specjalistycznej wiedzy i doświadczenia w rozumieniu procesów i zachowania się dźwięku w środowisku. Akustyka podwodna bada te procesy w środowisku wodnym.

Przystępując do prac modelowych, najważniejsze jest uzgodnienie podejścia metodycznego i zebranie danych, które zostaną wykorzystane w analizach. Tak jak z większością analiz, im lepszej jakości i bardziej wiarygodne dane, tym dokładniejsze wyniki modelowania. Niezbędne do oceny zasięgu oraz powierzchni oddziaływań prace modelowe można podzielić na kilka etapów:

zebrania dostępnych danych,
definicji źródła dźwięku (poziom ekspozycji na dźwięk i spektrum częstotliwości),
modelowania numerycznego hałasu,
obliczeń efektów biologicznych przy pomocy międzynarodowo akceptowalnych kryteriów (jeśli dotyczy).

Kolejne kroki opisano szczegółowo poniżej.

Dane wykorzystywane do modelowania

Na propagację dźwięku w wodzie morskiej wpływa kilka czynników, w tym: temperatura, ciśnienie, zasolenie a także kwasowość (odczyn pH). W związku z tym informacja na temat tych adekwatności jest istotna do określenia założeń przyjętych w modelu. Poza tym uwzględnia on ukształtowanie dna, które jest istotnym czynnikiem warunkującym zasięg rozprzestrzeniania się dźwięku w środowisku wodnym, a także adekwatności geoakustyczne osadów budujących podłoże.

Źródło dźwięku

W zależności od rodzaju oraz etapu poszczególnych projektów, spektrum źródła dźwięku opracowywane jest na podstawie danych literaturowych lub dzięki dodatkowego modelowania źródła dźwięku.

W przypadku hałasu generowanego podczas palowania spektrum źródła dźwięku opracowuje się na podstawie danych dotyczących elementów skończonych oraz ogólnodostępnych danych pomiarowych, które zebrano w bezpośrednim sąsiedztwie pala. Skalowane spektrum źródła dźwięku uzyskuje się poprzez zastosowanie zależnych od częstotliwości praw skalowania dla średnicy pala i głębokości wody w stosunku do przeprowadzonych pomiarów.

Modelowanie źródła dźwięku rekomendowane jest w sytuacji, gdy znane są dokładne parametry wejściowe, np. w przypadku ostatecznego doboru rodzaju fundamentowania w celu budowy morskich farm wiatrowych oraz w sytuacji, gdy rozpoznane są warunki geotechniczne podłoża obszaru badań.

Szczegóły techniczne modelowania i jego wyniki

Propagacja dźwięku modelowana jest przy użyciu Range-dependent Acoustic Model (RAM), który bazuje na metodzie równania parabolicznego, zakładając, iż energia emitowana dominuje nad energią rozpraszaną wstecznie. Model skupia się na propagowaniu hałasu w odległym polu w celu stworzenia podstaw do przeprowadzania oceny jego oddziaływania na środowisko.

UAS stosuje kod RAM na podstawie modelu propagacji dźwięku opracowanego przez Collinsa (Collins, 1993). Uwzględnia on zmiany szybkości tłumienia dźwięku w kolumnie wody oraz umożliwia zastosowanie modelu empirycznego Francois i Garrison, który opiera się na informacjach o zasoleniu, temperaturze i pH w kolumnie wody. Źródło dźwięku jest modelowane jako punktowe wielokierunkowe, a zasięg modelowania dobierany jest indywidualnie, w zależności od potrzeb. W przypadku ocen oddziaływania na środowisko zasięg ten wynosi do 150 km, a modelowaniu podlegają specyficzne pasma 1/3 oktawy z częstotliwościami centralnymi od 20 Hz do 4 kHz.

Na podstawie uzyskanych obliczeń wykonywane są mapy oraz przekroje prezentujące poziom ekspozycji na dźwięk jako funkcję odległości od źródła dźwięku.

Efekty biologiczne

Wyniki modelowania wykorzystywane są do ocen oddziaływania na środowisko, kluczowa jest ich interpretacja względem istniejących kryteriów narażania poszczególnych organizmów morskich na hałas.

Do obliczenia efektów biologicznych DHI stosuje schemat zaprezentowany przez Thomsen i in. (2021). Zakłada on, iż istnieje kilka zachodzących na siebie stref oddziaływania hałasu, których rozmiary zależą głównie od względnej odległości zwierząt od lokalizacji źródła dźwięku. W procesie oceny oddziaływania przedsięwzięć na środowisko niniejsze badanie skupia się na odpowiedzi behawioralnej oraz uszkodzeniach słuchu (TTS, PTS oraz odwracalnym uszkodzeniu słuchu w przypadku ryb z pęcherzem pławnym), gdyż są to efekty rozpatrywane ze względu na obowiązujące regulacje.

Na podstawie wykonanego modelowania akustycznego szacowane są strefy oddziaływania hałasu na organizmy morskie (ssaki, ryby) jako wyrażone w kilometrach odległości od źródła dźwięku.

Praktyczny wymiar modelowania hałasu podwodnego

W Polsce już od kilkunastu lat modelowanie hałasu podwodnego wykorzystywane jest do oceny jego oddziaływań na organizmy morskie. Niestety ten standard nakładany przez regionalne dyrekcje ochrony środowiska dotyczył na razie jedynie budowy morskich farm wiatrowych, natomiast hałas podwodny generowany jest także przy wielu innych działaniach. Firma DHI zaangażowana była w większość projektów realizowanych na potrzeby budowy morskich farm wiatrowych, stale udoskonalając metodykę podejścia do analiz zgodnie z aktualną wiedzą naukową. Raporty oceny oddziaływania na środowisko zawierające wyniki analiz modelowania hałasu z wykorzystaniem MIKE UAS dla morskich farm wiatrowych (Bałtyk II, Bałtyk III, Batica 1, Baltica, Baltic Power, BC-Wind, Baltic East) dostępne są na stronie gdańskiego RDOŚ.

Obecnie modelowanie wykorzystuje się m.in. w przypadku:

morskich farm wiatrowych: podwodne dźwięki generowane są podczas wszystkich etapów związanych z budową, funkcjonowaniem oraz likwidacją morskiej farmy wiatrowej (MFW). Największe ryzyko wiąże się z hałasem podwodnym emitowanym w czasie budowy, w związku z dźwiękami generowanymi podczas wbijania pali w dno morskie.
budowy infrastruktury portowej i hydrotechnicznej: budowie elementów infrastruktury portowej i hydrotechnicznej, podobnie jak w przypadku farm wiatrowych, może towarzyszyć palowanie. W tym przypadku jednak elementy te charakteryzują się dużo mniejszą średnicą, generując przy tym niższe poziomy hałasu, które jednak nie pozostają obojętne dla żyjących w środowisku wodnym zwierząt.
działań przemysłu naftowego: stosowane w ramach rozpoznania budowy geologicznej oraz rozpoznania złóż surowców mineralnych air-guny generują dźwięki o wysokiej energii, które również mogą oddziaływać na organizmy morskie.

Ochrona morświna a modelowanie hałasu podwodnego

Warto zwrócić szczególną uwagę na jedynego przedstawiciela waleni w Morzu Bałtyckim. Ma on status gatunku krytycznie zagrożonego wyginięciem. Ochrona morświna i modelowanie hałasu podwodnego są ze sobą ściśle powiązane, ponieważ stanowi on jedno z zagrożeń dla tego gatunku. Morświny, podobnie jak inne ssaki morskie, polegają na echolokacji, czyli wysyłaniu dźwięków i odbieraniu ich echa akustycznego, aby orientować się w przestrzeni, komunikować między sobą oraz polować. Hałas generowany przez działalność człowieka (detonacje, prace budowlane czy badania sejsmiczne) może zakłócać te najważniejsze procesy, prowadząc do dezorientacji, stresu, uszkodzeń słuchu lub w skrajnych przypadkach choćby śmierci zwierząt.

W krajach, które prowadzą intensywne działania ochronne na rzecz morświna, takich jak Polska (gdzie morświn bałtycki jest gatunkiem zagrożonym i podlegającym ochronie czynnej), modelowanie hałasu podwodnego jest najważniejsze dla podejmowania decyzji związanych z zarządzaniem obszarami morskimi i ochroną gatunków. W ramach ocen oddziaływania na środowisko (OOŚ) dla projektów budowlanych na morzu, modelowanie hałasu jest wykorzystywane do przewidywania, jak potencjalne źródła hałasu mogą wpłynąć na morświny i inne organizmy morskie.

Podsumowując, modelowanie hałasu podwodnego jest istotnym narzędziem w ochronie morświna, pozwalając na identyfikowanie zagrożeń związanych z hałasem, prognozowanie jego wpływu oraz wprowadzanie działań mających na celu minimalizowanie jego negatywnego wpływu na ten zagrożony gatunek.

Podsumowanie

Modelowanie hałasu podwodnego to nie tylko wymóg formalny w procesie oceny oddziaływania na środowisko – to przede wszystkim narzędzie umożliwiające realną ochronę wrażliwych ekosystemów morskich. Dzięki nowoczesnym technologiom, takim jak MIKE UAS, inwestorzy i instytucje planujące działania na morzu mogą już na wstępnym etapie przewidywać, a następnie minimalizować wpływ hałasu na organizmy wodne. To podejście nie tylko zwiększa zgodność projektów z wymogami prawa krajowego i unijnego, ale również pozwala na prowadzenie inwestycji w sposób odpowiedzialny, zrównoważony i społecznie akceptowalny. W dobie rosnącego znaczenia ochrony bioróżnorodności wykorzystanie narzędzi akustycznych staje się standardem dobrej praktyki inwestycyjnej.

Literatura:

1. Thomsen, F., Mendes, S., Bertucci, F., Breitzke, M., C. E., Cresci, A., . . . dos Santos, M. E. (2021). Addressing underwater noise in Europe: Current state of knowledge and future priorities. Future Science Brief 7 of the European Marine Board (Ed. by P. Kellett, R. van den Brand, B. Alexander, A. Muniz Piniella, A. Rodriguez Perez, J. van Elslander & J.

2. Collins, M. (1993). A split‐step Padé solution for the parabolic equation method. The Journal of the Acoustical Society of America. (93): 1736-1742.

Idź do oryginalnego materiału