北京市密云區(qū)道路揚塵排放特征及融雪劑使用的影響*

崔浩然 樊守彬 韓力慧 李婷婷 曲 松 劉俊芳

(1.北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，區(qū)域大氣復(fù)合污染防治北京市重點實驗室，北京 100124；2.北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，北京 100037；3.國家城市環(huán)境污染控制工程技術(shù)研究中心，北京 100037)

諸多研究表明，揚塵是城市大氣顆粒物的主要貢獻(xiàn)者之一，道路揚塵是主要的揚塵源，具有分布廣、規(guī)模大和監(jiān)測難的特點，是城市揚塵防治中的重點和難點[1-3]。HUANG等[4]研究表明，道路揚塵對PM10的貢獻(xiàn)率為16%～30%。WEI等[5]研究表明，北京市道路揚塵對PM2.5的貢獻(xiàn)率為13%。竹濤等[6]503采用AP-42法建立了北京市道路揚塵排放清單，給出了北京市各類型道路揚塵排放因子。FAN等[7]采用AP-42法建立了北京市奧運會期間的道路揚塵排放清單，探究了道路塵負(fù)荷對揚塵排放的影響。道路塵負(fù)荷是道路揚塵的重要排放來源，對城市道路揚塵排放量有顯著影響。王凱等[8]2使用車載移動監(jiān)測法對北京市延慶區(qū)道路塵負(fù)荷進(jìn)行監(jiān)測指出，路面破損程度和施工活動會顯著提高道路塵負(fù)荷。DENBY等[9]研究斯德哥爾摩降雪后的揚塵排放特征時指出，殘留的融雪劑增加了10%的揚塵排放量。國內(nèi)關(guān)于殘留的融雪劑對道路塵負(fù)荷及道路揚塵的影響研究還幾乎未見報道。

考慮到北京市道路揚塵排放特征的研究重點集中在平原區(qū)，對山區(qū)的資料掌握不足，故本研究在北京市選擇了平原區(qū)和山區(qū)共存的密云區(qū)進(jìn)行研究。密云區(qū)東部、北部和南部三面環(huán)山，西部為平原，冬季常發(fā)生強降雪事件，常需大面積施撒融雪劑。本研究利用車載移動監(jiān)測法，于2019年對密云區(qū)的平原區(qū)和山區(qū)的主要道路進(jìn)行了道路塵負(fù)荷監(jiān)測，計算揚塵排放量，并研究了路面殘留的融雪劑對道路塵負(fù)荷和道路揚塵排放的影響。

1 方 法

1.1 道路塵負(fù)荷監(jiān)測

所選道路均為鋪裝道路，類型包括國道、省道、縣道、鄉(xiāng)道和村道。道路塵負(fù)荷監(jiān)測于2019年進(jìn)行，每月監(jiān)測3 d。在監(jiān)測期間內(nèi)，監(jiān)測道路附近無建筑施工工地，無風(fēng)速大于4 m/s的大風(fēng)天氣出現(xiàn)，若監(jiān)測前路面因降雨降雪或日常道路灑水保潔而濕潤，則等路面干燥后再進(jìn)行監(jiān)測。為進(jìn)行融雪劑使用對道路塵負(fù)荷和道路揚塵排放量的影響專項研究，12月的監(jiān)測時間特意選擇在了降雪停止后2 d內(nèi)，平原區(qū)路面明顯有融雪劑殘留。

道路塵負(fù)荷監(jiān)測采用車載移動監(jiān)測法，根據(jù)輪胎后的二次揚塵顆粒物和車頂?shù)谋尘邦w粒物濃度差值計算道路塵負(fù)荷[10]。顆粒物的監(jiān)測使用的是2臺車載DustTrak8530顆粒物監(jiān)測儀(美國TSI公司)，監(jiān)測粒徑為0.1～10.0 μm，時間分辨率為1 s；利用Map60CS全球定位系統(tǒng)(GPS)(美國Garmin公司)同步記錄定位、監(jiān)測數(shù)據(jù)時間、經(jīng)緯度、車速和方向，數(shù)據(jù)記錄的時間間隔設(shè)定為1 s。

1.2 道路揚塵排放因子計算

本研究的道路揚塵排放因子計算依據(jù)廣泛應(yīng)用于計算鋪裝道路揚塵排放因子的AP-42法(見式(1))[11]2-3，以1年為基準(zhǔn)進(jìn)行計算。

(1)

式中：E為道路揚塵(包括了總懸浮顆粒物(TSP)、PM10和PM2.5)排放因子，g/(輛·km)；k為粒度修正系數(shù)，計算TSP、PM10和PM2.5時分別取3.23、0.62、0.15；sL為道路塵負(fù)荷，g/m2；W為機動車平均車重，t；P為1年內(nèi)降水量大于0.254 mm的天數(shù)，本研究中2019年為65 d；N為1年的天數(shù)，取365 d。

機動車平均車重根據(jù)式(2)[11]2-3計算。

(2)

式中：ui為第i種機動車的平均車重，t；ai為第i種機動車占總機動車數(shù)的比例，%。

1.3 道路揚塵排放強度計算

道路揚塵排放強度通過道路揚塵排放因子與車流量乘積計算后得到。

1.4 道路揚塵排放量計算

根據(jù)式(3)計算每條道路的揚塵排放量。道路塵負(fù)荷和道路揚塵排放量的空間分布圖利用ArcGIS軟件把密云區(qū)劃分成1 km×1 km的網(wǎng)格，將道路與網(wǎng)格疊加后剔除不存在道路的網(wǎng)格得到。

Q=E×L×V

(3)

式中：Q為道路揚塵日排放量，g/d；L為道路長度，km；V為車流量，輛/d。按1個月30 d，1年365 d可以換算成月排放量和年排放量。

1.5 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)密云交通管理局提供的各種機動車的平均車重和車流量監(jiān)測數(shù)據(jù)，整理得到密云區(qū)不同類型道路的車流量和平均車重(見表1)，以及不同區(qū)域道路的車流量和平均車重(見表2)。第i種機動車占總機動車數(shù)的比例根據(jù)相應(yīng)的車流量計算。

表1 不同類型道路車流量和平均車重

表2 不同區(qū)域道路車流量和平均車重

2 結(jié)果與分析

2.1 密云區(qū)道路塵負(fù)荷特征

2.1.1 不同類型道路塵負(fù)荷特征

由圖1可見，不同類型道路塵負(fù)荷均值表現(xiàn)為村道>鄉(xiāng)道>縣道>國道>省道，分別為1.30、1.00、0.55、0.38、0.36 g/m2，總體與車流量呈負(fù)相關(guān)的特點，這可能是由于車流量大導(dǎo)致路面積塵揚起，降低道路塵負(fù)荷[12]176。值得注意的是，國道的塵負(fù)荷高于省道，與它們的車流量呈正相關(guān)，這可能是由于國道中的車輛以貨車為主。有研究表明，貨車流量高的地區(qū)，其道路塵負(fù)荷有明顯增高的趨勢，這可能是由于貨車車重較大，對路面積塵揚起的作用相對較弱，同時貨車由于大部分往返于工地，夾帶的塵土又會增加道路塵負(fù)荷[13-14]。王凱等[8]42017年對北京市延慶區(qū)不同類型道路進(jìn)行塵負(fù)荷監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，村道>鄉(xiāng)道>縣道>省道>國道，分別為2.55、1.35、0.97、0.71、0.56 g/m2，整體上略高于本研究，規(guī)律與本研究基本一致。而竹濤等[6]506在北京市市區(qū)內(nèi)的研究結(jié)果是，積塵負(fù)荷次干道>快速路>支路>主干道，分別為2.54、2.34、2.19、1.75 g/m2。由此可見，北京市市區(qū)內(nèi)的道路塵負(fù)荷高于郊區(qū)，并且不同類型道路的差別不大，而郊區(qū)不同類型道路塵負(fù)荷相差較大。

圖1 密云區(qū)不同類型道路塵負(fù)荷Fig.1 Road dust load of different types’ roads in Miyun

2.1.2 不同區(qū)域道路塵負(fù)荷特征

圖2為密云區(qū)的平原區(qū)和山區(qū)道路塵負(fù)荷月均值，其中1月的平均值最低(0.31 g/m2)，8月的平均值最高(1.29 g/m2)。平原區(qū)與山區(qū)相比，1—11月平原區(qū)道路塵負(fù)荷低于山區(qū)，其中山區(qū)道路塵負(fù)荷在2—11月均高于了1 g/m2，而平原區(qū)道路塵負(fù)荷最高值出現(xiàn)在12月，可能與融雪劑的使用有關(guān)。主要原因是，山區(qū)道路周邊裸土較多，受風(fēng)力或降水沖刷作用易增加道路塵負(fù)荷，且山區(qū)道路一般沒有保潔工作；相關(guān)研究表明，道路塵負(fù)荷隨車流量增大而降低[12]176，平原區(qū)道路較高的車流量使路面積塵容易被揚起，從而降低道路塵負(fù)荷。

圖2 密云區(qū)不同區(qū)域道路塵負(fù)荷月均值Fig.2 Monthly road dust load of different areas’ roads in Miyun

2.1.3 使用融雪劑對平原區(qū)道路塵負(fù)荷的影響

由圖2已知，平原區(qū)道路塵負(fù)荷相對較低，最高值出現(xiàn)在12月，而且12月平原區(qū)的道路塵負(fù)荷高于了山區(qū)，并且是同為冬季的1、2月的4.0、1.9倍。12月監(jiān)測時平原區(qū)道路附近均無施工工地，可排除建筑施工增加道路塵負(fù)荷。由圖3可知，同為冬季的1、2、12月密云區(qū)的各種機動車組成差別不大，車流量分別為6 154、5 478、5 697輛/d，也差別不大，因此也可排除交通條件對道路塵負(fù)荷的影響。監(jiān)測的氣象條件基本上是一致的，因此也可排除氣象條件的影響。從圖4中冬季道路塵負(fù)荷空間分布可知，12月道路塵負(fù)荷較高的區(qū)域主要集中在西南部的平原區(qū)，而1、2月平原區(qū)無大范圍道路塵負(fù)荷較高區(qū)域。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研知道，12月監(jiān)測時西南部的平原區(qū)道路路面明顯有融雪劑殘留，而1、2月監(jiān)測前無降雪過程，因此推斷使用融雪劑是12月平原區(qū)道路塵負(fù)荷增高的重要原因。

圖3 冬季密云區(qū)道路機動車組成和車流量Fig.3 Vehicle structure and traffic flow in Miyun in winter

圖4 冬季密云區(qū)道路塵負(fù)荷空間分布Fig.4 Spatial distribution of road dust load in Miyun in winter

2.2 密云區(qū)道路揚塵排放特征

2.2.1 不同類型道路揚塵排放特征

不同類型道路的揚塵排放因子計算結(jié)果見表3，不同類型道路揚塵排放因子大小與道路塵負(fù)荷大小順序并不相同，原因是道路揚塵排放因子是受道路塵負(fù)荷和機動車平均車重的綜合影響的，國道道路塵負(fù)荷雖低，但其大貨車占比高，平均車重最大；村道的塵負(fù)荷雖高，但機動車平均車重較小。

表3 密云區(qū)不同類型道路揚塵排放因子

不同類型道路的揚塵排放強度見表4。國道的揚塵排放強度遠(yuǎn)高于其他類型道路，主要是由于車流量遠(yuǎn)大于其他道路。省道和縣道的揚塵排放因子和車流量較為接近，因此排放強度差異不明顯。鄉(xiāng)道和村道由于揚塵排放因子和車流量較小，使得排放強度較小。

表4 密云區(qū)不同類型道路揚塵排放強度

不同類型道路揚塵年排放量見表5，TSP、PM10和PM2.5的年排放量分別達(dá)到23 060、4 426、1 071 t/a。

表5 密云區(qū)不同類型道路揚塵年排放量

2.2.2 不同區(qū)域道路揚塵排放特征

對比表6中平原區(qū)和山區(qū)的揚塵排放因子發(fā)現(xiàn)山區(qū)大于平原區(qū)，這主要是因為山區(qū)的道路塵負(fù)荷高于平原區(qū)。但對比表7中的揚塵排放強度和表8中的揚塵年排放量，發(fā)現(xiàn)都是平原區(qū)大于山區(qū)。雖然平原區(qū)道路塵負(fù)荷低于山區(qū)，但結(jié)合表2可知，平原區(qū)的車流量遠(yuǎn)大于山區(qū)，由于車流能夠使路面積塵快速揚起[12]176，因此導(dǎo)致平原區(qū)的揚塵排放強度和揚塵年排放量高于山區(qū)。由圖5的道路揚塵日排放量空間分布可見，TSP、PM10和PM2.5的日排放量分別為20～2 000、5～400、5～100 kg/d，變化幅度較大。部分山區(qū)道路排放量較高主要是在有國道經(jīng)過的地方，因國道車流量大，貨車占比高。

圖5 密云區(qū)道路揚塵日排放量空間分布Fig.5 Spatial distribution of daily road dust emissions in Miyun

表6 密云區(qū)不同區(qū)域道路揚塵排放因子

表7 密云區(qū)不同區(qū)域道路揚塵排放強度

表8 密云區(qū)不同區(qū)域道路揚塵年排放量

2.2.3 使用融雪劑對平原區(qū)道路揚塵排放的影響

由表9中冬季平原區(qū)道路揚塵排放因子、揚塵排放強度和揚塵月排放量可知，12月平原區(qū)道路揚塵排放因子、揚塵排放強度和揚塵月排放量均高于1、2月，進(jìn)一步說明了12月平原區(qū)路面殘留的融雪劑可能提高了道路塵負(fù)荷，使得平原區(qū)道路揚塵排放增加。

表9 冬季平原區(qū)道路揚塵排放指標(biāo)

2.3 融雪劑對道路塵負(fù)荷和道路揚塵排放的影響機制探討

前已述及，使用融雪劑能增加道路塵負(fù)荷，在機動車組成和車流量較為一致的條件下，就會成為增加道路揚塵排放的重要原因，其主要影響機制可歸納為兩點：(1)路面殘留的融雪劑直接貢獻(xiàn)了道路塵負(fù)荷。12月平原區(qū)有強降雪事件發(fā)生，為使平原區(qū)道路迅速通行，大面積施撒了融雪劑，待路面積雪融化、積水蒸發(fā)后，融雪劑就殘留在了路面[15]。目前，國內(nèi)在道路保潔方面采取的主要管控措施是清掃和灑水沖刷，清掃對揚塵的控制效率為6%～19%，灑水沖刷為 46%～66%，因此灑水沖刷是城市揚塵管控的主要措施。但灑水沖刷受到氣溫的限制，室外氣溫低于3 ℃ 時將停止路面灑水沖刷[16]，只能采用清掃措施，所以道路塵負(fù)荷就會處于較高水平，密云區(qū)12月降雪使用融雪劑后，平均氣溫只有-1.4 ℃，無法使用灑水沖刷措施，致使部分融雪劑殘留于路面，增加了道路塵負(fù)荷，進(jìn)而增加了道路揚塵排放。(2)融雪劑中的氯鹽成分可能會延長地面濕潤時間，使得路面積攢更多道路塵負(fù)荷，進(jìn)而增加揚塵排放。道路塵負(fù)荷在路面環(huán)境處于干燥狀態(tài)時會隨著氣流擾動而再懸浮于大氣環(huán)境中[17]，當(dāng)路面處于濕潤環(huán)境時則可很大程度上抑制道路塵負(fù)荷再懸浮。因此，若路面濕潤時間延長，則將吸附更多道路塵負(fù)荷，而融雪劑很可能就是延長路面濕潤的關(guān)鍵因素。DENBY等[18]通過實際測量和NORTRIP模型模擬發(fā)現(xiàn)，在路面有融雪劑存在的條件下，路面潮濕的總小時數(shù)會增多6%。原因是因為融雪劑中的氯鹽成分(NaCl、CaCl2和MgCl2等)具有高的吸濕性[19]，在融雪劑表面可形成表面吸附水[20-22]，因此延長了路面濕潤時間。

因此，冬季降雪后在保障道路交通安全的前提下，建議適量使用融雪劑，降雪停止后需要及時對路面殘留的融雪劑進(jìn)行清掃，最好能灑水沖刷。

3 結(jié) 論

(1) 密云區(qū)不同類型道路塵負(fù)荷均值表現(xiàn)為村道>鄉(xiāng)道>縣道>國道>省道，分別為1.30、1.00、0.55、0.38、0.36 g/m2。不同類型道路的TSP、PM10和PM2.5年排放量分別為23 060、4 426、1 071 t/a。

(2) 對比平原區(qū)和山區(qū)的道路塵負(fù)荷可知，1—11月平原區(qū)道路塵負(fù)荷均低于山區(qū)，而12月平原區(qū)受路面殘留融雪劑的影響道路塵負(fù)荷高于山區(qū)。對比平原區(qū)和山區(qū)的排放特征可知，平原區(qū)道路揚塵排放因子小于山區(qū)，但揚塵排放強度和揚塵年排放量大于山區(qū)。受路面殘留融雪劑的影響，平原區(qū)冬季12月的道路揚塵排放因子、排放強度和排放量都高于冬季1、2月。

(3) 融雪劑增加道路塵負(fù)荷和揚塵排放的機制主要有兩點：路面殘留的融雪劑直接貢獻(xiàn)了道路塵負(fù)荷；融雪劑中的氯鹽成分可能延長地面濕潤時間，使路面積攢更多道路塵負(fù)荷，進(jìn)而增加揚塵排放。建議使用融雪劑要適量，使用后要及時清除路面殘留的融雪劑。