道路揚塵評估方法的建立和比較

黃玉虎，李 鋼，楊 濤，秦建平，田 剛

北京市環(huán)境保護科學(xué)研究院，北京 100037

道路揚塵評估方法的建立和比較

黃玉虎，李 鋼，楊 濤，秦建平，田 剛

北京市環(huán)境保護科學(xué)研究院，北京 100037

建立了降塵法和AP-42法2種道路揚塵評估方法，它們分別以減去背景降塵的道路自身降塵(ΔDFr)和道路揚塵排放強度(EIr)作為評估指標.通過對這2種方法評估結(jié)果的比較與分析發(fā)現(xiàn):①ΔDFr和EIr有很好的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)(R2)為0.708;②ΔDFr能同時反映車輛激發(fā)揚塵和路面風(fēng)蝕揚塵，而EIr只反映車輛激發(fā)揚塵;③積塵負荷大小不代表評估道路揚塵污染程度，但適用于定量評價道路清掃保潔質(zhì)量.降塵法相比 AP-42法，其實施安全、簡單易行、誤差小，但不能滿足快速評估要求，而且評估成本略高.2種評估方法均表明《奧運保障措施》控制道路揚塵的效果明顯，2008年北京奧運會期間與2007年同期相比，快速路、主干路、次干路和支路ΔDFr分別下降了65%，55%，65%和84%.

道路揚塵;評估方法;降塵;AP-42;北京奧運會

Abstract:In this article，we set up two methods for evaluation of fugitive road dust:the dust fallmethod and the AP-42 method. The twomethods use relative road dust fall after subtracting background dust fall(ΔDFr)and the emission intensity of fugitive road dust(EIr)as the evaluation indices.Three conclusions have been drawn through comparing evaluation results of these two methods.First，ΔDFr and EIr are positively correlated，with a correlation coefficient R2of 0.708.Second，ΔDFr can simultaneously measure the fugitive dust generated by vehicles and wind erosion of the road surface silt，while EIr can only measure fugitive dust generated by vehicles.Third，the single index of silt loading(sL)does not reflect the degree of pollution from fugitive road dust，but can be applied to quantitatively evaluate the quality of city road sweeping and cleaning.Compared with the AP-42 method，the dust fallmethod is safer and easier to use with only small errors，but it does not provide fast results and has slightly higher costs.The two methods both indicate that the policies of Guaranteeing Measures of the 2008 Olympic Games had an obvious effect on controlling fugitive road dust.Comparing the period of the 2008 Olympic Games with the same period in 2007 shows that ΔDFr on freeways，major arterial，minor arterial and collector roads was reduced by 65%，55%，65%and 84%，respectively.

Keywords:fugitive road dust;evaluation methods;dust fall;AP-42;Beijing Olympic Games

2007年北京市區(qū)空氣質(zhì)量超標(API＞100)天數(shù)累計達119 d，可吸入顆粒物(PM10)成為首要污染物的天數(shù)比率高達99.2%［1］.SONG等［2］使用CALPUFF模型系統(tǒng)模擬2000年1月和2月期間北京市PM10的擴散，得出機動車和道路揚塵的貢獻率分別為5%和13%.CHENG等［3］應(yīng)用一個耦合的空氣質(zhì)量模型系統(tǒng)MM5-ARPS-CMAQ，模擬得出北京市2002年1月，4月，8月和10月道路揚塵對大氣環(huán)境 PM10的月均貢獻率分別為16.7%，12.9%，18.6%和18.2%.交通來源顆粒物中細粒子以外的部分主要來源于道路揚塵［4］，道路揚塵污染越來越受到包括中國在內(nèi)的世界各國環(huán)保部門的重視，目前北京、上海、重慶［5］和濟南等城市都在大力開展揚塵綜合整治，如何定量評估道路揚塵整治效果成為一個亟需解決的問題，科學(xué)的評估方法可以為道路揚塵整治工作指明方向.

針對中國目前缺乏道路揚塵評估方法的現(xiàn)狀，建立了2種道路揚塵評估方法及監(jiān)測方法，即分別監(jiān)測道路降塵和揚塵(PM10)排放強度.道路降塵(DFr)是指靠重力自然沉降在道路附近集塵缸中的顆粒物.道路揚塵排放強度(EIr)是指每日每單位長度道路排放的揚塵量，其由美國國家環(huán)境保護局(US EPA)AP-42公式［6］計算而得，它是道路積塵負荷、平均車質(zhì)量和車流量的函數(shù)，其中積塵負荷是指機動車行駛區(qū)域內(nèi)單位面積道路上收集的能通過200目(≤75μm)標準篩的顆粒物質(zhì)量，單位為g/m2.因此將這2種評估方法分別命名為降塵法和 AP-42法.通過對2種方法評估結(jié)果的比較分析，以期發(fā)現(xiàn)二者間的內(nèi)在關(guān)系及優(yōu)缺點，為2種方法的實際應(yīng)用奠定基礎(chǔ).

1 材料與方法

為綜合考慮時間、空間和道路類型對2種評估方法的影響，將對不同季節(jié)、區(qū)域、道路類型進行降塵監(jiān)測和積塵采樣.

1.1 降塵監(jiān)測方法

田剛等［7］研究施工揚塵擴散規(guī)律時發(fā)現(xiàn)，施工降塵濃度與監(jiān)測高度、監(jiān)測點距工地中心距離的2次方都成反比.SPATT等［8］指出，道路邊界降塵量最高，降塵量隨監(jiān)測點與道路邊界最小水平距離的增加而呈指數(shù)衰減.因此，采用降塵法評估道路揚塵，除了需要按照《環(huán)境空氣 降塵的測定重量法》(GB/T 15265—1994)［9］準備集塵缸和分析道路降塵樣品外，還需要統(tǒng)一監(jiān)測高度和監(jiān)測點與道路的最小水平距離.

國內(nèi)外學(xué)者研究道路降塵時不約而同地選擇了相近的監(jiān)測高度，如田剛等［10］在北京選擇3 m，HEDALEN［11］在挪威選擇 2.5 m，MUHAMMAD等［12］在巴基斯坦選擇3 m.3 m左右不僅可以防止集塵缸過多接收道路揚起的大顆粒(粒徑≥100 μm)，而且有利于更換集塵缸和免于人為破壞.因此，該研究的監(jiān)測高度沒有選擇 GB/T 15265—1994規(guī)定的5～12 m，而是選擇了3 m.

為確定道路降塵監(jiān)測點的設(shè)置位置，研究了道路橫截面降塵分布.橫截面位置分為3類，共5個位置:上下主路之間(1個位置)，主輔路之間(2個)和輔路便道之間(2個).選擇北京西二環(huán)至西三環(huán)的快速路和主干路中4處道路橫截面為研究對象，每處橫截面設(shè)置5個監(jiān)測點，連續(xù)監(jiān)測6個月.表1是道路橫截面平均降塵分布情況，道路降塵(DFr)分布特征基本遵循上下主路之間＞主輔路之間＞輔路便道之間.基于該分布特征，將監(jiān)測點統(tǒng)一設(shè)置在主輔路之間，無輔路時設(shè)置在行車道和便道之間，同時避開建設(shè)工地、商場和公交車站等其他影響源.

表1 道路橫截面平均降塵分布Table 1 Distribution of dust fall from road’s cross section t/(km2·月)

1.2 積塵采樣方法

AP-42附錄APP-C1推薦了 AP-42鋪裝道路積塵采樣方法［13］.AP-42法要求采樣人員站在路上用吸塵器吸塵，這對車輛通行和采樣人員安全提出了極大挑戰(zhàn)，加上大城市積塵采樣的工作量大，因此保證采樣的安全性、快捷性和準確性成為首要任務(wù).KUHNS等［14］于2001年開發(fā)了一種推測道路積塵負荷的新方法(TRAKER).筆者在保證積塵負荷物理意義不變的前提下，對AP-42法略微做了改進，設(shè)計了移動式鋪裝道路積塵采樣方法(見圖 1)，該方法在采樣車低速(＜7.2 km/h)行駛過程中完成積塵采樣，采樣時采樣車在車道中央行駛，開啟采樣車后門，采樣人員坐在車尾兩側(cè)用吸塵器吸塵，吸塵區(qū)域在每車道左、右內(nèi)側(cè)(距離車輪約1 m)，采樣帶寬度約0.12 m，吸完一條車道并入下一車道，直至采集到雙向每條車道路面塵土.

為保證積塵采樣量足夠且覆蓋道路雙向每條車道，因此要求支路每條車道采集200 m(車道左、右內(nèi)側(cè)各100 m)，其他類型道路每車道采集100 m(車道左、右內(nèi)側(cè)各50 m).通過安裝在車輪上的智能計數(shù)器來計量吸塵長度，車輪每轉(zhuǎn)1圈，計數(shù)器響應(yīng)1次，吸塵長度最大計量誤差為4%.實踐證明，該方法與 AP-42法相比，其采樣的安全性、快捷性和準確性都有大幅提高.

圖1 移動式鋪裝道路積塵采樣方法Fig.1 A travelling sampling method for paved road silt

1.3 樣品采集情況

2007年4月，8月，11月20日左右，以及2008年1月和8月20日左右(奧運期間)，分5次對城八區(qū)40條道路(包括快速路、主干路、次干路和支路)完成監(jiān)測周期為(30±2)d的道路降塵(DFr)監(jiān)測，每條道路上設(shè)置2個監(jiān)測點(2點距離大于300 m)，同時選擇14個公園或綠地進行背景降塵(DFb)監(jiān)測.

分5次對城八區(qū)58條道路(包括快速路、主干路、次干路和支路)的路面積塵進行采樣，58條道路中有21條同步監(jiān)測了道路降塵，每次積塵采樣時間都在道路降塵監(jiān)測期內(nèi).保證每個城區(qū)都有1～2段快速路、主干路、次干路和支路用于降塵與積塵負荷監(jiān)測，圖2為監(jiān)測道路的分布情況.

圖2 降塵和積塵負荷監(jiān)測道路分布Fig.2 Distribution of roads for monitoring dust fall and silt loading

2 結(jié)果與討論

2.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計和評估指標

5次道路降塵監(jiān)測共獲得470個降塵數(shù)據(jù)，5次路面積塵采樣共獲得290個積塵負荷數(shù)據(jù).使用格魯布斯檢驗法分析原始數(shù)據(jù)，在保證置信度為0.95的前提下，剔除少量離群數(shù)據(jù)，離群數(shù)據(jù)主要指受車輪帶泥和車輛遺撒等行為影響的監(jiān)測數(shù)據(jù).

道路降塵(DFr)與背景降塵(DFb)的差值是道路自身引起的降塵濃度，筆者將其定義為道路自身降塵(ΔDFr)，并將ΔDFr作為降塵法評估道路揚塵的指標，ΔDFr的單位為t/(km2·月)，其中一個月取30 d.

US EPA AP-42鋪裝道路揚塵排放因子模型［6］將積塵負荷作為一個重要參數(shù)，排放因子模式見式(1)，根據(jù)積塵負荷和平均車質(zhì)量［15］計算排放因子.然后根據(jù)不同類型道路的排放因子和車流量［16］計算道路揚塵排放強度(EIr)，其單位為kg/(km·d).AP-42法將EIr作為評估道路揚塵的指標.

式中，E為排放因子，g/VKT，其中VKT是指車公里數(shù);k為粒徑系數(shù)，g/VKT;sL為路面積塵負荷，g/m2;W為道路平均車質(zhì)量，t;C為20世紀80年代車輛尾氣排放、剎車和輪胎磨擦排放因子，g/VKT.

2.2 2種評估方法比較

2.2.1 ΔDFr和EIr的關(guān)系按道路類型(4類)和試驗次數(shù)(5次)對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，共獲得20組 ΔDFr和EIr對照數(shù)據(jù)，圖3是ΔDFr和EIr的線性相關(guān)圖.由圖3可以看出，ΔDFr和EIr有很好的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)(R2)為0.708.雖然ΔDFr單位為t/(km2·月)，EIr單位為kg/(km·d)，由于筆者統(tǒng)一了降塵監(jiān)測點在道路橫截面上的設(shè)置位置，因此可以認為ΔDFr和EIr具有相同的量綱，同為M/(L·T)，其表示單位時間(T)內(nèi)單位道路長度(L)排放顆粒物的質(zhì)量(M).量綱相似可以證明二者具有相似的物理意義，即ΔDFr和EIr可以互為表征.

圖3 ΔDFr與EIr的關(guān)系Fig.3 Relationship between relative dust fall and em ission intensity of fugitive road dust

2.2.2 ΔDFr和EIr季節(jié)特征比較

選取4月，8月，11月和1月作為北京4個季節(jié)的代表月份，以秋季的試驗數(shù)據(jù)為對照項，對各季節(jié)的數(shù)據(jù)進行歸一化處理，即考核各季節(jié)與秋季數(shù)據(jù)的比值，同時考慮不同類型道路的揚塵污染權(quán)重，得到每個季節(jié)的加權(quán)平均值，最終揭示ΔDFr和EIr的季節(jié)變化特征，結(jié)果見圖4.由圖4可以看出，ΔDFr和EIr的季節(jié)特征不完全一致，EIr在春季和冬季的歸一化系數(shù)比ΔDFr分別下降了21%和39%.

道路揚塵既包括路面積塵被車輛激發(fā)的揚塵，還包括路面積塵經(jīng)風(fēng)蝕作用產(chǎn)生的揚塵. ΔDFr能同時反映這兩部分揚塵，而EIr只反映車輛激發(fā)揚塵.2007年春、冬季環(huán)境風(fēng)速 ＞5.4 m/s的小時數(shù)占全年比例分別為44%和25%，大風(fēng)使路面積塵負荷降低，因此，EIr在大風(fēng)季節(jié)的歸一化系數(shù)比ΔDFr明顯降低，此時 ΔDFr比EIr能更加全面反映道路揚塵.二者季節(jié)特征的不一致性是導(dǎo)致ΔDFr和EIr之間R2不高的原因.從圖5可以看出，僅對夏季和秋季的12組對照數(shù)據(jù)作線性相關(guān)，ΔDFr和EIr的R2由0.708升至0.888.

圖4 ΔDF r和EIr季節(jié)特征比較(秋季為歸一化季節(jié))Fig.4 Comparison ofΔDFr and EIr in different seasons (the autumn is the normalization season)

圖5 夏季和秋季ΔDFr與EIr的關(guān)系Fig.5 Relationship betweenΔDFr and EIr in summer and autumn

2.2.3 優(yōu)缺點比較

試驗結(jié)果表明，2種評估方法具有很好的一致性，但在實際應(yīng)用時2種方法有各自的優(yōu)缺點.通過對二者優(yōu)缺點的比較，可為評估方法的選擇提供依據(jù).2種評估方法的優(yōu)缺點:①降塵法只監(jiān)測道路降塵和背景降塵，實施安全，評估周期長(7～30 d)，評估結(jié)果代表長時間的平均值，評估誤差小，但不能滿足快速評估要求，而且評估成本略高.②AP-42法只監(jiān)測積塵負荷，評估周期短(1～3 d)，能滿足快速評估要求，但需要代入平均車質(zhì)量和車流量等參數(shù)，而這些道路信息在許多城市不易獲得，導(dǎo)致AP-42法應(yīng)用存在難度;此外其評估結(jié)果僅代表短時間的情況，評估誤差大，而且不反映路面風(fēng)蝕揚塵.

2.3 降塵法評估結(jié)果

奧運期間(2008年8月)北京市實施了《奧運保障措施》［17］，該措施要求奧運期間停止土石方工程、黃標車禁行、加強城市主要道路的吸掃和沖刷等.圖6是采用ΔDFr評估《奧運保障措施》控制道路揚塵效果的評估結(jié)果.由圖6可以看出，ΔDFr基本遵循快速路＞主干路 ＞次干路 ＞支路，奧運期間與2007年同期相比，快速路、主干路、次干路和支路 ΔDFr分別下降65%，55%，65%和84%，證明《奧運保障措施》控制道路揚塵的效果明顯，同時也證明降塵法可以用于道路揚塵評估.

圖6 道路自身降塵(ΔDFr)評估結(jié)果Fig.6 Evaluation results of fugitive road dust byΔDFr

2.4 AP-42法評估結(jié)果

2.4.1EIr評估《奧運保障措施》

圖7是采用EIr評估《奧運保障措施》控制道路揚塵效果的評估結(jié)果.由圖7可以看出，奧運期間與2007年同期相比，快速路、主干路、次干路和支路EIr分別下降了77%，54%，67%和66%，顯示EIr評估結(jié)果與ΔDFr評估結(jié)果基本一致.《奧運保障措施》降低道路積塵負荷效果明顯，積塵負荷下降保證了EIr大幅下降，這是因為吸掃和沖刷可有效降低積塵負荷［18］.《奧運保障措施》啟示我們，今后在大力推廣道路的吸掃和沖刷的同時，尤其要杜絕施工工地污染社會道路.

圖7 道路揚塵排放強度(EIr)評估結(jié)果Fig.7 Evaluation results of fugitive road dust by EIr

2.4.2 評估指標EIr優(yōu)于積塵負荷

采用式(1)計算發(fā)現(xiàn)，不同類型道路的積塵負荷和EIr呈負相關(guān)，僅用積塵負荷評估道路揚塵，得出污染強弱順序為支路＞次干路＞快速路 ＞主干路，它與EIr和 ΔDFr的評估結(jié)果都完全相反.此外，積塵負荷與 ΔDFr的相關(guān)性很差，R2僅為0.01，說明積塵負荷大小不代表道路揚塵污染程度，但適用于定量評價道路清掃保潔質(zhì)量［19］.再者，評價不同類型道路不可以共用一個積塵負荷限值，可以共用一個ΔDFr或EIr限值，因此，《防治城市揚塵污染技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 393—2007)［20］按4種道路類型分別制定了道路積塵負荷限值標準.

3 結(jié)論

a.針對缺乏城市道路揚塵整治效果定量評估方法的現(xiàn)狀，建立了2種道路揚塵評估方法及監(jiān)測方法，即降塵法和AP-42法，分別以減去背景降塵的道路自身降塵(ΔDFr)和道路揚塵排放強度(EIr)作為評估指標.

b.通過對2種方法評估結(jié)果的比較與分析發(fā)現(xiàn):①ΔDFr和EIr有很好的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)(R2)為0.708;②ΔDFr能同時反映車輛激發(fā)揚塵和路面風(fēng)蝕揚塵，而EIr只反映車輛激發(fā)揚塵;③積塵負荷大小不代表道路揚塵污染程度，但適用于定量評價道路清掃保潔質(zhì)量.

c.降塵法相比AP-42法，其實施安全、簡單易行、誤差小，但不能滿足快速評估要求，而且評估成本略高.2種評估方法均表明《奧運保障措施》控制道路揚塵的效果明顯，2008年北京奧運會期間與2007年同期相比，快速路、主干路、次干路和支路 ΔDFr分別下降了 65%，55%，65%和84%.

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Establishm ent and Com parison of Evaluation Methods for Fugitive Road Dust

HUANG Yu-hu，LIGang，YANG Tao，QIN Jian-ping，TIAN Gang
Beijing Municipal Research Institute of Environmental Protection，Beijing 100037，China

X513

A

1001-6929(2011)01-0027-06

2010-05-23

2010-09-29

北京市科技計劃項目(Z09040600930902);國家環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(200709030)

黃玉虎(1978-)，男，江西景德鎮(zhèn)人，助理研究員，碩士，主要從事無組織揚塵研究，huangyuhu@sina.com.