基于三次指數(shù)平滑法的烏魯木齊市聲環(huán)境質(zhì)量污染預(yù)測(cè)及應(yīng)用

韓芹芹，李 凡，王 濤，張守斌

（1.烏魯木齊市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，新疆 烏魯木齊 830011；2.新疆維吾爾自治區(qū)自然資源廳機(jī)關(guān)服務(wù)中心，新疆 烏魯木齊 830002；3.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，北京100012；）

0 引言

烏魯木齊市作為新疆維吾爾自治區(qū)的首府，近年來(lái)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、第三產(chǎn)業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)發(fā)展迅速，建成區(qū)面積逐年擴(kuò)展。截止2019年，建成區(qū)面積已達(dá)458.36 km2，常駐人口也較10年前增長(zhǎng)了近70%達(dá)355.2萬(wàn)[1]，城市各類噪聲源數(shù)量和強(qiáng)度也隨之增加，機(jī)動(dòng)車保有量也較10年前增長(zhǎng)了近300%，突破120萬(wàn)輛。噪聲污染不僅影響了城市居民正常的工作、學(xué)習(xí)和生活環(huán)境，還對(duì)居民的身心健康產(chǎn)生了危害，已成為首府重要的環(huán)境問(wèn)題之一。

城市區(qū)域聲環(huán)境和道路交通聲環(huán)境是城市聲環(huán)境常規(guī)監(jiān)測(cè)的重要組成部分，也是城市聲環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要組成部分，若能較為精確地預(yù)測(cè)城市區(qū)域聲環(huán)境和道路交通聲環(huán)境質(zhì)量水平，將有利于城市規(guī)劃、道路施工等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工作的開展。

近年來(lái)，已有部分學(xué)者開展了城市聲環(huán)境質(zhì)量污染模式及預(yù)測(cè)等方面的研究，例如廉婕[2]等以北京市某典型區(qū)域作為研究對(duì)象，運(yùn)用指數(shù)平滑法對(duì)研究區(qū)域的噪聲污染水平進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果顯示該方法適合進(jìn)行中期的區(qū)域聲環(huán)境質(zhì)量水平的預(yù)測(cè)。李建華[3]等通過(guò)對(duì)廈門市環(huán)境噪聲的實(shí)際情況分析并結(jié)合指數(shù)平滑預(yù)測(cè)模型，提出符合當(dāng)前環(huán)境噪聲的分段三次指數(shù)平滑模型，預(yù)測(cè)結(jié)果顯示該方法預(yù)測(cè)未來(lái)中期環(huán)境噪聲準(zhǔn)確率滿足使用需求。通過(guò)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，西部地區(qū)尚未開展城市聲環(huán)境質(zhì)量預(yù)測(cè)模型及應(yīng)用等方面的研究，鑒于此，本文以2011—2021年烏魯木齊市區(qū)域聲環(huán)境和道路交通聲環(huán)境常規(guī)歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，對(duì)全市區(qū)域聲環(huán)境和道路交通聲環(huán)境污染水平和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)，以期為“十四五”及今后一個(gè)時(shí)期首府城市聲環(huán)境污染防治工作提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 聲環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)概況

1.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位

為提高聲環(huán)境質(zhì)量常規(guī)監(jiān)測(cè)結(jié)果的代表性和準(zhǔn)確性，依據(jù)《HJ 640-2012環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范 城市聲環(huán)境常規(guī)監(jiān)測(cè)》（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）和《GB 3096-2008聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》《“十二五”城市環(huán)境綜合定量考核指標(biāo)實(shí)施細(xì)則》的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)和規(guī)范要求，環(huán)保部門于2011年對(duì)全市各類聲環(huán)境常規(guī)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，并沿用至今。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位調(diào)整兼顧了原有點(diǎn)位的穩(wěn)定性和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性。截止2011年底，烏魯木齊市常駐人口321.21萬(wàn)人左右[1]，屬于大型城市，按照《規(guī)范》中“整個(gè)城市建成區(qū)有效網(wǎng)格總數(shù)應(yīng)＞100個(gè)”的相關(guān)要求，在建成區(qū)共設(shè)置了224個(gè)有效監(jiān)測(cè)網(wǎng)格，網(wǎng)格大小1000m×1000m，網(wǎng)格覆蓋面積達(dá)全市建成居住化面積的85%以上，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位設(shè)置在網(wǎng)格中心，當(dāng)中心處不宜布點(diǎn)時(shí)則移至距中心較近的位置監(jiān)測(cè)。按照《規(guī)范》中“巨大、特大城市≥100個(gè)”的相關(guān)要求，道路交通噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)位覆蓋城市建成區(qū)內(nèi)94條道路（快速路、主干線和次干線），共161個(gè)測(cè)點(diǎn)，路段總長(zhǎng)度378.41 km。

1.2 監(jiān)測(cè)方法

按照《規(guī)范》及每年度下發(fā)的《全國(guó)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)方案》的相關(guān)要求，區(qū)域環(huán)境噪聲在每年9月晝間正常工作時(shí)段監(jiān)測(cè)，每個(gè)點(diǎn)位測(cè)量10 min的等效連續(xù)A聲級(jí)Leq；道路交通噪聲在每年5月晝間正常工作時(shí)段監(jiān)測(cè)，每個(gè)點(diǎn)位測(cè)量20 min的等效連續(xù)A聲級(jí)Leq并記錄車流量，噪聲監(jiān)測(cè)同時(shí)均記錄累積百分聲級(jí)和標(biāo)準(zhǔn)差（SD）。監(jiān)測(cè)采用HS6288型等精度為2級(jí)以上的積分式聲級(jí)計(jì)，測(cè)量前后均進(jìn)行聲學(xué)校準(zhǔn)，靈敏度相差不得大于0.5dB（A）。出現(xiàn)不合邏輯的異常數(shù)據(jù)（Leq＞L10）時(shí)，必須重新監(jiān)測(cè)，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有效性在99%以上。

1.3 噪聲評(píng)價(jià)方法

根據(jù)《規(guī)范》，城市晝間聲環(huán)境總體水平是將全市晝間所有網(wǎng)格測(cè)點(diǎn)的等效聲級(jí)取算術(shù)平均。

式中：—城市區(qū)域晝間平均等效聲級(jí)， dB（A）；Li—第i個(gè)網(wǎng)格的等效聲級(jí)，dB（A）；n—有效網(wǎng)格總數(shù)。

根據(jù)《規(guī)范》，道路晝間平均等效聲級(jí)采用路段長(zhǎng)度加權(quán)算術(shù)平均法。

式中：L—道路晝間平均等效聲級(jí)，dB（A）；l—監(jiān)測(cè)的路段總長(zhǎng)，m；li—第i測(cè)點(diǎn)代表的路段長(zhǎng)度，m；Li—第i測(cè)點(diǎn)測(cè)得的等效聲級(jí)，dB（A）。

根據(jù)《規(guī)范》，將計(jì)算所得的城市區(qū)域環(huán)境噪聲總體水平和道路交通噪聲平均值的強(qiáng)度級(jí)別分別按表1進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 評(píng)價(jià)結(jié)果

表2 2011—2021年區(qū)域、交通聲環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果 （dB(A)）

2011年以來(lái)，對(duì)每年度烏魯木齊市全部區(qū)域網(wǎng)格測(cè)點(diǎn)測(cè)得的晝間等效聲級(jí)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，獲得全市區(qū)域聲環(huán)境總體水平在52.6～55.0dB（A），均屬于二級(jí)（較好）等級(jí)；對(duì)每年度全部道路交通測(cè)點(diǎn)測(cè)得的晝間等效聲級(jí)進(jìn)行加權(quán)算術(shù)平均運(yùn)算，獲得全市道路交通聲環(huán)境總體水平在62.6～67.7dB（A），均屬于一級(jí)（好）等級(jí)。用spearman秩相關(guān)系數(shù)法對(duì)區(qū)域聲環(huán)境和道路交通聲環(huán)境分別進(jìn)行趨勢(shì)分析，2011—2021年的rs值分別為0.65和-0.70，與Wp相比，≤Wp 表明全市區(qū)域聲環(huán)境質(zhì)量變化趨勢(shì)總體比較平穩(wěn)。

3 指數(shù)平滑預(yù)測(cè)模型

指數(shù)平滑法[4]最早由布朗在1959年提出，其原理是任一期的指數(shù)平滑值都是本期實(shí)際觀察值與前一期指數(shù)平滑值的加權(quán)平均。當(dāng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)呈非線性變化趨勢(shì)時(shí)，可采用三次指數(shù)平滑模型進(jìn)行預(yù)測(cè)[2]。為提高模型的預(yù)測(cè)精度，周炳飛[5]指出傳統(tǒng)的指數(shù)平滑模型的參數(shù)應(yīng)考慮到時(shí)間序列的變化起伏，又提出動(dòng)態(tài)指數(shù)平滑模型。

3.1 指數(shù)平滑法的基本公式

指數(shù)平滑值的基本公式為：

式中：St和St-1—分別為第t周期和第t-1周期的指數(shù)平滑值；Xt—第t周期的實(shí)測(cè)值；α—平滑系數(shù)（0≤α≤1）；t—周期數(shù)（t=1，2，3...）。

當(dāng)時(shí)間序列呈水平、直線和非線性趨勢(shì)時(shí)，需要采用的平滑公式分別為：

式中：St（1）、St（2）、St（3）—各次指數(shù)平滑值，通過(guò)逐層平滑計(jì)算以消除隨機(jī)因素的影響，找出預(yù)測(cè)的基本變化。

周炳飛[5]提出的動(dòng)態(tài)指數(shù)平滑法是令動(dòng)態(tài)平滑系數(shù)（當(dāng)t＞1時(shí)，0＜tφ＜1）得到平滑公式分別為：

3.2 初始估計(jì)值和預(yù)測(cè)精度

當(dāng)原時(shí)間序列數(shù)＜15時(shí)，初始估計(jì)值是對(duì)前3期實(shí)測(cè)值取算術(shù)平均。平滑系數(shù)α取值與預(yù)測(cè)的精度關(guān)系密切，可直接反映預(yù)測(cè)成功與否，并可用于評(píng)價(jià)這一方法是否實(shí)用，當(dāng)時(shí)間序列較平穩(wěn)時(shí)取較小的0.05～0.2，當(dāng)時(shí)間序列波動(dòng)時(shí)取值介于0.3～0.8，實(shí)際中一般先選幾個(gè)α試算，應(yīng)取誤差（均方差MSE）最小的α值。

式中：Xt—實(shí)測(cè)值，Yt—預(yù)測(cè)值，

3.3 預(yù)測(cè)模型的建立

計(jì)算出指數(shù)平滑值后，針對(duì)城市聲環(huán)境質(zhì)量與時(shí)間呈非線性變化趨勢(shì)，可選擇包含3個(gè)模型參數(shù)的2次方程作為非線性指數(shù)平滑預(yù)測(cè)模型：

式中：Y1+m—聲環(huán)境預(yù)測(cè)值，m—目前序列數(shù)t到需要預(yù)測(cè)的時(shí)間序列數(shù)，at、bt、ct—模型參數(shù)，如下所示：

4 預(yù)測(cè)模型運(yùn)算

4.1 指數(shù)平滑運(yùn)算

本文選擇2011—2021年烏魯木齊市區(qū)域聲環(huán)境和道路交通聲環(huán)境常規(guī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)序列，從時(shí)間序列監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可見，城市聲環(huán)境質(zhì)量和時(shí)間序列呈非線性關(guān)系，因此，對(duì)該序列采用3次指數(shù)平滑法計(jì)算。

平滑系數(shù)α取0.10、0.30、0.60和0.80共4個(gè)數(shù)值分別進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)平滑測(cè)算，并選取最小的MSE值作為最佳α取值[2]。經(jīng)過(guò)計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，α=0.8時(shí)，區(qū)域聲環(huán)境和道路交通聲環(huán)境的靜態(tài)平滑預(yù)測(cè)精度分別為98.6%和98.0%，動(dòng)態(tài)平滑預(yù)測(cè)精度分別為98.7%和98.1%，詳見表3。

表3 平滑系數(shù)α不同時(shí)聲環(huán)境污染預(yù)測(cè)誤差統(tǒng)計(jì)

選取α=0.8的平滑指數(shù)，分別代入公式（2）～（4）及（5）～（7）中，進(jìn)行區(qū)域聲環(huán)境和道路交通聲環(huán)境的三次指數(shù)平滑值計(jì)算，詳見表4。

4.2 污染預(yù)測(cè)

將表4中三次指數(shù)平滑值的計(jì)算結(jié)果，分別代入公式（10）～（12）中，計(jì)算出模型參數(shù)at、bt、ct并代入公式（9）中，進(jìn)一步建立各時(shí)間序列預(yù)測(cè)起點(diǎn)的數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型，對(duì)2011—2021年的區(qū)域聲環(huán)境和道路交通聲環(huán)境進(jìn)行驗(yàn)證性“預(yù)測(cè)”，詳見表5。

表4 2011—2021年區(qū)域、交通聲環(huán)境污染指數(shù)平滑值 （dB(A)）

從計(jì)算誤差來(lái)看，區(qū)域聲環(huán)境和道路交通聲環(huán)境靜態(tài)平均絕對(duì)誤差分別為0.118和0.025，動(dòng)態(tài)平均絕對(duì)誤差分別為0.119和0.024，預(yù)測(cè)效果均較好。因此，所求出的預(yù)測(cè)模型可作為烏魯木齊市區(qū)域聲環(huán)境和道路交通聲環(huán)境污染預(yù)測(cè)模型。

將表5中a11、b11和c11數(shù)據(jù)代入公式（9），得到烏魯木齊市聲環(huán)境污染指數(shù)平滑預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型為：

區(qū)域環(huán)境噪聲：Y11+m=54.50-0.001×m-0.000291×m2

交通環(huán)境噪聲：Y11+m=64.85+0.0044×m+ 0.001648×m2

采用該預(yù)測(cè)模型對(duì)烏魯木齊市未來(lái)10年環(huán)境噪聲進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果詳見表6。

表6 2022—2031年區(qū)域、交通聲環(huán)境污染預(yù)測(cè)結(jié)果 （dB(A)）

對(duì)烏魯木齊市2022—2031年的聲環(huán)境質(zhì)量水平進(jìn)行預(yù)測(cè)，期間區(qū)域聲環(huán)境質(zhì)量水平總體保持在54.5dB（A）以內(nèi)，均屬于二級(jí)（較好）等級(jí)；道路交通聲環(huán)境質(zhì)量水平總體保持在65.0dB（A）以內(nèi)，均屬于一級(jí)（好）等級(jí)，聲環(huán)境質(zhì)量將處于一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)的階段。

5 結(jié)果與討論

“十一五”時(shí)期以來(lái)，烏魯木齊市圍繞市民對(duì)噪聲污染問(wèn)題的信訪投訴，持續(xù)加大噪聲污染綜合防治工作力度。在重點(diǎn)加強(qiáng)交通運(yùn)輸噪聲管控的同時(shí)，不斷強(qiáng)化社會(huì)生活、工業(yè)企業(yè)噪聲和建筑施工噪聲污染控制的管控，對(duì)噪聲污染防治實(shí)施聯(lián)合監(jiān)督管理，暢通“12369”“110”“12319”舉報(bào)熱線，及時(shí)處理和解決噪聲污染問(wèn)題，結(jié)合“綠色護(hù)考”等專項(xiàng)行動(dòng)，進(jìn)一步降低噪聲對(duì)社會(huì)生活的影響，推動(dòng)聲環(huán)境質(zhì)量不斷改善。

從歷史監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，全市區(qū)域聲環(huán)境質(zhì)量均為“二級(jí)（較好）”等級(jí)，道路交通聲環(huán)境質(zhì)量均為一級(jí)“好”等級(jí)，據(jù)此建立非線性3次指數(shù)平滑模型。從預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的比較來(lái)看，與烏魯木齊市的聲環(huán)境污染狀況基本一致，預(yù)測(cè)效果比較可靠，可用于首府城市聲環(huán)境質(zhì)量短期及中期預(yù)測(cè)，可為上級(jí)管理部門開展噪聲污染防治工作提供一定的依據(jù)。進(jìn)而利用該模型對(duì)未來(lái)10年首府聲環(huán)境質(zhì)量水平進(jìn)行預(yù)測(cè)，區(qū)域聲環(huán)境質(zhì)量水平繼續(xù)保持在二級(jí)（較好）等級(jí)以內(nèi)，道路交通聲環(huán)境質(zhì)量水平繼續(xù)保持在一級(jí)（好）等級(jí)以內(nèi)。

雖然預(yù)測(cè)結(jié)果顯示今后首府聲環(huán)境質(zhì)量將繼續(xù)處于一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)的階段，烏魯木齊市仍要充分結(jié)合城市道路交通系統(tǒng)的建設(shè)完善及機(jī)動(dòng)車數(shù)量快速增長(zhǎng)的實(shí)際，找準(zhǔn)治理重點(diǎn)，采取綜合措施，進(jìn)一步加大隔聲屏、綠化帶等隔聲降噪設(shè)施建設(shè)，合理道路規(guī)劃建設(shè)，采取更有效的施工和建材技術(shù)降低交通噪聲影響[6-8]；同時(shí)持續(xù)做好社會(huì)生活、建筑施工和工業(yè)企業(yè)等噪聲監(jiān)督管理，并進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)新修訂《中華人民共和國(guó)噪聲污染防治法》的宣傳教育力度，充分發(fā)揮新聞媒體宣傳陣地作用，提高各級(jí)生態(tài)環(huán)境部門和人民群眾對(duì)噪聲污染防治工作的認(rèn)識(shí)。

另外，值得一提的是，噪聲的產(chǎn)生帶有很多隨機(jī)性，任何預(yù)測(cè)模型都會(huì)存在一定的缺陷，該方法也存在一定的探索性和不足之處。首先，指數(shù)平滑法是基于歷史數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)，而歷史數(shù)據(jù)又會(huì)受到很多因素的干擾，該方法尚不適合于長(zhǎng)期的預(yù)測(cè)，誤差比較大。其次，就模型本身而言，平滑系數(shù)的選取是直接影響預(yù)測(cè)精度和預(yù)測(cè)期限長(zhǎng)短的關(guān)鍵因素，需要謹(jǐn)慎并適當(dāng)?shù)倪x取。最后，受評(píng)價(jià)方法過(guò)于宏觀的影響[9]，本次只是基于全市聲環(huán)境總體水平基礎(chǔ)上的預(yù)測(cè)，還未能與噪聲污染治理效果、管理水平及周邊居民的居住聲環(huán)境相掛鉤。而區(qū)域環(huán)境噪聲變化存在著方向異性特點(diǎn)，受網(wǎng)格所在功能區(qū)以及各類聲源的影響，道路交通噪聲受路段起止、長(zhǎng)寬度、車道數(shù)、道路等級(jí)、覆蓋人口、高峰時(shí)段重型及輕型車流量等因素的影響，因此對(duì)于部分長(zhǎng)期超標(biāo)的點(diǎn)位而言，模型運(yùn)用存在一定的局限性，建議今后綜合考慮這些影響因素，并賦予不同的權(quán)重，進(jìn)一步開展聲環(huán)境影響預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)工作。