城市功能區(qū)聲環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測時間代表性研究

趙佳美 戶文成 溫香彩 張 萌 汪 贇

(1 中國環(huán)境監(jiān)測總站 北京 100012)

(2 北京市勞動保護科學研究所 北京 100054)

0 引言

隨著城市化進程加快，噪聲污染已經(jīng)滲透到人們生產(chǎn)生活的各個方面。長時間接觸噪聲不僅會損害人的聽力，還會導致人體的循環(huán)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)、心腦血管等出現(xiàn)狀況[1?3]。目前，世界上許多國家已經(jīng)開展了對聲環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)管。日本在有關聲環(huán)境質(zhì)量標準里將城市劃分為AA 類區(qū)、A 和B 類區(qū)、C類區(qū)三種，要求各類區(qū)選擇一天或者多天的監(jiān)測結(jié)果代表全年的噪聲水平[4]；自2002年歐洲噪聲指令發(fā)布以來，歐洲許多城市也都被要求量化管理環(huán)境噪聲[5]。我國則按區(qū)域的使用功能特點和環(huán)境質(zhì)量要求將城市功能區(qū)劃分為0、1、2、3、4(包括4a和4b 類)五種類型，各城市定期定點開展功能區(qū)聲環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測，監(jiān)測時間為每季度1 次，每次連續(xù)監(jiān)測24小時[6]。

由于各地作息習慣區(qū)別、自然環(huán)境季節(jié)性變化等原因，從長期來看聲環(huán)境質(zhì)量具有波動性，如何用具有代表性的短時間監(jiān)測結(jié)果代表長期聲環(huán)境質(zhì)量平均水平是國內(nèi)外環(huán)境噪聲監(jiān)測技術難點之一。Hueso 等[7]、B?kowski等[8]對城市道路交通噪聲數(shù)據(jù)進行了研究，根據(jù)各監(jiān)測日期噪聲水平與其所在周的噪聲平均水平之間的標準差及誤差，確定道路交通噪聲最具代表性的監(jiān)測日期。Geraghty 等[5]對城市環(huán)境噪聲時間變化進行研究，得出若使用短時間噪聲測量結(jié)果代表長時段噪聲水平需對監(jiān)測時段謹慎選擇。我國的功能區(qū)聲環(huán)境質(zhì)量特征不同于其他國家，應根據(jù)實際特點對監(jiān)測時間開展研究。但限于我國自動監(jiān)測基礎較薄弱，缺乏長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，因此現(xiàn)有研究較少，且僅針對道路交通噪聲(4類區(qū))開展[9?10]。本文選用4 個典型的功能區(qū)監(jiān)測點位(涵蓋2 類區(qū)、3 類區(qū)和4 類區(qū)這3 類主要聲功能區(qū))的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了不同功能區(qū)點位長期噪聲波動特征，探討我國功能區(qū)聲環(huán)境監(jiān)測如何選擇能代表年度平均水平的監(jiān)測時間，為我國功能區(qū)聲環(huán)境監(jiān)測提供借鑒。

1 功能區(qū)聲環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測概況

1.1 我國功能區(qū)噪聲監(jiān)測標準

根據(jù)我國《聲環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3096–2008)，按區(qū)域的使用功能特點和環(huán)境質(zhì)量要求，將聲環(huán)境功能區(qū)分為五種功能類型。在對各功能區(qū)進行監(jiān)測時采用“定點監(jiān)測法”，即選取一個或多個能代表城市功能區(qū)環(huán)境噪聲平均水平的測點，監(jiān)測得到測點的24 小時連續(xù)數(shù)據(jù)形成晝間和夜間等效連續(xù)A 聲級，以此來了解該點晝夜聲環(huán)境質(zhì)量[6]。各等效連續(xù)A聲級計算公式如下所示：

(1)晝間等效連續(xù)A聲級計算公式為

(2)夜間等效連續(xù)A聲級計算公式為

注：Li為晝間或夜間小時等效連續(xù)A聲級。

1.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集

根據(jù)《2018 中國環(huán)境噪聲污染防治報告》，2017年全國城市2類、3類和4a類功能區(qū)共監(jiān)測了16424點次，占總監(jiān)測點次的75.21%，因此這三類聲環(huán)境功能區(qū)是城市中最主要的三類功能區(qū)類型，也是聲環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測的重點。

本研究在這三類功能區(qū)中選取了4 個典型的監(jiān)測點位進行監(jiān)測。選取方法是首先通過在各類功能區(qū)開展全覆蓋的網(wǎng)格普查監(jiān)測，粗選出其等效連續(xù)A 聲級與該功能區(qū)平均等效連續(xù)A 聲級無顯著差異，能反映該類功能區(qū)聲環(huán)境質(zhì)量特征的測點若干個作為備選，再通過實地勘察，了解周圍環(huán)境狀況，排除易受其他固定或突發(fā)噪聲源干擾的位置，選擇合適測點布設長期自動監(jiān)測點位，因此所選監(jiān)測點對于各聲環(huán)境功能區(qū)特點具有較好的代表性。A 監(jiān)測點位于2 類功能區(qū)，處于某公園內(nèi)，四周林木較多，無其他遮擋，主要聲源是公園內(nèi)人們休閑發(fā)出的聲音以及自然聲，包括蟲鳴鳥叫等；B 監(jiān)測點位于2類功能區(qū)，點位周邊為辦公樓及住宅區(qū)域，距離最近的公路約40 m，該道路車流量較小，該監(jiān)測點主要聲源是人們生活活動及車輛進出等噪聲；C 監(jiān)測點位于經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)，處于3 類功能區(qū)內(nèi)，周圍是一些工業(yè)企業(yè)，主要聲源為周邊工廠企業(yè)運作、車輛運行等聲音；D監(jiān)測點位于中心城區(qū)主干路旁邊，處于4a 類功能區(qū)內(nèi)，主要聲源為道路交通噪聲。測量時間為2016年1月1日–2016年12月31日，各監(jiān)測點每日均進行連續(xù)24 小時噪聲監(jiān)測。監(jiān)測內(nèi)容包括：各監(jiān)測點的分鐘等效連續(xù)A 聲級Leq、L5、L10、L50、L90、L95、Lmax、Lmin、SD等。通過監(jiān)測獲得A監(jiān)測點有效樣本個數(shù)526034 個；B 監(jiān)測點獲得有效樣本個數(shù)488864個；C 監(jiān)測點獲得有效樣本個數(shù)526707個；D監(jiān)測點獲得有效樣本個數(shù)402361 個。

1.3 長期分布特征分析

由于自動監(jiān)測獲取的數(shù)據(jù)量較大，為了更好地呈現(xiàn)各監(jiān)測點監(jiān)測時間內(nèi)聲環(huán)境質(zhì)量水平隨時間分布情況，本文設計采用多時間維度聲級分布圖，通過不同顏色標識出等效連續(xù)A聲級大小。以B監(jiān)測點1月份監(jiān)測結(jié)果為例，示例圖如圖1所示，橫坐標軸代表監(jiān)測日期(如：1月1日–1月31日)，縱坐標軸代表時間(24 小時)；圖中灰色部分代表該時間段數(shù)據(jù)缺失。圖中直觀反映出聲環(huán)境質(zhì)量分布具有很強的規(guī)律性和時間周期性：晝夜間等效連續(xù)A 聲級差異規(guī)律明顯；等效連續(xù)A 聲級具有以一周為周期的周期性分布特征等。

圖1 B 監(jiān)測點1月份聲環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果Fig.1 The monitoring results of acoustic environmental quality at monitoring site B in January

利用上述表征方法，將A、B、C和D 4個監(jiān)測點位監(jiān)測日期內(nèi)(連續(xù)12 個月)功能區(qū)噪聲連續(xù)24 小時自動監(jiān)測結(jié)果分別繪制如圖2所示。

根據(jù)圖2可以看出，4 個監(jiān)測點隸屬不同功能區(qū)，其各月監(jiān)測數(shù)據(jù)差異性也各不相同：A 監(jiān)測點處于2類功能區(qū)，該監(jiān)測點于6月–8月聲級較高，與其他月份相比明顯上升，考慮該監(jiān)測點處于公園附近及當?shù)丨h(huán)境，可能主要受到鳴蟬噪聲影響，故該監(jiān)測點受季節(jié)變化影響較大。B 監(jiān)測點處于2 類功能區(qū)且監(jiān)測點位于生活辦公區(qū)，該監(jiān)測點夏秋季6月–9月夜間等效連續(xù)A 聲級平均水平高于其他月份，即該監(jiān)測點季節(jié)性特點較為明顯。C 監(jiān)測點處于3 類功能區(qū)，受季節(jié)變化或工業(yè)作業(yè)影響，下半年噪聲水平相對低于上半年噪聲水平。2月上旬5日–11日左右為農(nóng)歷新年假期，該時間段聲級在全年最低。此外，C 監(jiān)測點休息日與非休息日間晝夜間等效連續(xù)A 聲級存在明顯的差別：休息日期間的噪聲強度相對低于非休息日的噪聲強度。D監(jiān)測點處于4a 類功能區(qū)，主要受到交通噪聲影響，該監(jiān)測點全年晝夜間等效連續(xù)A 聲級變化相對穩(wěn)定，月與月之間聲級變化較小，晝夜間等效連續(xù)聲級差距較小，夜間安靜時段少，噪聲污染較為嚴重。

各監(jiān)測點具有不同的聲環(huán)境特點，其各月噪聲水平分布也有差異，本文采用以下方法進行詳細分析探討其差異與規(guī)律。

2 監(jiān)測時間優(yōu)化分析

2.1 分析方法

非參數(shù)統(tǒng)計方法適用于總體分布不能用確定的實參數(shù)來刻畫或者不確定數(shù)據(jù)總體分布形態(tài)的情形， 具有不受總體的限定、 適用范圍廣等優(yōu)點[11]。常用的多獨立樣本的非參數(shù)檢驗方法有Kruskal-Wallis H 檢驗(簡稱K-W 檢驗)、Jonckheere-Terpstra 檢驗、中位數(shù)檢驗等方法。KW 檢驗檢驗適合進行多個獨立樣本的檢驗，檢驗效率達到0.95[12]，故本研究采用此方法進行判斷功能區(qū)噪聲監(jiān)測數(shù)據(jù)的差異性進行分析。

K-W 檢驗的基本思想是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為秩統(tǒng)計量[13]。即將多個樣本排序并排秩，然后將各組的樣本秩求均值，如果各組樣本平均秩大致相等，則多個總體分布沒有明顯差異，反之則有顯著差異。

2.2 年監(jiān)測時間優(yōu)化

本次研究利用采集的小時噪聲數(shù)據(jù)，計算得到各日的晝夜間等效連續(xù)A聲級。以各監(jiān)測點一年12個月的晝夜間等效連續(xù)A 聲級有效數(shù)據(jù)作為樣本，采用Shapiro-Wilk檢驗對4 個監(jiān)測點的各樣本進行正態(tài)分布檢驗。根據(jù)檢驗結(jié)果得知A、B、C、D 4 個監(jiān)測點正態(tài)分布特性不統(tǒng)一，因此本研究根據(jù)樣本分布特性采用非參數(shù)檢驗方法中的K-W 檢驗對各月樣本之間的差異進行檢驗分析。

本研究通過SPSS 軟件，利用K-W 檢驗分析本次研究的4 個監(jiān)測點位各月之間數(shù)據(jù)的差異性。為了能夠更好地表征各分樣本之間的差異顯著性結(jié)果，本文為每個監(jiān)測點繪制了各月晝夜間等效連續(xù)A 聲級差異性比較的矩陣圖，如圖3(a)和圖3(b)所示。圖中灰色方格部分表示相對應的二者具有顯著性差異(顯著水平為0.05)；空白方格部分表示相對應的二者無明顯差異；部分數(shù)據(jù)無效，除自對應的月份外也為黑色方格。

圖2 A、B、C、D 監(jiān)測點一年聲環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果Fig.2 The monitoring results of acoustic environmental quality at monitoring sites A,B,C,D in a year

圖3 A、B、C、D 監(jiān)測點各月晝夜間等效連續(xù)A 聲級差異顯著性Fig.3 Significance indication for between month comparisons of day-time and night-time equivalent sound level A at monitoring sites A,B,C,D

根據(jù)圖3可以看出：對大多數(shù)月份來說，晝間等效連續(xù)A 聲級在月與月之間沒有表現(xiàn)出明顯的差異性，主要的差異月份在每年的1月和2月，因此若要選擇短期監(jiān)測時間代表全年水平最好不要選擇在1月和2月。對于A監(jiān)測點，8月和10月也是晝間等效連續(xù)A 聲級與全年差異較大的兩個月份。而夜間等效連續(xù)A 聲級月與月之間的一致性相對晝間較差，A 監(jiān)測點和B 監(jiān)測點主要體現(xiàn)在春夏季和秋冬季之間的差別；C 監(jiān)測點各月夜間等效連續(xù)A 聲級并沒有明顯的季節(jié)和月份規(guī)律，說明企業(yè)夜間工況不穩(wěn)定導致噪聲排放不穩(wěn)定，對這類聲源應長期監(jiān)測；D 監(jiān)測點夜間等效連續(xù)A 聲級各月的一致性較高，僅1月、2月和12月與其他月份有明顯差異。

由于各月份之間聲環(huán)境質(zhì)量水平存在一定的差異性，特別是夜間等效連續(xù)A聲級的代表性較低，采用一年監(jiān)測1 次的監(jiān)測結(jié)果難以代表全年聲環(huán)境質(zhì)量的總體水平。但本次研究通過將4 個監(jiān)測點一年的數(shù)據(jù)劃分為4個季度分析發(fā)現(xiàn)：一個季度內(nèi)的3個月份以無顯著差異為主。各季度內(nèi)3 個月的晝間等效連續(xù)A聲級差異性明顯的占11.36%，無顯著差異的數(shù)量占88.64%；各季度內(nèi)3 個月的夜間等效連續(xù)A聲級差異性明顯的占18.18%，無顯著差異的數(shù)量占81.82%。4 個監(jiān)測點季度內(nèi)月間和一年內(nèi)月間晝夜間數(shù)據(jù)差異顯著性對比結(jié)果如表1所示。

通過表1可以看出，各監(jiān)測點季度內(nèi)差異性水平整體低于月間差異性水平，因此以季度為單位，每季度監(jiān)測一次較為合理。

此外，在本組試驗的4 個點位一年監(jiān)測結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，各個季度內(nèi)第2 個月份與季度內(nèi)其他月份一致性更好：晝間等效連續(xù)A聲級一致性達90%，夜間等效連續(xù)A聲級的一致性達93%。因此各季度在季度的第二個月份進行監(jiān)測的結(jié)果更能代表所在季度的聲環(huán)境質(zhì)量水平。

表1 季度內(nèi)月間和一年內(nèi)月間差異顯著性統(tǒng)計結(jié)果對比Table1 Comparison of the statistical results of significant comparisons between months in the quarter and between months in a year

2.3 周監(jiān)測時間優(yōu)化

利用K-W 檢驗方法檢驗A、B、C 和D 監(jiān)測點一年中每周中各日之間差異性進行檢驗(顯著性水平為0.05)，得出結(jié)果為A、D 監(jiān)測點為一周內(nèi)各日之間晝/夜間等效連續(xù)A 聲級均無顯著差異(A 監(jiān)測點為公園內(nèi)，D監(jiān)測點為道路交通噪聲，各日間無明顯差異說明兩點的噪聲水平情況較為穩(wěn)定，這也與實際情況相符)；B監(jiān)測點晝間等效連續(xù)A聲級差異顯著性如圖4所示，夜間等效連續(xù)A 聲級無顯著差異；C監(jiān)測點差異顯著性如圖5所示。

圖4 B 監(jiān)測點日之間差異顯著性(晝間)Fig.4 Significance indication for between day comparisons of day-time at monitoring site B

圖5 C 監(jiān)測點日之間差異顯著性Fig.5 Significance indication for between day comparisons of day-time/night-time at monitoring site C

由圖4看出，B 監(jiān)測點晝間等效連續(xù)A 聲級僅周三、周四與周日間具有顯著差異，其他各日之間無顯著差異，即可選擇除周日的日期作為代表監(jiān)測日期。由圖5可知，C監(jiān)測點工作日晝間噪聲值間相似性較大，差異性較小，夜間噪聲值周二至周六間差異性不顯著。故綜合來看，可以選擇周二至周五之間的日期作為代表監(jiān)測日期，利用代表監(jiān)測日期的監(jiān)測結(jié)果表征監(jiān)測點這一周的噪聲水平。

3 結(jié)論

根據(jù)本文分析得出以下結(jié)論及建議：(1)本文分析的4個監(jiān)測點位季度內(nèi)月間差異性明顯低于一年內(nèi)月間差異性，季度內(nèi)的3 個月份中各月之間無顯著差異的比例占80%以上，因此對這4 個測點每季度進行一次監(jiān)測較為合理，且在每季度的第二個月份進行監(jiān)測所得數(shù)據(jù)更有代表性。(2)選取一周內(nèi)具有代表性的監(jiān)測時間也可以采用差異性對比方法，本文中4 個監(jiān)測點位在周二至周五之間的日期進行監(jiān)測更具代表性。以上結(jié)論適用于2 類、3 類和4a類區(qū)聲環(huán)境特點相似的點位，并為其他不同特點的功能區(qū)監(jiān)測點位提供了監(jiān)測時間優(yōu)化方法。

現(xiàn)階段我國大部分城市采用人工監(jiān)測方式進行功能區(qū)聲環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測，選取合理的監(jiān)測時間既可以保證數(shù)據(jù)的有效性，也可以有效節(jié)約人力、物力等成本，在實際工作中具有重要意義。