基于三次指數平滑法的烏魯木齊市聲環境質量污染預測及應用

韓芹芹，李 凡，王 濤，張守斌

（1.烏魯木齊市環境監測中心站，新疆 烏魯木齊 830011；2.新疆維吾爾自治區自然資源廳機關服務中心，新疆 烏魯木齊 830002；3.中國環境監測總站，北京100012；）

0 引言

烏魯木齊市作為新疆維吾爾自治區的首府，近年來社會經濟、第三產業和交通運輸業發展迅速，建成區面積逐年擴展。截止2019年，建成區面積已達458.36 km2，常駐人口也較10年前增長了近70%達355.2萬[1]，城市各類噪聲源數量和強度也隨之增加，機動車保有量也較10年前增長了近300%，突破120萬輛。噪聲污染不僅影響了城市居民正常的工作、學習和生活環境，還對居民的身心健康產生了危害，已成為首府重要的環境問題之一。

城市區域聲環境和道路交通聲環境是城市聲環境常規監測的重要組成部分，也是城市聲環境質量評價的重要組成部分，若能較為精確地預測城市區域聲環境和道路交通聲環境質量水平，將有利于城市規劃、道路施工等基礎設施建設工作的開展。

近年來，已有部分學者開展了城市聲環境質量污染模式及預測等方面的研究，例如廉婕[2]等以北京市某典型區域作為研究對象，運用指數平滑法對研究區域的噪聲污染水平進行預測，預測結果顯示該方法適合進行中期的區域聲環境質量水平的預測。李建華[3]等通過對廈門市環境噪聲的實際情況分析并結合指數平滑預測模型，提出符合當前環境噪聲的分段三次指數平滑模型，預測結果顯示該方法預測未來中期環境噪聲準確率滿足使用需求。通過文獻檢索發現，西部地區尚未開展城市聲環境質量預測模型及應用等方面的研究，鑒于此，本文以2011—2021年烏魯木齊市區域聲環境和道路交通聲環境常規歷史監測數據作為研究對象，對全市區域聲環境和道路交通聲環境污染水平和發展趨勢進行預測評價，以期為“十四五”及今后一個時期首府城市聲環境污染防治工作提供一定的科學依據。

1 聲環境質量監測及評價概況

1.1 監測點位

為提高聲環境質量常規監測結果的代表性和準確性，依據《HJ 640-2012環境噪聲監測技術規范 城市聲環境常規監測》（以下簡稱《規范》）和《GB 3096-2008聲環境質量標準》《“十二五”城市環境綜合定量考核指標實施細則》的相關技術指標和規范要求，環保部門于2011年對全市各類聲環境常規監測點位進行了優化調整，并沿用至今。監測點位調整兼顧了原有點位的穩定性和監測數據的連續性。截止2011年底，烏魯木齊市常駐人口321.21萬人左右[1]，屬于大型城市，按照《規范》中“整個城市建成區有效網格總數應＞100個”的相關要求，在建成區共設置了224個有效監測網格，網格大小1000m×1000m，網格覆蓋面積達全市建成居住化面積的85%以上，監測點位設置在網格中心，當中心處不宜布點時則移至距中心較近的位置監測。按照《規范》中“巨大、特大城市≥100個”的相關要求，道路交通噪聲監測點位覆蓋城市建成區內94條道路（快速路、主干線和次干線），共161個測點，路段總長度378.41 km。

1.2 監測方法

按照《規范》及每年度下發的《全國生態環境監測方案》的相關要求，區域環境噪聲在每年9月晝間正常工作時段監測，每個點位測量10 min的等效連續A聲級Leq；道路交通噪聲在每年5月晝間正常工作時段監測，每個點位測量20 min的等效連續A聲級Leq并記錄車流量，噪聲監測同時均記錄累積百分聲級和標準差（SD）。監測采用HS6288型等精度為2級以上的積分式聲級計，測量前后均進行聲學校準，靈敏度相差不得大于0.5dB（A）。出現不合邏輯的異常數據（Leq＞L10）時，必須重新監測，確保監測數據有效性在99%以上。

1.3 噪聲評價方法

根據《規范》，城市晝間聲環境總體水平是將全市晝間所有網格測點的等效聲級取算術平均。

式中：—城市區域晝間平均等效聲級， dB（A）；Li—第i個網格的等效聲級，dB（A）；n—有效網格總數。

根據《規范》，道路晝間平均等效聲級采用路段長度加權算術平均法。

式中：L—道路晝間平均等效聲級，dB（A）；l—監測的路段總長，m；li—第i測點代表的路段長度，m；Li—第i測點測得的等效聲級，dB（A）。

根據《規范》，將計算所得的城市區域環境噪聲總體水平和道路交通噪聲平均值的強度級別分別按表1進行評價。

2 評價結果

表2 2011—2021年區域、交通聲環境質量評價結果 （dB(A)）

2011年以來，對每年度烏魯木齊市全部區域網格測點測得的晝間等效聲級進行算術平均運算，獲得全市區域聲環境總體水平在52.6～55.0dB（A），均屬于二級（較好）等級；對每年度全部道路交通測點測得的晝間等效聲級進行加權算術平均運算，獲得全市道路交通聲環境總體水平在62.6～67.7dB（A），均屬于一級（好）等級。用spearman秩相關系數法對區域聲環境和道路交通聲環境分別進行趨勢分析，2011—2021年的rs值分別為0.65和-0.70，與Wp相比，≤Wp 表明全市區域聲環境質量變化趨勢總體比較平穩。

3 指數平滑預測模型

指數平滑法[4]最早由布朗在1959年提出，其原理是任一期的指數平滑值都是本期實際觀察值與前一期指數平滑值的加權平均。當時間序列數據呈非線性變化趨勢時，可采用三次指數平滑模型進行預測[2]。為提高模型的預測精度，周炳飛[5]指出傳統的指數平滑模型的參數應考慮到時間序列的變化起伏，又提出動態指數平滑模型。

3.1 指數平滑法的基本公式

指數平滑值的基本公式為：

式中：St和St-1—分別為第t周期和第t-1周期的指數平滑值；Xt—第t周期的實測值；α—平滑系數（0≤α≤1）；t—周期數（t=1，2，3...）。

當時間序列呈水平、直線和非線性趨勢時，需要采用的平滑公式分別為：

式中：St（1）、St（2）、St（3）—各次指數平滑值，通過逐層平滑計算以消除隨機因素的影響，找出預測的基本變化。

周炳飛[5]提出的動態指數平滑法是令動態平滑系數（當t＞1時，0＜tφ＜1）得到平滑公式分別為：

3.2 初始估計值和預測精度

當原時間序列數＜15時，初始估計值是對前3期實測值取算術平均。平滑系數α取值與預測的精度關系密切，可直接反映預測成功與否，并可用于評價這一方法是否實用，當時間序列較平穩時取較小的0.05～0.2，當時間序列波動時取值介于0.3～0.8，實際中一般先選幾個α試算，應取誤差（均方差MSE）最小的α值。

式中：Xt—實測值，Yt—預測值，

3.3 預測模型的建立

計算出指數平滑值后，針對城市聲環境質量與時間呈非線性變化趨勢，可選擇包含3個模型參數的2次方程作為非線性指數平滑預測模型：

式中：Y1+m—聲環境預測值，m—目前序列數t到需要預測的時間序列數，at、bt、ct—模型參數，如下所示：

4 預測模型運算

4.1 指數平滑運算

本文選擇2011—2021年烏魯木齊市區域聲環境和道路交通聲環境常規監測數據作為原始數據序列，從時間序列監測數據可見，城市聲環境質量和時間序列呈非線性關系，因此，對該序列采用3次指數平滑法計算。

平滑系數α取0.10、0.30、0.60和0.80共4個數值分別進行靜態和動態平滑測算，并選取最小的MSE值作為最佳α取值[2]。經過計算后發現，α=0.8時，區域聲環境和道路交通聲環境的靜態平滑預測精度分別為98.6%和98.0%，動態平滑預測精度分別為98.7%和98.1%，詳見表3。

表3 平滑系數α不同時聲環境污染預測誤差統計

選取α=0.8的平滑指數，分別代入公式（2）～（4）及（5）～（7）中，進行區域聲環境和道路交通聲環境的三次指數平滑值計算，詳見表4。

4.2 污染預測

將表4中三次指數平滑值的計算結果，分別代入公式（10）～（12）中，計算出模型參數at、bt、ct并代入公式（9）中，進一步建立各時間序列預測起點的數學預測模型，對2011—2021年的區域聲環境和道路交通聲環境進行驗證性“預測”，詳見表5。

表4 2011—2021年區域、交通聲環境污染指數平滑值 （dB(A)）

從計算誤差來看，區域聲環境和道路交通聲環境靜態平均絕對誤差分別為0.118和0.025，動態平均絕對誤差分別為0.119和0.024，預測效果均較好。因此，所求出的預測模型可作為烏魯木齊市區域聲環境和道路交通聲環境污染預測模型。

將表5中a11、b11和c11數據代入公式（9），得到烏魯木齊市聲環境污染指數平滑預測數學模型為：

區域環境噪聲：Y11+m=54.50-0.001×m-0.000291×m2

交通環境噪聲：Y11+m=64.85+0.0044×m+ 0.001648×m2

采用該預測模型對烏魯木齊市未來10年環境噪聲進行預測，結果詳見表6。

表6 2022—2031年區域、交通聲環境污染預測結果 （dB(A)）

對烏魯木齊市2022—2031年的聲環境質量水平進行預測，期間區域聲環境質量水平總體保持在54.5dB（A）以內，均屬于二級（較好）等級；道路交通聲環境質量水平總體保持在65.0dB（A）以內，均屬于一級（好）等級，聲環境質量將處于一個相對平穩的階段。

5 結果與討論

“十一五”時期以來，烏魯木齊市圍繞市民對噪聲污染問題的信訪投訴，持續加大噪聲污染綜合防治工作力度。在重點加強交通運輸噪聲管控的同時，不斷強化社會生活、工業企業噪聲和建筑施工噪聲污染控制的管控，對噪聲污染防治實施聯合監督管理，暢通“12369”“110”“12319”舉報熱線，及時處理和解決噪聲污染問題，結合“綠色護考”等專項行動，進一步降低噪聲對社會生活的影響，推動聲環境質量不斷改善。

從歷史監測結果來看，全市區域聲環境質量均為“二級（較好）”等級，道路交通聲環境質量均為一級“好”等級，據此建立非線性3次指數平滑模型。從預測值與實測值的比較來看，與烏魯木齊市的聲環境污染狀況基本一致，預測效果比較可靠，可用于首府城市聲環境質量短期及中期預測，可為上級管理部門開展噪聲污染防治工作提供一定的依據。進而利用該模型對未來10年首府聲環境質量水平進行預測，區域聲環境質量水平繼續保持在二級（較好）等級以內，道路交通聲環境質量水平繼續保持在一級（好）等級以內。

雖然預測結果顯示今后首府聲環境質量將繼續處于一個相對平穩的階段，烏魯木齊市仍要充分結合城市道路交通系統的建設完善及機動車數量快速增長的實際，找準治理重點，采取綜合措施，進一步加大隔聲屏、綠化帶等隔聲降噪設施建設，合理道路規劃建設，采取更有效的施工和建材技術降低交通噪聲影響[6-8]；同時持續做好社會生活、建筑施工和工業企業等噪聲監督管理，并進一步加強對新修訂《中華人民共和國噪聲污染防治法》的宣傳教育力度，充分發揮新聞媒體宣傳陣地作用，提高各級生態環境部門和人民群眾對噪聲污染防治工作的認識。

另外，值得一提的是，噪聲的產生帶有很多隨機性，任何預測模型都會存在一定的缺陷，該方法也存在一定的探索性和不足之處。首先，指數平滑法是基于歷史數據的預測，而歷史數據又會受到很多因素的干擾，該方法尚不適合于長期的預測，誤差比較大。其次，就模型本身而言，平滑系數的選取是直接影響預測精度和預測期限長短的關鍵因素，需要謹慎并適當的選取。最后，受評價方法過于宏觀的影響[9]，本次只是基于全市聲環境總體水平基礎上的預測，還未能與噪聲污染治理效果、管理水平及周邊居民的居住聲環境相掛鉤。而區域環境噪聲變化存在著方向異性特點，受網格所在功能區以及各類聲源的影響，道路交通噪聲受路段起止、長寬度、車道數、道路等級、覆蓋人口、高峰時段重型及輕型車流量等因素的影響，因此對于部分長期超標的點位而言，模型運用存在一定的局限性，建議今后綜合考慮這些影響因素，并賦予不同的權重，進一步開展聲環境影響預測與評價工作。