Построение карт распределения шумовой нагрузки для районов Санкт-Петербурга

ИННОВАЦИИ № 7 (94), 2006

Построение карт распределения шумовой нагрузки для районов Санкт-Петербурга

Е. В. Шуранов,

м. н. с.,

Российский государственный гидрометеорологический университет

В последние годы на кафедре МИТ РГГМУ разрабатываются методы оценки шумовой ситуации в Санкт-Петербурге. В странах ЕС основным документом при учете шумовой ситуации региона является шумовая карта. Специалистами кафедры разработан аппаратно программный комплекс и методики, при помощи которых были построены шумовые карты некоторых районов Санкт-Петербурга.

Введение

Оценка шумового загрязнения окружающей среды чрезвычайно актуальна для современного мегаполиса. Большое количество источников шума создают постоянный повышенный шумовой фон в полосе биологически активных частот человеческого организма, что оказывает негативное воздействие на здоровье человека. В европейских странах процедура прогнозирования шумовой нагрузки на окружающую среду предшествует проектированию и строительству транспортных магистралей, жилых и промышленных зданий, размещению вокзалов и аэропортов. Карта шума города дает возможность регулировать уровень шума на жилой территории города, а также служит основой для разработки комплексных градостроительных мер по защите жилой застройки от шума, развития транспортной инфраструктуры. В настоящее время в России только начинаются полномасштабные работы по использованию геоинформационных технологий для оценки шумовой нагрузки на окружающую среду. В этой связи актуальным представляется решение задач по разработке методик построения карт распределения шумовой нагрузки на территории Санкт-Петербурга с использованием геоинформационных технологий.

Формулировка задачи

В Европе широко используются программные пакеты, которые на основе информации об основных источниках шума строят карты распределения шумовой нагрузки. Результаты, полученные с помощью этих пакетов, в значительной мере зависят от этой информации. Для построения шумовых карт необходима разработка методики получения данных, необходимых моделирующей программе. Такими данными являются:

^ параметры объектов, влияющих на распространения шума;

^ данные по источникам шума, позволяющие оценить их звуковую мощность.

Одним из основных шумовых загрязнителей в условиях города является транспорт. При построении

Last years, SIT department of RSHU developed estimate methods of noise situation for Saint-Petersburg. In EU countries, a main document for noise estimate of area is noise map. Specialists of the department developed hardware and software complex and methods for noise mapping. Noise maps of several areas districts of Saint-Petersburg were created.

карты шума города учитывают условия движения на магистральных улицах, интенсивность и скорость движения, количество единиц легкого и тяжелого транспорта в потоке, наличие троллейбусов, трамваев. Для составления карты необходимо располагать сведениями о магистральных улицах (поперечные и продольные профили, длина перегонов, типы транспортных узлов с пересечениями на разных уровнях, типы перекрестков и площадей, дорожное покрытие, конструкция трамвайного пути). В данной статье рассматривается методика получения величин, характеризующих транспортный поток, и результаты построения шумовых карт некоторых районов Санкт-Петербурга.

Решение

Для моделирования шумовой нагрузки необходимо знать звуковую мощность источников шума. Звуковую мощность транспортного потока можно определять либо на основе уровня шума, измеренного в непосредственной близости от дороги, либо на основе данных о количестве проезжающих транспортных средств в час. Шумовые карты строят на основе данных о количестве машин в час, а затем для апробации результатов моделирования измеряют уровни шума в контрольных точках. Измерения уровня шума в непосредственной близости от дороги позволяют оценивать правильность определения звуковой мощности дороги, рассчитанной на основе количества машин в час. Таким образом, транспортный поток характеризуется двумя измеряемыми величинами: уровнем шума, измеренным в непосредственной близости от дороги и количеством проезжающих машин в час. Эти величины связаны между собой через звуковую мощность дороги.

Для определения величин, характеризующих транспортный поток, необходимо выбрать:

временной интервал, на протяжении которого требуется проводить измерения величин, характеризующих транспортный поток, для получения достоверных данных;

время суток проведения измерений величин, характеризующих транспортный поток, при котором уровень звуковой мощности достигает наи-

большей величины и изменяется в пределах допустимой погрешности.

Транспортный поток можно характеризовать уровнем шума ЬА экв, измеряемым в непосредственной близости от дороги

где рА — звуковое давление в измеряемой точке; индекс А означает то, что данное давление умножается на весовую функцию, отражающую неодинаковое восприятие звука человеком в зависимости от частоты (данный индекс часто опускают и пишут просто Ьэкв); р0 — пороговое звуковое давление в измеряемой точке; ^, ¿2 — время начала и окончания проведения измерений.

Для оценки необходимого интервала времени проводилось многократное измерение уровня шума в непосредственной близости от дороги. На протяжении длительных интервалов времени (1-2 ч) проводилось около 400-800 измерений. Выбирались те серии измерений, у которых отсутствовал тренд.

Всего было проведено более 20 серий измерений в среднем по 100 измерений в каждой серии. Вычислялось среднее значение уровня шума за час проведенных измерений. Рассматривалось абсолютное отклонение среднего значения на интервале от среднего значения за час проведенных измерений. Находился интервал измерения, для которого данное отклонение было бы минимальным. На рис. 1 отображен график абсолютного отклонения среднего значения уровня звука на интервале от среднего значения уровня звука за час (ось ординат), от длины этого интервала (ось абсцисс).

В результате было получено, что при интервале усреднения 10 мин. отклонение составляет менее 0,3 дБА, что удовлетворяет требованиям точности, предъявляемым при оценке шумового загрязнения. Таким образом, интервала в 10 мин. будет достаточно для получения интегральной характеристики — эквивалентного уровня шума.

Уровень шума вдоль магистрали пропорционален количеству машин, проезжающих по дороге в единицу времени. В соответствии с российским ГОСТ 20444-85 период измерения шумовой характеристики транспортного потока должен охватывать проезд не менее 200 транспортных единиц в обоих направлениях. На большинстве магистралей Санкт-Петер-

Среднее абсолютное отклонение, дБА

2.5 -

2 [

1.5 1

0,5

0 -I---------.---------.---------.-------,----------.---------.--------.

0 2 4 6 8 10 12 14

Время усреднения, мин.

Рис. 1

бурга за интервал времени 10 мин. успевает проехать значительно более 200 машин, что достаточно для оценки количества проезжающих машин в час.

Для выбора времени суток проведения измерений величин, характеризующих транспортный поток, оценивалось, как изменяется в течение дня количество машин в час, проезжающих по магистрали. Рассчитывались отклонения данной величины от среднего значения в некоторой окрестности данной величины. На рис. 2 и 3 отображены графики зависимости количества машин в час, проезжающих по магистралям Санкт-Петербурга от времени суток (данные на лето 2006 г.). На интервалах времени с 11 ч до 14 ч, с 17 ч до 20 ч и с 2 ч до 6 ч отклонения минимальны и находятся в допустимых пределах. При оценке шумовой нагрузки рассматривают временные интервалы, во время которых наблюдается наибольший уровень шума. Этому требованию удовлетворяет интервал времени с 11 ч до 14 ч.

Уровень звуковой мощности связан с характеристиками транспортного потока соотношением

Lw* = Lwvl +10 lg ((flow+flow x %PL x

x

где Lw* — звуковая мощность транспортного потока на метр дороги; Lwvl — средняя звуковая мощность легкового автомобиля; flow — количество машин в час; %PL — процент тяжелых машин в транспортном потоке; V50 — скорость транспортного потока; EQ — коэффициент эквивалентности, характеризующий, насколько уровень звуковой мощности тяжелого автомобиля превышает уровень звуковой мощности легкового

EQ = 10 (Lwvh-Lwvl)/10

где Lwvh — средняя звуковая мощность тяжелого автомобиля.

Константы, используемые в формуле (2), известны для европейских автомобилей. Для правильного использования формулы (2) в условиях Санкт-Петербурга необходимо проверить корректность выбора константы Lwvl.

В формуле (2) Lwvl — средний уровень звуковой мощности легкового автомобиля. Считается, что российские машины, как правило, являются более мощным источником шума, чем их европейские аналоги.

Количество машин/ч

3000 и

0 ......................................................................................................................

0 2 4 б 8 10 12 14 16 18 20 22 24

t, ч

1 — ул. Подвойского, 2 — ул. Дыбенко, 3 — ул. Коллонтай,

4 — пр. Энергетиков, 5 — пр. Большевиков

Рис. 2. Изменение трафика в будние дни

ИННОВАЦИИ № 7 (94), 2006

ИННОВАЦИИ № 7 (94), 2006

Количество машин/ч 3000

2500

2000

1500

1000

500

0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

£, ч

1 — пр. Большевиков, 2 — пр. Энергетиков,

3 —Среднеохитнский пр., 4 — ул. Коллонтай

Рис. 3. Изменение трафика в выходные дни Для проведения такой проверки были проведены измерения в непосредственной близости от магистрали (менее 10 м), где на уровень звука влияет только транспорт, а влиянием других источников шума можно пренебречь. На рис. 4 отображены уровни шума, измеренные в точках р1-р120, находящихся в непосредственной близости от дороги и уровни шума, рассчитанные на основе формулы (2).

Среднее превышение измеренных данных над расчетными составляет ~2дБ. Таким образом, для того чтобы приблизить расчетные данные к измеренным необходимо произвести корректировку

Ьш*!= Ьш*+АЬшу1,

где Ьш* — уровень звуковой мощности транспортного потока рассчитанный по формуле (2); Ьш*1 — откорректированный уровень звуковой мощности транспортного потока; АЬшу1 — разница среднего уровня звуковой мощности легкового автомобиля для европейского транспорта и для транспорта, проезжающего по дорогам Санкт-Петербурга, составляющая по измеренным данным 2дБА.

При использовании европейских моделирующих пакетов приходится сталкиваться с тем, что нет возможности откорректировать величину Ьшу1. В этом случае для получения достоверных результатов можно прибегнуть к равносильному увеличению транспортного потока

Аош1=Аош х 10АЬшу1/1°.

Подставляя значение АЬшу1=2 дБ (среднее превышение измеренных данных над расчетными), получаем, что количество машин в час необходимо брать в ~1,5 раза больше реального.

Для примера были произведены расчеты с учетом данной корректировки, что позволило уменьшить среднюю ошибку рассчитанного уровня шума в непосредственной близости от дороги с ~2 дБА до ~0,1дБА.

На основе проведенных исследований получены карты некоторых районов Санкт-Петербурга: около станции метро ул. Дыбенко, Шоссе Революции и Шоссе Энергетиков, Малоохтинский пр. на которых указаны различные уровни шума.

После построения шумовой карты были проведены измерения шума в контрольных точках, пока-

Уровень шума, дБА 90 70

60  м  *я ^ я

50 !""«"! 1" I

40 30 20 10 о

^ ^ ^ ^ ^

Номер точки

Рис. 4

завшие удовлетворительное совпадение модели с реальными данными. В результате были выявлены участки с повышенным уровнем шума, оценено количество людей, ежедневно подвергающееся этому воздействию. В данный момент планируется проведение работ по построению шумовой карты Московского проспекта, и оценке шумовой ситуации на других основных магистралях города.

Шумовые карты являются необходимым инструментом для оценки шумовых загрязнений территорий. На основании шумовых карт может быть разработан план действий по снижению уровня шума там, где это необходимо.

Выводы

Проведенные исследования позволили сформулировать методику получения величин, характеризующих транспортный поток, и результаты построения шумовых карт некоторых районов Санкт-Петербурга.

Методика состоит в сочетании процедуры измерения уровня шума, создаваемого транспортным потоком, и оценки количества единиц различных транспортных средств, используемого для моделирования — построения карты шума.

Показано, что для оценки эквивалентного уровня шума необходимо проводить измерения в течение 10 мин.

Показано, что для многих магистралей города этот интервал времени достаточен для оценки количества машин в час, используемого для моделирования.

Определено наилучшее время суток для проведения измерений. На дорогах Санкт-Петербурга в период времени с 11 до 14 ч наблюдается наибольший уровень шума.

Показано, что уровень шума, создаваемый отдельным транспортным средством в Европе, отличается от уровня шума, создаваемого транспортным средством в Санкт-Петербурге, что требует корректировки полученной шумовой карты.

С использованием данной методики были построены шумовые карты двух микрорайонов Санкт-Петербурга. Контрольные измерения показали удовлетворительное совпадение с уровнями шума, полученными путем моделирования.

Проведенные исследования позволили определить, что для оценки количества машин в час, проезжающих по дороге, и зависящего от этой величины уровня шума в непосредственной близости от дороги необходимо проводить измерения величин, характеризующих транспортный поток, в течение 10 минут.

♦ Измерения  Расчет