Kattegatt Offshore: Jämförelse av effekterna på torsk vid pålning med dämpning respektive utan dämpning

Transkript

1 Kattegatt Offshore: Jämförelse av effekterna på torsk vid pålning med dämpning respektive utan dämpning Marine Monitoring AB Linus Hammar ÅF Ljud & vibrationer Martin Almgren Göteborg 2013 Frågeställning Tidigare utredningar av ekologiska risker av vindkraftsprojektet Kattegatt Offshore har identifierat pålning under byggnation som ett riskmoment [1, 2]. För torsk utgör pålningen den enda stressorkällan (riskmomentet) av betydelse (jfr Tabell 5-6 i rapporten Riskbedömning för torsk vid Kattegatt Offshore [1]). För att utesluta att lekande torsk exponeras för höga ljudnivåer från pålning har Favonius åtagit sig som skyddsåtgärd att påla endast under perioder då torsklek inte förekommer. Vad gäller påverkan på torsken under övrig tid av året har pålning under byggnation identifierats som ett temporärt riskmoment med effektkategorin låg (definierat: Mängden påverkad torsk förändrar inte beståndets situation; effekt mätbar men lokal ). För att minska skadeverkan från pålning är det möjligt att med hjälp av olika dämpningsmetoder minska ljudutbredningen från pålningen. Den i denna rapport presenterade beräkningen avser att jämföra utfallet av sannolika antalet skadade torskar mellan (i) ingen åtgärd, (ii) dämpande kombinerade stålrör och (iii) dämpande kofferdam, samt att ställa resultatet i relation till risken för att påverka Kattegattorskens återväxt. Beräkningen tar inte hänsyn till att s.k. ramp-up en metod att användas för att skrämma bort fisk från området innan arbeten som medför kraftiga undervattensljud påbörjas kommer att användas under pålning eftersom effekten av denna metod inte varit föremål för vetenskaplig utvärdering. Mekanism och val av metod Pålning genererar höga pulser av undervattensljud som inom ett visst avstånd kan ge skador på simblåsa och hörselorgan hos fisk. Även om pålning inte kommer att ske under torskens lek är eventuella skador på könsmogen torsk relevanta att beakta då beståndets återväxt kan påverkas om ett större antal könsmogna torskar skulle skadas. Räckvidden för skadeverkan från pålning kan beräknas, men både ljudutbredningsmodellen och responsen hos torsk innefattar ett flertal faktorer behäftade med osäkerheter. Det förväntade antalet skadade torskar med och utan dämpningsmetoder måste därför skattas med särskild iakttagelse av beräkningsosäkerheter, vilket här görs genom Monte-Carlo simulering som är en etablerad metod inom probabilistisk riskbedömning [3]. Monte-Carlo simulering innebär att varje osäker variabel i beräkningsmodellen ansätts som en sannolikhetsfördelning av värden istället för ett specifikt värde. I simuleringen dras sedan slumpmässiga värden från dessa sannolikhetsfördelningar och processen repeteras ett stort antal gånger för att generera en sannolikhetsfördelning över resultatet. Ett lämpligt jämförvärde kan tas fram utifrån önskad nivå av tillförlitlighet. 1

2 Metodik och modellantaganden I denna analys har statistiska fördelningar antagits för att beskriva variablerna torskförekomst, pålningens källstyrka, havsområdets avståndsdämpning för ljud, torskens känslighet för extremt ljudtryck, dämpningsmetodens effektivitet. Antalet skadade torskar har beräknats med utfall för varje simulering och jämförvärden har tagits fram för tillförlitlighetsnivåerna mest troligt antal, maxantal med 95% sannolikhet samt maxantal med 99% sannolikhet, givet modellantagandena. Jämförvärdena har sedan relaterats till beståndsuppskattning och fiskeridödlighet för Kattegattorsk. Eftersom både effekter på simblåsa och torskens känsligaste hörsel berör frekvensområden omkring Hz har beräkningar gjorts för både frekvensområdena 200 Hz och 300 Hz. Under vatten kan ljudets dämpning med avstånd, avståndsdämpning TL (transmission loss), beskrivas genom ekvationen: där N (transmission loss factor) är faktorn för avståndsdämpning och r (radius, m) är avståndet från ljudkällan [4, 5]. Förenklingen att energiabsorption försummas är rimlig att göra eftersom relativt låga frekvenser kring Hz är de betydelsefulla. Vidare har förenklingen att ljudutbredningsfaktorn är konstant över hela det betraktade området gjorts. Utifrån detta förhållande användes följande beräkningsmodell för att beräkna antalet skadade torskar från pålningsarbetena: ( ) [ (( ) ) ] där X avser antalet skadade torskar, SL (source level, db re 1 µpa) är pålningens källstyrka vid 1 m avstånd, D (damping, db) är dämpningsmetodens dämpningseffekt (konservativt antaget för m avstånd), RL (response level, db re 1 µpa) är den minsta ljudtrycksnivå där torsk kan förväntas skadas, C (cod density, ind/km 2 ) är torskens förekomst [parentesen i kvadrat samt π används för att beräkna radien av skadeverkan och täljaren 10 6 härrör från omvandling från km 2 till m 2 ]. Antalet pålningstillfällen är 50. I denna studie har källstyrkan valts som nivån av topp-till-topp-värdet (peak-to-peak) av ljudtrycket. Detta värde är mest relevant för att bedöma risken för dödliga skador på torsk, eftersom tryckvariationerna direkt kan omsättas till en kraft som verkar på fisken. I många mätningar och studier används även begreppet peak-värde, som är halva top-till-topp-ljudtrycket, eller, omräknat till db, ett 6 db lägre värde. SEL (sound exposure level) är en ekvivalent ljudnivå, omräknat till en sekunds varaktighet. Det värdet är ännu lägre än motsvarande topp-till-topp värde. För en konstant harmonisk signal är nivån av RMS-värdet 9 db lägre än topp-till-topp-värdet. För en impulsartad signal blir SEL-värdet mer än 9 db lägre än nivån av topp-till-topp-värdet, vilket också inses av diagrammet i Figur 1. 2

3 Figur 1. Maximal SEL och toppvärde för pålning vid Horns rev II (HR 2) och andra platser. Källstyrkan SL för topp-till-topp-värdet fås genom att addera 43 db för ljudutbredning från 1 m till 750 m och 6 db till värdet Peak. Det högsta värdet 200 db på 750 m i diagrammet motsvarar 249 db re 1 µpa på 1 m för topp-till-topp-värdet. Figuren är hämtad från Betke (2008) [6]. Statistiska fördelningar Med utgångspunkt i precisionen och fördelningen av tillgängliga data har för varje ingångsvariabel en utav följande statistiska fördelningar använts för Monte-Carlo simuleringarna: normalfördelning, triangulär fördelning samt uniform fördelning. En normalfördelning beskrivs genom medelvärde och standardavvikelse. En triangulär fördelning beskrivs genom ett min-värde (a), ett max-värde (b) samt ett mest sannolikt värde (c), där sannolikheten för c är 2/(b-a). En uniform fördelning beskrivs genom ett min-värde och ett max-värde där alla värden dem emellan är lika sannolika. Pålningens källstyrka (SL) Triangulär fördelning (db) för Hz Min 243 Max 254 Sannolikt 249 Motivering: Under pålningsarbeten vid de befintliga vindkraftsparkerna Burbo Banks, Barrow, North Hoyle och Kentish Flats (alla med en påldiameter av 4-5 m) har de maximala peak-to-peak ljudtrycksnivåerna vid 1 m uppmätts eller beräknats till värden mellan 243 och 252 db re 1 µpa [7]. Maxvärdena används här eftersom varje pålning medför många pålslag. Det vanligaste maxvärdet från detta underlag är 249 db re 1 µpa vilket därför satts som det mest sannolika värdet i en triangulär fördelning. Min-värdet har satts till 243 och för att inrymma variation från avvikande (större) påldiameter har max-värdet satts till 254 db re 1 µpa, vilket är att betrakta som extremt högt. 3

4 Dämpningseffekt (D) för kombinerade stålrör Triangulär fördelning (db) vid 200 Hz Triangulär fördelning (db) vid 300 Hz Min 5 Min 3 Max 8 Max 8.5 Sannolikt 6.5 Sannolikt 7 Motivering: Kombinerade stålrör utgörs av en bubbelridå innesluten i rör med elastiskta skikt, för att undvika att bubblorna skingras av strömmen, alternativt en ridå med fast inneslutna luftbubblor. Sannolikhetsfördelningen över hur dämpande dessa kombinerade stålrör är utgår från publicerade effektivitetstest (se Dämpning av ljud från pålning sammanställd av Triventus/Lindström). Dämpningseffekt (D) för kofferdam Uniform fördelning (db) vid 200 Hz Uniform fördelning (db) vid 300 Hz Min 8 Min 8 Max 20 Max 20 Motivering: Kofferdam utgörs av en inhägnad av stål som slås runt det fundament som skall pålas och töms på vatten för att hindra ljudöverföring. Ljudöverföring utmed botten kan dock inte hindras. Publicerade mätvärden för denna metods effektivitet har inte kunnat erhållas men modellering [8] och icke-specificerad rapportering från tillverkare anger en dämpningseffekt omkring db, vilket är att betrakta som mycket högt. På grund av bristande data har emellertid dämpningseffekten satts till max 20 db och minst 8 db (baserat på dämpningseffektiviteten hos en metod som liknar kofferdam men är betydligt mindre effektiv) [9]. Torskens känslighet (RL) för topp-till-topp värde ljudpulser Uniform fördelning (db) vid 200 Hz Uniform fördelning (db) vid 300 Hz Min 207 Min 216 Max 214 Max 223 Motivering: Att bestämma ljudnivån för allvarlig fysisk skada hos fisk är komplicerat; temporär nedsättning av hörsel eller flyktbeteende som kan inträffa vid relativt låga ljudnivåer kan inte användas till att skatta skadeverkan på beståndsnivå eftersom påverkan är temporär och torsk som inte allvarligt skadats hinner simma undan från området innan kumulativa skador uppstår [10]. De generella riktlinjer som tagits fram för att bedöma skadeverkan på marina djur vid pålning anger 130 db över djurets hörseltröskel (130 db ht ) som ett lämpligt värde för att förvänta permanenta skador, definierat som possibility of traumatic hearing damage from single event [10]. Vilken ljudnivå som motsvarar 130 db ht beror alltså på torskens hörseltröskel vid de relevanta frekvensområdena. Audiogram för torsk anger en hörseltröskel mellan 68 (teoretiskt värde) och 80 db och oftast 75 db vid torskens bästa hörselområde vid 180 Hz [10, 11]. Vid andra frekvenser är hörseltröskeln högre, omkring 84 db vid 300 Hz, se [12]. Audiogrammen är bestämda utifrån stationärt ljud och omvandlas från RMS till topp-till-topp-värden genom en höjning med 9 db för att erhålla samma enhet som pålningens källstyrka (SL). Med hänsyn till försiktighetsprincipen har RMS hörseltröskelvärdena på 80 db undantagits och uniforma sannolikhetsfördelningar baserade på min-värdet 68 db och maxvärdet 75 db har antagits (observera att låga värden på hörseltröskel medför högre skadeverkan). Tillfört 130 4

5 db ht, översättning till topp-till-topp värde, och med hänsyn till skillnader mellan frekvensintervall blir de antagna sannolikhetsfördelningarna från 207 till 214 db vid 200 Hz och från 216 till 223 db vid 300 Hz. Den biologiska variationen i torskars känslighet antas rymmas inom dessa spann. Ljudets avståndsdämpning (N) Triangulär fördelning (N log) Min 17 Max 20 Sannolikt 18.5 Motivering: Avståndsdämpning av ljud i vatten är beroende av ett stort antal fysiska faktorer där det som är mest betydelsefullt för en platsspecifik bestämning är djup, bottenbeskaffenhet och språngskikt. Området vid Kattegatt Offshore är relativt djupt och består av lerbotten vilka båda bidrar till högre avståndsdämpning. Språngskiktet (haloklinen) är kraftig, beroende på vattenflöden från Östersjön, vilket både kan betyda ökad avståndsdämpning (då ljudet böjs av ned i lerbotten och försvinner) [13] och minskad avståndsdämpning (då ljudet kanaliseras mellan språngskikt och ytan). Här har antagits det senare, av försiktighetsskäl. För vindkraftsparker i grunda områden med sandig botten har avståndsdämpningen ofta skattats till 15log. Vid Lillgrund i Öresund har avståndsdämpningen uppmätts till 17log [12]. Detta område är emellertid mycket grundare och har hårdare bottensubstrat jämfört med Kattegatt Offshore. För Blekinge Offshore i Hanöbukten, där djup och bottensubstrat liknar de vid Kattegatt Offshore, har avståndsdämpningen av FOI beräknats till mellan 29log och 18log beroende av säsong (språngskiktsförändringar) [13]. Vid en vindkraftsanläggning i Nordsjön med liknande beskaffenhet som vid Kattegatt Offshore men med mindre kraftigt språngskikt har avståndsdämpningen bestämts till 21-23log. Utifrån ovanstående diskussion har en triangulär sannolikhetsfördelning av avståndsdämpning antagits med ett min-värde på 17log, max-värde på 20log samt ett mest sannolikt värde på 18.5log. Torskförekomst (C) Normalfördelning (ind/km 2 ) för adult Normalfördelning (ind/km 2 ) för juvenil Medel 22 Medel 474 Standardavv. 7.5 Standardavv. 131 Motivering: Förekomsten av torsk i området har antagits som normalfördelningar av könsmogna (>40 cm) och juvenila (<40 cm) individer baserat på Havsfiskelaboratoriets akustiska undersökningar i det aktuella området under november 2011 [14]. Att använda data från november innebär en konservativ skattning ur risksynpunkt eftersom torsken ansamlas i sydvästra Kattegatt under senare delen av hösten, med början i oktober. Resultat Resultatet från Monte-Carlo simuleringarna av modellen och de antagna statistiska fördelningarna av variabelvärden visas i Tabell 1 och Figur 2-3. I tabellen sätts antalet skadade torskar även i proportion till Kattegatts torskbestånd och det antal torskar som tas ut genom fiske (nationellt och internationellt), baserat på data från ICES för år 2011 [15]. Vid behov har omräkning mellan antal och biomassa gjorts utifrån viktklassfördelningar ur samma material. 5

6 Simuleringar har körts för både 200 och 300 Hz men endast resultatet för 200 Hz redovisas då detta visat sig vara det frekvensområde då skadeverkan är högst (i storleksordningen 10 ggr högre antal skadade torskar jämfört med 300 Hz). Tabell 1. Antal skadade torskar under pålning med eller utan dämpningsmetoder samt dess proportion till totalbestånd och fiskeuttag år 2011 (lågt bestånd, lågt uttag). Resultatet redovisas för det mest sannolika antalet, som 95-percentilen (ungefär: maxantalet med 95% sannolikhet) och som 99- percentilen (ungefär: maxantalet med 99% sannolikhet). Beräkningarna avser den sammanlagda effekten av 50 pålningstillfällen. Observera att beräkningarna inte tar hänsyn till att skyddsåtgärden ramp-up kommer att vidtas. Angivna värden är avrundade och bör tolkas utifrån dess storleksordning. Skadad könsmogen torsk (individantal) Proportion av antal inom lekbiomassa Proportion av fiskeriuttag (landat) Skadad juvenil torsk (individantal) Proportion av fiskeriuttag (utkast) Ingen dämpning Sannolikt % 0.1 % % Övre 95% % 0.3 % % Övre 99% % 0.6 % % Kombinerade stålrör Sannolikt % 0.0 % % Övre 95% % 0.1 % % Övre 99% % 0.1 % % Kofferdam Sannolikt % 0.0 % % Övre 95% % 0.0 % % Övre 99% % 0.0 % % 6

7 Sannolikhet Sannolikhet Antal skadade torskar - könsmogna (>40 cm) Figur 2. Sannolikheter för antal skadad könsmogen torsk vid pålning (50 tillfällen) utan dämpning (svart linje), med kombinerade stålrör (blå linje) samt med kofferdam (röd linje) Antal skadade torskar - juveniler (<40 cm) Figur 3. Sannolikheter för antal skadade juvenila torskar vid pålning (50 tillfällen) utan dämpning (svart linje), med kombinerade stålrör (blå linje) samt med kofferdam (röd linje). 7

8 Diskussion I brist på tillgång till beståndsspecifika fiskpopulationsmodeller kan den slutliga bedömningen endast göras kvalitativt, men med omfattande underlag. Det bör noteras att mängden skadad torsk baseras på nivån för möjlig omedelbar skada på hörselorganet och inte nödvändigtvis medför mortalitet eller utebliven reproduktion. Det skall också påminnas om att ett modellutfall alltid begränsas av tillförlitligheten i dess antaganden, vilket här framförallt utgörs av sannolikhetsfördelningarna av variabler. Utan dämpning För att gynna Kattegattorskens återväxt är de stora könsmogna torskarna av störst betydelse då dessa står för den reproduktiva potentialen. Utan dämpningsåtgärder riskeras i mest extrema fall, dvs när alla osäkra faktorer samverkar mot att öka antalet skadade torskar (99-percentilen), cirka en promille av lekbiomassan att skadas. Detta understiger naturliga beståndsvariationer och motsvarar <1% av fiskeriuttaget. Det mest sannolika utfallet är mångfaldigt lägre (c:a 100 individer) men på grund av torskens hotade status i Kattegatt bör största försiktighet iakttas och 99-percentilen kan därför anses lämplig att använda i jämförelse med bestånds- och fiskerivärden. Eftersom ICES skattning av beståndet rymmer osäkerheter är det möjligt, om än extremt osannolikt, att upp emot 0.15% av lekbiomassan 1 skadas vid odämpad pålning. Detta är fortfarande lite i jämförelse med de naturliga variationerna som sker i storleksordningen flera procent [14]. Sett till den mängden potentiellt skadad juvenil torsk motsvarar extremfallet (99-percentilen) vid odämpad pålning omkring individer, motsvarande 4% av det årliga utkastet från fisket (beräknat till individer baserat på ICES data [15]). Om än antalet är lågt i proportion till fiskets uttag skulle det möjligen kunna påverka nästkommande års reproduktionspotential 2. Sammantaget bedöms därför pålning utan dämpning utgöra en låg, men inte säkerställt obetydlig, risk för torsken. Notera att denna riskbedömning inrymmer ett mycket stort hänsynstagande till försiktighetsprincipen. Med dämpning Vid användning av någon av dämpningsmetoderna kommer antalet skadade torskar sjunka kraftigt och i mest extrema fall (99-percentilen) omfatta högst ett hundratal könsmogna torskar. Mängden skadade juveniler, i mest extrema fall (99-percentilen), motsvarar <1% av fiskets utkast. Oavsett dämpningsmetod ger dämpad pålning mycket begränsade skador och inte ens i extremfall kan förväntas några effekter på torskbeståndets återväxt, som för närvarande sker i en takt av storleksordningen 5-10% per år [15]. 1 Enligt ICES [15] beräkningar innehöll lekbiomassan torsk i Kattegatt individer (med 95% konfidensintervall individer) år 2011, vilket utgör beräkningsunderlaget för att sätta de upp till 600 skadade könsmogna torskarna i proportion. År 2012 hade lekbiomassan ökat med c:a 50% (vilket ej tagits med i beräkningarna eftersom övrig data (t ex torskförekomst i det specifika området) ej finns tillgänglig för år 2012). 2 Antalet potentiellt skadade juveniler, här redovisat som extremfallet 99% övre percentil, har satts i relation till fiskets utkast eftersom det saknas uppgifter över totalantalet juvenil torsk. Den årliga rekryteringen till beståndet var ton torsk år Men denna uppgift är osäker och den naturliga dödligheten är hög i torskens tidigaste livstadier, vilket gör den svår att direkt relatera till antalet skadade juveniler (0-2 års ålder). 8

9 Slutsats Antalet torskar som beräknas ta skada av pålningsarbetet är lågt även utan dämpning, särskilt i relation till fiskeriuttag och beståndsvariationer. I extremfall, där alla osäkra faktorer samverkar mot en hög skadeverkan, kan beståndspåverkan emellertid inte helt uteslutas (enligt bedömning utan tillgång till fiskpopulationsmodell). Används någon utav de undersökta dämpningsmetoderna sjunker mängden potentiellt skadad torsk i jämförelse med odämpad pålning. Även i mest extrema fall kommer mängden skadad torsk att ligga mycket långt under beståndets årsfluktuationer och utgöra endast en oansenlig liten del av fiskets uttag. Båda dämpningsmetoderna bedöms vara tillräckliga för att utesluta att pålningsarbete inom Kattegatt Offshore skall kunna hindra eller fördröja torskens återväxt. Kofferdam är den effektivaste dämpningsmetoden, men om dämpning skall användas bör valet mellan de två metoderna hellre göras på tekniska grunder då den ekologiska riskreduktionen får anses fullgod för båda metoderna. Egen bedömning kan emellertid göras utifrån Tabell 1. Referenser [1] L. Hammar, Riskbedömning för torsk vid Kattegatt Offshore, in, Marine Monitoring AB, Lysekil, [2] A. Wikström, J. Hammar, Karakterisering av ekologiska risker och konsekvenser i havsmiljön vid etablering av Kattegatt Offshore, in, Marine Monitoring AB, Lysekil, 2012, pp. 75. [3] T. Bedford, R. Cooke, Probabilistic Risk Analysis: Foundations and Methods, Cambridge University Press, New York, [4] R.J. Urick, Propagation of sound in the sea: Transmission loss, I, in: Principles of Underwater Sound, McGraw-Hill, New York, 1983, pp [5] M. Almgren, Kattegatt Offshore - Beräkning av undervattensljud i driftskedet, in, ÅF- Infrastructure AB, Göteborg, [6] K. Betke, Measurement of wind turbine construction noise at Horns Rev II, in, Report No a-KB, [7] S.J. Parvin, J.R. Nedwell, Underwater noise survey during impact piling to construct the Burbo Bank Offshore Wind Farm, in, COWRIE, 2006, pp. 5. [8] A. Stokes, Mitigation of Underwater Pile Driving Noise During Offshore Construction: Final Report, in, [9] F. Wilke, K. Kloske, M. Bellman, ESRa - Evaluation von Systemen zur Rammschallminderung an einem Offshore-Testpfahl, in, [10] J. Nedwell, A. Turnpenny, J. Lovell, S.J. Parvin, R. Workman, J.A.L. Spinks, D. Howell, A validation of the dbht as a measure of the behavioural and auditory effects of underwater noise, in, Subacoustech, [11] R.A. Kastelein, S.v.d. Heul, W.C. Verboom, N. Jennings, J.v.d. Veen, D.d. Haan, Startle response of captive North Sea fish species to underwater tones between 0.1 and 64 khz, Marine Environmental Research, 65 (2008) [12] M.H. Andersson, Offshore wind farms - ecological effects of noise and habitat alternation on fish, in: Department of Zoology, Stockholm University, Stockholm, [13] M.H. Andersson, P. Sigray, L. Lund, FOI Memo 3224 Ljud- och magnetfält vid Blekinge Offshore vindkraftspark, in, FOI, 2011, pp. 18. [14] SLU, Evaluation of closed areas in Kattegat to promote the rebuilding of the cod stock, in, Institute of Marine Research, Swedish University of Agriculture, [15] ICES, ICES WGBFAS REPORT 2012: Report of the Baltic Fisheries Assessment Working Group 2012 (WGBFAS), in, ICEC Headquarters Copenhagen, 2012, pp