Акустический журнал, 2020, T. 66, № 5, стр. 527-539

ВВЕДЕНИЕ

При освоении углеводородного Пильтун-Астохского месторождения, расположенного на северо-восточном шельфе о. Сахалин, компания “Сахалин Энерджи Инвестмент Компани Лтд.” (далее “Сахалин Энерджи”) особое внимание уделяет контролю уровней антропогенных акустических шумов, генерируемых ее производственной деятельностью в данном районе. Это обусловлено тем, что их нефтегазодобывающие платформы Моликпак и ПА-Б расположены в 10 и 8 км от восточной границы прибрежного Пильтунского района летне-осеннего нагула западной (охотско-корейской) популяции серых китов, занесенных в Красную книгу РФ [1–3]. Индустриальные акустические шумы являются антропогенным фактором для серых китов, поэтому компания пытается их минимизировать с помощью проведения специальных мониторингов и предварительного численного моделирования [4–6]. В работе [7] показано, что важным источником антропогенных шумов в этом районе являются шумы судов, обеспечивающих работу платформ, причем наиболее шумным и продолжительным является режим динамического позиционирования (ДП) судна при многочасовой работе с краном платформы.

В данной работе представлены результаты специальных натурных измерений и численного моделирования антропогенных акустических полей, формируемых в районе нагула серых китов, новыми судами ледового плавания дизель-электроходами с движителями AZIPOD [8]. “Сахалин Энерджи” с 2017–2018 гг. применяет 4 таких судна, и поэтому в 2019 г. была поставлена задача провести обмер генерируемых ими акустических шумов и построить оценки антропогенных полей, формируемых в районах нагула серых китов при проведении судами типовых операций: движение со скоростью 10 узлов возле платформ и вблизи 20-метровой изобаты – восточной границы прибрежного Пильтунского района нагула китов, а также во время работы с платформами в режиме ДП.

Многолетние наблюдения за распределением серых китов в этом районе [2, 3] показали, что киты кормятся на глубинах 6…15 м, и поэтому анализ результатов ежегодных акустических измерений, проводимых с помощью автономных подводных акустических регистраторов – АПАР [9, 10], устанавливаемых в точках, показанных на рис. 1, характеризует вариации уровней фоновых и антропогенных шумов на восточной границе и внутри прибрежного Пильтунского района кормления серых китов

Рис. 1.

Карта района с указанием точек расположения нефтегазодобывающих платформ (а) – ПА-Б (глубина моря 32 м), (б) – Моликпак (30 м), и треков, на которых проводились измерения шумов, генерируемых обмеряемыми судами, в 2013 г. (точки П-0.5, М-1.0) и в 2019 г.: S2 – 20, S5 – 25, S7 – 32, S8 – 30 м.

Необходимо отметить, что в данном районе шельфа Охотского моря в период 2005–2010 гг. с борта научно-исследовательских судов Профессор Богоров и Академик Опарин в комплексных биолого-акустических экспедициях, организуемых ТОИ ДВО РАН и ИБМ ДВО РАН при финансовой поддержке компаниями “Сахалин Энерджи” и “Эксон Нефтегаз Лимитед”, проводились гидрологические и батиметрические измерения, а также специальные исследования потерь при распространении звука вдоль акустических трасс, простирающихся от места установки потенциального источника антропогенных шумов в традиционные районы кормления серых китов. Эти данные позволили построить адекватные экспериментальным данным теоретические модели, которые позволяют в пределах изученного района предсказывать уровни шумов, формируемых известными источниками с заданным расположением [7, 11–13]. Акустические измерения, проводимые в точках мониторинга РА-В-20 и Molikpaq (см. рис. 1) показали, что уровни антропогенных шумов от механизмов и устройств, работающих на соответствующих платформах, значительно ниже, чем от обслуживающих их судов. Поэтому в 2013 г. были проведены специальные пространственные акустические измерения спектров акустических шумов, формируемых в данной акватории буксирами разного типа в режиме равномерного движения у платформы Моликпак и в режиме динамического позиционирования у платформы ПА-Б [7].

Предложена методика, основанная на применении модового параболического уравнения (МПУ) [14, 15] в приближении нормальных адиабатических вертикальных водных и воднодонных мод и узкоугольного параболического уравнения в горизонтальной плоскости, для вычисления акустического поля, формируемого эквивалентным известному (судно) точечным источником в 3D неоднородном геоакустическом волноводе, в котором известны положение источника, распределение скорости звука в воде С_w, пространственный рельеф дна – батиметрические данные, модельное распределение в дне акустических параметров слагающих дно пород. Проведены специальные натурные измерения с помощью гидрофонов акустических станций [10], установленных у дна в точках РА-В-20, РА-В-10 и Molikpaq (рис. 1), во время движения обмеряемых судов по соответствующим маршрутам, включая имитацию работы с платформами в точках: S2, S7 и S8. В этих точках суда работали в режиме ДП. Точка S2 удалена от точки акустического мониторинга РА-В-20 на 500 м, и, поскольку она лежит на акустической трассе “S7–П-05–S5–S2–PA-B-20–PA-B-10”, то логично построить эквивалентные точечные функции источника для режима ДП и движения со скоростью 10 узлов по акустическим сигналам, записанным у дна в точке РА-В-20 и соответствующим работе судна в точке S2. Построение осуществляется с помощью МПУ по методике, представленной в работах [16, 17].

АППАРАТУРА И МЕТОДИКА

В августе 2019 г. три однотипных судна компании “Сахалин Энерджи”: Геннадий Невельской, Евгений Примаков и Федор Ушаков прошли процедуру обмера генерируемых ими акустических шумов при движении со скоростью 10 узлов возле платформ и вблизи 20-метровой изобаты – восточной границы прибрежного Пильтунского района нагула серых китов. Ниже приведена методика проведения таких измерений.

Стационарные измерения у дна вариаций акустического давления в частотном диапазоне 2–15 000 Гц проводятся с помощью гидрофона типа Ги-50, установленного на резиновых амортизаторах в пирамидке, изготовленной из стального прутка. В 2013 г. в точках ежегодного акустического мониторинга измерения проводились с помощью АПАР [9], а возле платформ (см. рис. 1, точки П-0.5 и М-1.0) – с помощью мини-АПАР, отличающегося от АПАР только временем автономной работы – 6 сут, в то время как у АПАР автономность 52 сут. В 2019 г. акустические измерения проводились только новыми АПАР с динамическим диапазоном измерения вариаций акустического давления, равным 145 дБ [10].

Гидрологические измерения, включая измерения скорости звука в воде, были проведены с помощью автономного комбинированного зонда – MIDAS CTD +500 производства компании Valeport Limited, Англия. При построении модельных геоакустических волноводов, соответствующих трассам распространения звука, использовались батиметрические данные из базы данных ТОИ ДВО РАН и распределение акустических параметров пород, слагающих дно, полученные в результате специальных натурных и теоретических исследований.

Поясним методику построения эквивалентных точечных функций источников, с помощью которых рассчитываются пространственные распределения антропогенных акустических полей, формируемых в прибрежном Пильтунском районе нагула серых китов известным источником – судном, работающим в заданном режиме.

В данном случае комплексный спектр эквивалентной точечной функции источника (судно в точке S2) рассчитывается для акустического сигнала ${{p}_{r}}(t)$, измеренного в точке РА-В-20. Для этого его комплексный спектр ${{\dot {S}}_{r}}(f)$ подставляется в точку источника и с помощью МПУ проводится моделирование распространения в заданном 3D модельном волноводе на всех частотах в диапазоне $\Delta f$, с последующей коррекцией значений комплексного спектра источника, так чтобы в опорной точке модельный спектр ${{\dot {S}}_{{{\text{model}}}}}(f)$ совпал с измеренным ${{\dot {S}}_{r}}(f)$. После этого мы называем соответствующий комплексный спектр ${{S}_{{{\text{source}}}}} = {{\dot {S}}_{{z = s,x = 0,y = 0}}}(f)$ эквивалентной функцией источника, которая позволяет с помощью МПУ и модельного геоакустического волновода корректно рассчитывать акустическое поле, формируемое данным источником в акватории, ограниченной раскрывом узкоугольного параболического уравнения (26°). Корректность моделирования проверяется сравнением результатов моделирования с результатами синхронных натурных измерений, проведенных в точке РА-В-10. Эквивалентные точечные функции источников для всех судов были построены с помощью МПУ и модельного 3D волновода, построенного для акустического профиля S2–РА-В-20–РА-В-10. В точке РА-В-10 проводилось контрольное сравнение измеренных и модельных данных.

Измеренный или смоделированный акустический сигнал характеризуется во временной области вариациями акустического давления $p(t)$, по которым с помощью преобразования Фурье можно рассчитать комплексный спектр $\dot {S}(f)$, из которого можно с помощью обратного преобразования Фурье, ограничившись частотным диапазоном $\Delta f$, вернуться во временную область к вариациям $\tilde {p}(t)$. Это преобразование мы используем при построении эквивалентной точечной функции источника импульсного или широкополосного непрерывного акустического сигнала. Кроме того, с помощью преобразования Фурье рассчитывается периодограмма $G(f)$, характеризующая значения спектральной плотности мощности в 1 Гц диапазонах. Для удобства сравнения абсолютных значений широкополосных и тональных сигналов преобразование Фурье осуществляется по реализации $p(t)$, равной 1 секунде. Полагая, что вариации $p(t)$ в исследуемом частотном диапазоне $\Delta f$ на оцениваемом временном интервале $\Delta t$ являются стационарными, проводится усреднение значений $G(f)$, рассчитанных по последовательным 1-секундным реализациям. Таким образом, мы получаем оценку спектра $\hat {G}(f)$ измеренных на временном интервале $\Delta t$ вариаций акустического давления $p(t)$. При проведении натурных измерений мы можем проводить усреднение по реализациям и за счет перемещения источника – судна, такое усреднение сглаживает интерференционную структуру формируемого судном акустического поля, хотя точка измерения $p(t)$ стационарная. При численном моделировании сглаживание пространственной интерференционной структуры акустического поля осуществляется с помощью усреднения рассчитанных значений по пространственной сетке, включающей точку, в которой были проведены натурные измерения.

Таким образом, наглядной количественной физической характеристикой антропогенного акустического поля в заданной точке акватории является оценка модуля спектра $\overset{\lower0.5em\hbox{$\smash{\scriptscriptstyle\frown}$}}{G} (f)$, которая в децибелах иллюстрирует значение спектральной плотности мощности акустических шумов на данной частоте – $\overset{\lower0.5em\hbox{$\smash{\scriptscriptstyle\frown}$}}{G} (f) = 10\lg \left( {\frac{{\hat {G}(f)}}{{p_{0}^{2}}}} \right)$, где ${{p}_{0}}$ = 1 мкПа, но можно охарактеризовать уровень антропогенных шумов и одним интегральным значением, это уровень среднеквадратичного значения акустического шума в частотном диапазоне $\Delta f$:

Вторая формула определяет значение уровня экспозиции или воздействия антропогенных шумов на водную среду. В этих формулах $\Delta t$ – временной интервал, на котором проведены расчеты периодограмм по последовательным 1-секундным реализациям p(t), p₀ = 1 мкПа, t₀ = 1 с. Следует отметить, что построение оценок этих параметров в частотной области позволяет исключить влияние низкочастотных псевдошумов обтекания и вибраций, вызываемых на мелководном шельфе приливными течениями и орбитальным движением частиц воды в длинных поверхностных волнах зыби и во время штормов. Кроме того, можно исключить и фоновые шумы с частотами, например, больше 2 кГц для прохода судна со скоростью 10 узлов и больше 1 кГц для работы судна в режиме ДП. Поскольку, согласно представленным ранее спектрам типовых шумов, генерируемых судами, энергия акустических волн на этих частотах не существенна по сравнению с энергией в указанных диапазонах, при расчете этих параметров мы ограничимся диапазоном $\Delta f$ = ${{f}_{2}}$ – ${{f}_{1}}$, где ${{f}_{1}}$ = 10 Гц, а ${{f}_{2}}$ = 2000 Гц для движения судна со скоростью 10 узлов и ${{f}_{2}}$ = 1000 Гц для режима ДП. Например, для режима ДП в точке PA-B-20 значения SEL(10–15 000 Гц) = 126.9 дБ, а SEL(10– 1000 Гц) = 125.1 дБ, меньше на 1.8 дБ.

В заключениe отметим, что если параметры $SPL_{{rms}}^{{}}(\Delta f)$ и $SEL(\Delta f)$ оценивать по одной 1-секундной реализации, то их значения в дБ эквивалентны, т.е.

Проиллюстрируем методику построения ${{S}_{{source}}}$ с помощью МПУ на примере акустических данных, записанных в точке PA-B-20, при работе судна Евгений Примаков в точке S2 (см. рис. 1) в режиме ДП. По акустическим измерениям, проведенным у дна в точке РА-В-20, удаленной от S2 на 500 м, с помощью МПУ строится функция источника, а проверка корректности моделирования проводится сравнением модельных и экспериментальных данных в точке PA-B-10 (см. рис. 2). Расстояние между S2 и PA-B-10 равно 4 км. В результате выполненых расчетов в точке РА-В-10 в режиме ДП модельное значение превышает экспериментальное на 2.4 дБ, а в режиме движения на 1.1 дБ.

Рис. 2.

Спектр акустического сигнала, измеренного в точке РА-В-20 – 2, спектр функции эквивалентного точечного источника – 1, спектр сигнала, измеренного в точке PA-B-10 – 3 и спектр антропогенных шумов, рассчитанный с помощью МПУ с использованием ${{S}_{{source}}}$ – 4.

В 2017 г. компания LUODE Consulting в Финском заливе в море глубиной 60 м [18] провела специальные обмеры акустических шумов, генерируемых судном Геннадий Невельской. Натурные измерения были выполнены с помощью вертикальной цепочки из трех гидрофонов, расположенных на расстоянии 3, 18 и 33 м от дна, при этом запись акустических данных осуществлялась на автономные акустические регистраторы с частотой дискретизации 192 кГц. Методика проведения измерений и обработки полученных данных соответствовала стандарту NR 614 DT R00 E [19]. Значения уровня звукового давления SPL вычислялись посредством усреднения интенсивностей по трем гидрофонам за интервал времени, в течение которого судно проходило расстояние, равное его длине. Сравним представленные в этом документе [18] значения уровня звукового давления, пересчитанного на дистанцию 1 м от акустического центра судна SPL [дБ, отн. 1 мкПа/м], со значениями SPL_rms для судна Евгений Примаков, полученными по нашей методике из спектральной функции эквивалентного точечного источника, для режима движения судна со скоростью 10 узлов.

Результаты измерений и расчетов для судна Евгений Примаков, имеющего тот же класс, что и судно Геннадий Невельской, приведены на рис. 3. На этом рисунке видно, что для оценки антропогенных шумов, формируемых на границе прибрежного Пильтунского района кормления серых китов новыми судами, движущимися со скоростью 10 узлов вблизи (500 м) 20-метровой изобаты, можно ограничиться частотным диапазоном 10–2000 Гц, поскольку в точке РА-В-20 значение SPL_rms(10–150 00 Гц) = 122.6 дБ, а SPL_rms(10–2000 Гц) = 122.1 дБ. График спектра, соответствующий эквивалентной точечной функции источника, показан на рис. 3. Этот спектр, пересчитанный с помощью МПУ в приближении нашего 3D геоакустического волновода на расстояние 1 м, дает значение SPL_rms(10–2000 Гц; z = 7 м, y = 0, x = 1 м) = 160.2 дБ отн. 1 мкПа, а согласно работе [18] пересчет шумов, формируемых судном Геннадий Невельской при движении со скоростью 10 узлов на дистанции 208 м от точки акустических измерений в море глубиной 60 м, дает на расстоянии 1 м от его акустического центра значение SPL_rms = 161.2 дБ. Таким образом, наши измерения хорошо согласуются с результатами измерений, проведенными в более глубоком море и представленными в работе [18].

Рис. 3.

График 1 – спектр функции эквивалентного точечного источника, рассчитанный с помощью МПУ по акустическому сигналу, измеренному в точке РА-В-20. График 3 – его спектр. График 2 – спектр функции эквивалентного точечного источника, пересчитанный с помощью МПУ на расстояние 1 м.

СРАВНЕНИЕ УРОВНЕЙ ШУМОВ, ГЕНЕРИРУЕМЫХ БУКСИРАМИ РАЗНОГО ТИПА В РЕЖИМЕ ДИНАМИЧЕСКОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ И ДВИЖЕНИЯ

В работе [7] было показано, что уровень шумов, генерируемых судном в режиме ДП, значительно выше, чем когда судно равномерно движется. Поскольку суда продолжительное время работают с платформами именно в этом режиме, то представляют особый интерес натурные акустические измерения шумов, генерируемых судами во время работы с платформами ПА-Б и Моликпак. На рис. 1 показаны точки S7 и S8, которые расположены вблизи этих платформ. В 2019 г. обмеряемые суда в этих точках продолжительное время работали в режиме ДП, удерживаясь в точке с помощью 2-х кормовых и 2-х носовых винтов. Кроме того, для построения эквивалентных режиму ДП точечных функций источников суда работали в этом режиме в точке S2 (см. рис. 1) и использовался акустический сигнал, измеренный у дна в точке РА-В-20. Проверка моделирования осуществлялась путем сравнения модельных значений SEL(Δf) c измеренными. Например, для акустической трассы “S7–П-0.5–S2–PA-B-20–PA-B-10” такими точками являются PA-B-20 и PA-B-10. В 2013 г. акустические измерения проводились еще и в точке П-0.5, а обмеряемые суда действительно работали с платформой ПА-Б.

На рис. 4 приведены графики спектров акустических шумов, измеренных у дна на расстоянии примерно 500 м от судна. График 1 соответствует антропогенным шумам, генерируемым буксиром Smit Sakhalin при работе с платформой ПА-Б в режиме ДП. Измерения были проведены в 2013 г. на расстоянии 500 м от судна в точке Р-0.5, показанной на рис. 1. График 2 – спектр шумов, генерируемых в точке S2 (см. рис. 1) судном Евгений Примаков, работающим в режиме ДП. Измерения были проведены в 2019 г. в точке РА-В-20 на расстоянии примерно 500 м от судна.

Рис. 4.

График 1 – спектр акустических шумов, генерируемых буксиром Smit Sakhalin при работе с платформой ПА-Б в режиме ДП, измерения проведены в 2013 г. на расстоянии 550 м от судна в точке Р-0.5, показанной на рис. 1. График 2 – спектр шумов, генерируемых в точке S2 судном Евгений Примаков и измеренных в точке РА-В-20.

Для сравнения приведем соответствующие значения SPL_rms, рассчитанные в двух частотных диапазонах 10–15 000 и 10–2000 Гц. График 1 – SPL_rms = 151.1 и 151.0 дБ отн 1 мкПа. График 2 – 129 и 127 дБ отн 1 мкПа. Таким образом, уровни акустических шумов, формируемых в акватории с глубиной моря 20–30 м дизель-электроходами ледового плавания типа Евгений Примаков в режиме динамического позиционирования на 23 дБ меньше, чем от буксиров типа Smit Sakhalin.

График оценки спектра антропогенных шумов, формируемых в прибрежном районе судном Евгений Примаков, движущимся со скоростью 10 узлов вблизи 20-метровой изобаты в точке S2, представлен на рис. 5 – график 3. Графики 1 и 2 соответствуют спектрам акустических шумов, измеренных в 2013 г. в точке М-1.0 во время движения буксиров Smit Sakhalin и Pacific Endurance со скоростью 10 узлов на расстоянии 500 м, как это показано на рис. 1. На этом рисунке видно, что обычный буксир Smit Sakhalin при движении генерирует низкочастотные широкополосные шумы, которые в диапазоне частот 30–120 Гц по уровню превышают шумы от дизель-электроходов более чем на 20 дБ.

Рис. 5.

Графики спектров акустических шумов, измеренных у дна при движении судов со скоростью 10 узлов на расстоянии 500 м от точки измерений. График 1 (Smit Sakhalin) и график 2 (Pacific Endurance) соответствуют антропогенным шумам, формируемым буксирами в точке М-1.0 во время их движения со скоростью 10 узлов на удалении 500 м согласно схеме, представленной на рис. 1. График 3 соответствует спектру акустических шумов, измеренных в точке мониторинга РА-В-20 во время движения судна Евгений Примаков в точке S2 (см. рис. 1) со скоростью 10 узлов.

Сравнительный анализ этих измерений показал, что значения уровней SPL_rms, рассчитанных в двух частотных диапазонах 10–15000 и 10–2000 Гц, соответственно равны М-1.0: 135.1 и 135 дБ отн 1 мкПа; РА-В-20: 127 и 127 дБ отн 1 мкПа. Поскольку дистанции распространения шумов до точки М-1.0 и РА-В-20 примерно равны, то, по-видимому, судно Евгений Примаков при таком движении генерирует антропогенные шумы на 7.5 дБ ниже, чем буксир Smit Sakhalin. На этом рисунке видно, что широкополосные шумы, генерируемые буксиром, в среднем на 10 дБ выше шумов, генерируемых дизель-электроходом, но следует отметить, что узкополосные шумы с частотами 270, 800 и 1700 Гц на 10–15 дБ превышают шумы буксира.

В спектре шумов, генерируемых буксиром с электродвигателями Pacific Endurance, в диапазоне частот 180–300 Гц ярко выражены тональные узкополосные сигналы, которые превышают широкополосные шумы от буксира Smit Sakhalin, и их нет в шумовом спектре судна Евгений Примаков. В спектре шумов судна Евгений Примаков (график 3) практически отсутствуют шумы на частотах меньше 30 Гц, но в отличие от спектра Pacific Endurance (график 2) в нем ярко выражены узкополосные квазитональные шумы на частотах 800 и 1800 Гц.

Таким образом, график спектра шумов, генерируемых дизель-электроходами типа Pacific Endurance, существенно отличается от соответствующих графиков для судов ледового плавания с электро-движителями типа AZIPOD, расположенными в гондолах [8]. Спектры широкополосных антропогенных шумов, генерируемых судном Евгением Примаковым и буксиром Pacific Endurance, движущимися со скоростью 10 узлов, подобны в частотном диапазоне 20–1600 Гц, но следует отметить существенные отличия по частоте для генерируемых этими судами узкополосных квазитональных шумов. В спектре шумов, генерируемых дизель-электроходами ледового плавания, нет тональных сигналов в диапазоне 60–300 Гц, но у судна Евгений Примаков ярко выражены два пика спектральной плотности мощности на частотах 800 и 1700 Гц, которые по уровню превышают шумы от буксира Smit Sakhalin

Столь существенные различия в уровнях антропогенных шумов, генерируемых рассмотренными судами, объясняются следующим. В четырех новых судах ледового плавания компании “Сахалин Энерджи” применяются электро-движители, основанные на винторулевой колонке типа AZIPOD – Azimuthing electric Podded Drive, или азимутальный электрический капсульный привод, показанный на рис. 6а [8]. На рисунке видно, что приводной двигатель, который крутит винт, установлен в гондоле, которая вместе с двигателем может вращаться вокруг оси на 360 градусов. И в зависимости от того, куда на данный момент повернута гондола, судно и начнет движение. Обычный судовой руль ограничен в перекладке “лево–право” углом в 35 градусов на каждый борт, AZIPOD не имеет таких ограничений, поэтому маневры можно совершать в более широком диапазоне. Поскольку для создания крутящего момента гребных винтов в AZIPOD используется электрическая тяга, то суда, на которые он устанавливается, можно отнести к дизель-электроходам. На рис. 6б видно, что обычный движитель вращает гребной винт длинным валом, имеющим множество контактов с корпусом и дном судна. В этих точках вибрации вала и дизельного мотора (судовая машина) передаются днищу судна, которое благодаря своим геометрическим размерам и заглублению (более 5 м) эффективно возбуждает в водном слое акустические волны, которые и формируют антропогенные шумы. Вибрации, генерируемые гондолой движителя AZIPOD, существенно меньше, поскольку винт вращает электродвигатель с коротким валом и, как видно на рис. 6б, AZIPOD тянет, а не толкает.

Рис. 6.

На данном рисунке показано, чем отличается дизель-электроход от обычного судна: (а) – схема судна с азимутальным электрическим капсульным приводом AZIPOD, на которой видно, что AZIPOD тянет, а не толкает [8]; (б) – схема обычного судна с дизельным движителем, вращающим гребной винт через длинный вал, имеющий множество контактов с корпусом и дном судна.

Движение буксира Pacific Endurance обеспечивают два гребных винта, вращающиеся двумя электродвигателями мощностью 7000 кВт каждый, и две винторулевые колонки с 4-х лопастными винтами, а движение буксира Smit Sakhalin обеспечивают 4 двигателя мощностью 2739 кВт каждый и два 4‑х лопастных винта с регулируемым шагом. Необходимая для движения электроэнергия генерируется на борту Pacific Endurance с помощью 4 двигателей мощностью 4320 кВт каждый.

Графики спектров акустических шумов, синхронно измеренных на 20- и 10-метровых изобатах во время работы судна Евгений Примаков в режиме ДП возле платформы ПА-Б в точке S7 (см. рис. 1), представлены на рис. 7.

Рис. 7.

Графики спектров акустических шумов, синхонно измеренных в точках РА-В-20 – кривая 1 и РА-В-10 – кривая 2 во время работы судна Евгений Примаков в точке S7 (см. рис. 1) в режиме ДП.

Измерения, проведенные в 2013 и в 2019 гг. показывают, что новые суда дизель-электроходы, оснащенные движетельной системой AZIPOD, во всех режимах генерируют самые низкие уровни антропогенных шумов и, согласно рис. 7, не оказывают существенного влияния на прибрежный Пильтунский район кормления серых китов.

АКУСТИЧЕСКИЕ ШУМЫ, ФОРМИРУЕМЫЕ СУДАМИ В ПИЛЬТУНСКОМ РАЙОНЕ КОРМЛЕНИЯ СЕРЫХ КИТОВ ПРИ ДВИЖЕНИИ СО СКОРОСТЬЮ 10 УЗЛОВ

Рассмотрим спектры акустических шумов, измеренных у дна в точке акустического мониторинга, расположенной на восточной границе прибрежного Пильтунского района кормления серых китов РА-В-20 и внутри района на 10-метровой изобате в точке РА-В-10. На рис. 8 для сравнения приведен график 1 – спектр акустических шумов, измеренных в 2013 г. в точке М-1 (см. рис. 1) во время движения буксира Smit Sakhalin со скоростью 10 узлов в 500 м от этой точки. Графики 2 и 3 на этом рисунке соответствуют спектрам акустических шумов, синхронно измеренных в точках РА-В-20 и РА-В-10 во время движения дизель-электрохода Евгений Примаков со скоростью 10 узлов в точке S2. Расстояние от М-1 до буксира Smit Sakhalin на траверзе было равно 500 м. Оно равно расстоянию между точками S2 и РА-В-20. Следовательно, уровень антропогенных широкополосных шумов на частотах меньше 200 Гц на 20–30 дБ меньше у дизель-электрохода Евгений Примаков, на более высоких частотах их уровень меньше примерно на 10 дБ, но уровень узкополосных шумов, генерируемых судном Евгений Примаков с частотами 800 и 1700 Гц на 10–15 дБ превышает уровень широкополосных шумов, генерируемых буксиром Smit Sakhalin.

Рис. 8.

Спектр, рассчитанный по результатам акустических измерений, проведенных в точке М-1.0 во время прохода ее траверза буксиром Smit Sakhalin – график 1 и графики спектров акустических шумов, синхронно измеренных в точке РА-В-20 – график 2 и в точке РА-В-10 – график 3 во время движения дизель-электрохода Евгений Примаков в точке S2 со скоростью 10 узлов.

При распространении от 20-метровой изобаты до 10-метровой (см. рис. 1 и графики 2 и 3 на рис. 8) антропогенные шумы затухают на 30 дБ в частотном диапазоне 30–70 Гц и на 20 дБ в диапазоне 200–10 000 Гц

На рис. 9 показаны спектры шумов, измеренных у дна в точке РА-В-20 во время прохода судном Федор Ушаков точки S2 со скоростью 10 узлов левым и правым бортом по отношению к точке РА-В-20. На рисунке видно, что графики спектров сливаются, но уровни тональных сигналов отличаются, что, по-видимому, обусловлено пространственной интерференцией.

Рис. 9.

Спектры акустических шумов, измеренных в точке РА-В-20 во время движения дизель-электрохода Федор Ушаков в точке S2 со скоростью 10 узлов левым и правым бортом по отношению к точке РА-В-20, в которой проводились измерения.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Важной задачей данной работы является построение корректных оценок уровней антропогенных акустических шумов, формируемых новыми судами компании “Сахалин Энерджи” в Пильтунском прибрежном районе кормления серых китов во время проведения типовых операций, связанных с обеспечением работы платформ ПА-Б и Моликпак, а также во время движения судов по согласованным маршрутам вблизи 20-метровой изобаты.

При построении спектра точечного источника, формирующего на шельфе антропогенное акустическое поле, эквивалентное полю от движущегося судна, применялась модифицированная методика, представленная в работах [20, 21]. Наша задача сложнее, поскольку надо построить эквивалентный точечный источник для судна, длина которого более чем в два раза больше глубины моря, и конечной целью являлось не получение его эквивалентного шумового спектра, а корректная оценка спектров антропогенных шумов, формируемых данным судном в неоднородном волноводе на дистанциях более 6 км.

Наша методика основана на измерениях акустических шумов от судна, движущегося по треку, перпендикулярно пересекающему акустическую трассу, на которой в двух точках проводятся у дна стационарные измерения вариаций акустического давления. При этом первая точка акустических измерений удалена от трека движения судна на 4–5 длин корпуса судна, а вторая расположена в районе, где требуются оценки антропогенных шумов от этого судна. На рис. 1 это трасса S7–РА-В-10.

В данной работе решена экспериментально-теоретическая задача – построены спектры точечных источников, эквивалентных шумам, генерируемым в данной акватории вспомогательными судами, работающими с платформами ПА-Б и Моликпак, для корректного оценивания уровней антропогенных шумов, формируемых ими в Пильтунском районе нагула серых китов.

Для ее решения на основе предварительных экспериментально-теоретических исследований необходимо построить 3D модельный геоакустический волновод, и тогда пересчет спектра эквивалентного точечного источника в любую точку данного модельного геоакустического волновода не представит сложности. Данная методика была впервые успешно применена в работе [7].

В соответствие с поставленной задачей, опираясь на натурные измерения, с помощью программы на основе МПУ в приближении модельного 3D геоакустического волновода строится эквивалентная точечная функция источника, сформировавшего акустический сигнал, который был измерен в опорной точке. Для построения эквивалентной точечной функции источника выбирается точка, удаленная от судна на 500 м, т.е. наблюдаемый в ней акустический сигнал определяется распространяющимися в сторону берега модами, которые рассчитываются в соответствии с параметрами акустического волновода, простирающегося от точки положения судна в Пильтунский прибрежный район кормления серых китов. При построении модельного 3D геоакустического волновода используются результаты многолетних батиметрических измерений, измеренные вертикальные профили скорости звука в воде и подобранные акустические параметры слагающих дно пород. Поскольку во время натурного эксперимента акустические измерения проводились в нескольких точках, в том числе на 10-метровой изобате, то представляется возможным в них сравнить экспериментальные и модельные значения спектров и значения уровня воздействия антропогенных шумов на среду SEL(Δf; z, x, y).

Рассмотрим результаты модельных вычислений. При численном моделировании с помощью МПУ комплексный спектр эквивалентной точечной функции источника пересчитывается в узлы пространственной решетки в модельном 3D геоакустическом волноводе. Мы считаем, что наиболее наглядным интегральным параметром формируемого источником антропогенного акустического поля являются значения акустической экспозиции или энергии – SEL(Δf) на 1 секундном интервале. В этом случае, оно по уровню равно среднеквадратичному значению SPL_rms(Δf), поэтому на графиках будем представлять цветом распределение значений SEL_1s(Δf; z, x, y) в вертикальной SEL_1s(Δf; z, x, y = 0) и горизонтальной SEL_1s(Δf; z = = z_i, x, y) плоскостях.

Параметры модельного геоакустического волновода показаны на рис. 10. Считаем, что в волноводе с глубиной 400 м распространяются водные и водно-донные моды. Так, для частоты 10 Гц длина звуковой волны составляет менее 200 м, что вдвое меньше толщины модельного геоакустического волновода.

Рис. 10.

Модельный геоакустический волновод.

На рис. 11а представлено распределение модельных значений SEL_1s(10–2000 Гц; z, x, y = 0) в вертикальной плоскости при распространении энергии акустических шумов, генерируемых движущимся в точке S2 со скоростью 10 узлов судном Евгений Примаков и в горизонтальной плоскости, на горизонте 7 м, значений SEL_1s(10–2000 Гц; z = 7 м, x, y). На рис. 11 видно, что МПУ в приближении 3 адиабатических мод и “жидкого” дна формирует в водном слое вертикальную интерференционную структуру значений SEL_1s(Δf; z, x, y = 0) в виде приповерхностного, срединного и придонного слоев относительно высокой интенсивности.

Рис. 11.

(а) – Поле значений SEL_1s (10–2000 Гц; x, z; y = 0) и SEL_1s (10–2000 Гц; x, y; z = 7 м) при движении судна со скоростью 10 узлов в точке S2. (б) – Поле значений SEL_1s (10–1000 Гц; x, z: y = 0) и SEL_1s (10–1000 Гц; x, y; z = 7 м) при работе судна в режиме ДП в точке S7. (в) – Поле значений SEL_1s (10–2000 Гц; x, z; y = 0) и SEL_1s (10–2000 Гц; x, y; z = = 7 м) во время движения судна со скоростью 10 узлов в точке S5.

Рассмотрим результаты численного моделирования, проведенного для судна, работающего в режиме ДП в точке S7, которая расположена в 500 м от платформы ПA-Б. Модельные распределения значений SEL(10–1000 Гц) в вертикальной и горизонтальной (на горизонте 7 м) плоскостях, представлены на рис. 11б. Результаты моделирования для судна, движущегося со скоростью 10 узлов в точке S5, представлены на рис. 11в. Для сравнения в табл. 1 представлены модельные и экспериментальные значения в точках акустического мониторинга при работе судна в режиме ДП в точке S7.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Проведены натурные измерения акустических шумов, формируемых на восточной границе и внутри прибрежного Пильтунского района летне-осеннего нагула серых китов, новыми судами дизель-электроходами, работающими в режиме динамического позиционирования возле платформ ПА-Б и Моликпак и во время их движения со скоростью 10 узлов возле 20-метровой изобаты и около платформы ПА-Б.

По результатам специальных измерений, проведенных в 500 м восточней точки акустического мониторинга РА-В-20, построены эквивалентные точечные функции источников (судов), соответствующие двум режимам работы судна – динамическому позиционированию и движению со скоростью 10 узлов.

Для построенных эквивалентных точечных функций источников с помощью модового параболического уравнения для 3D модельных геоакустических волноводов проведено численное моделирование формируемых в Пильтунском районе антропогенных акустических полей данным типом судов ледового плавания дизель-электроходами. Результаты моделирования согласуются с натурными измерениями.

Сравнительный анализ показал, что новые суда ледового плавания дизель-электроходы Геннадий Невельской, Федор Ушаков и Евгений Примаков с движителями AZIPOD, установленными в подводных гондолах, по сравнению с обычными буксирами типа Smit Sakhalin во всех режимах формируют уровни антропогенных шумов в Пильтуском районе на 15–30 дБ ниже. Важно, что при работе с платформой в режиме динамического позиционирования, данные суда не формируют в районе кормления китов “заметных” широкополосных шумов, уровни узкополосных тональных шумов на 10-метровой изобате не превышают 95 дБ отн. 1 мкПа²/Гц.

Решена экспериментально-теоретическая задача – построены спектры точечных источников, эквивалентных шумам, генерируемым в данной акватории вспомогательными судами, работающими с платформами ПА-Б и Моликпак, позволяющие корректно оценивать уровни антропогенных шумов, формируемых судами в прибрежном Пильтунском районе кормления серых китов.

Полученные в работе результаты, безусловно, будут полезны для оценок влияния антропогенных акустических шумов в других районах океанского шельфа.

В заключение, выражаем благодарность компании “Сахалин Энерджи Инвестмент Компани Лтд.” и ее сотрудникам и консультантам, без участия которых данная работа не могла быть выполнена. Среди них следует отметить Сергея Виноградова и Сергея Стародымова. Выражаем благодарность компании “Эксон Нефтегаз Лимитед” за выделенное судовое время на постановки в море и подъем акустических станций, а также сотрудникам ТОИ ДВО РАН, принявшим активное участие в полевых исследованиях, это Д.Г. Ковзель, С.В. Борисов и В.А. Гриценко.

Работа выполнена при финансовой поддержке компании “Сахалин Энерджи Инвестмент Компани Лтд.”.