（道路与铁道工程专业论文）基于GIS的高速铁路噪声预测与环境影响评价系统研究.pdf

摘要 随着铁路列车运行速度的不断提高，其产生的环境噪声污染问题也 越来越引起人们的重视。本论文以寻求一种适合我国高速铁路工程特点 的噪声预测模式，并利用此模式的预测结果对高速铁路噪声环境影响进 行评价为目标，设计出基于g i s 的高速铁路噪声预测与环境影响评价系 统，以期能为高速铁路建设可行性研究阶段线路方案比选、设计、施工 和运营阶段提供噪声环境方面的参考信息。 铁路噪声是一种由铁路列车运行带来的环境污染，预测计算铁路噪 声需要大量的数据处理和模型分析。目前国内外普遍使用的铁路噪声预 测模式主要是将高速运行列车简化为点声源一日本新干线使用的噪声 预测模拟方法( 简称北陆法) 和德国s c h a l l 0 3 方法，将行驶中的列车视 为有限长线声源的模式法一也是我国国内普遍使用的方法。本文在对高 速铁路噪声源的产生机理进行系统解析的基础上，分析结合三种模式的 先进之处，创立了一种新的预测模式一点线结合模式，该模式的特点是 更好的模拟了列车运行的真实情况，噪声预测计算结果更接近实际。将 预测结果和通过调查而得的“沿线居民满意度系数”利用基于地理信息 系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 的图形叠置法得出“噪 声综合影响值”这一定量的指标，以反映高速铁路方案环境噪声影响程度， 便于方案间的比较。 本论文运用v b n e t 语言对m a p x 进行二次开发，初步建立了“基 于g i s 的高速铁路噪声预测与环境影响评价系统”，该系统还实现了对 高速铁路噪声的控制措施查询、环境噪声标准查询、多条件下的预测结 果查询，并提供设置声屏障、绿化带等减噪方式的模拟减噪，增加了系 统的可视化程度和易操作性。 最后，论文对研究工作做了总结，并分析了需要进一步研究的内容。 关键词高速铁路，地理信息系统，噪声预测，环境影响评价 a bs t r a c t w i t hc o n t i n u o u si n c r e a s eo ft h e r a i l w a y t r a i n s s p e e d ，t h e e n v i r o n m e n t a ln o i s ep r o b l e m sw h i c ha r ec a u s e db yt h eh i g hs p e e dr a i l w a y h a v ea l s og r a d u a l l ya t t r a c t e dt h ep e o p l e sa t t e n t i o n an e wp a t t e r no fn o i s ep r e d i c t i n gw h i c ha d a p tt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f d o m e s t i ch i g hs p e e dr a i l w a yp r o j e c ti s q u e s t e d ，n o i s ep r e d i c t i o n a n d e n v i r o n m e n ti n f l u e n c ea s s e s s m e n ts y s t e mf o rh i g hs p e e dr a i l w a yb a s e do n g i si sd e s i g n e d ，a n dt h ea s s e s s m e n to ft h eh i g hs p e e dr a i l w a ye n v i r o n m e n t a l n o i s ei m p a c tb a s e do nt h ep r e d i c tr e s u l tt op r o v i d es o m eu s e f u li n f o r m a t i o n i nt h ep r o c e s so fa l t e r n a t i v e ss e l e c t i o nd u r i n gf e a s i b i l i t ys t u d y ，d e s i g n ， c o n s t r u c t i o na n ds e r v i c es t a g ei sa c q u i r e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h er a i l w a yn o i s ei so n ek i n do fe n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nw h i c hb r i n g s b yt h et r a i n sh i g hs p e e dr u n n i n g ，p r e d i c t i n ga n ds i m u l a t i n gr a i l w a yn o i s e n e e d sp r o c e s s i n gm a s s i v ed a t aa n da n a l y s ist h em o d e l ，a tp r e s e n tt h e p r e d i c t i n g a n d s i m u l a t i n gp a t t e r n s w h i c hb e i n gu s e d b r o a d l y a n d u n i v e r s a l l y , a r es p o tp a t t e r na n dl i n ep a t t e r n f i r s to n ei sb e i n gu s e di n j a p a n e s es h i n k a n s e n ( a l s oc a l l e da sn o r t hl a n dm e t h o d ) ，w h i c hl o o k st h eh i g h s p e e dr u n n i n gt r a i na sas e r i e so fs p o tn o i s es o u r c e ，a n da l s ot h es e c o n do n e i ss c h a l l 0 3p a t t e r nu s e di ng e r m a n y t h et h i r do n ei sc a l l e da sp a t t e m m e t h o d ，w h i c hb e i n gu s e di no u rh o m e l a n da n dl o o k st h et r a i nn o i s ea sa l i m i t e d - l e n g t hl i n en o i s es o u r c e b a s e so nt h es y s t e m i ca n a l y s i so ft h en o i s es o u r c em e c h a n i s mo fh i g h s p e e dr a i l w a y , t h et h r e ek i n d sp a t t e r n s a d v a n c e dp l a c ei sc o m b i n e d ，an e w p r e d i c t i n ga n ds i m u l a t i n gp a t t e r nl i n e - p o i n tp a t t e r n ，i t sc h a r a c t e r i s t i ci st h a t i tc a ns i m u l a t et h er e a ls i t u a t i o no fr u n n i n gt r a i ni se s t a b l i s h e d ，t h e r e f o r ei t s r e s u l to fn o i s ep r e d i c t i n gw i l lb em o r ea p p r o a c h e dt ot h ea c t u a lc a s e ，a n d a c c o r d i n gt ot h ep r e d i c t i n gr e s u l t sa n dt h ed e g r e ec o e f f i c i e n to fs a t i s f a c t i o n w h i c hi ss u r v e y e db yt h er e s i d e n t sa l o n gt h er a i l w a yl i n e s ，o v e r l a ym e t h o d b a s e do ng i si ss e l e c t e do u ta sab a s i cm e t h o dt og a i naq u a n t i t a t i v er e s u l t ， n a m e dn o i s e c o m p r e h e n s i v ei m p a c t a r e a t h er e s u l tr e f l e c t st h e e n v i r o n m e n t a li m p a c td e g r e eo fh i g hs p e e dr a i l w a yl i n en o i s e ，w h i c hi su s e d e a s i l yi na l t e r n a t i v e ss e l e c t i o n t h e s ea r et a k e na st h ef o u n d a t i o n ，n o i s e p r e d i c t i o n a n de n v i r o n m e n ti n f l u e n c ea s s e s s m e n ts y s t e mf o rh i g hs p e e d r a i l w a yb a s e do ng i si sp r e l i m i n a r i l ye s t a b l i s h e d ，w h i c hd e v e l o pm a p x s e c o n d l yu s i n gb yv b n e t n o to n l yh i g hs p e e dr a i l w a yn o i s ep r e d i c t i o na n d n o i s ee n v i r o n m e n t a li n f l u e n c ea s s e s s m e n ti sr e a l i e z e di nt h i ss y s t e mb u t a l s om a n yf u n c t i o n s ，s u c ha st h es e a r c hf o rh i g hs p e e dr a i l w a yc o n t r o l m e t h o d s ，e n v i r o n m e n t a ln o i s ec r i t e r i o n m u l t i c o n d i t i o n sp r e d i c t i n gr e s u l t s a n dn o i s eb a r r i e ro rg r e e n b e l tc a nb es e ti na s s e s s m e n tm a pt os i m u l a t ea n d c a l c u l a t e ，t h e r e b yt h ev i s u a ld e g r e ei se n h a n c e da n de a s yt oo p e r a t e a tl a s t ，ac o n c l u s i o ni sm a d ea n dt h ep r o b l e m st h a tn e e df u r t h e rs t u d y a r ed i s c u s s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n k e yw o r d s h i g hs p e e dr a i l w a y , g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，n o i s e p r e d i c t i o n ，e n v i r o n m e n ti n f l u e n c ea s s e s s m e n t i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：越 日期：兰旦年旦月乒日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论 文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复 印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将 本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提 供信息服务。 作者签名：丝导师签名 日期：丝堕一年月盟日 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 铁路是国家的重要基础设施、国家的大动脉、大众化的交通工具。在综合交通 体系中铁路拥有着诸多的优势而一直处于骨干地位，其中高速铁路是铁路建设的新 亮点。1 9 7 9 年以来，我国铁路连续进行了六次大面积提速，提速范围覆盖全国较大 城市和大部分地区。特别是通过2 0 0 7 年4 月18 日第六次大面积提速，这次提速调 图，最突出的亮点是在环渤海、长三角、珠三角3 大区域和主要干线开行时速2 0 0 k m 及以上的“和谐号 国产化动车组，京哈、京沪、京广、胶济等提速干线部分区段 可达到时速2 5 0 k m 。全路时速1 6 0 k m 及以上的线路延展里程，由不足4 0 0 k m 延长 到7 , 7 0 0 k m ，其中时速2 0 0 k m 线路延展里程达到l ，9 6 0 k m t l l 。目前，京津、武广、 郑西、石太、合武、甬台温、温福、福厦、广深港、。胶济、哈大等1 6 条时速2 0 0 k m 及以上的客运专线和城际铁路相继开工建设，建设规模达到5 6 0 0 k m 。京石、津秦 等1 0 条客运专线也将陆续开工，建设规模为4 1 0 0k m 。已经开工和即将开工的客运 专线总里程达到9 7 0 0k m 。再经过3 年至5 年，京哈、京广、京沪、陇海( 东段) 、 哈大、东南沿海等客运专线将全线贯通，加上既有线提速线路，我国铁路快速客运 网将初步形成。2 0 0 8 年4 月1 8 日，历经十几年讨论、总投资2 2 0 0 亿元的京沪高速 铁路全线开工，京沪高速铁路是中长期铁路网规划中投资规模最大、技术含量 最高的一项工程，也是我国第一条具有世界先进水平的高速铁路，这标志着我国的 铁路也向铁路高速化迈出了坚实的一步。 高速铁路的大力发展也随之产生了新的问题一铁路噪声污染。这个问题日益 受到人们的重视，从7 0 年代开始日本【2 1 、法国、英国、加拿大、德国【3 】、荷兰h 1 、 瑞典和新西兰等国对铁路噪声问题就进行了系统的大规模的调查和研究。在我国解 决铁路噪声问题也是刻不容缓，否则，它会直接影响人们的心理、生理和正常生活， 进而造成巨大的经济和社会损失。为此，在发展高速铁路的同时对噪声研究与控制 也是一项重要任务。要达到较好控制噪声的目的，首先要掌握高速铁路噪声源产生机 理及其传播规律，分析研究高速铁路噪声预测和评价方法，这样才能较合理、较全 面地提出综合治理的措施p j 。 1 1 1 铁路和噪声 我国幅员辽阔、内陆深广、人口众多，资源分布及工业布局不平衡，因此铁路 运输在各种运输方式中占有的优势更加突出，在经济社会发展中具有特殊重要的地 硕士学位论文第一章绪论 位和作用【5 j 。而且由于铁路的技术经济特性，铁路事业的发展对中国当前实施可持 续发展具有重要战略意义。目前，我国铁路纵贯南北，其总长度约7 5 万公里1 6 j ， 根据中国铁路“十一五 规划，2 0 1 0 年全国铁路营业里程达到9 万公里以上， 复线、电气化率均达到4 5 以上；到2 0 2 0 年，中国铁路营业里程达到1 0 万公里， 主要繁忙干线实现客货分线，复线率和电气化率达到5 0 。铁路承担着我国的主要 的交通运输任务，是我国国民经济的大动脉，是沟通城乡物资交流、发展经济不可 缺少的运输工具。高速铁路不仅提高了运输能力和运输效率，促进了国家经济的发 展，缩短了人们的出行时间，使较远城市间的“夕发朝至 和“朝发夕至 成为现 实，同时促进了城市之间的经济、文化、贸易等交流，为铁路运输带来了新的生机 和活力。如今我国高速铁路的建设己成为新的经济增长点，高速铁路的发展为我国 铁路运输带来了新的生机和活力，开创了我国铁路运输事业的新时代【。7 1 。 提高列车速度是铁路赖以生存和适应社会发展的必由出路。然而，在我国发展 高速铁路还有很多技术问题没有得到圆满解决，其中高速列车对环境的影响就是我 们必须面对的问题。在我国首次2 0 0 k m h 以上高速铁路论证会【_ 7 】上，专家们提出与 提高行车速度有关的环境因素，包括：大气、水、固体废弃物和噪声污染等，其中 噪声干扰对社会影响最大，噪声主要来自于轮轨噪声、机车牵引噪声、空气动力噪 声、集电系统噪声以及建筑物噪声。实验表明，当列车速度较低时，轮轨噪声所占 比例最大，速度达到2 4 0 k m h 时，集电系统噪声和空气动力噪声成倍增长。其他实 验还表明：当速度更高时，列车空气动力噪声所占比例更为突出。单就一般铁路而 言，已经是一个很棘手的问题，对高速行驶的列车其噪声问题的严重性自然不言而 喻，这样势必给沿线居民带来严重困扰。在中国2 1 世纪议程白皮书中，中国政 府已明确把可持续发展作为一项重要的战略决策，可持续发展的核心是实现环境、 资源与社会的协调发展，在注重经济发展同时必须保护自然资源和改善生态环境。 铁路环境保护“十五 计划也已明确指出，“十五”铁路环境保护重点工作之一是 在建设项目的前期工作阶段，研究并实行绿色选线制度。因此铁路部门在工程设计 时必须树立铁路基础设施建设与环境保护全面协调发展的全新思维方式，提倡“铁 路绿色选线”的新概念，提倡文明施工，使沿线环境质量尽可能地保持铁路建设前 的水平，以实现铁路工程建设可持续发展的目标。 可见在实现我国高速铁路可持续发展的进程中，噪声问题必将是一大障碍，因 此要发展好高速铁路，使其更好的为人民服务，解决好噪声问题是非常必要和紧迫 的。如何预测和控制高速铁路噪声成了现阶段人们研究的主要方向。 研究是和重视程度密切相关的。以日本为例，当初噪声问题并没有引起足够的 重视，高速公路、高架桥上车辆噪声值很高，严重干扰了沿线居民的日常生活，最 终道路集团向居民支付了巨额赔款【8 】，此后噪声研究工作在日本迅速发展起来，沿 2 硕士学位论文第一章绪论 线的高架桥和高速公路及市区的轨道交通和铁路沿线均展开了防噪设计，使噪声值 降低到允许程度，取得了满意的效果【9 】。在1 9 9 5 年召开的第五届国际铁路噪声会议 ( i n t e r n a t i o n a lw o r k s h o po nr a i l w a yn o i s e ) 上，对法律、环境和研究做了明确规定， 鉴于此，欧洲的许多国家都采取了相应的措施，并确定了关于噪声的欧洲政策 ( e u r o p e a np o l i c yo nn o i s e ) ，铁路噪声也在其中l l 叭。随着人们生活水平的提高，社会 环境意识也在相应提高，有关环境保护法律不断完善，在铁路规划、建设过程中， 就需要提出有关环境保护方面的要求，既要使铁路系统满足客运和货运的要求，还 要使其噪声干扰最小。 噪声预测是噪声控制中的重要环节，在线路方案比选中，噪声作为一项重要的 环境评价指标，其预测的定量结果可为决策人员提供环境噪声方面的依据；对新建 线路，可根据预测结果确定有效的噪声控制措施，进行线路建设和城市规划，即合 ， 理利用土地，对线路两侧已有各类建筑物的城市，在进行城市改建和扩建规划中， 将速铁路噪声控制引入总体规划内容，并将控制措施与土地利用相结合，合理设计 隔声屏障和屏障式建筑物。噪声预测使噪声控制由被动转为主动，在高速铁路前期 筹建阶段就可对沿线进行调查研究，确定医院、学校、实验室等噪声敏感点，从而 在建设期间有针对性的采取相应措施，避免走先污染后治理的老路，不仅提高了噪声 控制的效果，又避免了噪声二次治理投资，事实上有些治理措施在技术上可能难以 实现，而噪声预测可使我们做到前期防范治理，大大降低了总体投资。特别是计算机 技术的发展，使噪声预测和评价更加准确和快速，噪声预测与评价技术已越来越引 起人们的关注。 1 1 2g i s 技术和噪声预测与评价 高速铁路噪声的预测主要根据列车类型、编制、车速、流量、轨道条件、铁路 两侧的环境及背景噪声等多种因素，确定一套完整的数学模型或评估方法，从而计 算出在任意高度和距离接收点处的声级值。通过噪声预测，可以对新建铁路干线对 周围环境的噪声影响进行评价，从而在线路方案比选中为决策者提供参考，确定线 路方案或已选线路是否要进行噪声治理。噪声预测与评价系统是在上述预测模型的 基础上，编制程序后，为使用者提供直观的，易操作的人机对话界面，进而提高环 境噪声预测与评价的精度和速度。 g i s 是2 0 世纪6 0 年代兴起的一门学科，是在计算机硬件、软件以及网络支持 下，对有关空间数据进行预处理、输入存储、查询检索、处理、分析、显示、更新 和提供应用的计算机信息系统【l l 叫2 1 。噪声的预测计算过程中，无论采用哪一种模型， 都必须涉及到大量空间数据，如线路位置、轨道条件、地形坡度、建筑物情况、属 性数据( 如线路特征数据) 等。g i s 能统一管理这些空间数据和属性数据，并提供数 硕士学位论文第一章绪论 据的查询、检索、更新及维护。g i s 的特长就是对海量数据进行快速有效的处理， 按照用户的要求对特定的公式进行计算模拟，并根据既定的要求输出模拟后的图形。 这些特点正好符合铁路沿线噪声预测模拟的要求和期望。新兴的g i s 技术也必将为 噪声预测模拟，尤其是铁路沿线的噪声预测模拟带来新的活力和希望。 本文针对高速铁路噪声的特点，利用计算机技术，建立基于g i s 的高速铁路噪 声预测与环境影响评价系统。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 噪声源研究概况 高速铁路的大力发展带来的噪声污染日益受到人们的关注，从2 0 世纪7 0 年代 开始，日本、美国、法国、德国、英国、加拿大、瑞典和新西兰等国家进行了大规 模的铁路噪声调查和研究，得到了很多噪声源及其传播规律方面的数据。人们对高 速铁路轮轨噪声的研究尤为深入，但至今仍是一个很有争议的问题。p j r e m i n g t o n 在对钢轨竖向振动、钢轨横向振动、车轮振动和轨枕振动的噪声辐射研究中，认为 在频率为3 1 5 h z - - - 6 3 0 h z 时，各种噪声源的噪声辐射差不多；在8 0 0 h z - 2 5 0 0h z 时， 主要是钢轨竖向振动引起的辐射；在频率大于2 5 0 0h z 时，主要是车轮径向振动引 起的辐射。而他在对车轮踏面轴向振动、车轮踏面径向振动和轮辐轴向振动的声辐 射研究中认为，在3 1 5 h z - 1 6 0 0h z 的范围内，车轮踏面径向振动和轴向振动引起的 噪声辐射差不多，而频率超过1 6 0 0h z 时，车轮径向振动引起的噪声辐射是主要的。 一般情况下，轮辐的噪声辐射比车轮踏面的噪声辐射低十到十几分贝( d b ) 1 1 3 , 1 4 】。 根据t e nw o l d e 和v a nr u i t a n d e 的研究成果表明i l5 1 ，在2 5 0 h z - 4 0 0 h z 的范围内， 车轮水平激励引起的噪声辐射是主要的；在5 0 0 h z 8 0 0 h z 的范围内，竖直激励引起 的钢轨噪声辐射是主要的噪声源；在1 0 0 0 h z - 1 2 5 0 h z 的范围内，由竖直力引起的钢 轨噪声辐射与水平激励引起的车轮辐射相等。j o n e sc t m 】认为在5 0 0 h z - 2 0 0 0 h z 范围 内，钢轨是主要的噪声源，而在3 0 0 0 h z - 5 0 0 0 h z 范围内，车轮是主要的噪声源。 日本国铁的封田裕计认为在直线段运行车轮所产生的滑动噪声可以忽略【i7 1 。他 发现阻尼车轮的踏面轴向振动比钢车轮小6 8 d b ，而由其引起的噪声辐射没有减小。 他发现在声谱中没有与在车轮振动谱中出现的共振相应的峰值。在他所测的踏面振 动、踏面径向振动和轮辐轴向振动中，以踏面径向振动为最大，另外两个均要比它 小1 0 d b 。 德国的k i n g 和b e r c h e r t 与b a r s i k o w 和k i n g 对列车的声辐射进行了测引1 6 】，他 们的结果表明在低频范围内，钢轨是主要的声辐射源；在中频范围内，车轮是主要 的声辐射源；在高频范围内，车轮和钢轨的声辐射相当。 4 硕士学位论文第一章绪论 轮轨滚动噪声是当前国际上铁路噪声研究的热点和前沿领域，对此许多西方发 达国家：如美国、英国建立了轮轨噪声的数学模型，在滚动噪声方面做了大量的工 作：在美国的c a m b r i d g e 大学( 以r e m i n g t o i l 教授为主) ，英国的噪声与振动研究院 ( 以t h o m p s o n 博士为主) 以及荷兰的d e l f t 大学都有相当规模的队伍研究轮轨噪声问 题，国际铁路联盟实验研究所( o i 辽) 还专门成立了轮轨噪声委员会c 1 6 3 专门研究铁 路噪声问题。于此同时，我国国内对铁路噪声也进行了大量的实验和研究，但从振 动出发研究轮轨振动噪声还存在许多不足，特别是与轮轨振动噪声关系比较密切的 轮轨高频振动方面的研究还很岁1 8 咆】。 综上所述，虽然线路主要噪声源是钢轨还是车轮仍值得研究，但线路噪声来自 车轮、钢轨、轨枕振动及轮轨相互作用是肯定的。在线路噪声中，低频范围内，钢 轨是主要的声辐射源；中频范围内，车轮是主要的声辐射源；高频范围内，主要是 轮轨噪声。由于各国的具体情况不尽相同，所以应根据各国国情实测来确定本国情 况。 1 2 2 噪声控制措施研究概况 对铁路噪声控制措施的研究，国外在2 0 世纪5 0 、6 0 年代就开始了此方面的研 究。1 9 6 3 年，国际铁路联盟成立了一个特别委员会专门针对噪声进行试验研究，国 际铁路联盟的o r e 报告中专门报道了噪声治理的研究，如：德国、英国、法国关于 各种噪声声屏障的测试及其效果的研究。日本、德国、法国、英国等国家经过三十 多年卓有成效的工作，进行了大量的理论研究和实测分析，取得了治理噪声方面很 多有效的方法【2 3 , 9 0 。 日本：1 9 6 5 年组成了“新干线噪声研究会”，1 9 7 2 年又成立了“新干线噪声振 动防治技术委员会 。1 9 7 4 1 9 8 0 年日本在新建的一条4 2 8 k m 的新干线上进行了 2 0 0 0 多次运行试验，同时对2 0 0 多项降噪措施进行了测试。近2 0 年来，日本在轨 道和路基中广泛使用5 3 k g m 和6 0 k g m 重型钢轨和长钢轨，在构筑物方面尽量减小 钢梁，在高架桥跨的混凝土板和道碴之间铺设橡胶毡。在线路方面主要采用了如下 一些降噪措施：用无缝钢轨代替短钢轨并用抛光机打磨钢轨顶面，减小波磨；在轨 枕和路基之间使用橡胶隔振垫；使用防振钢轨；新干线线路两侧9 7 的长度设置了 声屏障，内侧墙设有吸声材料。在电力动车组方面主要采用降噪措施是动车组头部 形状流线化、车体表面平滑化、车辆下部设置裙板、多台受电弓之间采用高压母线 联通、采用低噪声受电弓等。 法国：首先规定了较宽的高速铁路用地范围，并且制定了较严格的铁路噪声标 准：k8 h - 2 0 h 6 0 d b a ；k2 0 h - 2 4 h 5 5 战m ；k4 h - 8 h 5 0 d b a 。高速铁路 线路均采用长钢轨；研制了t g v - a 声学车轮；道床“整体化 ；线路两侧设置声屏 硕士学位论文 第一章绪论 障；动车组头部尖鼻流线化外形；这些措施使高速铁路噪声维持在标准限值内。有 资料表明在同一线路上，- - y ut g v 列车在3 0 0 k m h 运行时所产生的噪声，比传统 旅客列车在16 0 k m h 时所产生的噪声还要低。 德国：高速铁路噪声规定了较严格的的排放标准，如列车以2 5 0 k m h 速度运行 时，在距线路中心2 5 m 处的噪声级不得超过8 8 d b a ；软席客车车厢内( 在普通段及 隧道内) 的噪声级不超过7 0 d b a ；停车时空调等装置的噪声级不超过5 5 d b a 。为了 有效的降低高速铁路噪声并达到标准的要求，德国采取如下的降噪措施：专门研制了 一种称为“k o l n 蛋形( 科隆蛋) 弹性轨道支承系统、在列车车轮上装橡胶封套、新 线的轨道采用有碴道床，u i c 6 0 钢轨、定期打磨钢轨、动车组流线化、采用d s 3 5 0 型低噪声受电弓等。 前苏联有关专家认为能较好解决铁路运行噪声的措施是：采用无缝线路、使用 轨下橡胶垫、消除钢轨波形磨耗等。欧洲各国在重视技术措施治理噪声的同时，也 加大了法制、法规的力度，欧盟铁路早在1 9 7 4 年3 月公布了噪声防治法，规定了铁 道车辆的噪声容许值。日本、瑞士等国家也制定了与噪声相关的一系列法律。 我国位于广深准高速铁路线上的石龙特大桥折角式吸声型声屏障，它是国内铁 路噪声治理的一项重要科研成果。为了促进环保事业的发展，实施可持续发展战略， 迄今为止，国家已制定有关铁路噪声标准五项，并于1 9 9 7 年3 月1 日实施中华人 民共和国环境噪声污染防治法，铁路环境噪声的污染和治理在城市环境问题中已作 为一项重要内容受到重视。 1 2 3 噪声预测研究概况 在铁路噪声的分析和预测方面，日本和德国走在前列。丹麦、法国、德国、挪 威、瑞士、瑞典、英国等国家的国家铁路公司、地方研究所或国家环境和交通部门， 日本的铁道综合技术研究所均设有专门部门来研究铁路噪声预测问题。这说明铁路 噪声问题已经引起了许多国家尤其是那些铁路技术先进国家的重视。 2 0 世纪7 0 年代，s p e t e r s1 2 4 1 建立了轮轨噪声源的偶极子声学模型；c a t o 从理论 上推导出a 声级时间历程计算公式和时间t 内等效声级的计算公式；e j r a t h e 2 5 l 深入 研究了列车噪声传播过程中众多衰减因素，如几何衰减、空气吸收、地面效应、屏 障影响和不同指向性的模拟声源对噪声传播的影响等，并给出了声传播计算的计算 机模式；l g k u r z w e i l 2 6 】给出了关于列车辐射噪声的计算公式，并运用偶极子模型， 针对地面吸收问题作了细致的讨论。随后j g w a l k e r ，l g k u r z w e i l ，g a l l e n 等人【2 7 ，2 8 1 提出了适合本国情况的高速列车环境噪声预测模型，将预测模型分为两部分：一部 分是对声源的描述，另一部分是对所有重要衰减因素的描述，公式如下： 4 = o + ：a p r o p a g a t i o n ，f a c t o r ( 1 - 1 ) 6 硕士学位论文第一章绪论 传播途径的衰减因素a p r o p a g a t i o n ，f a c t o r ，包括地面吸收衰减卯耐、空气 吸收衰减。驴、声屏障衰减细砌、反射衰减棚、气象衰减，啪等。 德国从2 0 世纪7 0 年代开始，对包括铁路噪声在内的各种交通噪声进行了大量 的研究，取得了丰富的成果，在此基础上于2 0 世纪9 0 年代初修订或制订了一系列 有关铁路噪声评价治理的法规和规范1 5 引。s c h a l l 0 3 是德国最重要的研究成果之一， 也是德国评价铁路噪声最具有代表性的规范之一。s c h a l l 0 3 是以计算为依据而不是 以直接测量为依据的。在规划阶段通过计算，预测铁路投入运营后的近期和远期可 能产生的噪声污染程度和分布情况，以测量为依据进行评估，一方面不可能事先对 新建和扩建的铁路进行评估；另一方面，即使对已有的铁路进行全方面的评价，工 作量也是惊人的。 到了2 0 世纪8 0 年代，随着铁路的高速、重载发展，轨道交通环境噪声更广泛地 受到社会和公众的关注，西方工业发达国家对铁路噪声问题更加重视，研究也更加 深入，计算机的应用使得噪声预测有了新的发展。法国的p a r e n td ec u r z o n 为国家铁 路开发了计算机预测软件“s e t r a f e r ，能针对不同的环境和线路进行预测，该 软件将列车轮轨噪声视为一系列点声源，考虑点声源的水平指向性和垂直指向性， 同时考虑各种传播途径，对等效声级以及声屏障等降噪效果进行计算预估。荷兰、 挪威和德国等国家也都制定了自己的预报计划。 日本将列车运行噪声视为点声源考虑，以日本铁道综合技术研究所的石井子安 的预测方法为基础发展起来的一套预测方法一北陆法，被认为是较准确的，而且该 研究所还专门做过实验来验证，获得了令人满意的结果。此方法将车辆噪声解析为 车辆下部噪声、车辆上部空气动力噪声、构造物噪声、集电系统噪声四种，低速 ( 1 5 0 k m h 以下) 时由于车辆上部空气动力噪声比较小，可将其忽略。 我国铁路噪声研究起步较晚，起始于2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初，随着我国铁 路高速化的进程，有关专家也逐步开始一些铁路噪声方面的研究。国内研究的方法 主要是在借鉴国外研究成果的基础上，结合我国的实际情况进行的，对铁路噪声系 统的定量研究仍处于初期阶段。我国普遍使用的预测方法是模式法( 又称数学模式 法) ，主要依据声学基础理论计算方法和一些经验公式预测噪声，从而得出定量结果。 西南交通大学、北方交通大学、同济大学、华东交通大学与中国铁道科学研究院高 等院校及科研单位等有关部门对铁路环境噪声的理论研究与治理措施的研究已积累 了我国铁路噪声方面的资料和宝贵经验。 我国对普通铁路噪声的衰减规律和轮轨噪声有一定研究，但对高速列车的噪声 研究较少，主要是试验数据量不够全面，如不同速度，不同钢轨等情况下大量统计 实验数据的缺乏，轮轨噪声的频谱特性和频带声压级的变化规律，轮轨噪声源的几 何位置、声源强度、地面吸收和建筑群对轮轨噪声传播影响等各方面研究不深入， 7 硕士学位论文第一章绪论 所以要进行准确的预测，并建立计算机噪声预测模型，还需要做大量的研究工作。 我国在铁路噪声预测方面的主要研究内容有：我国铁路环境噪声控制研究( 北方 交通大学) ，2 0 0 0 年中国铁路环境预测研究( 铁道部劳卫所) ，京沪线高速铁路环境 影响分析可行性研究( 铁道部劳卫所主持，西南交通大学振动、冲击、噪声测试中心 参加) ，铁路两侧地面吸声效果的研究，轻轨列车和高架结构系统的动力响应分析， 降低铁路噪声的措施，声屏障设计及降噪效果预测。北方交通大学对准高速列车噪 声二维声场分布规律，准高速列车稳态辐射噪声强度、传播规律，列车噪声频率特 性等进行了研究。北方交通大学和铁道部劳动卫生研究所在铁路噪声与车速的关系 方面做了一定的研究，得出了列车提速后的噪声增加值。铁道部劳动卫生研究所的 有关研究人员用比例模型方法和模式法对铁路环境噪声进行预测和评价。2 0 0 4 年， 西南交通大学博士生徐志胜提交了一篇轨道交通轮轨噪声预测与控制的研究论 文1 2 引，这是我国第一篇关于轨道交通轮轨噪声预测的博士生论文。但轮轨噪声仅仅 是轨道交通噪声的重要组成部分，还有机车牵引噪声、铁路桥梁噪声、空气动力噪 声、集电系统噪声等方面。我国关于轨道交通噪声预测还很少有人涉足，这对我国 即将修建、改建和在建的高速铁路及城市轨道交通的发展是非常不利的。 1 2 4 基于6 1 s 的铁路噪声研究概况 g i s 是一门兴起不久的新技术，因此基于g i s 的高速铁路噪声预测研究在国内， 甚至在世界都是处于前沿位置。目前，国内外学者在应用g i s 预测与评价铁路噪声 方面做过的研究包括，吴小萍，杨晓宇等利用基于g i s 的图形叠置法将铁路线路多 种环境影响因素进行综合评价得出定量值【3 0 一驯，用于线路方案比选，达到了准确、 快速和直观的目的；杨永平等以铁路噪声预测模式为基础，结合g i s 进行铁路噪声 预测与规划口5 j ；马民涛等将g i s 与铁路噪声预测模型结合进行铁路噪声预测评价 1 3 6 - 3 7 1 ；荷兰的e l b e r s 将g i s 平台与铁路预测模型相结合开发用于预测铁路噪声影响 范围的铁路噪声地理信息系纠4 j ；但是，实际意义上实现g i s 用于高速铁路噪声预 测与环境影响评价研究还没有，以上都是建立在理论的基础阶段，相关的实践和模 型的设立尚不完整。究其原因主要是由于噪声预测的局限性，因为目前的相关公式 比较少且不能统一，考虑的影响因素各不相同。 综上所述，国内外学者在结合g i s 对高速铁路噪声预测与环境影响评价方面的 研究尚存在许多有待完善之处，本文将g i s 平台与最符合国内现状的铁路噪声预测 模式结合，对高速铁路环境噪声进行预测与评价。 8 硕+ 学位论文 第一章绪论 1 3 论文目标、创新点及内容 1 3 1 论文目标 本论文在系统分析高速铁路噪声产生机理和传播规律的基础上，以寻求一种适 合我国高速铁路工程实际的噪声预测模式，并利用此模式的预测结果对高速铁路环 境噪声影响进行评价为目标，以期能为高速铁路建设可行性研究阶段线路方案比选、 设计、施工和运营阶段提供环境噪声方面的参考信息，最终建立基于g i s 的高速铁 路噪声预测与环境影响评价系统，实现模拟减噪、噪声相关标准、控制措施和预测、 评价结果查询的可视化操作。 1 3 2 论文创新点 本文强调的是一种全新的、整体的预测模拟模式，而不是一个单独的公式或者 模型。在综合了日本新干线的北陆法、德国的s c h a l l 0 3 模式和国内普遍使用的模式 法三种预测方法各自的优点的基础上，结合目前国内铁路运行现状，制定出符合我 国高速铁路工程实际的预测模式一点线结合的预测模式。这样的模式既符合我国铁 路运行实际，又能适应未来铁路的大力发展。同时本文利用g i s 强大的空间分析能 力，在v b n e t 编程环境下对m a p x 进行二次开发，从图上获取数据，引入反映噪 声对沿线居民影响程度的“沿线居民满意度系数”，并将噪声预测结果和统计而得的 “沿线居民满意度系数”利用基于g i s 的图形叠置法得出“噪声综合影响值”这一 定量值，进而评价高速铁路运行带来的噪声环境影响，初步建立了基于g i s 的高速 铁路噪声预测与环境影响评价系统，并提供可视化的环境噪声预测与影响评价界面， 实现模拟减噪和相关标准、控制措施和预测、评价结果的查询。 1 3 3 论文内容 本论文通过对国内外先进技术的学习和国内铁路噪声现状的调研，对高速铁路 噪声源的产生机理和噪声传播规律进行了系统的解析，在综合了日本新干线的北陆 法、德国的s c h a l l 0 3 模式和国内普遍使用的模式法三种预测方法各自优点的基础上， 结合目前国内铁路运行现状，建立了符合我国高速铁路工程实际的预测模式一点线 结合的预测模式，引入反映噪声对沿线居民影响程度的“沿线居民满意度系数，并 将噪声预测结果和统计而得的“沿线居民满意度系数 利用基于g i s 的图形叠置法 得出“噪声综合影响值”这一定量值，进而评价高速铁路带来的噪声环境影响，初 步建立了基于g i s 的高速铁路噪声预测与环境影响评价系统。根据研究目标，本论 文的主要研究内容包括如下几个方面： 9 硕士学位论文第一章绪论 ( 1 ) 铁路噪声评价 参照中华人民共和国国家标准中的铁路边界噪声限值及其测量方法等提取与铁 路噪声声源相关的因子，对铁路噪声的声源和环境噪声给出定性的评价。 ( 2 ) 高速铁路噪声源的解析 将高速铁路噪声分为轮轨噪声、机车牵引噪声、铁路桥梁噪声、空气动力噪声 和集电系统噪声五个方面分别进行机理分析。 ( 3 ) 高速铁路噪声预测模式的确定 简要介绍日本新干线使用的北陆法，德国使用的s c h a l l 0 3 模式和我国国内普遍 使用的模式法。在点模式、线模式和铁路噪声评价的基础上，建立全新的高速铁路 噪声点线结合预测模式，对高速铁路沿线噪声预测进行半经验半理论建模。此模式 一方面模拟噪声传播的规律，另一方面易于被g i s 系统所实现。 ( 4 ) 基于g i s 的高速铁路环境噪声影响评价 将图形叠置法和g i s 技术相结合，根据高速铁路沿线敏感区内各预测点的预测 值和反映噪声对沿线居民影响程度的“沿线居民满意度系数”，充分利用g i s 强大的 空间分析功能，得出“噪声综合影响值”这一定量值，以此评价线路方案噪声环境影 响程度。 ( 5 ) 基于g i s 的高速铁路噪声预测与环境影响评价系统开发 设计开发基于g i s 的高速铁路噪声预测与环境影响评价系统，实现对高速铁路 沿线噪声的预测、评价和减噪仿真模拟计算，并输出相应的噪声污染统计结果及图 形，同时系统还提供高速铁路噪声相关标准、控制措施和预测、评价结果的查询。 1 0 硕士学位论文 第二章高速铁路噪声评价量及标准 第二章高速铁路噪声评价量及标准 2 1 铁路噪声评价量 要治理铁路噪声，首先要评价铁路噪声。铁路噪声的评价，可以用计算