噪聲地圖技術(shù)在中尺度城市區(qū)域的試點應(yīng)用

郁 帥， 王亞晨

(中海環(huán)境科技(上海)股份有限公司， 上海 200135)

0 引 言

聲環(huán)境與人們的日常生活密切相關(guān)，噪聲污染相比其他方面的污染，更易引起人們產(chǎn)生生理和心理上的不良反應(yīng)，從而降低人們的生活質(zhì)量。噪聲的來源廣泛，交通設(shè)施、工業(yè)點源和建筑施工等都是城市區(qū)域的主要噪聲源，其中交通噪聲產(chǎn)生的不良影響尤為嚴重。

《中華人民共和國噪聲污染防治法》于2022年6月5日起施行，相比1997年3月1日起施行的《中華人民共和國環(huán)境噪聲污染防治法》，強化了各級政府責任，要求相關(guān)部門對城市交通噪聲造成的污染進行調(diào)查評估，并制訂噪聲污染綜合治理方案；同時，強化了源頭防控，要求健全規(guī)劃、標準和監(jiān)測等制度，在監(jiān)測方面增加了推進監(jiān)測自動化，以及對噪聲敏感建筑物周邊等重點區(qū)域的噪聲排放情況進行監(jiān)測等內(nèi)容。由此可知，新的噪聲污染防治法的施行將敦促各級政府著力提升以交通噪聲為主的環(huán)境噪聲監(jiān)測評估和治理能力。

傳統(tǒng)的噪聲監(jiān)測在監(jiān)測時間、覆蓋范圍和噪聲源精準識別等方面存在很大的局限性，若要獲取城市中尺度區(qū)域整體的噪聲污染水平，往往需投入很大的人力和物力[1]。部分地區(qū)的政府部門已在尋求采用更為智能化、數(shù)字化、自動化的智慧監(jiān)測及評估手段，評估噪聲的影響程度，制訂噪聲治理方案。噪聲地圖無疑是非常有效的監(jiān)測和評估工具。噪聲地圖技術(shù)的原理是將地理信息系統(tǒng)與聲學仿真計算模型相結(jié)合開展模擬預(yù)測，并通過校準監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制生成二維、三維甚至動態(tài)的噪聲分布圖，從而從空間上和時間上對噪聲的影響進行判斷。

現(xiàn)以德國RLS90預(yù)測模型為依托，以在浦東新區(qū)某中尺度區(qū)域范圍內(nèi)開展的噪聲地圖技術(shù)城市區(qū)域試點應(yīng)用為研究對象，對區(qū)域內(nèi)的市政道路及周邊構(gòu)筑物進行建模，精準設(shè)定相關(guān)參數(shù)進行噪聲預(yù)測，并將所得結(jié)果與實測數(shù)據(jù)相比對，繪制噪聲地圖，以期為區(qū)域內(nèi)的交通噪聲控制和整治提供參考。

1 試點區(qū)域概況

此次選取噪聲地圖試點應(yīng)用區(qū)域遵循以下原則：

1) 區(qū)域內(nèi)需包含不同規(guī)模、不同等級、不同車速和不同寬度的城市道路，以體現(xiàn)城市區(qū)域路網(wǎng)的豐富全面性；

2) 區(qū)域內(nèi)的規(guī)劃用地應(yīng)包含住宅、教育、商業(yè)和綠地等各類常見城市用地；

3) 臨路建筑物需有不同高度、朝向和距離差異性，從而使試點區(qū)域具備城市區(qū)域的典型代表性。

以浦東新區(qū)中心城區(qū)中環(huán)線(軍工路隧道—楊高中路)為中軸線，選擇兩側(cè)一定范圍內(nèi)的區(qū)域開展噪聲地圖建模，該區(qū)域的尺寸為2.5 km×3.1 km。該區(qū)域的道路交通主干路為中環(huán)線，包含高架快速路、地面道路、匝道輔路和中環(huán)線楊高路立交節(jié)點，其中地面道路包含浦東大道、張楊路、棗莊路、金楊路、金臺路等主干路、次干路和城市支路，道路交通系統(tǒng)豐富全面。

該區(qū)域內(nèi)包含大面積住宅組團、中小學教育配套設(shè)施、沿街金融商業(yè)設(shè)施和公園綠化設(shè)施等。臨路住宅包括多層、小高層和超高層等各類住宅，是浦東新區(qū)主城區(qū)環(huán)境的典型代表。

選擇該路段進行噪聲地圖研究具有較好的代表性。模型關(guān)聯(lián)流量等數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制噪聲地圖，并直觀地展示區(qū)域內(nèi)交通噪聲對環(huán)境的影響，研究過程和內(nèi)容可覆蓋建立噪聲地圖涉及的各技術(shù)要點，可有效積累技術(shù)經(jīng)驗，為政府部門后續(xù)采取智慧監(jiān)測及評估手段開展交通噪聲研究和治理工作提供直觀、有效的技術(shù)支持。

2 噪聲地圖系統(tǒng)架構(gòu)

傳統(tǒng)的噪聲地圖一般由地理信息系統(tǒng)、聲學計算模型系統(tǒng)和配套的展示管理系統(tǒng)組成[2]。地理信息系統(tǒng)可通過導入地理信息數(shù)據(jù)建立區(qū)域地理模型；聲學計算模型系統(tǒng)可通過錄入聲源數(shù)據(jù)將形成的地理模型轉(zhuǎn)化為聲學計算模型，在整體系統(tǒng)工程中發(fā)揮最關(guān)鍵的作用，過程中配以數(shù)據(jù)校驗功能，對系統(tǒng)誤差進行分析調(diào)整；配套的展示管理系統(tǒng)可用于查詢噪聲數(shù)據(jù)和展示圖像結(jié)果。噪聲地圖系統(tǒng)框架見圖1。

圖1 噪聲地圖系統(tǒng)框架

2.1 地理信息系統(tǒng)

在建立噪聲地圖系統(tǒng)時，首先要建立區(qū)域地理模型，即對地理信息數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)輸入，從而形成地理信息系統(tǒng)。地理信息數(shù)據(jù)主要包括道路地理信息、區(qū)域地形信息和建筑物信息等，可由外部地理信息庫進行導入和整合。與一般的地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)不同，噪聲地圖中的地理信息數(shù)據(jù)需進行優(yōu)化，提取并保留具有聲學意義的數(shù)據(jù)。

浦東新區(qū)位于平原地區(qū)，其地形變化可忽略不計，地理信息系統(tǒng)中最重要的數(shù)據(jù)為道路地理信息和建筑物信息，其中：道路信息由道路名稱和等級等常規(guī)信息，路段長度、寬度、節(jié)點坐標和高程等地理信息，以及聲屏障等遮擋物信息組成，在實際運用時，道路信息可由城市交通信息系統(tǒng)提供，并經(jīng)整合導入道路信息數(shù)據(jù)中；建筑物信息由建筑名稱、性質(zhì)和從屬關(guān)系等常規(guī)信息，以及建筑外輪廓四限坐標和建筑物高度等信息組成[3]。

2.2 聲學計算模型系統(tǒng)

聲學計算模型系統(tǒng)是噪聲地圖的核心系統(tǒng)，通過錄入關(guān)鍵聲源數(shù)據(jù)(道路車流量)建立聲學計算模型。該模型的基本原理是聲波在大氣中的傳播理論。道路交通噪聲是多輛車連續(xù)通過時形成的持續(xù)聲源，是一種動態(tài)的隨機聲源。對于較長的時間尺度來說，在穩(wěn)定持續(xù)的車流量情況下，交通噪聲具有一定的穩(wěn)定性，在聲學上可作為穩(wěn)定的線聲源處理。

由于道路較長且多有曲折，將線聲源作為一個整體計算難度較大，且精確度不高。在計算時，通常將道路離散化，將離散的道路作為多個點聲源，獨立計算其聲波的傳播，最后對所有的計算結(jié)果進行疊加，得到受聲點的計算值，從而得到整個區(qū)域內(nèi)的聲場分布情況。

本文所述試點區(qū)域的噪聲地圖基于以上聲學原理，采用德國RLS90預(yù)測模型對該區(qū)域的交通噪聲進行預(yù)測計算[4]。該模型通過了國家評估中心的認證，具有較高的計算精度，具備應(yīng)用于此次試點研究中的條件。試點區(qū)域的噪聲地圖三維聲學模型見圖2。

圖2 試點區(qū)域的噪聲地圖三維聲學模型

2.3 展示管理系統(tǒng)

在噪聲地圖系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的展示系統(tǒng)大多依托聲學計算模型系統(tǒng)實現(xiàn)噪聲數(shù)據(jù)查詢和預(yù)測結(jié)果展示，輸出的結(jié)果以圖像為主，以表格為輔，多用于展示區(qū)域噪聲的變化趨勢。本文所述展示管理系統(tǒng)是類似于浦東新區(qū)智慧環(huán)保大數(shù)據(jù)平臺的場景應(yīng)用平臺，除了具有基礎(chǔ)的展示功能以外，更注重對大數(shù)據(jù)的深度管理、分析和運用，從而實現(xiàn)對城市交通噪聲的智慧化管理。目前環(huán)保大數(shù)據(jù)平臺受數(shù)據(jù)樣本數(shù)量等因素的影響，并未將噪聲要素納入平臺場景中，若未來噪聲地圖技術(shù)能在中尺度甚至大尺度城市區(qū)域得到運用，結(jié)合噪聲監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，可為噪聲要素盡快納入平臺場景中創(chuàng)造條件。

3 噪聲地圖校驗與輸出

3.1 預(yù)測與監(jiān)測噪聲校驗

對于受聲點而言，某一時刻聲壓級的大小由距離最近的數(shù)條道路噪聲貢獻值確定，而噪聲貢獻值隨道路車流量的變化而變化。在流量參數(shù)一致的前提下，通過對比部分點位的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與噪聲地圖預(yù)測數(shù)據(jù)，可對噪聲地圖的精準性進行校驗，實時更新噪聲地圖的聲場分布情況，根據(jù)一些固定的校準監(jiān)測點位的噪聲監(jiān)測結(jié)果快速準確地預(yù)測區(qū)域整體的噪聲分布情況。

此次試點研究選取區(qū)域內(nèi)的中軸線核心道路中環(huán)線(軍工路隧道—楊高中路)沿線的7個點位開展現(xiàn)場噪聲監(jiān)測，其中：3個點位作為校準監(jiān)測點，同步記錄道路車流量，用于進行噪聲地圖校準；另外4個點位作為對比點，用于驗證噪聲地圖預(yù)測結(jié)果的準確性。

在開展此次噪聲監(jiān)測時，設(shè)置以下條件：

1) 監(jiān)測因子為等效連續(xù)A聲級LAeq；

2) 按《聲環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3096—2008)的要求開展監(jiān)測；

3) 監(jiān)測頻次確定為每個測點監(jiān)測1 d，晝間(06:00—22:00)和夜間(22:00—次日06:00)各監(jiān)測1次，每次監(jiān)測20 min；

4) 監(jiān)測于2021年7月完成。

用于進行噪聲地圖預(yù)測計算的車流量數(shù)據(jù)可根據(jù)交通管理部門導入的信息或現(xiàn)場實時記錄獲得，此次試點研究采用在現(xiàn)場監(jiān)測噪聲時同步記錄的方式獲取車流量數(shù)據(jù)。輸入車流量數(shù)據(jù)之后，利用噪聲模型進行預(yù)測計算，得出校準點的預(yù)測值。對校準點的預(yù)測值與實測值進行對比，若二者相差較大，則返回聲學模型進行參數(shù)修正。此次試點區(qū)域校準點參數(shù)見表1。

表1 試點區(qū)域校準點參數(shù)

校驗完成之后，可采用噪聲地圖預(yù)測全部試點區(qū)域的噪聲值。試點區(qū)域4個典型點位的噪聲預(yù)測結(jié)果與實測結(jié)果對比見表2。由表2可知，噪聲地圖在同時間段內(nèi)相同點位的預(yù)測結(jié)果與實測結(jié)果的偏差基本上能控制在1.0 dB(A)以內(nèi)。由此可知，噪聲地圖系統(tǒng)的預(yù)測結(jié)果具有較高的準確度。

表2 試點區(qū)域4個典型點位的噪聲預(yù)測結(jié)果與實測結(jié)果對比

3.2 噪聲地圖成果輸出

噪聲地圖最主要的作用是直觀地輸出不同時間段聲場在水平方向和垂直方向的動態(tài)分布，快速展示區(qū)域內(nèi)的聲環(huán)境情況。圖3為某時間段試點區(qū)域噪聲地圖輸出的聲場在水平方向和垂直方向的分布及變化情況；圖4為試點區(qū)域噪聲地圖超標區(qū)域和超標建筑展示情況，顯示了道路沿線受交通噪聲的影響而超標的區(qū)域范圍和超標區(qū)域涉及的敏感建筑，在外部地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)的支撐下，后期甚至能計算受到影響的居民人數(shù)。此外，噪聲地圖還可通過調(diào)整輸入?yún)?shù)預(yù)測擬采取措施之后的噪聲防治效果，或?qū)Ρ炔煌廴痉乐未胧┑男Ч町?，這些應(yīng)用都能為采取噪聲治理措施改善聲環(huán)境提供決策依據(jù)。

a) 水平空間成果輸出情況

圖4 試點區(qū)域噪聲地圖超標區(qū)域和超標建筑展示情況

4 結(jié) 語

本文以浦東新區(qū)某中尺度區(qū)域為例，開展了噪聲地圖技術(shù)在城市區(qū)域的試點應(yīng)用研究，對區(qū)域內(nèi)的市政道路及周邊構(gòu)筑物進行建模，精準設(shè)定相關(guān)參數(shù)預(yù)測噪聲情況，并將所得結(jié)果與實測結(jié)果相比對，形成噪聲地圖系統(tǒng)，繪制生成二維、三維甚至動態(tài)的噪聲分布圖，直觀地反映區(qū)域內(nèi)的交通噪聲情況。通過開展該試點應(yīng)用研究，為類似區(qū)域提升以交通噪聲為主的環(huán)境噪聲監(jiān)測評估和治理能力提供參考。未來，環(huán)保管理部門可基于噪聲地圖實時判定道路交通沿線的噪聲達標情況，更好地辨析噪聲源；同時，可通過對輸入的參數(shù)進行調(diào)整，預(yù)測擬采取措施之后的噪聲防治效果，或?qū)Ρ炔煌肼暦乐未胧┑男Ч町?，為采取噪聲治理措施改善聲環(huán)境提供決策依據(jù)。