機(jī)動車車速對道路交通揚(yáng)塵排放特征的影響*

張?jiān)娊?姬亞芹# 朱振宇 張亞飛 李樹立 趙靜波

(1.南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300071;2.國家環(huán)境保護(hù)城市空氣顆粒物污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300071)

近年來，城市揚(yáng)塵對城市空氣顆粒物的貢獻(xiàn)率日益受到關(guān)注。研究表明，城市揚(yáng)塵已成為城市空氣顆粒物污染的主要原因[1-2]。道路交通揚(yáng)塵是城市揚(yáng)塵的重要組成部分，也是空氣顆粒物的重要塵源之一[3-6]。因此，道路交通揚(yáng)塵的定量研究及控制已成為治理城市顆粒物污染的一個重要環(huán)節(jié)。道路交通揚(yáng)塵定量研究的主要目的為構(gòu)建道路交通揚(yáng)塵排放清單，美國環(huán)境保護(hù)總署推薦的AP-42排放因子模型是用于構(gòu)建道路交通揚(yáng)塵排放清單的主要方法。樊守斌等[7]應(yīng)用AP-42排放因子模型從多個層面分析了北京市鋪裝道路交通揚(yáng)塵的排放規(guī)律及特征；許妍等[8]依據(jù)AP-42排放因子模型計(jì)算了天津市中心城區(qū)不同道路類型的道路交通揚(yáng)塵排放因子及排放量；劉澤常等[9]以濟(jì)南城市道路為研究對象，運(yùn)用AP-42排放因子模型獲得了不同道路類型的道路交通揚(yáng)塵排放因子并探討了排放因子的主要影響因素。

AP-42排放因子模型涉及的主要參數(shù)有粒徑乘數(shù)、道路長度、氣象要素、車流量以及平均車重等。模型中沒有將機(jī)動車行駛速度這一因素考慮在內(nèi)。有研究表明，機(jī)動車行駛速度對道路交通揚(yáng)塵的排放特征有較大影響[10-12]，盡管已有學(xué)者對道路交通揚(yáng)塵與機(jī)動車車速之間的關(guān)系開展了研究[13-14]，但這些研究均采用離線分析的方法計(jì)算道路交通揚(yáng)塵量排放量，即利用空氣顆粒物采樣器將空氣顆粒物采集到膜上，根據(jù)采樣前后采樣膜的質(zhì)量差和采樣體積計(jì)算顆粒物濃度。該方法耗時大且獲得數(shù)據(jù)量較少，同時采樣器多設(shè)于道路邊緣，采集到的顆粒物濃度為多輛機(jī)動車引起的混合揚(yáng)塵以及環(huán)境背景顆粒物濃度，不能真實(shí)反映由單輛機(jī)動車車輪轉(zhuǎn)動卷起的道路交通揚(yáng)塵量，也不能反映單輛機(jī)動車行駛中交通揚(yáng)塵的排放特征。本研究利用顆粒物實(shí)時測量儀器及全球定位系統(tǒng)(GPS)記錄儀，通過設(shè)置背景值以及將采樣器入口放置在車輪后方獲得單輛機(jī)動車行駛過程中排放的道路交通揚(yáng)塵實(shí)時濃度與機(jī)動車車速之間的關(guān)系，能較為真實(shí)地反映機(jī)動車道路交通揚(yáng)塵的排放特征，了解機(jī)動車車速對道路交通揚(yáng)塵排放特征的影響，為后續(xù)準(zhǔn)確計(jì)算道路交通揚(yáng)塵排放清單奠定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

本研究使用某品牌轎車1輛、DustTrak 8530型顆粒物檢測儀(美國TSI公司)4臺、GPS Map60CS型GPS記錄儀(美國Garmin公司)1臺。其中，轎車整備質(zhì)量為1 717 kg，總質(zhì)量2 092 kg。DustTrak 8530型顆粒物檢測儀可以通過更換采樣頭(分別為PM10、PM2.5)測定不同粒徑顆粒物的實(shí)時濃度，同時可通過設(shè)定時間間隔，將顆粒物實(shí)時濃度記錄在儀器本身自帶的儲存卡內(nèi)。本研究中顆粒物監(jiān)測數(shù)據(jù)的時間間隔均為1 s。實(shí)驗(yàn)期間采用GPS記錄儀記錄機(jī)動車行駛速度，其數(shù)據(jù)記錄間隔時間與顆粒物檢測儀的記錄間隔時間一致，均為1 s。采樣開始前，將4臺DustTrak 8530型顆粒物檢測儀的時間與GPS記錄儀時間設(shè)定一致，以方便機(jī)動車速度和顆粒物濃度數(shù)據(jù)匹配。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

4臺DustTrak 8530型顆粒物檢測儀分別編號為DT1、DT2、DT3、DT4，其中DT1、DT2通過連接管與測試采樣口連接并置于機(jī)動車左前輪后側(cè)，測試采樣口對準(zhǔn)輪胎正中，距地面175 mm，距離輪胎50 mm。DT3、DT4通過連接管與背景采樣口連接并安置于車頂，4臺顆粒物檢測儀的采樣口安裝位置以及測量指標(biāo)見表1，采樣裝置連接方式見圖1。實(shí)驗(yàn)開始前對4臺顆粒物檢測儀進(jìn)行校準(zhǔn)，使4臺儀器之間同時測量相同粒徑顆粒物時，質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)最大值與最小值之差在2 μg/m3以內(nèi)。

表1 顆粒物檢測儀安裝位置及測量指標(biāo)

選擇一個車流量較小的路段，以避免測試過程中由于其他車輛干擾引起的顆粒物濃度背景值波動。機(jī)動車以不同的速度行駛，利用顆粒物檢測儀記錄顆粒物濃度數(shù)據(jù)的變化?？紤]到城市內(nèi)部最大車速為80 km/h和文獻(xiàn)[13]中給出的最低設(shè)定車速，將實(shí)驗(yàn)車速設(shè)定為10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80 km/h共15個速度梯度，每個速度梯度測試4次。

圖1 采樣裝置的連接Fig.1 Schematic diagram of connection between sampling devices

1.3 采樣時間與采樣地點(diǎn)

采樣時間為2014年12月2日，有效測試時長為2.2 h，有效測試長度為72 000 m。采樣地點(diǎn)為天津市西青區(qū)一條車流量不超過20輛/h的路段，路段長度為1 200 m。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采樣期間，機(jī)動車行駛過程中車輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的PM2.5濃度由DT1與DT3檢測濃度之差計(jì)算得到，產(chǎn)生的PM10濃度由DT2與DT4檢測濃度之差計(jì)算得到。由于機(jī)動車高度僅為1.5 m，且采樣地點(diǎn)位于郊外，測試道路周圍空曠，因此由于測試采樣口與背景采樣口距地面高度不同而引起的濃度差異忽略不計(jì)。將機(jī)動車車輪轉(zhuǎn)動引起的顆粒物濃度與機(jī)動車車速以時間為契合點(diǎn)匹配，研究顆粒物濃度隨機(jī)動車車速的變化規(guī)律。

2 結(jié)果與討論

2.1 車輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的PM2.5濃度與車速的關(guān)系

機(jī)動車在選取的路段上來回折返，以15個速度梯度分別測試4次，共得到60組數(shù)據(jù)。以時間為契合點(diǎn)算出逐秒的PM2.5濃度，計(jì)算每組數(shù)據(jù)PM2.5濃度的平均值，研究PM2.5質(zhì)量濃度與車速的關(guān)系，結(jié)果見圖2。

由圖2可見，隨著機(jī)動車車速的增長，車輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的PM2.5濃度逐漸增加。以機(jī)動車實(shí)際測得的平均車速為自變量，車輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的PM2.5質(zhì)量濃度為因變量，對60組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果見式(1)。

圖2 車輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的PM2.5質(zhì)量濃度與車速的關(guān)系Fig.2 Relationship between mass concentration of PM2.5 caused by vehicles’ wheel rotation and vehicle speed

(1)

式中：ΔDT2.5為機(jī)動車車輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的PM2.5質(zhì)量濃度，μg/m3；V為機(jī)動車實(shí)際測得的平均車速，km/h。

2.2 車輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的PM10濃度與車速的關(guān)系

采用與上述PM2.5數(shù)據(jù)相同的研究方法，根據(jù)機(jī)動車在15個速度梯度下行駛獲得的60組數(shù)據(jù)，以時間為契合點(diǎn)，得到逐秒的PM10濃度，再以組為單位計(jì)算各組PM10濃度的平均值，研究車輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的PM10質(zhì)量濃度與車速的關(guān)系，結(jié)果見圖3。

圖3 車輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的PM10質(zhì)量濃度與車速的關(guān)系Fig.3 Relationship between mass concentration of PM10 caused by vehicles’ wheel rotation and vehicle speed

由圖3可見，隨著機(jī)動車車速的增長，車輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的PM10濃度逐漸增加。以機(jī)動車實(shí)際測得的平均車速為自變量，車輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的PM10質(zhì)量濃度為因變量，對60組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果見式(2)。

ΔDT10= 0.136 5×V2.077 2R2=0.93

(2)

式中：ΔDT10為機(jī)動車車輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的PM10質(zhì)量濃度，μg/m3。

ETYEMEZIAN等[15]在美國金銀谷開展類似實(shí)驗(yàn)，得到擬合公式ΔDT10=0.000 17×V2.96，R2=0.972；樊守斌等[16]在呼和浩特市進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中得出擬合公式ΔDT10=0.361e0.085V，R2=0.905。從最優(yōu)擬合函數(shù)公式的形式以及相關(guān)系數(shù)R2來看，3個擬合公式間存在一定差異，這些差異可能由以下兩個原因?qū)е拢?1)3個實(shí)驗(yàn)所選道路的交通揚(yáng)塵負(fù)荷以及交通揚(yáng)塵中各粒徑分布可能存在差異；(2)3個實(shí)驗(yàn)的測試車速范圍不同，ETYEMEZIAN等的測試車速為5～30 m/s，樊守彬等的測試車速在10～50 km/h。

2.3 道路交通揚(yáng)塵中顆粒物構(gòu)成與車速的關(guān)系

以時間為契合點(diǎn)，將機(jī)動車行駛過程中PM2.5/PM10(質(zhì)量濃度比，下同)與車速建立關(guān)系，結(jié)果見圖4。由圖4可見，隨著機(jī)動車車速逐漸加快，PM2.5/PM10逐漸增大。以機(jī)動車實(shí)際測得的平均車速為自變量，PM2.5/PM10為因變量，對60組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果見式(3)。

Y=0.242 5+0.004 4VR2=0.84

(3)

式中：Y為PM2.5與PM10的質(zhì)量濃度比。

圖4 PM2.5/PM10隨車速的變化關(guān)系Fig.4 Relationship between the value of PM2.5/PM10 and vehicle speed

3 結(jié) 論

通過機(jī)動車單車行駛實(shí)驗(yàn)，研究了機(jī)動車車速對道路交通揚(yáng)塵排放特征的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨著車速的加快，由機(jī)動車車輪轉(zhuǎn)動引起的PM10、PM2.5濃度以及PM2.5/PM10逐漸增大，通過數(shù)據(jù)擬合，得到機(jī)動車車速與道路交通揚(yáng)塵中PM10、PM2.5濃度及PM2.5/PM10的關(guān)系。未來在利用AP-42道路揚(yáng)塵排放因子模型計(jì)算不同城市、不同道路類型的道路

交通揚(yáng)塵排放因子及排放量時，應(yīng)考慮機(jī)動車車速對道路交通揚(yáng)塵排放特征的影響。該研究獲得的結(jié)論為準(zhǔn)確構(gòu)建道路交通揚(yáng)塵排放清單及測試道路交通揚(yáng)塵排放因子和排放量奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

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