基于三次指數(shù)平滑法的烏魯木齊市聲環(huán)境質(zhì)量污染預(yù)測及應(yīng)用

韓芹芹，李 凡，王 濤，張守斌

（1.烏魯木齊市環(huán)境監(jiān)測中心站，新疆 烏魯木齊 830011；2.新疆維吾爾自治區(qū)自然資源廳機(jī)關(guān)服務(wù)中心，新疆 烏魯木齊 830002；3.中國環(huán)境監(jiān)測總站，北京100012；）

0 引言

烏魯木齊市作為新疆維吾爾自治區(qū)的首府，近年來社會經(jīng)濟(jì)、第三產(chǎn)業(yè)和交通運輸業(yè)發(fā)展迅速，建成區(qū)面積逐年擴(kuò)展。截止2019年，建成區(qū)面積已達(dá)458.36 km2，常駐人口也較10年前增長了近70%達(dá)355.2萬[1]，城市各類噪聲源數(shù)量和強(qiáng)度也隨之增加，機(jī)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(xué)習(xí)和生活環(huán)境，還對居民的身心健康產(chǎn)生了危害，已成為首府重要的環(huán)境問題之一。

城市區(qū)域聲環(huán)境和道路交通聲環(huán)境是城市聲環(huán)境常規(guī)監(jiān)測的重要組成部分，也是城市聲環(huán)境質(zhì)量評價的重要組成部分，若能較為精確地預(yù)測城市區(qū)域聲環(huán)境和道路交通聲環(huán)境質(zhì)量水平，將有利于城市規(guī)劃、道路施工等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工作的開展。

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

1 聲環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測及評價概況

1.1 監(jiān)測點位

為提高聲環(huán)境質(zhì)量常規(guī)監(jiān)測結(jié)果的代表性和準(zhǔn)確性，依據(jù)《HJ 640-2012環(huán)境噪聲監(jiān)測技術(shù)規(guī)范 城市聲環(huán)境常規(guī)監(jiān)測》（以下簡稱《規(guī)范》）和《GB 3096-2008聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》《“十二五”城市環(huán)境綜合定量考核指標(biāo)實施細(xì)則》的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)和規(guī)范要求，環(huán)保部門于2011年對全市各類聲環(huán)境常規(guī)監(jiān)測點位進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，并沿用至今。監(jiān)測點位調(diào)整兼顧了原有點位的穩(wěn)定性和監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)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(guī)范》中“整個城市建成區(qū)有效網(wǎng)格總數(shù)應(yīng)＞100個”的相關(guān)要求，在建成區(qū)共設(shè)置了224個有效監(jiān)測網(wǎng)格，網(wǎng)格大小1000m×1000m，網(wǎng)格覆蓋面積達(dá)全市建成居住化面積的85%以上，監(jiān)測點位設(shè)置在網(wǎng)格中心，當(dāng)中心處不宜布點時則移至距中心較近的位置監(jiān)測。按照《規(guī)范》中“巨大、特大城市≥100個”的相關(guān)要求，道路交通噪聲監(jiān)測點位覆蓋城市建成區(qū)內(nèi)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(jiān)測方法

按照《規(guī)范》及每年度下發(fā)的《全國生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方案》的相關(guān)要求，區(qū)域環(huán)境噪聲在每年9月晝間正常工作時段監(jiān)測，每個點位測量10 min的等效連續(xù)A聲級Leq；道路交通噪聲在每年5月晝間正常工作時段監(jiān)測，每個點位測量20 min的等效連續(xù)A聲級Leq并記錄車流量，噪聲監(jiān)測同時均記錄累積百分聲級和標(biāo)準(zhǔn)差（SD）。監(jiān)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(jìn)行聲學(xué)校準(zhǔn)，靈敏度相差不得大于0.5dB（A）。出現(xiàn)不合邏輯的異常數(shù)據(jù)（Leq＞L10）時，必須重新監(jiān)測，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)有效性在99%以上。

1.3 噪聲評價方法

根據(jù)《規(guī)范》，城市晝間聲環(huán)境總體水平是將全市晝間所有網(wǎng)格測點的等效聲級取算術(shù)平均。

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

根據(jù)《規(guī)范》，道路晝間平均等效聲級采用路段長度加權(quán)算術(shù)平均法。

式中：L—道路晝間平均等效聲級，dB（A）；l—監(jiān)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(jù)《規(guī)范》，將計算所得的城市區(qū)域環(huán)境噪聲總體水平和道路交通噪聲平均值的強(qiáng)度級別分別按表1進(jìn)行評價。

2 評價結(jié)果

表2 2011—2021年區(qū)域、交通聲環(huán)境質(zhì)量評價結(jié)果 （dB(A)）

2011年以來，對每年度烏魯木齊市全部區(qū)域網(wǎng)格測點測得的晝間等效聲級進(jìn)行算術(shù)平均運算，獲得全市區(qū)域聲環(huán)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(jìn)行加權(quán)算術(shù)平均運算，獲得全市道路交通聲環(huán)境總體水平在62.6～67.7dB（A），均屬于一級（好）等級。用spearman秩相關(guān)系數(shù)法對區(qū)域聲環(huán)境和道路交通聲環(huán)境分別進(jìn)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(qū)域聲環(huán)境質(zhì)量變化趨勢總體比較平穩(wěn)。

3 指數(shù)平滑預(yù)測模型

指數(shù)平滑法[4]最早由布朗在1959年提出，其原理是任一期的指數(shù)平滑值都是本期實際觀察值與前一期指數(shù)平滑值的加權(quán)平均。當(dāng)時間序列數(shù)據(jù)呈非線性變化趨勢時，可采用三次指數(shù)平滑模型進(jìn)行預(yù)測[2]。為提高模型的預(yù)測精度，周炳飛[5]指出傳統(tǒng)的指數(shù)平滑模型的參數(shù)應(yīng)考慮到時間序列的變化起伏，又提出動態(tài)指數(shù)平滑模型。

3.1 指數(shù)平滑法的基本公式

指數(shù)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(shù)平滑值；Xt—第t周期的實測值；α—平滑系數(shù)（0≤α≤1）；t—周期數(shù)（t=1，2，3...）。

當(dāng)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(shù)平滑值，通過逐層平滑計算以消除隨機(jī)因素的影響，找出預(yù)測的基本變化。

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

3.2 初始估計值和預(yù)測精度

當(dāng)原時間序列數(shù)＜15時，初始估計值是對前3期實測值取算術(shù)平均。平滑系數(shù)α取值與預(yù)測的精度關(guān)系密切，可直接反映預(yù)測成功與否，并可用于評價這一方法是否實用，當(dāng)時間序列較平穩(wěn)時取較小的0.05～0.2，當(dāng)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(yīng)取誤差（均方差MSE）最小的α值。

式中：Xt—實測值，Yt—預(yù)測值，

3.3 預(yù)測模型的建立

計算出指數(shù)平滑值后，針對城市聲環(huán)境質(zhì)量與時間呈非線性變化趨勢，可選擇包含3個模型參數(shù)的2次方程作為非線性指數(shù)平滑預(yù)測模型：

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

4 預(yù)測模型運算

4.1 指數(shù)平滑運算

本文選擇2011—2021年烏魯木齊市區(qū)域聲環(huán)境和道路交通聲環(huán)境常規(guī)監(jiān)測數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)序列，從時間序列監(jiān)測數(shù)據(jù)可見，城市聲環(huán)境質(zhì)量和時間序列呈非線性關(guān)系，因此，對該序列采用3次指數(shù)平滑法計算。

平滑系數(shù)α取0.10、0.30、0.60和0.80共4個數(shù)值分別進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)平滑測算，并選取最小的MSE值作為最佳α取值[2]。經(jīng)過計算后發(fā)現(xiàn)，α=0.8時，區(qū)域聲環(huán)境和道路交通聲環(huán)境的靜態(tài)平滑預(yù)測精度分別為98.6%和98.0%，動態(tài)平滑預(yù)測精度分別為98.7%和98.1%，詳見表3。

表3 平滑系數(shù)α不同時聲環(huán)境污染預(yù)測誤差統(tǒng)計

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

4.2 污染預(yù)測

將表4中三次指數(shù)平滑值的計算結(jié)果，分別代入公式（10）～（12）中，計算出模型參數(shù)at、bt、ct并代入公式（9）中，進(jìn)一步建立各時間序列預(yù)測起點的數(shù)學(xué)預(yù)測模型，對2011—2021年的區(qū)域聲環(huán)境和道路交通聲環(huán)境進(jìn)行驗證性“預(yù)測”，詳見表5。

表4 2011—2021年區(qū)域、交通聲環(huán)境污染指數(shù)平滑值 （dB(A)）

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

將表5中a11、b11和c11數(shù)據(jù)代入公式（9），得到烏魯木齊市聲環(huán)境污染指數(shù)平滑預(yù)測數(shù)學(xué)模型為：

區(qū)域環(huán)境噪聲：Y11+m=54.50-0.001×m-0.000291×m2

交通環(huán)境噪聲：Y11+m=64.85+0.0044×m+ 0.001648×m2

采用該預(yù)測模型對烏魯木齊市未來10年環(huán)境噪聲進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果詳見表6。

表6 2022—2031年區(qū)域、交通聲環(huán)境污染預(yù)測結(jié)果 （dB(A)）

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

5 結(jié)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(xù)加大噪聲污染綜合防治工作力度。在重點加強(qiáng)交通運輸噪聲管控的同時，不斷強(qiáng)化社會生活、工業(yè)企業(yè)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(lián)合監(jiān)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(jié)合“綠色護(hù)考”等專項行動，進(jìn)一步降低噪聲對社會生活的影響，推動聲環(huán)境質(zhì)量不斷改善。

從歷史監(jiān)測結(jié)果來看，全市區(qū)域聲環(huán)境質(zhì)量均為“二級（較好）”等級，道路交通聲環(huán)境質(zhì)量均為一級“好”等級，據(jù)此建立非線性3次指數(shù)平滑模型。從預(yù)測值與實測值的比較來看，與烏魯木齊市的聲環(huán)境污染狀況基本一致，預(yù)測效果比較可靠，可用于首府城市聲環(huán)境質(zhì)量短期及中期預(yù)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(jù)。進(jìn)而利用該模型對未來10年首府聲環(huán)境質(zhì)量水平進(jìn)行預(yù)測，區(qū)域聲環(huán)境質(zhì)量水平繼續(xù)保持在二級（較好）等級以內(nèi)，道路交通聲環(huán)境質(zhì)量水平繼續(xù)保持在一級（好）等級以內(nèi)。

雖然預(yù)測結(jié)果顯示今后首府聲環(huán)境質(zhì)量將繼續(xù)處于一個相對平穩(wěn)的階段，烏魯木齊市仍要充分結(jié)合城市道路交通系統(tǒng)的建設(shè)完善及機(jī)動車數(shù)量快速增長的實際，找準(zhǔn)治理重點，采取綜合措施，進(jìn)一步加大隔聲屏、綠化帶等隔聲降噪設(shè)施建設(shè)，合理道路規(guī)劃建設(shè)，采取更有效的施工和建材技術(shù)降低交通噪聲影響[6-8]；同時持續(xù)做好社會生活、建筑施工和工業(yè)企業(yè)等噪聲監(jiān)督管理，并進(jìn)一步加強(qiáng)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(fā)揮新聞媒體宣傳陣地作用，提高各級生態(tài)環(huán)境部門和人民群眾對噪聲污染防治工作的認(rèn)識。

另外，值得一提的是，噪聲的產(chǎn)生帶有很多隨機(jī)性，任何預(yù)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(shù)平滑法是基于歷史數(shù)據(jù)的預(yù)測，而歷史數(shù)據(jù)又會受到很多因素的干擾，該方法尚不適合于長期的預(yù)測，誤差比較大。其次，就模型本身而言，平滑系數(shù)的選取是直接影響預(yù)測精度和預(yù)測期限長短的關(guān)鍵因素，需要謹(jǐn)慎并適當(dāng)?shù)倪x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(huán)境總體水平基礎(chǔ)上的預(yù)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(huán)境相掛鉤。而區(qū)域環(huán)境噪聲變化存在著方向異性特點，受網(wǎng)格所在功能區(qū)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(shù)、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(biāo)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(quán)重，進(jìn)一步開展聲環(huán)境影響預(yù)測與評價工作。