基于INM模型的天津机场飞机噪声污染预测与防治研究

杜昀怡

（1.交通运输部天津水运工程科学研究院，天津300456；2.天科院环境科技发展（天津）有限公司，天津300456）

航空运输时效性高，空间跨度大，对物流、人流、信息流等产业具有重要推动作用，已成为时下主要交通运输方式。根据《2019年民航行业发展统计公报》[1]，截至2019年，我国共有运输机场238 个；全年旅客运输量为65 993.42万人次，增长率达6.9%；货邮运输量为753.14万吨，增长率达2.0%；起飞架次为496.62万架次，增长率达5.8%。随着我国航空运输业的不断发展，飞机噪声污染问题日益严重。

欧盟委员会于2002年公布了“噪声暴露剂量与影响”工作组的研究成果，表明同等声级下，与道路噪声相比，人们对飞机噪声更感到烦恼。根据1999年和2007年两次全国机场噪声普查结果[2]，31 个直辖市、省会、区首府机场中除拉萨贡嘎机场外，均有不同程度的噪声问题，民航局每年接受到的噪声信访、投诉持续上升。吴娜伟等[3]统计了2004～2011年国内38 个机场环境影响评价报告中公众参与意见，其中18个项目存在一定比例对机场建设持反对意见的公众。赵仁兴等[4]采用“声环境指标”评价飞机噪声影响，该指标表征机场运输每万人次旅客产生的WECPNL（计权等效连续感觉噪声级）超过70 dB的噪声所影响的人口数量，避免了单凭噪声影响人数评价飞机噪声所造成的对旅客吞吐量较大机场不利的问题，其研究成果表明，大连、潮汕、太原等机场虽然旅客吞吐量较小，但由于周边人口稠密，声环境指标仍然较高。目前，北京、上海、广州、深圳、武汉、成都、重庆、杭州和长沙等国内大型机场均存在严重的飞机噪声问题，飞机噪声污染已成为制约我国民航发展的最大难点，极大限制了机场的长远发展。

本文根据天津机场2018年实际进出港飞机机型及架次，以及天津机场新版总规《天津滨海国际机场总体规划》（2019年版）设定的近期目标年航空客运量和客运终端目标年航空客运量，利用INM模型计算飞机噪声，并绘制噪声等值线图。根据模型计算结果，结合天津机场实际情况，研究ICAO航空噪声管理“平衡做法”在天津机场的具体应用。

1 材料与方法

1.1 研究对象概况

天津机场位于天津市东丽区，距中心城区13 km，距天津港30 km，距北京134 km，为国内干线机场、北京首都机场的主要备降机场。机场现有两条远距跑道，飞行区指标为4E，受空域限制，机场目前跑道运行方式为一跑道起飞、二跑道降落。现状基准年（2018年）旅客吞吐量为2 359.1万人次，年飞机起降架次为17.577 万架次。近十年来，随着天津机场航空业务高速增长，现有飞行区和航站区已无法满足机场持续增长的航空运输需求。2019年，天津机场委托中国民航机场建设集团公司编制完成《天津滨海国际机场总体规划》（2019年版），目前已取得民航局正式批复。2019版总体规划的近期目标年为2030年，对应旅客吞吐量达5 500 万人次，飞机起降架次达38.568万架次；终端年不设具体年份，对应旅客吞吐量达8 000万人次，飞机起降架次达46.724万架次。飞行区规划3 条平行跑道，跑道构型为一组近距跑道加一条远距跑道，跑道构型见图1。一跑道参数为3 600 m×60 m，二跑道参数为3 600 m×45 m，较一跑道向南错开500 m，跑道间距为2 100 m；规划三跑道参数为3 600 m×45 m，与二跑道间距为370 m，较二跑道向南错开1 550 m。

图1 规划跑道构型

1.2 飞机噪声评价量

相比于其他交通噪声，飞机噪声具有突发、间歇、高声级的特点，国内外正在使用或使用过的评价量多达11 余种[5]。1984年，中国科学院声学研究所等单位对北京首都机场和广州白云机场飞机噪声进行了大量研究调查，认为ICAO推荐的以噪声度为基础的LWECPN能够较好反映噪声对人的影响[6]。1988年，我国正式颁布《机场周围飞机噪声环境》（GB9660－1988），规定将LWECPN作为我国飞机噪声评价量。该指标物理意义是全天时间内飞机通过某一固定点所产生的有效感觉噪声级的能量平均值。其优点是考虑了飞机噪声纯音的修正，缺点是不能直接测量，需要大量的实测数据，计算过程较为复杂。计算模式如下：

式中：N1为07：00～19：00的日飞行架次；N2为19：00～22：00 的日飞行架次；N3为22：00～07：00 的日飞行架次多次飞行事件的平均有效感觉噪声级。

其中：LEPN=LAmax+10 lg(Td/20)+13，Td为持续时间。

式中：LEPNij为j航道第i架次飞行引起的某预测点处有效感觉噪声级。

1.3 INM模型概述

INM 模型由美国联邦航空局（FAA）研发，利用机场基本信息、飞机性能参数、航班信息资料等数据进行噪声预测。其特点是预测中考虑了人的主观感受、飞机噪声侧向衰减、斜距计算模式、飞机航迹的水平发散等因素，但由于需要的基本数据较多，因此基本数据的准确性有可能对预测结果产生一定程度的影响。针对INM模型预测飞机噪声的准确性，国内多名学者进行了相关研究。曹晓芳等[7]通过对北京首都机场飞机噪声预测值和实际监测值进行对比分析，认为气象条件、飞行剖面选择、地形高差和反推力对INM计算结果的影响相对较小，绝大部分测点预测值和实测值差值在±3 dB左右，因此在参数设置合理的情况下，采用INM软件预测飞机噪声是可靠的。李冉[8]以新建江西上饶机场为研究对象，讨论了机型组合、起降方向、时间分布和地形条件对INM模型的影响，其研究结果表明，机型组合、时间分布和地形条件对预测结果影响较大，而调整跑道起降方向所产生的影响相对较小。通过对比国内海口美兰机场、深圳宝安机场、石家庄机场、宁波机场等10个机场共88 个监测点位的实测值和INM 计算值可知，差值的绝对偏差为0.82 dB～1.73 dB。由以上研究成果可知，在输入的基本参数合理的条件下，利用INM模型预测飞机噪声是可行的。

1.4 飞机噪声预测程序

依据《环境影响评价技术导则-民用机场建设工程》和《民用机场周围飞机噪声计算和预测》（MH/T5105/2007），本次研究飞机噪声预测程序如图2所示。

图2 飞机噪声预测程序

2 预测结果

2.1 飞机噪声预测等值线图

天津机场现状基准年（2018年）、规划近期目标年和客运终端年飞机噪声预测结果见图3，统计得出不同声级下覆盖面积见表1。由图3及表1可知，规划近期中70 dB～75 dB、75 dB～80 dB、80 dB～85 dB、85 dB～90 dB、大于90 dB 覆盖面积较现状分别增加34.986 km2、13.117 km2、4.993 km2、2.207 km2、1.150 km2，客运终端年较现状分别增加45.217 km2、19.298 km2、8.139 km2、3.130 km2、2.488 km2。研究结果表明，随天津机场三跑道的修建和航空业务量的逐年递增，机场噪声影响面积将同步增加。

图3 飞机噪声等值线图

表1 天津机场飞机噪声预测覆盖面积/km2

2.2 周边敏感点影响情况

天津机场距离中心城区仅13 km，根据现场调研，在现有一跑道北端延伸12 km、二跑道南段延伸16 km、两跑道两侧各延伸2 km的评价范围内，共有民航小区、华明镇、军粮城等93 个村镇、社区敏感点，有中国民航大学、华明中学、军粮城中学等32个学校敏感点。根据预测结果，随飞行量的增加，飞机噪声影响人口数量显著增加，现状基准年WECPNL70 dB～75 dB 区域共有4 109 户/12 326人，规划近期上升至13 657 户/40 955 人，对比现状基准年增加9 548 户/28 629 人，规划终端年上升至22 669户/68 508人，对比现状基准年增加18 560户/56 182 人。生活在75 dB～80 dB 和大于80 dB 区域的人口数量也有不同程度增长，具体统计数据见表2。

表2 不同目标年飞机噪声影响的村庄/社区户数和人口数

3 飞机噪声防治措施的“平衡做法”

ICAO针对飞机噪声提出“平衡做法”，指减少噪声源、土地使用合理规划和管理、减噪飞行程序和运行限制共4 个控制飞机噪声的方法。“平衡做法”目前已成为全球航空噪声管理的基础，欧盟已立法（EU 598/2014）保障了“平衡做法”在当地的实施。其中“运行限制”措施由于影响较大，目前ICAO 对其施行的前置条件要求较为苛刻，国际航空运输协会（IATA）也认为采用“运行限制”不利于航空公司针对航线和目的地机场特性采用最优机型[9]。因此目前“运行限制”在全球使用不多，本文针对天津机场实际情况，研究“平衡做法”前3种措施的可行性。

3.1 减少噪声源

降低飞机发动机运行噪声是从源头解决噪声污染问题最有效的方法。ICAO 和我国均制定了飞机噪声的适航标准。《国际民用航空公约》附件16中规定了不同航空器不同阶段的噪声限制。我国在此基础上，结合美国联邦航空条例、欧洲适航标准，颁布了《航空器型号和适航合格审定噪声规定》。由于我国航空运输起步相对较晚，国内航空公司机队相对较新，目前基本已无第2 阶段飞机。根据北京首都国际机场对单架飞机噪声监测结果，IL76、B74S、B744 等机型在同一测点产生的最大A 声级远大于B738、A332等机型。对比同一测点，伊尔76降落时最 大A 声级比B747-400 高12.5 dB(A)，TU154 比B767-300大10.7 dB(A)。

限制飞机夜间起降可有效控制夜间噪声源。国际上一些机场已经采取了“宵禁”措施。澳洲悉尼机场夜间有7个小时禁止喷气飞机起降，伦敦、法兰克福、阿姆斯特丹等机场夜间允许符合噪声标准的宽体飞机降落。但对于有国际航班起降的机场，限制飞机夜间起降不利于航班时刻安排。

上述研究成果表明，天津机场应合理组织机队，限制高噪声飞机起降，在必要时制定飞机噪声最大A声级限制值；同时合理调配航班起降时间，在不造成停机坪过度拥挤、不影响国际航班正常起降、兼顾航空货运业务的前提下，尽量减少夜间航班起降。

3.2 土地使用规划和管理

由于规划中没有考虑机场周边土地利用问题而导致机场与周边居民产生矛盾的现象在国内已屡见不鲜。深圳机场周边在1985年时基本为空地，无声环境敏感建筑，2004年出现部分敏感点，2015年已存在大量敏感建筑物，并出现群众对飞机噪声不满的现象；北京首都机场2004年计划扩建第三跑道时，在第三跑道延长线2.8 km 处已规划建设一处居民区，2008年跑道建成投入使用后，该处已建成2万人规模的小区，导致居民上访不断，即使后期机场采取了隔声和减少夜间飞机起降架次等措施，依旧无法消除矛盾[4]。类似的情况还在大连、厦门等机场出现，国内多个机场存在被居民区包围的现象，不仅造成很多矛盾，而且限制了机场的远期发展，有些机场甚至已被迫搬迁。这都是由于在编制机场总体规划时，没有考虑到将其与周边土地利用规划相协调。

《中华人民共和国噪声污染防治法》规定，“城市人民政府应当在航空器起飞、降落的净空周围划定限制建设噪声敏感建筑物的区域”。《中华人民共和国民用航空法》规定，“民用机场建设规划应当与城市建设规划相协调”。《民用机场管理条例》规定，“民用机场所在地有关地方人民政府应当在民用机场周边地区划定限制建设噪声敏感建筑物的区域并实施控制”。《民用机场总体规划编制内容及深度要求》规定，“对机场周边土地利用提出控制性建议”。因此，天津机场应协助政府部门，根据噪声预测等值线图，调整周边土地利用规划，使机场总体规划与城市建设总体规划相协调，这对有效降低机场噪声影响及为机场远期发展预留空间具有重要意义。

天津机场四至范围受京津塘高速、津滨高速、外环东路和津汉公路限制，可规划用地较少且限制因素较多。根据天津机场飞机噪声等值线图（见图3），结合机场周边道路、河流及地形、地貌等特征物，将天津机场飞机噪声控制区划分为4 级，分别为I级控制区（70 dB＜WECPNL≤75 dB）、Ⅱ级控制区（75 dB＜WECPNL≤80 dB）、Ⅲ级控制区（80 dB＜WECPNL≤85 dB）、Ⅳ级控制区（WECPNL＞85 dB）。4 级噪声控制区面积合计175.711 km（2不包括机场规划区面积）。控制区内的土地使用将受到限制，控制区外的土地仍可按正常方式进行使用。土地用途的噪声敏感性见表3。天津机场飞机噪声控制区面积分布和建筑物限制要求见表4。

表3 土地用途噪声敏感性分类

表4 天津机场用地控制区域面积分布和建筑物限制要求

3.3 减噪飞行程序

运行减噪飞行程序的目的是优化机场噪声等值线图分布，在保证飞行安全的前提下，尽量减小噪声等值线面积或优化其形状，从而减少受飞机噪声影响的人数。目前主要措施包括：交替使用跑道，避免对单一区域的长时间干扰；起降航线绕避居民密集区域，减少受飞机噪声影响的人数；采用多级进近飞行时，尽可能在靠近机场时降低飞机高度；飞机起飞后快速爬升；开展跑道入口内移研究，提高进场航班飞越居民密集区时的高度等措施[10]。

麻省理工学院与波音公司研究了连续下降进近程序CDA（Continuous Descent Approach），发现与传统飞行程序相比，使用CDA 程序可以降低噪声3.9 dB～6.5 dB。首都机场目前正与FAA和波音公司合作，拟在首都机场采用CDA程序。天津机场如能采用CDA程序，可较大程度减少飞机噪声对周边环境的影响，同时可降低飞机油耗。

4 结语

（1）从INM 模型计算结果来看，受航空运输量增加和第三跑道新建影响，天津机场近期目标年和客运终端年飞机噪声增长明显，70 dB等值线包围面积增长率分别为115%和160%，受飞机噪声影响的人数也有明显增加。因此研究天津机场飞机噪声防控是十分必要的。

（2）为贯彻落实“民航绿色发展”的要求，降低机场对周边环境的噪声污染，预留未来发展空间，天津机场必须对飞机噪声污染防控工作给予高度重视，结合ICAO 平衡做法，可从减少噪声源、对土地使用进行合理规划和加强管理、运行减噪飞行程序等方面入手。

(3）本文在预测飞机噪声过程中采用的飞行程序和机场基本参数均为规划设计阶段成果，仅为研究天津机场噪声防控措施提供参考。