北京市道路揚(yáng)塵時(shí)空變化特征的研究*

竹 濤 李冉冉 李笑陽 吳世琪

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

北京市道路揚(yáng)塵時(shí)空變化特征的研究*

竹 濤 李冉冉 李笑陽 吳世琪

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

道路揚(yáng)塵已成為城市顆粒物重要來源之一。為了甄選有效的采樣測試方法，分別采用降塵法和積塵負(fù)荷法對北京市4種不同類型的道路揚(yáng)塵進(jìn)行采集，通過分析獲得降塵量和積塵負(fù)荷的時(shí)空變化規(guī)律。結(jié)果顯示：降塵量夏季明顯高于秋季，在次干道和支路上，采樣高度1.5、2.5 m的降塵量差異不大，在夏季差值分別為0.193 0、0.122 4 g/(m2·d)，在秋季差值分別為0.037 1、0.013 3 g/(m2·d)；而主干道和快速路上，1.5 m高度的降塵量明顯大于2.5 m高度，在夏季差值分別為0.268 6、0.464 6 g/(m2·d)，在秋季差值分別為0.111 0、0.353 9 g/(m2·d)；道路積塵負(fù)荷夏季高于秋季，在夏季表現(xiàn)為支路>次干道>主干道>快速路，其積塵負(fù)荷從大到小依次為2.758 9、1.976 7、1.787 8、1.547 5 g/m2，在秋季表現(xiàn)為次干道>支路>快速路>主干道，其積塵負(fù)荷從大到小依次為1.920 2、1.822 9、1.430 6、0.201 5g/m2。隨著車流量增大和車速加快，積塵負(fù)荷逐漸降低。研究結(jié)果能為北京市在道路揚(yáng)塵采樣方法的選擇和顆粒物控制上提供理論依據(jù)。

道路揚(yáng)塵 降塵 積塵負(fù)荷 時(shí)空變化

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市道路格局和機(jī)動車活動水平不斷變化，道路揚(yáng)塵排放量逐年增加，成為城市顆粒物的重要來源之一[1]，道路揚(yáng)塵中的PM10和PM2.5嚴(yán)重影響了城市空氣質(zhì)量及人體健康[2]。PM10易吸附多環(huán)苯類、多環(huán)芳烴等致癌物質(zhì)；PM2.5和PM10均能損壞人體呼吸道，造成過敏、哮喘和肺氣腫[3]。據(jù)《2013年北京市環(huán)境狀況公報(bào)》，PM10的年平均質(zhì)量濃度為108.1 μg/m3，超過《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)二級限值(70 μg/m3)，PM2.5的年平均質(zhì)量濃度為89.5 μg/m3，超過GB 3095—2012二級限值(35 μg/m3)，可見道路揚(yáng)塵治理任務(wù)艱巨而緊迫。國內(nèi)對道路揚(yáng)塵的研究重點(diǎn)大多集中于顆粒物化學(xué)組分分析方面，宋少潔等[4]分析了北京市典型道路的細(xì)顆粒物元素組成和分布特征，刀谞等[5]60-69分析了京津冀地區(qū)PM2.5、PM10及其水溶性離子組分的區(qū)域污染特征，朱瓊宇等[6]分析了上海市霾期與非霾期的不同粒徑大氣顆粒物中汞的分布特征，霍靜等[7]研究了天津市秋冬季PM2.5碳組分化學(xué)特征及其來源。近幾年對道路揚(yáng)塵排放特性的研究增多[8-9]，大部分是基于美國環(huán)境保護(hù)署的AP-42模型，如劉澤常等[10]利用AP-42模型研究了濟(jì)南市道路揚(yáng)塵排放因子及其主要影響因素，王社扣等[11]對南京市不同類型道路揚(yáng)塵的源排放清單進(jìn)行了估計(jì)，彭康等[12]研究了珠江三角洲的道路揚(yáng)塵排放因子與排放清單狀況。道路揚(yáng)塵采樣是排放特征研究的基礎(chǔ)，國內(nèi)使用較多的有積塵負(fù)荷法、降塵法、快速檢測法[13]。張正偲等[14]使用降塵法在騰格里沙漠研究了不同收集方式對降塵效率的影響，許妍等[15]使用積塵負(fù)荷法研究了天津市道路揚(yáng)塵排放特征及空間分布。

雖然國內(nèi)對不同采樣方法的研究較多，但對于不同方法的對比分析涉及較少，不同方法的適用性還有待商榷。因此，本研究以降塵法和積塵負(fù)荷法對比研究北京市道路揚(yáng)塵時(shí)空分布，并對兩種方法的適用性進(jìn)行評價(jià)，以期為采樣方法的規(guī)范和顆粒物控制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

將北京市鋪裝道路按照主干道(學(xué)院路)、次干道(成府路)、快速路(北四環(huán)路)、支路(靜淑苑路)進(jìn)行分類，并設(shè)置背景點(diǎn)，采用優(yōu)化布點(diǎn)方式選擇不同類別的鋪裝道路，于2014年5月6日至8月7日進(jìn)行夏季采樣，2014年8月8日至11月8日進(jìn)行秋季采樣，具體采樣點(diǎn)布設(shè)如表1和圖1所示。

表1 道路揚(yáng)塵采樣點(diǎn)布設(shè)

對實(shí)驗(yàn)樣品的采集，采用了降塵法和積塵負(fù)荷法兩種方法。

(1) 降塵法：每個(gè)路段在道路兩側(cè)對應(yīng)位置各選4個(gè)路燈桿，相鄰路燈桿的距離在100 m以上，每個(gè)路燈桿在1.5、2.5 m(以降塵缸的上緣高度為準(zhǔn))兩個(gè)高度上布設(shè)降塵缸，降塵法采樣時(shí)間至少為30 d。2～3 m是目前國內(nèi)外普遍采用的采樣高度，如田剛等[16]在北京市選擇3 m作為采樣高度，HEDALEN[17]在挪威選擇2.5 m作為采樣高度。本研究在2.5 m高度基礎(chǔ)上，又對應(yīng)設(shè)置了1.5 m采樣高度進(jìn)行對比分析。

圖1 道路揚(yáng)塵采樣點(diǎn)位置Fig.1 Location of road dust sampling points

(2) 積塵負(fù)荷法：機(jī)動車道(包括機(jī)動快速車道、機(jī)動中速車道和機(jī)動慢速車道)選取4 m2進(jìn)行采樣，非機(jī)動車道選擇2 m2進(jìn)行采樣，快速輔路和機(jī)非混合車道視情況而定。一般在風(fēng)速3.0 m/s以下的時(shí)段進(jìn)行采樣，采樣時(shí)先用掃帚，再用吸塵器，確保大小顆粒物均能被收集，同時(shí)記錄路況(車流量、天氣狀況等)，采集好的樣品密封保存。

1.2 樣品處理方法

采集的道路揚(yáng)塵樣品經(jīng)過去雜、烘干、過篩、稱重等過程，計(jì)算得到降塵量和積塵負(fù)荷。將道路同側(cè)同一高度的降塵缸的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，得到降塵量，將同一條道路上不同采樣點(diǎn)位置獲得的積塵負(fù)荷取平均值得到該條道路的積塵負(fù)荷。

2 結(jié)果與討論

2.1 降塵量和積塵負(fù)荷的季節(jié)變化規(guī)律

將得到的降塵量和積塵負(fù)荷進(jìn)行整理，可得到其季節(jié)變化規(guī)律，如圖2、圖3所示。

由圖2和圖3可以看出，不同道路的降塵量和積塵負(fù)荷季節(jié)變化趨勢一致，都為夏季>秋季，這可能是由人為因素和氣象因素共同造成的。人為因素主要包括工地降塵和道路清掃。工地降塵是進(jìn)入道路的主要塵源之一，它包括建筑、拆遷、市政工地等方面，且春夏季節(jié)的工地施工比秋冬季節(jié)更為頻繁；施工中產(chǎn)生的降塵、車輛攜帶的泥土、運(yùn)輸遺撒等會增大路面的積塵負(fù)荷。道路清掃一定程度上促使路面積塵向上遷移。此外，夏季光照強(qiáng)烈，頻繁的光化學(xué)反應(yīng)生成大量二次粒子[5]64，使PM2.5增加，而且夏季雨水較多，車輛容易攜帶泥土，增大積塵負(fù)荷，在車輛帶動下?lián)P塵強(qiáng)度增大，從而增加了降塵量。因此，夏季降塵量和積塵負(fù)荷均高于秋季。在夏季應(yīng)該采取更嚴(yán)格的措施減小施工降塵和車輛帶入道路的泥土量，主要包括路邊裸土綠化、施工車輛清洗等[18]631。

注：各道路的降塵量取1.5、2.5 m高度降塵量的平均值。圖2 不同道路的降塵量在不同季節(jié)的對比Fig.2 Contrast of fall dust on different roads in different seasons

圖3 不同道路在不同季節(jié)的積塵負(fù)荷對比Fig.3 Contrast of dust load on different roads in different seasons

2.2 不同道路降塵量和積塵負(fù)荷的變化規(guī)律

由圖2、圖3可以看出，在夏季和秋季，降塵量均表現(xiàn)為快速路>主干道>次干道>支路。在夏季，積塵負(fù)荷表現(xiàn)為支路>次干道>主干道>快速路，從大到小依次為2.758 9、1.976 7、1.787 8、1.547 5 g/m2；在秋季，積塵負(fù)荷表現(xiàn)為次干道>支路>快速路>主干道，從大到小依次為1.920 2、1.822 9、1.430 6、0.201 5 g/m2。不同道路的降塵量和積塵負(fù)荷變化并不一致，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是支路的車流量、車速最小，容易積累塵土，且支路路口較多，路口處車輛剎車和啟動、車輛轉(zhuǎn)彎等都會產(chǎn)生較大的積塵負(fù)荷；快速路的車速和車流量較主干道、次干道大，路面的塵土容易被揚(yáng)起，因此道路的揚(yáng)塵排放較強(qiáng)，降塵量最大。可見降塵量很好地反映了道路揚(yáng)塵排放狀況，這與樊守彬等[18]630的研究一致。由此可以分析出，積塵負(fù)荷可能隨著車流量和車速的增大而降低。圖3顯示主干道在秋季出現(xiàn)積塵負(fù)荷異常偏低現(xiàn)象，這可能與當(dāng)時(shí)的天氣狀況和路面清潔有關(guān)，說明積塵負(fù)荷受外界影響較多，誤差較大，在研究道路揚(yáng)塵時(shí)空變化上的適用性不如降塵法，這與黃玉虎等[19]30的研究一致。

對夏季同一道路的不同車道的積塵負(fù)荷進(jìn)行了分析，因靜淑苑路只有機(jī)非混合車道，沒有可比性，所以只針對其他3條道路進(jìn)行分析，結(jié)果見圖4。

圖4 不同車道的積塵負(fù)荷對比Fig.4 Contrast of dust load in different lanes

由圖4可以看出：學(xué)院路上不同車道積塵負(fù)荷表現(xiàn)為機(jī)非混合車道>機(jī)動慢速車道>機(jī)動中速車道；成府路表現(xiàn)為非機(jī)動車道>機(jī)動慢速車道>機(jī)動快速車道；北四環(huán)路表現(xiàn)為非機(jī)動車道>快速輔路。進(jìn)一步驗(yàn)證了積塵負(fù)荷隨著車速和車流量的增大而減小。機(jī)非混合車道和非機(jī)動車道的積塵負(fù)荷顯著大于機(jī)動慢速車道和快速輔路，因此機(jī)非混合車道與非機(jī)動車道應(yīng)成為城市道路清掃的重點(diǎn)。

2.3 不同高度的降塵量變化規(guī)律

對每條道路上不同采樣高度得到的降塵進(jìn)行分析，分別得到夏季和秋季不同高度的降塵量變化，結(jié)果如圖5、圖6所示。

由圖5、圖6可以看出，夏季和秋季的變化規(guī)律相似：在次干道和支路上，1.5、2.5 m高度的降塵量(以8個(gè)采樣點(diǎn)的平均值統(tǒng)計(jì))差異較小，在夏季差值分別為0.193 0、0.122 4 g/(m2·d)，在秋季差值分別為0.037 1、0.013 3 g/(m2·d)；而主干道和快速路上，1.5 m高度的降塵量明顯大于2.5 m高度，在夏季差值分別為0.268 6、0.464 6 g/(m2·d)；在秋季差值分別為0.111 0、0.353 9 g/(m2·d)。降塵是路面上的塵土在機(jī)動車等外力作用下被揚(yáng)起而進(jìn)入到大氣環(huán)境中，在向上遷移過程中，粒徑較大的顆粒物以重力沉降作用為主導(dǎo)，在垂直高度上呈遞減趨勢；而小粒徑(粒徑<1 μm)顆粒物的布朗運(yùn)動則明顯增強(qiáng)，在車輛湍流作用較小的情況下分布較為均勻。由此可見，主干道的車流量較大，快速路的車速較快，能產(chǎn)生較大的湍流，使較多大粒徑顆粒向上遷移，并隨高度上升而遞減，導(dǎo)致1.5 m 高度的降塵量明顯大于2.5 m高度；次干道和支路的車流量和車速均較小，大粒徑顆粒物難以向上遷移，小粒徑顆粒物因布朗運(yùn)動分布較為均勻，導(dǎo)致1.5、2.5 m高度的降塵量相差不大。

注：Ⅰ-14、Ⅱ-14、Ⅲ-14和Ⅳ-14分別代表主干道、次干道、快速路和支路上采樣點(diǎn)1～4的平均值，Ⅰ-58、Ⅱ-58、Ⅲ-58和Ⅳ-58分別代表主干道、次干道、快速路和支路上采樣點(diǎn)5～8的平均值。圖6同。

圖5夏季不同高度降塵量對比
Fig.5 Contrast of fall dust at different heights in summer

圖6 秋季不同高度降塵量對比Fig.6 Contrast of fall dust at different heights in autumn

因此，在車流量較小、車速較慢的道路上采樣時(shí)，可以設(shè)置1.5 m高度來代替2.5 m高度，采樣高度定為1.5 m不僅更接近人們的呼吸高度，更具有實(shí)際意義，也更便于實(shí)施管理。

2.4 降塵量和積塵負(fù)荷的關(guān)系

為了比較降塵量和積塵負(fù)荷的關(guān)系，將兩者進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖7所示。

圖7 降塵量和積塵負(fù)荷的關(guān)系Fig.7 The relationship between fall dust and dust load

由圖7可以看出，降塵量和積塵負(fù)荷的相關(guān)性很差，R2為-0.053 8，說明降塵量和積塵負(fù)荷沒有直接相關(guān)性。這是因?yàn)榉e塵負(fù)荷缺失了車流量、平均車重等重要道路信息，只反映了路面的清潔狀況，而降塵量代表道路揚(yáng)塵的排放強(qiáng)度。積塵負(fù)荷不代表道路揚(yáng)塵污染程度，但適用于定量評價(jià)道路清掃保潔質(zhì)量[19]31。

3 結(jié)論與建議

(1) 采用降塵法獲取北京市道路降塵量，通過對比分析，發(fā)現(xiàn)降塵量夏季明顯高于秋季，因此在夏季應(yīng)對施工揚(yáng)塵加強(qiáng)管控，注意路面清掃以降低路面積塵負(fù)荷。在次干道和支路上，1.5、2.5 m高度的降塵量差異不大，而主干道和快速路上，1.5 m高度的降塵量明顯大于2.5 m高度，因此進(jìn)行降塵采樣時(shí)，在車流量較小、車速較慢的道路上，可將采樣高度設(shè)置為1.5 m，該高度更接近人們的呼吸高度，且便于管理。不同道路的降塵量表現(xiàn)為快速路>主干道>次干道>支路，因此應(yīng)該重點(diǎn)加強(qiáng)快速路和主干道的道路揚(yáng)塵治理，加強(qiáng)道路綠化，合理規(guī)劃城市道路，增加支路、次干道對主干道的分流作用，緩解城市交通壓力。

(2) 采用積塵負(fù)荷法獲取北京市道路積塵負(fù)荷，通過對比分析，得出積塵負(fù)荷夏季高于秋季，因此在夏季要加強(qiáng)道路清掃力度，保持路面清潔。在夏季，積塵負(fù)荷表現(xiàn)為支路>次干道>主干道>快速路；在秋季，積塵負(fù)荷表現(xiàn)為次干道>支路>快速路>主干道。不同車道積塵負(fù)荷變化表現(xiàn)為非機(jī)動車道、機(jī)非混合車道大于機(jī)動慢速車道、機(jī)動中速車道和機(jī)動快速車道，積塵負(fù)荷隨著車流量和車速的增大而逐漸降低，因此，非機(jī)動車道、機(jī)非混合車道是清掃的重點(diǎn)。

(3) 通過降塵量和道路積塵負(fù)荷的相關(guān)性研究，發(fā)現(xiàn)兩者沒有直接相關(guān)性，因?yàn)榉e塵負(fù)荷缺失了車流量、平均車重等重要信息，只反映了路面的清潔程度，而降塵量代表道路揚(yáng)塵的排放強(qiáng)度。因此，降塵法更適于道路揚(yáng)塵的研究。

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Researchontemporal-spatialvariationcharacteristicsofroaddustinBeijingCity

ZHUTao,LIRanran,LIXiaoyang,WUShiqi.

(SchoolofChemical&EnvironmentalEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing),Beijing100083)

Road dust has been an important source of urban particulate matter. In order to select effective sampling method,the temporal-spatial variation characteristics of four kinds of road dust in Beijing was focused on,by fall dust and dust load method,respectively. The temporal-spatial variation regular of fall dust and dust load were obtained through laboratory analysis. The results showed that fall dust in summer was significantly higher than it in autumn. In secondary road and branch road,there was no significant difference in fall dust at sampling height of 1.5 and 2.5 m,with the difference in summer 0.193 0,0.122 4 g/(m2·d),and in autumn 0.037 1，0.013 3 g/(m2·d). However,the fall dust at 1.5 m was clearly higher than 2.5 m in main road and freeway,with the difference in summer 0.268 6 and 0.464 6 g/(m2·d),and in autumn 0.111 0 and 0.353 9 g/(m2·d). Dust load in summer was higher than autumn. In summer,dust load of different sampling roads showed branch road>secondary road>main road>freeway,with their dust load 2.758 9,1.976 7,1.787 8 and 1.547 5 g/m2,respectively. In autumn,dust load of different roads displayed secondary road>branch road>freeway>main road,with their dust load 1.920 2,1.822 9,1.430 6 and 0.201 5 g/m2,respectively. Dust load gradually decreased as the traffic volume and speed increasing. The research provided theoretical basis for the choice of road dust sampling method and particulate matter control in Beijing City.

road dust; fall dust; dust load; temporal-spatial variation

竹 濤，男，1979年生，博士，教授，研究方向?yàn)榇髿馕廴究刂啤?/p>

*國家環(huán)境保護(hù)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(No.201409004-04)；新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(No.NCET120967)；北京市優(yōu)秀人才培養(yǎng)資助項(xiàng)目(2012ZG81)；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)(No.2009QH03)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2016.12.008

編輯:徐婷婷 (

2016-01-13)