北京西直门区域道路交通噪声时空分布与评价研究

高万晨

(辽宁对外经贸学院 信息管理学院, 辽宁 大连 116052)

随着城市的发展，机动车保有量逐年增加，道路交通噪声对人们的工作和日常生活的影响逐渐受到世界各国政府和公众的广泛关注[1]，为此，国内外学者针对城市交通噪声问题开展了相关研究。

为了解城市道路交通噪声的污染现状，学者针对道路交通噪声开展了一系列实地监测研究。Tsai等基于噪声监测站所监测的数据，运用GIS分析了城市噪声的空间特性[2]；王志伟等设立40个监测点用于监测校园内的交通噪声，并绘制了噪声地图，分析了校园各监测点位、各功能区的达标情况[3]。为降低城市道路交通噪声研究中实地监测的资金投入，部分学者对城市道路交通噪声的实地监测点进行了优化研究[4]。

为克服实地监测交通噪声的缺点，国内外学者建立了相关交通噪声预测模型[5-6]。其中，从国家层面建立的至今广泛使用的模型有：NMPB(法国)、RLS90(德国)、FHWA(美国)等。而我国目前所使用的交通噪声预测模型是基于国外模型在具体情况下修订而得，有环保部[7]和交通部[8]两种模型。从学者层面建立的模型有：交叉口的交通噪声预测模型[9-11]，黄朝强运用改进的GM(1，N)模型对交通噪声进行了预测研究[12]。

国内外学者为了对所选研究区域的交通噪声现状进行科学合理地评价，建立了相关评价方法[13]，并得到了比较广泛的应用[14-16]。

同时，为对交通噪声进行合理有效地控制，学者对隔声屏障[17-19]、制动器[20]、绿化带[21-22]、限行与限速[23]、路线设计[24]等控制措施的效果开展了相关研究，讨论了适用条件，并证明了有效性。

本文对北京市西直门区域的道路交通噪声的时空分布及评价开展了相关研究。首先，选择适当交通噪声监测点，对研究区域的交通噪声进行了实地测量；其次，基于交通噪声评价指标，利用反距离插值法[25](IDW)绘制了各指标的噪声地图；然后，定义了噪声超限度的概念，并建立了估计受交通噪声影响人数的模型，对西直门区域交通噪声的超限情况和受影响人数进行了定量分析；最后，基于研究区域内已有的交通噪声控制措施，以区域A为例，对隔声屏障进行了理论设计，保证交通噪声控制在标准限值之内。

1 研究区域

本文选择北京市西直门区域(如图1所示)作为研究对象，该区域内有北京北站、凯德Mall购物广场、地铁2、4、13号线、写字楼(中仪大厦、地铁大厦和成铭大厦)和居民小区等主要城市建筑和设施。根据我国声环境质量标准，将西直门区域分为A、B、C、D共计4个子区域。其中，B、C、D区以居住、医疗、卫生、文化、教育、行政办公等为主，需要保持安静[26]，属于第I类功能区；A区以商场、文娱、金融服务业等为主，需要维护住宅安静[26]，属于第II类功能区(如图2(a)所示)。

图1 西直门区域Fig.1 Xizhimen area

图2 区域划分及监测点位置Fig.2 Division of the area and locations of monitoring points

西直门区域是公交、城轨和铁路客运的综合交通枢纽，车流、客流量大，人车混行现象较为明显，因此，该区域在高峰时段交通拥堵较为严重，导致交通噪声较为严重，已经影响到人们的正常工作和生活。

2 研究方法

2.1 数据采集

本文选择13个道路交通噪声监测点(如图2(b)所示)，监测西直门区域内的道路交通噪声，各交通噪声监测点位于道路旁人行道且距离建筑物至少3.5 m[26]。利用GPS设备对交通噪声监测点进行实地标记和定位操作，具体经纬度坐标见表1。选择声级计(WS1361-12)作为交通噪声监测设备，该声级计监测范围为30～130 dB，频率加权为A计权。为了科学合理地监测研究区域内的交通噪声，本文将监测时间分为工作日(周一至周五)和休息日(周六和周日)，以此对研究区域晚高峰时段(16:00-18:00)的道路交通噪声进行了间隔为1 s的连续测量。

表1 噪声监测点GPS坐标Tab.1 Noise monitoring points with GPS coordinates

2.2 评价指标

为科学合理地评价城市道路交通噪声，国内外学者根据交通噪声的时间和频率特性，制定了一系列交通噪声评价指标[27]，评价指标大都基于等效声级在特定情况修订得到。本文基于常用的交通噪声评价指标，研究西直门区域的交通噪声时空分布模式，并将相关指标的计算结果与国内声环境质量标准进行比较[26]。

1)等效声级(Leq)是指在交通噪声测量时间段(T)内的平均声能，具体公式为

(1)

式中LAi(t)为监测时段内的第i个A声级。

当监测交通噪声使用等时间间隔时，式(1)转为

(2)

式中n为监测时间内的A声级记录数。

2)累积百分声级(LN)是指监测时间内高于声级LN的交通噪声所占时间为N%[27]，该指标能够定量地反映交通噪声的波动起伏程度。常用的累积百分声级有L10、L50和L90，分别为交通噪声的平均峰值、中值和本底值[27]。

当交通噪声的统计特性近似服从正态分布时，等效声级和累积百分声级之间的关系为

(3)

3)交通噪声指数(TNI)能够衡量人们受到交通噪声的滋扰响应程度，其由监测时间内交通噪声的波动起伏程度(L10-L90)和本底值L90共同决定，其计算公式为

TNI=4×(L10-L90)+L90-30

(4)

4)噪声污染级(LNP)是评价交通噪声对人们的滋扰程度，由交通噪声能量和交通噪声涨落两部分共同决定，其计算公式为

LNP=Leq+Kσ

(5)

式中：Leq衡量交通噪声能量；标准差反应交通噪声的涨落；K为常数，一般取2.56。标准差的计算公式为

(6)

5)为了对西直门区域交通噪声的影响强度进行定量评价，本文定义了噪声超限度(Noise Excess Limits，NEL)的概念，是指某一类声环境功能区内的交通噪声值大于某一等效声级(Leq)的面积与该声环境功能区面积的百分比，具体公式为

(7)

式中：SL是第i类声环境功能区(i为I或II)中区域j的交通噪声超过某一等效声级L的面积；S是第i类声环境功能区中区域j的面积。

3 时空分布与评价

1)等效声级

西直门区域在工作日和休息日内晚高峰时段13个监测点的道路交通噪声值(Leq)的平均值分别为73.4±4.7 dB和72.2±4.8 dB，具体见表2，与我国声环境质量标准(70 dB)相比，分别高出了4.9%和3.1%。 图3为对应的研究区域内工作日和休息日晚高峰时段关于等效声级的噪声地图，图中给出了65 dB、70 dB、75 dB和80 dB的等高线。由图3可知，西直门区域内工作日和休息日的噪声值(Leq)均大于60 dB，已经超过中国关于I类(55 dB)和II类(60 dB)声环境功能区内交通噪声标准的上限。由于西直门区域是一个复杂而大型的道路节点，且在高峰时段内车流量较大、建筑物与道路的距离较近、立交桥相对较高、缺少隔声屏障、绿化带等交通噪声控制措施，结合我国的声环境质量标准，可以发现，该区域内的人们受到交通噪声的干扰较为严重，已经影响到他们的工作和生活。

表2 评价指标计算结果Tab.2 Calculation results of evaluation indexes 单位：dB

注：W代表Workday；H代表Holiday。

图3 等效声级Leq的噪声地图Fig.3 Noise map for Leq

2)交通噪声指数

研究区域内工作日和休息日的交通噪声指数(TNI)分别为69.0±9.4 dB和65.2±7.8 dB，具体见表2，工作日的平均TNI较休息日大，说明工作日的交通噪声波动较大。TNI的时空分布如图4所示，可以发现，工作日的交通噪声指数整体较休息日的大，说明研究区域内人们在工作日受交通噪声的影响较休息日的大。

图4 交通噪声指数TNI的噪声地图Fig.4 Noise map for TNI

3)噪声污染级

研究区域内工作日和休息日的噪声污染级(LNP)分别为85.5±4.7 dB和84.5±4.7 dB，具体见表2，分别对应于一般不可接受或明显不可接受的噪声污染等级。其中，LNP落入明显不可接受范围的监测点，在工作日和休息日均为2个，约占15.4%。由图5可知，研究区域LNP在工作日整体较休息日高，说明人们在工作日受到道路交通噪声的影响大于休息日。基于平均数据可以发现，工作日和休息日噪声污染级的标准差相等，说明研究区域在晚高峰时段，噪声污染级的波动情况近似相同。

图5 噪声污染级LNP的噪声地图Fig.5 Noise map for LNP

4)最大声级

研究区域内工作日和休息日的最大声级(Lmax)分别为84.1±4.6 dB和78.6±4.0 dB，工作日的最大声级较休息日的大，二者均处于较高的水平，严重超过我国声环境质量标准所规定的标准限值，如图6所示，可以发现，工作日的最大声级整体较休息日的大，说明人们在工作日受道路交通噪声影响大于休息日。

图6 最大声级噪声地图Fig.6 Noise map for Lmax

在工作日中，当等效声级Leq≥70 dB时，I类和II类声环境功能区的NEL分别为93.2%(B、C、D区NEL的平均值)和90.0%；表3给出了工作日和休息日的噪声超限度，由表3知只有I类声环境功能区中存在等效声级超过75 dB的区域，分别为B区和D区。

在休息日中，当等效声级Leq≥70 dB时，I类和II类声环境功能区的NEL分别为89.5%(B、C、D区NEL的平均值)和84.1%；两类声环境功能区均不存在超过75 dB的区域(见表3)，即两类声环境功能区的NEL均为零。由此可知，无论在工作日还是休息日，研究区域中I类声环境功能区受道路交通噪声的影响较II类声环境功能区大。

表3 噪声超限度(NEL)计算结果 Tab.3 Calculation results of NEL 单位：%

注：W代表Workday；H代表Holiday。

4 估计受影响人数

为了估计西直门区域内受道路交通噪声影响的的人数(P)，提出了一种近似方法。当Lm

P=(SLm-SLn)×ρ

(8)

式中:SLm和SLn分别为某一声级(Lm或Ln)下的面积;ρ为人口密度。

西直门区域隶属于北京市西城区，根据北京市统计年鉴(2018年)，该区域的人口密度为24 144人/平方公里，因此A，B，C和D的人口密度也是24 144人/平方公里。

基于研究区域内的实测数据、人口密度、时空分布等数据，利用式(8)估计研究区域内受道路交通噪声影响的人数。

由图3和表2可知，无论工作日还是休息日，西直门各类声环境功能区的交通噪声值(Leq)均超过我国声环境质量标准规定的限值(I类55 dB和II类60 dB)，因此，受影响的人数约为7 000人。由表3可知，无论工作日还是休息日大多数人处于70～75 dB的交通噪声环境中，分别占受影响总人数的91.3%和91.9%，仅有工作日存在交通噪声超过75 dB的区域，受影响人数约为400人。学者研究发现，当交通噪声达到70 dB以上已经干扰谈话，使人精神不振，身体乏力，难以集中精神，影响工作效率，甚至发生事故。因此，合理并有效的交通噪声管理措施应付诸行动以降低交通噪声对西直门区域人们工作、生活、学习等影响。

5 控制措施

基于西直门区域的交通噪声评价数据，两类声环境功能区的交通噪声(等效声级)均超过我国昼间标准限值，因此，需要采取控制措施以缓解城市道路交通噪声对人们的影响。

综合考虑西直门区域已有的控制措施，如绿化带、车速的限制、禁止鸣笛、限制大型车的驶入时间等，建议在主路立交桥上加装隔声屏障。研究区域由A、B、C、D四个子区域构成，本文仅以区域A右侧为例进行隔声屏障设计，其余区域设计原理相同，代表性受声点如图7所示。

图7 代表性受声点Fig.7 Representative receiving acoustic points

受声点插入损失计算公式为

IL=Lp1-Lp2

其中：Lp1为隔声屏障安装前的声压级；Lp2为隔声屏障安装后的声压级。当在自由声场或室外开阔地中，插入损失可以化简为：

IL=10lg(3+20N)，

N=2δ/λ，

δ=A+B-C，

上述公式中：N为菲涅耳数；δ为声程差；λ为波长；f为频率；A，B，C，H1，H2，D1，D2的具体表述如图8所示。为了计算方便，本文假设声源与受声点的高度相等均为1.2 m。由于区域A属于第II类功能区，该区域昼间噪声标准为60 dB，因此，通过科学合理地设计隔声屏障的高度以保证该区域的噪声值控制在标准限值之内。

图8 声屏障、声源、受声点位置参数Fig.8 Positional parameters of noise barriers, sound source and receiving acoustic point

综上所述，区域A右侧添加隔声屏障的理论高度约为3.75 m，具体见表4，长度应根据研究区域的具体情况而定。建议选择复合共振吸声材料，因为其吸声性能较好，并且材料更环保、耐腐蚀，便于施工和维护[28]。建议选择Y型结构，因为城市道路两侧的声屏障对较高建筑的降噪效果要求高，所以更适合采用顶端结构为Y形的隔声屏障[29]。

表4 声屏障各参数计算Tab.4 Calculation of each noise barrier’s parameter

6 结论

为了分析与评价西直门区域的交通噪声现状，本文计算了国际上广泛使用的四种评价指标，绘制了等效声级、交通噪声指数、噪声污染级和最大声级的噪声地图，结合定义的噪声超限度，对该区域内不同声级范围的交通噪声超限情况进行了定量计算，估计了研究区域内受交通噪声影响的人数，然后基于研究区域内已有的控制措施，对区域A的隔声屏障进行了理论设计。研究结果将为环保、交通等部门联合制定交通噪声管控措施提供理论依据。

研究发现，西直门立交桥及其周边区域的等效声级超过了我国昼间标准限值，其中，工作日的平均等效声级高于休息日；工作日的交通噪声较休息日的波动大；I类声环境功能区的NEL均大于II类声环境功能区(Leq≥70 dB)，说明I类声环境功能区受到的噪声影响大于II类声环境功能区；工作日和休息日约7 000人受到交通噪声的影响，仅有工作日存在超过75 dB的区域，受影响人数约为400人。