1、中华白海豚在水下钻孔爆破工程施工环境下的保护摘 要：通过对水下爆破能量的传播方式、特性及国内外有关研究试验成果分析，阐述了水下爆破效应对海洋生物的损害机理及造成损害的主要因素，结合工程实例，介绍了保护白海豚等水生物的具体措施和方法，为类似工程提供借鉴。 关键词：中华白海豚 水下钻孔爆破 保护 冲击波 水下爆破作为一种工程施工措施，广泛应用于内河和海洋工程，主要是为了炸除礁石，达到增加水深拓宽航道的目的，在航道疏浚整治、港口建设改造等水运工程中发挥着越来越重要的作用。 但是水下爆破所凸现的负面效应不能小视，它对周围环境的危害范围比在陆地上更广，不单对水中、岸边建筑物、一定水域范围内的设备、人员产
2、生严重危害，更会对水中生物造成致命伤害，近年来厦门周边海域不断增多的海洋工程对中华白海豚等海洋生物的种群生存构成了严重威胁。 1.白海豚的生理习性 中华白海豚是国家一级保护动物，为鲸类水生物，属哺乳类动物，摄食消化系统与陆上哺乳动物一样，拥有牙齿、食道、胃、肝、脾、肠。用肺呼吸，眼睛较小，视力较差，拥有复杂的回声定位系统，反应极其迅速准确，可以测出前面物体的大小、形状、密度结构和属性，并作出判断和反应。喜欢栖息在亚热带海区的河口咸淡水交汇水域，在我国主要分布在东南部沿海，厦门白海豚主要分布在厦门的西港、鸡屿、海门岛及目屿附近。 2.水下钻孔爆破施工工艺及对白海豚的影响 2 . 1 水下钻孔爆破
3、施工工艺 水下钻孔爆破是水下爆破的一种形式，这种方法能充分利用炸药的能量去破碎岩体，爆破效果较好，爆破单位体积岩石消耗的炸药量及爆破产生的冲击波相比其它水下爆破方法小。随着水下爆破施工技术的不断发展进步，这种方法在工程量大或深水下的岩层开挖工程中优势明显，已经成为现代水下岩石工程爆破的主要方法。 水下钻孔爆破一般采用钻机船作为施工平台，船体一侧安装潜孔冲击钻机，配备适宜的空压机。施工时，钻机船通过抛设的锚缆加以固定，并通过松紧锚缆进行移船定位；靠水下套管的保护，潜孔冲击钻对水下岩体进行冲击钻孔，钻探形成完整的炮孔；每一孔钻探完成符合设计要求后，在孔内填装条形炸药，炸药内安放非电导爆管雷管，然后
4、重复上述步骤；当全部炮孔完成装药后，将所有非电导爆管雷管联接，接上主线即可引爆。 2 . 2 水下钻孔爆破能量的传播方式 水下钻孔爆破是炸药在水下发生的一种激烈迅速的化学物理变化过程，炮孔内的炸药在窄小的空间瞬间释放出巨大的能量，形成高温、高压、高速的爆炸产物，强烈地冲击周围介质，并向四周传播扩散。炸药爆炸时，首先是爆轰形成岩体动应力场，引起岩体变形破碎，后随而来的爆轰气体膨胀作功，对岩体进行复杂的应力作用，使岩体遭到破坏。这一过程中岩体瞬间受到外界极大冲击载荷，形成岩石中的应力波，它以地震波的形式向外传播。 当爆破产物以极高速度向周围分散时，强烈地压缩药包附近的水介质，由于水的压缩性很小，它
5、积蓄能量的能力有限，水体就成为传导压力波的良好介质。爆炸形成了高温、高压的爆炸气态产物，压力远远超过了周围水介质的静压，使周围水介质的压力、密度、温度突跃升高，形成以超声速向外传播的间断面，这就是水中冲击波。 爆破冲击波产生后，爆破产物还以低于冲击波的速度向四周运动，在水中以气泡的形式存在并继续膨胀，推动周围的水作径向流动。气泡内的压力随着体积膨胀不断下降，降到周围介质的静压时也不停止。由于水流的惯性运动，周围的水开始反向运动，向中心聚合压缩气泡，气泡内压力又逐步升高至高于周围静压力，一直到气体的弹性阻止气泡压缩而达到新的平衡为止，这就是气泡的脉动。这种脉动会持续多次，直到气泡消失，气泡脉动时
6、，水中会形成压力波和稀疏波。 2 . 3 水下爆破对白海豚等水生物的影响 水下爆破所产生的爆破地震、水中冲击波、气泡脉动、噪音、有害气体和混浊水体，都会对白海豚等水生物产生负面效应，此文仅对爆破地震、水中冲击波的影响作论述。 2 . 3 . 1 爆破地震的影响 水下地震效应会引起水下生物的应激反应，产生焦虑、燥动、恐惧等症状；气泡脉动会使水中结构受到气泡载荷破坏作用，气泡运动引起的滞后流以及脉动压力、气泡坍塌形成的射流，都会对结构造成破坏或局部损伤；水下爆破噪音正逐渐成为海豚、鲸鱼的潜在杀手，许多海洋动物依靠敏锐的听觉和复杂的发音系统进行日常活动，如导航，定位，觅食，接连不断的水下爆破噪音降低
7、了这些海洋动物捕食的成功率，影响它们的正常生长、繁殖、觅食，影响它们的长期行为，危及它们的生存能力；水下爆破所产生的有害气体及混浊水体会恶化周围环境，影响附近的水下自然生态系统，威胁海洋生物资源，爆破扬起的大量悬浮物颗粒、震荡挥发出的水底原有积聚的有毒有害重金属，溶解性污染物，更易造成二次污染，不同程度上毒害水生物，干扰水生物正常活动，影响呼吸、食欲、繁衍等行为。 2 . 3 . 2 水中冲击波的影响 水中冲击波对水生物及白海豚的危害更甚，相比于空气中产生的冲击波，水中冲击波强度更大，传播距离更远，作用范围更广，当冲击波接触到水生物的流体组织与气腔的界面时，冲击波可直接将空腔击破。研究表明，极
8、易受到冲击波损伤的部位是鳔、血管、肾、肝、脾等器官。大量实验显示，大部分水生物对水下爆破的适应能力弱，抗震性差，当遭到一定强度的冲击波时，极易致死或受伤。中科院水生物研究所、厦门国家海洋局第三海洋研究所研究人员曾对一头在厦门海沧温厝村滩头发现的死亡幼年白海豚进行病理解剖及死因分析，发现白海豚生前还在捕食，但多处皮下肌肉层大面积出血，胃肠道桨膜严重淤血或充血，大脑膜也大面积出血，判断为受水下强烈震动死亡，与水下爆破不无关系。珠江口中华白海豚国家级自然保护区管理局的工作人员曾通过解剖搁浅死亡白海豚的尸体发现，死亡海豚有肌肉充血现象，不排除是水下爆破造成。 随着人们对水下爆破越来越多的研究和探索，对
9、水下爆破能量传播特性有了更深刻的了解，对水生物受到损害机理有了更多的认识。许多学者试图通过实验数据、理论分析和动力学模型找出药量、距离、水深、冲击波压力与环境之间的关系，建立理论或半经验公式，找出在水下爆破中保护水生物的有效途径。 蒋玫等在洋山港航道炸礁工程中进行了水下钻孔爆破试验，结果显示冲击波压力随着距离的增大而衰减，生物的致死率随着距爆源的距离增大而减小，冲击波的大小与生物致死率存在正相关，冲击波压力越大，鱼类越容易死亡。 许鹭芬等在湄洲湾火电厂水下工程爆破区相同地点不同水深进行了水下爆破的声压测量，研究水下爆破产生的冲击波强度与震源的水深关系，得出水深越大，爆破产生的剖面波强度越大的结
10、论。 赵根等在三亚进行了两次水下裸露药包爆破冲击波测试，测得距爆源中心 300、500、700 米处的水中冲击波峰值分别为0.293、0.075、0.058MPa，揭示超压峰值随距爆源距离的增大呈指数衰减的规律，测试认为水中冲击波超压低于 0.316 MPa 对鱼类是安全的。 国外学者 Young 在水深较浅的的条件下，针对有鳔鱼类，不采取任何减轻爆炸影响的措施，在鱼类有 90%存活率的情况下，根据实验数据推导出水下爆破（炸药悬于水中，类似爆夯）对有鳔鱼类安全距离的计算公式： R=42.3Wf-0.13W0.28dw0.22 式中 R 为安全距离（m） ，Wf 为鱼的重量（kg） ，W 为炸药
11、重量（kg） ，dw 为爆炸发生处的的深度（m） 。这表明，炸药量、水深越大，安全距离要求越大，个体越小的同种鱼类越容易受到伤害。该公式虽然仅局限于有鳔鱼类，并且对爆破环境边界界定模糊，没有全面考虑各种制约因素，但仍不失为比较完善的经验公式，对我们采取有效措施保护白海豚等水生物提供了参考借鉴。 海军某学院的实践和理论研究表明，水下生物遭受水下爆破的伤害都有相似性，水下爆破对水生物的伤害程度，主要取决于水下爆破产生的冲击波的超压峰值 Pm，冲击波的超压峰值是衡量水生物安全标准的指标之一，其值与炸药量、距离的关系如下： Pm=k（Q1/3/R） 式中系数 k、 值与爆源性质和炸药品种有关，Q 为炸
12、药质量（kg） ，R 距离（m） 。从上述关系式可知，所有海洋生物受水下爆破的伤害程度，与安放的炸药量大小及距离爆源的远近程度关系密不可分。 3.水下钻孔爆破施工环境下保护白海豚的工程措施 随着人们对自然环境、海洋资源和濒危物种重要性认识的不断加深，中华白海豚的保护越来越受到社会的关注和重视，在水下爆破工程中如何降低甚至消除有害效应对水生动物特别是对白海豚的影响，已成为工程技术人员普遍关注的重点。下面以厦门海沧三期航道水下钻孔炸礁工程为例，介绍水下钻孔爆破施工中从钻孔机械的选择、炸药选择、药量控制等各方面对保护白海豚采取的针对性保护措施。 3 . 1 工程概况 厦门海沧三期航道范围内已探明的礁
13、石区共有 9 块，其中有 3 块面积较大，另外六块呈零星分布。嵩屿航段有 4 块礁石，其余 5 块礁石位于 7#泊位航段内。13#泊位船舶回旋水域内有 1 块礁石。47#泊位船舶回旋水域内共有 5 块礁石。该项目工程量 5 万多 m3，平均岩层厚度 2 m（不含钻孔超深） ，低潮水深 12.5m，潮差 56 m，炸礁区处于白海豚活动较为频繁的鸡屿附近海域。全部处于白海豚活动较为频繁的鸡屿附近海域，其保护便尤为重要和困难。 3 . 2 钻孔机械的选择 施工单位有两种型号的潜孔冲击钻，一种为 165 型，一种为 115型，本工程选择相对较小的 115 型。一般地，小孔径爆破比大孔径爆破其孔网参数要
14、密，即孔距和排距比大孔径的小，实质上起到了密布孔少装药的作用，实现分散布药的效果，一方面既可以减少单孔装药量，节省材料，同时也可以大为减小水下爆破效应，有利于对白海豚等水生物的保护。 3 . 3 炸药的选择 从适宜水下爆破、安全性好、毒性小的角度考虑，本工程选择使用济南四五六厂生产的 95 高能乳化炸药（密度 1.151.25g/cm3、爆速4500m/s、猛度16mm、殉爆距离8cm、作功能力340ml） ，该种炸药抗水性能好，无毒害，可以较长时间浸泡在水中，特别适宜水下爆破作业，爆后炮烟少，对环境污染小。 3 . 4 药量控制 药量单耗控制在 22.5kg/m3 ，平均每孔装药量 32 k
15、g 左右。根据厦门爆破专家组意见，为有效保护白海豚，必须控制单响最大用药量，最大单响药量不能超过 138kg。控制一次起爆药量的目标非常明确，就是为了减小水中冲击波峰值压力，因为水下冲击波峰值压力以一次最大单响药量来估算。专家组所制定的用药限量，是建立在科研实践和实测推算的基础上，认为在辅以其它物理驱赶方法将白海豚驱赶至一定距离的情况下，该药量对白海豚的影响是安全的。因此，根据本工程钻孔装药的实际情况，严格按专家组的意见将单响药量控制在允许范围内，以每四孔或三孔联为一个段别，防止因用药不当超出规定上限，造成对白海豚伤害。 3 . 5 起爆方法 采用孔内反向起爆，孔外微差爆破的起爆方式。所谓孔内
16、反向起爆，就是把非电导爆管雷管安放在柱状炸药的底部，把雷管的的聚能穴朝向孔口，雷管首先将底部炸药引爆，爆轰波从底部向孔口方向传递。这一方法可提高炸药的爆破效能，加强岩石的破碎效果；同时，孔口段后爆的炸药无形中成为堵塞段，先期爆轰气体被闭封在炮孔内，使得爆炸压力高，作用时间长，大部分能量用在破碎岩石上，而破碎的岩体又有吸收减弱水下冲击波的作用，从而起到减小冲击波强度的效果。 孔外微差爆破就是相邻每三至四孔联为一个段别，段别之间微差间隔 25ms，面向保护水域最近的炮孔首先起爆，然后其它炮孔顺序起爆。微差爆破产生的地震效应和冲击波比齐发爆破要小得多，且其地震波能量在时间上和空间上分散的，能降低地震
17、和水中冲击波的有害效应，当前排药包起爆后，松动周围坚固的岩石，使之变成松散石体，这些松散碎石具有吸收多余能量的作用，后排药包起爆时，冲击波会被松散碎石体吸收，因此减小了冲击波的危害程度，在一次总起爆药量不变的情况下，采用微差起爆，合理控制单响起爆药量及微差起爆时间，可有效降低爆破水冲击波及爆破地震水压力效应影响，有利于保护白海豚等水生物少受影响。 3 . 6 爆破时段 爆破时段原则上选择在低潮平潮期，避免在晨昏期间爆破，这主要因为白海豚在潮涨潮落时有觅食习惯，在晨昏时活动也相对频繁。选择低潮平潮时爆破也可以减小爆破冲击波，因为低潮与高潮时的水深有56m 的高差，在低水位的情况下爆破气体更容易迅
18、速突入大气在水面形成喷柱，爆破能量容易散逸到空中，也不易产生气泡脉动现象，冲击波强度相比高潮时要小得多。避免在晨昏爆破主要是基于观察、监测方面的考量，晨昏时段能见度相对较小，不利于海面观察，难于发现水面活动的目标，不利于白海豚的保护。 3 . 7 防控措施 3 . 7 . 1 加强观测 在大屿岛、鼓浪屿附近水域设置观测船，委托经过培训的观测人员每天对施工区域中华白海豚活动的情况进行观测、做好记录，以便及时进行施工调整，并按月将观测记录表和示意图及时报厦门市海洋与渔业局备案，以备查询。 3 . 7 . 2 加强?望 施工过程及起爆前派专人在驱赶船和施工船上?望，如发现白海豚出现在施工海域，停止爆
19、破作业，用对讲机和现场指挥员联系。现场指挥员立即和厦门市海洋与渔业局保护办联系，共同制定驱赶措施，对中华白海豚进行驱赶，直到赶离爆破中心 2000m 以外，确定白海豚离开后才能起爆。 3 . 7 . 3 声墙法驱赶 采用声墙驱赶法通过人为制造的声墙来驱赶中华自海豚滞留或阻止其进入爆破危险区。与经过专业培训、具有上岗资格的声墙驱赶队伍签订白海豚驱赶委托协议，委托其进行起爆前的白海豚驱赶工作，并对其驱赶过程进行督促。具体的做法是：在驱赶船船舷两侧，每隔 0.51m 设立好一根 2m 长、直径 30mm50mm 的竹竿，并插入水中 20cm40cm。根据船的长度而确定竹竿的根数，一般 7 根左右，立
20、竿上、下端设置横竿，将立竿连接成竹排。8 艘驱赶船由爆破点向外呈扇形排开，采用“s”型线路缓慢行驶，船上派专人按从第一根立竿敲到最后一根，再由最后一根敲到第一根的程序往复敲打竹竿，不断变换船速，制造出不规则的噪声，形成持续不断的声墙。船向爆点以外开出约 2000m 方可停下，并继续横向敲打竹竿，直到爆破结束。 3 . 7 . 4 噪音法驱赶 在进行声墙法驱赶白海豚的同时，将船上空气压缩机排气软管插入水中，开动空压机，使空压机排气噪音传入水中，空压机噪音对白海豚也有一定的驱赶效果。 3 . 8 应急预案 与国家海洋局第三研究所签订自海豚救护协议，以保护在施工过程中意外受伤的白海豚能够得到及时有效的救治。应急预案主要包括处置原则，救援程序，施工单位应急组织机构、职责，预防措施，现场应急
