公路绿化带降噪效应及其影响因素研究

王慧，郭晋平，张芸香，魏红芬，冯璐瑶

山西农业大学林学院，山西 太谷 030801

公路绿化带是天然的降噪屏障。公路绿化带通过树冠吸收声能而有很好的噪音衰减效应[1-2]。具有不同结构特征的绿化带，其降噪效应也有显著差别。其中，绿化带宽度、树种组成、密度或郁闭度是最主要的指标。绿化带的降噪效应与其宽度成正比[2-3]；交通噪音的绿化衰减同绿化带宽度有很大关系；杨树构成的绿化带15～45 m的降噪效果最好，而在75 m以外的绿化带降噪效应消失；并且高速路路侧绿化带对车辆通过产生的较高分贝瞬间噪音表现出一定减轻作用，车流量小的路段，降噪效果则不明显[4-5]；城市道路单行绿化带降噪效果还能达到2～4 dB左右[6]。但是，对于公路绿化带的基本结构特征树种组成、郁闭度（密度）和宽度如何影响绿化带的降噪效果还需要进行系统研究。本研究以山西省典型公路绿化带为研究对象，通过测定不同结构特征绿化带的降噪效果，分析绿化带结构对降噪效应的影响，即绿化带的降噪效应，为绿化带的结构设计和优化以及绿化带降噪效应计量评价提供依据。

1 研究对象和研究方法

1.1 研究对象概况

山西省公路绿化工程是 2006年全面实施的省级林业六大工程之一，内容是在山西省所有各级道路两侧营造5～50 m的防护绿化带。通过多年的绿化实践，加上以往公路绿化的成果，形成了多种类型的绿化带结构类型，根据树种组成、绿化带宽度及郁闭度，可分为6种类型，见表1。

1.2 典型路段的选定及样带布设

表1 公路绿化带结构类型及划分Tab 1 Roadside tree-belt structure types and the classification

本研究于2009年5—10月进行。根据现有公路绿化带结构特征类型，考虑到高速、国道及省道等各类道路的代表性，在山西省内共选定 58条典型路段，在每一类典型路段的路侧绿化带横向布设调查研究典型样带。为保证代表性，要求典型路段远离居民区和嘈杂环境区，路段长度大于200 m；同时要求其附近要有一段无绿化带作为对照路段，长度不少于50 m。

在每一典型路段上，垂直于道路分别设置样带，根据绿化带宽度确定样带宽度，使样带面积不少于400 m2，为保证样带内主要树种的株数不少于30株，对样带内树木进行每木检尺，测定主要树种高度，按株数比例计算树种组成，采用标准地对角线上样点法测定郁闭度。同时以每小时通过公路垂直断面的双向机动车辆的个数为计量单位作为试验路段车流量（辆/h）[7]。各典型路段概况见表2。

表2 山西省噪音监测典型路段概况Tab 2 Stand status of typical roadside tree-belt in Shanxi of noise monitoring

1.3 噪音测定方法

在每一样带内按离开路沿的距离设置距离梯度噪音测点，距离梯度为0、5、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100 m，噪音测定采用香港希玛SMART AR-824手持式数显程式噪音计，从每天 8：00～18：00 间按照(GBT/3222－94)标准连续测定。

1.4 噪音的距离衰减模型

声波衰减包括正常衰减和愈量衰减[8]。本研究中的愈量衰减即指绿化带引起的绿化衰减[3,5]。

绿化带对点源噪音的距离衰减模型采用[3,9]：，式中，1r为绿化带前缘距声源距离，r2为绿化带后缘距声源距离；如把道路车辆流看作声功率均匀分布的无限长线声源，距离衰减模型的系数差异较大。本研究中，对各典型路段进行无绿化路段噪音梯度测定，并将实测值分别通过上述模型进行拟合，选择拟合度高的模型做为绿化带距离衰减公式。

1.5 模型拟合及降噪效应因子测定

为了研究绿化带降噪效应与绿化带结构参数的定量关系，以绿化带绿化衰减为因变量，以绿化带特征因子为自变量进行多元回归分析，并对选取的指标以及回归方程进行显著性检验和相关性分析。绿化带结构特征因子包括：绿化带宽度（m），郁闭度，疏透度（采用使用数字图像处理法测定[10]），主要树种均高（m），枝下高（m），冠幅（m×m），100 m绿化带胸高断面积（m2），叶面积指数（采用回归模型计算叶面积指数），绿化带密度（株/亩），有无灌木及其疏密结构，首行树种及绿化带树种组成。

2 结果与分析

2.1 噪音的距离衰减模型

用无绿化路段的噪音梯度实测值，进行道路噪音距离衰减模型拟合，结果见表3。

表3 山西省公路绿化带噪音距离衰减拟合模型参数Tab 3 Parameters of fitted models on noise attenuation of roadside tree-belt in Shanxi

可见，山西省道路噪音距离衰减模型的系数为10.927。

2.2 公路绿化带的噪音梯度衰减格局

将6种结构特征的绿化带典型路段样带内距离梯度上的噪音实测值取平均，制成扩散格局图，见图1所示。

图1 绿化带噪音梯度衰减格局Fig.1 Dispersion pattern of noise value of roadside tree-belt

由图1可以看出，自路基处绿化带即开始发挥显著的降噪效应，噪音值在距道路10 m范围内呈最快的递减趋势，噪音值从距道路0 m处85.7 dB降至10 m 处72.3 dB，平均噪音值降低13.4 dB；在路10～60 m范围内噪音衰减趋势减缓，平均噪音值降低14.2 dB；在60～80 m范围内，噪音衰减趋势更缓，平均噪音值降低3.8 dB；在80～100 m范围内，噪音衰减趋势接近于零，平均噪音值降低1.2 dB。

以不同水平梯度的噪音值为因变量，距离为自变量，选择合适的模型进行噪音衰减效应曲线拟合，以三次多项式的拟合度最高，模型参数见表4。

在距道路100 m范围内，公路绿化带噪音衰减格局呈单调递减趋势，噪音衰减在10 m范围内最高，而后逐渐减弱，80 m后噪音衰减趋于零。

2.3 不同结构特征公路绿化带降噪效应

对不同结构特征绿化带噪音衰减率作差异显著性检验，结果表明6种特征绿化带降噪效应差异极显著（P＜0.001）。为消除不同路段噪音值量纲差异对分析结果的影响，较客观地反应绿化带对公路噪音的衰减效应，本研究提出“噪音衰减率”，以单位距离上的噪音衰减量来表示，公式如下：

式中：Ra为噪音衰减率，Lr为距公路距离为 r点梯度上的噪音值，Lr-1为Lr前一距离梯度的噪音值。采用LSD法分析比较各结构类型绿化带距离梯度上的噪音衰减率差异性，结果见表5。

从表3可以看出，绿化带在10 m处有最大噪音衰减率 0.626～0.749，随着距离的增加，噪音衰减率递减，但不同结构特征的公路绿化带，噪音衰减格局不同。距道路10 m处，高密度林带的噪音衰减率均大于 0.7，与低密度林带的差异显著，噪音值从0 m处的84.8~85.4 dB降为70.7~71.5 dB；在40、60 m和80～100 m处，高密度的单树种宽林带和多树种林带与其它结构类型林带的差异显著，噪音值在40 m处分别降为59.7、61.4 dB，60 m处53.1、55.7 dB，100 m处46.4、49.9 dB。对6种结构特征绿化带的噪音衰减效应进行曲线模型拟合，均以三次多项式的拟合度最高，拟合优度 R2均在0.8以上，见表6。

2.4 道路噪音绿化衰减与公路绿化带特征的相关性

表4 公路绿化带噪音衰减拟合模型参数Tab 4 Model parameters of roadside tree-belt on noise attenuation

表5 不同结构特征公路绿化带噪音衰减率Tab 5 Attenuation rate of roadside tree-belt with different structure types

表6 不同结构特征下公路绿化带噪音衰减拟合模型参数Tab 6 Model parameters of roadside tree-belt on noise attenuation with different structure types

由公路绿化带不同距离梯度上的噪音值减去距离衰减值，可得出绿化带的噪音绿化衰减量。对公路绿化带绿化衰减与车流量、道路宽度及多种林带特征因子做相关分析，结果见表7。

由表7可以看出，公路绿化带降噪效应与多种特征因子相关。绿化带对交通噪音的绿化衰减与公路车流量、道路宽度存在极显著的正相关性，表明交通流量越大，道路越宽，则噪音值也大，绿化带的降噪效应越好。在绿化带特征因子中，绿化衰减与绿化带宽度呈极显著正相关，与绿化带的郁闭度呈显著正相关，与疏透度呈显著负相关，与100 m绿化带胸高断面积呈极显著正相关，与绿化带有无灌木也呈显著正相关。

为进一步分析不同树种对道路噪音绿化衰减的影响，并且消除绿化带其他特征因子对分析结果的影响，选择第II类结构绿化带即单树种高密度窄带型林带中林带宽度相同为30 m的3条典型路段为例进行探讨。其中河津万仓路路侧为杨树纯林，绿化衰减平均值为6.691dB，代县S213为柳树纯林绿化衰减为6.742 dB，阳泉S214为槐树纯林绿化衰减为7.470 dB，由此可见，不同树种的降噪效应不同，表现为槐树林＞柳树林＞杨树林。

表7 公路绿化林带的噪音绿化衰减与多种因子相关性Tab 7 Pearson correlation of greening attenuation and various characteristic factors

表8 绿化带降噪效应多元回归模型Tab 8 Simulation equations of greening attenuation based on impact factors

2.5 公路绿化带特征因子对公路噪音衰减的影响

为进一步分析公路绿化带的噪音衰减效应机理，根据公路绿化带降噪效果与绿化带特征因子的相关关系，选出绿化衰减影响显著的因子，考虑到因子间可能存在的互作关系，加入主要影响因子的乘积作因变量，建立多元回归模型，通过向后剔除法(Backward)进行多元回归分析，结果见表8。

表8所示，所有模型方程R2＞0.85表示模型的解释能力较高。模型1为基于全部绿化带特征因子模拟公路绿化带降噪效应，模型 2、3为基于显著影响因子的绿化带对噪音衰减效应的线性方程模拟，R2＞0.85；模型4～7表明因子之间互作作用对噪音的绿化衰减有较大的贡献作用，拟合模型达极显著水平，R2＞0.95，说明绿化带主要特征因子共同作用起到了降噪效果。模型8～12表明绿化带宽度与郁闭度的互作对绿化衰减起到非常大的作用，拟合模型R2＞0.85，达极显著水平。

3 讨论

（1）绿化带对公路噪音有明显的衰减效应。绿化带宽度显著影响降噪效应，在较宽绿化带靠近声源前半部分有较好的降噪效应 ，本研究表明，在距道路10 m范围内，噪音值呈最快的递减趋势，绿化带的降噪效应显著，是绿化带最佳降噪范围，10～60 m是有效降噪范围，60～80 m是次级降噪范围，绿化带根据其宽度不同发挥不同的降噪效应；在80～100 m范围内的绿化带降噪效应极小，因此，绿化带宽度不应小于40 m。而郁闭度较大的绿化带可以增加绿化带的降噪效果。

（2）绿化带的结构特征对降噪效应具有显著影响，其中宽度和密度的影响最为直接[5]。宽度大于40 m的单树种绿化带在60～80 m即次级降噪范围，可以维持降噪效应，噪音值从路基处84.8～85.7 dB至80 m处降为48.4～56.0 dB，而宽度小于40 m的林带降噪效应则在此距离内减弱，噪音值从路基处85.4～86.6 dB降至80 m处54.4～58.6 dB。郁闭度较大的绿化带有较高的降噪效果，高密度林带的噪音值从路基处84.8～85.4 dB降至80 m处48.4～54.4 dB，低密度林带的噪音值从路基处85.7～86.6 dB降至80 m处56.0～58.6 dB。

（3）绿化带的多种特征因子对其降噪效应发挥综合作用。其中，绿化带宽度、郁闭度、100 m绿化带胸高断面积及绿化带有无灌木呈正相关。表明绿化带宽度、郁闭度及胸高断面积大，绿化带降噪效应大，并且种植灌草对绿化带的降噪能力有正面效应，而与疏透度呈显著负相关。因此，在特定的林带宽度和密度条件下，绿化带树木高大可提高绿化带的降噪效应，林带内增加灌木，也可提高绿化带的降噪效应[4,11]。特别是在噪音污染较为严重的路段，绿化带的降噪效果表现更为突出[5]。本文中，噪音测定传声器为1.2 m的近地距离，而公路绿化带中槐树林树高较低，树冠层在此高度易发挥较强的降噪效果，柳树虽高但枝条下垂且长而柔软，因此降噪效果也强于冠层较高的杨树林带。

（4）道路噪音的绿化衰减与绿化带特征因子之间并非线性关系，因子的综合作更显著，进一步说明利用绿化带降低噪声，其效果取决于绿化带宽度、密度、树木长势、枝叶疏透度以及季节变化等多种因素。

4 结论

（1）公路绿化带噪音衰减格局呈单调递减趋势，噪音衰减在10 m范围内最高，而后逐渐减弱，80 m后趋于零，模型拟合不同水平梯度的噪音衰减效应，以三次多项式拟合度最高。

（2）绿化带10 m内是最佳降噪范围，10～60 m为有效降噪范围，60～80 m是次级降噪范围。从绿化带降噪效应考虑，40 m宽的绿化带即可满足绿化带的降噪要求，但以不超过60 m为宜。

（3）合理栽植绿化树种，使其成林后郁闭度≥0.6，可使噪音值从路基处至 80 m处降低31.0～36.4 dB，达到较好的噪音绿化衰减效应。在特定的林带宽度和密度条件下，绿化带树木高大并且栽植乔灌草复层结构，会增大林带的降噪效应。

（4）道路噪音的绿化衰减与绿化带宽度、郁闭度、100 m绿化带胸高断面积等因子正相关，与疏透度负相关，但绿化衰减与绿化带特征因子之间并非线性关系，因子的互作对降噪效应起到综合作用。

致谢：山西省林业厅及各地林局提供了相关资料与帮助，谨致谢意！

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