蔡 銘，鄒競芳，李 鋒，羅威力，王大蕾，陳志斌

(中山大學(xué)工學(xué)院∥廣東省智能交通系統(tǒng)重點(diǎn)實驗室，廣東 廣州 510275)

噪聲污染是城市環(huán)境問題的四大公害之一，目前已成為制約城市人居環(huán)境質(zhì)量提高的重要因素[1]。掌握準(zhǔn)確的環(huán)境噪聲信息,科學(xué)評價聲環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀、科學(xué)預(yù)測聲環(huán)境的變化情況成為噪聲管理和治理的重要基礎(chǔ)[2]。國外許多大中城市通過采用Cadna/A和Soundplan等環(huán)境噪聲模擬軟件繪制噪聲地圖，以掌握噪聲的污染程度和分布情況，例如英國的伯明翰已于2000年完成全城噪聲地圖的繪制并于2004年再次更新地圖[3]；德國已有500多個城鎮(zhèn)繪制了噪聲地圖，并應(yīng)用于工廠的選址及噪聲的控制[4]；挪威運(yùn)用噪聲地圖和人口統(tǒng)計資料來進(jìn)行噪聲控制[5]。但這兩個軟件所采用的噪聲計算模型為英國CRTN模型和德國的RLS90模型[6-7]，無法反應(yīng)我國的實際道路交通狀況；且軟件無法直接從GIS地圖中獲取路網(wǎng)和建筑物的屬性信息，對計算的輸入信息處理較為繁瑣。在國內(nèi)，除香港開發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)的噪聲地圖外[8]，張慶河[9]、龐偉、周曉丹等[10]已展開了基于GIS的交通噪聲評價和預(yù)測系統(tǒng)的研究，但大多沒有考慮建筑物的衰減，且基本未能在輸入信息與噪聲地圖渲染方面與GIS進(jìn)行直接交互。

本文自主研發(fā)了一個城市環(huán)境噪聲模擬與評估系統(tǒng)——“中大聲圖”，系統(tǒng)可以綜合模擬點(diǎn)聲源、線聲源、面聲源對城市聲場環(huán)境的影響；系統(tǒng)能直接從GIS上自動獲取道路、建筑物、林帶等信息，結(jié)合車輛噪聲輻射和傳播模型并考慮建筑物群及林帶對交通噪聲的遮擋衰減，能夠計算出城市區(qū)域的交通噪聲并將模擬結(jié)果直接渲染在GIS地圖上，直觀清晰地展示城市區(qū)域交通噪聲的污染程度和分布情況。利用“中大聲圖”，本文繪制出了廣州市內(nèi)環(huán)路交通噪聲地圖及珠江新城的區(qū)域交通噪聲地圖，并對內(nèi)環(huán)路采取單雙號限行及安裝聲屏障等降噪措施進(jìn)行了評估，為城市交通噪聲污染控制提供科學(xué)決策依據(jù)。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能與特色

1.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用Microsoft Access 數(shù)據(jù)庫存儲各種聲源及障礙物的屬性信息，結(jié)合GIS平臺，并加入交通噪聲評價和預(yù)測模型，實現(xiàn)對點(diǎn)源、面源、交通源噪聲的綜合計算及對大區(qū)域、高架路和公交車站等不同情況下的交通噪聲分布計算，并直接輸出噪聲渲染地圖，為城市交通噪聲污染控制提供科學(xué)決策依據(jù)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)的功能與特色

系統(tǒng)采用主界面與GIS界面交互運(yùn)行的工作方式，通過從GIS界面選取交通源和建筑物的屬性信息返回到主界面相應(yīng)的響應(yīng)選項卡上，作為噪聲計算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；并將在主界面計算所得的噪聲結(jié)果返回GIS界面進(jìn)行渲染，得到直觀的交通噪聲分布地圖，系統(tǒng)的具體功能與特色如下所示。

1.2.1 主界面的功能與特色 系統(tǒng)的主界面除具有基本的工程文件讀入和保存等功能外，還包括七個選項卡頁面，如圖2所示。在這七個界面完成交通噪聲分布的計算過程，各選項卡的功能如下所示：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 系統(tǒng)工作界面圖

工程基本信息界面：設(shè)置工程名稱和場地名稱等信息。

交通源、點(diǎn)源及面源界面：分別輸入、修改和刪除交通源、點(diǎn)源、面源的基本信息，有手動輸入和GIS載入兩種方式。

障礙物界面：輸入、修改、刪除障礙物信息，支持手動輸入和GIS載入兩種方式。

計算界面：設(shè)置計算網(wǎng)格步長或數(shù)量、設(shè)置計算范圍、計算交通噪聲的分布。

結(jié)果界面：顯示計算結(jié)果信息。

1.2.2 GIS界面的功能與特色 系統(tǒng)的GIS界面(如圖3所示)除具備基本的GIS視圖操作功能，如地圖的打開、保存、放大、縮小、漫游、圖層管理、鷹眼等功能外，主要完成三大部分的功能，具體如下所示：

圖3 GIS界面

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲?。涸贕IS界面，系統(tǒng)為用戶提供框選、界面全選和查找選擇等三種方式，可以將用戶選擇的交通源和建筑物的屬性信息返回到主界面相應(yīng)的響應(yīng)選項卡上，作為噪聲計算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

噪聲地圖的渲染：在主界面計算之后，結(jié)果可以返回GIS界面進(jìn)行渲染，得到直觀的交通噪聲分布地圖，以不同的顏色表示交通噪聲的分布和級別。系統(tǒng)提供Krige和IDW兩種渲染方式，并且經(jīng)渲染之后的噪聲地圖能以mxd的地圖格式保存，方便用戶日后的使用。

交通視頻與噪聲監(jiān)測的同步顯示：視頻檢測是獲取交通流基礎(chǔ)信息的一個重要手段[11]，在此基礎(chǔ)上，通過軟硬件的結(jié)合，系統(tǒng)在GIS模塊中設(shè)置了一個特殊的圖層，這個圖層中包含不同視頻點(diǎn)，用戶只需要點(diǎn)擊，即可查看相應(yīng)地區(qū)的交通視頻和同步顯示的噪聲值，如圖4所示。應(yīng)用這個功能能夠?qū)煌ㄔ肼曔M(jìn)行監(jiān)控，可以作為日后積累的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時也為采取相應(yīng)的降噪措施提供了依據(jù)和檢驗手段。

2 系統(tǒng)的核心算法

系統(tǒng)將噪聲污染源分為交通源、點(diǎn)源和面源三種。交通源用于計算城市內(nèi)道路等線性噪聲源對噪聲的貢獻(xiàn)量，點(diǎn)源用于各個噪聲特殊地點(diǎn)的噪聲計算，面源則適用于區(qū)域噪聲污染源的計算，三種因素共同考慮，計算時進(jìn)行能量疊加可得出預(yù)測地點(diǎn)的噪聲值。在噪聲的傳播過程中，計算模型考慮了建筑物、植被對于噪聲傳播的衰減作用，具體的算法如下所示。

2.1 交通源算法

道路交通噪聲的計算按線聲源模型，同時考慮噪聲傳播途中的地面吸收和障礙物的附加衰減量，距行車線r處的等效聲級為[12]：

10 lgπr0+ΔL

(1)

式中：Loi為第i種車型在參考距離處的平均輻射噪聲級，dB，采用的是對本地共1 176輛機(jī)動車的噪聲及車速的實測結(jié)果所擬合出來的模型，其值與車型及車速有關(guān)[13]；Ni為第i種車型的車流量，veh/h；Vi為第i種車型的車速，km/h；r0為參考距離，r0=7.5 m；r為接受點(diǎn)距行車線的距離，m。

行車道上實際車流為大、中、小三種車型的組合車流，道路交通噪聲的等效聲級為三種車流的等效聲級的疊加，即：

(2)

2.2 點(diǎn)源算法

綜合考慮點(diǎn)聲源距離衰減、聲屏障的繞射衰減、建筑物和林帶的衰減作用后，點(diǎn)聲源對接受點(diǎn)R的噪聲值為：

ΔLb+ΔLS+ΔLg

(3)

式中，Lo為點(diǎn)聲源在參考距離處的平均輻射噪聲級，dB；r0為參考點(diǎn)的距離，m；r為點(diǎn)源至接收點(diǎn)的距離，m；ΔLb為建筑物的附加衰減量；ΔLS為聲屏障的附加衰減量[14]；ΔLg為林帶的附加衰減量。

2.3 面源算法

面源對一點(diǎn)的噪聲輻射能量可近似地看作面源的各輪廓線對該點(diǎn)的噪聲輻射能量之和，即把面源的源強(qiáng)近似地集中到輪廓線上，使計算得到簡化：

100.1·StrengthA×AA=100.1·StrengthL×CL

(4)

式中：StrengthA為面源強(qiáng)度，dB/m2；StrengthL為等效線源強(qiáng)度，dB/m；AA為面源面積，m2；CL為面源輪廓線周長，m。

而等效線源對任意一個接收點(diǎn)的噪聲為：

(5)

式中：θ為接收點(diǎn)到線源兩端點(diǎn)的夾角， rad；d為接收點(diǎn)到線源的距離，m。

將各輪廓線對接收點(diǎn)的噪聲進(jìn)行能量疊加，可得到整個面源對接收點(diǎn)的噪聲輻射，即：

(6)

2.4 林帶衰減的計算方法

林帶的平均衰減量采用《公路建設(shè)項目環(huán)境影響評價規(guī)范》中的式子來進(jìn)行估算[15],即：

ΔLg=-0.1l

(7)

式中，l為聲波穿過林帶的寬度，m。

2.5 建筑物衰減的計算方法

根據(jù)《聲學(xué) 室外聲傳播衰減 第2部分》標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的方法[16]，由建筑物群的屏蔽及反射兩種作用所引起的噪聲衰減量為：

Δb=Ahouse,1+Ahouse,2

(8)

其中，Ahouse,1的平均值為：

Ahouse,1=0.1Bdb

(9)

式中，B為沿聲傳播線上的建筑物的密度，等于以總的地面面積(包括建筑物所占面積)去除建筑物的總的平面面積所得的商；db為通過建筑物群區(qū)的聲路線長度，m。

(10)

式中，p為相對于在建筑物鄰近的公路的總長度的建筑物正面的長度的百分?jǐn)?shù)，其值小于或等于90％。

城市路網(wǎng)密度大，建筑物群數(shù)量多，在進(jìn)行大區(qū)域計算時計算速度十分緩慢，針對這個問題，系統(tǒng)采取了自動劃分網(wǎng)格和篩選交通源的優(yōu)化算法。在區(qū)域不大的時候，計算程序按照用戶自定義的固定步長或固定數(shù)量的網(wǎng)格進(jìn)行計算；當(dāng)區(qū)域增大的時候，程序先將區(qū)域分塊，然后針對每一塊區(qū)域進(jìn)行判斷，若區(qū)域內(nèi)無交通源則可進(jìn)行網(wǎng)格的稀疏，若區(qū)域內(nèi)有交通源，則先按用戶需求來劃分網(wǎng)格，然后再篩選有影響的交通源進(jìn)行進(jìn)算，進(jìn)而達(dá)到簡化計算的效果。

3 “中大聲圖”的應(yīng)用

3.1 廣州內(nèi)環(huán)路的交通噪聲地圖

廣州內(nèi)環(huán)路全長26.7 km，雙向六車道，自2000年1月建成通車后，廣州市中心區(qū)的交通得到明顯改善，但也給沿線的環(huán)境帶來了較大的交通噪聲影響。為掌握內(nèi)環(huán)路對沿線環(huán)境的噪聲影響，以內(nèi)環(huán)路為中心線，選取其沿線100 m范圍內(nèi)的建筑物，以10 m為計算的網(wǎng)格步長，利用“中大聲圖”計算其交通噪聲并渲染出其噪聲地圖，計算時，交通源為431個，建筑物1 845棟，區(qū)域面積為68.8 km2，計算結(jié)果共166 808條，渲染圖如圖5所示。

圖5 廣州內(nèi)環(huán)路的交通噪聲地圖

由圖5可見，“中大聲圖”能夠計算大區(qū)域的交通噪聲并渲染出交通噪聲地圖，直觀地展示城市交通噪聲的分布情況，為交通噪聲的管理與控制提供了一個良好的可視化平臺。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，廣州內(nèi)環(huán)路的南岸路路段交通噪聲污染較為嚴(yán)重，其交通噪聲地圖如圖6所示。由圖6可以看出，南岸路的最大噪聲值在75～80 dB之間，沿線附近范圍內(nèi)的噪聲大多在65～70 dB之間，噪聲污染較為嚴(yán)重。

圖6 南岸路噪聲地圖(dB)

為降低南岸路的交通噪聲污染，采取單雙號限行和安裝聲屏障(3.0 m高)兩種控制措施從聲源和聲傳播過程中降低噪聲污染，降噪前后南岸路的交通噪聲如表1所示(各點(diǎn)的位置見圖6)：

表1 降噪前后的交通噪聲

由表1可以看出，在道路兩側(cè)安裝聲屏障后，交通噪聲明顯降低，聲屏障的降噪量約為4～15 dB，降噪效果非常明顯；限行后，由于交通量減半，噪聲值也有所降低，限行的降噪量約為0～4 dB左右，其降噪效果沒有聲屏障的顯著。

3.2 珠江新城的交通噪聲地圖

珠江新城位于廣州北二環(huán)與東二環(huán)的交匯處，是廣州重要的城市中心商務(wù)區(qū)，了解其交通噪聲的污染程度分布情況可為采取有效的防治措施提供科學(xué)依據(jù)。本研究所選取的珠江新城區(qū)域北側(cè)緊臨黃埔大道西，西側(cè)鄰接廣州大道中，面積約為1.3×1.7 km2，其區(qū)域交通噪聲地圖如圖7所示。

圖7 珠江新城交通噪聲地圖(dB)

由圖7可以看出，區(qū)域內(nèi)主干路的噪聲值均在70 dB之上，尤其是廣州大道中和黃埔大道西的噪聲值已接近75 dB，小區(qū)內(nèi)道路的噪聲值也在65 dB之上，居住區(qū)的噪聲大部分處于60-65 dB之間，噪聲污染較為嚴(yán)重。因此，可考慮在在廣州大道中和黃埔大道西的道路兩側(cè)加裝聲屏障，貫穿區(qū)內(nèi)的道路可以適當(dāng)采取限速、限制大型車通行等措施來達(dá)到降低噪聲的目的。

為檢驗計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，對珠江新城展開交通流和噪聲實地調(diào)查，調(diào)查時間為2011年3月15日17:00-17:30，共11個監(jiān)測點(diǎn)，每個點(diǎn)位監(jiān)測30 min，各點(diǎn)位的位置見圖7。噪聲的實測值與系統(tǒng)計算值的比較如圖8所示。

圖8 實測值與計算值的比較

實測值與系統(tǒng)計算值之間的最大誤差為2.09 dB，最小誤差為0.55 dB，平均誤差為1.31 dB，平均相對誤差為1.956％，系統(tǒng)計算值的準(zhǔn)確性較高。

5 結(jié) 論

結(jié)合城市環(huán)境噪聲排放模型及噪聲傳播擴(kuò)散的基本原理，自主研發(fā)了一個城市環(huán)境噪聲模擬與評估系統(tǒng)—“中大聲圖”。該系統(tǒng)具有與地理信息系統(tǒng)交互運(yùn)行、大區(qū)域噪聲模擬計算和考慮城市復(fù)雜障礙物等特點(diǎn)。從應(yīng)用和驗證的實例來看，系統(tǒng)能夠繪制大區(qū)域交通噪聲地圖，能夠?qū)Ω鞣N降噪措施進(jìn)行評估，且計算的平均誤差為1.31 dB。因此，系統(tǒng)對城市環(huán)境噪聲，特別是城市交通噪聲的控制和管理有很好的應(yīng)用前景。

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