周鑫 盧力 胡笑滸
歐盟環(huán)境噪聲預(yù)測(cè)模型CNOSSOS-EU之道路交通噪聲源強(qiáng)預(yù)測(cè)模型簡(jiǎn)介
周鑫 盧力 胡笑滸
介紹了歐盟最新環(huán)境噪聲預(yù)測(cè)方法CNOSSOS-EU中的道路交通源強(qiáng)預(yù)測(cè)模型。CNOSSOS-EU方法于2012年8月發(fā)布,包括工業(yè)、道路交通、鐵路、機(jī)場(chǎng)四類模型。介紹了道路交通噪聲模型的源強(qiáng)計(jì)算方法,該方法考慮了車型、聲源簡(jiǎn)化以及路面材料與結(jié)構(gòu)、車速變化、溫度、坡度等因素;與我國(guó)聲環(huán)境預(yù)測(cè)中所采用的道路交通噪聲模型進(jìn)行了對(duì)比和分析,可供我國(guó)開展進(jìn)一步的公路環(huán)境噪聲影響評(píng)價(jià)研究借鑒參考。
環(huán)境噪聲預(yù)測(cè);道路交通噪聲;噪聲預(yù)測(cè)模型
歐盟于2002年6月頒布了《環(huán)境噪聲指引2002/49/ EC》 (Environmental Noise Directive 2002/49/EC),要求各成員國(guó)進(jìn)行環(huán)境噪聲預(yù)測(cè),繪制城市噪聲地圖,發(fā)布噪聲污染情況,并要據(jù)此制定防治措施。在第一輪和第二輪各國(guó)城市噪聲地圖繪制中,因其采用模型不同,導(dǎo)致噪聲地圖差異較大,不能進(jìn)行比較。
歐盟認(rèn)為評(píng)估噪聲水平是改善聲環(huán)境的重要前提,繪制噪聲地圖可幫助歐盟各成員國(guó)對(duì)比噪聲污染情況數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),《環(huán)境噪聲指引2002/49/EC》第6.2條規(guī)定,環(huán)境噪聲評(píng)估需要統(tǒng)一的方法框架。因此2009年歐盟委員會(huì)決定開發(fā)CNOSSOS-EU模型,其中包括道路交通、鐵路交通、飛機(jī)和工業(yè)噪聲。它基于歐盟最先進(jìn)的科學(xué)、技術(shù)和環(huán)境噪聲評(píng)估實(shí)踐知識(shí),同時(shí)考慮了周期性進(jìn)行噪聲預(yù)測(cè)時(shí)的成本問題。CNOSSOS-EU歐盟方法框架的核心[1]由以下部分組成:
(1)目標(biāo)和要求的質(zhì)量框架;
(2)描述了道路交通、鐵路交通、工業(yè)噪聲源排放和聲音的傳播;
(3)飛機(jī)噪聲預(yù)測(cè)和其相關(guān)信息數(shù)據(jù)庫(kù);
(4)建筑物人口數(shù)據(jù)和建筑物外墻的噪聲等級(jí);
(5)“CNOSSOS-EU的使用指導(dǎo)”的概念和范圍,CNOSSOS應(yīng)該在實(shí)施階段得到充分開發(fā)。
歐盟CNOSSOS-EU模型研發(fā)包括三個(gè)階段:第一階段為模型方法框架研究,第二階段為模型工具和驗(yàn)證研究,第三階段為模型的應(yīng)用階段。歐盟有近150名噪聲專家參與了模型的研發(fā)工作。2010—2012年為CNOSSOS-EU預(yù)測(cè)模型的基礎(chǔ)研發(fā)階段,計(jì)劃于2012—2015年執(zhí)行,最終目標(biāo)是作為歐盟通用的環(huán)境噪聲預(yù)測(cè)模型,以期應(yīng)用于2017年歐盟新一輪環(huán)境噪聲預(yù)測(cè)和噪聲地圖繪制。
本文主要針對(duì)道路交通源強(qiáng)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行討論。歐盟CNOSSOS-EU道路交通預(yù)測(cè)模型提供了一個(gè)理論框架,其算法基于數(shù)學(xué)、物理理論以及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上推導(dǎo)和建立,模型算法考慮了不同車型的差異,分析了滾動(dòng)噪聲與動(dòng)力系統(tǒng)噪聲的影響,并討論了路面、車速、溫度、坡度等因素的影響。該模型值得我國(guó)環(huán)境噪聲領(lǐng)域工作者學(xué)習(xí)與借鑒,以深入開展道路交通噪聲源強(qiáng)模型的研究工作。
1.1 聲源描述
不同類型的車輛組成了車流,這些車輛發(fā)出的噪聲形成了道路交通噪聲。按照車輛噪聲排放的特點(diǎn)將其分為5類,如表1所示。其中,類別1~4為輕型、中型汽車、重型汽車和兩輪車,并預(yù)留一個(gè)類別5,以便日后增加新的車型。
1.2 聲源簡(jiǎn)化
在聲功率測(cè)定和噪聲傳播過程中,通常需要將聲源簡(jiǎn)化為1個(gè)或多個(gè)點(diǎn)聲源。模型將每輛車簡(jiǎn)化為1個(gè)點(diǎn)聲源,聲源距路面高度為0.05 m,如圖1所示。
表1 車輛分類
圖1 車輛簡(jiǎn)化為點(diǎn)聲源
在進(jìn)行道路交通噪聲預(yù)測(cè)時(shí),歐盟CNOSSOS-EU模型考慮了滾動(dòng)噪聲和輪胎噪聲的影響,并考慮了道路材料與結(jié)構(gòu)、車輛加速或減速、溫度、以及坡度等因素的影響,此外模型還分析了防滑釘輪胎和道路使用壽命的影響,車輛輻射聲級(jí)計(jì)算公式為:
其中:
LW,i,m(vm):車輛輻射噪聲級(jí),單一車輛滾動(dòng)噪聲和動(dòng)力系統(tǒng)噪聲之和;
Δ Lroad,i,m:路面結(jié)構(gòu)與材料對(duì)車輛噪聲影響的修正項(xiàng);
Δ Lacc,i,m:速度對(duì)車輛噪聲影響的修正項(xiàng);
Δ Lw,temp(τ):溫度對(duì)車輛噪聲影響的修正項(xiàng);
Δ Lgrad,i,m:坡度對(duì)車輛噪聲影響的修正項(xiàng)。
2.1 車輛的輻射聲級(jí)
車輛噪聲主要來源于兩方面:首先是輪胎與地面相互作用產(chǎn)生的滾動(dòng)噪聲;其次是車輛動(dòng)力系統(tǒng)噪聲,包括發(fā)動(dòng)機(jī)、排氣管、進(jìn)氣管等。當(dāng)車速介于20~130 km/h時(shí),車輛輻射聲級(jí)為:
其中,Ai,m和Bi,m為常數(shù),是與車速相關(guān)的函數(shù),在滾動(dòng)噪聲和動(dòng)力系統(tǒng)噪聲中為對(duì)數(shù)函數(shù),在動(dòng)力系統(tǒng)噪聲中為線性函數(shù)。
當(dāng)m=1、2、3時(shí),車輛聲功率為滾動(dòng)噪聲和動(dòng)力系統(tǒng)噪聲的能量總和:
其中,輪胎噪聲:
動(dòng)力系統(tǒng)噪聲:
式中,Vref為參考車速通常取70km/h。
當(dāng)m=4時(shí),即車型為兩輪車時(shí),噪聲主要來源于動(dòng)力系統(tǒng)噪聲,輻射聲級(jí)為:
2.2 路面材料與結(jié)構(gòu)修正
路面材料與結(jié)構(gòu),對(duì)車輛輻射噪聲有較大影響。歐盟各國(guó)的路面材料和結(jié)構(gòu)差異很大,對(duì)輪胎滾動(dòng)噪聲影響顯著;多孔表面有一定的吸聲作用,故也會(huì)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)噪聲的傳播有一定影響。對(duì)于普通路面,路面材料和結(jié)構(gòu)的修正項(xiàng)只考慮對(duì)輪胎噪聲的影響;對(duì)于多孔路面,路面材料和結(jié)構(gòu)影響的修正項(xiàng)需要同時(shí)考慮輪胎滾動(dòng)和動(dòng)力系統(tǒng)的影響,如下式所示。
路面結(jié)構(gòu)與材料對(duì)于輪胎噪聲影響的修正計(jì)算公式為:
其中,αi,m為對(duì)于不同車輛類型的倍頻程修正(125~4 000 Hz,單位dB);βm為速度對(duì)輪胎噪聲影響的參數(shù),通常為常數(shù)。
多孔路面對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)噪聲影響的修正計(jì)算公式為:
2.3 車速修正
車輛加速或減速(尤其到達(dá)或離開十字路口時(shí)),對(duì)車輛輻射聲級(jí)影響較大。在平直路面上加、減速時(shí),滾動(dòng)噪聲和動(dòng)力系統(tǒng)噪聲分別采用公式(10)和公式(11)進(jìn)行修正,式中CR,m,k和CP,m,k等參數(shù)可通過查表2獲得。
表2 當(dāng)車輛到達(dá)或離開十字路口或環(huán)島時(shí)的修正系數(shù)取值
2.4 溫度修正
溫度也對(duì)車輛噪聲輻射聲級(jí)有顯著影響,例如溫度升高時(shí),輪胎噪聲降低。通常假設(shè)空氣平均溫度為20℃,如年平均溫度為τ,則路面修正系數(shù)為:
當(dāng)溫度低于20℃時(shí),修正項(xiàng)為正值,噪聲值增大;當(dāng)溫度高于20℃時(shí),修正項(xiàng)為負(fù)值,噪聲值減小。系數(shù)K 由道路表面和輪胎的特性共同決定。在CNOSSOS-EU道路交通噪聲預(yù)測(cè)模型中,125~4 000 Hz倍頻程,可以作如下簡(jiǎn)化:
輕型車輛(m=1),K=0.08;中型車和重型車(m =2,3),兩輪車(m =4), K=0.04。
2.5 道路坡度修正
圖2 前三種車型滾動(dòng)噪聲的聲功率級(jí)(不同車型的溫度修正量)
道路坡度的影響有兩方面,首先影響車輛速度,由此影響輪胎噪聲和動(dòng)力系統(tǒng)噪聲;其次影響發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載和轉(zhuǎn)速擋位選擇,由此影響動(dòng)力系統(tǒng)噪聲。道路坡度的影響,被考慮到修正項(xiàng)中:
當(dāng)m=1時(shí),即輕型車輛的修正項(xiàng)為:
當(dāng)m=2時(shí),即中型車輛的修正項(xiàng)為:
當(dāng)m=3時(shí),即重型車輛的修正項(xiàng)為:
當(dāng)m=4時(shí),即兩輪車的修正項(xiàng)為:
修正項(xiàng)包括坡度對(duì)車速的影響,尤其是輪胎噪聲在上坡和下坡時(shí)速度變化的影響,因此不必單獨(dú)做上坡或下坡的速度影響修正。在道路交通模型中,可以將同一道路的不同坡度路段,設(shè)置成多個(gè)有限長(zhǎng)的線聲源。坡度變化不超過2%的,作為同一線聲源。同一路段內(nèi),坡度取這一路段的平均值。
2.6 帶有防滑釘?shù)妮喬バ拚?/p>
在歐盟少數(shù)國(guó)家如瑞典、挪威、芬蘭等輕型車輛在每年中會(huì)有幾個(gè)月的時(shí)間需要使用帶有防滑釘?shù)妮喬?,必須考慮其對(duì)滾動(dòng)噪聲的影響,其對(duì)噪聲的影響隨速度變化,可以用公式(17)進(jìn)行計(jì)算:
其中:ai和bi可以查看附表1,對(duì)于沒有使用防滑釘輪胎的車輛,此項(xiàng)修正值為0。
2.7 道路使用年限修正
路面吸聲特性會(huì)隨著使用年限和路面保養(yǎng)情況而發(fā)生變化。通常低噪聲路面隨著使用年限增加,吸聲能力減弱,低噪聲路面的吸聲性能年限會(huì)低于密實(shí)型吸聲表面,尤其是混凝土表面。因此路面吸聲系數(shù)修正,要考慮道路平均使用壽命。路面系數(shù)中應(yīng)該如何考慮路面壽命的影響,歐盟計(jì)劃在《Guidelines for the competent use of CNOSSOS-EU》中進(jìn)一步說明,歐盟計(jì)劃于2015年完成該指南。
3.1 歐盟CNOSSOS-EU模型與《環(huán)境噪聲影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 聲環(huán)境》(HJ 2.4—2009)
歐盟CNOSSOS-EU模型中對(duì)車輛進(jìn)行了詳細(xì)劃分,并據(jù)此給出不同車型的噪聲輻射水平計(jì)算公式,與此對(duì)比,我國(guó)《聲環(huán)境導(dǎo)則》中將車輛劃分為大、中、小三種類型車輛,詳見表3。
表3 車型分類對(duì)比表
3.2 源強(qiáng)預(yù)測(cè)模型對(duì)比
在我國(guó)《聲環(huán)境導(dǎo)則》中,在“8.4.2公路、城市道路交通運(yùn)輸噪聲預(yù)測(cè)”中,關(guān)于聲源參數(shù)說明為“8.4.2.1 b)聲源參數(shù)按照附錄中大、中、小車型的分類,利用相關(guān)模式計(jì)算各類型車的聲源源強(qiáng),也可通過類比測(cè)量進(jìn)行修正”?!堵暛h(huán)境導(dǎo)則》沒有給出具體的模式,在環(huán)境噪聲預(yù)測(cè)中,如源強(qiáng)參數(shù)不準(zhǔn)確,則預(yù)測(cè)失去了基礎(chǔ),預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性也就無從談起。建議我國(guó)環(huán)境噪聲領(lǐng)域相關(guān)科研單位、工作人員能夠深入開展道路交通噪聲源強(qiáng)模型研究工作。
3.3 聲源簡(jiǎn)化問題對(duì)比
歐盟CNOSSOS-EU模型中,將聲源簡(jiǎn)化后的高度定為0.05 m的點(diǎn)聲源。而在我國(guó)環(huán)境噪聲影響評(píng)價(jià)中,通常車輛簡(jiǎn)化為0.5 m高的點(diǎn)源,兩者存在一定的差異,筆者建議利用聲陣列方法對(duì)車輛通過噪聲進(jìn)行聲源識(shí)別測(cè)試,進(jìn)一步探討聲源簡(jiǎn)化和定位問題。
歐盟CNOSSOS-EU模型的源強(qiáng)模型采用聲功率級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià),較好地反映了車輛噪聲輻射能量,我國(guó)《公路建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)規(guī)范》(JTG B03—2006)主要采用參考點(diǎn)位的聲壓級(jí)評(píng)價(jià)車輛噪聲的輻射水平,聲源的指向性對(duì)參考點(diǎn)位的聲壓級(jí)的影響并沒有考慮,因此應(yīng)開展車輛噪聲源聲功率確定的研究工作。
3.4 歐盟CNOSSOS-EU模型與我國(guó)《公路建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)規(guī)范》(JTG B03—2006)單車輻射噪聲級(jí)比較
《公路建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)規(guī)范》中單車行駛輻射噪聲級(jí),第i種車型車輛在參照點(diǎn)(7.5 m 處)的平均輻射噪聲級(jí)(dB)按下式[3]計(jì)算:
式中,S、M、L:分別表示小、中、大型車;
Vi:車型車輛的平均行駛速度,km/h。
通過對(duì)比可以看出,《公路環(huán)評(píng)規(guī)范》中車輛源強(qiáng)簡(jiǎn)化為一個(gè)線性函數(shù),小型車只考慮路面影響修正,不考慮坡度影響修正,中型車和重型車只考慮坡度影響修正,不考慮路面影響修正;其中路面和坡度影響采取簡(jiǎn)化常數(shù)取值的方法;而歐盟CNOSSOS-EU模型中,車輛源強(qiáng)為對(duì)數(shù)函數(shù),修正項(xiàng)包括路面影響、車速影響、溫度影響、坡度影響,且每個(gè)修正量提供了詳細(xì)的計(jì)算方法。
歐盟CNOSSOS-EU模型提供了一個(gè)理論框架,其道路交通噪聲源強(qiáng)模型基于數(shù)學(xué)、物理理論以及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立和推導(dǎo)出來的,單一車輛源強(qiáng)計(jì)算公式充分考慮了不同車型的差異,提供了滾動(dòng)噪聲與動(dòng)力系統(tǒng)噪聲的計(jì)算公式,并充分考慮了路面、車速、溫度、坡度等因素的影響,該模型值得我國(guó)環(huán)境噪聲領(lǐng)域工作者學(xué)習(xí)與借鑒,并深入開展我國(guó)道路交通噪聲源強(qiáng)模型研究工作。
我國(guó)《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 聲環(huán)境》中,關(guān)于車輛噪聲源強(qiáng)的規(guī)定為“利用相關(guān)模式計(jì)算各類型車的聲源源強(qiáng),也可通過類比測(cè)量進(jìn)行修正”,沒有給出具體車輛噪聲源強(qiáng)的計(jì)算方法。在實(shí)際工作中,環(huán)評(píng)單位通常自行選擇預(yù)測(cè)模型,導(dǎo)致同一項(xiàng)目應(yīng)用不同模型的預(yù)測(cè)結(jié)果差異較大。因此,借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn),開展道路交通噪聲預(yù)測(cè)模型進(jìn)行研究,將對(duì)我國(guó)公路和城市道路建設(shè)項(xiàng)目噪聲預(yù)測(cè)工作有一定的推動(dòng)作用。
[1] Stylianos Kephalopoulos, Marco Paviotti, Fabienne Anfosso-Lédée. Common Noise Assessment Methods in Europe (CNOSSOS-EU)[R]. Italy: Joint Research Centre of Institute for Health and Consumer Protection of European Commission, 2012: 31-44.
[2] 環(huán)境保護(hù)部. HJ 2.4—2009 環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 聲環(huán)境[S]. 北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社, 2009.
[3] 交通部. JTG B03—2006 公路建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)規(guī)范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2006.
X827
A
2095-6444(2014)05-0054-05
2014-07-15
環(huán)境保護(hù)部環(huán)境影響評(píng)價(jià)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)項(xiàng)目(1441402450017-2)作者簡(jiǎn)介:盧力,環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評(píng)估中心高級(jí)工程師,國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境影響評(píng)價(jià)數(shù)值模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;周鑫、胡笑滸,環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評(píng)估中心,國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境影響評(píng)價(jià)數(shù)值模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。