公交优先的城市道路噪声环境影响理论研究

来源:声屏障信息门户网 作者:张继萍,刘健等 日期:2011-11-18 14:26:27   [ 打印本文 ]
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核心提示:本文应用美国的FHWA模型,研究分析了公交车相比小型车的噪声当量关系,进而建立了在等车流量、等客车流量以及混合车流量等条件下,在城市单一道路和区域网络道路中,公交系统的道路噪声环境影响理论模型。据此,试图从学术角度证明,在现有技术下,平均地、单一的公交车产生的噪声,可以等效为多辆小车的情况,公交车的噪声排放比小型车要大;而通过使用公交系统,一辆公交车的噪声影响可以明显小于相等运力下直接使用多辆小车所产生的噪声之和,包括公交快速干线的作用;但当公交车数量发展得太大时,一辆公交车的噪声可以大于相等运力下直接使用多辆小车所产生的影响。


  随着我国经济的高速增长,城市道路交通也得到了飞速发展。以杭州为例,现有道路的总长度已达20世纪80年代前的十几倍,汽车保有量也从80年代前的几十万辆,发展到上百万辆。虽然与发达国家同等规模的城市相比要少得多,但高峰小时机动车的平均时速只有十几公里,交通拥堵十分严重,极大地妨碍了居民出行的速度和效率。而在造成众多不便的同时,交通状况的恶化也导致噪声排放的进一步增加,严重地威胁到城市居民的健康,成为我国许多大城市污染的主要来源。

  而减少道路的车流量与客观需要的实际运力会发生矛盾。20世纪70年代,为了缓解日益严峻的交通拥堵问题,法国巴黎首次提出并采用了公共交通优先政策,从此巴黎的城市交通面目一新。随后公共交通快捷运输技术成为世界各国城市交通研究的一个主要内容并得以迅速发展。到目前,在欧洲已有90%左右的城市采用了公交优先政策;在泰国、日本、巴西等国内大部分城市都已采用公交捷运技术。随着现代通信、控制和管理技术的迅速发展,公共交通优先技术必将得到更加快速的发展。

  在我国,为了解决现阶段的交通问题,抑制私家车的过快增长,促进交通和环境的可持续发展,保证居民的生活质量,许多城市正借鉴国外在上述的经验,逐步、大力地发展城市公共交通系统,为居民的出行和生活提供一个良好的交通环境,相继出台了公交优先的政策,极大地刺激了公交车和公交线路的增长。以杭州为例,仅在2000年一年中,就新增公交线路32条,新增公交车辆480标台;至2007年5月已开通城市特快公交专线达3条。

  至今在文献和有关的应用中已经清楚地显示,重型车和中型车所占比例是影响道路通畅的重要因素,同时也是影响道路沿线环境的各种因素中最主要的污染源,因此一般城市通过限制重型车和中型车的行驶路线和容许其每天在一个时段可以通行等方法来加以管理。但公交车作为重型车和中型车的特例,是我国城市现阶段必不可少的主要交通方式,一般可达一个城市中的所有区域。由此,在我国许多城市的绝大多数区域,尤其是在以旅游业为主的城市,以行驶公交车和小型车为主。

  单从每一辆机动车的占用道路面积、能耗、以及尾气和噪声排放源分析,公交车与重型车或中型车类似,比小型车要严重,但公交车的数量比小型车也要少许多,因此一般认为公交系统的污染总量较小。而按我们对杭州市天目山路两侧、浙江大学西溪校区公交车站每日行驶过大流量公交车和小型车情况的长期观察发现,在某种条件当公交车数量超过一定值时,不但也会影响交通功能,而且同时排放大量的尾气和噪声,污染环境。由此推测,随着城市交通需求量的增加、公交优先政策的实施,公交车的污染排放对城市大气和噪声污染的贡献以及能源消耗可能成为一项不容忽视的因素。

  据调研,国内外的科学家和工程师已系统地研究提出了道路汽车尾气和噪声影响的许多预测和防治方法,包括单车行驶时车辆污染排放的规律与特征,单车道、多车道红绿灯交叉口、以至路网情况下道路车流污染排放的规律,建立了各种预测模型,有实测回归模型,数学物理模型,实测回归和数学物理复合的修正模型,以及基于人工智能技术的模型等,且有关成果形成大型商业化软件,如国家环保总局评估中心推荐的英国大气污染预测软件和噪声影响预测软件(CadnaA),进而发展提出了一系列交通、管理、规划和工程相结合的污染控制措施与对策。但在文献中未见有量化研究公交车系统污染对城市道路乃至区域路网沿线环境产生影响的。

  公交系统是一类现代城市中的特殊环境污染源,最大程度地发挥当今环保技术的能力与水平,对其加强研究与认识,克服或减缓其产生污染,实现节能,将是一项学术和应用价值兼具的重要课题。

本文将通过对公交车产生噪声在城市道路和路网情况下所有排放中所占的贡献量实现量化预测,对其污染发生的原因、条件进行系统地分析,进而从环保角度探求在现有汽车技术条件下发展我国城市公交的策略,提出总体地治理公交系统噪声排放的政策和措施,达到优化,以实现城市公交发展的社会效益、环境效益和经济效益的统一,为政府和有关管理部门决策提供技术与政策支持。
 
  1 经典的FHWA模型

  如式:(1)~式(4)所示[1~3] :
 
L A,eq(h)i=(/Lo)Ei +10lg[(NiπDo)/(SiT)]+ 10lg(Do/D)1+a+10lg[φa12)/π]+△S-30 (1)

式中:L A,eq(h)i—第i类车的小时等效声级,dB;(Lo)Ei —第i类车的参考能量平均辐射声级,dB;Ni —在指定时间T(1h)内通过某预测点的第i类车流量;(h)Do —测量车辆辐射声级的参考位置距离,Do =15m;D—从车道中心到预测点的垂直距离,m;Si—第i类车的平均车速,km/h;T—计算等效声级的时间,1h;a—地面覆盖系数,是与观测者到交通线之间地面覆盖物吸收特性有关的因子,取决于现场地面条件,a=0或a=0.5; Φa —代表有限长路段的修正函数,其中ψ12 为预测点到有限长路段两端的张角(rad)。

Φa1、Ψ2)=∫ψ2ψ1 (COSΨ)a dψ,(其中-π/2≤ψ≤π/2) (2)
当按顺序叠加时,这些参数对每i类车种得出小时Leq值。实际上,分别有不同的Leq值,对小型车有LeqAu ,对中型卡车有LeqMT ,对重型卡车有LeqHT

实际混合车流模式的等效声级是将各类车流等效声级叠加求得。如果将车流分成大、中、小三类车,那么总车流等效声级为:

Leq(T)TOT =10lg[10 0.1Leq(h)+10 0.1Leq(h) +10 0.1Leq(h)] (3)
(/Lo)Ei 的源强值为:
(/Lo)EAu =38.1logS*-2.4 dBA(小型车automobiles)
(/Lo)EMT =33.9logS*+16.4 dBA(中型车medium trucks) (4)
(/Lo)EHT =24.6logS*+38.5 dBA(重型车 heavy trucks)
观察点的噪声还受到背景噪声Lback的影响,于是得到:
Leq =10log(10LeqTOT/10+10Lback/10) (5)
 
  2 公交车与小型车单纯车辆数量关系下的噪声当量等效关系

  要单纯比较多辆小型车相当于若干公交车在路边产生同样的噪声影响,由式(1)的关系和L A,eq(h= L A,eq(h)公交 ,以及在城市道路中,一般S小=S公交=S,可得公交车等效为小型车的当量关系如下:
N小=N公交•10 0.1[18.8-4.2•log10(V)] (6)

  可见,约10~40辆小型车可相当于1辆公交车在路边产生同样的噪声影响。其中,当车速较低时,噪声主要为发动机贡献,公交车噪声要比小车的明显地大;而当车速递增后,小车的轮胎噪声迅速递增,公交车噪声仍然以发动机噪声为主,因此较少的小车数就可产生1辆公交车的噪声。显然,上述规律符合实际情况。但总体而言,单辆公交车的噪声影响平均是10~40倍小汽车的影响。
 
  3 公交车与小型车相同运力关系下的噪声当量等效关系

  要比较相同运力下关系下、多辆小型车相当于若干公交车在路边产生同样的噪声影响,根据《城市道路交通规划设计规范(GB 50220—1995)》,假如城市道路中的某一断面,某时要运送M人,以及城市道路一般S小=S公交=S(为了简化问题,一般均可满足M≥70)① 如完全用小车,按平均每车载客2人计,则小车流将在路边产生的噪声为:

L A,eq(h)=(/Lo)E小 +10lg[(M/2)πDo/ST]+10lg(Do/D)1+a +10lg[Φa12)/π]+△S-30 ②
如完全用公交车,按平均每车载客70人计,则公交车流将在路边产生的噪声为:

L A,eq(h) - L A,eq(h)公交 =4.2•log10(V)-3.36。

  由此可见,只有在车速很小时(≈6Km/h),完全用小汽车完成运输比完全用公交车完成运输产生的噪声要小,但差值不大,在1dBA以内;其中,公交车的发动机噪声起到关键作用。但在车速很大时(>6Km/h),完全用小汽车完成运输比完全用公交车完成运输产生的噪声要大,主要原因为小汽车数量较多,其轮胎噪声叠加后造成的噪声起到关键作用,差值最大在4~51dBA左右
 
  4 公交车与小型车复合运力条件下的噪声贡献关系
  更为实际的情况为多辆小型车和若干公交车同时在一条城市道路上运客,在路边产生叠加的噪声影响,根据《城市道路交通规划设计规范(GB 50220—95)》,假设城市道路中的某一断面,某时要运送M人,P人用小汽车运,按平均每车载客2人计,Q人用公交车运,按平均每车载客70人计,M=P+Q,以及城市道路一般S小=S公交=S,并有公交车的占有率为i%,则Q=i%•M、P=(1-i%)•M。

  对道路行驶车流量公交配置的优化,主要是以对运力的保障为前提的,因此M=M(i)。假设被研究道路断面要求实现的人流客运能力为M人,则M人=P×2+Q×70=(2+68×i%)M;于是①小汽车流将在路边产生的噪声见(6)式:

L A,eq(h)=(/Lo)E小 +10lg[(P/2)πDo/ST]+10lg(Do/D)1+a +10lg[Φa12)/π]+△S-30 (6)②
公交车流将在路边产生的噪声见(7)式:

L A,eq(h)公交=(/Lo)E公交 +10lg[(Q/70)πDo/S公交T]+ 10lg(Do/D)1+a +10lg[Φa12)/π]+△S-30 (7)③
在路边产生的叠加噪声见(8)式:

Leq(T)TOT=10lg[10 0.1Leq(h)小汽车+10 0.1Leq(h)公交] (8)
从式(6)~(8)可导出(9)~(11)式:

L A,eq(h)TOT﹣L A,eq(h) =10lg{[10 0.1LE小(1-i%)/2+10 0.1LE公(i%/70)]/ 10 0.1LE小(1-i%)/2}
=10lg[1+10 0.1(LE公~LE小) •(i%/35(1-i%))]=10lg[1+75.86/V 0.42 •i%/35(1-i%)] (9)

L A,eq(h)TOT﹣L A,eq(h)公交 =10lg{[10 0.1LE小(1-i%)/2+10 0.1LE公(i%/70)]/ 10 0.1LE公交(i%/70)}
=10lg[1+10 0.1 LE小~LE公•(35(1-i%)/i%)=10lg[1+V 0.42/2.17•(1-i%)/i%] (10)

以及L A,eq(h) —L A,eq(h)公交 =4.21gV+10lg[(1-i%)/i%]-3.36 (11)④

  公交车与小型车混合车流量条件下在路边产生的叠加噪声;根据以上①~④的规律,可求出i%为何值时(或者车速V为何值时)公交车的最大容许优化运力,即在此条件下尽可能多地使用公交车,不会对路边被保护人群产生更大的交通噪声影响;但当i%为超出该值时,由于公交车的噪声要明显大于单辆小汽车,则公交车流噪声会成为道路噪声的主要来源。

  由式(6)~(8)不难得到(12)式(推导过程略)的变化趋势:i%=16.5* V 0.42 -1 (12)
  从以上的关系可见,为了在公交车混合车流量与客运量保证的条件下,不让其对路边产生更大的叠加噪声,除了限制公交车的车种比i%外,还与道路容许的车速条件V有关。当V明显增加时,由于造成了小汽车的轮胎噪声明显提高,公交车相当于小汽车的噪声当量关系减弱,因此i%的容许条件将放宽。

  其中特别地,一般城市道路行车的行车速度,V平均为10Km/h的高峰小时、噪声不大的公交车容许i%为42%;V平均为30Km/h时,公交车容许i%为66%;V平均为80Km/h时,道路应为快速路,公交车容许i%为100%,即公交车相当于小汽车的噪声当量关系几乎完全丧失。
 
  5 结语
  一般而言,单从每一辆机动车的占有道路面积和噪声排放源强分析,公交车的噪声影响比小型车要大。本文通过理论研究与分析,量化了这一关系,明确在现有技术下,平均地、单一的公交车,其产生噪声,可以平均等效为是10~14辆小汽车的影响情况,即“画出”这样一条“曲线”:通过使用公交系统,一辆公交车的污染可以明显小于相等运力下直接使用多辆小车所产生的污染之和,包括公交快速干线的作用。但当公交车数量发展得太大时,一辆公交车的噪声污染可以大于相等运力下直接使用多辆小车所产生的污染。我们推荐的数量关系为:V平均为10Km/h的高峰小时、噪声不大的公交车容许i%为42%;V平均为30Km/h时,公交车容许i%为66%;V平均为80Km/h时,道路应为快速路,公交车容许i%为100%。

  本文研究的现有成果尚从理论的角度建立了分析与评价,下一步工作将有待通过实测数据实验所建立的关系。此外,本研究是基于FHWA模型展开的;而根据我们的研究(文献[4]),有关各国主流车型本身噪声源强可能存在的差异,因此如能使用本国的车种源强关系,对于我国的公交优先政策更具有重要的指导意义。这正是我们正在开展的工作。
 
参考文献:
[1] Louis F.Cohn and Gary R.Mcvoy,Environmental Analysis of Transportation Systems[M],A Wiley-Interscience Publication,1982.
[2]  U.S. Department of Transportation,FHWA Office of Environment and Planning,Noise and Air Quality Branch,Highway Traffic Analysis and Abatement[M],Washington,D.C.,June 1995.
[3]  U.S. Department of Transportation,FHWA,Highway Traffic Noise in the United States,Problem and Response[M].
[4]GB-50220—95,城市道路交通规划设计规范[S].
[5]张继萍,Rose Mary Su,孙璐,赵长军,胡强强。FHWA道路交通噪声预测模型的一种简便应用,2009年第十一届全国噪声与振动控制工程学术会议论文集,噪声与振动控制,2009,S1:204-208.
 
作者:张继萍1,刘健1,邵晴生2,李超2,唐晓东3,周希鲁3,朱晶文1,金鑫1

标签:声学 公交优先 道路交通噪声预测 FHWA模型 顶部

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