城市不同級別道路塵土的粒徑特性分析

汪志榮，劉珊珊，李潔，毛月鵬

天津理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與安全工程學(xué)院，天津 300384

城市地表徑流作為典型面源污染源，包含了大量復(fù)雜的污染物質(zhì)，造成地表水環(huán)境或地下水的嚴(yán)重污染。城市不透水下墊面（包括路面、構(gòu)筑物屋頂、鋪設(shè)地面等）的面積比例隨著城市化進(jìn)程深入而增加，導(dǎo)致城市地表徑流污染日趨嚴(yán)重，其中路面徑流污染潛力巨大（董欣等，2008；徐玲玲等，2011；苗展堂，2013）。根據(jù)Drapper et al.（2002）對路面沉積物中污染物的研究顯示，路面沉積物組分多樣，來源復(fù)雜，最多的污染物是懸浮顆粒、重金屬和有機(jī)物，汽車輪胎及其他部件的損耗、輪胎與道路之間的摩擦是污染物的主要來源。

粒徑是地表污染物中最為重要的物理性指標(biāo)，能夠反映污染物來源（李海燕等，2014；張存勇，2014；周戀彤等，2015）。Deletic et al.（2005）將道路累積物粒徑劃分為＜63 μm、63～250 μm、250～500 μm、＞500 μm 4 個區(qū)間，發(fā)現(xiàn)＜63 μm 粒徑范圍內(nèi)重金屬濃度最高。Miguntanna et al.（2010）發(fā)現(xiàn)地表累積物粒徑分布影響營養(yǎng)物質(zhì)累積，粒徑范圍在75～150 μm對其影響最大?；诖罅康膶?shí)驗(yàn)研究得出，地表累積物粒徑越小，所吸附污染物比例越高（Sutherland et al.，2004；Ahmed et al.，2006）。

城市道路污染物的組分和來源與城市的地理位置和環(huán)境狀況、道路的級別和清掃方式有密切的關(guān)系（張千千等，2014）。研究顯示，路面清掃對道路塵土粒徑的影響較大（馮偉等，2014）。1972年，美國環(huán)保署（USEPA）運(yùn)用不同路面清掃方法對5個城市路面沉積物進(jìn)行取樣并通過分析其顆粒粒徑級分布發(fā)現(xiàn)，粒徑大于840 μm的顆粒占總量的 1/3，一般的道路清掃僅能夠去除路面不到 30%的污染物（潘華，2005）。Drapper et al.（2000）等研究表明，一般的道路清潔設(shè)備對小顆粒物的清除效果不好，只能去除＞2000 μm粒徑的顆粒塵土，而水掃卻可以去除小至20～25 μm的顆粒。Sorme et al.（2002）指出，盡管一般清掃對小粒徑污染顆粒的去除效果較差，但多數(shù)時候道路清潔對地表徑流污染的控制意義重大（Adachi et al.，2005；孫宗斌等，2014）。

本研究對在天津市西青區(qū)4級道路的不同采樣斷面的不同下墊面塵土進(jìn)行了干式采集和粒徑分析，目的是研究城市不同級別道路塵土粒徑分布特征，分析道路級別、周邊環(huán)境、道路功能、清掃方式等對道路塵土的影響，為進(jìn)一步研究道路徑流污染物規(guī)律，指導(dǎo)海綿城市建設(shè)，以及城市道路清潔管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況和道路清掃方式調(diào)查

1.1.1 研究區(qū)域概況

西青區(qū)位于天津市西南部，海河流域下游，屬平原地貌，海拔3～4 m。為暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)型氣候，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，春季溫暖多風(fēng)，秋季天高氣爽，寒暑交替明顯。

1.1.2 道路選取

城市快速路和主干路的主要功能為交通，而城市次干路和支路以服務(wù)功能為主，交通功能為輔，因此各級道路的污染物主要來源差異較大（王東煒等，2017）。本研究選取西青區(qū) 4條不同級別道路，分別是快速路（外環(huán)西路）、主干路（津淶公路）、次干路（工一號路）、支路（秀川路）作為研究對象。

1.1.3 道路清掃方式調(diào)查

目前天津市大部分道路的清掃都采用機(jī)械清掃和人工保潔相結(jié)合的方式，其中機(jī)械清掃包括機(jī)械干掃和機(jī)械水洗，超過5級風(fēng)、下雨等惡劣天氣停止工作；人工保潔包括人工清掃和人工撿拾（天津市市容園林管理委員會，2013）。經(jīng)調(diào)查，快速路、主干路的道路清掃方式為機(jī)械濕掃為主，無雨無凍時一般1天1次，輔以人工撿取散落在道路上的垃圾；次干路以1天1次的機(jī)械清掃為主，人工清掃為輔（全天）；支路秀川路則以機(jī)械濕掃為主，一般1天1次，但秀川路南部目前幾乎無清掃。

1.2 采樣布點(diǎn)和樣品采集方法

1.2.1 采樣斷面

根據(jù)各級道路周邊環(huán)境差異性，選擇各級道路的代表性斷面（3～4個），共設(shè)置代表性斷面12個，對各采樣斷面進(jìn)行GPS定位，周邊情況如表1所示。

1.2.2 采樣方法和采樣點(diǎn)

根據(jù)采樣斷面的交通量、地勢等特性，以棋盤式法作為統(tǒng)一采樣標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行干法采樣。每個斷面分別采集非機(jī)動車道、人行道、中間隔離帶處（表征機(jī)動車的影響）以及隔離帶內(nèi)草地（低級別的無隔離帶道路，則無此項）、道路外側(cè)綠化帶（若無綠化帶，則無此項）等下墊面（共 43個采樣點(diǎn)）的塵土或表層土壤，保證各采樣點(diǎn)間無相互干擾。各斷面設(shè)置3個平行采樣點(diǎn)，共采集129個塵土樣本。用紅色油漆標(biāo)記采樣點(diǎn)位置。

除隔離帶內(nèi)和綠化帶取植被表層及地表（0～1 cm）土壤樣外，其他下墊面都用膠帶分割出采樣區(qū)域，其中人行道和非機(jī)動車道取寬1 m×長2 m的矩形內(nèi)塵土，隔離帶取寬20 cm×長2 m矩形內(nèi)及馬路牙子上塵土。利用掃把、刷子將區(qū)域內(nèi)的塵土全部收集，分類保存于聚乙烯塑料袋里，編號并密封保存。

表1 道路塵土采樣信息Table1 Road dust sampling information

1.2.3 氣候狀況

采樣時間為2015年12月，采樣前十天的氣溫為-7～6 ℃，風(fēng)力都小于5級，白天天氣以晴天為主，個別天有霧霾，夜晚以晴為主，偶有霧，期間偶有零星小雪。

1.3 樣品前處理和粒徑測定

將樣品風(fēng)干、碾碎，撿出石塊和植物殘體后研磨粗過25目（710 μm）尼龍篩后，裝于密封袋中并貼標(biāo)簽保存，重復(fù)樣混合待分析。經(jīng)前處理的土樣再過8目（2360 μm）篩，稱取0.1 g樣品放入超聲儀中于160 W條件下超聲10～15 min，后用激光密度儀LS230進(jìn)行樣本粒徑測定。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 不同級別道路的不同下墊面塵土平均粒徑特性

分析4個級別道路塵土的平均粒徑，反映道路級別對不同取樣下墊面處塵土粒級的影響。由圖 1可知，快速路中，隔離帶塵土顆粒平均粒徑最大，非機(jī)動車道次之，即隔離帶＞非機(jī)動車道＞隔離帶草地＞草地；這主要是由于快速路車流量較大，路面上的顆粒物基本上會被推排至道路兩側(cè)和中間隔離帶兩側(cè)，而隔離帶草地和道路兩側(cè)草地表層塵土基本上是道路揚(yáng)塵和土壤，其顆粒粒徑較小。

主干路中，草地塵土顆粒平均粒徑最大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他三者，即草地＞隔離帶草地＞人行道＞隔離帶＞非機(jī)動車道；主干路路面上的塵土大部分被推至道路兩側(cè)的隔離帶和非機(jī)動車道上，所以隔離帶上的塵土較多，而路邊草地和隔離帶草地植被覆蓋率較低，基本上為裸露的土壤，而采樣時會將土壤摻雜在塵土中，從而對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造車一定影響。

次干路的人行道顆粒平均粒徑最大，即人行道＞非機(jī)動車道＞草地；次干路周邊是商業(yè)街和小吃一條街，環(huán)境相對較差，人行道上油脂較多，路邊停車現(xiàn)象相對嚴(yán)重，機(jī)掃基本無法到達(dá)非機(jī)動車道，因此人行道和非機(jī)動車道上的累積物較多，顆粒物粒徑也相對較大。

支路中，草地塵土顆粒平均粒徑最大，即草地＞人行道＞非機(jī)動車道，但總體上，3個不同下墊面上塵土粒徑相差較小。支路雖然道路級別最低，但是道路狹窄且周邊有學(xué)校、加油站、居民區(qū)和未利用土地，車流量相對次干路要大，而周邊環(huán)境較差，因此非機(jī)動車道上的塵土粒徑相對較小，而人行道和草地上的塵土顆粒物粒徑相對較大。

對比各級別道路周邊草地上塵土的平均粒徑，發(fā)現(xiàn)主干路＞支路＞快速路＞次干路；非機(jī)動車道上的塵土平均粒徑為快速路＞次干路＞支路＞主干路；人行道上的塵土平均粒徑為次干路＞支路＞主干路；隔離帶上的塵土平均粒徑為快速路＞主干路；隔離帶草地上的塵土平均粒徑為主干路＞快速路。

造成以上分布差異的原因是快速路和次干路的清掃方式主要是機(jī)掃，機(jī)掃對小粒徑顆粒物的去除效果較差，主干和支路道路的清掃方式是機(jī)械水洗和人工撿拾，對小顆粒和大顆粒的去除作用較大。

圖1 不同級別道路在不同下墊面上塵土的平均粒徑Fig.1 The average particle size of dust particles at different underlying surfaces of different grades roads

2.2 道路塵土粒徑分布特征

2.2.1 各級道路不同下墊面的塵土粒級分布特征

塵土的粒級分布能夠反映塵土的來源和吸附污染物的能力，同時也能夠反映清掃方式的影響效果。為便于進(jìn)行粒徑測定結(jié)果分析，將粒徑劃分為0～50、50～100、100～200、200～300、300～400、400～500、500～600、600～700、700～800、800～1000、1000～1900 μm等11個粒級。圖2所示為各級道路不同下墊面各粒級塵土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和分布狀況，其中質(zhì)量分?jǐn)?shù)取自不同下墊面不同斷面均值。

由圖 2可知，（1）草地下墊面上，快速路、主干路、支路的塵土粒級主要分布在0～50 μm范圍內(nèi)，次干路塵土粒級則主要分布在100～200 μm范圍上，除主干路外，其他道路幾乎沒有≥800 μm粒級的塵土。（2）非機(jī)動車道上，主干路塵土絕大部分分布在 0～50 μm之間，而≥300 μm 粒級塵土極少，次干路和支路塵土粒級在0～1000 μm范圍內(nèi)均存在。（3）人行道上，主干路有一半以上的塵土粒級在0～50 μm之間，粒級≥200 μm的塵土幾乎沒有，而支路存在3.69%粒級≥1000 μm的塵土，但次干路和主干路幾乎沒有。（4）隔離帶，主干路塵土粒級主要分布在 0～50 μm 范圍內(nèi)，不存在粒級≥300 μm的塵土。（5）隔離帶草地，快速路和主干路在粒級分布上大致相同，但快速路幾乎無粒級≥600 μm 的塵土。

總體上，道路級別越高，塵土粒級分布越小且越集中；道路級別越低，塵土粒級分布范圍越廣。這是因?yàn)榧墑e較低的道路有局部路段存在清掃不到或未清掃的情況。

2.2.2 不同取樣斷面的各下墊面塵土粒徑分布特征

圖3～圖6顯示了各級道路在不同的取樣斷面的不同下墊面的塵土粒徑分布特征，反映了道路周邊環(huán)境對塵土粒級分布的影響。首先各斷面塵土的粒徑分布都表現(xiàn)為非正態(tài)分布，多以雙峰為顯著特點(diǎn)，峰值基本都出現(xiàn)在 30～50 μm 和 300～400 μm 附近。此外，各級道路的不同取樣斷面的塵土粒徑分布各具特征。

2.2.2.1 快速路

快速路的草地在4個斷面處的塵土粒徑分布均相近，顆粒粒徑均呈雙峰變化，塵土粒徑最大值出現(xiàn)在A草地處，為786.9 μm，最小值出現(xiàn)在B、C、D處，為1.261 μm。A斷面草地339.9 μm粒徑處的塵土最多，A斷面處的石料廠對附近道路塵土的影響比較明顯，表現(xiàn)為塵土的粒徑大，明顯高于其他斷面的粒徑。各個斷面塵土粒徑大小排序?yàn)椋篈＞B＞C＞D。

圖3 快速路不同斷面不同下墊面塵土粒徑分布Fig.3 Particle size distribution of dust in different positions and underlying surfaces of Outside the west road

圖4 主干路不同斷面不同下墊面塵土粒徑分布Fig.4 Particle size distribution of dust in different positions and underlying surface of Jinlai road

非機(jī)動車道 A、C、D斷面處塵土粒徑分布趨勢大致相同，塵土顆粒粒徑最大值出現(xiàn)在C、D處，為786.9 μm，最小值出現(xiàn)在B處，為1.149 μm。A斷面非機(jī)動車道409.6 μm粒徑處的塵土最多。各斷面塵土粒徑大小排序?yàn)椋篋＞C＞A＞B。

圖5 次干路不同斷面不同下墊面塵土粒徑分布Fig.5 Particle size distribution of dust in different positions and underlying surfaces of Gong No.1 road

圖6 支路不同斷面不同下墊面塵土粒徑分布Fig.6 Particle size distribution of dust in different positions and underlying surfaces of Xiuchuan road

從隔離帶的3個采樣斷面看，塵土粒徑分布差異較大，以單峰變化為主，這主要是因?yàn)楦綦x帶區(qū)域的塵土主要來源為大氣降塵及機(jī)動車行駛過程中將道路上的塵土攜帶并推動至隔離帶邊界處堆積而成。主峰分布范圍不同，塵土顆粒粒徑最大值出現(xiàn)在B、C斷面處，為948.3 μm，最小值出現(xiàn)在D處，為2.423 μm，B斷面449.7 μm粒徑處塵土最多。各斷面塵土粒徑大小排序?yàn)椋築＞C＞D。

隔離帶草地上，細(xì)顆粒的峰值表現(xiàn)相同，但C、D斷面塵土粒徑分布趨勢相似，細(xì)顆粒呈明顯單峰變化，主峰分布在粒徑30～40 μm范圍內(nèi)，而B斷面呈明顯雙峰變化。塵土粒徑最大值出現(xiàn)在D斷面處，為716.8 μm，最小值出現(xiàn)在B斷面處，為1.149 μm；B斷面282.1 μm粒徑處的塵土最多。各斷面塵土粒徑大小排序?yàn)椋築＞D＞C。

2.2.2.2 主干路

主干路草地B、C處采樣點(diǎn)塵土粒徑分布趨勢大致相同，A呈雙峰變化，C處呈現(xiàn)近似正態(tài)分布，主峰分布在493.6 μm處，塵土顆粒粒徑最大值出現(xiàn)在C處，為1822 μm，最小值出現(xiàn)在B處，為1.149 μm；C斷面非機(jī)動車道493.6 μm粒徑處的塵土最多。各斷面粒徑大小排序?yàn)椋篊＞A＞B。

非機(jī)動車道A、C處采樣點(diǎn)塵土粒徑分布趨勢相同，粒徑峰值表現(xiàn)不明顯，但都呈非正態(tài)分布，塵土顆粒粒徑最大值出現(xiàn)在A草地處，為282.1 μm，最小值出現(xiàn)在B處，為1.407 μm；A斷面草地8.147 μm 粒徑處的塵土最多。各斷面粒徑大小排序?yàn)椋築＞A＞C。

人行道A、B處采樣點(diǎn)塵土粒徑分布趨勢相同，均呈雙峰變化，主峰在57～68 μm范圍內(nèi)；3處采樣點(diǎn)都呈非正態(tài)分布，塵土顆粒粒徑最大值出現(xiàn)在C處，為234.1 μm，最小值出現(xiàn)在A處，為1.261 μm；A斷面人行道63.41 μm粒徑處的塵土最多。各斷面粒徑大小排序?yàn)椋篊＞B＞A。

隔離帶 3處采樣點(diǎn)塵土粒徑分布趨勢有所差異，A處粒徑均呈雙峰變化；3處采樣點(diǎn)粒徑都呈現(xiàn)為非正態(tài)分布，塵土顆粒粒徑最大值出現(xiàn)在C隔離帶處，為282.1 μm，最小值出現(xiàn)在B、C處，為1.261 μm；A斷面隔離帶63.41 μm粒徑處的塵土最多。各斷面粒徑大小排序?yàn)椋篊＞B＞A。

隔離帶草地A、B處采樣點(diǎn)塵土粒徑分布趨勢相同，A、C處粒徑均呈雙峰變化；3處采樣點(diǎn)呈非正態(tài)分布，塵土顆粒粒徑最大值出現(xiàn)在C隔草處，為1377 μm，最小值出現(xiàn)在B、C處，為1.149 μm；C斷面隔草帶493.6 μm粒徑處的塵土最多。各斷面粒徑大小排序?yàn)椋篊＞B＞A。

2.2.2.3 次干路

次干路草地塵土顆粒粒徑最大值為1041 μm，最小值為 1.832 μm，粒徑 1.128～1.337 μm 范圍內(nèi)的塵土最多。

非機(jī)動車道A、B處采樣點(diǎn)塵土粒徑分布趨勢大致相同，均呈單峰變化，主峰分布在180～190 μm范圍內(nèi)；3處采樣點(diǎn)均呈非正態(tài)分布，塵土顆粒粒徑最大值出現(xiàn)在B處，為1143 μm，最小值出現(xiàn)在A處，為1.261 μm；A斷面非機(jī)動車道176.9 μm粒徑處的塵土最多。各斷面塵土粒徑大小排序?yàn)椋築＞A。

人行道A、B處采樣點(diǎn)塵土粒徑分布趨勢相同，但A處粒徑呈單峰變化，B處粒徑呈雙峰變化；3處采樣點(diǎn)均呈非正態(tài)分布，塵土顆粒粒徑最大值出現(xiàn)在A處，為1143 μm，最小值亦出現(xiàn)在A處，為1.385 μm；A斷面人行道63.61 μm粒徑處的塵土最多。各斷面粒徑大小排序?yàn)椋篈＞B。

2.2.2.4 支路

3處草地的塵土粒徑分布趨勢相同，B、C處粒徑均呈雙峰變化，但主峰粒徑分布范圍不同，A處粒徑呈單峰變化，主峰分布在30 μm處；3處采樣點(diǎn)均呈非正態(tài)分布，塵土顆粒粒徑最大值出現(xiàn)在B草地處，為1143 μm，最小值出現(xiàn)在A、C處，為1.407 μm；B斷面草地373.1 μm粒徑處的塵土最多。各斷面粒徑大小排序?yàn)椋築＞C＞A。

非機(jī)動車道A、C處采樣點(diǎn)塵土粒徑分布趨勢大致相同，3處粒徑均呈雙峰變化，A、C處主峰分布在300～330 μm范圍內(nèi)；3處采樣點(diǎn)均呈非正態(tài)分布，塵土顆粒粒徑最大值出現(xiàn)在B處，為1822 μm，最小值出現(xiàn)在C處，為1.407 μm；在B斷面非機(jī)動車道493.6 μm粒徑處的塵土最多。各斷面粒徑大小排序?yàn)椋築＞A＞C。

人行道3處采樣點(diǎn)塵土粒徑分布趨勢不同，B處粒徑呈雙峰變化，主峰出現(xiàn)在543.9 μm處；3處采樣點(diǎn)均呈非正態(tài)分布，塵土顆粒粒徑最大值出現(xiàn)在C處，為1822 μm，最小值出現(xiàn)在B處，為0.953 μm；B斷面人行道594.9 μm粒徑處的塵土最多。各斷面粒徑大小為：C＞B＞A。

綜上，道路塵土粒徑除與周邊環(huán)境相關(guān)，與道路清掃方式關(guān)系也十分密切，機(jī)械水洗清掃可大大降低塵土總量和塵土粒級，而人工清掃對塵土總量和粒級影響有限，這也是不同級別道路粒徑分布呈現(xiàn)雙峰變化的原因。同一斷面的隔離帶、非機(jī)動車道、人行道上的塵土粒級分布特征相近，且隔離帶內(nèi)表土與路邊綠化帶的表土具有同源性。

3 結(jié)論

（1）從不同下墊面的平均粒徑看，在快速路中，機(jī)動車道＞非機(jī)動車道＞隔離帶草地＞草地；在主干路中，非機(jī)動車道＞隔離帶草地＞人行道＞機(jī)動車道＞草地；次干路中，人行道＞非機(jī)動車道＞草地?？焖俾泛椭鞲陕返慕煌üδ茱@著，受機(jī)動車的影響明顯，表現(xiàn)在機(jī)動車道和非機(jī)動車道的塵土粒徑具有相似的特性；隔離帶內(nèi)的草地及道路側(cè)邊綠化帶的表土均有細(xì)顆粒的道路揚(yáng)塵和土壤組分。次干路和支路的服務(wù)功能更為明顯，表現(xiàn)為人行道和非機(jī)動車道上的累積物總量大，清掃效果差，粒徑分布范圍廣，平均粒徑大。

（2）從道路級別看，隔離帶的平均粒徑表現(xiàn)為：快速路＞主干路；非機(jī)動車道為：快速路＞次干路＞支路＞主干路；人行道為：次干路＞支路＞主干路；隔離帶草地為：主干路＞快速路；草地為：主干路＞支路＞快速路＞次干路。

（3）從不同級別道路粒級分布看，道路級別越高，塵土粒級分布越小且越集中，道路級別越低，塵土粒級分布范圍越廣，大顆粒塵土占比相對較高。快速路和主干路幾乎不存在粒級≥800 μm的道路塵土，絕大多數(shù)為中小顆粒；次干路和支路道路塵土在粒級0～1900 μm范圍上均有分布。

（4）不同斷面、不同下墊面下的粒徑分布趨勢大致相同，道路塵土粒徑分布呈雙峰變化，少有單峰分布，清掃方式是影響其峰值的主要因素。雖然主峰分布粒徑范圍不同，但都呈非正態(tài)分布，各個斷面粒徑最大值、最小值和累積最多的塵土粒徑范圍不盡相同。

（5）道路功能、周邊環(huán)境、清掃方式等是影響道路塵土粒徑的主要因素。周邊環(huán)境和車輛行駛決定著塵土成分和分布位置；清掃方式影響著塵土的粒徑及其分布。機(jī)械水洗是大幅度降低道路塵土總量和塵土粒級的重要手段，這在主干路塵土粒徑上表現(xiàn)最為顯著。

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