高萬晨

(遼寧對外經貿學院 信息管理學院, 遼寧 大連 116052)

隨著城市的發(fā)展，機動車保有量逐年增加，道路交通噪聲對人們的工作和日常生活的影響逐漸受到世界各國政府和公眾的廣泛關注[1]，為此，國內外學者針對城市交通噪聲問題開展了相關研究。

為了解城市道路交通噪聲的污染現狀，學者針對道路交通噪聲開展了一系列實地監(jiān)測研究。Tsai等基于噪聲監(jiān)測站所監(jiān)測的數據，運用GIS分析了城市噪聲的空間特性[2]；王志偉等設立40個監(jiān)測點用于監(jiān)測校園內的交通噪聲，并繪制了噪聲地圖，分析了校園各監(jiān)測點位、各功能區(qū)的達標情況[3]。為降低城市道路交通噪聲研究中實地監(jiān)測的資金投入，部分學者對城市道路交通噪聲的實地監(jiān)測點進行了優(yōu)化研究[4]。

為克服實地監(jiān)測交通噪聲的缺點，國內外學者建立了相關交通噪聲預測模型[5-6]。其中，從國家層面建立的至今廣泛使用的模型有：NMPB(法國)、RLS90(德國)、FHWA(美國)等。而我國目前所使用的交通噪聲預測模型是基于國外模型在具體情況下修訂而得，有環(huán)保部[7]和交通部[8]兩種模型。從學者層面建立的模型有：交叉口的交通噪聲預測模型[9-11]，黃朝強運用改進的GM(1，N)模型對交通噪聲進行了預測研究[12]。

國內外學者為了對所選研究區(qū)域的交通噪聲現狀進行科學合理地評價，建立了相關評價方法[13]，并得到了比較廣泛的應用[14-16]。

同時，為對交通噪聲進行合理有效地控制，學者對隔聲屏障[17-19]、制動器[20]、綠化帶[21-22]、限行與限速[23]、路線設計[24]等控制措施的效果開展了相關研究，討論了適用條件，并證明了有效性。

本文對北京市西直門區(qū)域的道路交通噪聲的時空分布及評價開展了相關研究。首先，選擇適當交通噪聲監(jiān)測點，對研究區(qū)域的交通噪聲進行了實地測量；其次，基于交通噪聲評價指標，利用反距離插值法[25](IDW)繪制了各指標的噪聲地圖；然后，定義了噪聲超限度的概念，并建立了估計受交通噪聲影響人數的模型，對西直門區(qū)域交通噪聲的超限情況和受影響人數進行了定量分析；最后，基于研究區(qū)域內已有的交通噪聲控制措施，以區(qū)域A為例，對隔聲屏障進行了理論設計，保證交通噪聲控制在標準限值之內。

1 研究區(qū)域

本文選擇北京市西直門區(qū)域(如圖1所示)作為研究對象，該區(qū)域內有北京北站、凱德Mall購物廣場、地鐵2、4、13號線、寫字樓(中儀大廈、地鐵大廈和成銘大廈)和居民小區(qū)等主要城市建筑和設施。根據我國聲環(huán)境質量標準，將西直門區(qū)域分為A、B、C、D共計4個子區(qū)域。其中，B、C、D區(qū)以居住、醫(yī)療、衛(wèi)生、文化、教育、行政辦公等為主，需要保持安靜[26]，屬于第I類功能區(qū)；A區(qū)以商場、文娛、金融服務業(yè)等為主，需要維護住宅安靜[26]，屬于第II類功能區(qū)(如圖2(a)所示)。

圖1 西直門區(qū)域Fig.1 Xizhimen area

圖2 區(qū)域劃分及監(jiān)測點位置Fig.2 Division of the area and locations of monitoring points

西直門區(qū)域是公交、城軌和鐵路客運的綜合交通樞紐，車流、客流量大，人車混行現象較為明顯，因此，該區(qū)域在高峰時段交通擁堵較為嚴重，導致交通噪聲較為嚴重，已經影響到人們的正常工作和生活。

2 研究方法

2.1 數據采集

本文選擇13個道路交通噪聲監(jiān)測點(如圖2(b)所示)，監(jiān)測西直門區(qū)域內的道路交通噪聲，各交通噪聲監(jiān)測點位于道路旁人行道且距離建筑物至少3.5 m[26]。利用GPS設備對交通噪聲監(jiān)測點進行實地標記和定位操作，具體經緯度坐標見表1。選擇聲級計(WS1361-12)作為交通噪聲監(jiān)測設備，該聲級計監(jiān)測范圍為30～130 dB，頻率加權為A計權。為了科學合理地監(jiān)測研究區(qū)域內的交通噪聲，本文將監(jiān)測時間分為工作日(周一至周五)和休息日(周六和周日)，以此對研究區(qū)域晚高峰時段(16:00-18:00)的道路交通噪聲進行了間隔為1 s的連續(xù)測量。

表1 噪聲監(jiān)測點GPS坐標Tab.1 Noise monitoring points with GPS coordinates

2.2 評價指標

為科學合理地評價城市道路交通噪聲，國內外學者根據交通噪聲的時間和頻率特性，制定了一系列交通噪聲評價指標[27]，評價指標大都基于等效聲級在特定情況修訂得到。本文基于常用的交通噪聲評價指標，研究西直門區(qū)域的交通噪聲時空分布模式，并將相關指標的計算結果與國內聲環(huán)境質量標準進行比較[26]。

1)等效聲級(Leq)是指在交通噪聲測量時間段(T)內的平均聲能，具體公式為

(1)

式中LAi(t)為監(jiān)測時段內的第i個A聲級。

當監(jiān)測交通噪聲使用等時間間隔時，式(1)轉為

(2)

式中n為監(jiān)測時間內的A聲級記錄數。

2)累積百分聲級(LN)是指監(jiān)測時間內高于聲級LN的交通噪聲所占時間為N%[27]，該指標能夠定量地反映交通噪聲的波動起伏程度。常用的累積百分聲級有L10、L50和L90，分別為交通噪聲的平均峰值、中值和本底值[27]。

當交通噪聲的統(tǒng)計特性近似服從正態(tài)分布時，等效聲級和累積百分聲級之間的關系為

(3)

3)交通噪聲指數(TNI)能夠衡量人們受到交通噪聲的滋擾響應程度，其由監(jiān)測時間內交通噪聲的波動起伏程度(L10-L90)和本底值L90共同決定，其計算公式為

TNI=4×(L10-L90)+L90-30

(4)

4)噪聲污染級(LNP)是評價交通噪聲對人們的滋擾程度，由交通噪聲能量和交通噪聲漲落兩部分共同決定，其計算公式為

LNP=Leq+Kσ

(5)

式中：Leq衡量交通噪聲能量；標準差反應交通噪聲的漲落；K為常數，一般取2.56。標準差的計算公式為

(6)

5)為了對西直門區(qū)域交通噪聲的影響強度進行定量評價，本文定義了噪聲超限度(Noise Excess Limits，NEL)的概念，是指某一類聲環(huán)境功能區(qū)內的交通噪聲值大于某一等效聲級(Leq)的面積與該聲環(huán)境功能區(qū)面積的百分比，具體公式為

(7)

式中：SL是第i類聲環(huán)境功能區(qū)(i為I或II)中區(qū)域j的交通噪聲超過某一等效聲級L的面積；S是第i類聲環(huán)境功能區(qū)中區(qū)域j的面積。

3 時空分布與評價

1)等效聲級

西直門區(qū)域在工作日和休息日內晚高峰時段13個監(jiān)測點的道路交通噪聲值(Leq)的平均值分別為73.4±4.7 dB和72.2±4.8 dB，具體見表2，與我國聲環(huán)境質量標準(70 dB)相比，分別高出了4.9%和3.1%。 圖3為對應的研究區(qū)域內工作日和休息日晚高峰時段關于等效聲級的噪聲地圖，圖中給出了65 dB、70 dB、75 dB和80 dB的等高線。由圖3可知，西直門區(qū)域內工作日和休息日的噪聲值(Leq)均大于60 dB，已經超過中國關于I類(55 dB)和II類(60 dB)聲環(huán)境功能區(qū)內交通噪聲標準的上限。由于西直門區(qū)域是一個復雜而大型的道路節(jié)點，且在高峰時段內車流量較大、建筑物與道路的距離較近、立交橋相對較高、缺少隔聲屏障、綠化帶等交通噪聲控制措施，結合我國的聲環(huán)境質量標準，可以發(fā)現，該區(qū)域內的人們受到交通噪聲的干擾較為嚴重，已經影響到他們的工作和生活。

表2 評價指標計算結果Tab.2 Calculation results of evaluation indexes 單位：dB

注：W代表Workday；H代表Holiday。

圖3 等效聲級Leq的噪聲地圖Fig.3 Noise map for Leq

2)交通噪聲指數

研究區(qū)域內工作日和休息日的交通噪聲指數(TNI)分別為69.0±9.4 dB和65.2±7.8 dB，具體見表2，工作日的平均TNI較休息日大，說明工作日的交通噪聲波動較大。TNI的時空分布如圖4所示，可以發(fā)現，工作日的交通噪聲指數整體較休息日的大，說明研究區(qū)域內人們在工作日受交通噪聲的影響較休息日的大。

圖4 交通噪聲指數TNI的噪聲地圖Fig.4 Noise map for TNI

3)噪聲污染級

研究區(qū)域內工作日和休息日的噪聲污染級(LNP)分別為85.5±4.7 dB和84.5±4.7 dB，具體見表2，分別對應于一般不可接受或明顯不可接受的噪聲污染等級。其中，LNP落入明顯不可接受范圍的監(jiān)測點，在工作日和休息日均為2個，約占15.4%。由圖5可知，研究區(qū)域LNP在工作日整體較休息日高，說明人們在工作日受到道路交通噪聲的影響大于休息日?；谄骄鶖祿梢园l(fā)現，工作日和休息日噪聲污染級的標準差相等，說明研究區(qū)域在晚高峰時段，噪聲污染級的波動情況近似相同。

圖5 噪聲污染級LNP的噪聲地圖Fig.5 Noise map for LNP

4)最大聲級

研究區(qū)域內工作日和休息日的最大聲級(Lmax)分別為84.1±4.6 dB和78.6±4.0 dB，工作日的最大聲級較休息日的大，二者均處于較高的水平，嚴重超過我國聲環(huán)境質量標準所規(guī)定的標準限值，如圖6所示，可以發(fā)現，工作日的最大聲級整體較休息日的大，說明人們在工作日受道路交通噪聲影響大于休息日。

圖6 最大聲級噪聲地圖Fig.6 Noise map for Lmax

在工作日中，當等效聲級Leq≥70 dB時，I類和II類聲環(huán)境功能區(qū)的NEL分別為93.2%(B、C、D區(qū)NEL的平均值)和90.0%；表3給出了工作日和休息日的噪聲超限度，由表3知只有I類聲環(huán)境功能區(qū)中存在等效聲級超過75 dB的區(qū)域，分別為B區(qū)和D區(qū)。

在休息日中，當等效聲級Leq≥70 dB時，I類和II類聲環(huán)境功能區(qū)的NEL分別為89.5%(B、C、D區(qū)NEL的平均值)和84.1%；兩類聲環(huán)境功能區(qū)均不存在超過75 dB的區(qū)域(見表3)，即兩類聲環(huán)境功能區(qū)的NEL均為零。由此可知，無論在工作日還是休息日，研究區(qū)域中I類聲環(huán)境功能區(qū)受道路交通噪聲的影響較II類聲環(huán)境功能區(qū)大。

表3 噪聲超限度(NEL)計算結果 Tab.3 Calculation results of NEL 單位：%

注：W代表Workday；H代表Holiday。

4 估計受影響人數

為了估計西直門區(qū)域內受道路交通噪聲影響的的人數(P)，提出了一種近似方法。當Lm

P=(SLm-SLn)×ρ

(8)

式中:SLm和SLn分別為某一聲級(Lm或Ln)下的面積;ρ為人口密度。

西直門區(qū)域隸屬于北京市西城區(qū)，根據北京市統(tǒng)計年鑒(2018年)，該區(qū)域的人口密度為24 144人/平方公里，因此A，B，C和D的人口密度也是24 144人/平方公里。

基于研究區(qū)域內的實測數據、人口密度、時空分布等數據，利用式(8)估計研究區(qū)域內受道路交通噪聲影響的人數。

由圖3和表2可知，無論工作日還是休息日，西直門各類聲環(huán)境功能區(qū)的交通噪聲值(Leq)均超過我國聲環(huán)境質量標準規(guī)定的限值(I類55 dB和II類60 dB)，因此，受影響的人數約為7 000人。由表3可知，無論工作日還是休息日大多數人處于70～75 dB的交通噪聲環(huán)境中，分別占受影響總人數的91.3%和91.9%，僅有工作日存在交通噪聲超過75 dB的區(qū)域，受影響人數約為400人。學者研究發(fā)現，當交通噪聲達到70 dB以上已經干擾談話，使人精神不振，身體乏力，難以集中精神，影響工作效率，甚至發(fā)生事故。因此，合理并有效的交通噪聲管理措施應付諸行動以降低交通噪聲對西直門區(qū)域人們工作、生活、學習等影響。

5 控制措施

基于西直門區(qū)域的交通噪聲評價數據，兩類聲環(huán)境功能區(qū)的交通噪聲(等效聲級)均超過我國晝間標準限值，因此，需要采取控制措施以緩解城市道路交通噪聲對人們的影響。

綜合考慮西直門區(qū)域已有的控制措施，如綠化帶、車速的限制、禁止鳴笛、限制大型車的駛入時間等，建議在主路立交橋上加裝隔聲屏障。研究區(qū)域由A、B、C、D四個子區(qū)域構成，本文僅以區(qū)域A右側為例進行隔聲屏障設計，其余區(qū)域設計原理相同，代表性受聲點如圖7所示。

圖7 代表性受聲點Fig.7 Representative receiving acoustic points

受聲點插入損失計算公式為

IL=Lp1-Lp2

其中：Lp1為隔聲屏障安裝前的聲壓級；Lp2為隔聲屏障安裝后的聲壓級。當在自由聲場或室外開闊地中，插入損失可以化簡為：

IL=10lg(3+20N)，

N=2δ/λ，

δ=A+B-C，

上述公式中：N為菲涅耳數；δ為聲程差；λ為波長；f為頻率；A，B，C，H1，H2，D1，D2的具體表述如圖8所示。為了計算方便，本文假設聲源與受聲點的高度相等均為1.2 m。由于區(qū)域A屬于第II類功能區(qū)，該區(qū)域晝間噪聲標準為60 dB，因此，通過科學合理地設計隔聲屏障的高度以保證該區(qū)域的噪聲值控制在標準限值之內。

圖8 聲屏障、聲源、受聲點位置參數Fig.8 Positional parameters of noise barriers, sound source and receiving acoustic point

綜上所述，區(qū)域A右側添加隔聲屏障的理論高度約為3.75 m，具體見表4，長度應根據研究區(qū)域的具體情況而定。建議選擇復合共振吸聲材料，因為其吸聲性能較好，并且材料更環(huán)保、耐腐蝕，便于施工和維護[28]。建議選擇Y型結構，因為城市道路兩側的聲屏障對較高建筑的降噪效果要求高，所以更適合采用頂端結構為Y形的隔聲屏障[29]。

表4 聲屏障各參數計算Tab.4 Calculation of each noise barrier’s parameter

6 結論

為了分析與評價西直門區(qū)域的交通噪聲現狀，本文計算了國際上廣泛使用的四種評價指標，繪制了等效聲級、交通噪聲指數、噪聲污染級和最大聲級的噪聲地圖，結合定義的噪聲超限度，對該區(qū)域內不同聲級范圍的交通噪聲超限情況進行了定量計算，估計了研究區(qū)域內受交通噪聲影響的人數，然后基于研究區(qū)域內已有的控制措施，對區(qū)域A的隔聲屏障進行了理論設計。研究結果將為環(huán)保、交通等部門聯(lián)合制定交通噪聲管控措施提供理論依據。

研究發(fā)現，西直門立交橋及其周邊區(qū)域的等效聲級超過了我國晝間標準限值，其中，工作日的平均等效聲級高于休息日；工作日的交通噪聲較休息日的波動大；I類聲環(huán)境功能區(qū)的NEL均大于II類聲環(huán)境功能區(qū)(Leq≥70 dB)，說明I類聲環(huán)境功能區(qū)受到的噪聲影響大于II類聲環(huán)境功能區(qū)；工作日和休息日約7 000人受到交通噪聲的影響，僅有工作日存在超過75 dB的區(qū)域，受影響人數約為400人。