根据国家统计局数据，截至2021年底，我国轨道交通营业里程已达到15.07万km。随着铁路建设的迅速发展，大量轨道交通穿越郊区、城镇和乡村，轨道交通噪声的影响越来越突出。轨道交通噪声对环境影响的预测和评价，是指导轨道交通建设前的规划布局、建设中的噪声预防以及建设后的噪声治理等方面的重要理论依据。关于轨道交通噪声对环境影响的预测和评价的研究，也吸引了越来越多研究者的关注。王帅^[1]基于模式预测法研究了城市轨道噪声对附近建筑楼的影响。刘全民等^[2]对现行轨道交通噪声标准与当前社会对噪声控制的要求之间的矛盾进行了探讨，提出监测时应同时考虑每列车经过时的噪声水平和车流密度因素，采用特定时间间隔内的连续等效A声级作为噪声评价指标。潘鹏等^[3]提出1种基于轨道降噪的高架城市轨道交通噪声控制方案。

以往的研究大多集中在轨道交通噪声对人及其居住环境的影响方面，缺少对生态环境和动物的影响研究；而轨道交通途经山林湖泊等动物栖息地或其附近，不可避免地会对动物的生存环境产生影响。动物对噪声的感受很可能与人类不同，Dooling等^[4]对48种鸟类的可听性谱研究表明，适用于鸟类交流的良好听觉频率范围约为500~6 000 Hz，其中听觉灵敏峰值频率约为2 000~3 000 Hz。而人类可听到的声音频率范围为20~20 000 Hz，并对1 000~3 000 Hz的频率范围最为敏感。Dooling等^[5]认为交通噪声频率一般在2 000~4 000 Hz，正好处于鸟类最佳听力范围，因此将会对鸟类鸣叫产生掩蔽效应。Francis等^[6]发现鸣声频率相对较高的鸟类更容易适应道路周边的高噪声环境，而具有低频鸣声的鸟类往往选择远离道路，或者使其鸣声变得更加尖锐(频率更高)，以适应高噪声的生存环境。Reijnen等^[7]认为，交通噪声对森林中栖息鸟类听觉的影响要大于视觉影响。

由于鸟类的听觉频率范围与人类不同，以往基于A计权声压级的噪声测量方法，严格意义上不适用于对鸟类声环境的评价和预测。以江门市新会区“小鸟天堂”景区为例，通过对鸟类生态区进行声环境线性频谱测量，并通过计算预测叠加铁路交通噪声后的频谱分布，探讨铁路交通噪声对鸟类生态区声环境的影响以及预防措施。

1 研究区概况

小鸟天堂景区位于新会城区以南10 km的天马村旁，是新会区风景名胜区。景区中1棵300多年的榕树独木成林形成自然奇观，是巴金《鸟的天堂》一文的原型。小鸟天堂景区近年重新规划扩建，扩大了保护范围，恢复了生态湿地，并对动、植物自然生态群落加以保护和优化，形成占地面积0.8 km²，以独特的鸟类生态风景为主题的生态景区，景区的现状分布见图 1。景区南面是银湖大道，北面的现代农业基地已纳入景区规划范围，西邻天马村，东边临近规划保留农田。小鸟天堂景区鸟类主要分布在2个岛群，分别是西面的榕岛群和东面的竹岛群。榕岛群南部为原始的古榕树，面积约为0.012 km²；北面为2002年人工新增榕树群，面积约为0.015 km²，岛上榕树平均树龄20 a，部分区域有芦苇生长。东面竹岛群种植了各类适合鹭鸟生长筑巢的竹林，岛四面由榕树围绕；竹岛上有4个人造滩涂，生长着1 m多高的芦苇丛，每日潮汐涨落会给岛上鹭鸟带来丰富的食物资源；竹岛是目前园区内鸟类分布数量最多的区域，是鸟类主要的栖息地。小鸟天堂记录鸟类96种，隶属14目34科68属，其中非雀形目鸟类13目18科40属55种，占鸟类总种数的57.3%；雀形目鸟类16科28属41种，占鸟类总种数的42.7%。

由图 1可见，深茂铁路新会段的外铁轨位于小鸟天堂风景区规划边界北面约300 m，距小鸟天堂现状管理边界北约630 m，距景区内鸟类集中分布区竹岛约670 m，距大榕树约800 m。

2 研究方法 2.1 铁路交通建设前小鸟天堂景区线性声级频谱测量

针对小鸟天堂景区鸟类的主要栖息范围及与铁路的相对关系，分别在小鸟天堂景区现状管理范围东边界(L1#)、南边界(L2#)、西边界(L3#)、北边界(L4#、L5#)及深茂铁路现状线位附近(L6#) 布设6个声环境现状频谱监测点，点位分布情况详见图 1。

测量方法严格按照《声环境质量标准》(GB 3096—2008)^[8]要求进行。对所有监测点都监测了中心频率为31.5，63，125，250，500，1 000，2 000，4 000和8 000 Hz的倍频带声压级谱。于2013年11月14—16日进行了3 d监测，每天昼间(08：00—18：00)和夜间(22：00—05：00)分别进行，每次监测20 min；同时测量小鸟天堂景区及周边的A计权噪声级、鸟鸣声频谱并记录主要噪声源、周围环境特征等。

2.2 深茂铁路噪声影响预测模型

模式预测法主要依据经验公式和声学理论计算方法预测噪声级。铁路噪声的影响主要来自轮轨噪声、空气动力学噪声、机电系统噪声及桥梁结构噪声，当列车运行时，可近似当作运动有限长线声源^[9]。采用《铁路建设项目环境影响评价噪声振动源强取值和治理原则指导意见》(2010年修改稿)(铁计〔2010〕44号)(以下简称《指导意见》)^[9]规定的模式预测法进行预测。模式预测法提供了2种噪声级预测方式，一种是采用A计权等效声压级计算出总的等效噪声级；一种是分频带计算获得噪声的预测频谱。由于A计权声压级不适用于研究噪声对鸟类的影响，因此采用倍频带划分，分别对列车运行时各频带声压级进行预测，得到列车至目标距离的各频带噪声级贡献值，再叠加背景噪声各频带声压级获得列车运行时的总噪声频谱。

铁路噪声模式预测法的基本预测计算公式见式(1)和(2)。

$ L_{\text {铁路 }}=10 \lg \left\{\frac{1}{T}\left[\sum\nolimits_i n_i t_{\text {eq }, i} 10^{0.1\left(L_{p 0, t, i}+c_{t, i}\right)}\right]\right\} $

(1)

$ C_{t, i}=C_z+C_d+C_g+C_a $

(2)

式中：L_f铁路——列车至目标距离的f频带噪声级贡献值，dB；T——规定的评价时间，s；i——列车的类型；n_i——T时间内通过的第i类列车的数量；t_eq，i——第i类列车通过的等效时间，s；L_p0，t，i——第i类列车最大垂向指向性方向上的噪声辐射源强，dB；C_t，i——第i类列车的噪声修正项，dB；C_v——列车运行噪声速度修正，dB；C_d——列车噪声辐射的几何发散损失，dB；C_g——地面效应衰减，dB；C_a——大气吸收衰减，dB。源强L_p0，t，i取值时应注意对应的参考点位置与声源指向性的关系，如源强值不是最大垂向指向性方向上的源强值，应按声源指向性关系进行换算。

列车运行时预测点的总噪声采用铁路噪声预测结果与实测的背景噪声的声强叠加预测，见式(3)。

$ L_f=10 \log \left[10^{0.1 L_{ {f铁路 }}}+10^{0.1 L_{ {f背景 }}}\right] $

(3)

式中：L_f、L_f背景——列车运行时预测点f频带的总噪声、背景噪声，dB。

利用式(1)和式(2)计算各个倍频带的L_f铁路，首先需确定铁路噪声源强L_p0，t，i和各个噪声修正项C_v、C_d、C_g和C_a，以下分别说明确定这些参数的方法。

2.2.1 铁路噪声源强(L_p0，t，i)和列车运行噪声速度修正(C_v)的确定

铁路噪声主要包括列车运行过程中的机车牵引噪声，机车、车辆与轨道相互作用产生的轮轨噪声，机车鸣笛噪声，机车、车辆制动噪声等。《指导意见》中规定，铁路噪声源强采用列车通过时段驶过参考点时的等效A声级或等效频带声压级表示。160 km/h及以下速度列车噪声源强线路参考点位置为距线路中心25 m，轨面以上3.5 m处的噪声源强。

《指导意见》提供了普客列车和货运列车在参考运行速度(70 km/h)下，参考位置的噪声源强频带A计权声压级，经过换算可得到线性频带声压级，见表 1。

由于不同的列车运行速度对应的铁路噪声源强也不同，因此需要根据列车实际运行速度，对参考速度基础上的噪声源强进行修正。列车速度50~120 km/h范围内各中心频率的列车运行噪声速度修正C_v的计算方法见式(4)。

$ C_v=C_0 \lg \left(v / v_0\right) $

(4)

式中：C₀——列车运行参考速度对应的速度修正系数，dB；v——列车运行速度，km/h；v₀——列车参考速度，为70 km/h。对应各倍频带，速度为50~120 km/h的普客列车和速度为30~80 km/h的货运列车的C₀值可参考《指导意见》附录，详见表 2。

根据项目规划，通过小鸟天堂的普客列车速度为90 km/h，货运列车速度为50 km/h。通过速度修正计算得普客列车和货运列车的噪声源强频带声压级，见表 3。

2.2.2 列车噪声辐射的几何发散损失(C_d)

列车噪声辐射的几何发散损失(C_d)按式(5)计算：

$ C_d=-10 \lg \frac{d \arctan \frac{l}{2 d_0}+\frac{2 l^2}{4 d_0^2+l^2}}{d_0 \arctan \frac{l}{2 d}+\frac{2 l^2}{4 d^2+l^2}} $

(5)

式中：d₀——源强的参考距离，m；d——预测点到铁路线路的距离，m；l——列车长度，m。本研究采用的列车长度参数为普客列车550 m，货运列车750 m。

2.2.3 地面效应衰减(C_g)和大气吸收衰减(C_a)

衰减参数主要考虑地面效应衰减和大气吸收衰减，参照《声学户外声传播的衰减第2部分：一般计算方法》(GB/T 17247.2—1998)^[10]进行计算。

当声波越过疏松地面或大部分为疏松地面的混合地面时，地面效应的声衰减量(C_g)按式(6)计算：

$ C_g=-4.8+\frac{2 H_m}{d}\left(17+\frac{300}{d}\right) $

(6)

式中：H_m——声音传播路程的平均离地高度，m；d——声源至接收点的距离，m。若C_g计算结果为负值，则用0代替。

大气吸收引起的衰减(C_a)按式(7)计算：

$ C_a=\frac{a\left(r-r_0\right)}{1000} $

(7)

式中：a——大气吸收衰减系数，dB/m；r——预测点到声源的距离，m；r₀——声源参考点到声源的距离，m。其中，a与温度、湿度和声波频率有关，可根据建设项目所处区域常年平均气温和湿度选择相应的大气吸收衰减系数。《环境影响评价技术导则声环境》(HJ 2.4—2009)^[11]中给出了6种温度和湿度组合的63~ 8 000 dB倍频带的a值，本研究根据新会温暖潮湿的气候特点，选择了温度20 ℃和相对湿度70%的组合对应的a值做计算。

3 结果与讨论 3.1 铁路运行前声环境线性声级频谱监测

铁路未运行时，小鸟天堂景区周边声环境的线性声级频谱监测结果见图 2(a)(b)，可以作为背景噪声。

由图 2可见，各观测点的倍频带线性频谱均呈现声压级随频率增加而减小的变化规律。当倍频带中心频率f≥500 Hz，除南边界L2#外，各观测点的昼间和夜间声压级都 < 50 dB。L2#测点因靠近公路，受机动车噪声的影响较大，声压级明显高于其他观测点，但L2#测点远离鸟类聚集的榕岛和竹岛，对鸟类生态环境影响较小。各观测点的昼间声压级总体上高于夜间，但除L2#测点昼间声压级比夜间明显高以外，其余观测点昼间和夜间声压级相差不大，说明在鸟类聚集区域噪声波动不大且在500~8 000 Hz倍频带范围内较为安静，而适用于鸟类交流的良好听觉频率范围约为500~6 000 Hz^[4]，因此在没有其他外来噪声的情况下，小鸟天堂景区的声环境适合鸟类生存。

3.2 深茂铁路运行后的噪声影响预测结果及分析

为了全面分析深茂铁路噪声对小鸟天堂景区鸟类的影响，以对周边噪声影响较大的普客列车和货运列车作为代表，进一步按频谱计算的方法预测铁路营运期噪声线性频谱。在未采取降噪措施的情况下，根据前述模式预测法计算得到的列车通过时各倍频程中心频率声压级预测结果见表 4和表 5。

其中，预测距离300，630，670和800 m分别代表深茂铁路至小鸟天堂规划区边界，至现状管理边界，至竹岛边界以及至大榕树边界的距离，相应的背景频谱分别采用L6#、L1#、L5#和L4#测点测量得到的线性声级频谱(图 2)。其中，小鸟天堂规划区边界处并未布设监测点，但其声环境与L6#测点的监测结果相同，因此可以采用L6#的测量结果作为背景噪声。

由表 4和表 5可见，速度为90 km/h的客运列车在500和1 000 Hz中心频率倍频带的声压级预测值高于其他频段；而速度为50 km/h的货运列车，在中心频率为250和500 Hz倍频带的声压级预测值高于其他频段。为评价列车通行后的总噪声对鸟类的影响，将背景频谱与预测频谱线性叠加，计算获得列车运行时的总噪声线性频谱预测结果，普客和货运列车的预测结果分别见图 3(a)(b)和图 4(a)(b)。

由图 3可见，与列车未运行时的噪声相比(图 2)，普客列车通过时，在中心频率为500，1 000和2 000 Hz倍频带的噪声有明显增加，昼间和夜间各个预测点的声压级增量均超过10 dB。普客列车通过时，在500~2 000 Hz倍频带范围内，规划区边界(预测距离300 m)的昼间噪声增量为23~25 dB，夜间增量为27~30 dB；现状边界(预测距离630 m)的昼间噪声增量为11~15 dB，夜间增量为14~19 dB；竹岛(预测距离670 m)的昼间噪声增量为14~19 dB，夜间增量为17~21 dB；大榕树(预测距离800 m)的昼间噪声增量为12~18 dB，夜间增量为14~20 dB。各预测点的夜间噪声增量都大于昼间，这是由于夜间的背景噪声更低，受列车噪声的影响更大；同样的，由于背景噪声较低，尽管距离铁路相对更远，但竹岛和大榕树的噪声增量大于现状边界。由此说明，普客列车通过时，原本较安静的区域更容易受到额外噪声的影响；由于普客列车造成的噪声增量主要在500 ~2 000 Hz频带，与鸟类的听觉良好区域重合^[4]，且数值较大，因此在未采取降噪措施的情况下，普客列车通过产生的噪声将可能严重影响小鸟天堂景区鸟类的生态环境。

多个研究结果表明，处于鸟类良好听觉频率范围内的噪声对鸟类生态环境的影响较大，包括降低鸟类数量、改变鸟类鸣声频率、阻碍鸟类通过鸣声交流等。Francis等^[6]发现，在交通噪声作用下，具有低频鸣声的鸟类会选择远离道路，或提高鸣声频率；而鸣声频率相对较高的鸟类更容易适应道路周边的高噪声环境。Parris等^[12]对灰伯劳(叫声频率1 500~4 000 Hz)和灰扇尾鸽(叫声频率4 000~7 500 Hz)的研究也发现了类似的结果：交通噪声影响区内，噪声每增加1 dB，灰伯劳叫声频率平均增加约5.8 Hz，即噪声越大灰伯劳的叫声频率越高，最大增加了200 Hz，但灰扇尾鸽的叫声频率变化不大。研究指出，交通噪声可能会阻碍同种鸟类对鸣唱的识别，使鸟类更难建立并维持领地、吸引配偶和维持配对关系，并可能导致繁殖成功率降低。Rheindt等^[13]研究了道路对整个鸟类群落的影响，结果表明交通噪声对鸟类的低频鸣叫影响更大，因此靠低频叫声交流的鸟类数量也比安静区域要少，高速公路沿线的物种丰富度和多样性下降。在统计的15种鸟类中，高速公路附近数量下降的有12种，其中数量下降超过50%的有大斑啄木鸟(76%)、普通鳾(59%)、棕柳莺(58%)和煤山雀(54%)。Lohr等^[14]对虎皮鹦鹉、斑胸雀和金丝雀等鸟类的有效交流距离进行研究，发现交流距离与噪声呈显著负相关性，噪声越大，交流距离越小，并且与鸟类鸣叫声频谱区域重叠的噪声掩蔽效果更好。Waterman等^[15]对铁路噪声水平和鸟类的区域密度进行了相关比较，包括白眉鸭、黑尾鹬和云雀以及其他草地鸟类和涉水鸟类，结果表明噪声水平与鸟类出现密度呈显著负相关，白眉鸭、黑尾鹬和云雀的噪声影响阈值分别为49，45和42 dBA。蔡超^[16]对交通噪声中的金丝雀幼鸟习鸣质量的研究表明，当中低频噪声(6.3~4 000 Hz)相对于背景噪声增量达到20 dB以上时，将对幼鸟习鸣有显著影响。

如前文所述，大多数被研究的鸟类都容易受到中低频噪声的负面影响；小鸟天堂景区的鸟类种类丰富，当中低频噪声过大时，将不可避免地对大量鸟类产生负面影响。以小鸟天堂景区的雀形目为例，上述引文提到的灰伯劳^[12]、普通鳾^[13]、棕柳莺^[13]、煤山雀^[13]、斑胸雀^[14]、金丝雀^{[14, 16]}和云雀^[15]都属于雀形目，除普通鳾外都在小鸟天堂景区有同科鸟类。对雀形目鸟类的研究结果^[12-16]都一致表明，中低频噪声对其生态具有负面影响，包括交流、种群数量和习鸣等方面。在Rheindt等^[13]的研究中，受交通噪声负面影响最大的大斑啄木鸟，在小鸟天堂也有同种鸟类。另外，小鸟天堂景区还有水禽35种，根据Waterman等^[15]的研究结果，其种群密度将受到铁路噪声的负面影响。对普客列车的预测结果表明，除现状边界(预测距离630 m)外，各预测点在500 ~2 000 Hz倍频带的夜间噪声增量均存在≥20 dB的频带，而昼间也接近20 dB；并且该频率范围的总声压级约达到50~60 dB，根据前文引用的研究结果，预计可能较大地影响幼鸟习鸣，并可能阻碍鸟类交流，降低鸟类数量。

由图 4与图 2比较可见，货运列车通过时，250，500和1 000 Hz倍频带的噪声增量较大，规划区边界(预测距离300 m)的昼间噪声增量为14~20 dB，夜间增量为21~23 dB；现状边界(预测距离630 m)的昼间噪声增量为7~9 dB，夜间增量为9~14 dB；竹岛(预测距离670 m)的昼间噪声增量为11~15 dB，夜间增量为13~18 dB；大榕树(预测距离800 m)的昼间噪声增量为10~12 dB，夜间增量为11~15 dB。货运列车通过时的噪声声压级总体低于普客列车，且普客列车声压级增量最高的几个频带与鸟类的频率敏感区域更为吻合。因此，普客列车噪声对小鸟天堂景区鸟类生态环境的影响大于货运列车。以普客列车运行的预测结果为参照，探讨隔声降噪措施的效果。

3.3 隔声降噪措施及效果预测

声屏障是铁路降噪的主要手段，根据《声屏障声学设计和测量规范》(HJ/T 90—2004)^[17]，在声源确定的情况下，普通声屏障的降噪效果由声程差决定，声程差越小降噪效果越差。声程差定义为声源至声屏障顶端与声屏障顶端至受声点的距离之和减去声源至受声点的距离^[18]。普通声屏障与受声点距离的增加将减小声程差从而降低降噪效果，因此普通声屏障的降噪效果随着其与受声点距离的增加而减弱。郑净等^[19]对实际客运专线声屏障路段的现场测试表明，直立式声屏障在近场(7.5 m)和远场(30 m)的插入损失分别为7.65和5.29 dB，而混凝土全封闭声屏障在近场和远场的插入损失分别为18.45和14.47 dB，比直立式声屏障高9 dB以上。

由于普通声屏障的插入损失通常＜10 dB^[19-21]并随距离的增加而减小，近年来，对于降噪需求较大的铁路，全封闭声屏障被更多地采用^{[18, 21-27]}，取得了很好的降噪效果，插入损失可以达到15 dB以上。全封闭式声屏障的降噪效果与采用的材质、声屏障长度、样式等关系最大，一般可降噪15~20 dB^{[19, 22, 28]}。在对深茂铁路全封闭声屏障建设的效果预测中，保守按全频率降噪15 dB估算，以噪声影响最大的普客列车为例，营运期普客列车通过时，经全封闭声屏障降噪后，各倍频程中心频率声压级的贡献值见表 6，与背景噪声叠加后的总噪声预测结果见图 5(a)(b)。由预测结果可见，采取全封闭声屏障后，普客列车通过时的噪声得到有效控制，至距离铁路300 m的小鸟天堂景区规划区边界，虽500~2 000 Hz倍频带的噪声仍有所增加，但总噪声都在50 dB以下；至小鸟天堂景区的竹岛(670 m)，噪声频谱曲线与背景噪声频谱曲线已较为接近，噪声增加不明显。因此，采取全封闭声屏障后，预计可以起到良好的降噪作用，有效保护小鸟天堂景区的鸟类生态环境。

4 结语

实地调查测量表明，列车未运行时，在小鸟天堂生态区范围内，昼间和夜间500~8 000 Hz倍频带的背景噪声较小，包含了鸟类良好交流的频率区间(500~6 000 Hz)，因此声环境适合鸟类生存。模式预测法的结果表明，当普客列车和货运列车通过时，在未采取防护措施的情况下，都会对小鸟天堂的声环境产生较大影响，其中普客列车通过时对鸟类良好交流的频率区间噪声增量更为明显，将严重影响鸟类生态环境。对列车采取全封闭声屏障措施后，预测结果表明，普客列车通过时，各预测点500 Hz及以上倍频带的噪声值明显降低，总噪声与原背景噪声相比差异不大，可以有效降低列车通行对鸟类声环境的不良影响。