基于INM模型的天津機場飛機噪聲污染預測與防治研究

杜昀怡

（1.交通運輸部天津水運工程科學研究院，天津300456；2.天科院環境科技發展（天津）有限公司，天津300456）

航空運輸時效性高，空間跨度大，對物流、人流、信息流等產業具有重要推動作用，已成為時下主要交通運輸方式。根據《2019年民航行業發展統計公報》[1]，截至2019年，我國共有運輸機場238 個；全年旅客運輸量為65 993.42萬人次，增長率達6.9%；貨郵運輸量為753.14萬噸，增長率達2.0%；起飛架次為496.62萬架次，增長率達5.8%。隨著我國航空運輸業的不斷發展，飛機噪聲污染問題日益嚴重。

歐盟委員會于2002年公布了“噪聲暴露劑量與影響”工作組的研究成果，表明同等聲級下，與道路噪聲相比，人們對飛機噪聲更感到煩惱。根據1999年和2007年兩次全國機場噪聲普查結果[2]，31 個直轄市、省會、區首府機場中除拉薩貢嘎機場外，均有不同程度的噪聲問題，民航局每年接受到的噪聲信訪、投訴持續上升。吳娜偉等[3]統計了2004～2011年國內38 個機場環境影響評價報告中公眾參與意見，其中18個項目存在一定比例對機場建設持反對意見的公眾。趙仁興等[4]采用“聲環境指標”評價飛機噪聲影響，該指標表征機場運輸每萬人次旅客產生的WECPNL（計權等效連續感覺噪聲級）超過70 dB的噪聲所影響的人口數量，避免了單憑噪聲影響人數評價飛機噪聲所造成的對旅客吞吐量較大機場不利的問題，其研究成果表明，大連、潮汕、太原等機場雖然旅客吞吐量較小，但由于周邊人口稠密，聲環境指標仍然較高。目前，北京、上海、廣州、深圳、武漢、成都、重慶、杭州和長沙等國內大型機場均存在嚴重的飛機噪聲問題，飛機噪聲污染已成為制約我國民航發展的最大難點，極大限制了機場的長遠發展。

本文根據天津機場2018年實際進出港飛機機型及架次，以及天津機場新版總規《天津濱海國際機場總體規劃》（2019年版）設定的近期目標年航空客運量和客運終端目標年航空客運量，利用INM模型計算飛機噪聲，并繪制噪聲等值線圖。根據模型計算結果，結合天津機場實際情況，研究ICAO航空噪聲管理“平衡做法”在天津機場的具體應用。

1 材料與方法

1.1 研究對象概況

天津機場位于天津市東麗區，距中心城區13 km，距天津港30 km，距北京134 km，為國內干線機場、北京首都機場的主要備降機場。機場現有兩條遠距跑道，飛行區指標為4E，受空域限制，機場目前跑道運行方式為一跑道起飛、二跑道降落。現狀基準年（2018年）旅客吞吐量為2 359.1萬人次，年飛機起降架次為17.577 萬架次。近十年來，隨著天津機場航空業務高速增長，現有飛行區和航站區已無法滿足機場持續增長的航空運輸需求。2019年，天津機場委托中國民航機場建設集團公司編制完成《天津濱海國際機場總體規劃》（2019年版），目前已取得民航局正式批復。2019版總體規劃的近期目標年為2030年，對應旅客吞吐量達5 500 萬人次，飛機起降架次達38.568萬架次；終端年不設具體年份，對應旅客吞吐量達8 000萬人次，飛機起降架次達46.724萬架次。飛行區規劃3 條平行跑道，跑道構型為一組近距跑道加一條遠距跑道，跑道構型見圖1。一跑道參數為3 600 m×60 m，二跑道參數為3 600 m×45 m，較一跑道向南錯開500 m，跑道間距為2 100 m；規劃三跑道參數為3 600 m×45 m，與二跑道間距為370 m，較二跑道向南錯開1 550 m。

圖1 規劃跑道構型

1.2 飛機噪聲評價量

相比于其他交通噪聲，飛機噪聲具有突發、間歇、高聲級的特點，國內外正在使用或使用過的評價量多達11 余種[5]。1984年，中國科學院聲學研究所等單位對北京首都機場和廣州白云機場飛機噪聲進行了大量研究調查，認為ICAO推薦的以噪聲度為基礎的LWECPN能夠較好反映噪聲對人的影響[6]。1988年，我國正式頒布《機場周圍飛機噪聲環境》（GB9660－1988），規定將LWECPN作為我國飛機噪聲評價量。該指標物理意義是全天時間內飛機通過某一固定點所產生的有效感覺噪聲級的能量平均值。其優點是考慮了飛機噪聲純音的修正，缺點是不能直接測量，需要大量的實測數據，計算過程較為復雜。計算模式如下：

式中：N1為07：00～19：00的日飛行架次；N2為19：00～22：00 的日飛行架次；N3為22：00～07：00 的日飛行架次多次飛行事件的平均有效感覺噪聲級。

其中：LEPN=LAmax+10 lg(Td/20)+13，Td為持續時間。

式中：LEPNij為j航道第i架次飛行引起的某預測點處有效感覺噪聲級。

1.3 INM模型概述

INM 模型由美國聯邦航空局（FAA）研發，利用機場基本信息、飛機性能參數、航班信息資料等數據進行噪聲預測。其特點是預測中考慮了人的主觀感受、飛機噪聲側向衰減、斜距計算模式、飛機航跡的水平發散等因素，但由于需要的基本數據較多，因此基本數據的準確性有可能對預測結果產生一定程度的影響。針對INM模型預測飛機噪聲的準確性，國內多名學者進行了相關研究。曹曉芳等[7]通過對北京首都機場飛機噪聲預測值和實際監測值進行對比分析，認為氣象條件、飛行剖面選擇、地形高差和反推力對INM計算結果的影響相對較小，絕大部分測點預測值和實測值差值在±3 dB左右，因此在參數設置合理的情況下，采用INM軟件預測飛機噪聲是可靠的。李冉[8]以新建江西上饒機場為研究對象，討論了機型組合、起降方向、時間分布和地形條件對INM模型的影響，其研究結果表明，機型組合、時間分布和地形條件對預測結果影響較大，而調整跑道起降方向所產生的影響相對較小。通過對比國內海口美蘭機場、深圳寶安機場、石家莊機場、寧波機場等10個機場共88 個監測點位的實測值和INM 計算值可知，差值的絕對偏差為0.82 dB～1.73 dB。由以上研究成果可知，在輸入的基本參數合理的條件下，利用INM模型預測飛機噪聲是可行的。

1.4 飛機噪聲預測程序

依據《環境影響評價技術導則-民用機場建設工程》和《民用機場周圍飛機噪聲計算和預測》（MH/T5105/2007），本次研究飛機噪聲預測程序如圖2所示。

圖2 飛機噪聲預測程序

2 預測結果

2.1 飛機噪聲預測等值線圖

天津機場現狀基準年（2018年）、規劃近期目標年和客運終端年飛機噪聲預測結果見圖3，統計得出不同聲級下覆蓋面積見表1。由圖3及表1可知，規劃近期中70 dB～75 dB、75 dB～80 dB、80 dB～85 dB、85 dB～90 dB、大于90 dB 覆蓋面積較現狀分別增加34.986 km2、13.117 km2、4.993 km2、2.207 km2、1.150 km2，客運終端年較現狀分別增加45.217 km2、19.298 km2、8.139 km2、3.130 km2、2.488 km2。研究結果表明，隨天津機場三跑道的修建和航空業務量的逐年遞增，機場噪聲影響面積將同步增加。

圖3 飛機噪聲等值線圖

表1 天津機場飛機噪聲預測覆蓋面積/km2

2.2 周邊敏感點影響情況

天津機場距離中心城區僅13 km，根據現場調研，在現有一跑道北端延伸12 km、二跑道南段延伸16 km、兩跑道兩側各延伸2 km的評價范圍內，共有民航小區、華明鎮、軍糧城等93 個村鎮、社區敏感點，有中國民航大學、華明中學、軍糧城中學等32個學校敏感點。根據預測結果，隨飛行量的增加，飛機噪聲影響人口數量顯著增加，現狀基準年WECPNL70 dB～75 dB 區域共有4 109 戶/12 326人，規劃近期上升至13 657 戶/40 955 人，對比現狀基準年增加9 548 戶/28 629 人，規劃終端年上升至22 669戶/68 508人，對比現狀基準年增加18 560戶/56 182 人。生活在75 dB～80 dB 和大于80 dB 區域的人口數量也有不同程度增長，具體統計數據見表2。

表2 不同目標年飛機噪聲影響的村莊/社區戶數和人口數

3 飛機噪聲防治措施的“平衡做法”

ICAO針對飛機噪聲提出“平衡做法”，指減少噪聲源、土地使用合理規劃和管理、減噪飛行程序和運行限制共4 個控制飛機噪聲的方法。“平衡做法”目前已成為全球航空噪聲管理的基礎，歐盟已立法（EU 598/2014）保障了“平衡做法”在當地的實施。其中“運行限制”措施由于影響較大，目前ICAO 對其施行的前置條件要求較為苛刻，國際航空運輸協會（IATA）也認為采用“運行限制”不利于航空公司針對航線和目的地機場特性采用最優機型[9]。因此目前“運行限制”在全球使用不多，本文針對天津機場實際情況，研究“平衡做法”前3種措施的可行性。

3.1 減少噪聲源

降低飛機發動機運行噪聲是從源頭解決噪聲污染問題最有效的方法。ICAO 和我國均制定了飛機噪聲的適航標準。《國際民用航空公約》附件16中規定了不同航空器不同階段的噪聲限制。我國在此基礎上，結合美國聯邦航空條例、歐洲適航標準，頒布了《航空器型號和適航合格審定噪聲規定》。由于我國航空運輸起步相對較晚，國內航空公司機隊相對較新，目前基本已無第2 階段飛機。根據北京首都國際機場對單架飛機噪聲監測結果，IL76、B74S、B744 等機型在同一測點產生的最大A 聲級遠大于B738、A332等機型。對比同一測點，伊爾76降落時最 大A 聲級比B747-400 高12.5 dB(A)，TU154 比B767-300大10.7 dB(A)。

限制飛機夜間起降可有效控制夜間噪聲源。國際上一些機場已經采取了“宵禁”措施。澳洲悉尼機場夜間有7個小時禁止噴氣飛機起降，倫敦、法蘭克福、阿姆斯特丹等機場夜間允許符合噪聲標準的寬體飛機降落。但對于有國際航班起降的機場，限制飛機夜間起降不利于航班時刻安排。

上述研究成果表明，天津機場應合理組織機隊，限制高噪聲飛機起降，在必要時制定飛機噪聲最大A聲級限制值；同時合理調配航班起降時間，在不造成停機坪過度擁擠、不影響國際航班正常起降、兼顧航空貨運業務的前提下，盡量減少夜間航班起降。

3.2 土地使用規劃和管理

由于規劃中沒有考慮機場周邊土地利用問題而導致機場與周邊居民產生矛盾的現象在國內已屢見不鮮。深圳機場周邊在1985年時基本為空地，無聲環境敏感建筑，2004年出現部分敏感點，2015年已存在大量敏感建筑物，并出現群眾對飛機噪聲不滿的現象；北京首都機場2004年計劃擴建第三跑道時，在第三跑道延長線2.8 km 處已規劃建設一處居民區，2008年跑道建成投入使用后，該處已建成2萬人規模的小區，導致居民上訪不斷，即使后期機場采取了隔聲和減少夜間飛機起降架次等措施，依舊無法消除矛盾[4]。類似的情況還在大連、廈門等機場出現，國內多個機場存在被居民區包圍的現象，不僅造成很多矛盾，而且限制了機場的遠期發展，有些機場甚至已被迫搬遷。這都是由于在編制機場總體規劃時，沒有考慮到將其與周邊土地利用規劃相協調。

《中華人民共和國噪聲污染防治法》規定，“城市人民政府應當在航空器起飛、降落的凈空周圍劃定限制建設噪聲敏感建筑物的區域”。《中華人民共和國民用航空法》規定，“民用機場建設規劃應當與城市建設規劃相協調”。《民用機場管理條例》規定，“民用機場所在地有關地方人民政府應當在民用機場周邊地區劃定限制建設噪聲敏感建筑物的區域并實施控制”。《民用機場總體規劃編制內容及深度要求》規定，“對機場周邊土地利用提出控制性建議”。因此，天津機場應協助政府部門，根據噪聲預測等值線圖，調整周邊土地利用規劃，使機場總體規劃與城市建設總體規劃相協調，這對有效降低機場噪聲影響及為機場遠期發展預留空間具有重要意義。

天津機場四至范圍受京津塘高速、津濱高速、外環東路和津漢公路限制，可規劃用地較少且限制因素較多。根據天津機場飛機噪聲等值線圖（見圖3），結合機場周邊道路、河流及地形、地貌等特征物，將天津機場飛機噪聲控制區劃分為4 級，分別為I級控制區（70 dB＜WECPNL≤75 dB）、Ⅱ級控制區（75 dB＜WECPNL≤80 dB）、Ⅲ級控制區（80 dB＜WECPNL≤85 dB）、Ⅳ級控制區（WECPNL＞85 dB）。4 級噪聲控制區面積合計175.711 km（2不包括機場規劃區面積）。控制區內的土地使用將受到限制，控制區外的土地仍可按正常方式進行使用。土地用途的噪聲敏感性見表3。天津機場飛機噪聲控制區面積分布和建筑物限制要求見表4。

表3 土地用途噪聲敏感性分類

表4 天津機場用地控制區域面積分布和建筑物限制要求

3.3 減噪飛行程序

運行減噪飛行程序的目的是優化機場噪聲等值線圖分布，在保證飛行安全的前提下，盡量減小噪聲等值線面積或優化其形狀，從而減少受飛機噪聲影響的人數。目前主要措施包括：交替使用跑道，避免對單一區域的長時間干擾；起降航線繞避居民密集區域，減少受飛機噪聲影響的人數；采用多級進近飛行時，盡可能在靠近機場時降低飛機高度；飛機起飛后快速爬升；開展跑道入口內移研究，提高進場航班飛越居民密集區時的高度等措施[10]。

麻省理工學院與波音公司研究了連續下降進近程序CDA（Continuous Descent Approach），發現與傳統飛行程序相比，使用CDA 程序可以降低噪聲3.9 dB～6.5 dB。首都機場目前正與FAA和波音公司合作，擬在首都機場采用CDA程序。天津機場如能采用CDA程序，可較大程度減少飛機噪聲對周邊環境的影響，同時可降低飛機油耗。

4 結語

（1）從INM 模型計算結果來看，受航空運輸量增加和第三跑道新建影響，天津機場近期目標年和客運終端年飛機噪聲增長明顯，70 dB等值線包圍面積增長率分別為115%和160%，受飛機噪聲影響的人數也有明顯增加。因此研究天津機場飛機噪聲防控是十分必要的。

（2）為貫徹落實“民航綠色發展”的要求，降低機場對周邊環境的噪聲污染，預留未來發展空間，天津機場必須對飛機噪聲污染防控工作給予高度重視，結合ICAO 平衡做法，可從減少噪聲源、對土地使用進行合理規劃和加強管理、運行減噪飛行程序等方面入手。

(3）本文在預測飛機噪聲過程中采用的飛行程序和機場基本參數均為規劃設計階段成果，僅為研究天津機場噪聲防控措施提供參考。