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

高萬(wàn)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(guó)政府和公眾的廣泛關(guān)注[1]，為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)城市交通噪聲問(wèn)題開(kāi)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(kāi)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(guó)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(guó)家層面建立的至今廣泛使用的模型有：NMPB(法國(guó))、RLS90(德國(guó))、FHWA(美國(guó))等。而我國(guó)目前所使用的交通噪聲預(yù)測(cè)模型是基于國(guó)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(guó)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(kāi)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(mén)區(qū)域的道路交通噪聲的時(shí)空分布及評(píng)價(jià)開(kāi)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(mén)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(mén)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(gòu)物廣場(chǎng)、地鐵2、4、13號(hào)線、寫(xiě)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(guó)聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，將西直門(mén)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(mén)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(mén)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(mén)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(jiàn)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(guó)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(mén)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(guó)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(mén)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(guò)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(mén)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(jiàn)表2，與我國(guó)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(mén)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(guò)中國(guó)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(mén)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(guó)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(jiàn)表2，工作日的平均TNI較休息日大，說(shuō)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(shuō)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(jiàn)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(shuō)明人們?cè)诠ぷ魅帐艿降缆方煌ㄔ肼暤挠绊懘笥谛菹⑷铡；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(shuō)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(guò)我國(guó)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(shuō)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(guò)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(guò)75 dB的區(qū)域(見(jiàn)表3)，即兩類聲環(huán)境功能區(qū)的NEL均為零。由此可知，無(wú)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(mén)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(mén)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(wú)論工作日還是休息日，西直門(mén)各類聲環(huán)境功能區(qū)的交通噪聲值(Leq)均超過(guò)我國(guó)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(wú)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(guò)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(mén)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(mén)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(guò)我國(guó)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(mén)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(kāi)闊地中，插入損失可以化簡(jiǎn)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(zhǎng)；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(guò)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(jiàn)表4，長(zhǎng)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(mén)區(qū)域的交通噪聲現(xiàn)狀，本文計(jì)算了國(guó)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(mén)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(mén)立交橋及其周邊區(qū)域的等效聲級(jí)超過(guò)了我國(guó)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(shuō)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(guò)75 dB的區(qū)域，受影響人數(shù)約為400人。