北京西直門區(qū)域道路交通噪聲時(shí)空分布與評(píng)價(jià)研究

高萬晨

(遼寧對(duì)外經(jīng)貿(mào)學(xué)院 信息管理學(xué)院, 遼寧 大連 116052)

隨著城市的發(fā)展，機(jī)動(dòng)車保有量逐年增加，道路交通噪聲對(duì)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(guān)注[1]，為此，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)城市交通噪聲問題開展了相關(guān)研究。

為了解城市道路交通噪聲的污染現(xiàn)狀，學(xué)者針對(duì)道路交通噪聲開展了一系列實(shí)地監(jiān)測(cè)研究。Tsai等基于噪聲監(jiān)測(cè)站所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，運(yùn)用GIS分析了城市噪聲的空間特性[2]；王志偉等設(shè)立40個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)用于監(jiān)測(cè)校園內(nèi)的交通噪聲，并繪制了噪聲地圖，分析了校園各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位、各功能區(qū)的達(dá)標(biāo)情況[3]。為降低城市道路交通噪聲研究中實(shí)地監(jiān)測(cè)的資金投入，部分學(xué)者對(duì)城市道路交通噪聲的實(shí)地監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化研究[4]。

為克服實(shí)地監(jiān)測(cè)交通噪聲的缺點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者建立了相關(guān)交通噪聲預(yù)測(cè)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(yù)測(cè)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(xué)者層面建立的模型有：交叉口的交通噪聲預(yù)測(cè)模型[9-11]，黃朝強(qiáng)運(yùn)用改進(jìn)的GM(1，N)模型對(duì)交通噪聲進(jìn)行了預(yù)測(cè)研究[12]。

國內(nèi)外學(xué)者為了對(duì)所選研究區(qū)域的交通噪聲現(xiàn)狀進(jìn)行科學(xué)合理地評(píng)價(jià)，建立了相關(guān)評(píng)價(jià)方法[13]，并得到了比較廣泛的應(yīng)用[14-16]。

同時(shí)，為對(duì)交通噪聲進(jìn)行合理有效地控制，學(xué)者對(duì)隔聲屏障[17-19]、制動(dòng)器[20]、綠化帶[21-22]、限行與限速[23]、路線設(shè)計(jì)[24]等控制措施的效果開展了相關(guān)研究，討論了適用條件，并證明了有效性。

本文對(duì)北京市西直門區(qū)域的道路交通噪聲的時(shí)空分布及評(píng)價(jià)開展了相關(guān)研究。首先，選擇適當(dāng)交通噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)研究區(qū)域的交通噪聲進(jìn)行了實(shí)地測(cè)量；其次，基于交通噪聲評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用反距離插值法[25](IDW)繪制了各指標(biāo)的噪聲地圖；然后，定義了噪聲超限度的概念，并建立了估計(jì)受交通噪聲影響人數(shù)的模型，對(duì)西直門區(qū)域交通噪聲的超限情況和受影響人數(shù)進(jìn)行了定量分析；最后，基于研究區(qū)域內(nèi)已有的交通噪聲控制措施，以區(qū)域A為例，對(duì)隔聲屏障進(jìn)行了理論設(shè)計(jì)，保證交通噪聲控制在標(biāo)準(zhǔn)限值之內(nèi)。

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(duì)象，該區(qū)域內(nèi)有北京北站、凱德Mall購物廣場(chǎng)、地鐵2、4、13號(hào)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(shè)施。根據(jù)我國聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，將西直門區(qū)域分為A、B、C、D共計(jì)4個(gè)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(chǎng)、文娛、金融服務(wù)業(yè)等為主，需要維護(hù)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(cè)點(diǎn)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(yùn)的綜合交通樞紐，車流、客流量大，人車混行現(xiàn)象較為明顯，因此，該區(qū)域在高峰時(shí)段交通擁堵較為嚴(yán)重，導(dǎo)致交通噪聲較為嚴(yán)重，已經(jīng)影響到人們的正常工作和生活。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)采集

本文選擇13個(gè)道路交通噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)(如圖2(b)所示)，監(jiān)測(cè)西直門區(qū)域內(nèi)的道路交通噪聲，各交通噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于道路旁人行道且距離建筑物至少3.5 m[26]。利用GPS設(shè)備對(duì)交通噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地標(biāo)記和定位操作，具體經(jīng)緯度坐標(biāo)見表1。選擇聲級(jí)計(jì)(WS1361-12)作為交通噪聲監(jiān)測(cè)設(shè)備，該聲級(jí)計(jì)監(jiān)測(cè)范圍為30～130 dB，頻率加權(quán)為A計(jì)權(quán)。為了科學(xué)合理地監(jiān)測(cè)研究區(qū)域內(nèi)的交通噪聲，本文將監(jiān)測(cè)時(shí)間分為工作日(周一至周五)和休息日(周六和周日)，以此對(duì)研究區(qū)域晚高峰時(shí)段(16:00-18:00)的道路交通噪聲進(jìn)行了間隔為1 s的連續(xù)測(cè)量。

表1 噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)GPS坐標(biāo)Tab.1 Noise monitoring points with GPS coordinates

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

為科學(xué)合理地評(píng)價(jià)城市道路交通噪聲，國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)交通噪聲的時(shí)間和頻率特性，制定了一系列交通噪聲評(píng)價(jià)指標(biāo)[27]，評(píng)價(jià)指標(biāo)大都基于等效聲級(jí)在特定情況修訂得到。本文基于常用的交通噪聲評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究西直門區(qū)域的交通噪聲時(shí)空分布模式，并將相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果與國內(nèi)聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較[26]。

1)等效聲級(jí)(Leq)是指在交通噪聲測(cè)量時(shí)間段(T)內(nèi)的平均聲能，具體公式為

(1)

式中LAi(t)為監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)的第i個(gè)A聲級(jí)。

當(dāng)監(jiān)測(cè)交通噪聲使用等時(shí)間間隔時(shí)，式(1)轉(zhuǎn)為

(2)

式中n為監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)的A聲級(jí)記錄數(shù)。

2)累積百分聲級(jí)(LN)是指監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)高于聲級(jí)LN的交通噪聲所占時(shí)間為N%[27]，該指標(biāo)能夠定量地反映交通噪聲的波動(dòng)起伏程度。常用的累積百分聲級(jí)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(dāng)交通噪聲的統(tǒng)計(jì)特性近似服從正態(tài)分布時(shí)，等效聲級(jí)和累積百分聲級(jí)之間的關(guān)系為

(3)

3)交通噪聲指數(shù)(TNI)能夠衡量人們受到交通噪聲的滋擾響應(yīng)程度，其由監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)交通噪聲的波動(dòng)起伏程度(L10-L90)和本底值L90共同決定，其計(jì)算公式為

TNI=4×(L10-L90)+L90-30

(4)

4)噪聲污染級(jí)(LNP)是評(píng)價(jià)交通噪聲對(duì)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(jì)算公式為

LNP=Leq+Kσ

(5)

式中：Leq衡量交通噪聲能量；標(biāo)準(zhǔn)差反應(yīng)交通噪聲的漲落；K為常數(shù)，一般取2.56。標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算公式為

(6)

5)為了對(duì)西直門區(qū)域交通噪聲的影響強(qiáng)度進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，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(nèi)的交通噪聲值大于某一等效聲級(jí)(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(jí)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(shí)空分布與評(píng)價(jià)

1)等效聲級(jí)

西直門區(qū)域在工作日和休息日內(nèi)晚高峰時(shí)段13個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(70 dB)相比，分別高出了4.9%和3.1%。 圖3為對(duì)應(yīng)的研究區(qū)域內(nèi)工作日和休息日晚高峰時(shí)段關(guān)于等效聲級(jí)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(nèi)工作日和休息日的噪聲值(Leq)均大于60 dB，已經(jīng)超過中國關(guān)于I類(55 dB)和II類(60 dB)聲環(huán)境功能區(qū)內(nèi)交通噪聲標(biāo)準(zhǔn)的上限。由于西直門區(qū)域是一個(gè)復(fù)雜而大型的道路節(jié)點(diǎn)，且在高峰時(shí)段內(nèi)車流量較大、建筑物與道路的距離較近、立交橋相對(duì)較高、缺少隔聲屏障、綠化帶等交通噪聲控制措施，結(jié)合我國的聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，可以發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域內(nèi)的人們受到交通噪聲的干擾較為嚴(yán)重，已經(jīng)影響到他們的工作和生活。

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)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(jí)Leq的噪聲地圖Fig.3 Noise map for Leq

2)交通噪聲指數(shù)

研究區(qū)域內(nèi)工作日和休息日的交通噪聲指數(shù)(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(dòng)較大。TNI的時(shí)空分布如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)，工作日的交通噪聲指數(shù)整體較休息日的大，說明研究區(qū)域內(nèi)人們?cè)诠ぷ魅帐芙煌ㄔ肼暤挠绊戄^休息日的大。

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

3)噪聲污染級(jí)

研究區(qū)域內(nèi)工作日和休息日的噪聲污染級(jí)(LNP)分別為85.5±4.7 dB和84.5±4.7 dB，具體見表2，分別對(duì)應(yīng)于一般不可接受或明顯不可接受的噪聲污染等級(jí)。其中，LNP落入明顯不可接受范圍的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在工作日和休息日均為2個(gè)，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?cè)诠ぷ魅帐艿降缆方煌ㄔ肼暤挠绊懘笥谛菹⑷??；谄骄鶖?shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，工作日和休息日噪聲污染級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)差相等，說明研究區(qū)域在晚高峰時(shí)段，噪聲污染級(jí)的波動(dòng)情況近似相同。

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

4)最大聲級(jí)

研究區(qū)域內(nèi)工作日和休息日的最大聲級(jí)(Lmax)分別為84.1±4.6 dB和78.6±4.0 dB，工作日的最大聲級(jí)較休息日的大，二者均處于較高的水平，嚴(yán)重超過我國聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)限值，如圖6所示，可以發(fā)現(xiàn)，工作日的最大聲級(jí)整體較休息日的大，說明人們?cè)诠ぷ魅帐艿缆方煌ㄔ肼曈绊懘笥谛菹⑷铡?/p>

圖6 最大聲級(jí)噪聲地圖Fig.6 Noise map for Lmax

在工作日中，當(dāng)?shù)刃暭?jí)Leq≥70 dB時(shí)，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(jí)超過75 dB的區(qū)域，分別為B區(qū)和D區(qū)。

在休息日中，當(dāng)?shù)刃暭?jí)Leq≥70 dB時(shí)，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(jì)算結(jié)果 Tab.3 Calculation results of NEL 單位：%

注：W代表Workday；H代表Holiday。

4 估計(jì)受影響人數(shù)

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

P=(SLm-SLn)×ρ

(8)

式中:SLm和SLn分別為某一聲級(jí)(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(jù)北京市統(tǒng)計(jì)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(nèi)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、人口密度、時(shí)空分布等數(shù)據(jù)，利用式(8)估計(jì)研究區(qū)域內(nèi)受道路交通噪聲影響的人數(shù)。

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(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值(I類55 dB和II類60 dB)，因此，受影響的人數(shù)約為7 000人。由表3可知，無論工作日還是休息日大多數(shù)人處于70～75 dB的交通噪聲環(huán)境中，分別占受影響總?cè)藬?shù)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(shù)約為400人。學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)交通噪聲達(dá)到70 dB以上已經(jīng)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(yīng)付諸行動(dòng)以降低交通噪聲對(duì)西直門區(qū)域人們工作、生活、學(xué)習(xí)等影響。

5 控制措施

基于西直門區(qū)域的交通噪聲評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，兩類聲環(huán)境功能區(qū)的交通噪聲(等效聲級(jí))均超過我國晝間標(biāo)準(zhǔn)限值，因此，需要采取控制措施以緩解城市道路交通噪聲對(duì)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?cè)霑r(shí)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(gè)子區(qū)域構(gòu)成，本文僅以區(qū)域A右側(cè)為例進(jìn)行隔聲屏障設(shè)計(jì)，其余區(qū)域設(shè)計(jì)原理相同，代表性受聲點(diǎn)如圖7所示。

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

受聲點(diǎn)插入損失計(jì)算公式為

IL=Lp1-Lp2

其中：Lp1為隔聲屏障安裝前的聲壓級(jí)；Lp2為隔聲屏障安裝后的聲壓級(jí)。當(dāng)在自由聲場(chǎng)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(shù)；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(jì)算方便，本文假設(shè)聲源與受聲點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)為60 dB，因此，通過科學(xué)合理地設(shè)計(jì)隔聲屏障的高度以保證該區(qū)域的噪聲值控制在標(biāo)準(zhǔn)限值之內(nèi)。

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

綜上所述，區(qū)域A右側(cè)添加隔聲屏障的理論高度約為3.75 m，具體見表4，長度應(yīng)根據(jù)研究區(qū)域的具體情況而定。建議選擇復(fù)合共振吸聲材料，因?yàn)槠湮曅阅茌^好，并且材料更環(huán)保、耐腐蝕，便于施工和維護(hù)[28]。建議選擇Y型結(jié)構(gòu)，因?yàn)槌鞘械缆穬蓚?cè)的聲屏障對(duì)較高建筑的降噪效果要求高，所以更適合采用頂端結(jié)構(gòu)為Y形的隔聲屏障[29]。

表4 聲屏障各參數(shù)計(jì)算Tab.4 Calculation of each noise barrier’s parameter

6 結(jié)論

為了分析與評(píng)價(jià)西直門區(qū)域的交通噪聲現(xiàn)狀，本文計(jì)算了國際上廣泛使用的四種評(píng)價(jià)指標(biāo)，繪制了等效聲級(jí)、交通噪聲指數(shù)、噪聲污染級(jí)和最大聲級(jí)的噪聲地圖，結(jié)合定義的噪聲超限度，對(duì)該區(qū)域內(nèi)不同聲級(jí)范圍的交通噪聲超限情況進(jìn)行了定量計(jì)算，估計(jì)了研究區(qū)域內(nèi)受交通噪聲影響的人數(shù)，然后基于研究區(qū)域內(nèi)已有的控制措施，對(duì)區(qū)域A的隔聲屏障進(jìn)行了理論設(shè)計(jì)。研究結(jié)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(jù)。

研究發(fā)現(xiàn)，西直門立交橋及其周邊區(qū)域的等效聲級(jí)超過了我國晝間標(biāo)準(zhǔn)限值，其中，工作日的平均等效聲級(jí)高于休息日；工作日的交通噪聲較休息日的波動(dòng)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(shù)約為400人。