尤 洋，馮亞玲，李 曼，田志仁，敬 紅，張 鵬，李文攀，王 凡，夏 青

1.中國環(huán)境監(jiān)測總站,國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012 2.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京 100190

中國機(jī)場按航空業(yè)務(wù)能力可劃分為樞紐機(jī)場、干線機(jī)場、支線機(jī)場3種類型[1]。此外,從地理上講，還有一種特殊的類型——高原機(jī)場。飛機(jī)噪聲監(jiān)測需要在測量條件為無雨、無雪，地面以上10 m風(fēng)速不大于5 m/s，相對濕度不超過90%、不小于30%的環(huán)境下進(jìn)行[2-3]。高原機(jī)場海拔高、氣候變化無常、惡劣的自然環(huán)境，不能保證飛機(jī)噪聲現(xiàn)場監(jiān)測工作的正常開展,影響驗(yàn)收監(jiān)測的時效性,無法及時滿足環(huán)境管理的需求。

以飛機(jī)的噪聲-功率-距離(N-P-D)特性曲線為基礎(chǔ)的綜合噪聲模型(INM)軟件對飛機(jī)噪聲預(yù)測，具有較高的預(yù)測準(zhǔn)確率,已成功大量應(yīng)用于中國民航飛機(jī)噪聲影響評價(jià)[4-7]。但由于在飛機(jī)噪聲影響預(yù)測階段輸入該軟件的是機(jī)場飛行計(jì)劃(設(shè)計(jì))參數(shù)，往往與機(jī)場運(yùn)行后實(shí)際參數(shù)存在偏差。

同樣應(yīng)用INM，在機(jī)場實(shí)際運(yùn)行后輸入實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，其計(jì)算值更加接近實(shí)測值。田瑞麗等[6]對平原飛機(jī)噪聲實(shí)際監(jiān)測值與輸入實(shí)際參數(shù)模型軟件計(jì)算值差值進(jìn)行比較分析，誤差在3 dB以內(nèi)。該研究在高原地區(qū)機(jī)場還未見開展。通過對高原機(jī)場——青海玉樹機(jī)場運(yùn)行后的飛機(jī)噪聲應(yīng)用模型軟件輸入實(shí)際運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測的結(jié)果比較后發(fā)現(xiàn)，INM輸入實(shí)際運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行飛機(jī)噪聲計(jì)算，可以彌補(bǔ)高原地區(qū)飛機(jī)噪聲現(xiàn)場監(jiān)測工作的不足，及時對高原機(jī)場飛機(jī)噪聲影響進(jìn)行評估，為高原機(jī)場飛機(jī)噪聲管理提供可靠的技術(shù)支撐，更好地滿足環(huán)境管理的需求。

1 高原機(jī)場的定義

地理上海拔高度超過1 000 m的地方是高原。中國民航總局對高原機(jī)場的定義：機(jī)場標(biāo)高1 500(含)～2 438 m的機(jī)場為一般高原機(jī)場，2 438 m(含)以上的機(jī)場為高高原機(jī)場[8]。中國是世界上擁有高高原機(jī)場數(shù)量最多的國家，2015年共有15個海拔在2 438 m以上的高高原機(jī)場。

2 高原機(jī)場的主要特點(diǎn)

2.1 航空業(yè)務(wù)量小,飛行周期較穩(wěn)定

由于高原機(jī)場所在地大部分經(jīng)濟(jì)相對欠發(fā)達(dá)，航空業(yè)務(wù)量小，呈現(xiàn)季節(jié)性特征，年飛機(jī)起降架次在1萬架次以下[9]。統(tǒng)計(jì)通過國家竣工環(huán)保驗(yàn)收的機(jī)場，實(shí)際運(yùn)行期間飛機(jī)日均起降不到10個架次，除在旅游旺季9—10月份外，航班架次比較穩(wěn)定。

2.2 機(jī)型種類較單一

由于高原機(jī)場一般位于中國西部及西南地區(qū)山地，高原航線地形復(fù)雜，氣候復(fù)雜多變,航路安全高度高,對飛行性能要求高，對適航機(jī)型有特殊要求，需要特殊的高原型飛機(jī)運(yùn)行高原航線。目前高原機(jī)場運(yùn)行比較多的機(jī)型是C類機(jī)型A319。

2.3 周邊敏感點(diǎn)分布較少，噪聲影響范圍有限

支線機(jī)場噪聲影響范圍在跑道兩端3 km，跑道兩側(cè)0.5 km內(nèi)[9]，飛機(jī)噪聲影響范圍和強(qiáng)度都很有限。高原地區(qū)氣候寒冷，常年低溫，一般機(jī)場周邊常駐居民敏感目標(biāo)分布比較少，且距離機(jī)場較遠(yuǎn)。

2.4 機(jī)場所在地區(qū)氣候多變

高原機(jī)場所處地區(qū)氣候總體特點(diǎn)：氣溫低，海拔高；冬季干冷漫長，大風(fēng)多；夏季溫涼多雨，冰雹

多；四季不明。1月和7月平均氣溫都比同緯度東部平原低15～20 ℃[10]。多變的氣候及艱苦的自然環(huán)境對飛機(jī)噪聲現(xiàn)場監(jiān)測工作造成很大困難。

3 飛機(jī)噪聲計(jì)算

3.1 機(jī)場選擇

青海玉樹機(jī)場位于青海省玉樹州巴塘盆地，盆地內(nèi)海拔高度為3 850～3 990 m。機(jī)場性質(zhì)為新建國內(nèi)支線機(jī)場，飛行區(qū)等級為3C。預(yù)測目標(biāo)年(2023年)旅客吞吐量為12萬人次，年起降1 967架次。

3.2 現(xiàn)場監(jiān)測

3.2.1 點(diǎn)位布設(shè)

根據(jù)機(jī)場周邊敏感點(diǎn)分布，選取機(jī)場跑道兩端5 km范圍內(nèi)11個敏感點(diǎn)位，見表1。敏感點(diǎn)位置示意圖見圖1。

表1 飛機(jī)噪聲監(jiān)測及計(jì)算敏感點(diǎn)

圖1 敏感點(diǎn)位置示意圖Fig.1 Sketoh map of location of sensitive points

3.2.2 監(jiān)測內(nèi)容

每個點(diǎn)位連續(xù)監(jiān)測7晝夜，監(jiān)測每一飛行事件。監(jiān)測每一飛行事件最大A聲級和持續(xù)時間，計(jì)算出計(jì)權(quán)等效連續(xù)感覺聲級(LWECPN)。

3.2.3 監(jiān)測方法

噪聲監(jiān)測方法采用《機(jī)場周圍飛機(jī)噪聲環(huán)境測量方法》(GB 9961—1988)。監(jiān)測儀器為AWA6218A+型噪聲統(tǒng)計(jì)分析儀。測量前，用聲級校準(zhǔn)器對測量儀器統(tǒng)一校準(zhǔn)，測量結(jié)束再重復(fù)校準(zhǔn)一次。

3.2.4 監(jiān)測期間機(jī)場飛行計(jì)劃及氣象狀況

監(jiān)測時期為9月份，每日飛機(jī)起降為4架次，連續(xù)監(jiān)測7 d，機(jī)型為A319。監(jiān)測期間的氣象變化見表2。

表2 監(jiān)測期間氣象狀況

3.3 噪聲計(jì)算

3.3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

計(jì)算需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括機(jī)場經(jīng)緯度、標(biāo)高；機(jī)場地形圖；機(jī)場進(jìn)場和離場程序及航跡圖，相應(yīng)航跡上的水平離(發(fā))散度；飛機(jī)飛行動態(tài)：不同跑道、不同時段機(jī)型的起降架次；起飛剖面圖；著陸剖面圖；飛機(jī)噪聲基本數(shù)據(jù)：N-P-D曲線；機(jī)場年均氣象參數(shù)。

3.3.2 關(guān)鍵參數(shù)

利用INM模型進(jìn)行飛機(jī)噪聲預(yù)測，依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)是《民用機(jī)場周圍飛機(jī)噪聲計(jì)算和預(yù)測》(MH/T 5105—2007)[11]。該INM軟件需要用戶輸入機(jī)場及所在地氣候信息、機(jī)型、飛行航跡、敏感點(diǎn)信息、飛機(jī)起降等，這些參數(shù)是影響預(yù)測結(jié)果的關(guān)鍵參數(shù)，作為環(huán)評預(yù)測，以上關(guān)鍵參數(shù)的獲取與機(jī)場運(yùn)行后實(shí)際情況會有所出入，會導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果的不確定性。而飛機(jī)噪聲計(jì)算不同于飛機(jī)噪聲預(yù)測，計(jì)算所需的參數(shù)在機(jī)場運(yùn)行后獲得。計(jì)算前，到機(jī)場實(shí)際調(diào)查機(jī)場運(yùn)行情況及周邊敏感點(diǎn)的分布。機(jī)場運(yùn)行情況主要包括飛機(jī)機(jī)型、飛行架次、飛行時間、跑道起降方向、飛行程序、飛行航跡，以及高度、溫度、濕度、氣壓等參數(shù)和敏感點(diǎn)的信息。

3.3.3 關(guān)鍵數(shù)據(jù)

噪聲計(jì)算采用的關(guān)鍵數(shù)據(jù)列于表3～表6。

表3 機(jī)場位置信息

表4 氣象條件

表5 跑道信息

注：坐標(biāo)系原點(diǎn)為給定機(jī)場中心位置，東向?yàn)閄軸，北向?yàn)閅軸。

表6 飛行信息

注：根據(jù)進(jìn)、離場圖，計(jì)算時從10R 端向西方向起飛軌跡為1條(D1)，28L端向東方向起飛軌跡為1條(D2)，由東向西降落軌跡為1條(A1)，由西向東降落軌跡為1條(A2)；“—”表示無此航跡。

3.3.4 運(yùn)算軟件

使用美國聯(lián)邦航空局開發(fā)的專門用于機(jī)場周圍噪聲計(jì)算軟件FAA-INM，計(jì)算流程見圖2。

圖2 噪聲計(jì)算流程Fig.2 Noise calculation process

3.3.5 計(jì)算公式

機(jī)場噪聲計(jì)算是指對機(jī)場周圍固定區(qū)域或者說固定點(diǎn)的噪聲暴露級的計(jì)算，對每一次飛行事件，在任一特定點(diǎn)的噪聲聲級結(jié)果，都與一系列的參數(shù)有關(guān)(如飛機(jī)型號、引擎型號、推動力、飛機(jī)各階段速度、特定點(diǎn)與飛機(jī)軌跡的距離以及地形、氣候等)。通常噪聲計(jì)算是根據(jù)觀測點(diǎn)和飛機(jī)路徑的最短距離，在已經(jīng)給定的該飛機(jī)的基本聲學(xué)數(shù)據(jù)上進(jìn)行插值計(jì)算，然后在得到的噪聲聲壓級上迭加實(shí)際飛行條件的修正。比如，邊界線上的噪聲估計(jì)可以根據(jù)飛行路線下方的噪聲值加上位置修正得到。這里依據(jù)SAE AIR 1845，以聲音暴露級(SEL)為例進(jìn)行說明。最后估算值是基礎(chǔ)噪聲數(shù)據(jù)加上4個調(diào)節(jié)因子：

LSE=LSE(P,d)+Δν-Λ(β,l)+ΔL+Δφ

(1)

式中：LSE(P,d)是引擎的推動力(P)和地面固定點(diǎn)與飛行航跡的最短距離(d)在已知的參考點(diǎn)數(shù)據(jù)上進(jìn)行插值獲得的聲級值；Δν是速度調(diào)節(jié)因子，由于一般的基礎(chǔ)噪聲數(shù)據(jù)都是基于飛機(jī)時速為160節(jié)(1節(jié)=1.852 km/h)得到的，如果實(shí)際的地面速度不是160節(jié)時，加入該修正。其值由式(2)計(jì)算：

Δν=10lg(160/Vtg)

(2)

式中：Vtg是飛機(jī)的地面速度，單位為節(jié)。在高海拔機(jī)場，必須采用實(shí)際的地面速度。飛機(jī)在飛行路徑上，振動力和速度都會發(fā)生變化，在計(jì)算中，可以將航跡分成更小的線段，并假設(shè)每條線段上推進(jìn)力保持不變。公式(1)中：Λ(β,l)是橫向衰減因子，如觀測點(diǎn)沒有位于飛機(jī)的地面軌跡上，則對其修正，其中β是觀測點(diǎn)相對飛行軌跡的仰角，l是觀測點(diǎn)到飛機(jī)地面軌跡的垂直距離，單位為m。

對于噴氣式發(fā)動機(jī)，其飛機(jī)橫向衰減因子[G(l)]的計(jì)算公式為

當(dāng)飛機(jī)位于地面上時，地對地衰減G(l)滿足:

(3)

當(dāng)飛機(jī)位于空中，橫向距離大于914 m時：

Λ(β)=

(4)

當(dāng)飛機(jī)位于空中，橫向距離小于或者等于914 m時，橫向衰減：

Λ(β,l)=G(l)Λ(β)/13.86

(5)

式中：ΔL是針對在飛機(jī)起跑點(diǎn)后面的觀測點(diǎn)施加的修正因子，與計(jì)算點(diǎn)和跑道的夾角有關(guān)，單位為dB，由式(6)計(jì)算：

對于90°≤θ≤148.4°

ΔL= 51.44-1.553θ+0.015 147θ2-

0.000 047 173θ3

(6)

對于148.4°<θ≤180°

ΔL= 339.18-2.580 2θ-0.004 554 5θ2+

0.000 044 193θ3

(7)

式中：Δφ是持續(xù)時間調(diào)節(jié)因子，如果實(shí)際飛行路線有轉(zhuǎn)彎，視地面觀測點(diǎn)在彎里或者彎外的情況，進(jìn)行有效持續(xù)時間對地面噪聲暴露級(LSE)的修正。由于飛機(jī)拐彎時一般距地較高，此修正僅在拐彎半徑較小才有效，Δφ一般較小。

上面給出的是單次飛行行為的暴露聲級的獲得過程。如果得到單架飛機(jī)的感覺噪聲級(LEPN)，可根據(jù)式(9)計(jì)算計(jì)權(quán)等效感覺噪聲級(LWECPN)。通常，飛機(jī)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有暴露聲級(LSE)也有感覺噪聲級(LEPN)，如果有某類數(shù)據(jù)無法得到，可通過近似關(guān)系式進(jìn)行轉(zhuǎn)換：

LEPN=LSE+3

(8)

(9)

4 結(jié)果與討論

敏感點(diǎn)飛機(jī)噪聲計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果見表7。在飛機(jī)噪聲影響關(guān)注范圍內(nèi)(機(jī)場跑道兩端3 km，兩側(cè)500 m)的唯一一個噪聲敏感點(diǎn)(加納更)，計(jì)算值和監(jiān)測值誤差為7 dB，計(jì)算結(jié)果誤差屬于可接受范圍。其余敏感點(diǎn)誤差最大為9.6 dB，最小為0.7 dB，平均在5.5 dB。因其不在噪聲影響關(guān)注范圍內(nèi)，飛機(jī)噪聲對其影響有限。這也是高原機(jī)場的主要特點(diǎn)，即機(jī)場周邊敏感點(diǎn)比較少，且分布距機(jī)場較遠(yuǎn)。在今后的實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)主要關(guān)注噪聲影響范圍內(nèi)的敏感點(diǎn)，以提高噪聲計(jì)算的準(zhǔn)確度。

表7 敏感點(diǎn)飛機(jī)噪聲計(jì)算結(jié)果

可見，盡管計(jì)算所需的機(jī)型、架次、不同方向的比例、氣象等參數(shù)與監(jiān)測期間的數(shù)據(jù)是相符的，但計(jì)算結(jié)果與實(shí)際仍存在誤差。誤差主要源于：計(jì)算用航跡、飛行程序盡管來源于機(jī)場實(shí)際運(yùn)行后的數(shù)據(jù)，但與監(jiān)測期間每天的實(shí)際飛行參數(shù)還會存在偏差;機(jī)型的基本噪聲數(shù)據(jù)通常都是在較低的平面上進(jìn)行測試的結(jié)果，暫無高原地區(qū)不同機(jī)型的基本噪聲數(shù)據(jù)；計(jì)算的結(jié)果全部是飛機(jī)噪聲的貢獻(xiàn)，未包括測試時周圍的環(huán)境噪聲，這恰恰能客觀反映飛機(jī)噪聲的影響。但從計(jì)算精度上看，誤差屬于可以接受的范圍。下一階段，需要深入研究溫度、濕度等氣象因子對飛機(jī)噪聲在空氣中側(cè)向衰減的影響，因飛機(jī)沿航線飛行時其狀態(tài)會不斷發(fā)生變化，飛行軌跡也會變化，故噪聲計(jì)算時對于確定計(jì)算點(diǎn)到航線的最短距離，以及飛機(jī)不同飛行狀態(tài)的影響需要建立修正模型,以便準(zhǔn)確獲得不同機(jī)型在高原地區(qū)的基本噪聲數(shù)據(jù)，這將使噪聲模型可以在高原地區(qū)得到更好的應(yīng)用。

5 結(jié)論

因飛機(jī)噪聲實(shí)際監(jiān)測結(jié)果遠(yuǎn)低于相應(yīng)的機(jī)場周圍飛機(jī)噪聲標(biāo)準(zhǔn)，以及高原地區(qū)復(fù)雜多變的氣候和艱苦的自然環(huán)境，采用飛機(jī)噪聲實(shí)測的意義不大，而采用飛機(jī)噪聲計(jì)算的模式可以滿足機(jī)場項(xiàng)目飛機(jī)噪聲竣工驗(yàn)收管理的需求；對于飛機(jī)起降架次少，飛行周期穩(wěn)定，地區(qū)氣候環(huán)境多變，不利于飛機(jī)噪聲現(xiàn)場監(jiān)測的高原支線機(jī)場，采用飛機(jī)噪聲計(jì)算模式可以彌補(bǔ)高原地區(qū)現(xiàn)場監(jiān)測工作的不足，且大大提高工作的時效性，能為高原機(jī)場項(xiàng)目飛機(jī)噪聲管理提供及時可靠的技術(shù)支撐；由于監(jiān)測結(jié)果反映的是監(jiān)測時期的噪聲情況，而項(xiàng)目計(jì)算結(jié)果給出的是機(jī)場全年平均結(jié)果，后者對機(jī)場附近的土地使用和規(guī)劃具有非常重要的意義。

建議盡快制定機(jī)場驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范,對于自然環(huán)境惡劣、不利于飛機(jī)噪聲現(xiàn)場監(jiān)測的機(jī)場，可以將該方法作為推薦方法應(yīng)用到高原機(jī)場飛機(jī)噪聲評估中。

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