Triventus Consulting AB Kattegatt Offshore. Beräkning av undervattensljud i driftskedet

Transkript

1 Handläggare Martin Almgren Tel +46 (0) Mobil +46 (0) Fax RAPPORT 1 (46) Datum Triventus Consulting AB Att: Emelie Johansson Box Falkenberg Uppdragsnr Rapport nr rapport B Triventus Consulting AB Kattegatt Offshore. Beräkning av undervattensljud i driftskedet ÅF-Infrastructure AB Ljud & Vibrationer Granskad Martin Almgren Magnus Källman ÅF-Infrastructure AB Kvarnbergsgatan 2, Box 1551 SE Göteborg Telefon Fax Säte i Stockholm. Org.nr VAT nr SE Certifierat enligt SS-EN ISO 9001 och ISO 14001

2 RAPPORT 2 (46) Innehållsförteckning 1 INLEDNING GRUNDLÄGGANDE OM LJUD I VATTEN METOD MODELLBESKRIVNING Sammanlagd modell Källstyrka för vindkraft Fartyg Källstyrka för ett fartyg Källstyrka för en farled Farleder Ljudutbredning Övrigt bakgrundsljud RESULTAT Nuläge i Kattegatt Fartyg och vindkraft i Kattegatt Nuläge i norra Öresund Exempel på beräknade ljudnivåer i några punkter SLUTSATS LITTERATURFÖRTECKNING BILAGA Bilagor Bilaga 1 15 kartbilder med ljudspridning från farleder och vindkraftpark

3 RAPPORT 3 (46) Rapporthistorik Ver. Åtgärd Granskad Godkänd Datum Sign. Datum Sign MK MA

4 RAPPORT 4 (46) Sammanfattning Undervattensljud från fartyg i farleder beräknas dominera över ljud från den planerade vindkraftparken Kattegatt Offshore i större delen av Kattegatt. Inne i parken och runt om på avstånd upp till 1,0 till 2,3 km från de yttersta verken vid 127 Hz i parken i det största alternativet AB3, beräknas ljudet från vindkraftverken dominera över farledsljudet. Vid 50 Hz dominerar fartygsljuden ännu mer och vid 178 Hz mindre. Vid upphandling av vindkraftverk till parken bör man säkerställa att verken har en växellåda med hög precision, låg ljudnivå och stomljuddämpande montage. Denna utredning om förväntat undervattensljud har gjorts på uppdrag av Triventus Consulting AB med syftet att ge underlag till marinbiologer för bedömning av driftljudets inverkan på torsk. Beräkningen har skett vid tre frekvenser i ett frekvensområde som är viktigt för torskens hörande och kommunikation med ljud. Dessa frekvenser motsvarar också tänkbara toner från vindkraftverk. Tonerna har valts utifrån fältmätningar till havs, se referens (1), (2) och (3). Torskens audiogram eller hörförmåga redovisas i referens (1). 50 Hz är viktigt för torskens parningsgrymtanden och där kan torsken höra ljud vid ca 83 db re 1 µpa. Vid 127 Hz finns en dokumenterad ton från vindkraftverken vid Lillgrund i Öresund, se referens (1). Vid denna frekvens hör torsken ljud med nivån ca 77 db re 1 µpa. Beräkning har också skett vid 178 Hz, eftersom det finns en dokumenterad växellådston i vattnet kring vindkraftverk vid Utgrunden i Kalmarsund, se referens (2). Vid denna frekvens hör torsken ljud vid ungefär 78 db re 1 µpa. Ljudet från fartygen har antagits innehålla toner vid de aktuella frekvenserna liksom vindkraftverken. Farlederna blir som linjekällor sett i medeltal över ett år liksom vägar på land kan modelleras som linjekällor. Ljudutbredningsdämpningen blir dock något mindre per avståndsdubbling än på land. Källnivån för fartygen vid olika frekvenser har tagits fram ur en modell härledd från referens (3). Modellen har kontrollerats mot andra mätningar av ljud från fartyg och bedöms underskatta den verkliga källnivån. För vindkraftverken har en modell härledd ur ljudmätningar på olika platser använts, se referens (4). Modellen bedöms i genomsnitt överskatta källnivån för vindkraftverk vilket innebär att avstånd för en viss nivå på vindkraftljudet också överskattas. För 178 Hz har verkligt uppmätt källnivå vid Utgrunden använts. Den nivån ligger över värdet från modellen och representerar ett vindkraftverk med dålig växellåda. Vid beräkningarna har alla vindkraftverk antagits vara i

5 RAPPORT 5 (46) full drift och med samma frekvens från växellådstonen. Additionen av ljudnivåer från olika verk har gjorts under antagande av slumpmässig fas, dvs två lika nivåer adderas till ett 3 db högre värde. Om de slutligt valda vindkraftverken inte ger toner vid någon av dessa frekvenser kommer ljudnivån att bli lägre, men då kan toner eventuellt uppstå vid andra frekvenser med likartad nivå. Utbredningsdämpningen, både för ljud från enskilda fartyg och från vindkraftverken, har modellerats på samma sätt som ljudmätningarna vid Lillgrund visat, nämligen med 5,1 db per avståndsdubbling. Beräkning har även skett för farleder i norra Öresund. Där är fartygstrafiken ännu intensivare och ljudnivån i allmänhet högre. I rapporten visas sjökort med färgfält som representerar olika ljudnivå från farlederna med och utan vindkraftparken Kattegatt Offshore. I nedanstående tabell visas exempel på beräknad ljudnivå. Plats 1000 m väster om den planerade layout AB3 i Kattegatt 2000 m väster om den planerade layout AB3 i Kattegatt 1000 m väster om Hittarp vid norra Öresund Koordinater SWEREF99 TM Frekvens, Hz Ljudnivå från farleder, db re 1 µpa 101 db 93 db 90 db 101 db 93 db 90 db 111 db 100 db Ljudnivå från farled + vindkraftpark db re 1 µpa 102 db 96 db 101 db 102 db 95 db 99 db -

6 RAPPORT 6 (46) 1 Inledning Favonius AB planerar att bygga en vindkraftanläggning i havet utanför Falkenberg. Emelie Johansson på Triventus Consulting AB är projektledare för tillståndsansökan och har bett oss ÅF att beräkna och beskriva undervattensljudmiljön i och kring anläggningen i driftskedet. Syftet är att visa vad det skapas för ljud som kan påverka djurlivet i havet, särskilt torsk. I byggskedet kommer höga ljudnivåer att uppstå beroende på val av typ av fundament. Risker för djurlivet i byggskedet liksom konsekvenser av driftljudet i havet redovisas i en separat rapport av Marine Monitoring på uppdrag av Triventus Consulting AB. I föreliggande rapport beskrivs allmänt om ljud i vatten, undervattensljudalstring och mätningar av ljud från vindkraftverk och fartyg. Använda modeller för att beräkna källstyrka för vindkraftverk och fartyg gås igenom. Ett särskilt problem är att kunna beräkna en årsekvivalent ljudnivå från en farled. Farleder och fartygsintensitet har identifierats utifrån en rapport i projektet från SSPA. Modellen för farledsbuller beskrivs. Ljudutbredning i havet har stor betydelse för beräknad ljudnivå. I avsnittet om ljudutbredning beskrivs den modell som valts, vilken är densamma som använts i Öresund vid Lillgrund. Med modellerna klara kan beräkning av ljudnivå ske i godtyckliga punkter i Kattegatt och i norra Öresund. Ljudnivån vid frekvenserna 50, 127 och 178 Hz redovisas på kartor med kustlinjen markerad för farleder i Kattegatt och vindkraftparken i tre olika utformningar som ljudkällor. Kartor visas med och utan vindkraftparken. Dessutom redovisas sjökort med de tre parkutformningarna och en linje som visar var ljudnivån från farlederna är ungefär lika med ljudnivån från vindkraftverken för 127 Hz. För norra Öresund visas ljudnivån från farlederna vid 50 och 178 Hz. Rapporten avslutas med slutsatser och bilagor med kartbilder. 2 Grundläggande om ljud i vatten Fysiken är densamma som för ljud i luft, dvs ljud är tryckstörningar som fortplantas som ljudvågor med ljudets hastighet samtidigt som små oscillerande partikelrörelser sker i vågens utbredningsriktning. Partikelrörelser kan ske utan att ljudvågor uppstår, t ex genom strömning eller virvlar. Ljudkänsliga organ kan ändå uppfatta tryckoscillationer eller vattenrörelser. Jämför när det blåser. Då kan luftvirvlar uppstå i ytterörat och uppfattas som ljud utan att det har nått örat som en ljudvåg. Nära en ljudkälla, t ex en vibrerande plåt kan partikelrörelse ske utan att ljudvågor uppstår. Rörelsernas amplitud och det skenbara ljudtrycket dör ut

7 RAPPORT 7 (46) exponentiellt med avståndet från den vibrerande ytan. Sådana partikelrörelser kan uppfattas av många fiskarter. Vatten är tyngre och hårdare än luft. Det gör att ljudhastigheten är mycket högre. Det gör också att partikelrörelserna i en ljudvåg är mycket mindre i vatten än i luft vid samma ljudtryck. Ljudhastighet: 1480 m/s i vatten och 340 m/s i luft. I luft motsvaras ljudtrycket 100 Pa av en partikelrörelse på 0,0002 m eller 0,2 mm vid 180 Hz. I vatten motsvaras ljudtrycket 100 Pa av en partikelrörelse på 0, m eller 60 nanometer vid 180 Hz. Nivån i db definieras annorlunda. Ljudtrycket 100 Pa motsvarar 134 db re 20 µpa i luft och 160 db re 1 µpa i vatten. 3 Metod modellbeskrivning 3.1 Sammanlagd modell Undervattensakustiken har utvecklats mycket på grund av militär undervattensspaning. Den passiva sonarekvationen används för att beräkna räckvidd för en passiv lyssnande sonar. Figur 1. En passiv sonar används under vatten för att lyssna efter ljud och klassificera det. Den passiva sonarekvationen kan också användas för att bedöma hur t ex en torsk kan uppfatta ett visst ljud.

8 RAPPORT 8 (46) Den passiva sonarekvationen är = + ekv (1) Detektion kan ske, dvs signalen kan uppfattas, då vänsterledet är större än högerledet. NL är nivån av omgivningsljudet, DI är direktiviteten för sonaren och DTn är detektionströskeln. Frågan om torsk kan detektera eller påverkas av vindkraftljudet besvaras av marinbiologerna i en separat rapport. För att kunna beräkna ljudnivån på olika platser måste olika antaganden göras. Ljudnivån, L p, beräknas som SPL = SL TL ekv (2) SPL är ljudtrycksnivån, Sound Pressure Level, i db re 1 µpa, SL är källstyrkan, Source Level, dvs ljudtrycksnivån omräknad till 1 m avstånd från ljudkällans akustiska centrum och TL är ljudutredningsdämpningen från 1 m till aktuell plats. Termerna beskrivs i referens (3). Källstyrkan bestäms normalt genom att mäta ljudet på ett eller flera avstånd relativt nära källan, där ljudutbredningsdämpningen TL är känd, och sedan räkna baklänges med ekv (2). Källstyrkan för fartyg finns beskriven i flera böcker och artiklar. I referens (3) finns en omfattande sammanställning. När det gäller ljud från vindkraftverk har ÅF Ljud & Vibrationer på uppdrag av Triventus Consulting gjort en sammanställning av kända undervattensljudmätningar från vindkraftverk och tagit fram en modell som beskrivs i en rapport, se referens (4), som utgör bilaga till miljökonsekvensbeskrivningen för Skottarevet vindkraftpark. Det ljud som kan registreras i vatten från vindkraftverk utgörs oftast av toner från växellåda och generator som sprider sig ner i vattnet via tornet och fundamentet. Tonerna uppstår i ett frekvensområde som kan uppfattas av torsk om ljudtrycksnivån är tillräckligt hög.

9 RAPPORT 9 (46) 3.2 Källstyrka för vindkraft Figur 2 (från referens (5) Mekanismen för ljudutstrålning i vatten från ett havsbaserat vindkraftverk med monopilefundament Vibrationer uppstår i växellåda, generator, lager och vingar. Vibrationerna utbreder sig neråt i form av olika strukturvågor genom tornskalet. Toner från växellåda dominerar. Brusartat ljud är svårt att särskilja i undervattensljudmätningar. Ljudet i luften från vingarna studsar mot vattenytan. 1 promille av ljudintensiteten tränger ned i vattnet vid vinkelrätt ljudinfall. Om ljudtrycksnivån i luften ovan vattenytan är 79 db re 20 µpa i oktavbandet 63 Hz blir den beräknade ljudtrycksnivån i vattnet alldeles under rotorn ca 160 db re 1 µpa i samma oktavband. Spektralnivå, dvs ljudtrycknivån vid 1 Hz bandbredd blir 143 db re 1 µpa. Bara något längre bort, för ljudinfallsvinklar större än 13, går inga ljudvågor igenom vattenytan. Det motsvarar avstånd på 22 m om tornhöjden är 100 m. Strukturvågorna i tornet dämpas mer ju högre tornet är och ju fler svetsfogar och andra skarvar det finns. Ljudutstrålningen sker från böjvågor i plåten i

10 RAPPORT 10 (46) tornskalet. Dominerande toner från vindkraftverk har mätts i frekvensområdet Hz. Antag att plåttjockleken i tornskalet är 5 cm. Böjvågor kan stråla ljud effektivt över den så kallade koincidensgränsfrekvensen. För ljudutstrålning i vatten blir den 4550 Hz i detta fall. Det betyder att ljudutstrålningen sker mycket ineffektivt vid lägre frekvenser. Ringfrekvensen är den frekvens vid vilken en strukturljudvåglängd för longitudinalvågor i stålskalet är lika med omkretsen. Om diametern är 4,5 m blir ringfrekvensen 360 Hz. Ibland kan man se en förhöjd ljudutstrålning från cylindrar vid ringfrekvensen. Ljudutstrålningseffektiviteten vid 50 Hz kan uppskattas till 1 promille enligt fig 57 i referens (6). Till utredningen för Skottarevet vindkraftpark togs en beräkningsmodell fram för ljudtrycksnivån av toner under vatten baserat på flera mätningar, se referens (4). Modellen baseras på en regression av uppmätt ljudtrycksnivå som funktion av frekvens, se Figur db re 1 upa på 1 m y = -0,0227x + 128, normerat ljudtryck 1 m - toner Linear (normerat ljudtryck 1 m - toner) Hz Figur 3 (från referens (4)) Sammanställning av nivå av toner för olika frekvenser från mätningar på fem havsbaserade vindkraftverk. Kraftverken har olika effekt, mätning har skett vid olika vindhastighet och mätningarna har skett på olika avstånd men normerats till avståndet 1 m från ljudkällans centrum under antagande av cylindrisk utbredning. Notera att omräkning från mätvärden på olika avstånd till 1m skett under antagande av cylindrisk utbredning. Vid mätningarna vid Utgrunden, som står för 12 av prickarna i diagrammet i Figur 3, uppmättes 4 db per avståndsdubbling. Om omräkningen gjordes med det antagandet istället skulle källstyrkorna i Figur 3 bli ca 9 db högre. Som förslag på modell för beräkning av undervattensljud föreslog vi i referens (4) att den linjära regressionskurvan plus 10 db i Figur 3 används för nivå av toner i undervattensljudet oberoende av aggregatstorlek och vindstyrka. Enligt

11 RAPPORT 11 (46) Figur 3 bör detta motsvara ett värsta fall. Det kompenserar också för val av ljudutbredningsdämpning vid beräkning av källstyrka från mätvärde. Vi förutsätter att nivån gäller för ca 2-3 toner inom frekvensområdet Hz. Formeln för källstyrkan blir då L p, 1 m = 0,0227 f + 138,6, db re 1 µpa på 1 m avstånd ekv (3) Den bredbandiga delen av spektrum kan vi inte förutsäga. Vi gör ingen skillnad på typ av fundament. Bland underlaget för formeln finns monopile-, gravitations- och tripodfundament. Sedan arbetet för Skottarevet vindkraftpark gjordes har nya undervattensljudmätningar tillkommit, särskilt de som redovisas i Mathias Anderssons doktorsavhandling 2011, se referens (1) och i en rapport från Vindval, se referens (7). Ljudmätningar har skett vid Lillgrund vindkraftpark i Öresund. Dels har mätning av ljudtrycksnivå skett med hydrofon på standardvis och räknats om till nivån på 1 m avstånd från en antagen punktkälla, dels har mätning av partikelrörelser skett med en nykonstruerad givare. Mätningarna vid Lillgrund visar en ton vid 127 Hz som härrör från växellådan på verken. Resultaten i referens (7) visar att vindkraftverken producerar ett bredbandigt ljud under 1 khz samt ett par toner där 127 Hz tonen är den kraftigaste. Den maximala ljudnivån som vindkraftverken genererar var 136 db re 1µPa(RMS) omräknat till en meter vid full effekt (12 m/s) för den av turbinerna dominanta 127 Hz-tonen (integrerad över Hz). Källstyrkan för tonen är således 136 db re 1 µpa på 1 m avstånd. Det stämmer mycket bra med formeln från Skottarevsrapporten. Formeln återgiven ovan ger också 136 db re 1 µpa på 1 m avstånd. Om bredbandigt ljud över ett större frekvensområde Hz tas med blev nivån 138 db. Verken vid Lillgrund har gravitationsfundament. För utredningen till Kattegatt Offshore har vi försökt få fram uppgifter om vilka toner två aktuella vindkraftverk från Siemens och RePower väntas ge. Genom uppgift om varvtal, antal kuggar på kugghjulen i växellådan kan kuggingreppsfrekvensen beräknas. Den är helt enkelt för ett kugghjul. f kuggingrepp (Hz) = varvtal (varv/s) antal kuggar ekv (4) Vare sig Siemens eller RePower har velat eller lyckats lämna ut sådana uppgifter. Det ska också sägas att ett verk med direktdriven generator och som saknar växellåda inte ger dessa toner under vatten. Det är okänt om

12 RAPPORT 12 (46) kraftelektroniken ger upphov till ljud med andra frekvenser som utbreder sig i vattnet. Källstyrka vid 127 Hz Vid beräkningarna har vi därför utgått från att den högsta källstyrkan i vattnet blir 136 db re 1 µpa på 1 m avstånd vid 127 Hz. Vi har inte gjort skillnad på verk av olika tillverkning. Källstyrka vid 50 Hz Vid 50 Hz har modellen i ekvation (3) använts. Källstyrkan blir där 137,5 db re 1 µpa på 1 m avstånd. Källstyrka vid 178 Hz Vid 178 Hz har värdet som bestämdes vid mätning vid Utgrunden använts. Det blir 144 db re 1 µpa på 1 m avstånd och ligger nästan 10 db över modellen i ekvation (3). Det beror på att verken vid Utgrunden hade en undermålig växellåda som gav en hög ljudnivå. Den har senare bytts ut enligt Hans Ohlsson, WPD, som tidigare arbetade på Airicole med de aktuella verken i Utgrunden. När det gäller partikelrörelser i vattnet kring fundamentet har vi inte räknat på det. Enligt referens (1) kan arter som är känsliga för partikelrörelser detektera vindkraftljudet bara på avstånd mindre än ca 10 m.

13 RAPPORT 13 (46) 3.3 Fartyg Källstyrka för ett fartyg Ljud från fartyg i vatten består av propellerljud, maskinljud och ljud från vågbrytningen. Ett schematiskt exempel visas i Figur Propellerfrekvenser 120 Maskinljud Kavitationsljud db f Figur 4 Schematiskt spektrum av undervattensljud från ett fartyg. Propellern alstrar ljud framförallt genom kavitation. Den skapar ett ljud som påminner om ljudet från en propellerfläkt i luft med toner vid bladpassagefrekvensen och övertoner till denna och, i tillägg till det, ett brusartat ljud. Maskinljuden består av toner vid framdriftsmotorns och hjälpmaskineriets tändfrekvens och dess övertoner, ljud vid kuggingreppsfrekvenser i växellådan, lagerljud och ljud från generatorer. För att bestämma källstyrkan för fartygen använder vi en modell från referens (3). Det är samma modell som användes i undervattensutredningen för Skottarevet vindkraftpark (4).

14 RAPPORT 14 (46) Figur 5 (från referens (3)) Kumulativ statistisk fördelning av källstyrka för utstrålat ljud från ytfartyg av olika slag och i olika fart. Källstyrkan anges här på avståndet 1 yard. Figur 6 (från referens (3)). Medelspektrum för olika klasser av fartyg. För att kunna göra beräkningarna av ljud för fartyg måste förenklingar och antaganden göras. Vi har gjort följande antaganden

15 RAPPORT 15 (46) Antag att Ljudet från fartyg innehåller en mängd frekvenser och att några finns i närheten av frekvensen av det ljud som vindkraftverken åstadkommer beräkningarna ska ske för 50, 127 och 178 Hz i Kattegatt och 50 och 178 Hz i Norra Öresund ljud från fartyg följer modellen i referens (3) återgiven ovan med medianvärdet för fartyg av typ A. De andra fartygstyperna ligger upp till 6 db högre. Källstyrkan för fartyg räknas först om till oktavbandsnivå enligt anvisning i Figur 5. Antag vidare att nivån inom oktavbandet domineras av tre toner. Avläst värde på medianvärdet av spektrumnivån blir 147 db re 1 µpa på 1 yard. Omräkning till oktavband Hz ger 165,8 db. Omräkning till 1 m istället för 1 yard ger 164,9 db. Antag att fartygsljudet inom oktavbandet domineras av toner. Omräkning till nivå för en av tre toner ger 160,2 db i nivå per ton vid oktavbandets centerfrekvens 106 Hz. Antag vidare att spektrum följer kurvan för Normal operating speeds and loading i Figur 6. Ljudtrycksnivån, eller källstyrkenivån, att jämföra med vindkraftverkens källstyrka blir då för en ton vid en frekvens, f i Hz: =160, ekv (5) Källstyrka för fartyg vid 127, 50 och 178 Hz För 127 Hz fås 158,6 db som avrundas till 159 db. Vid 50 Hz blir källstyrkan för en ton från fartyg 167 och vid 178 Hz 156 db re 1 µpa på 1 m. Denna källstyrka är mycket högre än källstyrkan för ett vindkraftverk. Den är 23 db högre, vilket motsvarar källstyrkan för 200 vindkraftverk, vid 127 Hz under antagande av slumpmässig fas. För att kontrollera att detta är en rimlig nivå, och gärna en underskattning, har ytterligare beskrivningar av fartygsljud undersökts. I referens (1) används en generell beräkningsmodell för fartygsljudet. Ett fartyg med en källstyrka på 100 db re 1 µpa på 1 m avstånd placeras ut slumpmässigt på en linje som representerar en farled. Det är en avsevärt lägre källstyrka. Förutom uppgifterna om fartygsbuller som användes i beräkningsmodellen baserad på Urick i referens (3), finns flera andra referenser om källstyrkan för fartygsbuller. I tabellen nedan visas några exempel. Fartygstyp Källstyrka Referens Fraktfartyg 10 knop 152 db re 1 µpa i 1-Hzband Urick, 1983 (3) vid 100 Hz Passagerarfartyg 162 db re 1 µpa i 1-Hzband vid 100 Hz Urick, 1983 (3)

16 RAPPORT 16 (46) Fartygstyp Källstyrka Referens Bounds of noise spectra db re 1 µpa i Renilson 2009 (8) for 15 ships 1-Hz-band vid 100 Hz Fraktfartyg M/V Overseas Harriette db re 1 µpa i tersband 125 Hz för 68 Arveson & Vendettis, 2000 (9) 140 rpm 2 fiskebåtar som trålar 141 db re 1 µpa i 1-Hzband vid 125 Hz resp 156 db re 1 µpa i 1-Hzband vid 125 Hz Mitson, 1995 (10) Notera, att omräkning till tersband 125 Hz från 1-Hz-band ger ett 14,6 db högre värde. T ex 141 db i 1-Hz-band vid 125 Hz motsvarar 155,6 db i tersband 125 Hz och 156 db i 1-Hz-band vid 125 Hz motsvarar 170,6 db i tersband 125 Hz och 156 db. Ovanstående exempel visar att 159 db vid 125 Hz således är ett rimligt värde för fartygsbuller och att det kan vara en underskattning Källstyrka för en farled För en fisk som befinner sig stilla i en punkt i vattnet kommer ljudet från ett passerande fartyg att växa i styrka för att sedan avta. För fartyg i en farled kommer ljudet från det närmaste fartyget att höras starkast och fartygen längre bort kommer att höras svagare, men ger ändå ett bidrag till den ljudnivå som fisken upplever. Sett över ett år blir farleden som en linjekälla. Det är samma modell som används vid beräkning av ekvivalent ljudnivå från trafik på vägar eller från flygtrafik i flygleder. I detta undervattensfall är dock skillnaden att ljudet inte utbreder sig i sfäriska vågor. Vid beräkningen måste man ta hänsyn till ljudutbredningen. I modellen för en farled har vi utgått från en farled som är 100 km lång och som har en trafik på fartyg per år totalt i båda riktningarna tillsammans. Vi har antagit att alla fartyg går i 15 knop, vilket motsvarar 27,78 km/tim. Det betyder att 274 fartyg passerar leden per dygn. Antag att fartygen är jämnt fördelade längs med farleden. Det får till följd att avståndet mellan fartygen blir 5 minuter och 15 sekunder eller 2,433 km. En kortare led ger färre fartyg att placera ut i leden men samma källstyrka per fartyg. För en lägre fartygstrafikintensitet än behålls avståndet mellan fartygen och källstyrkan för varje fartyg sänks i stället enligt följande formel = å ekv (6) I referens (1) har man slumpat ut 5000 fartyg på olika platser längs farledslinjen. Det är ett liknande förfarande, men med en lägre källstyrka per fartyg.

17 RAPPORT 17 (46) Exempelvis ger fartyg per år, som i den stora farleden ute i Kattegatt, källstyrkan 152,2 db vid 127 Hz Farleder SSPA Sweden har på uppdrag av projektet analyserat fartygstrafiken i centrala delen av Kattegatt, se referens (11).

18 RAPPORT 18 (46) Figur 7 (från referens (11)). Passagelinjer ovanpå densitetsplotten för hela området. Densitetsplotten är baserad på Sjöfartsverkets AIS-data för tidsperioden och är framtagen av SSPA Sweden med verktyget IWRAP

19 RAPPORT 19 (46) Figur 8 (från referens (11)) Passagelinjer ovanpå densitetsplotten för området kring Falkenberg. Densitetsplotten är baserad på Sjöfartsverkets AIS-data för tidsperioden och är framtagen av SSPA Sweden med verktyget IWRAP I SSPAs rapport finns sammanräknat antal fartyg som passerat passagelinjerna i Figur 7. För beräkning av ljud från farlederna har ett antal av dem valts ut. Farleden modelleras här med en viss längd och redovisas i följande tabell. Tabell 1 Modellering av farleder I Kattegatt. Ljudnivån avser ljudtrycksnivån vid 127 Hz på 1000 m ortogonalt avstånd från ledens början. För 50 blir nivån 8 db högre och vid 178 Hz 3 db lägre Led med passagelinje Antal fartyg per år, - Ledens längd i modellen, km Leg Leg 6, 7, 9, Leg Årsekvivalent ljudnivå på 1000 m avstånd, db re 1 µpa för ton vid 127 Hz

20 RAPPORT 20 (46) Led med passagelinje Antal fartyg per år, - Ledens längd i modellen, km Leg Leg 21, Leg Övriga farleder har inte räknats med. Årsekvivalent ljudnivå på 1000 m avstånd, db re 1 µpa för ton vid 127 Hz För norra Öresund har en liknande analys gjorts av SSPA, se referens (12), se Figur 9 till Figur 11. För antal fartyg vid Helsingborg Helsingör har SSPA använt hamnstatistik. Figur 9 (från referens (12)). Passagelinjer ovanpå densitetsplotten för Öresund norr om Helsingborg. Densitetsplotten är baserad på Sjöfartsverkets AIS-data för tidsperioden och är framtagen av SSPA Sweden med verktyget IWRAP

21 RAPPORT 21 (46) Figur 10 (från referens (12)). Passagelinjer ovanpå densitetsplotten för Öresund söder om Helsingborg. Densitetsplotten är baserad på Sjöfartsverkets AIS-data för tidsperioden och är framtagen av SSPA Sweden med verktyget IWRAP

22 RAPPORT 22 (46) Figur 11 (från referens (12)). Densitetsplotten för Öresund vid Helsingborg. Densitetsplotten är baserad på Sjöfartsverkets AIS-data för tidsperioden och är framtagen av SSPA Sweden med verktyget IWRAP Tabell 2 Modellering av farleder i norra Öresund. Ljudnivån avser ljudtrycksnivån vid 50 Hz på 1000 m ortogonalt avstånd från ledens början. För 178 Hz blir nivån 11 db lägre Led med passagelinje Antal fartyg per år, - Ledens längd i modellen, km Leg 17a ,8 108 Leg 17b ,2 108 Leg ,9 109 Leg ,2 105 Leg 4a ,8 112 Leg 5a ,0 106 Leg 5b ,9 107 Leg ,6 110 Leg ,4 104 Leg ,4 108 Årsekvivalent ljudnivå på 1000 m avstånd, db re 1 µpa för ton vid 50 Hz

23 RAPPORT 23 (46) Led med passagelinje Antal fartyg per år, - Ledens längd i modellen, km Leg ,4 108 Leg ,4 105 Leg ,5 108 Helsingborg - Helsingör ,9 114 Årsekvivalent ljudnivå på 1000 m avstånd, db re 1 µpa för ton vid 50 Hz Övriga farleder har inte räknats med. Tidigare år har fartygsintensiteten varit högre i Öresund, vilket innebär att farledsljudet har varit högre tidigare.

24 RAPPORT 24 (46) 3.4 Ljudutbredning Ljudnivåns avtagande med avståndet beror av många faktorer. Ljudenergin sprids över en allt större yta, ju längre bort från ljudkällan ljudvågorna når. Detta kallas divergens. Om ljudenergin sprids lika åt alla håll fördelas den på arean av en sfär och ljudtrycksnivån avtar med 6 db per avståndsdubbling. Om man tänker sig att ljudet stängs inne mellan ytan och botten och att dessa är totalreflekterande kommer ljudenergin att stängas inne på mantelarean av cylinder och ljudtrycksnivån avtar med 3 db per avståndsdubbling. En del av ljudenergin omvandlas till värmeenergi genom friktion, värmeledning och andra processer. Det brukar kallas ljudabsorption. Ljudabsorptionen ökar med ökande frekvens. Vid frekvenser under 1000 Hz blir den försumbar. I Figur 12 visas ljudutbredningsdämpningen orsakad av divergens och ljudabsorption. Figur 12 Ljudutbredningsdämpningen TL som funktion av avstånd för olika divergens och frekvens. Bubblor i vattnet ger ökad ljudutbredningsdämpning. Ofta varierar ljudhastigheten med djupet på grund av att temperatur, salthalt och tryck varierar med djupet. Ljudhastighetsvariationerna gör att ljudvågorna

25 RAPPORT 25 (46) kröks och kan till och med reflekteras mot språng i salthalt eller temperatur. Ljudhastighetsvariationen uppvisar ofta årstidsvariationer. Vid låga frekvenser och små bottendjup minskar krökningen av ljudvågorna. Havsbottens egenskaper kan också inverka. Ljudvågorna kan ledas ner i en dyig botten och där absorberas medan en hård botten, t ex berg, reflekterar ljudvågorna. Språngskikt kan inverka på ljudets utbredning Ett språngskikt kan fås om salthalt eller temperatur ändras språngartat så att ljudhastigheten ändras. Ljudvågor kan ha svårt att tränga igenom ett språngskikt, se exempel i Figur 13. Figur 13 (från referens (3) Stråldiagram som visar hur ljudet fångas ovanför ett språngskikt. Vid låga frekvenser, där vattendjupet är ungefär lika med eller mindre än en våglängd, kan normalmodteori användas för ljudutbredningsberäkning. Vid 127 Hz är våglängden ungefär 11 m. Ljudvågorna utbreder sig med låg dämpning i normalmoderna och ljudnivån kommer att variera med djupet vid låga frekvenser enligt följande figur vid hård botten. Vid mycket mjuk botten blir ljudtrycket noll vid ytan och nästan noll vid botten.

26 RAPPORT 26 (46) Figur 14 (från referens (3)) Ljudtrycksnivå som funktion av djupför de första fyra utbredningsmoderna för en hård botten, t ex berg. Vid vattenytan blir det alltid lågt ljudtryck. För en mjuk botten, t ex lera blir det också lågt ljudtryck. Vid 25 m bottendjup blir frekvenserna för normalmoderna f 0 = 15 Hz, f 1 = 45 Hz, f 2 = 75 Hz och f 3 = 105 Hz Vid frekvenser under f 0, som benämns cut-off-frekvens, utbreder sig ljudet med stark dämpning. Vid 25 m djup och hård botten är denna frekvens ca 15 Hz. Vid mjuk botten blir denna frekvens högre. Ljudförlusten (ljudets minskning per avståndsdubbling) beror av platsspecifika hydrografiska förhållanden. Djupt vatten och mjuk botten ger en högre ljudförlust medan grunt vatten och hård botten ger en lägre ljudförlust. Vid Utgrunden I (grunt vatten hård botten) i Östersjön uppmättes en ljudförlust på 4 db per avståndsdubbling, se referens (2) och (4). Vid Amrumbank (grunt vatten mjuk botten) i Nordsjön uppmättes en ljudförlust på 5,5 db, se referens (5). Vid tänkbara platser för Kattegatt Offshore är botten mjuk och djupare varvid ljudförlusten kan förväntas vara hög. I referens (1) och (7) där mätningar vid Lillgrund i Öresund redovisas bestämdes ljudutbredningdämpningen TL till =17 1 ekv (7) från ett verk betraktat som punktkälla. Det innebär att ljudförlusten blir 5,1 db per avståndsfördubbling. Vid sfärisk spridning byts faktorn 17 ut mot 20 och vid cylindrisk spridning mot 10. Vid beräkning av ljudtrycksnivån på olika avstånd från ett vindkraftverk eller ett fartyg måste olika antaganden göras för ljudutbredningen. Nästa steg är att beräkna termen TL, det vill säga ljudutbredningsdämpningen, från källa till mottagare. Denna term har mycket stor inverkan på ljudtrycksnivån vid mottagaren.

27 RAPPORT 27 (46) Antaganden måste göras här också. Antag att bottendjupet är konstant divergensen motsvarar 5,1 db per avståndsdubbling, dvs en faktor 17 i ekvation (6) ljudabsorption i övrigt är försumbar divergensen, angiven i antal db per avståndsfördubbling, är densamma för ljudet från ett fartyg och ljudet från ett vindkraftverk. 3.5 Övrigt bakgrundsljud Det finns flera orsaker till bakgrundsljud i havet. Några av dessa är följande. Tidvatten, hydrostatiska effekter av vågor Seismiska störningar Turbulens Fartygstrafik Avlägsna stormar Ytvågor Knudsenspektra (brytande vågor, kollapsande bubblor, strömning) Termiskt brus Regn Industriella verksamheter Sonarer och ekolod Biologiska ljud (räkor, fiskar, valar) Sprickande is (Istäcke kan ge mycket tyst omgivning) Vid beräkning av detektion av undervattensljud är bakgrundsljudet, eller omgivningsbullret den del av ljudet i havet som registreras med en rundkännande hydrofon och som inte orsakas av egenbuller i hydrofonen eller någon annan lokaliserbar bullerkälla. Definition av omgivningsbullernivån NL eller NLa ( noise level ambient ) som sonarparameter är ljudintensiteten, i decibel, av den omgivande bakgrunden mätt med en rundkännande hydrofon refererat till intensiteten av en plan våg med rms-trycket 1 µpa. Mätning kan ske i olika frekvensband, men nivån reduceras alltid till 1 Hz frekvensband. Följande diagram från referens (3) visar omgivningsbullernivån för djupa hav som funktion av frekvens för olika sjötillstånd och fartygsintensitet. Diagrammet brukar även tillämpas på grundare vatten.

28 RAPPORT 28 (46) Figur 15 (från referens (3)) Omgivningsbuller i havet. Omgivningsbullret, förutom ljud från farleder, är inte medräknat i denna studie. 4 Resultat 4.1 Nuläge i Kattegatt Beräknad ljudtrycksnivå för 127 Hz i nuläget visas i Figur 16. Ljudet från farlederna har modellerats genom att placera ut ett antal ljudkällor på konstant avstånd från varandra i farlederna. Ljudtrycksnivån visas kodat med färgfält. I kartbilden syns kustlinjen med Varberg högst upp, därefter Falkenberg och Halmstad. Anholt syns tillvänster. Farlederna syns som räta linjer. I farlederna har fartyg placerats ut med en källstyrka anpassad till årstrafikintensiteten för att få en årsekvivalent ljudnivå. Ljudnivån är beräknad i så kallade gridpunkter. Om en gridpunkt hamnar nära ett utplacerat fartyg blir ljudnivån högre och färgen intensivare. På avstånd från farleden får farleden karaktären av en linjekälla. Ljudnivån från farlederna vid 50 och 178 Hz visas i de två följande kartbilderna.

29 RAPPORT 29 (46) Figur 16 Beräknad årsekvivalent ljudtrycksnivå vid 127 Hz från farleder i Kattegatt utanför Falkenberg. Figur 17 Beräknad årsekvivalent ljudtrycksnivå vid 50 Hz från farleder i Kattegatt utanför Falkenberg.

30 RAPPORT 30 (46) Figur 18 Beräknad årsekvivalent ljudtrycksnivå vid 148 Hz från farleder i Kattegatt utanför Falkenberg. 4.2 Fartyg och vindkraft i Kattegatt Beräknad ljudtrycksnivå för ljud från farleder och vindkraftpark i layout AB3, A3 och B5 visas i Figur 19 till Figur 21 för 127 Hz. Vindkraftparken ligger sydväst om Falkenberg. I Bilaga 1 visas alla kartbilder och även de motsvarande kartbilderna för 50 och 178 Hz. För vindkraftpakerna har vi antagit att alla verk går i full drift året om, vilket borde ses som ett konservativt antagande. I Figur 22 till Figur 24, visas vindkraftparkerna och en ljudgränslinje där den beräknade ljudnivån från farlederna är lika med den beräknade nivån från vindkraftparken vid 127 Hz.

31 RAPPORT 31 (46) Figur 19 Beräknad årsekvivalent ljudtrycksnivå vid 127 Hz från farleder och layout AB3 i Kattegatt utanför Falkenberg. Figur 20 Beräknad årsekvivalent ljudtrycksnivå vid 127 Hz från farleder och layout A3 i Kattegatt utanför Falkenberg.

32 RAPPORT 32 (46) Figur 21 Beräknad årsekvivalent ljudtrycksnivå vid 127 Hz från farleder och layout B3 i Kattegatt utanför Falkenberg.

33 RAPPORT 33 (46) Figur 22 Den röda ljudlinjen representerar platser där ljudtrycksnivån från vindkraftparken i layout AB3 är lika med den årsekvivalenta ljudnivån från farlederna vid 127 Hz. Ljudtrycksnivån är där db re 1µPa. Rutorna representerar torskens lekområden.

34 RAPPORT 34 (46) Figur 23 Den röda ljudlinjen representerar platser där ljudtrycksnivån från vindkraftparken i layout A3 är lika med den årsekvivalenta ljudnivån från farlederna vid 127 Hz. Ljudtrycksnivån är där db re 1µPa. Rutorna representerar torskens lekområden.

35 RAPPORT 35 (46) Figur 24 Den röda ljudlinjen representerar platser där ljudtrycksnivån från vindkraftparken i layout B5 är lika med den årsekvivalenta ljudnivån från farlederna vid 127 Hz. Ljudtrycksnivån är där db re 1µPa. Rutorna representerar torskens lekområden. Om vindkraftverkens växellådor har en annan frekvens kommer ljudtrycksnivån att ändras enligt modellen i avsnitt 3.2. Vid ökande frekvens sjunker ljudtrycksnivån från vindkraftverken med 0,02 db per Hz. Ljudtrycksnivån för fartyg sjunker med 0,07 db för en Hz ökning av frekvensen. 4.3 Nuläge i norra Öresund Beräknad ljudtrycksnivå för 50 och 178 Hz i nuläget visas i Figur 25 och Figur 26. För beskrivning av utseendet, se förklaring i avsnitt 4.1.

36 RAPPORT 36 (46) Figur 25 Beräknad årsekvivalent ljudtrycksnivå vid 50 Hz från farleder i norra Öresund. Figur 26 Beräknad årsekvivalent ljudtrycksnivå vid 178 Hz från farleder i norra Öresund.

37 RAPPORT 37 (46) 4.4 Exempel på beräknade ljudnivåer i några punkter. Plats 1000 m väster om den planerade layout AB3 i Kattegatt 2000 m väster om den planerade layout AB3 i Kattegatt 1000 m väster om Hittarp vid norra Öresund Koordinater SWEREF99 TM Frekvens, Hz Ljudnivå från farleder, db re 1 µpa 101 db 93 db 90 db 101 db 93 db 90 db 111 db 100 db Ljudnivå från farled + vindkraftpark db re 1 µpa 102 db 96 db 101 db 102 db 95 db 99 db - 5 Slutsats Undervattensljud från fartyg i farleder beräknas dominera över ljud från den planerade vindkraftparken Kattegatt Offshore i större delen av Kattegatt. Inne i parken och runt om på avstånd upp till 1,0 till 2,3 km från de yttersta verken vid 127 Hz i parken i det största alternativet AB3, beräknas ljudet från vindkraftverken dominera över farledsljudet. Vid 50 Hz dominerar fartygsljuden ännu mer och vid 178 Hz mindre. Vid 178 Hz valdes källstyrkan att motsvara ett vindkraftverk med en dålig bullrig växellåda. Ljudnivån i vattnet beräknas redan idag, innan verken är byggda, ligga långt över torskens hörtröskel i Kattegatt. I området där parken ska byggas är den beräknade ljudnivån från farlederna mer än 10 db över tröskelvärdet. Vid upphandling av vindkraftverk till parken bör man säkerställa att verken har en växellåda med hög precision, låg ljudnivå och stomljuddämpande montage.

38 RAPPORT 38 (46) 6 Litteraturförteckning 1. Andersson, Mathias H. Offshore windfarms - ecological effects of noise and habitat alteration on fish. Stockholm : Animal Ecology at Stockholm University, Lindell, H. Utgrunden - Havsbaserad vindkraftspark. Mätning av undervattensbuller. Göteborg : Ingemansson Technology AB, Rapport Urick, R.J. Principles of underwater sound. u.o. : McGraw-Hill, Collet, Å och Almgren, M. Skottarevet, Falkenberg, havsbaserad vindkraftpark. Ljud, undervattensljud, vibrationer och undervattensljud. Göteborg : Ingemansson Technology AB, Underwater noise emissions of offshore wind turbines. Betke, K, o.a. Berlin : International Meeting on Wind Turbine Noise: Perspectives for Control, October Fahy, Frank. Sound an structural vibration. u.o. : Academic Press, Andersson, Mathias H, Sigray, Peter och Persson, Leif KG. Ljud från vindkraftverk i havet och dess påverkan på fisk. Stockholm : Naturvårdsverket, juli rapport Anon. Reducing underwater noise pollution from large commercial vessels. u.o. : Renilson Marine Consulting Pty Ltd, March Commissioned by The International Fund for Animal Welfare. 9. Radiated noise characteristics of a modern cargo ship. Arveson, Paul T och Vendettis, David J. 1, u.o. : J. Acoust. Soc. Am., January 2000, Vol pp Mitson, R.B. Underwater noise of research vessels. Review and recommendations. Copenhagen : International Council for the Exploration of the Sea, May Cooperative Research Report No Johansson, Jessica. Analys av fartygstrafiken i centrala delen av Kattegatt. Göteborg : SSPA Sweden, Rapport nr RE A Trafikanalys Öresund- tilläggsmaterial till SSPA-Rapport Nr. RE A. Göteborg : SSPA Sweden AB, 2011.

39 RAPPORT 39 (46) 7 Bilaga 1 Figur B 1 Beräknad årsekvivalent ljudtrycksnivå vid 50 Hz från farleder i Kattegatt utanför Falkenberg.

40 RAPPORT 40 (46) Figur B 2 Beräknad årsekvivalent ljudtrycksnivå vid 50 Hz från farleder och layout A3 i Kattegatt utanför Falkenberg. Figur B 3 Beräknad årsekvivalent ljudtrycksnivå vid 50 Hz från farleder och layout B5 i Kattegatt utanför Falkenberg.

41 RAPPORT 41 (46) Figur B 4 5 Beräknad årsekvivalent ljudtrycksnivå vid 50 Hz från farleder och layout AB3 i Kattegatt utanför Falkenberg.

42 RAPPORT 42 (46) Figur B 6 Beräknad årsekvivalent ljudtrycksnivå vid 127 Hz från farleder i Kattegatt utanför Falkenberg. Figur B 7 Beräknad årsekvivalent ljudtrycksnivå vid 127 Hz från farleder och layout A3 i Kattegatt utanför Falkenberg.

43 RAPPORT 43 (46) Figur B 8 Beräknad årsekvivalent ljudtrycksnivå vid 127 Hz från farleder och layout B5 i Kattegatt utanför Falkenberg. Figur B 9 Beräknad årsekvivalent ljudtrycksnivå vid 127 Hz från farleder och layout AB3 i Kattegatt utanför Falkenberg.

44 RAPPORT 44 (46) Figur B 10 Beräknad årsekvivalent ljudtrycksnivå vid 178 Hz från farleder i Kattegatt utanför Falkenberg. Figur B 11 Beräknad årsekvivalent ljudtrycksnivå vid 178 Hz från farleder och layout A3 i Kattegatt utanför Falkenberg.

45 RAPPORT 45 (46) Figur B 12 Beräknad årsekvivalent ljudtrycksnivå vid 178 Hz från farleder och layout B5 i Kattegatt utanför Falkenberg. Figur B 13 Beräknad årsekvivalent ljudtrycksnivå vid 178 Hz från farleder och layout AB3 i Kattegatt utanför Falkenberg.

46 RAPPORT 46 (46) Figur B 14 Beräknad årsekvivalent ljudtrycksnivå vid 50 Hz från farleder i norra Öresund. Figur B 15 Beräknad årsekvivalent ljudtrycksnivå vid 178 Hz från farleder i norra Öresund.