高原機場飛機噪聲監(jiān)測與計算結果比較分析

尤 洋，馮亞玲，李 曼，田志仁，敬 紅，張 鵬，李文攀，王 凡，夏 青

1.中國環(huán)境監(jiān)測總站,國家環(huán)境保護環(huán)境監(jiān)測質量控制重點實驗室，北京 100012 2.中國科學院聲學研究所，北京 100190

中國機場按航空業(yè)務能力可劃分為樞紐機場、干線機場、支線機場3種類型[1]。此外,從地理上講，還有一種特殊的類型——高原機場。飛機噪聲監(jiān)測需要在測量條件為無雨、無雪，地面以上10 m風速不大于5 m/s，相對濕度不超過90%、不小于30%的環(huán)境下進行[2-3]。高原機場海拔高、氣候變化無常、惡劣的自然環(huán)境，不能保證飛機噪聲現場監(jiān)測工作的正常開展,影響驗收監(jiān)測的時效性,無法及時滿足環(huán)境管理的需求。

以飛機的噪聲-功率-距離(N-P-D)特性曲線為基礎的綜合噪聲模型(INM)軟件對飛機噪聲預測，具有較高的預測準確率,已成功大量應用于中國民航飛機噪聲影響評價[4-7]。但由于在飛機噪聲影響預測階段輸入該軟件的是機場飛行計劃(設計)參數，往往與機場運行后實際參數存在偏差。

同樣應用INM，在機場實際運行后輸入實際運行參數，其計算值更加接近實測值。田瑞麗等[6]對平原飛機噪聲實際監(jiān)測值與輸入實際參數模型軟件計算值差值進行比較分析，誤差在3 dB以內。該研究在高原地區(qū)機場還未見開展。通過對高原機場——青海玉樹機場運行后的飛機噪聲應用模型軟件輸入實際運行參數進行計算，其結果與現場監(jiān)測的結果比較后發(fā)現，INM輸入實際運行參數進行飛機噪聲計算，可以彌補高原地區(qū)飛機噪聲現場監(jiān)測工作的不足，及時對高原機場飛機噪聲影響進行評估，為高原機場飛機噪聲管理提供可靠的技術支撐，更好地滿足環(huán)境管理的需求。

1 高原機場的定義

地理上海拔高度超過1 000 m的地方是高原。中國民航總局對高原機場的定義：機場標高1 500(含)～2 438 m的機場為一般高原機場，2 438 m(含)以上的機場為高高原機場[8]。中國是世界上擁有高高原機場數量最多的國家，2015年共有15個海拔在2 438 m以上的高高原機場。

2 高原機場的主要特點

2.1 航空業(yè)務量小,飛行周期較穩(wěn)定

由于高原機場所在地大部分經濟相對欠發(fā)達，航空業(yè)務量小，呈現季節(jié)性特征，年飛機起降架次在1萬架次以下[9]。統計通過國家竣工環(huán)保驗收的機場，實際運行期間飛機日均起降不到10個架次，除在旅游旺季9—10月份外，航班架次比較穩(wěn)定。

2.2 機型種類較單一

由于高原機場一般位于中國西部及西南地區(qū)山地，高原航線地形復雜，氣候復雜多變,航路安全高度高,對飛行性能要求高，對適航機型有特殊要求，需要特殊的高原型飛機運行高原航線。目前高原機場運行比較多的機型是C類機型A319。

2.3 周邊敏感點分布較少，噪聲影響范圍有限

支線機場噪聲影響范圍在跑道兩端3 km，跑道兩側0.5 km內[9]，飛機噪聲影響范圍和強度都很有限。高原地區(qū)氣候寒冷，常年低溫，一般機場周邊常駐居民敏感目標分布比較少，且距離機場較遠。

2.4 機場所在地區(qū)氣候多變

高原機場所處地區(qū)氣候總體特點：氣溫低，海拔高；冬季干冷漫長，大風多；夏季溫涼多雨，冰雹

多；四季不明。1月和7月平均氣溫都比同緯度東部平原低15～20 ℃[10]。多變的氣候及艱苦的自然環(huán)境對飛機噪聲現場監(jiān)測工作造成很大困難。

3 飛機噪聲計算

3.1 機場選擇

青海玉樹機場位于青海省玉樹州巴塘盆地，盆地內海拔高度為3 850～3 990 m。機場性質為新建國內支線機場，飛行區(qū)等級為3C。預測目標年(2023年)旅客吞吐量為12萬人次，年起降1 967架次。

3.2 現場監(jiān)測

3.2.1 點位布設

根據機場周邊敏感點分布，選取機場跑道兩端5 km范圍內11個敏感點位，見表1。敏感點位置示意圖見圖1。

表1 飛機噪聲監(jiān)測及計算敏感點

圖1 敏感點位置示意圖Fig.1 Sketoh map of location of sensitive points

3.2.2 監(jiān)測內容

每個點位連續(xù)監(jiān)測7晝夜，監(jiān)測每一飛行事件。監(jiān)測每一飛行事件最大A聲級和持續(xù)時間，計算出計權等效連續(xù)感覺聲級(LWECPN)。

3.2.3 監(jiān)測方法

噪聲監(jiān)測方法采用《機場周圍飛機噪聲環(huán)境測量方法》(GB 9961—1988)。監(jiān)測儀器為AWA6218A+型噪聲統計分析儀。測量前，用聲級校準器對測量儀器統一校準，測量結束再重復校準一次。

3.2.4 監(jiān)測期間機場飛行計劃及氣象狀況

監(jiān)測時期為9月份，每日飛機起降為4架次，連續(xù)監(jiān)測7 d，機型為A319。監(jiān)測期間的氣象變化見表2。

表2 監(jiān)測期間氣象狀況

3.3 噪聲計算

3.3.1 基礎數據

計算需要的基礎數據包括機場經緯度、標高；機場地形圖；機場進場和離場程序及航跡圖，相應航跡上的水平離(發(fā))散度；飛機飛行動態(tài)：不同跑道、不同時段機型的起降架次；起飛剖面圖；著陸剖面圖；飛機噪聲基本數據：N-P-D曲線；機場年均氣象參數。

3.3.2 關鍵參數

利用INM模型進行飛機噪聲預測，依據的標準是《民用機場周圍飛機噪聲計算和預測》(MH/T 5105—2007)[11]。該INM軟件需要用戶輸入機場及所在地氣候信息、機型、飛行航跡、敏感點信息、飛機起降等，這些參數是影響預測結果的關鍵參數，作為環(huán)評預測，以上關鍵參數的獲取與機場運行后實際情況會有所出入，會導致預測結果的不確定性。而飛機噪聲計算不同于飛機噪聲預測，計算所需的參數在機場運行后獲得。計算前，到機場實際調查機場運行情況及周邊敏感點的分布。機場運行情況主要包括飛機機型、飛行架次、飛行時間、跑道起降方向、飛行程序、飛行航跡，以及高度、溫度、濕度、氣壓等參數和敏感點的信息。

3.3.3 關鍵數據

噪聲計算采用的關鍵數據列于表3～表6。

表3 機場位置信息

表4 氣象條件

表5 跑道信息

注：坐標系原點為給定機場中心位置，東向為X軸，北向為Y軸。

表6 飛行信息

注：根據進、離場圖，計算時從10R 端向西方向起飛軌跡為1條(D1)，28L端向東方向起飛軌跡為1條(D2)，由東向西降落軌跡為1條(A1)，由西向東降落軌跡為1條(A2)；“—”表示無此航跡。

3.3.4 運算軟件

使用美國聯邦航空局開發(fā)的專門用于機場周圍噪聲計算軟件FAA-INM，計算流程見圖2。

圖2 噪聲計算流程Fig.2 Noise calculation process

3.3.5 計算公式

機場噪聲計算是指對機場周圍固定區(qū)域或者說固定點的噪聲暴露級的計算，對每一次飛行事件，在任一特定點的噪聲聲級結果，都與一系列的參數有關(如飛機型號、引擎型號、推動力、飛機各階段速度、特定點與飛機軌跡的距離以及地形、氣候等)。通常噪聲計算是根據觀測點和飛機路徑的最短距離，在已經給定的該飛機的基本聲學數據上進行插值計算，然后在得到的噪聲聲壓級上迭加實際飛行條件的修正。比如，邊界線上的噪聲估計可以根據飛行路線下方的噪聲值加上位置修正得到。這里依據SAE AIR 1845，以聲音暴露級(SEL)為例進行說明。最后估算值是基礎噪聲數據加上4個調節(jié)因子：

LSE=LSE(P,d)+Δν-Λ(β,l)+ΔL+Δφ

(1)

式中：LSE(P,d)是引擎的推動力(P)和地面固定點與飛行航跡的最短距離(d)在已知的參考點數據上進行插值獲得的聲級值；Δν是速度調節(jié)因子，由于一般的基礎噪聲數據都是基于飛機時速為160節(jié)(1節(jié)=1.852 km/h)得到的，如果實際的地面速度不是160節(jié)時，加入該修正。其值由式(2)計算：

Δν=10lg(160/Vtg)

(2)

式中：Vtg是飛機的地面速度，單位為節(jié)。在高海拔機場，必須采用實際的地面速度。飛機在飛行路徑上，振動力和速度都會發(fā)生變化，在計算中，可以將航跡分成更小的線段，并假設每條線段上推進力保持不變。公式(1)中：Λ(β,l)是橫向衰減因子，如觀測點沒有位于飛機的地面軌跡上，則對其修正，其中β是觀測點相對飛行軌跡的仰角，l是觀測點到飛機地面軌跡的垂直距離，單位為m。

對于噴氣式發(fā)動機，其飛機橫向衰減因子[G(l)]的計算公式為

當飛機位于地面上時，地對地衰減G(l)滿足:

(3)

當飛機位于空中，橫向距離大于914 m時：

Λ(β)=

(4)

當飛機位于空中，橫向距離小于或者等于914 m時，橫向衰減：

Λ(β,l)=G(l)Λ(β)/13.86

(5)

式中：ΔL是針對在飛機起跑點后面的觀測點施加的修正因子，與計算點和跑道的夾角有關，單位為dB，由式(6)計算：

對于90°≤θ≤148.4°

ΔL= 51.44-1.553θ+0.015 147θ2-

0.000 047 173θ3

(6)

對于148.4°<θ≤180°

ΔL= 339.18-2.580 2θ-0.004 554 5θ2+

0.000 044 193θ3

(7)

式中：Δφ是持續(xù)時間調節(jié)因子，如果實際飛行路線有轉彎，視地面觀測點在彎里或者彎外的情況，進行有效持續(xù)時間對地面噪聲暴露級(LSE)的修正。由于飛機拐彎時一般距地較高，此修正僅在拐彎半徑較小才有效，Δφ一般較小。

上面給出的是單次飛行行為的暴露聲級的獲得過程。如果得到單架飛機的感覺噪聲級(LEPN)，可根據式(9)計算計權等效感覺噪聲級(LWECPN)。通常，飛機基礎數據有暴露聲級(LSE)也有感覺噪聲級(LEPN)，如果有某類數據無法得到，可通過近似關系式進行轉換：

LEPN=LSE+3

(8)

(9)

4 結果與討論

敏感點飛機噪聲計算結果與監(jiān)測結果見表7。在飛機噪聲影響關注范圍內(機場跑道兩端3 km，兩側500 m)的唯一一個噪聲敏感點(加納更)，計算值和監(jiān)測值誤差為7 dB，計算結果誤差屬于可接受范圍。其余敏感點誤差最大為9.6 dB，最小為0.7 dB，平均在5.5 dB。因其不在噪聲影響關注范圍內，飛機噪聲對其影響有限。這也是高原機場的主要特點，即機場周邊敏感點比較少，且分布距機場較遠。在今后的實際應用中，應主要關注噪聲影響范圍內的敏感點，以提高噪聲計算的準確度。

表7 敏感點飛機噪聲計算結果

可見，盡管計算所需的機型、架次、不同方向的比例、氣象等參數與監(jiān)測期間的數據是相符的，但計算結果與實際仍存在誤差。誤差主要源于：計算用航跡、飛行程序盡管來源于機場實際運行后的數據，但與監(jiān)測期間每天的實際飛行參數還會存在偏差;機型的基本噪聲數據通常都是在較低的平面上進行測試的結果，暫無高原地區(qū)不同機型的基本噪聲數據；計算的結果全部是飛機噪聲的貢獻，未包括測試時周圍的環(huán)境噪聲，這恰恰能客觀反映飛機噪聲的影響。但從計算精度上看，誤差屬于可以接受的范圍。下一階段，需要深入研究溫度、濕度等氣象因子對飛機噪聲在空氣中側向衰減的影響，因飛機沿航線飛行時其狀態(tài)會不斷發(fā)生變化，飛行軌跡也會變化，故噪聲計算時對于確定計算點到航線的最短距離，以及飛機不同飛行狀態(tài)的影響需要建立修正模型,以便準確獲得不同機型在高原地區(qū)的基本噪聲數據，這將使噪聲模型可以在高原地區(qū)得到更好的應用。

5 結論

因飛機噪聲實際監(jiān)測結果遠低于相應的機場周圍飛機噪聲標準，以及高原地區(qū)復雜多變的氣候和艱苦的自然環(huán)境，采用飛機噪聲實測的意義不大，而采用飛機噪聲計算的模式可以滿足機場項目飛機噪聲竣工驗收管理的需求；對于飛機起降架次少，飛行周期穩(wěn)定，地區(qū)氣候環(huán)境多變，不利于飛機噪聲現場監(jiān)測的高原支線機場，采用飛機噪聲計算模式可以彌補高原地區(qū)現場監(jiān)測工作的不足，且大大提高工作的時效性，能為高原機場項目飛機噪聲管理提供及時可靠的技術支撐；由于監(jiān)測結果反映的是監(jiān)測時期的噪聲情況，而項目計算結果給出的是機場全年平均結果，后者對機場附近的土地使用和規(guī)劃具有非常重要的意義。

建議盡快制定機場驗收技術規(guī)范,對于自然環(huán)境惡劣、不利于飛機噪聲現場監(jiān)測的機場，可以將該方法作為推薦方法應用到高原機場飛機噪聲評估中。

[1] 中國民用航空局.全國民用機場布局規(guī)劃[EB/OL].(2008-02-02)[2016-03-01].http://www.caac.gov.cn/XXGK/XXGK/ZCFB/201511/t20151104_10860.html.

[2] 國家環(huán)境保護局.機場周圍飛機噪聲測量方法:GB 9661—1988[S].北京:中國標準出版社,1988.

[3] 國家環(huán)境保護局.機場周圍飛機噪聲環(huán)境標準:GB 9660—1988[S].北京:中國標準出版社,1988.

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[8] 中國民用航空總局飛行標準司.咨詢通告：航空承運人高原機場運行管理規(guī)定:AC-121-21[Z/OL].(2007-03-02)[2016-03-02].http://www.doc88.com/p-308744391622.html.

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[11] 中國民用航空總局.民用機場周圍飛機噪聲計算和預測:MH/T 5105—2007[S].北京：中國科學技術出版社，2007.