重慶市主城區(qū)道路揚(yáng)塵排放特性研究

程 健，傅 敏

(重慶工商大學(xué)環(huán)境與生物工程學(xué)院，重慶 400067)

重慶市主城區(qū)道路揚(yáng)塵排放特性研究

程 健，傅 敏

(重慶工商大學(xué)環(huán)境與生物工程學(xué)院，重慶 400067)

在不同季節(jié)采集重慶市主城區(qū)三種類型道路揚(yáng)塵樣品，同時記錄采樣時各種類型道路車流量、車型構(gòu)成、氣象條件、地理位置等數(shù)據(jù)，并根據(jù)美國環(huán)保署的AP-42揚(yáng)塵計(jì)算模型計(jì)算各種類型道路揚(yáng)塵排放因子及排放量，對重慶市主城區(qū)道路揚(yáng)塵排放特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：重慶市區(qū)主干道、次干道、支路的道路塵負(fù)荷sL值分別為0.872 g/m2、1.199 g/m2、1.463 g/m2，且sL值的大小與車流量有關(guān)；重慶市主城區(qū)道路揚(yáng)塵排放因子最大的是支路，排放量最大的是主干道；重慶市主城區(qū)所有類型道路TSP、PM10、PM2.5的年排放量分別為3 794.919 t、729.008 t、196.611t，且秋季和冬季的道路揚(yáng)塵排放量比春季和夏季大。

道路揚(yáng)塵；道路塵負(fù)荷；排放因子；排放量；重慶市主城區(qū)

近年來，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，環(huán)境污染問題逐漸受到全社會的關(guān)注，其中大氣顆粒物污染問題尤為突出。據(jù)資料顯示，2014年第三季度我國74個重點(diǎn)城市的空氣質(zhì)量平均達(dá)標(biāo)天數(shù)為79.1%，京津冀地區(qū)的大氣顆粒物污染現(xiàn)狀不容樂觀[1-2]。揚(yáng)塵[3]是大氣顆粒物污染的主要來源之一，而道路揚(yáng)塵(主要污染源是機(jī)動車)是城市揚(yáng)塵的重要貢獻(xiàn)源[4]。重慶作為老牌工業(yè)城市之一，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，主城區(qū)機(jī)動車保有量逐漸增加，相關(guān)研究[5]表明，重慶市主城區(qū)PM10的各貢獻(xiàn)源中，道路揚(yáng)塵的貢獻(xiàn)率達(dá)21.29%。

道路揚(yáng)塵主要是因道路上累積的灰塵受到動力條件(風(fēng)力、機(jī)動車行駛)的作用進(jìn)入空氣中形成的[6]，主要來源于大氣降塵、機(jī)動車行駛、建筑施工、道路清掃及裸露土壤等[7]，不僅影響空氣質(zhì)量，還對能見度[8]及人體健康[9-10]有負(fù)面影響。道路揚(yáng)塵排放特性的研究在國外起步較早， 1968年美國環(huán)境保護(hù)署(EPA)第一次發(fā)布AP-42揚(yáng)塵計(jì)算模型[11]，該模型是通過大量實(shí)驗(yàn)及回歸分析所得出的經(jīng)驗(yàn)公式，經(jīng)過EPA的多次更新和補(bǔ)充，現(xiàn)已成為道路揚(yáng)塵排放特性研究的主要方法，在國外運(yùn)用較為廣泛[12-13]；此外還有Kuhns等[14]通過氣象條件和車流量等因素利用TARKER法對道路揚(yáng)塵進(jìn)行了研究。國內(nèi)關(guān)于道路揚(yáng)塵排放特性的研究起步較晚，最近幾年才逐步開展，主要集中在北京[15]、濟(jì)南[16]、天津[17]等北方城市。本文以重慶市主城區(qū)的道路揚(yáng)塵為研究對象，通過實(shí)地采樣與分析，采用EPA公布的AP-42揚(yáng)塵計(jì)算模型，計(jì)算了重慶市主城區(qū)各種類型道路揚(yáng)塵的排放因子及排放量，并分析了其排放規(guī)律及特點(diǎn)，為道路揚(yáng)塵控制提供理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐。

1 樣品采集與處理

1.1 樣品采集

參照美國EPA[18-19]的采樣要求，用便攜式真空吸塵器在一定面積內(nèi)吸取道路揚(yáng)塵，編號后放入密封袋保存?zhèn)溆?，同時記錄采樣時的氣象條件(風(fēng)速、溫度、濕度等)、車流量、車型構(gòu)成、地理位置、采樣面積等數(shù)據(jù)。本研究通過對重慶市主城區(qū)60條不同類型的道路進(jìn)行實(shí)地調(diào)查后，最后選取36條道路進(jìn)行樣品采集，其中主干道、次干道、支路各選12條，按四個季節(jié)，每個季節(jié)不同類型道路各取3條。

1.2 樣品處理

將密封保存的揚(yáng)塵樣品帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行后續(xù)分析處理：首先去除樣品中較大的雜物后放入燒杯中于105℃條件下烘干，稱重；然后將事先清潔好的20目篩和200目篩分別稱重后自上而下疊放，20目篩在上，200目篩在下，放入烘干后的揚(yáng)塵樣品于20目篩中，過篩后分別稱取20目篩、200目篩及篩上物質(zhì)量；最后按下式計(jì)算道路塵負(fù)荷sL值(單位面積上粒徑小于200目的顆粒物質(zhì)量):

sL=[W-(W20-M20)-(W200-M200)]/S

(1)

式中：sL為道路塵負(fù)荷(g/m2)；W為樣品質(zhì)量(g)；W20和W200分別為20目篩、200目篩及篩上物質(zhì)量(g)；M20和M200分別為20目篩和200目篩質(zhì)量(g)；S為采樣面積(m2)。

2 計(jì)算模型

2.1 排放因子估算模型

EPA提出的AP-42揚(yáng)塵計(jì)算模型經(jīng)過不斷的完善與發(fā)展形成了一套完整的體系，是目前研究道路揚(yáng)塵排放特性最為權(quán)威的方法，且應(yīng)用廣泛，該計(jì)算模型為

E=k·(sL)0.91·(W)1.02

(2)

式中：E為大氣顆粒物排放因子(g/VKT)(平均每輛車行駛1 km揚(yáng)起的顆粒物排放量)；k為不同粒徑的粒度乘數(shù)(g/VKT)；sL為道路塵負(fù)荷(g/m2)；W為機(jī)動車平均車重(t)。

2.2 模型參數(shù)

2.2.1 粒度乘數(shù)k

參數(shù)k值為不同粒徑的粒度乘數(shù)，根據(jù)EPA的介紹，k值是一個只與車型有關(guān)而與所在研究地區(qū)無關(guān)的系數(shù)，其取值采用美國EPA根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)分析所得到的數(shù)據(jù)，計(jì)算時大氣中PM2.5(大氣中直徑小于或等于2.5 μm的顆粒物，也稱可入肺顆粒物)、PM10(大氣中直徑在10 μm以下的顆粒物，又稱為可吸顆粒物或飄塵)、TSP(大氣中總懸浮顆粒物)的k值分別取0.15 g/VKT、0.62 g/VKT、3.23 g/VKT。2.2.2 道路塵負(fù)荷sL

道路塵負(fù)荷sL由公式(1)計(jì)算獲取。

2.2.3 機(jī)動車平均車重W

機(jī)動車平均車重W是指在采樣觀測時間段內(nèi)通過采樣道路的所有車輛的平均質(zhì)量，可通過下式估算：

W=∑ai·mi

(3)

式中：W為機(jī)動車平均車重(t)；ai為第i類機(jī)動車所占的車型比例；mi為第i類機(jī)動車的質(zhì)量(t)。

本研究將重慶市主城區(qū)道路機(jī)動車的車型分為大型車、中型車、小型車和摩托車，每種車型的質(zhì)量分別約為8 t、5 t、1.2 t、0.15 t，各種車型數(shù)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見圖1。通過對不同類型采樣道路的車流量及車型進(jìn)行實(shí)地觀測后利用公式(3)進(jìn)行計(jì)算，可計(jì)算得到，重慶市主城區(qū)各種類型道路機(jī)動車的平均車重，見表1。

道路類型平均車重/t春季夏季秋季冬季總平均車重/t主干道2.9282.7152.8632.4652.743次干道2.3882.3072.3822.1292.301支路2.0641.8292.2491.8461.997

2.2.4 車流量F

車流量F指采樣時間段1 h內(nèi)各種類型道路的平均車流量，其數(shù)據(jù)由采樣時對各種類型道路進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測與記錄獲得，采樣時間段為上午10:00—12：00和下午14：00—16：00，見表2。

表2 重慶市主城區(qū)各種類型道路平均車流量

2.2.5 道路長度L

道路長度L數(shù)據(jù)來源于重慶市城市交通規(guī)劃研究所公布的重慶市主城區(qū)不同類型道路長度[20]，詳見表3。

表3 重慶市主城區(qū)各種類型道路長度(km)

3 結(jié)果與討論

3.1 重慶市主城區(qū)道路塵負(fù)荷與車流量

本文利用公式(1)計(jì)算重慶市主城區(qū)各種類型道路塵負(fù)荷sL值，詳見表4。由表4可見，重慶市主城區(qū)主干道、次干道、支路的道路塵負(fù)荷平均值分別為0.872 g/m2、1.199 g/m2、1.463g/m2；各個季節(jié)的計(jì)算數(shù)據(jù)顯示，春夏兩季主干道和次干道的道路塵負(fù)荷值較為接近，這主要與重慶市區(qū)季節(jié)性差異不明顯有關(guān)；各種類型道路塵負(fù)荷的大小順序?yàn)椋褐?次干道>主干道。

表4 重慶市主城區(qū)各種類型道路塵負(fù)荷

圖2為重慶市主城區(qū)各種類型道路塵負(fù)荷與車流量的變化曲線。由于本次道路塵負(fù)荷考察的是粒徑小于200目的顆粒物質(zhì)量，其質(zhì)量較輕，易被行駛的機(jī)動車揚(yáng)起，主干道車流量較大，道路揚(yáng)塵不斷被帶起卷入空氣中進(jìn)而降低道路塵負(fù)荷，而支路的車流量遠(yuǎn)小于主干道，其對應(yīng)的道路塵負(fù)荷值因而較大。

與其他城市相比，重慶市主城區(qū)各種類型道路塵負(fù)荷值持平于珠三角地區(qū)[7](0.99 g/m2、1.30 g/m2、1.45 g/m2)，主干道和次干道的道路塵負(fù)荷值都高于天津地區(qū)[17](0.40 g/m2、0.64 g/m2)，這主要與天津地區(qū)車流量較大有關(guān)，而重慶市主城區(qū)支路的道路塵負(fù)荷值小于天津地區(qū)(2.02 g/m2)。可見，車流量只是影響道路塵負(fù)荷的因素之一，道路塵負(fù)荷還存在較大的區(qū)域性差異，地形、氣候、路面材質(zhì)等因素都會對道路塵負(fù)荷產(chǎn)生重要影響。

3.2 重慶市主城區(qū)道路揚(yáng)塵排放因子

本文利用公式(2)計(jì)算重慶市主城區(qū)各種類型道路揚(yáng)塵(包括TSP、PM10、PM2.5)排放因子E，詳見表5。由表5可見，重慶市主城區(qū)各種類型道路揚(yáng)塵排放因子E的大小順序?yàn)椋褐鞲傻?次干道<支路。結(jié)合表2和表4的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，支路車流量最小，道路塵負(fù)荷最大，主干道車流量最大，道路塵負(fù)荷最小，可見道路揚(yáng)塵排放因子隨車流量增大而減少，隨道路塵負(fù)荷增大而增大；從各個季節(jié)來看，秋冬兩季主干道和次干道道路揚(yáng)塵的排放因子都大于春夏兩季，這可能與重慶市秋冬兩季降水天數(shù)少于春夏季有關(guān)。

3.3 重慶市主城區(qū)道路揚(yáng)塵排放強(qiáng)度

道路揚(yáng)塵排放強(qiáng)度Ed是指單位長度道路每天的揚(yáng)塵排放量。參照AP-42的計(jì)算方法，利用降水修正因子進(jìn)行某個時間段的外推計(jì)算，可得到道路揚(yáng)塵排放強(qiáng)度Ed為

Ed=24E·(1-P/4N)·F/1 000

(4)

式中：Ed為道路揚(yáng)塵排放強(qiáng)度[kg/(km·d)]；E為顆粒物排放因子(g/VKT)；P為觀測時間內(nèi)降雨量大于0.254 mm的天數(shù)(d)，總天數(shù)為142 d，春、夏、秋、冬分別為39 d、41 d、34 d、28 d；N為觀測時間的天數(shù)(d)，一年取365 d，一季度取90 d；F為道路車流量(輛/h)。

利用公式(4)計(jì)算重慶市主城區(qū)道路揚(yáng)塵排放強(qiáng)度Ed，見表6。由表6可見，重慶市主城區(qū)各種類型道路揚(yáng)塵排放強(qiáng)度Ed的大小順序?yàn)橹鞲傻?次干道>支路，而重慶市主城區(qū)各種類型道路的車流量大小順序也為主干道>次干道>支路，說明道路揚(yáng)塵排放強(qiáng)度隨車流量的增大而增大；從各個季節(jié)來看，春夏兩季降雨較多，主干道和次干道道路揚(yáng)塵排放強(qiáng)度較小，秋冬兩季降雨天數(shù)少，主干道和次干道道路揚(yáng)塵排放強(qiáng)度較大，說明降雨也是影響道路揚(yáng)塵排放強(qiáng)度的主要因素；而支路的道路揚(yáng)塵排放強(qiáng)度變化趨勢又說明揚(yáng)塵排放強(qiáng)度的大小不完全由降水天數(shù)的多少決定。

3.4 重慶市主城區(qū)道路揚(yáng)塵排放量

道路揚(yáng)塵排放量EF采用下式計(jì)算：

EF=1 000·(Ed·L·T/1 000)

(5)

表5 重慶市主城區(qū)各種類型道路揚(yáng)塵排放因子E

表6 重慶市主城區(qū)各種類型道路揚(yáng)塵排放強(qiáng)度Ed

式中：EF為道路揚(yáng)塵排放量(g)；Ed為道路揚(yáng)塵排放強(qiáng)度[kg/(km·d)]；L為道路長度(km)，見表3；T為估算時間(h)(一季度為90×24 h，一年為365×24 h)。

本文用公式(5)計(jì)算重慶市主城區(qū)各種類型道路揚(yáng)塵排放量，計(jì)算結(jié)果單位以t來表示，見表7。由表7可見，重慶市主城區(qū)各種類型道路揚(yáng)塵排放量EF的大小順序?yàn)橹鞲傻?次干道>支路，與車流量的排序相同，說明道路揚(yáng)塵排放量也與車流量成正比；重慶市主城區(qū)所有類型道路TSP、PM10、PM2.5的年排放量分別為3 794.919 t、729.008 t、196.611 t；從各個季節(jié)來看，主干道和次干道秋冬兩季的道路揚(yáng)塵排放量大于春秋兩季，這可能與秋冬兩季降雨量較少有關(guān)。

表7 重慶市主城區(qū)各種類型道路揚(yáng)塵排放量

4 結(jié) 論

(1) 重慶市主城區(qū)各種類型道路塵負(fù)荷的大小順序?yàn)橹?次干道>主干道，道路塵負(fù)荷隨車流量的增大而降低。

(2) 重慶市主城區(qū)各種類型道路揚(yáng)塵排放因子的大小順序?yàn)橹?次干道>主干道，主干道排放因子最小，且隨道路塵負(fù)荷的增大而增大，隨車流量的增大而減小。

(3) 重慶市主城區(qū)各種類型道路揚(yáng)塵排放強(qiáng)度的大小順序?yàn)橹鞲傻?次干道>支路，主干道和次干道秋冬兩季的道路揚(yáng)塵排放強(qiáng)度大于春秋兩季，道路揚(yáng)塵排放強(qiáng)度的大小與車流量成正比。

(4) 重慶市主城區(qū)各種類型道路揚(yáng)塵排放量的大小順序?yàn)橹鞲傻?次干道>支路，所有類型道路的TSP、PM10、PM2.5的年排放量分別為3 794.919 t、729.008 t、196.611 t，主干道和次干道秋冬兩季道路揚(yáng)塵排放量大于春秋兩季。

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Emission Characteristics of Road Dust in Chongqing Urban Area

CHENG Jian,FU Min

(CollegeofEnvironmentalandBiologicalEngineering,ChongqingTechnologyandBusinessUniversity,Chongqing400067,China)

This paper collects the road dust samples from three types of roads in Chongqing urban area in different seasons and investigates the traffic flow,the vehicle structure and the weather conditions of different roads.Based on the AP-42 model established by the US EPA,the paper analyzes the emission factors,emission amount and emission characteristics of road dust.The results show that the silt loading of main roads,secondary trunk roads and branch roads is 0.872 g/m2,1.199 g/m2and 1.463 g/m2,and the road silt loading is related to traffic flow.The maximum emission factor is branch roads and the emission amount of main roads is the maximum.The emission amount of TSP,PM10and PM2.5in 1 year is 3 794.919 t,729.008 t and 196.611 t, and the emission amount of main roads in autumn and winter is larger than that in spring and summer.

road dust;road silt loading;emission factor;emission amount;Chongqing urban area

1671-1556(2015)04-0040-05

2014-12-09

2015-02-04

重慶市市政環(huán)衛(wèi)監(jiān)測中心項(xiàng)目 作者簡介：程 健(1988—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榇髿馕廴究刂?。E-mail：850813684@qq.com

X513；X734

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.04.007

傅 敏(1963—)，男，博士，教授，主要從事環(huán)境化學(xué)方面的研究。E-mail：fumin@126.com