MULTICRITERIA ANALYSIS FOR THE ASSESSMENT OF THE NOISE IMPACT IN PLANNING A LIGHT METROPOLITAN RAILWAY. AN APPLICATIVE EXAMPLE M.CONI, E. CECERE, F. ANNUNZIATA Dept. of Ingegneria Del Territorio - University of Cagliari Piazza d Armi - 09123 CAGLIARI - Tel. ++39. 070.675525.3 or 4, 6 Fax ++39.070.6755261, Email Annunz@vaxca3.unica.it Summary: That the noise component should be taken into consideration in planning processes is due to the fact that the role of urban noise has become more important in recent years, both because of an increase in frequencies and speeds, and because the population has become more sensitive to such issues. The competence, measuring methods and objectives of noise pollution have recently been established in Italy with the Outline Law on Noise Pollution no. 447 dated October 1995. An analysis of railway noise has pointed out that it is due to different causes, that are important to varying degrees according to different travelling conditions. Much can be done to the infrastructures to limit both the generation of noise and its propagation in the surrounding environment, by intervening on the plano-altimetric characteristics, their section, the materials employed and on their correct maintenance. Among the various parameters that mostly affect noise are average speed, the number of trains and their composition. Benefits can be obtained during planning. On the basis of prediction models it is possible to check the effect of either of two alternatives. In land planning it is useful to be able to avail oneself of techniques that should allow to forecast noise levels generated by railway traffic starting from the parameters the noise levels depend on. Different studies on external noise have led to formulate models that correlate L eq with geometric and traffic parameters. In the study a way of assessing the noise impact due to changes in the railway layout, and in its physical and traffic characteristics has been attempted. Among the methods aimed at assessing the different behaviours of the possible layouts, multicriteria analysis allows to choose the layout with the best performance with respect to the different, and at times contrasting, objective functions. In fact, multicriteria analysis renounces both the valuation of various and the exclusively restrictive approach effects (by exceeding the bounds of cost-benefit analysis); moreover the different effects induced by the layout alternatives are kept separate, since also at the moment the decision is made, both environment and land are still being taken into account. First of all the method is based on the observation that the variables assumed in the noise prediction models are practically those that define the railway characteristics (speed, frequency, type of unballasted permanent way and carriages, etc.) assigned in the layout phase. The effects of these parameters induce the choice of a particular indicator that assesses the impact of noise on the population in terms of general inconvenience. They are summarised in different utility functions that represent the input for the subsequent multicriteria analysis and are the variables to be analysed. The study ends with an applicative example of the method on a simplified network. The example refers to the reconversion of narrow gage urban end lines in the city Cagliari into local community transport infrastructures. Multicriteria, Noise, Planning, Metropolitan railway
1. Premessa Nella pianificazione di una metropolitana leggera occorre considerare tutti i fattori che concorrono alla qualità globale del sistema. Questa si concretizza in una serie di interventi che, nei limiti delle risorse disponibili, mirano al miglioramento delle condizioni di esercizio, della sicurezza, alla riduzione dell inquinamento acustico, al risparmio energetico, etc. La valutazione degli effetti che le diverse ipotesi di piano producono sul territorio costituisce il punto fondamentale per la scelta della proposta che si comporta meglio, nei confronti degli obiettivi prefissati. È necessario stimare l impatto conseguente a ogni azione progettuale fissando le soglie di tollerabilità. La memoria nasce in quest ottica, con l intento di individuare una metodologia per stimare correttamente l impatto-rumore. Il lavoro è stato sviluppato alla luce della recente Legge Quadro in Materia di Inquinamento Acustico n. 447/95 che sancisce i principi fondamentali e i limiti ammissibili. 2. Il rumore ferroviario L'analisi del rumore ferroviario ha messo in evidenza come esso sia dovuto a cause che assumono diversa importanza in funzione delle differenti condizioni di marcia. Tra le principali sorgenti ricordiamo il contatto tra ruota e rotaia, gli organi di trasmissione, il contatto pantografoalimentazione, la penetrazione aerodinamica, i gruppi ausiliari, il motore e gli organi di trasmissione. La loro incidenza è funzione della velocità del mezzo. Inoltre, il fenomeno è influenzato da numerosi parametri che dipendono dall armamento, dalla sovrastruttura, dal traffico, dal mezzo e dalle condizioni ambientali e al contorno. Molto può essere fatto sulle infrastrutture per limitare sia la generazione del rumore sia la sua propagazione nell ambiente circostante, intervenendo sulle caratteristiche plano-altrimetriche, sulla sezione, sui materiali impiegati, etc.. Altrettanto può essere fatto in sede di pianificazione. Sulla base di modelli previsionali è possibile verificare l effetto di una determinata scelta rispetto ad un altra. L impiego delle barriere dovrebbe rappresentare l ultima opzione a cui ricorrere nelle condizioni più critiche. I parametri che influiscono in maggior misura sono: la velocità media, il numero di convogli e la loro composizione. A parità delle altre condizioni il Leq aumenta di circa 1.0-1.5 dba per ogni 10 Km/h di variazione della velocità media, mentre un raddoppio del numero di convogli determina un incremento di circa 3 dba. Più complesso è il legame tra il rumore e la composizione del vettore: il raddoppio della lunghezza comporta un incremento di circa 3 dba, mentre si riscontrano differenze fino a 5-6 dba tra carrozze rumorose e silenziose. Anche il tipo di sezione influenza il livello acustico. Le curve di isolivello si allargano in presenza di sezioni aperte, quali i viadotti, mentre si restringono nelle sezioni chiuse. Importante è l influenza del tipo di armamento, di giunti della rotaia e del loro stato di manutenzione. Il ballast e la tipologia dei suoli possono contribuire alla riduzione del rumore, qualora abbiano proprietà fonoassorbenti. 3. Il modello previsionale utilizzato Nell'ambito della pianificazione territoriale è utile poter disporre di tecniche che consentano di prevedere i livelli di rumore generati dal traffico ferroviario a partire da parametri quali velocità, numero di convogli, raggi di curvatura, caratteristiche dell armamento e della sezione, etc., che possono essere previsti o assunti in sede progettuale. Diversi studi hanno portato a formulare modelli matematici di previsione del rumore prodotto dalla presenza di una linea ferroviaria. Tra i diversi modelli disponibili è stato utilizzato quello sviluppato dal C.S.T.B. (Centre Scientifique et Tecnique du Bâtiment), che consente di legare il livello equivalente alle caratteristiche dell esercizio, del parco mezzi e del tipo di armamento. La sua formulazione è data dalla seguente espressione: L = 15 13logd + 10log a eq n i= 1 lv i i b i 2 in cui: l = lunghezza del convoglio in m; V = velocità del convoglio in Km/h; a = 1 (rotaie saldate), 1.5 (r. a giunti alternati), 3 (r. tradizionali); b = 0.5 (vagagoni rumorosi), 1 (vag. ordinari), 3 (vag. silenziosi) 6 (vag. molto silenziosi). 2
4. Metodologia di valutazione degli impatti attraverso l analisi multicriteria Nella valutazione di impatto ambientale, uno dei problemi che si presentano nella scelta della alternativa che realizza la migliore soluzione, in relazione agli obiettivi prefissati e nel rispetto dei vincoli ambientali, è quello della valutazione degli effetti non monetizzabili e del loro confronto con le grandezze espresse invece in termini monetari. L analisi multicriteria consente di poter effettuare la scelta del progetto a rendimento migliore in riferimento a diverse funzioni obiettivo, spesso in contrasto tra loro, rinunciando sia a monetizzare i vari effetti (superando i limiti dell analisi costi-benefici), sia a un approccio esclusivamente vincolistico (tipico dell analisi costiefficacia). Inoltre, si tengono separati i diversi effetti provocati dalle alternative progettuali proprio perché si vuole continuare a tener conto, anche nel momento della decisione, sia dell ambiente e sia del territorio. Avendo messo in evidenza la necessità di predisporre un piano che tenga conto, non solo, del miglioramento del traffico ferroviario ma, contestualmente, anche degli impatti che si vengono a determinare in seguito alle modifiche di rete, l obiettivo del lavoro è quello di individuare una strategia che permetta di quantificare il grado di impatto rumore provocato da una metropolitana leggera. Nell analisi, dopo aver costruito una matrice (matrice degli impatti) dove l elemento generico rappresenta il valore dell impatto che ogni alternativa provoca per il particolare settore considerato (economico, inquinamento acustico, etc.), si passa dagli indicatori agli obiettivi attraverso le funzioni di utilità. Si perviene alla definizione della matrice di valutazione in cui il generico elemento rappresenta il livello di impatto raggiunto da ogni alternativa, in una scala di valori in cui è stato evidenziato l obiettivo che corrisponde alla soddisfazione massima. In tale memoria si è focalizzata l attenzione sul rumore, andando a valutare dapprima quale fosse l indicatore più idoneo per la stima di tale impatto sulla popolazione; si è quindi quantificato l impatto acustico in termini di disturbo globale. Questo oltre ad essere legato a valori di soglia non superabili come valore assoluto, è funzione anche di diversi parametri quali la densità abitativa della zona cui ci si riferisce e/o l estensione di superficie della zona interessata dall impatto. A tale scopo l analisi è stata condotta utilizzando due indicatori differenti; il primo è un indice di disturbo sulla popolazione residente intorno alla linea ferrata, ed è misurato dal dba ponderato sul numero di residenti, l altro è stato ottenuto ponderando il livello sonoro con la superficie interessata dall emissione acustica. Il motivo di tale differenza risiede nel fatto che una zona urbana può essere scarsamente popolata ma avere pregio ambientale (ad esempio una piazza o un parco urbano). Quindi, per ogni ipotesi di piano, è stato calcolato il valore di impatto rumore che l intervento, contemplato dal piano, produrrà sull intera area in studio. Successivamente si è analizzata la funzione utilità che interviene nel passaggio dall indicatore (rappresentato dai dba x abitante in un caso e dai dba x mq nell altro) all obiettivo che è quello di rendere minima l emissione acustica provocata dalla metropolitana leggera. Le funzioni utilità 1 impiegate nei due casi sono leggermente differenti in quanto la tollerabilità è diversa a seconda che elevati livelli sonori vengano raggiunti nella propria abitazione o in un luogo pubblico. Ciò per evidenziare come l applicazione di una diversa funzione di utilità all indicatore acustico determini un diverso ordinamento delle alternative. Per gli altri indicatori è stata assegnata una funzione di utilità standard, decrescente in tutti i casi tranne che per la capacità di trasporto per cui si è considerata una funzione crescente. Figura 1: Rappresentazione grafica delle funzioni utilità 1 Nella figura 1 sono riportate le due funzioni utilità utilizzate successivamente nell esempio. 3
5. Applicazione del metodo ad una rete semplificata Il metodo è stato applicato ad una porzione di rete, ricadente nell area metropolitana di Cagliari, per la quale è stato redatto un progetto che prevede la riqualifica della linea ferrata a scartamento ridotto della ex FdS. Nella memoria vengono considerate anche altre soluzioni, con l intento di migliorare l offerta di trasporto e contestualmente ridurre il livello di emissione di rumore provocato dal transito dei convogli. L esempio sviluppato si riferisce al caso del Comune di Monserrato, che accoglierà una parte importante del futuro tracciato metropolitano e nel quale si attesta l attuale stazione delle FdS. Il centro urbano è attualmente collegato ai restanti comuni dell Area Metropolitana tramite quattro linee di trasporto pubblico e dalla linea ferroviaria ex FdS. Si osserva però che i residenti a causa degli elevati tempi di viaggio, per la carenza dell offerta, ma anche per comportamenti consolidati, trovano maggiore soddisfazione nel trasporto privato. Il progetto redatto dalle FdS prevede che la nuova linea metropolitana attraversi il centro storico ripercorrendo l attuale tracciato delle ex FdS. In esso è previsto che la stazione di Monserrato assolva ruolo di polo di scambio tra autobus e metropolitana. È, inoltre, in fase di realizzazione un ulteriore tratta che, dalla stazione ferroviaria di Monserrato, seguendo un vecchio tracciato ferroviario, costeggi viali periferici, attraversando alcuni assi radiali in viadotto e uscendo dal centro urbano sottopassando il principale asse tangenziale dell area metropolitana e proseguendo parallelamente a questo. Questo tracciato non consente il collegamento diretto con la Cittadella Universitaria, futuro attrattore di traffico, ubicata a circa 500 m a più nord. 5.1. Le alternative considerate La fig. 2 illustra le alternative di tracciato. Le altre ipotesi considerate consistono nelle differenti modalità di esercizio, in termini di frequenze, nel tipo di convogli e di armamento. Nell alternativa al tracciato individuata, si prevede di inserire la piattaforma metropolitana nell ampio viale risultante dalla copertura del vecchio canale scolmatore e dalle strade laterali, non pavimentate. Questo asse presenta residenze solo da un lato, mentre sull altro vi sono vaste aree non edificate. Il confronto tra le alternative si è basato sui seguenti aspetti: l impatto visivo, l inquinamento acustico, i costi di costruzione, il grado di interferenza con il traffico veicolare, la capacità di trasporto del sistema, i tempi massimi di attesa alle fermate, la loro distanza media. Si sono anche considerate le problematiche legate all espansione urbanistica e all utilizzo del territorio. Le linee di tendenza di sviluppo urbano del comune di Monserrato sono sempre più dirette verso nordovest, dove ancora sono disponibili aree edificabili. In previsione di ciò l inserimento di un percorso di metropolitana leggera sopperirebbe alla carenza del servizio di trasporto pubblico, riqualificando aree periferiche per caratterizzarle dal punto di vista architettonico-urbanistico. Per quanto concerne l impatto visivo nel centro storico, l attuale utilizzo di elementi di separazione quali guard-rail e muri di tufo è di per sé un elemento di degrado. Gli spazi limitati non consentono l ottimale ubicazione delle fermate, per limiti dimensionali e costruttivi delle banchine. Per l impatto acustico, si è rilevato che il transito dei convogli genera sugli abitanti effetti nocivi, quali vibrazioni e rumore soprattutto per l eccessiva vicinanza. Il progetto redatto, che prevede il riutilizzo dell attuale linea, aggraverebbe ulteriormente questi disagi per l incremento del numero di treni/h di tipo metropolitano, molto maggiore di quanto non sia oggi il traffico ferroviario (attualmente da 10 15 treni/gg). Il territorio considerato è limitato da un rettangolo di 1500m 800m, suddiviso in un reticolo a maglia quadrata. Nei vertici dei quadrati elementari sono stati calcolati il livello equivalente e il parametro globale di disturbo, definito dal prodotto tra il numero di abitanti, che insistono su quel nodo della griglia, e il livello equivalente che essi percepiscono. I punti del reticolo sono in tutto 2013, con uno step di 25 m. Su ogni nodo insiste una superficie di 625 m 2. Per valutare la densità residenziale è stata effettuata una suddivisione del territorio in otto zone omogenee. Maggior precisione si sarebbe ottenuta se la densità fosse stata valutata strada per strada, e/o dividendo il numero di abitanti su una data via per la sua lunghezza. Calcolate le distanze dall asse della linea dei punti del reticolo, si è determinata la velocità che il convoglio assume sulla normale alla linea 4
ferrata. Per ciascuna delle alternative studiate si sono fatte diverse ipotesi progettuali che vengono sintetizzate nella seguente tabella. Tabella 1: Caratteristiche delle differenti alternative introdotte nel modello CSTB alternativa tracciato rotaie vagoni frequenza velocità Km/h n fermate 0 Tracciato attuale tradizionali (a=3) rumorosi (b=0.5) 30 50 2 1 Progetto FdS ordinari (b=1) 12 50 4 2 silenziosi (b=3) 7.5 50 4 3 6 60 4 4 Prog. modificato 12 50 5 5 giunti alterni (a=1.5) 7.5 50 5 6 saldate(a=1) 3 60 5 Per tutte le alternative si è ipotizzata la lunghezza del convoglio di 60 m. La capacità è stata ricavata, per l alternativa 0, dai dati forniti dalle FdS, mentre per le altre alternative è stato ipotizzato un valore medio di 150 pass/treno, tenendo conto della diversa frequenza tra le ore di morbida e di punta. La stima del grado di interferenza con il traffico locale è stata condotta con riferimento all attesa totale che le correnti veicolari sopportano nell ora di punta. Per il suo calcolo si è reso necessario il rilievo dei flussi veicolari laddove sono stati previsti passaggi a livello. Nelle tabella che segue sono riassunti i valori assunti dai parametri considerati per ciascuna alternativa. Tabella 2: Matrice degli impatti 0 1 2 3 4 5 6 Disturbo acustico globale dba 69.030 65.990 61.620 62.800 56.330 53.310 53.140 Capacità di trasporto (pass./gg) 2100 9000 14400 18000 9000 14400 22000 Interferenza con traffico veicolare (min.) 3525 11476 18362 22953 8083 12933 32333 Intrusione visiva 4 5 5 5 5 7 7 Attesa max. alle fermate (minuti) 30 12 7.5 6 12 7.5 3 Distanza media fermate (m) 1200 465 465 465 500 500 500 Costo di realizzazione (milioni di lire) 4000 11.705 12.184 15.254 11.858 14.956 22.252 Vibrazioni 4 5 6 7 4 6 8 6. Risultati Prima di illustrare i risultati dell analisi multicriteria è interessante svolgere alcune considerazioni sull impatto rumore stimato nelle differenti alternative. Si è osservato che migliorando le caratteristiche del mezzo la rumorosità si riduce anche di quantità apprezzabili pari a 5-6 dba, mentre intervenendo sul tipo di giunti tra rotaie è possibile ottenere benefici stimabili al massimo in 4-5 dba passando da rotaie tradizionali a quelle saldate. È bene però mettere in evidenza che questo beneficio è ottenibile intervenendo solo sulle rotaie mentre molti altri accorgimenti possono essere attuati sulla sovrastruttura, sul tipo di attacchi e di traverse, etc., ottenendo un beneficio di circa 3-4 dba a costi contenuti rispetto a quelli necessari per migliorare le caratteristiche del mezzo (si tenga presente che il costo per il materiale rotabile previsto nel progetto ex Fds è di 2.130.000 /m rispetto a quello dell armamento ferroviario pari a 490.000 /m). Nota la matrice degli impatti e attribuiti i pesi ad ogni indicatore, il passaggio successivo è stato quello di trasformare gli indicatori in obiettivi attraverso le funzioni di utilità; quelle utilizzate per il rumore sono già state riportate in fig. 1. Si perviene così alla matrice di valutazione i cui elementi sono espressi in unità adimensionali e tutti compresi tra zero e uno; a tale matrice è stata applicata l analisi multicriteria codificata dal software VISPA. Nelle tabelle che seguono vengono riportati i risultati ottenuti con i seguenti metodi: somma pesata (SP), somma pesata parziale (SPp), indice di concordanza (IC), caso peggiore (CP), caso peggiore pesato (CPp), indice di discordanza (ID). Tabella 3: Ordinamento finale nel caso di funzione di utilità ponderata sulla popolazione 5
Ordinamento SP SPp IC CP CPp ID 1 Alt. 4 Alt. 5 Alt. 4 Alt. 2 Alt. 2 Alt. 4 2 Alt. 5 Alt. 4 Alt. 2 Alt. 3 Alt. 4 Alt. 5 3 Alt. 2 Alt. 6 Alt. 5 Alt. 4 Alt. 5 Alt. 2 4 Alt. 1 Alt. 2 Alt. 1 Alt. 5 Alt. 3 Alt. 1 5 Alt. 3 Alt. 3 Alt. 0 Alt. 1 Alt. 1 Alt. 3 6 Alt. 6 Alt. 1 Alt. 3 Alt. 6 Alt. 6 Alt. 6 7 Alt. 0 Alt. 0 Alt. 6 Alt. 0 Alt. 0 Alt. 0 Tabella 4: Ordinamento finale nel caso di funzione di utilità ponderata sulla superficie Ordinamento SP SPp IC CP CPp ID 1 Alt. 5 Alt. 5 Alt. 4 Alt. 2 Alt. 4 Alt. 5 2 Alt. 4 Alt. 4 Alt. 2 Alt. 4 Alt. 5 Alt. 4 3 Alt. 2 Alt. 6 Alt. 1 Alt. 5 Alt. 2 Alt. 2 4 Alt. 1 Alt. 2 Alt. 5 Alt. 3 Alt. 3 Alt. 1 5 Alt. 3 Alt. 3 Alt. 0 Alt. 1 Alt. 1 Alt. 6 6 Alt. 6 Alt. 1 Alt. 3 Alt. 6 Alt. 6 Alt. 3 7 Alt. 0 Alt. 0 Alt. 6 Alt. 0 Alt. 0 Alt. 0 7. Considerazioni finali Il lavoro si sviluppa secondo due obiettivi principali uno finalizzato all individuazione dell indicatore più idoneo per quantificare il disturbo, l altro che evidenzia l effetto ottenibile modificando tale parametro. Il punto fondamentale della metodologia seguita è dunque la scelta delle funzioni di utilità da introdurre nell analisi multicriteria per l impatto acustico. Quelle proposte (fig. 1) sono certamente suscettibili di approfondimento e tengono conto della maggiore sensibilità dei residenti rispetto a chi sosta o transita nelle aree disturbate. Generalizzando il concetto è possibile pensare di legare tali funzioni di utilità alla zonizzazione acustica imposta alle amministrazioni comunali. L importanza della corretta scelta della funzione utilità è dimostrata dai diversi risultati ottenuti nell analisi multicriteria cambiando la funzione. In particolare, nell esempio proposto, utilizzando la funzione ponderata sulla popolazione si trova un ordinamento in cui l alternativa 4 si colloca al primo posto più volte rispetto alle altre, mentre con la funzione ponderata sulla superficie risulta preferibile l alternativa 5, collocandosi al primo posto per un numero di volte pari a 3. Da ciò si deduce come sia determinane, ai fini dell analisi, sia la scelta appropriata dell indicatore che misura l impatto, sia quella della funzione utilità che a tale indicatore va applicata. Bibliografia Bresso M., Colorni A., Malcevschi S., Mioni A., Metodologie per la VIA, in Manuale per la redazione degli studi di impatto ambientale, Regione Lombardia, Milano, 1993. Busetto F., L inquinamento acustico prodotto dal traffico urbano, in Trasporti Pubblici, anno V, n 29, 1989. Camomilla G., Canale S., Ventura F., "Controllo del rumore generato da traffico - Nuovo problema delle gestioni stradali.", Atti del XX Convegno Nazionale Stradale, Giugno 1986. Cecere E., Coni M., Analisi multicriteria per la valutazione dell impatto acustico nella redazione dei Put. Un esempio applicativo. V Convegno SIDT, Napoli, 1996. Cohon J.L., Multiobjective programing and planning, Academic Press, 1979. Colorni A., Malcevschi S., Manuale per la redazione degli studi di impatto ambientale, Regione Lombardia, Milano, 1993. Colorni A., Laniado E., SILVIA: a software package for EIA, 13 Meeting of the International Association for Impact Assessment, Shangai, 1993. Cosa M., Cocchi A., Collatuo S., Cosa G., Rocco L., "Rumore e vibrazioni. Valutazione e criteri di difesa.", Vol.1, 2, 3, Maggioni Ed., 1990. Goicoechea A., Hansen D.R., Duckstein L., Multiobjective decision analysis with engineering and business applications, J. Wiley, New York, 1982. Macmillan R.H., "The control of noise from surface transport.", Journal of Saund and Vibration 173, 43, 1975. 6
Romani P., Ventura F., La rumorosità ambientale: il rumore delle barriere acustiche Pitagora Editrice Bologna, 25 Quaderno di tecniche di protezione ambientale: rumore industriale e urbano. 7