A framework for regulating underwater noise during pile driving

• Pile driving is a common technique used during the construction of bridges, offshore wind power, and underwater infrastructure or shoreline structures. It is the process by which a foundation, beam or pole is hammered or vibrated down into the bottom, which can generate extremely loud noise that propagates throughout the surrounding water and sediment. The noise can reach such high levels that marine animals are at risk of disturbance, injury or even death.Sweden currently lacks established thresholds stating the level at which underwater noise potentially disturbs or injures marine animals. Hence, there are no guidance values for allowable underwater noise levels from noiseproducing activities to avoid serious environmental impacts. Several countries in Europe have defined thresholds for when underwater noise can result in severe negative environmental impacts as well as standards for measuring, analysing and reporting underwater noise levels.The purpose of this study is to review the scientific literature on underwater noise from pile driving and its effects on marine life. The study aims to define the noise levels that can cause injury and other negative effects and, on this basis, recommend noise levels that can be used to establish guidance values for regulating underwater noise for Swedish waters and species. The study presents examples of the factors that contribute to sound propagation in Swedish waters and how this influences the noise level from a pile strike as a function of distance at four study areas along the Swedish coast. Additionally, the study contains a thorough technical description of pile driving activities, basic underwater acoustics and noise effects on marine animals. These effects (injury and behavioral, e.g., flight, but not subtle effects) are demonstrated on representative species such as the harbour porpoise (Phocoena phocoena), Atlantic cod (Gadus morhua), Atlantic herring (Clupea harengus) and on fish larvae and eggs. The study’s authors look atthe original sources of information that other countries base their guidelines and thresholds on, so the recommendations follow scientifically determined levels rather than values that have been rounded off or otherwise altered.The study presents sound levels in three different units, each with different biological relevance to the effects caused by a pile driving activity. None of the sound levels have been frequency weighted for a specific species, as this method is not yet fully established. The first unit used is the sound pressure level SPL(peak), which is the maximum overpressure or underpressure of the noise pulse generated by the pile strike. This unit has a high relevance for behavioural effects. The sound exposure level, SEL, is the calculated energy level over a period of time and expresses the energy of the entire sound pulse. SEL is the unit most related to hearing impairing effects. SEL(ss) is the value for a single strike while SEL(cum) is the cumulative value of a determined number of pulses over a period of time. The review revealed that for Atlantic cod and Atlantic herring there are currently no studies that can be used to determine a species’ specific threshold value for injury, but studies show that loud noise can affect both species negatively. Because of this, the recommended noise levels for injury are based mainly on studies on other species exposed to pile driving noise in laboratory environments, supported by studies conducting large-scale experiments in tanks and oceans. The levels at which fish are at risk of death or sustaining serious injury to internal organs is SPL 207 dB re 1 μPa, SEL(ss) 174 dB re 1 μPa2s and SEL(cum) 204 dB re 1 μPa2s. Note that for injury in fish, the cumulative sound exposure level has higher relevance than the single-strike level as the cited studies found injuries after a certain time period of exposure. The thresholds for fish larvae and eggs are based on the fact that no negative effects were observed at exposures of up to SPL(peak) 217 dB re 1 μPa, SEL(ss) 187 dB re 1 μPa2s and SEL(cum) 207 dB re 1 μPa2s. However, there are relatively few studies on early life stages of fish. There are more species-specific studies on harbour porpoises regarding noise than there are for Atlantic cod and Atlantic herring. Nonetheless, only a few can be used to determine thresholds that will lead to injury or negative behavioural effects. The levels at which there is a risk of a temporary impact on hearing, i.e. temporary threshold shift (TTS), for the harbour porpoises is SPL(peak) 194 dB re 1 μPa, SEL(ss) 164 dB re 1 μPa2s and SEL(cum) 175 dB re 1 μPa2s. When it comes to TTS, the cumulative sound exposure level, SEL(cum), is of primary importance. However, this unit is dependent on a specific time and number of pulses. For permanent threshold shift (PTS), the level is set to SPL(peak) 200 dB re 1 μPa, SEL(ss) 179 dB re 1 μPa2s and SEL(cum) 190 dB re 1 μPa2s. The recommended level should be revised as new relevant studies are conducted.

• Vid byggnation av broar, havsbaserad vindkraft och andra havsbaserade eller strandnära konstruktioner används det oftast någon form av pålningsteknik för att få ner konstruktionen i botten. Detta innebär att ett fundament, balk eller spont hamras eller vibreras ner i botten, vilket kan generera mycket höga ljudnivåer som sprids ut i vattnet och ner i botten. Ljudnivåerna är så höga att marina organismer kan störas, skadas eller till och med dödas. Idag saknar Sverige fastställda ljudnivåer för när undervattensbuller blir så högt att de kan skada djur i havet. Det saknas därför också vedertagna begränsningsvärden som anger vilka nivåer av undervattensbuller som kan tillåtas för bullrande aktiviteter utan att riskera allvarliga miljöeffekter. Flera länder i Europa har någon form av gränsvärden för när bullernivån under vattnet kan ge upphov till allvarlig miljöpåverkan liksom standarder för hur undervattensbuller skall mätas och rapporteras. Syftet med denna studie var att ta fram ett vetenskapligt underlag rörande ljudet från pålning i havet och dess påverkan på det marina livet. Slutmålet var att utifrån den vetenskapliga information som finns idag ge förslag på ljudnivåer för skador och negativ påverkan som sedan kan användas för att ta fram begränsningsvärden för reglering av undervattensbuller anpassade för svenska vatten och arter. Studien ger ett antal exempel på vilka faktorer som påverkar ljudutbredningen i svenska vatten och hur detta påverkar ett pålningsslags ljudnivå som funktion av avstånd i fyra typområden kring den svenska kusten. Vidare presenteras ingående både tekniska beskrivningar av pålningsaktiviteter, undervattensakustik samt påverkan på marina djur. Denna påverkan (skada och flyktbeteende men ej subtila effekter) demonstreras med hjälp av ett antal typarter som tandvalen tumlare (Phocoena phocoena) och fiskarterna torsk (Gadus morhua) och sill (Clupea clupea) samt fiskägg och fisklarver. I denna studie har författarna gått tillbaka till de originalkällor av information som andra länders gränsvärden grundas på, så att rekommendationerna bygger på vetenskapliga nivåer och inte värden som har avrundats eller på annat sätt ändrats.Studien presenterar ljudnivåer i tre olika enheter då dessa har olika biologisk relevans för påverkan från en pålningsaktivitet. Inga av dessa värden har frekvensviktats för att anpassas för en specifik art då denna metod ännu inte är helt vedertagen. Den första enheten är ljudtrycksnivå SPL(topp), d.v.s. det maximala över- eller undertryck som den av pålningsslaget genererade ljudpulsen har. Denna enhet har hög relevans för beteendepåverkan. För ljudexponeringsnivå SEL, beräknas ljudnivån över en viss tid och tar då med energin i hela ljudpulsen. SEL är den enhet som visats vara bäst relaterad till hörselskador. SEL(enkel) är värdet för en enkel puls och för det kumulativa SEL(kum) har antalet pulser under en viss tid summerats.Litteraturstudien på torsk och sill visar att det i dagsläget inte finns några studier som kan användas för att fastställa en artspecifik ljudnivå för skada men litteraturen visar tydligt på att höga bullernivåer kan påverka torsk och sill negativt. Istället baseras de föreslagna nivåerna i huvudsak på studier på andra arter som har exponerats för pålningsljud i laboratoriemiljö med stöd av studier från mer storskaliga experiment i tankar och hav. De nivåer då fisk riskerar att dödas eller få allvarliga skador på inre organ är 207 dB re 1 μPa SPL(topp), 174 dB re 1 μPa2s SEL(enkel) och 204 dB re 1 μPa2s SEL(kum). Notera att för skada på fisk har det kumulativa värdet högre relevans än enkelvärdet för SEL eftersom studier visar att skador uppkommer efter en viss tids exponering. Nivåerna för påverkan på fiskägg och larver grundas i att inga negativa effekter har observerats vid exponering för ljudtryck från pålning upp till 217 dB re 1 μPa SPL(topp), 187 dB re 1 μPa2s SEL(enkel) och 207 dB re 1 μPa2s SEL(kum). Det finns emellertid mycket få studier relaterat till pålningsljud för dessa livsstadier. För tumlare finns det fler artspecifika studier gjorda relaterat till buller än för torsk och sill. Det är dock endast ett fåtal som kan användas för att bestämma ljudnivåer som leder till skada eller negativ beteendepåverkan. De ljudnivåer som riskerar ge tillfällig hörselnedsättning (TTS) hos tumlare är 194 dB re 1 μPa SPL(topp), 164 dB re 1 μPa2s SEL(enkel) och 175 dB re 1 μPa2s SEL(kum). Det är framförallt den kumulativa ljudexponeringsnivån SEL(kum) som har stor betydelse för just TTS, dock hänger detta värde ihop med en specifik tid och antalet pulser vilket kan vara svårt att uppskatta i förväg. Vidare avseende permanent hörselskada (PTS) är ljudnivån 200 dB re 1 μPa SPL(topp), 179 dB re 1 μPa2s SEL(enkel) och 190 dB re 1 μPa2s SEL(kum). Föreslagna nivåer bör uppdateras när nya relevanta forskningsstudier tillkommer.

Subject headings

NATURVETENSKAP  -- Geovetenskap och miljövetenskap -- Miljövetenskap (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Earth and Related Environmental Sciences -- Environmental Sciences (hsv//eng)

Keyword

Fish

egg

larvae

frequency

techniques

Vindval

Publication and Content Type

vet (subject category)

rap (subject category)