基于移動(dòng)監(jiān)測(cè)的城市道路PM2.5和PM10濃度分布研究

周巖，譚洪衛(wèi)，胡婷莛*，段玉森

1.同濟(jì)大學(xué),上海 200092 2.上海市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,上海 200235

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基于移動(dòng)監(jiān)測(cè)的城市道路PM2.5和PM10濃度分布研究

周巖1，譚洪衛(wèi)1，胡婷莛1*，段玉森2

1.同濟(jì)大學(xué),上海 200092 2.上海市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,上海 200235

利用移動(dòng)監(jiān)測(cè)方法采集2016年7月14—16日上海市不同功能街區(qū)及道路環(huán)境的PM2.5、PM10、水膜高度等數(shù)據(jù)，研究城市不同街區(qū)及道路環(huán)境PM2.5和PM10濃度分布規(guī)律及影響因素。結(jié)果表明：降水對(duì)PM2.5具有明顯的去除效果，水膜高度與顆粒物濃度的變化存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。生活區(qū)和虹橋商務(wù)區(qū)內(nèi)的顆粒污染物以細(xì)顆粒為主，虹橋商務(wù)區(qū)和工業(yè)區(qū)的部分微環(huán)境分別由于工地和路面揚(yáng)塵的影響會(huì)出現(xiàn)PM2.5～10濃度嚴(yán)重升高的現(xiàn)象。小陸家嘴商務(wù)區(qū)的污染物擴(kuò)散較好，不易堆積，該街區(qū)內(nèi)沒(méi)有污染十分嚴(yán)重的區(qū)域。實(shí)測(cè)證明，并不是所有的高架橋都會(huì)加重街道峽谷內(nèi)的空氣污染，合理的街道峽谷構(gòu)造條件下，高架橋?qū)值缻{谷內(nèi)污染物擴(kuò)散影響不大。

PM2.5；PM10；移動(dòng)監(jiān)測(cè)；降水；典型區(qū)域；水膜高度

在城市的交通密集區(qū)域，由于大量的機(jī)動(dòng)車(chē)污染排放和道路揚(yáng)塵等的原因，不論是粗顆粒物或是細(xì)顆粒物濃度都顯著高于城市的平均水平[1]。而這些區(qū)域又是人群活動(dòng)的密集地，因此，居高不下的顆粒物濃度受到社會(huì)公眾的廣泛關(guān)注。目前我國(guó)已經(jīng)有200多個(gè)城市建立了500多個(gè)空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，對(duì)包括PM10在內(nèi)的數(shù)種污染物進(jìn)行定點(diǎn)連續(xù)監(jiān)測(cè)，但由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)位有限，很難確定城市區(qū)域大氣污染物的空間分布以及特殊區(qū)域的污染特征[2]。

PM2.5在環(huán)境中的濃度除與排放源種類(lèi)有關(guān)外，還與區(qū)域的氣象要素(如降水量、風(fēng)速、濕度等)有關(guān)。潘本鋒等[3]研究發(fā)現(xiàn)降水對(duì)PM2.5具有明顯的去除效果。蒲維維等[4]得出降水前后PM2.5小時(shí)濃度的變化量與小時(shí)降水量、PM2.5初始濃度均呈正相關(guān)。李鵬飛等[5]認(rèn)為，高架橋會(huì)加重橋下街道峽谷的空氣污染。蔣德海等[6]使用Fluent計(jì)算了高架橋?qū)值缻{谷內(nèi)CO濃度的影響，認(rèn)為高架橋上的排放源會(huì)加重街道峽谷內(nèi)的空氣污染。而張傳福等[7]研究了3種高寬比(街道建筑物高度峽谷寬度，HW)下高架橋?qū)值缻{谷內(nèi)顆粒物擴(kuò)散的影響，得出HW較小的街道峽谷更有利于顆粒物擴(kuò)散。但以上相關(guān)的研究大多是基于理論研究，而實(shí)測(cè)驗(yàn)證較少。筆者利用環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備、無(wú)線終端設(shè)備、遠(yuǎn)程服務(wù)器組成的移動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)展上海城市道路顆粒物分布研究，了解不同街區(qū)PM2.5及PM10濃度的分布特性，分析顆粒物濃度分布的區(qū)域性特點(diǎn)。同時(shí)通過(guò)對(duì)水膜高度與顆粒物濃度進(jìn)行聯(lián)動(dòng)測(cè)試，研究降水對(duì)PM2.5及PM10濃度分布的影響。通過(guò)對(duì)比高架橋上與地面道路的污染物濃度，研究高架橋?qū)值缻{谷內(nèi)污染物分布的影響。

1 監(jiān)測(cè)方法

1.1 典型街區(qū)選擇

道路環(huán)境移動(dòng)測(cè)試的監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇了幾個(gè)不同特征的街區(qū)(圖1)，包括工業(yè)區(qū)、交通樞紐、中央商務(wù)區(qū)(CBD)、生活區(qū)(弄堂)以及生態(tài)區(qū)(世紀(jì)公園)。部分街區(qū)的具體信息如表1所示，測(cè)試車(chē)在典型街區(qū)內(nèi)的行駛路線見(jiàn)圖2。

圖1 典型街區(qū)分布Fig.1 The distribution of the neighborhoods

表1 部分監(jiān)測(cè)功能街區(qū)情況

圖2 測(cè)試車(chē)行駛路線Fig.2 Driving track of monitoring car in different neighborhoods

1.2 測(cè)試儀器與測(cè)試方法

車(chē)載測(cè)試儀器集成了激光PM2.5傳感器、溫濕度傳感器、GPS傳感器等模塊，通過(guò)通訊模塊實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在線展示及后臺(tái)導(dǎo)出等功能，在移動(dòng)測(cè)試時(shí)，將車(chē)載測(cè)試儀器固定于車(chē)頂上(圖3)。另外，在車(chē)尾距離地面0.3 m處加裝了MARWIS-UMB儀器，用于測(cè)試路面狀況，包括水膜高度、摩擦系數(shù)等參數(shù)(圖4)。為了解細(xì)顆粒物的分布情況，除移動(dòng)監(jiān)測(cè)外，還在典型街區(qū)內(nèi)采用Lighthouse手持式PM2.5測(cè)試儀器實(shí)施了細(xì)顆粒物的固定測(cè)試作為補(bǔ)充。儀器介紹詳見(jiàn)表2。

為了確保激光PM2.5傳感器的準(zhǔn)確度，測(cè)試前先將所用傳感器在國(guó)控站的楊浦四漂監(jiān)測(cè)點(diǎn)做固定監(jiān)測(cè)校核工作，根據(jù)校核結(jié)果對(duì)車(chē)載傳感器的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行修正。3月20日17:00—3月21日17:00進(jìn)行連續(xù)24 h的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果與當(dāng)日四漂監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)對(duì)比如圖5和圖6所示。由圖5和圖6可知，車(chē)載傳感器與國(guó)控站的數(shù)據(jù)基本吻合，二者做線性擬合，相關(guān)系數(shù)為0.827 3，儀器精度可以保證。

圖3 移動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.3 Mobile monitoring system

圖4 MARWIS-UMB儀器安裝示意Fig.4 MARWIS-UMB installation diagram

儀器型號(hào)測(cè)試原理測(cè)量?jī)?nèi)容量程檢測(cè)靈敏度∕μm采樣時(shí)間間隔∕sPM2.5傳感器激光散射PM2.5、PM10濃度0～999.9μg∕m30.35Lighthouse-3016IAQ粒徑分別為0.3、0.5、1、3、5和10μm的大氣環(huán)境顆粒物濃度0～1000μg∕m30.3120GPS傳感器實(shí)時(shí)地理位置信息5溫濕傳感器溫度、濕度溫度-40～85℃;濕度0～100%5MARWIS-UMB紅外測(cè)量路面水膜高度0～6000μm5

圖7 小陸家嘴區(qū)域顆粒物濃度變化Fig.7 Variation of particle concentration of Lujiazui business district

圖5 固定監(jiān)測(cè)對(duì)比測(cè)試結(jié)果Fig.5 Check results of fixed monitoring

圖6 數(shù)據(jù)校核對(duì)比結(jié)果Fig.6 Check results of car sensor with state control station

2 典型街區(qū)的顆粒物濃度分布特征

2.1 CBD

圖7和圖8分別為2016年7月14日和16日小陸家嘴區(qū)域PM10及PM2.5濃度的空間分布。由圖7和圖8可見(jiàn)，小陸家嘴區(qū)域的顆粒物濃度隨時(shí)間變化較平緩，沒(méi)有出現(xiàn)明顯峰值。原因是小陸家嘴地理位置臨江，且道路較寬，有利于污染物的擴(kuò)散。蔣德海等[6]研究得出，在相同幾何比例的街道峽谷里，建筑物外形越趨于流線型，街道峽谷里的污染物的地面濃度越小。而小陸家嘴街區(qū)內(nèi)的建筑多為光滑表面且趨于流線型，這也是此處污染物不易堆積的原因之一。另外，7月14日測(cè)試時(shí)由于下雨，大氣中粗顆粒物被洗刷，導(dǎo)致小陸家嘴的顆粒物濃度較低，變化平穩(wěn)。

圖8 小陸家嘴區(qū)域PM2.5濃度空間分布Fig.8 Particle spatial distribution map of Lujiazui business district

由圖7可見(jiàn)，小陸家嘴附近監(jiān)測(cè)站(浦東監(jiān)測(cè)站)的PM2.5濃度與本次移動(dòng)監(jiān)測(cè)的PM2.5濃度基本一致，證明了移動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。另外，小陸家嘴區(qū)域PM2.5/PM10為0.6～0.8。黃鸝鳴等[8]得出2001年南京市PM2.5/PM10為0.68，楊復(fù)沫等[9]得出1999年北京PM2.5/PM10為0.55，相比可知，上海市小陸家嘴區(qū)域的PM2.5/PM10較高。

圖9 工業(yè)區(qū)顆粒物濃度變化Fig.9 Variation of particle concentration of industrial area

2.2 工業(yè)區(qū)

以中國(guó)石化上海高橋分公司為代表的工業(yè)區(qū)污染物濃度測(cè)試結(jié)果如圖9所示。由車(chē)載測(cè)試結(jié)果〔圖9(a)〕可見(jiàn)，PM2.5濃度平穩(wěn)維持在60～80 μg/m3。由手持儀器測(cè)試結(jié)果〔圖9(b)〕可見(jiàn)，PM0.5、PM1.0和PM2.5濃度很穩(wěn)定，基本不隨時(shí)間發(fā)生變化，說(shuō)明細(xì)顆粒物分布較穩(wěn)定，不易受微環(huán)境的影響。

由圖9(a)可見(jiàn)，PM10濃度多次出現(xiàn)峰值，且PM2.5～10的濃度與PM10濃度的變化趨勢(shì)一致。當(dāng)PM10濃度出現(xiàn)峰值時(shí)，PM2.5～10濃度也隨之出現(xiàn)峰值，說(shuō)明在PM10污染嚴(yán)重的區(qū)域主要是PM2.5～10污染。由化工廠周邊顆粒物濃度空間分布(圖10)結(jié)合Google Earth軟件的路徑記錄可以得出，PM2.5～10污染嚴(yán)重的路段分布在東塘公路、大同公路以及中高公路與浦東北路交叉路段?？赡艿脑蚴腔S周邊道路上存在較多的水泥車(chē)，且路面較臟，路面揚(yáng)塵可引起PM2.5～10濃度的升高，從而造成PM10濃度升高。因此可知，對(duì)路面及水泥車(chē)等車(chē)身的清潔可適當(dāng)緩解路面環(huán)境的污染狀況。當(dāng)PM10濃度趨勢(shì)平穩(wěn)，沒(méi)有路面揚(yáng)塵影響時(shí)，PM2.5/PM10達(dá)0.80以上。說(shuō)明該區(qū)域細(xì)顆粒污染較嚴(yán)重。

圖10 工業(yè)區(qū)周邊顆粒物濃度空間分布Fig.10 Particle spatial distribution around industrial area

2.3 生活區(qū)

以周家嘴路900弄小區(qū)為生活區(qū)代表的污染物濃度移動(dòng)測(cè)試結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，PM2.5與PM10濃度變化均較平穩(wěn)，沒(méi)有較大波動(dòng)。弄堂內(nèi)的PM2.5/PM10很高，為0.95左右，且維持不變。說(shuō)明弄堂內(nèi)的污染物主要是細(xì)顆粒物，根據(jù)實(shí)地調(diào)研可知，弄堂小區(qū)的道路周邊有大量的小餐館，研究表明[10-12]，餐飲源是顆粒物的一個(gè)重要來(lái)源，而餐飲源排放的顆粒物大部分是細(xì)顆粒物。因此認(rèn)為餐館油煙為弄堂內(nèi)PM2.5的主要污染源。

圖11 弄堂小區(qū)顆粒物濃度變化Fig.11 Variation of particle concentration of alley district

2.4 虹橋商務(wù)區(qū)

由虹橋商務(wù)區(qū)內(nèi)的污染物濃度移動(dòng)測(cè)試結(jié)果(圖12)可知，在虹橋商務(wù)區(qū)的道路環(huán)境中，PM2.5濃度變化趨勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定，PM10濃度偶爾出現(xiàn)峰值，PM2.5～10與PM10濃度的變化趨勢(shì)相同。由于虹橋商務(wù)區(qū)周邊存在許多工地，工地上的揚(yáng)塵是該區(qū)域道路環(huán)境中PM2.5～10的重要來(lái)源。另外，虹橋商務(wù)區(qū)周邊除了受工地影響的PM2.5～10濃度升高地帶，其余地帶PM2.5/PM10基本維持0.95左右，可知細(xì)顆粒物污染嚴(yán)重。虹橋?yàn)樯虾Ｊ凶畲蟮慕煌屑~地帶，該區(qū)域集中了機(jī)場(chǎng)及火車(chē)站，而交通運(yùn)輸業(yè)是我國(guó)大氣污染物的重要來(lái)源之一，道路交通、火車(chē)運(yùn)輸、內(nèi)河航運(yùn)在一定程度上對(duì)大氣環(huán)境和氣候變化有顯著影響[13]。虹橋商務(wù)區(qū)受交通二次顆粒物排放影響導(dǎo)致PM2.5污染嚴(yán)重。

圖12 虹橋商務(wù)區(qū)顆粒物濃度變化Fig.12 Variation of particle concentration of Hongqiao business district

3 降水及水膜高度對(duì)顆粒物濃度的影響

圖13為開(kāi)始下雨到下雨50 min后(即路面的水膜從無(wú)到有再到逐漸升高的過(guò)程)顆粒物濃度和水膜高度隨時(shí)間的變化。由圖13可知，10:16開(kāi)始降水，水膜高度出現(xiàn)大于0的情況，降水持續(xù)的時(shí)間非常短，短時(shí)間內(nèi)水膜高度又變?yōu)?，此時(shí)顆粒物濃度升高。分析認(rèn)為，少量的降水對(duì)大氣中的顆粒物還未起到?jīng)_刷作用，反而因?yàn)闈穸鹊脑龃?，顆粒物累積和吸濕長(zhǎng)大，從而造成顆粒物濃度升高。當(dāng)水膜高度再次大于0，在10:50左右時(shí)顆粒物濃度開(kāi)始下降，說(shuō)明連續(xù)降水的沖刷作用使空氣中的顆粒物濃度降低，并且隨著水膜高度的大幅度升高，顆粒物濃度也顯著降低。

圖13 降水前后顆粒物濃度及水膜高度變化Fig.13 Variation of particle concentration and water film height before and after rainfall

由圖13可見(jiàn)，世紀(jì)公園附近監(jiān)測(cè)站的PM2.5濃度在降水之前小于浦東張江監(jiān)測(cè)站，而降水2 h后，二者濃度幾乎相等，說(shuō)明降水之前由于街區(qū)微環(huán)境的影響，雖然世紀(jì)公園與浦東張江監(jiān)測(cè)站距離很近，PM2.5濃度也因街區(qū)不同而有所差異，但降水會(huì)消除街區(qū)差異，保留大氣中的本底濃度。

4 高架橋上下道路顆粒物濃度對(duì)比

為了對(duì)比高架橋上與橋下地面道路的污染物分布情況，設(shè)計(jì)高架前后的對(duì)比測(cè)試，如圖14所示。測(cè)試車(chē)在上高架前在地面道路上測(cè)試10 min，之后上高架測(cè)試10 min，再下高架測(cè)試10 min。

注：紅色框線代表在高架上測(cè)試的時(shí)段。圖14 測(cè)試車(chē)行駛軌跡Fig.14 Driving track of monitoring car

圖15顯示延安高架和內(nèi)環(huán)高架橋上下顆粒物濃度的變化。由圖15(a)可知，周邊監(jiān)測(cè)站(黃埔瑞金站)的PM2.5濃度與車(chē)載測(cè)試數(shù)據(jù)基本吻合，說(shuō)明測(cè)試結(jié)果的可靠性。對(duì)比上高架前后顆粒物濃度的變化可知，高架橋上下的顆粒物濃度相近，說(shuō)明該路段高架橋?qū)值纼?nèi)污染物排放幾乎無(wú)影響。由圖15(b)可見(jiàn)，11：04之前，無(wú)論地面道路還是高架道路顆粒物濃度無(wú)明顯變化；11：04之后顆粒物濃度有升趨勢(shì)，但在下高架橋前后顆粒物濃度也基本一致，說(shuō)明顆粒物濃度的變化與高架橋上下關(guān)系不大，高架橋并未加重街道峽谷內(nèi)的空氣污染。而由11：04前后顆粒物濃度差異推測(cè)是由路段所在區(qū)域的環(huán)境污染不同造成的。

注：紅色框線代表在高架上測(cè)試的時(shí)段。圖15 高架橋上下顆粒物濃度變化Fig.15 Variation of particle concentration up and down of viaduct

綜上可知，并不是所有的高架橋都會(huì)加重街道峽谷內(nèi)的空氣污染，在合理的街道峽谷構(gòu)造條件下，高架橋?qū)值缻{谷內(nèi)顆粒物濃度分布幾乎無(wú)影響。

5 結(jié)論

(1)小陸家嘴(CBD)區(qū)域的建筑多趨于流線型，不利于污染物在街道內(nèi)的堆積，且地理位置臨江，污染物擴(kuò)散較好。

(2)中國(guó)石化工業(yè)區(qū)和虹橋商務(wù)區(qū)分別由于路面揚(yáng)塵和工地的影響，造成PM10多次出現(xiàn)峰值，揚(yáng)塵造成的PM2.5～10污染嚴(yán)重，應(yīng)采取局部污染物控制措施，如清洗水泥車(chē)以及工地降塵等措施。

(3)弄堂和虹橋商務(wù)區(qū)內(nèi)PM2.5/PM10高達(dá)0.95，說(shuō)明主要污染物為細(xì)顆粒物，根據(jù)區(qū)域特征分析，其污染物主要來(lái)源為餐館油煙和交通二次顆粒物排放。

(4)降水對(duì)PM2.5具有明顯的去除效果，水膜高度與顆粒物濃度的變化存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(5)在合理的街道峽谷構(gòu)造條件下，高架橋?qū)值缻{谷內(nèi)顆粒物濃度分布幾乎無(wú)影響。

由于道路環(huán)境十分復(fù)雜，而影響污染物分布的因素眾多，在今后的研究中，應(yīng)選擇不同的天氣條件以及不同的大氣污染水平，研究顆粒物濃度分布特征。

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Study on mass concentration distribution of PM2.5and PM10on urban roads based on mobile monitoring

ZHOU Yan1, TAN Hongwei1, HU Tingting1, DUAN Yusen2

1.Tongji University, Shanghai 200092, China 2.Shanghai Environmental Monitoring Center, Shanghai 200235, China

In order to understand the distribution and influencing factors of PM2.5and PM10concentration in different neighbourhoods and road environments, the data of PM2.5and PM10concentration and water film height collected from different functional blocks during July 14thto July 16th, 2016 were analyzed. The result showed that the rainfall helped decrease the concentration of PM2.5in the ambient environment, and there was a negative correlation between the water film height and particulate matter concentration. Fine particle pollutants predominated in the particulates of residential areas and Hongqiao business district. In addition, due to the impact of the construction sites and road dust, there were serious coarse particle pollutants somewhere in Hongqiao business district and industrial areas. The pollution in Lujiazui business district was slight because the diffusion condition was fine and there were no serious polluting blocks. According to the measurement results, not all the viaducts will deteriorate the air quality in the street canyons, and the viaducts will have little effect on the diffusion of pollutants in the street canyon if the structure of the street canyon is reasonable.

PM2.5; PM10; mobile monitoring; rainfall; typical urban areas; water film height

2017-02-21

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51508395)；上海市大氣顆粒物污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2015年開(kāi)放基金項(xiàng)目(FDLAP15002)；高密度人居環(huán)境生態(tài)與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2016年自主開(kāi)放基金項(xiàng)目；同濟(jì)大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)(1000165003)

周巖(1992—)，女，碩士，主要研究方向?yàn)槭覂?nèi)空氣品質(zhì)分布規(guī)律及通風(fēng)策略，zhouzhouyan@#edu.cn

*責(zé)任作者：胡婷莛(1984—)，女，博士后，主要研究方向?yàn)榇髿馕廴究刂?huzhizi@#edu.cn

X513

1674-991X(2017)04-0433-09

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.04.059

周巖，譚洪衛(wèi)，胡婷莛,等.基于移動(dòng)監(jiān)測(cè)的城市道路PM2.5和PM10濃度分布研究[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào),2017,7(4):433-441.

ZHOU Y, TAN H W, HU T T, et al.Study on mass concentration distribution of PM2.5and PM10on urban roads based on mobile monitoring[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(4):433-441.