Оперативные карты шума для железнодорожного транспорта: назначение, общие требования и примеры применения

Автор: Буторина М.В.

Введение

 

Железнодорожный транспорт – один из основных источников шума в жилой застройке. Исторически так сложилось, что железнодорожные вокзалы строились в центре города либо города вырастали вокруг вокзалов, поэтому железнодорожные ветки зачастую проходят через районы с плотной жилой застройкой.

Наиболее полное представление акустической обстановки вблизи железнодорожных магистралей представляют карты шума, которые разрабатываются на основании действующих в стране стандартов и расчетных методик по оценке уровней шума. В Европе законодательная база для составления карт шума представлена Директивой Европейского парламента 2002/49/ЕС по шуму в окружающей среде. Согласно данной Директиве предусматривается разработка карт шума городов, автомобильных и железных дорог, а также разработка планов действий для нагруженных железнодорожных направлений, проходящих вблизи территорий жилой застройки.

В нашей стране первые карты шума появились в начале 70-х годов прошлого столетия. Они выполнялись по результатам натурных измерений. На основании полученных измерений рассчитывались эквивалентные уровни звука, полученные значения наносились на карту в соответствующих точках замеров.

При помощи таких карт шума невозможно объективно оценить размер городских территорий, подвергающихся воздействию повышенных уровней шума. Для разработки шумовых карт города необходимо применять новые подходы и методы, разработанные с учетом мирового опыта оценки и мониторинга шума.

 

 

1. Источники шума железнодорожного транспорта

 

Уровни шума российских поездов высоки. В России не существует технических норм, которые бы ограничивали шум поездов. В таких станах Европы, как Италия и Финляндия, они есть. В таблице 1 приводится сравнение данных об уровнях шума российских поездов с европейскими нормами. Как показывает сравнение, уровни шума российских поездов на 5-10 дБА превышают нормы, установленные в Европе.

 

Таблица 1. Уровни шума российских поездов в сравнении с западными нормами

Тип поезда	УЗ на 25 м, дБА		Превышение норм, дБА
	Европа	Россия
Электропоезд	83	90	7
Грузовой локомотив	84	89	5
Дизельный локомотив	88	95	7
Пассажирский поезд	90	95	5
Ремонтные составы	83-85	95	10-12

 

На уровень шума потока железнодорожного транспорта влияют также такие факторы, как интенсивность движения, скорость и длина поездов. Для оценки уровней шума на прилегающей территории применяются расчетные методики, основанные на действующих нормативных документах, и принимающие во внимание все вышеперечисленные факторы.

 

 

2. Расчетные методики по оценке шума железнодорожного транспорта

 

Большинство национальных расчетных методик предполагают расчет эквивалентного уровня звука, создаваемого потоком железнодорожных поездов на базовом расстоянии, за которое обычно принимается 25 м. Российская и скандинавская методики позволяют также оценить максимальные уровни шума. Австрийская методика предполагает расчет уровней звукового давления в октавных полосах частот.

Исходные данные для расчетных моделей также различны. Скандинавская и российская методики полагают, что все поезда одного типа при одинаковой скорости и длине создают равные уровни шума. Немецкая методика в качестве поправки вводит процент дисковых тормозов. Кроме того, в немецкой методике принимается бонус в -5 дБА при оценке железнодорожного шума, поскольку, согласно исследованиям, железнодорожный шум вызывает меньшее беспокойство, чем шум автотранспорта. В британской методике шум поезда составляется из шума локомотивов и отдельных вагонов. При этом также вводится поправка на количество осей.

Все расчетные методики можно условно разделить на расчет шумовой характеристики и расчет распространения шума на территории. Для оценки уровней шума железной дороги были выбраны следующие методики:

• Schall 03 / DIN 18005 (Германия);
• Calculation of Railway Traffic Noise – CoRN (Англия);
• Nordic Rail Prediction Method (Скандинавские страны);
• Nord 2000 (Скандинавские страны);
• Российская расчетная модель (НИИСФ, 1993 г.).

На рис. 1 показано сравнение расчетных шумовых характеристик, полученных по различным методикам. Уровни рассчитаны для поездов одинакового типа и длины, двигающихся с равной скоростью при одинаковой интенсивности движения.

Рис. 1. Сравнение расчетных шумовых характеристик

 

Как показывает сравнение, результаты расчетов отличаются на величину до 10 дБА. Наиболее близкие значения к российской методике дает скандинавский метод расчета. Максимальные уровни шума получены при использовании российской расчетной методики, что соответствует полученному ранее выводу о более высоких уровнях российских поездов по сравнению с западными.

На рис. 2 показано сравнение результатов расчета уровней шума в расчетных точках с результатами измерений.

Рис. 2. Сравнение результатов расчета уровней шума в расчетной точке

 

Как показывает сравнение, наиболее близкие результаты к измеренным дают российская, а также скандинавская методики. Однако с увеличением расстояния наблюдается расхождение данных расчета и замеров. Анализ показывает, что в этом случае необходимо более точно учитывать влияние поглощения поверхности и метеорологических факторов. Исследования скандинавских ученых, произведенные при помощи методики Nord2000, показывают, что влияние данных факторов может достигать 7 дБА. На рис. 3 а) и б) представлены вертикальные карты шума, построенные в программе SoundPLAN с использованием старой и новой скандинавских методик расчета. При этом вторая методика (рис. 4) учитывает влияние погодных факторов.

 

 

а)

б)

Рис. 3. Вертикальные карты шума, построенные по: а) скандинавской методике, б) Nord2000

 

2       Современные методы построения карт шума

 

Основой для создания карт шума является Директива ЕС 2002/49/ЕС. Согласно этой Директиве карты шума должны содержать информацию о существующей или прогнозируемой акустической ситуации, превышении нормативных значений уровня шума, количестве людей, подвергающихся повышенным уровням шума, а также количестве жилых домов, больниц и школ, расположенных на рассматриваемом участке. Карты составляются расчетным путем. Карты шума представляются в графическом виде, в табличном виде или как численные значения в электронном виде. Карты строятся для шума авто-, железнодорожного и авиатранспорта, а также для промышленных предприятий. На карте должны быть представлены уровни звука в дневное или ночное время с шагом в 5 дБА на высоте 4 м. Карты, представляющие прогнозируемые уровни звука, создаются расчетным методом при помощи компьютерных расчетных программ в соответствии с приведенными в Директиве формулами.

Согласно европейскому законодательству карты шума должны быть составлены для всех:

• населенных пунктов с населением более 100 тыс. жителей;
• автомагистралей с интенсивностью движения более 3 млн. автомобилей в год;
• железных дорог с интенсивностью движения более 30 тыс. поездов в год;
• аэропортов с интенсивностью движения более 50 тыс. операций в год.

Процесс составления карты шума можно подразделить на следующие этапы:

1. сбор данных об источниках шума (транспорт, промышленные источники);
2. составление модели местности (здания, рельеф и т.п.);
3. выполнение расчетов;
4. анализ полученных данных и разработка рекомендаций.

Собранные на первом этапе данные используются для расчета эквивалентного уровня шума на определенном стандартом расстоянии и по стандартизованной методике. При моделировании распространения звука в застройке используется двумерная модель зданий, если известна высота здания, эта модель становится трехмерной. Далее производятся расчеты распространения звука по установленным стандартам. Результаты расчетов накладываются на электронную карту города.

В Директиве ЕС говорится, что карты шума должны представлять уровни шума на рассматриваемой территории. Для оценки влияния шума на население в качестве индикаторов выбираются эквивалентные уровни звука (L_Аэкв) в дневное и ночное время, определяемые в соответствии с действующей нормативной документацией. Карты шума должны пересматриваться и обновляться не реже, чем один раз в пять лет после даты их составления, и предоставляться в службы мониторинга. В России составление карт шума в составе проектов строительства и реконструкции объектов является одним из основных требований, действующих строительных норм и правил.

Целью шумовой картографии является предоставление информации администрации и населению о шумовом режиме территорий. Шумовые карты используются для разработки стратегических планов в области борьбы с шумом.

Следует отметить, что применение западных расчетных методов в России требует значительной адаптации к местным условиям (действующим нормативам, шумовым характеристикам отечественных автомобилей, поездов и т.п.), т.к. расчетные уровни шума, полученные по российским методикам, значительно отличаются от западных.

Кроме того, принятое в некоторых моделях допущение о точечном типе источника сильно упрощает расчетные модели и не соответствует российским стандартам. Расчетные методики, применяемые при разработке карт шума, также должны быть адаптированы к стандартам РФ, что является необходимым требованием оценки и согласования проекта в контрольных органах.

Новое направление в разработке карт шума – это применение программного обеспечения для расчета уровней шума в любой точке городской застройки. В качестве исходных данных для построения карты шума применяются цифровые карты местности, а также результаты инструментальных измерений и расчетов шума транспорта и стационарных источников. Калибровка карт шума производится при помощи замеров уровней шума на территории городской застройки.

На основании западного опыта борьбы с шумом специалистами Германии была разработана расчетная компьютерная программа SoundPlan, основанная на стандартах по шуму Австрии, Англии, Германии, Скандинавии, Швейцарии, США, а также на стандартах ISO, которая в настоящее время является одним из мировых лидеров программных продуктов для построения карт шумового и прочего загрязнения воздушной среды и проектирования средств защиты от шума. Программный пакет работает под современными операционными системами, включает удобную двух- и трехмерную графику, а также расчетные методики, позволяющие проводить картографирование акустического загрязнения, как малой территории, так и таких комплексных объектов со многими источниками шума, как мегаполис. Математические модели, лежащие в основе расчетов, основаны на государственных стандартах европейских стран и США. В настоящее время специалистами БГТУ «ВОЕНМЕХ» произведен перевод программы на русский язык и адаптация ее к российским расчетным методикам.

Исходные данные для построения карт шума в программе SoundPLAN могут быть получены как путем измерений, так и расчетным путем. Исходная информация о местности и защищаемых объектах вводится из геоинформационных систем, файлов AutoCAD либо путем сканирования и оцифровки карт в программе SoundPLAN. В программе также имеется возможность импортировать файлы из форматов программ MapInfo и ArcView. Программа дает возможность проектировщикам оценить акустическое загрязнение окружающей среды, выбрать и оптимизировать методы борьбы с шумом, а также построить наглядные карты шума как для малых проектов, так и для больших агломераций. Пример представления результатов картирования представлен на рис. 4.

 

Рис. 4. Карта шума в жилой застройке, разработанная с помощью программы SoundPLAN

 

Таким образом, карты шума являются действенным инструментом при разработке и внедрении шумозащитных мероприятий, поскольку они позволяют:

1. Осуществлять выбор точек для акустического мониторинга и проводить акустический мониторинг.
2. Оценивать фоновые уровни шума в любой точке города при проектировании новой застройки.
3. Обосновывать оценку высвобождения отдельных территорий под новое строительство.
4. Оценвать перечень необходимых шумозащитных мероприятий при проектировании различных объектов.
5. Проводить акустическую оценку территории жилой застройки и экономическое обоснование стоимости жилья с учетом акустического комфорта.
6. Моделировать изменение акустического воздействия на население при изменении характеристик транспортных узлов и потоков.

 

3       Карты шума железных дорог

 

Карта шума участка железной дороги строится с использованием программного комплекса. Результатом является плоская 2-х мерная карта шума, фасадная 3-хмерная карта шума, а также трехмерные разрезы характерных участков дороги с учетом акустических экранов.

Для разработки комплекса шумозащитных мероприятий строится карта шума территории, прилегающей к железной дороге.

При построении карты шума с учетом экранов вся территория также разбивалась на расчетные точки по сетке с шагом 10 м. После определения уровней шума в расчетных точках, точки с равными уровнями звука соединялись изолиниями, в результате чего получились линии равного уровня звука на территории с шагом в 5 дБА, что соответствует условиям нормирования шума. На карте голубым цветом выделяются дома, попадающие в область повышенного шумового воздействия (рис. 5).

 

Рис. 5. Карта шума вблизи железной дороги без мероприятий шумозащиты

 

Следует отметить, что произведенные измерения на данном участке показывают, что измеренные уровни шума отличаются от расчетных не более, чем на 2 дБА. Следовательно, карта представляет объективную информацию об акустической нагрузке.

После построения карты производится выбор оптимальных мероприятий шумозащиты.

При проектировании высокоскоростной магистрали Санкт-Петербург-Москва были оценены уровни шума в 96 населенных пунктах и разработаны мероприятия шумозащиты, которые включают следующие мероприятия:

• расселение домов (57 зданий);
• шумозащитное остекление (286 зданий);
• акустические экраны (280 км высотой 4 м и выше).

Кроме того, предполагается использование малошумных высокоскоростных поездов, а также применение специального вибропоглощающего основания путей.

После применения мероприятий шумозащиты вновь строится карта шума (рис. 6). Не ней получены размеры санитарного разрыва для ночного времени после применения шумозащиты, который соответствует изодецибелу 45 дБА, при применении шумозащитного остекления зона санитарного разрыва пройдет по изодецибелу 55 дБА, так как согласно санитарным нормам эквивалентные и максимальные уровни звука в дБА для шума, создаваемого на территории средствами транспорта в 2 м от ограждающих конструкций первого эшелона шумозащитных типов жилых зданий, зданий гостиниц, общежитий, обращенных в сторону магистральных улиц общегородского и районного значения, допускается принимать на 10 дБА выше.

 

 

Рис. 6. Карта шума вблизи железной дороги после применения мероприятий шумозащиты

 

Как показывают расчеты, после применения комплекса шумозащитных экранов и шумозащитного остекления предельно допустимые уровни шума в жилой застройке будут обеспечены, а в зону санитарного разрыва от железной дороги нормируемые объекты не попадут.

Для оценки эффекта экранирования и выбора высоты экрана строятся трехмерные карты шума (рис. 7). Карты позволяют оценить необходимую высоту экрана и определить этажи зданий, которые подлежат шумозащитному остеклению.

 

Рис. 7. Трехмерная карта шума железной дороги с учетом акустического экрана

 

5. Выделение фоновых источников шума

 

Карты шума позволяют также выработать комплексный подход к назначению шумозащитных мероприятий. Так, например, в городской застройке часты случаи, когда помимо железной дороги на жилую застройку оказывают влияние автомобильные дороги.

Именно для такого случая при помощи программы SoundPLAN была построена карта шума участка железной дороги с учетом фоновых уровней шума (рис. 8 а и б). Для картирования был выбран участок с жилыми зданиями высотой 5-9 этажей, расположенными на расстоянии 50 и более метров от железной дороги.

Разработанная карта шума помогла определить вклад железной дороги в акустическое загрязнение данной территории, а также разработать мероприятия по шумозащите. Поскольку на данном участке высок вклад автотранспортного шума, наиболее целесообразным мероприятием шумозащиты является специальное шумозащитное остекление.

 

 

а) б)   Рис. 8. Карта шума участка железной дороги: а) с учетом вклада автотранспорта, б) без учета вклада автотранспорта

 

Разработанные карты шума помогли также выработать решение вопроса об учете фоновых уровней шума. Эксперты сходятся во мнении, что при строительстве или реконструкции железной дороги защищать следует только те дома, на которые она оказывает влияние, но при оценке требуемой звукоизоляции учитывать фоновые уровни шума, создаваемые прилегающими автомобильными дорогами.

 

 

Заключение

 

Железнодорожный транспорт является одним из основных источников шума в жилой застройке. Шум поезда складывается из шума качения, шума двигателя и аэродинамического шума. Российские поезда на 7-10 дБА более шумные, чем западные. Для расчета железнодорожного шума российских дорог более целесообразно использовать расчетные методы, адаптированные к российским условиям. Карта шума является важным инструментом, помогающим оценить уровни шума и разработать мероприятия шумозащиты. Мероприятия по снижению шума железных дорог включают расселение, шумозащитное остекление, установку акустических экранов и применение вибропоглощающего основания путей. При выборе шумозащитных мероприятий необходимо оценивать фоновые уровни шума в жилой застройке.

 

 

Литература

 

1. М.В. Буторина. Оценка уровней шума железнодорожного транспорта, Труды конгресса ELPIT, Тольятти, 2007.
2. Буторина М.В. Составление карт шума территории Санкт-Петербурга, Известия Самарского научного центра РАН, 2007.
3. Буторина М.В., Иванов Н.И., Куклин Д.А. Распространение шума поездов в окружающей среде. Труды конгресса ELPIT, Тольятти, 2009.
4. Иванов Н.И., Прокудин И.В., Дариенко И.Н., Куклин Д.А., Буторина М.В., Тюрина Н.В. Проблема снижения шума и вибрации поездов. Сборник трудов II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Защита населения от повышенного шумового воздействия», СПб, 17-19 марта, 2009 с. 9-35.
5. Иванов Н.И., Куклин Д.А. Проблема шума железнодорожного транспорта и пути ее решения. Сборник трудов III Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Защита населения от повышенного шумового воздействия», СПб, 22-24 марта, 2011 стр. 108-123.