|
| |
Modelování hluku ze silniční dopravy v oblasti městské zástavby
Antonín ORLÍK
institut geoinformatiky
VŠB - Technická univerzita Ostrava
tř. 17. Listopadu
708 33 Ostrava - Poruba
E - mail: a.orlik@seznam.cz
Abstract
This thesis inquires into spreading noise produced by road traffic and also into computation and interpreting the noise insisting on terrain, green vegetation and building effects. These effects strongly change final noise level, especially in town residential area.
The knowledge of traffic intensity, traffic structure, influence of buildings, terrain and land surface makes the detection of traffic noise possible for any place in the investigated area. That allows making maps of traffic noise. Using suitable GIS tools, in this case ArcInfo system and its macro language AML, allows solving the problem of detection and visualization traffic noise.
Abstrakt
Tato práce se zabývá šířením hluku způsobeného silniční dopravou, jeho modelováním a interpretací s důrazem na vlivy terénu, zeleně a zástavby, které především v městském prostředí výrazně ovlivňují výslednou hladinu hluku.
Ze znalosti intenzity dopravy, skladby dopravního proudu a vlivu budov, terénu a jeho povrchu lze stanovit ekvivalentní hladinu hluku na kterémkoliv místě dané oblasti a získat tak mapu ekvivalentních hladin akustického tlaku, nazývanou též hlukovou mapou. Vhodné použití nástrojů pro GIS, v tomto případě prostředí ArcInfo a jeho makrojazyk AML, umožňuje efektivně a spolehlivě řešit problém výpočtu a vizualizace hlukových map.
Úvod do problematiky
Hluk, ať už se jedná o hluk způsobený silniční, kolejovou nebo leteckou dopravou, hluk na pracovišti, hluk pocházející z blízké továrny nebo už třeba jen hluk od ventilátorů našich stále výkonnějších počítačů, člověka obtěžuje stále častěji a intenzivněji.
Všudypřítomný hluk vstupuje často do podvědomí člověka jako součást života a málokdo si uvědomuje jeho škodlivost. Nadměrný hluk představuje riziko vzniku poškození sluchu a působí na psychiku člověka. Zasahuje do normálních regulačních pochodů, zvyšuje nemocnost, zhoršuje komunikaci mezi lidmi a podobně. Existují studie, které připouštějí např. vzestup rizika infarktu myokardu, a to v hladinách dopravního hluku už od 60dB.
V městském prostředí je hlavním zdrojem hluku silniční a kolejová doprava. Stále se zvyšující počet automobilů na silnicích má za následek zvyšující se intenzitu hluku, a to i přesto, že hlučnost automobilů má s technickým vývojem klesající tendenci. Nadměrným hlukem ze silniční dopravy je v ČR zasaženo přibližně 40% obytných budov.
Teprve v posledních letech se tento problém začíná řešit. K posouzení hlukové situace je výhodné mít k dispozici tzv. hlukovou mapu pro danou oblast, což je jednoduše řečeno mapa, která spojitě zobrazuje rozložení hluku v oblasti s vyznačením některých důležitých izofon. Hluková mapa může najít široké uplatnění - např. při posuzování vlivů na životní prostředí (EIA), při integrované prevenci a omezování znečištění (IPPC), jako podklady pro územní, stavební nebo kolaudační řízení, při řešení stížností občanů na nadměrný hluk, nebo třeba i pro informaci občanům, kteří se tak mohou rozhodnout o vhodnosti případného bydlení v dané lokalitě nebo nalezení tichých zón ve městě k odpočinku a rekreaci.
V současné době se v ČR zjišťuje hluk způsobený silniční dopravou nejčastěji měřením pomocí měřících aparatur přímo v terénu. Tento způsob však neumožňuje prezentovat sledovanou veličinu spojitě, je závislý na momentální dopravní situaci v době měření, je časově náročný a rovněž vyžaduje vysoké vstupní náklady na pořízení měřících aparatur a na obsluhu během měření. V lepším případě je použito podpůrné programové vybavení, které umožní kvalitnější zpracování a získání většinou jednoúčelového grafického výstupu. Sofistikovanější programové prostředky umožňují hlukovou mapu vytvořit na základě zadání vstupního modelu s grafickou a atributovou složkou definující útlumové faktory pro danou oblast a dopravní situaci na sledovaných silničních komunikacích. Výpočet pak probíhá na základě schválené metodiky pro danou zemi (metodiky se mohou lišit v závislosti na průměrném stáří a typech automobilů, které se v dané zemi nejčastěji vyskytují na silnicích).
Hluková mapa vytvořená na základě modelování má oproti hlukové mapě vytvořené na základě měření tu výhodu, že může zobrazovat hlukové poměry pro neexistující, např. pro plánovanou urbanistickou a dopravní situaci stejně tak dobře, jako pro aktuální situaci. Tím se nabízí možnost optimalizace situace vedoucí k zamezení porušování stanovených hlukových limitů, které jsou stanoveny Nařízením vlády o ochraně zdraví před nepříznivými účinky hluku a vibrací.
Hluk ze silniční dopravy
Hladiny hluku vyvolané jednotlivými dopravními prostředky jsou závislé především na skladbě, hustotě a rychlosti dopravního proudu, a na druhu pokryvu vozovky, případně na režimu práce motoru. Imisní hodnoty hluku v posuzovaném bodě pak závisí na útlumových faktorech prostředí, jako je zejména útlum vlivem přízemního efektu, kde rozlišujeme, šíří-li se zvuk na terénem akusticky pohltivým (tráva, obilí nízké zemědělské kultury) nebo odrazivým (beton, asfalt, vodní hladina), útlum vlivem vzrostlé zeleně a útlum zvuku vlivem překážek.
Na základě fyzikálně a experimentálně vytvořených, odborně prověřených matematických vztahů lze s pomocí faktorů a parametrů získaných vhodným zpracováním potřebných vstupních geodat stanovit tzv. ekvivalentní hladinu akustického tlaku, chcete-li hluku, pro kterýkoliv bod příslušné oblasti v jakékoliv výšce nad terénem.
Většina vstupních dat, zejména grafická složka, již na různých místech ČR existuje v digitální podobě, jelikož jsou používána v GIS. Málokterý programový prostředek určený pro tvorbu hlukových grafických výstupů (nikoliv map) však umožňuje přímý vstup těchto dat z GIS a opětovný výstup do GIS, pro který může být často výsledek modelování hluku určen. Dá-li se vůbec takový programový prostředek najít, bude mít jistě potíže při změně legislativy nebo metodiky, ke kterým občas dochází, zejména pak s blížícím se vstupem do Evropské unie.
Tyto uvedené nedostatky jsou aktuálně řešeny v rámci diplomové práce s názvem Modelování hluku ze silniční dopravy v oblasti městské zástavby. Celá problematika vstupu dat, jejich zpracování, vyčíslení potřebných parametrů pro modelovou rovnici a výpočet hluku v dané oblasti je řešen s pomocí jediného skriptu napsaném v jazyce AML (ArcInfo Macro Language). Výhodou takového skriptu je zejména přímá vazba na v ČR hojně používaný systém ArcInfo (resp. ArcGIS) pro tvorbu GIS a tím i přímá vazba na požadovaná vstupní data, dále pak flexibilita, spolehlivost, minimalizace nároků na uživatele a řada dalších. Nevýhodou pak může být v případě individuálního zájmu nutnost vlastnit nepřiměřeně drahý programový prostředek (ArcInfo) pro spuštění samotného skriptu. Nicméně je zde možnost migrace algoritmu například do volně dostupného systému GRASS.
Obr č. 1 Vstupní data pro výpočet hluku ze silniční dopravy
Podívejme se, která vstupní data jsou pro modelování hlukové zátěže potřebná:
- Vrstva silniční sítě - definuje pomyslnou osu, po které se automobily pohybují - liniový zdroj hluku. Tato vrstva musí obsahovat atributy udávající průměrný počet osobních automobilů, které projedou sledovaným úsekem v daném časovém intervalu a jejich průměrné rychlosti, rovněž tak pro nákladní automobily, případně atribut, kterým odlišíme rozdílné druhy povrchu silnice (asfalt, dlažba, …). Uvedené atributy jsou k dispozici z pravidelných statistických šetření.
- Druh povrchu - odlišuje různou akustickou pohltivost terénu, jak již bylo uvedeno výše (terén odrazivý a pohltivý). Rovněž odlišuje vzrostlou zeleň. Tuto vrstvu je možné získat vhodnou úpravou a reklasifikací existujících vrstev využití území (LANDUSE)..
- Digitální model terénu - určuje výškové poměry v modelu. Vrstvu je možno získat přímo jako existující Grid nebo interpolací z vrstevnic.
- Vrstva zástavby - spolu s atributem udávající výšku budovy a s DMT uvedeným výše slouží ke stanovení bariér v modelu a k vyčíslení velikosti útlumu způsobeného překážkou. Princip je naznačen na obr. 2.
- Vymezení oblasti zájmu - je uživatelem definovaný polygon vymezující oblast, pro kterou budou hladiny hluku vypočteny.
Tyto uvedené vstupní vrstvy pak vstupují do procesu prostřednictvím parametrů skriptu, jehož zjednodušené schéma je zobrazeno na obr. 3. Algoritmus se oproti používané metodice liší v některých zásadních krocích, které ve výsledku vedou k vyšší přesnosti a k jednoznačnosti při stanovování modelových parametrů. Jedná se například o stanovení zdroje hluku - stávající metodika rozděluje silnici na jednotlivé úseky podle viditelnosti z posuzovaného bodu a tím dochází k některým nepřesnostem při šíření od takovéhoto liniového zdroje jako např. nejednoznačnost ve stanovení efektivní výšky v případě různě členitých překážek, nelze správně rozlišit druh povrchu z hlediska akustické pohltivosti terénu mezi bodem a liniovým zdrojem a podobně. Tento nedostatek je v uvedeném skriptu vyřešen převodem liniového zdroje hluku na řadu bodových zdrojů s rozestupem 10m a zavedením potřebné korekce, která tento převod dostane fyzikálně do ve výsledku stejné hladiny. Hladina hluku se pak pro posuzovaný bod (receptor) vypočte jako akustický součet všech přírůstků ze všech bodových zdrojů, přičemž se jednoznačně určí velikost útlumů mezi každým zdrojem a posuzovaným bodem. Jedná se o vyčíslení útlumu způsobeným odrazivým a pohltivým terénem, vzrostlou zelení, překážkou a rovněž je počítáno s jednoduchým odrazem od fasád budov. Hlavní matematický výpočet je z důvodu několikanásobně větší rychlosti prováděn ve skriptovacím jazyce Perl - výhodou je, že může být použit přímo ve skriptu AML bez povšimnutí uživatele.
Receptory jsou v zájmové oblasti rozmisťovány v pravidelných rozestupech, přičemž v blízkosti zástavby jsou rozmístěny hustěji. Po výpočtu hladin hluku pro každý receptor se provede vhodná interpolace, jejímž výsledkem je vrstva ve formátu Esri Grid představující hladiny hluku pro celou zájmovou oblast. Výsledná vrstva pak může být dále použita k vytvoření požadovaných izofon, jednotlivé intervaly hladin hluku mohou být barevně odlišeny a připraveny tak k tvorbě hlukových map nebo k dalším analýzám jako je například zjišťování počtu budov nebo obyvatel zasažených nadměrným hlukem, vymezení tichých zón a podobně. Záleží jen na účelu použití.
Obr č. 2 Princip stanovení velikosti útlumu vlivem překážky spočívá ve vyčíslení rozdílů dráhy přímé a dráhy přes překážku. Pokud překážku tvoří budova (resp. několik budov), výsledná hladina v bodě B bude rovna akustickému součtu všech přírůstků - přes budovu a z obou stran okolo budovy. K vyčíslení drah lze využít vektorových a goniometrických vztahů - to za pomocí souřadnic lomových bodů vrstvy zástavby a profilových bodů mezi body A a B.
Obr č. 3 Zjednodušené schéma procesu modelování hluku
Kolejová doprava
Hluk zapříčiněný kolejovou dopravou se pochopitelně prostředím šíří stejným způsobem jako z dopravy silniční. Rozdíl je jen ve výpočtu tzv. základní hladiny, která se počítá pro vzdálenost 7,5m od osy dráhy. Vstupní data by se pak lišila tím, že namísto vrstvy silniční sítě by zde byla například pro železniční dopravu vrstva železniční sítě a atributy udávající typ trakce (motorová, elektrická), rychlost, průměrný počet vagónů a lokomotiv, a dále pak počet vlaků, které projedou sledovaným úsekem v daném časovém intervalu.
Závěrem
Popisované řešení nabízí mnoho možností využití - umožňuje efektivně vytvářet hlukové mapy pro silniční i kolejovou dopravu, případně kombinaci obou, umožňuje vytvářet i hlukové mapy z individuálních bodových zdrojů, jako je například kompresor nebo výrobní dílna, dovoluje rychle se přizpůsobit požadované změně výpočtu změnou parametru nebo úpravou matematického vztahu (v případě změny legislativy), změnou vstupních dat nebo jejich atributů a nabízí možnost vytvářet grafické výstupy pro požadovaný účel použití.
Grafické přílohy
Obr č. 4 Ukázka možného grafického výstupu zobrazující hladiny hluku ze silniční dopravy
Obr č. 5a Vzorová vstupní data vhodná pro vizualizaci výsledného efektu. Digitální model terénu obsahuje údolí a kopec, přes které vede silniční komunikace s několika přilehlýma budovama.
Obr č. 5b Výsledek procesu. Je vidět, že v údolí je hluk tlumenější, na kopci je pak okolí silnice hlučnější, větší útlum nastává za zalesněnou oblastí, za budovami jsou jasně zřetelné zvukové stíny a v jejich blízkosti můžeme vidět, že se projevuje vliv odrazů od přilehlých a protilehlých budov.
Obr č. 6a Vymezení zájmového území pro výpočet - Přerov - Město
Obr č. 6b Připravená vstupní data :
a) zástavba, silniční komunikace, vymezené zájmové území
b) druh povrchu terénu
c) digitální model terénu
Obr č. 6c Ukázka mapového výstupu vypočtených hladin hluku pro vybranou část zájmového území
Literatura
- NOVÝ, R.: Hluk a chvění. Vydavatelství ČVUT, 1995, 165 stran, ISBN 80-01-02246-3
- LIBERKO, M.: Metodické pokyny pro výpočet hladin hluku z dopravy. Nakladatelství VUVA, 1991, 54 stran, ISBN 80-85124-07-6
- KOZÁK, J., LIBERKO, M.: Novela metodiky pro výpočet hluku ze silniční dopravy, příloha zpravodaje Ministerstva životního prostředí - číslo3, březen 1996, MŽP Praha, 16 stran
- Nařízení vlády 502/200 Sb. o ochraně zdraví před nepříznivými účinky hluku a vibrací [online], Praha 2000 [cit. 2004-02-13]. Dostupné na WWW: http://www.tzb-info.cz/t.py?t=15&i=199 , http://www.sagit.cz/_texty/sb00502.htm
- LIBERKO, M., POLÁČEK, J.: Program HLUK+, verze 4. JpSoft, Praha, 1997, 66 stran
- BAJER, T.: Metodika zpracování a kvantitativní významová hlediska pro posuzování hluku v dokumentacích EIA [online]. [cit. 2003-01-13]. Dostupné na WWW: http://www.ceu.cz/EIA/CASOPIS/1999/4/e-0404.htm
|
