鄭州市不同道路等級(jí)對(duì)近地空氣PM2.5和PM10分布特征的影響

郭二輝，陳家林，鄭 敏，裴 丙，楊喜田

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河南 鄭州 450002)

鄭州市不同道路等級(jí)對(duì)近地空氣PM2.5和PM10分布特征的影響

郭二輝，陳家林，鄭 敏，裴 丙，楊喜田

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河南 鄭州 450002)

為探究城市不同道路等級(jí)對(duì)空氣PM2.5和PM10質(zhì)量濃度特征及其日變化規(guī)律的影響，本研究選取鄭州市的金水路(快速路)、文化路(主干道)和東三街(支道)進(jìn)行調(diào)查和監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明，PM2.5和PM10的日均值表現(xiàn)為金水路>文化路>東三街，3條道路PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度均不同程度超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量濃度限值。文化路PM2.5和PM10的日變化呈現(xiàn)單峰型曲線，峰值出現(xiàn)在7:00-8:00。金水路PM2.5和PM10日變化波動(dòng)性較小，且整體保持較高質(zhì)量濃度水平。東三街PM2.5和PM10質(zhì)量濃度峰值出現(xiàn)在6:00-8:00，在12:00之后隨著車流量的變化呈現(xiàn)波動(dòng)。3條道路PM2.5/PM10值為0.64～0.73，且在13:00-14:00之間出現(xiàn)峰值。PM2.5/PM10的平均比值：文化路(0.69)>東三街(0.68)>金水路(0.66)，說(shuō)明機(jī)動(dòng)車尾氣對(duì)PM2.5的貢獻(xiàn)大于PM10。3條道路的PM2.5、PM10質(zhì)量濃度與車流量之間存在相關(guān)性，但顯著性不同。

城市道路等級(jí)；PM2.5質(zhì)量濃度；PM10質(zhì)量濃度；分布特征

隨著中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的迅猛推進(jìn)，城市人口迅速增加，機(jī)動(dòng)車輛日益增多，許多嚴(yán)峻的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題頻繁發(fā)生，其中大氣顆粒物已成為許多城市空氣的首要污染物[1-2]。2013年以來(lái)，全國(guó)多個(gè)地區(qū)接連發(fā)生的灰霾污染現(xiàn)象，更引發(fā)公眾對(duì)空氣質(zhì)量的極大關(guān)注。PM2.5和PM10是空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑分別≤2.5μm和≤10μm的顆粒物，均是大氣污染物的重要組成部分[3]。PM2.5和PM10能散射和吸收太陽(yáng)輻射，影響地球-大氣系統(tǒng)能量平衡，降低大氣能見(jiàn)度，導(dǎo)致城市及周邊區(qū)域霧霾的發(fā)生[4-5]。PM2.5可以進(jìn)入人的肺泡，沉積在肺中，又被稱為可入肺顆粒物。可吸入顆粒物中的PM2.5質(zhì)量濃度水平與呼吸系統(tǒng)和心肺疾病的發(fā)病率、死亡率存在正相關(guān)關(guān)系，嚴(yán)重危害人體健康[6-7]。在20世紀(jì)中期，美國(guó)和歐洲一些國(guó)家就開(kāi)始對(duì)空氣顆粒物進(jìn)行研究，中國(guó)目前的研究主要集中于對(duì)空氣顆粒物的來(lái)源分析、成分解析、危害評(píng)價(jià)、時(shí)空變化規(guī)律和防控對(duì)策等方面[8-15]。環(huán)保部空氣質(zhì)量公報(bào)顯示，自2013年初加入PM2.5等監(jiān)測(cè)指標(biāo)后，鄭州市環(huán)境空氣質(zhì)量連續(xù)3年位列全國(guó)倒數(shù)10名之內(nèi)，因而開(kāi)展鄭州市空氣顆粒物污染的研究刻不容緩。本文研究了鄭州市不同道路等級(jí)的PM2.5和PM10質(zhì)量濃度特征及其日變化規(guī)律，并分析了其與道路車流量之間的相互關(guān)系，以期為鄭州市道路空氣顆粒物的防控和周邊居民的健康出行提供有益參考。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)選取了鄭州市的金水路、文化路和東三街為研究對(duì)象，采樣點(diǎn)位置見(jiàn)圖1。3條道路的具體情況：(1)金水路為鄭州市的快速路，東西雙向8車道。金水路采樣點(diǎn)位于河南省委對(duì)面，周圍主要是政府機(jī)關(guān)，無(wú)大型工地或工廠，車輛行駛比較暢通。(2)文化路為鄭州市主干道，南北雙向4車道，文化路沿線有10多條公交線路，車速較慢，擁堵現(xiàn)象較多。文化路采樣點(diǎn)在鄭州大學(xué)工學(xué)院東門(mén)附近，周圍主要是居住區(qū)和學(xué)校。(3)東三街為支道，南北雙向2車道。采樣點(diǎn)在鄭州大學(xué)第二附屬中學(xué)西門(mén)，采樣點(diǎn)周圍為居住區(qū)，車輛較少，基本無(wú)堵車現(xiàn)象。

圖1 采樣點(diǎn)位置Fig.1 Position of sampling point

2 研究方法

2.1監(jiān)測(cè)方法

本研究采用SYD-HM粉塵連續(xù)測(cè)試儀(青島宜蘭環(huán)保工程有限公司)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，儀器的靈敏度為0.001 mg·m-3，相對(duì)測(cè)量誤差≤ ±10%。試驗(yàn)時(shí)間為2015-04-20 — 2015-05-15，選擇晴朗無(wú)風(fēng)的天氣共7 d，同時(shí)對(duì)金水路、文化路和東三街進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。測(cè)量時(shí)間為6:00-18:00，檢測(cè)點(diǎn)距離地表高度為1.5 m，同時(shí)記錄不同道路的平均車流量。

2.2數(shù)據(jù)處理

原始的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為5 min平均值，文中采用的數(shù)據(jù)是小時(shí)平均值，日均值為白天6:00-18:00的小時(shí)平均質(zhì)量濃度的算術(shù)平均值。采用SPSS 19.0軟件，進(jìn)行單因素方差(one-way ANOVA)分析不同道路的PM2.5和PM10平均值的差異，當(dāng)差異性顯著時(shí)，采取Turkey距離進(jìn)行多重比較。

3 結(jié)果與分析

3.1不同道路的PM2.5和PM10質(zhì)量濃度特征

由表1可知，PM2.5和PM10的日均值均表現(xiàn)出金水路>文化路>東三街，金水路與文化路的PM2.5和PM10質(zhì)量濃度之間差異性不顯著，但金水路、文化路與東三街之間存在顯著差異。PM2.5和PM10的小時(shí)均值最大值均出現(xiàn)在文化路，最大值分別為184、275 μg·m-3，最小值均出現(xiàn)在東三街，分別為58、86 μg·m-3。與國(guó)家《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中質(zhì)量濃度限值相比，3條道路的顆粒物質(zhì)量濃度均不同程度超過(guò)新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的一級(jí)、二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，其中PM2.5最大超標(biāo)倍數(shù)分別為5.26、2.45，PM10最大超標(biāo)倍數(shù)分別為5.50、1.83。3條道路中，金水路和文化路PM2.5、PM10的日均值超過(guò)二級(jí)質(zhì)量濃度限值，東三街PM2.5日均值也超過(guò)二級(jí)質(zhì)量濃度限值，但PM10的質(zhì)量濃度介于一級(jí)和二級(jí)質(zhì)量濃度限值之間。

表1 不同道路PM2.5和PM10質(zhì)量濃度和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值Table 1 The mass concentrations of PM2.5 and PM10 in different roads and the national standard limits

注：同一列中，不同字母表示差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。
Note：Different letters in the same column mean significant difference(P<0.05).

3.2不同道路PM2.5和PM10質(zhì)量濃度日變化特征

3條道路的PM2.5和PM10質(zhì)量濃度的日變化規(guī)律及車流量情況如圖2所示。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，文化路PM2.5和PM10質(zhì)量濃度的日變化呈現(xiàn)單峰型，峰值出現(xiàn)在7:00-8:00之間，這和文化路車輛出行早高峰具有密切的關(guān)系，文化路在7:00-8:00之間還經(jīng)常出現(xiàn)交通擁堵。9:00之后，PM2.5和PM10值逐漸降低，在12:00-13:00之間下降速度最大，在14:00-17:00之間，保持在較低水平，而在18:00受車輛晚高峰的影響出現(xiàn)回升趨勢(shì)。文化路下午的PM值低于上午，這與車流量的變化有關(guān)，也可能是因?yàn)殡S著太陽(yáng)光照的增強(qiáng)，大氣條件越來(lái)越活躍，有利于污染物的擴(kuò)散。

金水路PM2.5和PM10的日變化波動(dòng)性較小，在8:00-9:00之間大幅升高，之后整體保持較高質(zhì)量濃度水平。金水路的7:00-8:00期間是車流高峰期，其 PM數(shù)值在8:00左右開(kāi)始上升，9:00左右達(dá)到峰值，原因可能在于機(jī)動(dòng)車排放的尾氣擴(kuò)散，并導(dǎo)致PM質(zhì)量濃度的變化需要時(shí)間，一般滯后0.5～1.0 h左右；10:00以后PM值趨于平穩(wěn)。東三街PM2.5和PM10質(zhì)量濃度峰值出現(xiàn)在6:00-8:00，9:00以后穩(wěn)于低值，并隨著車流量的增減而呈現(xiàn)相應(yīng)的升降趨勢(shì)。監(jiān)測(cè)結(jié)果也表明文化路6:00-8:00之間PM2.5和PM10值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他2條道路，文化路的車流量高于東三街，這是文化路顆粒物濃度較東三街高的主要原因。然而在此時(shí)間段，金水路的車流量卻大于文化路的車流量，這可能是由于文化路早高峰期間，道路擁堵現(xiàn)象嚴(yán)重，車輛行駛緩慢，而金水路道路暢通，車輛行駛速度較快。有研究表明，汽車在加速、減速、停止時(shí)會(huì)排放更多尾氣[16]。車輛擁堵的文化路上車輛加速、減速、停止等行為更加頻繁，因此，早高峰期文化路PM2.5和PM10值高于金水路。

注：柱狀圖為車流量，折線圖為PM變化圖。Note:The histogram was traffic flow,and the line was PM.

3.3不同道路PM2.5和PM10的比值與相關(guān)性

道路PM2.5與PM10質(zhì)量濃度的比值可以反映空氣中可吸入顆粒物中細(xì)顆粒所占的比重(圖3)。研究發(fā)現(xiàn)，3條道路PM2.5/PM10值范圍為0.64～0.73，表明春季的空氣顆粒物大部分由PM2.5組成，這與徐敬等[17]得到的結(jié)果一致。不同道路PM2.5/PM10值隨時(shí)間變化規(guī)律如圖3，3條道路的比值均在13:00-14:00之間出現(xiàn)峰值，高于每天早晨(6:00-9:00)和傍晚(17:00-18:00)的交通運(yùn)輸高峰期的比值。XAVIER等[18]把這種PM2.5與PM10比值與交通運(yùn)輸量呈反相關(guān)的現(xiàn)象歸結(jié)為：交通流動(dòng)引起二次懸浮的粗顆粒在空氣中的比例上升，其中很大一部分粒子的粒徑在2.5～10 μm之間，從而降低了PM2.5在PM10中的比例。

圖3 不同道路PM2.5/PM10值Fig.3 PM2.5/PM10 of different roads

對(duì)不同道路的PM2.5和PM10進(jìn)行相關(guān)性分析，可以得到不同道路PM2.5與PM10的線性方程PM10=a·PM2.5+b(式中a為參數(shù)，b為常數(shù))，如表2所示。3條道路PM2.5增大的同時(shí)，PM10也在增大，具有相同的變化趨勢(shì)，兩者符合線性關(guān)系，有很好的相關(guān)性。3條道路線性方程的R值與查相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)表得到R臨界值(表2)相較，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于臨界值，表明3條道路PM2.5和PM10呈極顯著關(guān)系(α=0.01)。

表2 不同道路PM2.5和PM10的線性相關(guān)關(guān)系Table 2 Linear relationship of PM2.5 and PM10 of different roads

注：顯著水平α=0.01。
Note：Significant correlation underα=0.01.

3.4不同道路的PM2.5和PM10質(zhì)量濃度與車流量相關(guān)性

為探討不同道路顆粒物質(zhì)量濃度與車流量的關(guān)系，對(duì)3條道路PM2.5、PM10質(zhì)量濃度與車流量進(jìn)行相關(guān)分析。由表3可知，文化路車流量與PM2.5質(zhì)量濃度之間存在顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，但與PM10質(zhì)量濃度之間相關(guān)關(guān)系不顯著，相關(guān)系數(shù)分別為0.573、0.436；金水路車流量與PM2.5、PM10質(zhì)量濃度之間均呈現(xiàn)顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.596、0.561；而東三街車流量與PM2.5、PM10質(zhì)量濃度間的相關(guān)關(guān)系均不明顯，可能因?yàn)闁|三街車流量較小，環(huán)境背景PM質(zhì)量濃度對(duì)其貢獻(xiàn)較大。

表3 不同道路PM2.5和PM10與車流量的相關(guān)關(guān)系Tab.3 Correlation relationships between traffic flow and PM2.5 and PM10 of different roads

注：* 表示在P<0.05 水平上顯著。
Note:*means significant correlation atP<0.05.

4 討論與結(jié)論

試驗(yàn)監(jiān)測(cè)期間，3條道路PM2.5平均質(zhì)量濃度限值均超過(guò)新標(biāo)準(zhǔn)中國(guó)家環(huán)境空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，PM10質(zhì)量濃度也超出或接近二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值。PM2.5和PM10的日均值均表現(xiàn)出金水路>文化路>東三街，金水路與文化路顆粒物質(zhì)量濃度之間差異性不顯著，而金水路、文化路與東三街之間存在顯著差異，3個(gè)道路測(cè)量點(diǎn)顆粒物的來(lái)源主要是道路機(jī)動(dòng)車排放和交通揚(yáng)塵。道路交通中機(jī)動(dòng)車尾氣排放出大量的顆粒物，同時(shí)車輛行駛過(guò)程中造成氣流擾動(dòng)而形成的二次揚(yáng)塵，不斷增加空氣中PM2.5、PM10的質(zhì)量濃度，而車輛制動(dòng)磨損、輪胎磨損、路面磨損等非尾氣排放也對(duì)顆粒物濃度產(chǎn)生增加作用，不同的道路交通狀況對(duì)顆粒物濃度產(chǎn)生不同的影響[19-20]。道路交通顆粒物的濃度與道路等級(jí)之間存在密切的關(guān)系。有關(guān)的研究發(fā)現(xiàn)：城市快速路、主干道、支路的車流量比例為100:29:9，不同道路的降塵量快速路：主干道：支路=100:85:66。在本研究中，金水路(快速路)、文化路(主干道)、東三街(支道)3條道路PM2.5和PM10的比例分別為100:92:53和100:86:50。PM2.5和PM10的小時(shí)最大質(zhì)量濃度數(shù)值均出現(xiàn)在文化路上，這可能是與其早高峰期間車速較慢，擁堵現(xiàn)象嚴(yán)重有關(guān)，有研究也表明怠速行駛的汽車會(huì)比快速行駛過(guò)程中排放出更多顆粒物[19-20]。3條道路的PM2.5與PM10的比值為0.64～0.73，說(shuō)明PM2.5是PM10的主要組成成分，兩者的平均比值是文化路(0.69)>東三街(0.68)>金水路(0.66)，說(shuō)明機(jī)動(dòng)車尾氣對(duì)PM2.5的貢獻(xiàn)大于對(duì)PM10，與包貞等[21]對(duì)杭州市大氣PM2.5和PM10來(lái)源解析得出的結(jié)論相符。

不同道路PM2.5和PM10質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化分析表明：早晨(6:00-9:00)和傍晚(17:00-18:00)顆粒物的質(zhì)量濃度高于白天，下午14:00以后PM2.5、PM10質(zhì)量濃度相對(duì)較低，這與大多數(shù)研究結(jié)果一致[9,16]?？諝庵蓄w粒物質(zhì)量濃度除了受道路交通情況的影響，還與氣象條件息息相關(guān)。早晨和晚間受大氣邊界層收縮的影響，顆粒物不易擴(kuò)散，導(dǎo)致顆粒物質(zhì)量濃度較高，隨著溫度升高，大氣近地層垂直對(duì)流增強(qiáng)，促進(jìn)污染物擴(kuò)散[22-23]。然而在日照充足的下午，濕度較低且大氣層較不穩(wěn)定，更利于污染物的擴(kuò)散，從而PM2.5、PM10質(zhì)量濃度在此時(shí)保持較低水平。陳治宇等[24]在佛山市的研究發(fā)現(xiàn)，城市主干道、次干道和支道PM2.5/PM10的平均值分別為70.1%、58.5%、69.5%。本研究結(jié)果表明快速路、主干道和支道PM2.5/PM10平均值分別為66.4%、68.9%、68.2%，這種差異性結(jié)果與魏復(fù)勝等[25]在中國(guó)南北城市研究中得到的北方城市PM2.5/PM10低于南方城市的結(jié)論相符。

研究結(jié)果表明,3條道路PM2.5、PM10質(zhì)量濃度的變化均受到車流量的影響，但其相關(guān)的顯著性不同。有關(guān)的研究表明機(jī)動(dòng)車在怠速情況下排放的顆粒物比正常行駛狀態(tài)多[19-20]，文化路較為擁堵，因此會(huì)影響車流量與PM2.5、PM10質(zhì)量濃度之間的相關(guān)關(guān)系。由于道路近地空氣PM2.5、PM10質(zhì)量濃度值還受交通暢通特征、道路周邊植被特征、空氣顆粒物的輸入情況及環(huán)境因子如大氣溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等的影響；以上多因素綜合影響下，很難準(zhǔn)確對(duì)不同道路PM2.5、PM10質(zhì)量濃度與車流量之間的關(guān)系進(jìn)行定量化，在今后的試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，應(yīng)以本研究的結(jié)果為基礎(chǔ)，最大限度地排除其他PM2.5、PM10質(zhì)量濃度的影響因子，重點(diǎn)研究同一區(qū)域不同車流量下近地空氣PM2.5、PM10質(zhì)量濃度變化特征，以期為城市道路區(qū)域空氣顆粒物的防控提供有效的科學(xué)依據(jù)。

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(責(zé)任編輯：李瑩)

EffectsofdifferentroadsgradesondistributioncharacteristicsofPM2.5andPM10inZhengzhouCity

GUO Erhui，CHEN Jialin，ZHENG Min，PEI Bing，YANG Xitian

(College of Forestry，Henan Agricultural University，Zhengzhou 450002，China)

In order to explore the effects of different roads grades on distribution characteristics of air PM2.5and PM10mass concentration and their diurnal variation,Jinshui Road,Wenhua Road and Dongsan Street in Zhengzhou were selected for this study.The results showed that the daily average value of PM2.5and PM10from high to low was Jinshui Road,Wenhua Road,and Dongsan Street,and the mass concentrations of PM2.5and PM10in the three roads was higher than the national standard concentration limit.The diurnal variation of PM2.5and PM10from 6:00 to 18:00 in Wenhua Road was a single peak curve type，while the maximum appeared around 7:00-8:00.The diurnal variation of PM2.5and PM10in Jinshui Road varied with a small range,maintaining a high level of PM2.5and PM10from 6:00 to 18:00.The maximum of PM2.5and PM10concentration in Dongsan Street appeared at 6:00-8:00,and the PM2.5and PM10concentration kept fluctuating after 12:00 with the change of traffic flow.The PM2.5/PM10of the three roads ranged from 0.64 to 0.73,and the maximum appeared between 13:00 and 14:00.The average ratio of PM2.5/PM10from high to low was Wenhua Road (0.69),Dongsan Street (0.68),and Jinshui Road (0.66),indicating that the the motor vehicle exhaust contribution rate of PM2.5is higher than that of PM10.The correlation coefficients between traffic volume and PM2.5,PM10concentration of the three roads were different.

city road grades； PM2.5concentrations; PM10concentrations; distribution characteristics

X 513

：A

2015-10-29

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41401206)；鄭州市科技攻關(guān)項(xiàng)目(153PKJGG107)；河南省基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(152300410234)

郭二輝(1984-)，男，河南汝陽(yáng)人，講師，博士，主要從事恢復(fù)生態(tài)學(xué)研究。

楊喜田(1965-)，男，河南長(zhǎng)垣人，教授，博士，博士研究生導(dǎo)師。

1000-2340(2016)03-0416-06