趙佳美 戶文成 溫香彩 張 萌 汪 贇

(1 中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站 北京 100012)

(2 北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所 北京 100054)

0 引言

隨著城市化進(jìn)程加快，噪聲污染已經(jīng)滲透到人們生產(chǎn)生活的各個(gè)方面。長(zhǎng)時(shí)間接觸噪聲不僅會(huì)損害人的聽(tīng)力，還會(huì)導(dǎo)致人體的循環(huán)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)、心腦血管等出現(xiàn)狀況[1?3]。目前，世界上許多國(guó)家已經(jīng)開(kāi)展了對(duì)聲環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)管。日本在有關(guān)聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)里將城市劃分為AA 類區(qū)、A 和B 類區(qū)、C類區(qū)三種，要求各類區(qū)選擇一天或者多天的監(jiān)測(cè)結(jié)果代表全年的噪聲水平[4]；自2002年歐洲噪聲指令發(fā)布以來(lái)，歐洲許多城市也都被要求量化管理環(huán)境噪聲[5]。我國(guó)則按區(qū)域的使用功能特點(diǎn)和環(huán)境質(zhì)量要求將城市功能區(qū)劃分為0、1、2、3、4(包括4a和4b 類)五種類型，各城市定期定點(diǎn)開(kāi)展功能區(qū)聲環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)時(shí)間為每季度1 次，每次連續(xù)監(jiān)測(cè)24小時(shí)[6]。

由于各地作息習(xí)慣區(qū)別、自然環(huán)境季節(jié)性變化等原因，從長(zhǎng)期來(lái)看聲環(huán)境質(zhì)量具有波動(dòng)性，如何用具有代表性的短時(shí)間監(jiān)測(cè)結(jié)果代表長(zhǎng)期聲環(huán)境質(zhì)量平均水平是國(guó)內(nèi)外環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)技術(shù)難點(diǎn)之一。Hueso 等[7]、B?kowski等[8]對(duì)城市道路交通噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究，根據(jù)各監(jiān)測(cè)日期噪聲水平與其所在周的噪聲平均水平之間的標(biāo)準(zhǔn)差及誤差，確定道路交通噪聲最具代表性的監(jiān)測(cè)日期。Geraghty 等[5]對(duì)城市環(huán)境噪聲時(shí)間變化進(jìn)行研究，得出若使用短時(shí)間噪聲測(cè)量結(jié)果代表長(zhǎng)時(shí)段噪聲水平需對(duì)監(jiān)測(cè)時(shí)段謹(jǐn)慎選擇。我國(guó)的功能區(qū)聲環(huán)境質(zhì)量特征不同于其他國(guó)家，應(yīng)根據(jù)實(shí)際特點(diǎn)對(duì)監(jiān)測(cè)時(shí)間開(kāi)展研究。但限于我國(guó)自動(dòng)監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)較薄弱，缺乏長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，因此現(xiàn)有研究較少，且僅針對(duì)道路交通噪聲(4類區(qū))開(kāi)展[9?10]。本文選用4 個(gè)典型的功能區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位(涵蓋2 類區(qū)、3 類區(qū)和4 類區(qū)這3 類主要聲功能區(qū))的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了不同功能區(qū)點(diǎn)位長(zhǎng)期噪聲波動(dòng)特征，探討我國(guó)功能區(qū)聲環(huán)境監(jiān)測(cè)如何選擇能代表年度平均水平的監(jiān)測(cè)時(shí)間，為我國(guó)功能區(qū)聲環(huán)境監(jiān)測(cè)提供借鑒。

1 功能區(qū)聲環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)概況

1.1 我國(guó)功能區(qū)噪聲監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)我國(guó)《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3096–2008)，按區(qū)域的使用功能特點(diǎn)和環(huán)境質(zhì)量要求，將聲環(huán)境功能區(qū)分為五種功能類型。在對(duì)各功能區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)采用“定點(diǎn)監(jiān)測(cè)法”，即選取一個(gè)或多個(gè)能代表城市功能區(qū)環(huán)境噪聲平均水平的測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)得到測(cè)點(diǎn)的24 小時(shí)連續(xù)數(shù)據(jù)形成晝間和夜間等效連續(xù)A 聲級(jí)，以此來(lái)了解該點(diǎn)晝夜聲環(huán)境質(zhì)量[6]。各等效連續(xù)A聲級(jí)計(jì)算公式如下所示：

(1)晝間等效連續(xù)A聲級(jí)計(jì)算公式為

(2)夜間等效連續(xù)A聲級(jí)計(jì)算公式為

注：Li為晝間或夜間小時(shí)等效連續(xù)A聲級(jí)。

1.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集

根據(jù)《2018 中國(guó)環(huán)境噪聲污染防治報(bào)告》，2017年全國(guó)城市2類、3類和4a類功能區(qū)共監(jiān)測(cè)了16424點(diǎn)次，占總監(jiān)測(cè)點(diǎn)次的75.21%，因此這三類聲環(huán)境功能區(qū)是城市中最主要的三類功能區(qū)類型，也是聲環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)。

本研究在這三類功能區(qū)中選取了4 個(gè)典型的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位進(jìn)行監(jiān)測(cè)。選取方法是首先通過(guò)在各類功能區(qū)開(kāi)展全覆蓋的網(wǎng)格普查監(jiān)測(cè)，粗選出其等效連續(xù)A 聲級(jí)與該功能區(qū)平均等效連續(xù)A 聲級(jí)無(wú)顯著差異，能反映該類功能區(qū)聲環(huán)境質(zhì)量特征的測(cè)點(diǎn)若干個(gè)作為備選，再通過(guò)實(shí)地勘察，了解周?chē)h(huán)境狀況，排除易受其他固定或突發(fā)噪聲源干擾的位置，選擇合適測(cè)點(diǎn)布設(shè)長(zhǎng)期自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，因此所選監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)于各聲環(huán)境功能區(qū)特點(diǎn)具有較好的代表性。A 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于2 類功能區(qū)，處于某公園內(nèi)，四周林木較多，無(wú)其他遮擋，主要聲源是公園內(nèi)人們休閑發(fā)出的聲音以及自然聲，包括蟲(chóng)鳴鳥(niǎo)叫等；B 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于2類功能區(qū)，點(diǎn)位周邊為辦公樓及住宅區(qū)域，距離最近的公路約40 m，該道路車(chē)流量較小，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要聲源是人們生活活動(dòng)及車(chē)輛進(jìn)出等噪聲；C 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)，處于3 類功能區(qū)內(nèi)，周?chē)且恍┕I(yè)企業(yè)，主要聲源為周邊工廠企業(yè)運(yùn)作、車(chē)輛運(yùn)行等聲音；D監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于中心城區(qū)主干路旁邊，處于4a 類功能區(qū)內(nèi)，主要聲源為道路交通噪聲。測(cè)量時(shí)間為2016年1月1日–2016年12月31日，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)每日均進(jìn)行連續(xù)24 小時(shí)噪聲監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括：各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分鐘等效連續(xù)A 聲級(jí)Leq、L5、L10、L50、L90、L95、Lmax、Lmin、SD等。通過(guò)監(jiān)測(cè)獲得A監(jiān)測(cè)點(diǎn)有效樣本個(gè)數(shù)526034 個(gè)；B 監(jiān)測(cè)點(diǎn)獲得有效樣本個(gè)數(shù)488864個(gè)；C 監(jiān)測(cè)點(diǎn)獲得有效樣本個(gè)數(shù)526707個(gè)；D監(jiān)測(cè)點(diǎn)獲得有效樣本個(gè)數(shù)402361 個(gè)。

1.3 長(zhǎng)期分布特征分析

由于自動(dòng)監(jiān)測(cè)獲取的數(shù)據(jù)量較大，為了更好地呈現(xiàn)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)聲環(huán)境質(zhì)量水平隨時(shí)間分布情況，本文設(shè)計(jì)采用多時(shí)間維度聲級(jí)分布圖，通過(guò)不同顏色標(biāo)識(shí)出等效連續(xù)A聲級(jí)大小。以B監(jiān)測(cè)點(diǎn)1月份監(jiān)測(cè)結(jié)果為例，示例圖如圖1所示，橫坐標(biāo)軸代表監(jiān)測(cè)日期(如：1月1日–1月31日)，縱坐標(biāo)軸代表時(shí)間(24 小時(shí))；圖中灰色部分代表該時(shí)間段數(shù)據(jù)缺失。圖中直觀反映出聲環(huán)境質(zhì)量分布具有很強(qiáng)的規(guī)律性和時(shí)間周期性：晝夜間等效連續(xù)A 聲級(jí)差異規(guī)律明顯；等效連續(xù)A 聲級(jí)具有以一周為周期的周期性分布特征等。

圖1 B 監(jiān)測(cè)點(diǎn)1月份聲環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.1 The monitoring results of acoustic environmental quality at monitoring site B in January

利用上述表征方法，將A、B、C和D 4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位監(jiān)測(cè)日期內(nèi)(連續(xù)12 個(gè)月)功能區(qū)噪聲連續(xù)24 小時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分別繪制如圖2所示。

根據(jù)圖2可以看出，4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)隸屬不同功能區(qū)，其各月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)差異性也各不相同：A 監(jiān)測(cè)點(diǎn)處于2類功能區(qū)，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)于6月–8月聲級(jí)較高，與其他月份相比明顯上升，考慮該監(jiān)測(cè)點(diǎn)處于公園附近及當(dāng)?shù)丨h(huán)境，可能主要受到鳴蟬噪聲影響，故該監(jiān)測(cè)點(diǎn)受季節(jié)變化影響較大。B 監(jiān)測(cè)點(diǎn)處于2 類功能區(qū)且監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于生活辦公區(qū)，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)夏秋季6月–9月夜間等效連續(xù)A 聲級(jí)平均水平高于其他月份，即該監(jiān)測(cè)點(diǎn)季節(jié)性特點(diǎn)較為明顯。C 監(jiān)測(cè)點(diǎn)處于3 類功能區(qū)，受季節(jié)變化或工業(yè)作業(yè)影響，下半年噪聲水平相對(duì)低于上半年噪聲水平。2月上旬5日–11日左右為農(nóng)歷新年假期，該時(shí)間段聲級(jí)在全年最低。此外，C 監(jiān)測(cè)點(diǎn)休息日與非休息日間晝夜間等效連續(xù)A 聲級(jí)存在明顯的差別：休息日期間的噪聲強(qiáng)度相對(duì)低于非休息日的噪聲強(qiáng)度。D監(jiān)測(cè)點(diǎn)處于4a 類功能區(qū)，主要受到交通噪聲影響，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)全年晝夜間等效連續(xù)A 聲級(jí)變化相對(duì)穩(wěn)定，月與月之間聲級(jí)變化較小，晝夜間等效連續(xù)聲級(jí)差距較小，夜間安靜時(shí)段少，噪聲污染較為嚴(yán)重。

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)具有不同的聲環(huán)境特點(diǎn)，其各月噪聲水平分布也有差異，本文采用以下方法進(jìn)行詳細(xì)分析探討其差異與規(guī)律。

2 監(jiān)測(cè)時(shí)間優(yōu)化分析

2.1 分析方法

非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法適用于總體分布不能用確定的實(shí)參數(shù)來(lái)刻畫(huà)或者不確定數(shù)據(jù)總體分布形態(tài)的情形， 具有不受總體的限定、 適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[11]。常用的多獨(dú)立樣本的非參數(shù)檢驗(yàn)方法有Kruskal-Wallis H 檢驗(yàn)(簡(jiǎn)稱K-W 檢驗(yàn))、Jonckheere-Terpstra 檢驗(yàn)、中位數(shù)檢驗(yàn)等方法。KW 檢驗(yàn)檢驗(yàn)適合進(jìn)行多個(gè)獨(dú)立樣本的檢驗(yàn)，檢驗(yàn)效率達(dá)到0.95[12]，故本研究采用此方法進(jìn)行判斷功能區(qū)噪聲監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的差異性進(jìn)行分析。

K-W 檢驗(yàn)的基本思想是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為秩統(tǒng)計(jì)量[13]。即將多個(gè)樣本排序并排秩，然后將各組的樣本秩求均值，如果各組樣本平均秩大致相等，則多個(gè)總體分布沒(méi)有明顯差異，反之則有顯著差異。

2.2 年監(jiān)測(cè)時(shí)間優(yōu)化

本次研究利用采集的小時(shí)噪聲數(shù)據(jù)，計(jì)算得到各日的晝夜間等效連續(xù)A聲級(jí)。以各監(jiān)測(cè)點(diǎn)一年12個(gè)月的晝夜間等效連續(xù)A 聲級(jí)有效數(shù)據(jù)作為樣本，采用Shapiro-Wilk檢驗(yàn)對(duì)4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的各樣本進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)。根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果得知A、B、C、D 4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)正態(tài)分布特性不統(tǒng)一，因此本研究根據(jù)樣本分布特性采用非參數(shù)檢驗(yàn)方法中的K-W 檢驗(yàn)對(duì)各月樣本之間的差異進(jìn)行檢驗(yàn)分析。

本研究通過(guò)SPSS 軟件，利用K-W 檢驗(yàn)分析本次研究的4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位各月之間數(shù)據(jù)的差異性。為了能夠更好地表征各分樣本之間的差異顯著性結(jié)果，本文為每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)繪制了各月晝夜間等效連續(xù)A 聲級(jí)差異性比較的矩陣圖，如圖3(a)和圖3(b)所示。圖中灰色方格部分表示相對(duì)應(yīng)的二者具有顯著性差異(顯著水平為0.05)；空白方格部分表示相對(duì)應(yīng)的二者無(wú)明顯差異；部分?jǐn)?shù)據(jù)無(wú)效，除自對(duì)應(yīng)的月份外也為黑色方格。

圖2 A、B、C、D 監(jiān)測(cè)點(diǎn)一年聲環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.2 The monitoring results of acoustic environmental quality at monitoring sites A,B,C,D in a year

圖3 A、B、C、D 監(jiān)測(cè)點(diǎn)各月晝夜間等效連續(xù)A 聲級(jí)差異顯著性Fig.3 Significance indication for between month comparisons of day-time and night-time equivalent sound level A at monitoring sites A,B,C,D

根據(jù)圖3可以看出：對(duì)大多數(shù)月份來(lái)說(shuō)，晝間等效連續(xù)A 聲級(jí)在月與月之間沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的差異性，主要的差異月份在每年的1月和2月，因此若要選擇短期監(jiān)測(cè)時(shí)間代表全年水平最好不要選擇在1月和2月。對(duì)于A監(jiān)測(cè)點(diǎn)，8月和10月也是晝間等效連續(xù)A 聲級(jí)與全年差異較大的兩個(gè)月份。而夜間等效連續(xù)A 聲級(jí)月與月之間的一致性相對(duì)晝間較差，A 監(jiān)測(cè)點(diǎn)和B 監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要體現(xiàn)在春夏季和秋冬季之間的差別；C 監(jiān)測(cè)點(diǎn)各月夜間等效連續(xù)A 聲級(jí)并沒(méi)有明顯的季節(jié)和月份規(guī)律，說(shuō)明企業(yè)夜間工況不穩(wěn)定導(dǎo)致噪聲排放不穩(wěn)定，對(duì)這類聲源應(yīng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)；D 監(jiān)測(cè)點(diǎn)夜間等效連續(xù)A 聲級(jí)各月的一致性較高，僅1月、2月和12月與其他月份有明顯差異。

由于各月份之間聲環(huán)境質(zhì)量水平存在一定的差異性，特別是夜間等效連續(xù)A聲級(jí)的代表性較低，采用一年監(jiān)測(cè)1 次的監(jiān)測(cè)結(jié)果難以代表全年聲環(huán)境質(zhì)量的總體水平。但本次研究通過(guò)將4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)一年的數(shù)據(jù)劃分為4個(gè)季度分析發(fā)現(xiàn)：一個(gè)季度內(nèi)的3個(gè)月份以無(wú)顯著差異為主。各季度內(nèi)3 個(gè)月的晝間等效連續(xù)A聲級(jí)差異性明顯的占11.36%，無(wú)顯著差異的數(shù)量占88.64%；各季度內(nèi)3 個(gè)月的夜間等效連續(xù)A聲級(jí)差異性明顯的占18.18%，無(wú)顯著差異的數(shù)量占81.82%。4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)季度內(nèi)月間和一年內(nèi)月間晝夜間數(shù)據(jù)差異顯著性對(duì)比結(jié)果如表1所示。

通過(guò)表1可以看出，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)季度內(nèi)差異性水平整體低于月間差異性水平，因此以季度為單位，每季度監(jiān)測(cè)一次較為合理。

此外，在本組試驗(yàn)的4 個(gè)點(diǎn)位一年監(jiān)測(cè)結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，各個(gè)季度內(nèi)第2 個(gè)月份與季度內(nèi)其他月份一致性更好：晝間等效連續(xù)A聲級(jí)一致性達(dá)90%，夜間等效連續(xù)A聲級(jí)的一致性達(dá)93%。因此各季度在季度的第二個(gè)月份進(jìn)行監(jiān)測(cè)的結(jié)果更能代表所在季度的聲環(huán)境質(zhì)量水平。

表1 季度內(nèi)月間和一年內(nèi)月間差異顯著性統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)比Table1 Comparison of the statistical results of significant comparisons between months in the quarter and between months in a year

2.3 周監(jiān)測(cè)時(shí)間優(yōu)化

利用K-W 檢驗(yàn)方法檢驗(yàn)A、B、C 和D 監(jiān)測(cè)點(diǎn)一年中每周中各日之間差異性進(jìn)行檢驗(yàn)(顯著性水平為0.05)，得出結(jié)果為A、D 監(jiān)測(cè)點(diǎn)為一周內(nèi)各日之間晝/夜間等效連續(xù)A 聲級(jí)均無(wú)顯著差異(A 監(jiān)測(cè)點(diǎn)為公園內(nèi)，D監(jiān)測(cè)點(diǎn)為道路交通噪聲，各日間無(wú)明顯差異說(shuō)明兩點(diǎn)的噪聲水平情況較為穩(wěn)定，這也與實(shí)際情況相符)；B監(jiān)測(cè)點(diǎn)晝間等效連續(xù)A聲級(jí)差異顯著性如圖4所示，夜間等效連續(xù)A 聲級(jí)無(wú)顯著差異；C監(jiān)測(cè)點(diǎn)差異顯著性如圖5所示。

圖4 B 監(jiān)測(cè)點(diǎn)日之間差異顯著性(晝間)Fig.4 Significance indication for between day comparisons of day-time at monitoring site B

圖5 C 監(jiān)測(cè)點(diǎn)日之間差異顯著性Fig.5 Significance indication for between day comparisons of day-time/night-time at monitoring site C

由圖4看出，B 監(jiān)測(cè)點(diǎn)晝間等效連續(xù)A 聲級(jí)僅周三、周四與周日間具有顯著差異，其他各日之間無(wú)顯著差異，即可選擇除周日的日期作為代表監(jiān)測(cè)日期。由圖5可知，C監(jiān)測(cè)點(diǎn)工作日晝間噪聲值間相似性較大，差異性較小，夜間噪聲值周二至周六間差異性不顯著。故綜合來(lái)看，可以選擇周二至周五之間的日期作為代表監(jiān)測(cè)日期，利用代表監(jiān)測(cè)日期的監(jiān)測(cè)結(jié)果表征監(jiān)測(cè)點(diǎn)這一周的噪聲水平。

3 結(jié)論

根據(jù)本文分析得出以下結(jié)論及建議：(1)本文分析的4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位季度內(nèi)月間差異性明顯低于一年內(nèi)月間差異性，季度內(nèi)的3 個(gè)月份中各月之間無(wú)顯著差異的比例占80%以上，因此對(duì)這4 個(gè)測(cè)點(diǎn)每季度進(jìn)行一次監(jiān)測(cè)較為合理，且在每季度的第二個(gè)月份進(jìn)行監(jiān)測(cè)所得數(shù)據(jù)更有代表性。(2)選取一周內(nèi)具有代表性的監(jiān)測(cè)時(shí)間也可以采用差異性對(duì)比方法，本文中4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位在周二至周五之間的日期進(jìn)行監(jiān)測(cè)更具代表性。以上結(jié)論適用于2 類、3 類和4a類區(qū)聲環(huán)境特點(diǎn)相似的點(diǎn)位，并為其他不同特點(diǎn)的功能區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位提供了監(jiān)測(cè)時(shí)間優(yōu)化方法。

現(xiàn)階段我國(guó)大部分城市采用人工監(jiān)測(cè)方式進(jìn)行功能區(qū)聲環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)，選取合理的監(jiān)測(cè)時(shí)間既可以保證數(shù)據(jù)的有效性，也可以有效節(jié)約人力、物力等成本，在實(shí)際工作中具有重要意義。