成都市鋪裝道路積塵碳組分特征及排放因子研究

喬玉紅，葉芝祥，楊懷金，張 罡

(1.成都信息工程大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，成都 610225;2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

城市道路積塵是大氣飄塵、汽車攜帶、路面磨損、周邊裸地和建筑塵等各種來源遷移和沉積的結(jié)果，也是大氣污染物和城市地表徑流中污染物的重要來源。道路、街道上的積塵在一定的動力條件(風(fēng)力、機動車碾壓或人群活動)的作用下，一次或多次揚起并混合，進入到環(huán)境空氣中形成一定粒徑分布的揚塵，對環(huán)境和人類健康可能造成嚴(yán)重危害。隨著成都鋪裝道路和機動車保有量增加[1]，鋪裝道路揚塵污染不可忽視。文獻報道，交通揚塵對北京市PM10的年平均貢獻率達到了16.6%[2]，南寧市秋冬季道路揚塵源對PM2.5中碳組分的貢獻僅次于機動車尾氣和燃煤燃燒[3]。由于交通來源顆粒物的排放高度比較低,且分布在交通線兩旁和交通路口,更接近人群密集和活動的場所,所以對環(huán)境空氣質(zhì)量、能見度和人體健康的影響將更直接[4]。碳組分是大氣顆粒物的重要組成部分，主要由元素碳(EC)和有機碳(OC)組成，其對人體健康、能見度、氣候變化都會產(chǎn)生很大的影響[5]。EC主要來源于含碳物質(zhì)的不完全燃燒，OC的來源則相對復(fù)雜，有燃燒、工業(yè)和自然源的直接排放，還能由大氣化學(xué)過程生成[6]。目前國內(nèi)對于氣溶膠碳組分的研究主要集中在分析OC、EC濃度，二次有機碳氣溶膠的生成機制，水溶性有機碳濃度特征以及城市碳氣溶膠來源估算等[7]，鮮見對成都市道路積塵碳組分特征的研究[8]。

本研究于2014年4～6月對成都市鋪裝道路積塵進行了采樣分析，獲得了鋪裝道路積塵中碳組分含量，在此基礎(chǔ)上分析了主干路、次干路和支路的碳組分污染特征，水泥路面和瀝青路面支路的碳組分污染特征。通過AP-42模型計算了碳組分排放因子，并初步探討了其來源，可為進一步開展碳氣溶膠來源解析工作提供參考，也為政府開展城市大氣污染的防治工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

根據(jù)《城市道路工程設(shè)計規(guī)范CJJ37-2012》，城區(qū)鋪裝道路分為快速路、主干路、次干路和支路4類。于2014年4～6月期間用車輛、蓄電池、吸塵器和GPS定位系統(tǒng)組成的移動式道路積塵采樣系統(tǒng)[9]在成都市青羊區(qū)、武侯區(qū)、龍泉驛區(qū)、金牛區(qū)、溫江區(qū)、雙流縣、新津縣、崇州市等區(qū)域采集道路積塵。每條道路采集積塵不少于200g，共采集76條道路，各級道路采樣個數(shù)見表1，其中快速路車流量大、車速快不能保證采樣安全未能采集到樣品。

表1 道路積塵樣品分布Tab.1 Distribution of road dust samples (個)

1.2 AP-42排放因子模型

美國環(huán)保署(USEPA)在多年的實踐經(jīng)驗上總結(jié)了一套完整的估算道路揚塵排放因子的方法(AP-42法)[10]。本研究采用該方法估算成都市鋪裝道路揚塵碳排放因子，計算公式如下：

(1)

式(1)中：E為計算周期內(nèi)的平均排放因子(g/VKT)；k為不同粒度范圍的粒度乘數(shù)；sL為道路積塵負荷(g/m2，即單位面積道路揚塵中直徑小于或等于75μm的顆粒物重量)；W為通過道路車輛的平均重量(t)；P為計算周期內(nèi)降水量為0.254 mm及以上的天數(shù)；N為基準(zhǔn)年的天數(shù)。

1.3 排放因子模型參數(shù)

1.3.1 粒度乘數(shù)(k) 根據(jù)美國EPA 2011年AP-42方法中粒度乘數(shù)的數(shù)據(jù),TSP粒度乘數(shù)取3.23。本文以TSP排放因子乘積塵中碳組分占比來計算道路揚塵碳排放因子。

1.3.2 道路積塵負荷 道路積塵負荷是指道路單位面積上能夠通過200目標(biāo)準(zhǔn)篩(相當(dāng)于幾何粒徑75μm以下)的積塵質(zhì)量。現(xiàn)場采集的樣品帶回實驗室,去除石塊、煙頭、樹葉等雜質(zhì)后轉(zhuǎn)移至不銹鋼盤,于105℃烘至恒重,記為W(g)。烘干后的樣品放于20目標(biāo)準(zhǔn)尼龍篩，將20目、200目篩子由上而下疊好放入搖床，振搖30～60min。振搖結(jié)束后用百分之一電子天平稱量每個標(biāo)準(zhǔn)篩及篩上物重量。按公式(2)計算道路積塵負荷值：

(2)

式(2)中：W為道路積塵樣品總重量(g)；W20和W200分別為20目和200目篩和篩上物總重量(g)；M20和M200分別為20目和200目標(biāo)準(zhǔn)篩凈重量(g)；S為采樣面積(m2)。

1.3.3 車流量 采集道路積塵時同時對該條道路進行人工統(tǒng)計車輛數(shù)目。得到成都市主干路、次干路和支路車流量分別為2 202±1 321輛/h、830±477輛/h、282±211輛/h；瀝青路面和水泥路面支路分別為381±246輛/h、209±145輛/h。

1.3.4 平均車重 根據(jù)收費公路車輛通行費車型分類(JT/T489-2003)標(biāo)準(zhǔn)，將車輛類型分為一類車(1～2t)、二類車(2～5t)、三類車(5～10t)、四類車(10～15t)和五類車(>15t)。平均車重是指通過某類道路所有車輛的平均重量。本研究從高速公路管理部門獲得不同類型貨車的重量信息，小客車重量參考許妍的研究結(jié)果[11]并結(jié)合實際監(jiān)測的車流量，按式(3)計算通過某類道路的平均車重:

(3)

式(3)中：Wi為i類道路的平均車重，n為道路類型數(shù)量；Kij為第i類道路上第j類車輛的比例；Wij為第i種等級道路上第j種車型的車重量(t)。計算得到成都市主干路、次干路和支路平均車重分別為2.49t、2.72t和2.44t；瀝青路面和水泥路面支路分別為2.0t和2.7t。

1.3.5 計算周期內(nèi)降水量為0.254 mm及以上的天數(shù) 通過年鑒獲得2014年成都市降雨量大于等于0.254的天數(shù)為207d。

1.4 樣品碳組分分析

采用DRI Model2001A 熱光碳分析儀分析200目道路積塵的碳組分。由于樣品中碳含量較高，直接測量5mg樣品的碳組分時會超出了儀器的測量范圍，取樣量太少，儀器無法測量并且誤差也較大，所以采用性質(zhì)穩(wěn)定的氧化鋁做稀釋劑，對樣品稀釋后進行分析。首先將氧化鋁置于850℃馬弗爐中煅燒2h除去有機物，然后準(zhǔn)確稱量處理過后的稀釋劑氧化鋁0.900 0g和200目道路積塵樣品0.100 0g于研缽中混合均勻后，稱取5.0mg稀釋后的樣品放置于鉑金舟中，應(yīng)用IMPROVE 熱光反射( TOR，Thermal Optical Reflectance) 的實驗方法進行OC、EC的測定[12]。在無氧的純He環(huán)境中，顆粒中的有機碳分別在140℃、280℃、480℃、580℃下?lián)]發(fā)，經(jīng)催化氧化爐轉(zhuǎn)化生成的CO2，然后再將樣品在2%氧氣的He環(huán)境下，分別于580℃、740℃和840℃逐步加熱將EC氧化成CO2，無氧加熱階段生成的CO2和有氧階段生成的CO2，均在還原爐中被還原成甲烷(CH4)，再由火焰離子化檢測器(FID)定量檢測。無氧加熱時的焦化效應(yīng)(也稱為碳化)可使部分OC轉(zhuǎn)變?yōu)榱呀馓?OPC)，為檢測OPC的生成量，用633nm激光全程照射樣品，測量加熱升溫過程中反射光強的變化，以初始光強作為參照，準(zhǔn)確確定OC和EC的分離點。根據(jù)IMPROVE方法，OC=OC1+OC2+OC3+OC4+OPC，EC=EC1+EC2+EC3-OPC。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋪裝道路積塵負荷特征

根據(jù)式(2)計算出成都市各條道路積塵負荷，各類道路積塵負荷平均值如表2所示。支路的積塵負荷最大，為0.237 7±0.260 0g/m2；其次為次干路，為0.138 7±0.156 5 g/m2；最小的是主干路，為0.074 9±0.061 1g/m2。支路積塵負荷是主干路的3.1倍，這是因為主干路的車流量大清掃密集，而支路車流量小清掃次數(shù)少。這和北京[13]天津[11]有相似規(guī)律，均是支路>次干路>主干路，值比天津和北京小，這可能是由于北方干燥而南方濕潤導(dǎo)致的。

表2 不同類型道路積塵負荷Tab.2 Dust load on different levels of roads (g/m2)

2.2 鋪裝道路積塵碳組分特征及排放因子

成都市主干路、次干路和支路積塵中碳組分如圖1所示。主干路、次干路和支路OC濃度分別為35.32±14.95 mg/g、49.25±20.28 mg/g和64.28±30.59 mg/g，主干路<次干路<支路。OC主要來自于汽油車尾氣排放，支路車流量小而OC濃度大，其原因可能是支路兩旁餐飲企業(yè)較多，排出的油煙增加了支路OC的濃度。EC濃度是主干路13.37±6.25 mg/g、次干路17.16±7.81 mg/g、支路19.06±10.66 mg/g；TC濃度是主干路48.69±20.39 mg/g、次干路66.42±25.88 mg/g、支路83.34±38.15mg/g；均是主干路<次干路<支路。

碳組分分布如圖1b所示，三類道路中OC1、OC2和EC3的濃度遠小于OC3、OC4、EC1和EC2這四個組分，整體呈駝峰狀。這和郭森[14]周盼[15]等的石家莊夏季冬季道路揚塵中碳組分OC3最大且呈顯著的單峰變化不同。分析原因可能是郭森與周盼所做是把道路積塵再懸浮采集的PM2.5和PM10膜樣品進行分析，而本研究是直接取200目道路積塵樣品測定。其中OC3、OC4和EC1三個組分濃度是支路>次干路>主干路，EC2組分是次干路>支路>主干路。

根據(jù)AP-42模型計算所得成都市各類道路碳排放因子如表3所示。

圖1 各類鋪裝道路碳組分濃度Fig.1 Mass fraction of carbon components at all levels of roads in Chengdu

表3 各類道路碳排放因子Tab.3 Carbon emission factors of all levels of roads (g/VKT)

主干路的TC、OC和EC排放因子都是最小，支路都是最大。支路TC排放因子0.155g/VKT，是次干路的1.8倍，主干路的4.8倍；OC排放因子是次干路的1.9倍，主干路的5倍；EC排放因子是次干路的1.6倍，主干路的4倍。各類道路碳組分排放因子相差懸殊，這是因為支路的積塵負荷與碳組分含量均為三類道路中的最大值。所以應(yīng)該加強支路清掃力度，減少道路積塵和碳排放。

2.3 水泥路和瀝青路面道路積塵中碳組分特征及排放因子

成都市鋪裝道路路面類型有水泥路面和瀝青路面兩種，其中主干路和次干路路面類型大都為瀝青路面，支路中瀝青和水泥幾乎各占50%，因此這里只討論支路不同路面類型碳組分特征。兩種路面類型碳組分濃度如圖2a所示。

圖2 不同路面類型支路碳組分質(zhì)量濃度Fig.2 Mass concentrations of carbon components of different road types

瀝青路面TC、OC和EC濃度分別是103.46±33.69mg/g、82.25±27.05mg/g、21.21±8.02mg/g，水泥路面TC、OC和EC濃度分別是68.255±34.11mg/g、50.8±25.79mg/g、17.45±12.03mg/g。瀝青路面積塵中各個碳組分濃度均大于水泥路面，其中TC濃度是水泥路面的1.5倍，OC是水泥路面的1.6倍，EC差距較小，是水泥路面的1.2倍。兩種路面類型的碳組分分布如圖2b所示，OC3、EC1濃度比其他組分大，整體呈駝峰狀。

使用AP-42計算出不同路面類型排放因子如表4所示。

表4 支路不同路面類型碳排放因子Tab.4 Carbon emission factors of different surface types of branch way (g/VKT)

瀝青路面的TC、OC和EC排放因子均小于水泥路面，分別是水泥路面的0.68、0.74和0.56倍。這和兩種路面類型的碳組分濃度大小相反，其原因是瀝青路面的積塵負荷(0.168 1±0.160 2g/m2)小于水泥路面(0.284 1±0.300 2g/m2)。因此需要大力推進對支路水泥路面改瀝青路面工作。

2.4 鋪裝道路碳組分來源分析

不同污染源的OC/EC具有不同范圍，輕型汽油車為2.2，重型柴油車為0.8，生物質(zhì)燃燒為9.0，汽油車尾氣為4.1，燃煤為12.0[16]。成都市主干路、次干路和支路積塵中OC/EC值如圖3所示，分別是2.77±0.76、3.05±0.87和3.68±1.15，均在2～4之間，表明積塵碳組分主要來自于機動車尾氣排放。支路的OC/EC值的標(biāo)準(zhǔn)偏差更大，說明支路積塵中碳組分來源更復(fù)雜，除了機動車排放外，還可能與道路兩旁的餐飲企業(yè)排放的油煙有關(guān)。

Turpin等[17]認為通過研究OC和EC之間的關(guān)系，可以區(qū)分碳組分的來源。若OC EC的相關(guān)性好，則表明來自于相同污染源。利用OC EC的相關(guān)性可在一定程度上對積塵碳組分的來源進行定性分析。使用OriginPro 2019對OC EC進行一次擬合，如圖4所示，次干路與支路的OC EC皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.623 4和0.621 4，主干路為0.819 5，主干路大于次干路與支路。這說明次干路與支路的碳組分來源比主干路復(fù)雜。

圖3 各級道路OC/ECFig.3 OC/EC of all levels of roads

圖4 各類道路OC EC散點圖Fig.4 OC EC scatter diagram of roads at all levels

Cao 等[18]研究認為，OC1在生物質(zhì)燃燒樣品中最豐富，OC2、OC3、OC4及EC1是燃煤和汽油車尾氣中豐富的碳組分，EC2和EC3是柴油車尾氣中豐富的碳組分。同時Gu等[19]認為OC3、OC4代表了道路揚塵源的貢獻。對碳組分進行因子分析可以在一定程度上實現(xiàn)對碳氣溶膠的源解析[20]。應(yīng)用SPSS22軟件對成都市各級道路積塵樣品中的7個碳組分進行因子分析，結(jié)果列于表5。根據(jù)特征值大于1，各級道路分別提取出兩個因子由表5可知。主干路提取的因子解釋了碳組分的76.54%，因子1的 OC2、OC3、OC4、EC1負載大，說明汽油車尾氣排放是主要的碳組分來源，因子2的OC1、EC2 和EC3負載顯著，說明主要來源是生物質(zhì)燃燒和柴油車排放；次干路提取出的因子解釋了碳組分的79.37%，因子1的 OC2、OC3、OC4、EC1負載大，同樣也表明汽油車尾氣排放是一個主要的污染源；因子2中OC1、EC2、EC3作用顯著，主要來自柴油車排放和生物質(zhì)燃燒；支路提取的兩個因子，解釋了碳組分的78.01%，因子1中OC2、OC3、OC4、EC1和EC2作用顯著，主要為汽油車和柴油車排放，因子2中OC1和OC2作用顯著，主要為生物質(zhì)燃燒。道路積塵碳組分中均存在一定程度的生物質(zhì)燃燒污染，雖然成都市區(qū)對生物質(zhì)如落葉等已實施禁燃多年，但是成都周邊地區(qū)尤其是農(nóng)村地區(qū)秸稈焚燒問題時有發(fā)生。通過來源解析發(fā)現(xiàn)成都市道路積塵碳組分主要來源于汽油車排放，柴油車排放及生物質(zhì)燃燒。需要指出的是支路碳組分來源的解析結(jié)果雖然為汽油車排放和生物質(zhì)燃燒，但是餐飲源是一個不可忽視的污染源，餐飲源碳組分源成分譜的缺乏致使無法確定其標(biāo)識組分，從而無法解析出該源。

表5 城市道路揚塵碳組分因子分析Tab.5 Absolute principal component analysis results of fugitive dust carbon fractions in city roads

3 結(jié) 論

3.1 成都市鋪裝道路積塵中OC和EC含量支路>次干路>主干路，碳排放因子也是支路>次干路>主干路，所以應(yīng)該加強支路清掃力度，減少道路積塵及碳排放。

3.2 支路瀝青路面積塵的碳組分含量高于水泥路面，而瀝青路面排放因子小于水泥路面，因此需要大力推進對支路水泥路面改瀝青路面工作。

3.3 通過OC/EC值和因子分析表明成都市道路積塵碳組分主要來源于汽油車和柴油車排放。