基于積塵負(fù)荷法對北京市鋪裝道路揚(yáng)塵排放清單的研究

竹 濤，王若男，袁前程，劉笑陽，張 星，劉海兵，劉 鋒

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 大氣環(huán)境管理與污染控制研究所，北京 100083；2.環(huán)保部 固體廢物與化學(xué)品管理技術(shù)中心，北京 100029；3.蘇州科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009)

隨著城市化和工業(yè)化的高速發(fā)展、道路交通建設(shè)的加快，城市道路揚(yáng)塵成為大氣顆粒物的最主要來源之一，北京市呈現(xiàn)出典型的大氣復(fù)合污染特征，且空氣污染日益嚴(yán)重。

道路揚(yáng)塵是城市揚(yáng)塵中最為主要的揚(yáng)塵源類型，這類揚(yáng)塵主要指道路積塵由于風(fēng)力、人類活動等的作用并在一定的動力條件下進(jìn)入環(huán)境空氣中形成的揚(yáng)塵[1]。美國學(xué)者對道路揚(yáng)塵排放研究較成熟，在研究方法上主要有TRAKER法[2]、Upwind-downwind法[3]以及在2011年美國環(huán)保署(USEPA)推薦的AP-42(來自《空氣污染物排放因子匯編》)方法等[4]。朱振宇等[5]對道路交通揚(yáng)塵的采樣方法進(jìn)行了研究；黃玉虎等[6]對降塵法和AP-42法這兩種評估方法進(jìn)行了比較；許妍等[7]研究了天津市道路揚(yáng)塵排放特征及空間分布；樊守彬等[8]研究了北京降塵排放特征。然而這些方法由于采樣的取樣方法不同，或多或少都存在數(shù)據(jù)方法的適用性和廣譜性問題。同時(shí)考慮到道路揚(yáng)塵既是大氣顆粒物污染的源，也是受體[9]，作為城市顆粒物的主要來源，研究其排放因子和排放清單具有重要意義。因此，本研究針對不同類型道路調(diào)查了北京市道路車流量以及道路長度，對典型道路采用了積塵負(fù)荷法進(jìn)行了樣本的采集和分析，應(yīng)用動力學(xué)粒徑譜儀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對k值(粒度乘數(shù))進(jìn)行修正，結(jié)合AP-42方法得出適于北京市鋪裝道路揚(yáng)塵計(jì)算的方法，計(jì)算了不同類型道路的排放因子和排放清單，對排放粒子進(jìn)行時(shí)間和空間上的分析，以期為道路揚(yáng)塵總量管理提供方法學(xué)上的參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與研究對象

該研究以北京市海淀區(qū)為代表，選取不同道路類型作為采樣區(qū)域，分別為主干道、次干道、快速路、支路，編號依次為1、2、3、4，主干道為學(xué)院路(六道口-成府路口南段)，次干道為成府路(超市發(fā)學(xué)院路店-王莊路店)，快速路為北四環(huán)(學(xué)院橋-花園路段)，支路為靜淑苑路(清華東路-林大北路段)。具體采樣點(diǎn)布設(shè)如圖1所示。本文研究揚(yáng)塵顆粒物分別是TSP、PM10以及PM2.5，其中TSP以PM30來代替[10]。

圖1 采樣點(diǎn)示意圖Fig.1 Schematic diagram in sampling point

1.2 樣品采集與處理

1.2.1樣品采集

本研究采取800 W吸塵器和3 kW發(fā)電機(jī)采樣，采樣框?yàn)榭山M裝成面積為1 m2的正方形采樣框，且該采樣板高15 cm，如圖2所示。

圖2 采樣框Fig.2 Sampling frame

為方便不同類型道路進(jìn)行對比分析，每條道路取8個(gè)點(diǎn)進(jìn)行樣品采集，根據(jù)道路寬度不同取2 m2或4 m2的樣品。樣品的采集是學(xué)院路(主干道)的機(jī)動慢速車道、機(jī)動中速車道和機(jī)動快速車道，每條道各采集樣品8個(gè)，成府路(次干道)的機(jī)動車道和非機(jī)動車道，每條車道各采集樣品8個(gè)，北四環(huán)路(快速路)的非機(jī)動車道和快速輔路，每條車道各采集樣品8個(gè)，靜淑苑路(支路)是機(jī)非混合車道各采集樣品8個(gè)，采集頻率每季節(jié)一次。采樣氣象條件為空氣靜穩(wěn)(風(fēng)力<1級)、無雨雪、無雷電天氣。

1.2.2樣品處理

本文采用積塵負(fù)荷法進(jìn)行研究。中華人民共和國環(huán)境保護(hù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(HJ/T393-2007)指出，道路積塵負(fù)荷是指單位面積的道路上能夠通過200目篩(相當(dāng)于幾何粒徑75 μm以下)的那部分道路積塵的質(zhì)量，它是道路表面含塵量的表征參數(shù)，其大小直接影響道路揚(yáng)塵排放量的多少。目前國內(nèi)尚未出臺道路積塵負(fù)荷的采樣標(biāo)準(zhǔn)，該領(lǐng)域的相關(guān)研究廣泛采用EPA公布的AP-42的積塵負(fù)荷采樣方法[11]。

采集的樣品按照以下步驟進(jìn)行處理：

1) 將采集到的道路塵樣品放置到干燥器中平衡干燥3 d，稱量樣品質(zhì)量；

2) 用柔軟毛刷將標(biāo)準(zhǔn)篩處理干凈，確保不沾帶雜物；

3) 將20目、200目泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩由上而下層疊放入電動振篩機(jī)內(nèi)，將道路揚(yáng)塵樣品全部倒入20目篩中；

4) 啟動電動振篩機(jī)，震動40～60 min后取出標(biāo)準(zhǔn)篩，稱量20目及200目篩上樣品質(zhì)量。

1.3 道路揚(yáng)塵相關(guān)排放系數(shù)估算方法與模型

1.3.1排放因子估算模型

排放因子通常是根據(jù)單位時(shí)間行駛里程的排放量和道路積塵負(fù)荷的關(guān)系建立起經(jīng)驗(yàn)公式而估算得到的[11]。以AP-42方法來看，鋪設(shè)道路的道路積塵負(fù)荷應(yīng)為平衡值，即再懸浮物質(zhì)量=補(bǔ)充量。AP-42法對于在此假設(shè)條件下的道路揚(yáng)塵排放因子，提出如下經(jīng)驗(yàn)估算公式：

FE=k(ρsL)0.91×(m)1.02.

(1)

式中：FE為排放因子，g/(km·輛)[12]；k為不同粒度范圍的粒度乘數(shù)，g/(km·輛)；ρsL為路面積塵負(fù)荷，g/m2(單位面積揚(yáng)塵中直徑≤75 μm的顆粒物質(zhì)量)；m為通過道路車輛的平均車質(zhì)量，t.

1.3.2排放清單估算方法

科學(xué)合理地制定揚(yáng)塵排放清單是探究道路揚(yáng)塵控制對策的基礎(chǔ)。完成對排放因子的制定并獲得相關(guān)排放清單模型的參數(shù)后，根據(jù)不同區(qū)域的車輛活動水平即可得到排放量[13]。區(qū)域內(nèi)道路揚(yáng)塵排放的活動水平體現(xiàn)為不同類型鋪裝道路總長度和車流量等，即車輛行駛里程數(shù)[14]。本研究采用道路揚(yáng)塵排放因子模型法來估算北京市道路揚(yáng)塵排放清單，估算公式如式(2)所示。

(2)

式中：Q為揚(yáng)塵年排放量，t；FE為以日為單位的排放因子，g/(km·輛)；L為道路長度，km；V為日平均車流量，輛/d.

1.4 模型參數(shù)獲取

1.4.1粒度乘數(shù)kj

美國環(huán)保局根據(jù)美國中西部大量實(shí)驗(yàn)和研究得出不同粒徑范圍的粒度乘數(shù)k值，其包括公式中未曾體現(xiàn)的其他因素，如車速、風(fēng)速等。但是AP-42只提供了默認(rèn)值，并沒有給出具體的確定方法，因此在估算過程中采用其默認(rèn)值。然而，由于在建立排放因子模型時(shí)，發(fā)現(xiàn)只和k值有關(guān)且比例關(guān)系為正比[15]，在這種情況下直接使用AP-42法提供的k值而不經(jīng)過修正，會產(chǎn)生很大的誤差，因此必須結(jié)合北京市的實(shí)際情況對k值進(jìn)行修正。在本文中，首先選擇動力學(xué)粒徑譜儀并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用式(3)對USEPA提供的k值進(jìn)行修正。

(3)

式中：kj為修正后的粒度乘數(shù)；lj為所占質(zhì)量百分比(粒徑測試儀給出的小于j微米粒徑的顆粒物)；l15為粒徑小于15 μm的顆粒物所占質(zhì)量百分比；k15為美國EPA給出的粒度乘數(shù)，0.77 g/(km·輛).

根據(jù)激光粒度儀Grimm1.109所測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合式(3)所獲得北京市不同類型鋪裝道路的顆粒物粒度乘數(shù)(見表1)，可以計(jì)算得出以下結(jié)論：粒度乘數(shù)與美國環(huán)保署(USEPA)的AP-42方法提供的數(shù)值量級基本吻合。

表1 北京市不同類型鋪裝道路的顆粒物粒度乘數(shù)kTable 1 Particle size multiplier k of different types of pavement road in Beijing city g/(km·輛)

1.4.2道路積塵負(fù)荷

道路積塵負(fù)荷表示在單位面積揚(yáng)塵中直徑≤75 μm的顆粒物的質(zhì)量[16]。因?yàn)椴煌貐^(qū)道路積塵負(fù)荷有較大差異，本文通過使用積塵負(fù)荷法，對道路揚(yáng)塵進(jìn)行采樣，并通過實(shí)驗(yàn)室分析得到道路積塵負(fù)荷數(shù)值，結(jié)果如表2所示。

表2 北京市不同類型鋪裝道路積塵負(fù)荷Table 2 Dust load of different types of pavement road in Beijing city g/m2

1.4.3車輛均重Wi

車輛均重表示通過各類道路的所有車輛的平均重量[17]。在本文中我們將現(xiàn)場調(diào)研車種分為以下四種類型，分別為重型車、中型車、輕型車、微型車[18]，用以區(qū)分不同車型的車流量特征。其中重型車包括所有公交車、大型校車、公司班車、旅游客車等，車重為5.0～8.0 t；中型車包括小型校車、城鄉(xiāng)客車、輕客、微卡等，車重為3.0～4.0 t；輕型車包括SUV、MPV、跑車、轎車(家庭、商務(wù))、越野車、皮卡，一般區(qū)別于中巴、大巴車，車重為1.6～2.0 t；微型車包括奇瑞QQ、奧拓、五菱之光、北斗星等，車重為0.8～1.0 t.分別對不同車型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后，計(jì)算道路車輛均重。道路車輛均重?cái)?shù)據(jù)可通過式(4)[19]獲得：

(4)

式中：n為道路類型數(shù)量(主干道、次干道、快速路和支路)；kij為第i種道路上第j種車輛所占比例；Wij為第i種道路上第j種單車的重量，t.

本研究通過對典型道路現(xiàn)場各類車型的車重和比例數(shù)據(jù)計(jì)算出北京市各類鋪裝道路的車輛均重，分別為：主干道平均車重3.5 t，次干道平均車重3.2 t，快速路平均車重3.0 t，支路平均車重1.6 t.

1.4.4各類道路長度

通過查閱《北京市2013年交通發(fā)展年度報(bào)告》，將北京市不同類型鋪裝道路長度信息進(jìn)行匯總[20]，得到如下數(shù)據(jù)：主干道鋪裝道路長度為865 km，次干道長度為648 km，快速路長度為543 km，支路長度為748 km.

1.4.5各類鋪裝道路車流量信息

為獲得北京市各類鋪裝道路的車流量信息，派出研究人員主要通過采取拍攝視頻的方式進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，在了解各類鋪裝道路的車流量狀況的基礎(chǔ)上，獲得各等級鋪裝道路的車流量詳細(xì)數(shù)據(jù)信息，主干道車流量為3 996輛/h，次干道車流量為1 671輛/h，快速路車流量為9 642輛/h，支路車流量為458輛/h.

2 結(jié)果與討論

2.1 北京市道路積塵負(fù)荷與其他城市的比較

北京市的主干道、次干道、快速路和支路分別與珠三角[9]、天津[7]和成都[21]做對比(見圖3)，可以看出北京市不同類型道路的積塵負(fù)荷值普遍高于其他地區(qū)。

圖3 北京市道路積塵負(fù)荷與其他地區(qū)對比Fig.3 Comparison of road silt loading between Beijing and other cities

北京市不同類型道路的積塵負(fù)荷值分別為：主干道1.75 g/m2，次干道2.54 g/m2，快速路2.34 g/m2，支路2.19 g/m2.許妍等[7]對于天津市城區(qū)道路的研究表明，該市區(qū)環(huán)線、主干道、次干道和支路的道路積塵負(fù)荷分別為0.30，0.40，0.64，2.02 g/m2，可以總結(jié)出北京市道路積塵負(fù)荷比天津市高，表明天津市道路相比北京市道路清潔程度高。樊守彬等[22]研究北京城區(qū)道路表明，北京市城區(qū)快速路、主干道、次干道和支路路面積塵負(fù)荷平均值為(0.11±0.08)，(0.21±0.13)，(0.27±0.13)，(0.54±0.52)g/m2，可以看出本研究計(jì)算出的積塵負(fù)荷值沒有在其平均數(shù)內(nèi)，但是兩篇文章研究給出的積塵負(fù)荷值也沒有存在數(shù)量級的差別，可以認(rèn)為兩者的數(shù)據(jù)趨同。造成這種結(jié)果的問題在于其數(shù)字平均化以及采樣道路長度、采樣時(shí)道路交通狀況以及道路清潔程度有關(guān)。北京市不同類型道路與珠三角、天津和成都相比，積塵負(fù)荷值要普遍偏高。

2.2 鋪裝道路揚(yáng)塵排放因子結(jié)果

結(jié)合本研究所獲得的道路積塵負(fù)荷修正粒度乘數(shù)，基于各類鋪裝道路的車輛均重等數(shù)據(jù)，通過排放因子公式(1)可以分別得出北京市不同類型鋪裝道路相關(guān)排放因子的數(shù)值，結(jié)果見表3.

從表3中可看出，北京市根據(jù)其鋪裝道路種類的不同，道路揚(yáng)塵的排放因子亦不同，排放因子由大到小排序依次為：次干道，快速路，主干道，支路。由于支路往來車輛基本是小轎車及其以下噸位的車，平均車重小，因此支路排放因子最小。而排放因子值由大到小的順序(次干道，快速路，主干道)與積塵負(fù)荷值(次干道，快速路，支路)略有不同。

表3 北京市各類鋪裝道路揚(yáng)塵排放因子Table 3 Dust emission factors of paving roads in Beijing

從整體上看，北京市不同類型鋪裝道路揚(yáng)塵PM2.5、PM10和TSP的平均排放因子分別為0.72，3.66，6.29 g/(km·輛)。

2.3 北京市各類鋪裝道路揚(yáng)塵排放清單

根據(jù)實(shí)際調(diào)研得到的北京市各類鋪裝道路總長度和每小時(shí)車流量等數(shù)據(jù)，結(jié)合本研究估算的相關(guān)排放因子，利用式(2)可估算出北京市各類鋪裝道路的揚(yáng)塵排放量情況，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 北京市各類鋪裝道路揚(yáng)塵排放清單Table 4 Inventory of dust emission from various paving roads in Beijing

從表4可知，北京市不同類型鋪裝道路揚(yáng)塵PM2.5、PM10和TSP的年排放總量分別為74.7×103，465.1×103，641.4×103t/a，而在各類型道路的揚(yáng)塵排放量中，排放量由大到小依次為：快速路，主干道，次干道，支路。不同類型車流量由大到小依次為：快速路車流量，主干道車流量，次干道車流量，支路車流量，因此揚(yáng)塵排放量的大小與道路車流量相關(guān)，道路車流量越大，揚(yáng)塵排放量越大。

2.4 道路揚(yáng)塵排放的時(shí)間變化特征

將不同種類道路揚(yáng)塵的排放量，以車流量日變化數(shù)據(jù)為依據(jù)，可以得出北京市各類鋪裝道路揚(yáng)塵排放量的日變化折線圖，如圖4所示。

圖4 各類型道路PM10排放量的日變化圖Fig.4 Daily variation of PM10 emissions of various types of roads

從不同類型道路揚(yáng)塵排放量的時(shí)間變化圖可看出，08：00-11：00和17：00-20：00這兩個(gè)時(shí)間段的道路揚(yáng)塵排放量達(dá)到高峰值，原因是這兩個(gè)時(shí)間段是上下班的高峰期，車流量大；在13：00-15：00出現(xiàn)白天的最低值，這段時(shí)間多為人們午休時(shí)間，車流量相對較小；夜間揚(yáng)塵排放量普遍較低，02：00-04：00達(dá)到了全天最低值，此時(shí)是人們夜晚睡覺時(shí)間，車流量為全天最小。

圖5為4個(gè)季節(jié)不同類型道路顆粒物排放總量對比，其中，快速路排放總量最大，支路排放總量最小，這與道路車流量、平均車重以及車速有關(guān)。不同季節(jié)PM2.5,PM10以及TSP的值存在差異，這說明道路揚(yáng)塵排放量存在季節(jié)性變化。

圖5 不同季節(jié)各類型道路顆粒物排放總量對比圖Fig.5 Particle emissions of various types of roads in different seasons

2.5 道路揚(yáng)塵排放的空間變化特征

在不同道路上4個(gè)季節(jié)揚(yáng)塵排放總量由大到小依次為：快速路，主干道，次干道，支路，這說明道路揚(yáng)塵排放量存在區(qū)域性差異。這一差異在不同粒徑顆粒物間同樣適用，即PM10～30排放總量由大到小依次為：快速路，主干道，次干道，支路；PM2.5～10排放總量依次為：快速路，主干道，次干道，支路；PM2.5排放總量依次為：快速路，主干道，次干道，支路。這說明不同粒徑的顆粒物占總量的比例大致相同。

圖6 不同類型道路顆粒物排放總量對比Fig.6 Particle emissions of different types of roads

3 結(jié)論

1) 北京市不同類型道路的積塵負(fù)荷值分別為：主干道1.75 g/m2，次干道2.54 g/m2，快速路2.34 g/m2，支路2.19 g/m2.

2) 北京市不同類型道路揚(yáng)塵TSP、PM10、PM2.5的排放因子差異較大，主干道為6.15，3.82，0.90 g/(km·輛)；次干道為8.64，4.57，0.76 g/(km·輛)；快速路為6.85，4.12，0.80 g/(km·輛)；支路為3.53，2.11，0.43 g/(km·輛)。

3) 北京地區(qū)2015年交通道路揚(yáng)塵TSP排放量為641.4×103t，PM10為465.1×103t，PM2.5為74.7×103t.研究區(qū)域面積為430.8 km2，平均每天排放4.08 g/m2.

4) 2015年北京市不同類型的鋪裝道路，其道路揚(yáng)塵排放因子變化規(guī)律大致為：次干道最大，其次為快速路，主干道，支路；其道路揚(yáng)塵排放總量變化規(guī)律由大到小依次為：快速路，主干道，次干道，支路。排放總量隨路面車流量增大而增大。

5) 在時(shí)間變化上，08：00-11：00和17：00-20：00這兩個(gè)時(shí)間段的道路揚(yáng)塵排放量達(dá)到日高峰值，與這兩個(gè)時(shí)間段車流量大有關(guān)；不同季節(jié)PM2.5,PM10以及TSP的值有差異，這說明道路揚(yáng)塵排放量存在季節(jié)性變化。

6) 空間變化上，不同道路類型4個(gè)季節(jié)的時(shí)間內(nèi)排放總量由大到小依次為：快速路，主干道，次干道，支路，這說明道路揚(yáng)塵排放量存在區(qū)域性差異。且由PM2.5、PM10和TSP之間存在相同的區(qū)域性差異，可以得出不同粒徑的顆粒物占總量的比例大致相同。