公路綠化帶降噪效應(yīng)及其影響因素研究

王慧，郭晉平，張蕓香，魏紅芬，馮璐瑤

山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山西 太谷 030801

公路綠化帶是天然的降噪屏障。公路綠化帶通過樹冠吸收聲能而有很好的噪音衰減效應(yīng)[1-2]。具有不同結(jié)構(gòu)特征的綠化帶，其降噪效應(yīng)也有顯著差別。其中，綠化帶寬度、樹種組成、密度或郁閉度是最主要的指標(biāo)。綠化帶的降噪效應(yīng)與其寬度成正比[2-3]；交通噪音的綠化衰減同綠化帶寬度有很大關(guān)系；楊樹構(gòu)成的綠化帶15～45 m的降噪效果最好，而在75 m以外的綠化帶降噪效應(yīng)消失；并且高速路路側(cè)綠化帶對車輛通過產(chǎn)生的較高分貝瞬間噪音表現(xiàn)出一定減輕作用，車流量小的路段，降噪效果則不明顯[4-5]；城市道路單行綠化帶降噪效果還能達(dá)到2～4 dB左右[6]。但是，對于公路綠化帶的基本結(jié)構(gòu)特征樹種組成、郁閉度（密度）和寬度如何影響綠化帶的降噪效果還需要進(jìn)行系統(tǒng)研究。本研究以山西省典型公路綠化帶為研究對象，通過測定不同結(jié)構(gòu)特征綠化帶的降噪效果，分析綠化帶結(jié)構(gòu)對降噪效應(yīng)的影響，即綠化帶的降噪效應(yīng)，為綠化帶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化以及綠化帶降噪效應(yīng)計(jì)量評價提供依據(jù)。

1 研究對象和研究方法

1.1 研究對象概況

山西省公路綠化工程是 2006年全面實(shí)施的省級林業(yè)六大工程之一，內(nèi)容是在山西省所有各級道路兩側(cè)營造5～50 m的防護(hù)綠化帶。通過多年的綠化實(shí)踐，加上以往公路綠化的成果，形成了多種類型的綠化帶結(jié)構(gòu)類型，根據(jù)樹種組成、綠化帶寬度及郁閉度，可分為6種類型，見表1。

1.2 典型路段的選定及樣帶布設(shè)

表1 公路綠化帶結(jié)構(gòu)類型及劃分Tab 1 Roadside tree-belt structure types and the classification

本研究于2009年5—10月進(jìn)行。根據(jù)現(xiàn)有公路綠化帶結(jié)構(gòu)特征類型，考慮到高速、國道及省道等各類道路的代表性，在山西省內(nèi)共選定 58條典型路段，在每一類典型路段的路側(cè)綠化帶橫向布設(shè)調(diào)查研究典型樣帶。為保證代表性，要求典型路段遠(yuǎn)離居民區(qū)和嘈雜環(huán)境區(qū)，路段長度大于200 m；同時要求其附近要有一段無綠化帶作為對照路段，長度不少于50 m。

在每一典型路段上，垂直于道路分別設(shè)置樣帶，根據(jù)綠化帶寬度確定樣帶寬度，使樣帶面積不少于400 m2，為保證樣帶內(nèi)主要樹種的株數(shù)不少于30株，對樣帶內(nèi)樹木進(jìn)行每木檢尺，測定主要樹種高度，按株數(shù)比例計(jì)算樹種組成，采用標(biāo)準(zhǔn)地對角線上樣點(diǎn)法測定郁閉度。同時以每小時通過公路垂直斷面的雙向機(jī)動車輛的個數(shù)為計(jì)量單位作為試驗(yàn)路段車流量（輛/h）[7]。各典型路段概況見表2。

表2 山西省噪音監(jiān)測典型路段概況Tab 2 Stand status of typical roadside tree-belt in Shanxi of noise monitoring

1.3 噪音測定方法

在每一樣帶內(nèi)按離開路沿的距離設(shè)置距離梯度噪音測點(diǎn)，距離梯度為0、5、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100 m，噪音測定采用香港?，擲MART AR-824手持式數(shù)顯程式噪音計(jì)，從每天 8：00～18：00 間按照(GBT/3222－94)標(biāo)準(zhǔn)連續(xù)測定。

1.4 噪音的距離衰減模型

聲波衰減包括正常衰減和愈量衰減[8]。本研究中的愈量衰減即指綠化帶引起的綠化衰減[3,5]。

綠化帶對點(diǎn)源噪音的距離衰減模型采用[3,9]：，式中，1r為綠化帶前緣距聲源距離，r2為綠化帶后緣距聲源距離；如把道路車輛流看作聲功率均勻分布的無限長線聲源，距離衰減模型的系數(shù)差異較大。本研究中，對各典型路段進(jìn)行無綠化路段噪音梯度測定，并將實(shí)測值分別通過上述模型進(jìn)行擬合，選擇擬合度高的模型做為綠化帶距離衰減公式。

1.5 模型擬合及降噪效應(yīng)因子測定

為了研究綠化帶降噪效應(yīng)與綠化帶結(jié)構(gòu)參數(shù)的定量關(guān)系，以綠化帶綠化衰減為因變量，以綠化帶特征因子為自變量進(jìn)行多元回歸分析，并對選取的指標(biāo)以及回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)和相關(guān)性分析。綠化帶結(jié)構(gòu)特征因子包括：綠化帶寬度（m），郁閉度，疏透度（采用使用數(shù)字圖像處理法測定[10]），主要樹種均高（m），枝下高（m），冠幅（m×m），100 m綠化帶胸高斷面積（m2），葉面積指數(shù)（采用回歸模型計(jì)算葉面積指數(shù)），綠化帶密度（株/畝），有無灌木及其疏密結(jié)構(gòu)，首行樹種及綠化帶樹種組成。

2 結(jié)果與分析

2.1 噪音的距離衰減模型

用無綠化路段的噪音梯度實(shí)測值，進(jìn)行道路噪音距離衰減模型擬合，結(jié)果見表3。

表3 山西省公路綠化帶噪音距離衰減擬合模型參數(shù)Tab 3 Parameters of fitted models on noise attenuation of roadside tree-belt in Shanxi

可見，山西省道路噪音距離衰減模型的系數(shù)為10.927。

2.2 公路綠化帶的噪音梯度衰減格局

將6種結(jié)構(gòu)特征的綠化帶典型路段樣帶內(nèi)距離梯度上的噪音實(shí)測值取平均，制成擴(kuò)散格局圖，見圖1所示。

圖1 綠化帶噪音梯度衰減格局Fig.1 Dispersion pattern of noise value of roadside tree-belt

由圖1可以看出，自路基處綠化帶即開始發(fā)揮顯著的降噪效應(yīng)，噪音值在距道路10 m范圍內(nèi)呈最快的遞減趨勢，噪音值從距道路0 m處85.7 dB降至10 m 處72.3 dB，平均噪音值降低13.4 dB；在路10～60 m范圍內(nèi)噪音衰減趨勢減緩，平均噪音值降低14.2 dB；在60～80 m范圍內(nèi)，噪音衰減趨勢更緩，平均噪音值降低3.8 dB；在80～100 m范圍內(nèi)，噪音衰減趨勢接近于零，平均噪音值降低1.2 dB。

以不同水平梯度的噪音值為因變量，距離為自變量，選擇合適的模型進(jìn)行噪音衰減效應(yīng)曲線擬合，以三次多項(xiàng)式的擬合度最高，模型參數(shù)見表4。

在距道路100 m范圍內(nèi)，公路綠化帶噪音衰減格局呈單調(diào)遞減趨勢，噪音衰減在10 m范圍內(nèi)最高，而后逐漸減弱，80 m后噪音衰減趨于零。

2.3 不同結(jié)構(gòu)特征公路綠化帶降噪效應(yīng)

對不同結(jié)構(gòu)特征綠化帶噪音衰減率作差異顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果表明6種特征綠化帶降噪效應(yīng)差異極顯著（P＜0.001）。為消除不同路段噪音值量綱差異對分析結(jié)果的影響，較客觀地反應(yīng)綠化帶對公路噪音的衰減效應(yīng)，本研究提出“噪音衰減率”，以單位距離上的噪音衰減量來表示，公式如下：

式中：Ra為噪音衰減率，Lr為距公路距離為 r點(diǎn)梯度上的噪音值，Lr-1為Lr前一距離梯度的噪音值。采用LSD法分析比較各結(jié)構(gòu)類型綠化帶距離梯度上的噪音衰減率差異性，結(jié)果見表5。

從表3可以看出，綠化帶在10 m處有最大噪音衰減率 0.626～0.749，隨著距離的增加，噪音衰減率遞減，但不同結(jié)構(gòu)特征的公路綠化帶，噪音衰減格局不同。距道路10 m處，高密度林帶的噪音衰減率均大于 0.7，與低密度林帶的差異顯著，噪音值從0 m處的84.8~85.4 dB降為70.7~71.5 dB；在40、60 m和80～100 m處，高密度的單樹種寬林帶和多樹種林帶與其它結(jié)構(gòu)類型林帶的差異顯著，噪音值在40 m處分別降為59.7、61.4 dB，60 m處53.1、55.7 dB，100 m處46.4、49.9 dB。對6種結(jié)構(gòu)特征綠化帶的噪音衰減效應(yīng)進(jìn)行曲線模型擬合，均以三次多項(xiàng)式的擬合度最高，擬合優(yōu)度 R2均在0.8以上，見表6。

2.4 道路噪音綠化衰減與公路綠化帶特征的相關(guān)性

表4 公路綠化帶噪音衰減擬合模型參數(shù)Tab 4 Model parameters of roadside tree-belt on noise attenuation

表5 不同結(jié)構(gòu)特征公路綠化帶噪音衰減率Tab 5 Attenuation rate of roadside tree-belt with different structure types

表6 不同結(jié)構(gòu)特征下公路綠化帶噪音衰減擬合模型參數(shù)Tab 6 Model parameters of roadside tree-belt on noise attenuation with different structure types

由公路綠化帶不同距離梯度上的噪音值減去距離衰減值，可得出綠化帶的噪音綠化衰減量。對公路綠化帶綠化衰減與車流量、道路寬度及多種林帶特征因子做相關(guān)分析，結(jié)果見表7。

由表7可以看出，公路綠化帶降噪效應(yīng)與多種特征因子相關(guān)。綠化帶對交通噪音的綠化衰減與公路車流量、道路寬度存在極顯著的正相關(guān)性，表明交通流量越大，道路越寬，則噪音值也大，綠化帶的降噪效應(yīng)越好。在綠化帶特征因子中，綠化衰減與綠化帶寬度呈極顯著正相關(guān)，與綠化帶的郁閉度呈顯著正相關(guān)，與疏透度呈顯著負(fù)相關(guān)，與100 m綠化帶胸高斷面積呈極顯著正相關(guān)，與綠化帶有無灌木也呈顯著正相關(guān)。

為進(jìn)一步分析不同樹種對道路噪音綠化衰減的影響，并且消除綠化帶其他特征因子對分析結(jié)果的影響，選擇第II類結(jié)構(gòu)綠化帶即單樹種高密度窄帶型林帶中林帶寬度相同為30 m的3條典型路段為例進(jìn)行探討。其中河津萬倉路路側(cè)為楊樹純林，綠化衰減平均值為6.691dB，代縣S213為柳樹純林綠化衰減為6.742 dB，陽泉S214為槐樹純林綠化衰減為7.470 dB，由此可見，不同樹種的降噪效應(yīng)不同，表現(xiàn)為槐樹林＞柳樹林＞楊樹林。

表7 公路綠化林帶的噪音綠化衰減與多種因子相關(guān)性Tab 7 Pearson correlation of greening attenuation and various characteristic factors

表8 綠化帶降噪效應(yīng)多元回歸模型Tab 8 Simulation equations of greening attenuation based on impact factors

2.5 公路綠化帶特征因子對公路噪音衰減的影響

為進(jìn)一步分析公路綠化帶的噪音衰減效應(yīng)機(jī)理，根據(jù)公路綠化帶降噪效果與綠化帶特征因子的相關(guān)關(guān)系，選出綠化衰減影響顯著的因子，考慮到因子間可能存在的互作關(guān)系，加入主要影響因子的乘積作因變量，建立多元回歸模型，通過向后剔除法(Backward)進(jìn)行多元回歸分析，結(jié)果見表8。

表8所示，所有模型方程R2＞0.85表示模型的解釋能力較高。模型1為基于全部綠化帶特征因子模擬公路綠化帶降噪效應(yīng)，模型 2、3為基于顯著影響因子的綠化帶對噪音衰減效應(yīng)的線性方程模擬，R2＞0.85；模型4～7表明因子之間互作作用對噪音的綠化衰減有較大的貢獻(xiàn)作用，擬合模型達(dá)極顯著水平，R2＞0.95，說明綠化帶主要特征因子共同作用起到了降噪效果。模型8～12表明綠化帶寬度與郁閉度的互作對綠化衰減起到非常大的作用，擬合模型R2＞0.85，達(dá)極顯著水平。

3 討論

（1）綠化帶對公路噪音有明顯的衰減效應(yīng)。綠化帶寬度顯著影響降噪效應(yīng)，在較寬綠化帶靠近聲源前半部分有較好的降噪效應(yīng) ，本研究表明，在距道路10 m范圍內(nèi)，噪音值呈最快的遞減趨勢，綠化帶的降噪效應(yīng)顯著，是綠化帶最佳降噪范圍，10～60 m是有效降噪范圍，60～80 m是次級降噪范圍，綠化帶根據(jù)其寬度不同發(fā)揮不同的降噪效應(yīng)；在80～100 m范圍內(nèi)的綠化帶降噪效應(yīng)極小，因此，綠化帶寬度不應(yīng)小于40 m。而郁閉度較大的綠化帶可以增加綠化帶的降噪效果。

（2）綠化帶的結(jié)構(gòu)特征對降噪效應(yīng)具有顯著影響，其中寬度和密度的影響最為直接[5]。寬度大于40 m的單樹種綠化帶在60～80 m即次級降噪范圍，可以維持降噪效應(yīng)，噪音值從路基處84.8～85.7 dB至80 m處降為48.4～56.0 dB，而寬度小于40 m的林帶降噪效應(yīng)則在此距離內(nèi)減弱，噪音值從路基處85.4～86.6 dB降至80 m處54.4～58.6 dB。郁閉度較大的綠化帶有較高的降噪效果，高密度林帶的噪音值從路基處84.8～85.4 dB降至80 m處48.4～54.4 dB，低密度林帶的噪音值從路基處85.7～86.6 dB降至80 m處56.0～58.6 dB。

（3）綠化帶的多種特征因子對其降噪效應(yīng)發(fā)揮綜合作用。其中，綠化帶寬度、郁閉度、100 m綠化帶胸高斷面積及綠化帶有無灌木呈正相關(guān)。表明綠化帶寬度、郁閉度及胸高斷面積大，綠化帶降噪效應(yīng)大，并且種植灌草對綠化帶的降噪能力有正面效應(yīng)，而與疏透度呈顯著負(fù)相關(guān)。因此，在特定的林帶寬度和密度條件下，綠化帶樹木高大可提高綠化帶的降噪效應(yīng)，林帶內(nèi)增加灌木，也可提高綠化帶的降噪效應(yīng)[4,11]。特別是在噪音污染較為嚴(yán)重的路段，綠化帶的降噪效果表現(xiàn)更為突出[5]。本文中，噪音測定傳聲器為1.2 m的近地距離，而公路綠化帶中槐樹林樹高較低，樹冠層在此高度易發(fā)揮較強(qiáng)的降噪效果，柳樹雖高但枝條下垂且長而柔軟，因此降噪效果也強(qiáng)于冠層較高的楊樹林帶。

（4）道路噪音的綠化衰減與綠化帶特征因子之間并非線性關(guān)系，因子的綜合作更顯著，進(jìn)一步說明利用綠化帶降低噪聲，其效果取決于綠化帶寬度、密度、樹木長勢、枝葉疏透度以及季節(jié)變化等多種因素。

4 結(jié)論

（1）公路綠化帶噪音衰減格局呈單調(diào)遞減趨勢，噪音衰減在10 m范圍內(nèi)最高，而后逐漸減弱，80 m后趨于零，模型擬合不同水平梯度的噪音衰減效應(yīng)，以三次多項(xiàng)式擬合度最高。

（2）綠化帶10 m內(nèi)是最佳降噪范圍，10～60 m為有效降噪范圍，60～80 m是次級降噪范圍。從綠化帶降噪效應(yīng)考慮，40 m寬的綠化帶即可滿足綠化帶的降噪要求，但以不超過60 m為宜。

（3）合理栽植綠化樹種，使其成林后郁閉度≥0.6，可使噪音值從路基處至 80 m處降低31.0～36.4 dB，達(dá)到較好的噪音綠化衰減效應(yīng)。在特定的林帶寬度和密度條件下，綠化帶樹木高大并且栽植喬灌草復(fù)層結(jié)構(gòu)，會增大林帶的降噪效應(yīng)。

（4）道路噪音的綠化衰減與綠化帶寬度、郁閉度、100 m綠化帶胸高斷面積等因子正相關(guān)，與疏透度負(fù)相關(guān)，但綠化衰減與綠化帶特征因子之間并非線性關(guān)系，因子的互作對降噪效應(yīng)起到綜合作用。

致謝：山西省林業(yè)廳及各地林局提供了相關(guān)資料與幫助，謹(jǐn)致謝意！

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