基于光散射快速檢測法的渭南市道路積塵研究

馬彤,巴利萌,孫璐萍,劉佳媛,王杰,5,程曉夏,鄭易飛,高健?

(1中國環(huán)境科學(xué)研究院大氣環(huán)境研究所, 北京 100012；2長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710054；3渭南市臨渭區(qū)環(huán)境監(jiān)測站,陜西 渭南 714000；4南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,城市交通污染防治研究中心, 天津 300071；5北京化工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系, 北京 100029；6渭南市環(huán)境科學(xué)研究中心,陜西 渭南 714000；7中科弘清(北京)科技有限公司廣州分公司, 廣東 廣州 510310)

0 引言

近年來我國區(qū)域性復(fù)合型大氣污染日趨嚴(yán)重,大氣細(xì)顆粒物(PM2.5)作為影響我國環(huán)境空氣質(zhì)量的主要污染物受到了越來越多的關(guān)注[1,2]。揚(yáng)塵源對大氣顆粒物的貢獻(xiàn)顯著[3],研究發(fā)現(xiàn),揚(yáng)塵源對西安市[4]和咸陽市[5]PM2.5的貢獻(xiàn)率分別達(dá)27%和22%;而道路揚(yáng)塵作為揚(yáng)塵的重要組成部分[6,7],對城市空氣質(zhì)量有著不可忽視的影響。隨著機(jī)動車保有量的上升,道路揚(yáng)塵對顆粒物的貢獻(xiàn)比重越來越大[7?12]。因此,掌握道路揚(yáng)塵的分布及排放特征是揚(yáng)塵源控制的重要一環(huán),也能豐富道路揚(yáng)塵排放因子。此外,嚴(yán)重的道路積塵在大風(fēng)及機(jī)動車行駛過程等情況下會形成揚(yáng)塵,造成空氣質(zhì)量污染并影響居民的身體健康,道路清掃能有效去除路面積塵,但作業(yè)方式和頻率的不同會造成去除效果的差異[13]。

道路積塵負(fù)荷是指單位道路面積上能夠通過200目(75μm)標(biāo)準(zhǔn)篩的顆粒物質(zhì)量[14],是影響道路揚(yáng)塵污染的重要因素之一,也是研究道路揚(yáng)塵排放特征以及排放清單編制的重要參數(shù)[15?17]。現(xiàn)在越來越多的城市將積塵負(fù)荷作為考核及評估道路清掃效果的指標(biāo)之一。目前,國內(nèi)外均已形成標(biāo)準(zhǔn)化的道路積塵測量方法,應(yīng)用最多的有降塵法和真空吸塵器法[18?24],但是存在效率低、需要耗費(fèi)大量人力、不能保障采樣人員安全、同時采樣面積小、代表性差等問題。國內(nèi)學(xué)者對道路積塵的研究主要集中在京津冀等重點城市,如對北京市[23,25]、天津市[5]和石家莊市[10]不同道路積塵負(fù)荷的分布規(guī)律和特征進(jìn)行了研究,且基本上都采用真空吸塵器法。與常用方法相比,基于光散射法的快速檢測法能夠快速地測量不同道路類型、不同路段的積塵負(fù)荷,并在監(jiān)測過程中實時反饋監(jiān)測數(shù)據(jù),減少了樣品轉(zhuǎn)移過程和測量誤差。

渭南市揚(yáng)塵污染問題嚴(yán)重,PM10濃度一直處于較高水平,如2018年P(guān)M10濃度年均值為124μg·m?3,位列關(guān)中城市群首位,但目前對于渭南市揚(yáng)塵污染特征等方面的研究較少,研究基礎(chǔ)較為薄弱。本文采用道路積塵負(fù)荷車載式快速監(jiān)測系統(tǒng)[26]對渭南市城區(qū)道路積塵負(fù)荷進(jìn)行測定,分析各類型道路積塵負(fù)荷的差異,研究道路積塵負(fù)荷與車流量、車速等的關(guān)系及變化特征,討論不同抑塵方式對積塵負(fù)荷的影響,并對灑水抑塵的效果進(jìn)行監(jiān)測與評估,旨在獲得道路積塵本地化參數(shù),為提高排放清單的準(zhǔn)確性及道路揚(yáng)塵精細(xì)化管控等提供依據(jù),對渭南市道路揚(yáng)塵污染管控、抑塵方式優(yōu)化及城市環(huán)境空氣質(zhì)量改善有重要的參考價值。

1 材料和方法

1.1 監(jiān)測儀器和方法

本次道路積塵負(fù)荷監(jiān)測方法遵循HJ/T 393–2007《防治城市揚(yáng)塵污染技術(shù)規(guī)范》[18]要求,利用道路積塵負(fù)荷車載快速監(jiān)測系統(tǒng)(專利授權(quán)號:203422305U)[26]測量道路積塵負(fù)荷。該系統(tǒng)利用車載顆粒物檢測儀獲取積塵負(fù)荷值,根據(jù)車輪揚(yáng)起的顆粒物濃度值與背景顆粒物濃度值的差得到道路積塵負(fù)荷值。

該系統(tǒng)由監(jiān)測車、第一顆粒物濃度測量儀、道路揚(yáng)塵濃度測量儀、流量測量系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與輸出單元組成(如圖1所示)。其中,4臺TSI8530顆粒物檢測儀組成第一顆粒物測量儀(2臺TSI8530)和第二顆粒物濃度測量儀(2臺TSI8530)。第一顆粒物濃度測量儀的采樣口位于后車窗,用來測定顆粒物的背景濃度值;第二顆粒物測量儀的采樣口位于后輪胎,測定由于輪胎揚(yáng)塵揚(yáng)起的顆粒物濃度和。第一顆粒物濃度測量儀和第二顆粒物濃度測量儀的濃度差記為揚(yáng)塵信號。測量系統(tǒng)工作時,道路揚(yáng)塵信號和GPS定位系統(tǒng)獲取的位置信息等信息一并傳入數(shù)據(jù)處理與輸出單元,系統(tǒng)實時(1 s)計算出道路積塵負(fù)荷,并通過GIS系統(tǒng)將道路積塵負(fù)荷數(shù)據(jù)可視化。其中路面積塵負(fù)荷L與揚(yáng)塵信號C、車速V等參數(shù)具有相關(guān)性,其函數(shù)關(guān)系可以表達(dá)為L=f(C,V)。

圖1 道路積塵負(fù)荷車載快速監(jiān)測系統(tǒng)示意圖(a)及現(xiàn)場監(jiān)測圖(b)、(c)Fig.1 Diagram of dust load vehicle-mounted rapid detection system(a)and site monitoring picture(b),(c)

TSI8530可以通過更換采樣頭分別測定PM2.5和PM10的實時濃度。實驗中顆粒物監(jiān)測數(shù)據(jù)時間間隔與車輛行駛速度記錄間隔均設(shè)為1 s,使得測定過程中機(jī)動車行駛速度和顆粒物濃度數(shù)據(jù)對應(yīng)。

1.2 測定時間和范圍

實驗選取渭南市主城區(qū)主干道、次干道、支路、國道、省道等主要道路,選擇具有能代表秋冬季污染水平的11月份開展監(jiān)測。2017–2018年秋冬季空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)顯示,2017年11月PM10和PM2.5月均值分別為 153 μg·m?3和 85 μg·m?3,接近秋冬季平均水平 (PM10和 PM2.5濃度分別為 155 μg·m?3和 92 μg·m?3)。根據(jù)現(xiàn)場條件選定2018年11月13–23日開展監(jiān)測,期間天氣晴朗、小時平均風(fēng)速基本小于2.0 m·s?1,相對濕度總體較低,監(jiān)測條件良好。

1.3 車流量及平均車重數(shù)據(jù)

選取渭南市主城區(qū)主干道(東風(fēng)大街、朝陽大街)、次干道(三賢路、崇業(yè)路)、支路(東興大街)等典型道路調(diào)取卡口數(shù)據(jù)及視頻,對道路進(jìn)行分車型車流量記錄,通過人工識別的方法得到24 h車流量數(shù)據(jù)。依據(jù)常見車型的車重(滿載)及行駛在道路上的機(jī)動車中不同類型車輛的比例計算車輛的平均質(zhì)量,計算公式為

式中為道路上車輛的平均質(zhì)量,單位為t;n為車輛的種類數(shù);Wi為第i種車輛的平均質(zhì)量,單位為t;ai為第i種車輛占道路上總車輛數(shù)的比例。

1.4 質(zhì)量控制

走航監(jiān)測前檢查儀器背景值進(jìn)口管道有無堵塞,清理儀器路面端進(jìn)口管道內(nèi)的灰塵和切割頭。每次使用儀器前都應(yīng)對其進(jìn)行零點標(biāo)定,車輛保持靜止,觀測儀器背景值和路面值的示數(shù),若兩者示數(shù)之差持續(xù)小于0.01,則認(rèn)為儀器正常;若儀器之差持續(xù)性大于0.01,則認(rèn)為儀器不穩(wěn)定,需重新對儀器進(jìn)行零點校準(zhǔn)。

走航過程中,走航速度保持為30～50 km·h?1勻速行駛。較長路段盡量一次從頭走到尾,減少因車輛轉(zhuǎn)彎、減速時輪胎與路面靜止摩擦增加導(dǎo)致顆粒物測量值增大從而出現(xiàn)誤差。走航道路如為裸土或泥濘路面,停止監(jiān)測該路段并標(biāo)記數(shù)據(jù)。

本次監(jiān)測在滿足道路積塵負(fù)荷測定條件下,每條道路至少重復(fù)監(jiān)測兩次,保證獲取車載系統(tǒng)兩次平行秒級數(shù)據(jù)。兩次平行監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均為道路積塵負(fù)荷值,去除異常值及缺失值后,本次道路積塵負(fù)荷監(jiān)測走航有效監(jiān)測里程為133 km,共得到約6萬組有效數(shù)據(jù)。不同類型道路及各功能區(qū)道路的積塵負(fù)荷值為相應(yīng)各條道路的加權(quán)平均值。

2 結(jié)果與討論

隨著“以克論凈”[27]量化考核機(jī)制的推行,現(xiàn)階段城市一般以道路積塵1.00 g·m?2作為考核標(biāo)準(zhǔn),認(rèn)為道路積塵負(fù)荷若大于1.00 g·m?2,則代表該城市道路清潔程度總體較差。渭南市城區(qū)道路積塵負(fù)荷平均值為1.13 g·m?2,超出該考核標(biāo)準(zhǔn)值13.00%,說明其道路積塵量較大。與北京市、天津市、石家莊市、武漢市、成都市和烏魯木齊市等城市(見表1)對比可見,渭南市道路積塵負(fù)荷較其他城市高0.14～1.02 g·m?2,積塵負(fù)荷值明顯偏高;京津冀地區(qū)典型城市—北京市[23]、天津市[28]、石家莊市[29]的道路積塵負(fù)荷值在2015年前已小于0.50 g·m?2[23,28,29],說明渭南市道路揚(yáng)塵管控和治理仍有較大空間。

表1 不同城市道路積塵負(fù)荷Table 1 Dust load on roads in different cities

2.1 道路積塵負(fù)荷空間分布特征

2.1.1 不同類型道路積塵負(fù)荷分布特征

渭南市秋季主干道、次干道、支路、國道和省道的積塵負(fù)荷平均值分別為0.94、1.22、1.79、0.71、1.08 g·m?2,五類道路積塵負(fù)荷大小依次為支路>次干道>省道>主干道>國道,這一規(guī)律與樊守彬等[23]、張詩建等[28]的研究結(jié)果一致。渭南市支路積塵負(fù)荷值最大,可能是因為支路車流量小、車速較低,導(dǎo)致支路的塵土不易被揚(yáng)起,容易累積在路面上,造成積塵負(fù)荷較高[21,30]。國道積塵負(fù)荷值最低,可能與國道車輛行駛速度快、車流量大有關(guān),車輛在高速行駛過程中產(chǎn)生的空氣流動易帶起路面積塵,導(dǎo)致國道上積塵負(fù)荷數(shù)值相對較小[12]。說明除道路自身如道路破損、工地降塵等影響積塵負(fù)荷外,車流量和車速等因素可能也會影響道路積塵負(fù)荷的大小[30]。

2.1.2 不同功能區(qū)周邊道路積塵負(fù)荷分布特征

對渭南市的學(xué)校、醫(yī)院、大型商場和工業(yè)園區(qū)四大功能區(qū)周邊道路以及渣土車行駛道路的積塵負(fù)荷分布特征進(jìn)行分析(圖2)。渣土車行駛路線上的積塵負(fù)荷最高,平均值為1.52 g·m?2,高出城區(qū)道路積塵負(fù)荷平均值(1.13 g·m?2)34.51%,主要與渣土車在物料運(yùn)輸過程中易發(fā)生遺撒及車身、車輪帶泥上路等有關(guān);學(xué)校周邊道路的積塵負(fù)荷平均值為1.25 g·m?2,僅次于渣土車行駛道路,高出城區(qū)積塵負(fù)荷平均值10.62%,主要是因為學(xué)校周邊道路以支路和次干道為主,且商鋪密集、人流量大,人為活動強(qiáng)度較高,使得積塵負(fù)荷相對較高;工業(yè)園區(qū)、醫(yī)院和大型商場的周邊道路以主干道為主,積塵負(fù)荷較低,分別為0.90、0.77、0.67 g·m?2。說明需要重點加強(qiáng)對渣土車及建筑工地的管理,并加大支路和次干道的抑塵管理工作。

圖2 不同功能區(qū)周邊道路積塵負(fù)荷分布情況Fig.2 Distribution of dust load around roads in different functional areas

2.2 快車道與慢車道積塵負(fù)荷

圖3為渭南市不同類型道路快車道和慢車道積塵負(fù)荷分布特征。由圖可見,渭南市快車道積塵負(fù)荷平均值為1.41 g·m?2,慢車道積塵負(fù)荷平均值為2.38 g·m?2,慢車道積塵負(fù)荷均顯著高于快車道,說明車速明顯影響積塵負(fù)荷,車速越大,積塵負(fù)荷越小。此外,慢車道接近道路邊緣,綠化帶等周邊裸土等灰塵容易進(jìn)入[29]。主城區(qū)監(jiān)測范圍內(nèi)存在S107和S108兩條省道,由于S108車道部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失,該研究選取S107代表省道進(jìn)行車道積塵負(fù)荷對比分析。

圖3 不同類型道路快車道和慢車道積塵負(fù)荷分布特征Fig.3 Distribution characteristics of dust load on fast lanes and slow lanes of different types of roads

慢車道積塵負(fù)荷大小依次為支路>省道(S107)>主干道>國道>次干道,快車道積塵負(fù)荷大小依次為支路>次干道>省道(S107)>主干道>國道。支路兩車道積塵負(fù)荷均高于其他類型道路,且車道積塵負(fù)荷偏差Ld相對較小,可能由于支路上車輛的車速較低、車流量較小,路面積塵不易被揚(yáng)起。

車道積塵負(fù)荷偏差計算公式為

式中Ls為慢車道道路積塵負(fù)荷,Lf為快車道道路積塵負(fù)荷。

各類型道路快、慢車道積塵負(fù)荷均有明顯特征,主干道和國道的快慢兩車道積塵負(fù)荷分布特征相似,慢車道積塵負(fù)荷約為快車道的2倍;次干道兩車道積塵負(fù)荷較接近,慢車道積塵負(fù)荷為2.09 g·m?2,較快車道高0.22 g·m?2;省道兩車道積塵負(fù)荷差別最大,慢車道積塵負(fù)荷為 5.1 g·m?2,較快車道高 3.58 g·m?2。以 S107為代表的省道積塵負(fù)荷較高,與該道路上重型貨運(yùn)車輛、渣土運(yùn)輸車等車輛通行量較多,道路保潔頻率低有關(guān)。

2.3 積塵負(fù)荷影響因素分析

2.3.1 車流量和車重對道路積塵負(fù)荷的影響分析

為了解渭南市城區(qū)道路積塵負(fù)荷與車流量、車重的關(guān)系,在主干道、次干道和支路中各挑選出典型道路為研究對象,分析其積塵負(fù)荷分布特征。主干道、次干道和支路的積塵負(fù)荷、24 h平均車流量Q與平均車重情況W如圖4所示。由圖可見,積塵負(fù)荷大小呈支路>次干道>主干道的特征,24 h平均車流量大小呈主干道>次干道>支路的特征,平均車重的大小呈主干道>次干道>支路的特征。道路積塵負(fù)荷與24 h平均車流量呈明顯負(fù)相關(guān),隨著24 h平均車流量的減少積塵負(fù)荷逐漸遞增;平均車重與積塵負(fù)荷沒有明顯的線性關(guān)系,積塵負(fù)荷最低的主干道上平均車重最大,而平均車重接近的次干道和支路的積塵負(fù)荷值差異較大,表明平均車重可能不是影響道路積塵負(fù)荷的主控因素。因此,車流量可能是影響渭南市城市道路積塵負(fù)荷主要原因之一,且道路積塵負(fù)荷隨著24 h平均車流量的增大而降低。

圖4 道路積塵負(fù)荷與不同類型道路平均車重、車流量的關(guān)系Fig.4 Relationship between road dust load and average vehicle weight and traffic volume of different types of roads

2.3.2 不同類型道路抑塵方式

清掃、灑水和沖水等手段是降低道路積塵負(fù)荷的普遍方法[31?35]。渭南市常用的道路抑塵方式是清掃,具體為大功率、多類型、清掃面積大的大型清掃機(jī)械負(fù)責(zé)主干道、次干道及城市出入口,小型清掃機(jī)械負(fù)責(zé)支路進(jìn)行道路清潔的作業(yè)模式。為研究主干道、次干道和支路抑塵方式與道路積塵負(fù)荷的關(guān)系,在主干道、次干道和支路各選一條代表性路段進(jìn)行統(tǒng)計分析。根據(jù)道路抑塵作業(yè)的時間,分別在早、中、晚對3條道路進(jìn)行至少一次監(jiān)測,保證結(jié)果的有效性。各道路清掃方式、時間和頻次如表2所示。

表2 代表性道路抑塵方式及作業(yè)頻次Table 2 Typical road dust suppression methods and operation frequency

由表2可見,渭南市城區(qū)主干道(樂天大街)、次干道(三賢路)和支路(恒通北路)的清掃方式和機(jī)械化水平明顯不同。其中,樂天大街和三賢路代表的主、次干道的機(jī)械化清掃率、濕法作業(yè)頻次等較高,均采用“一沖、二灑、三清掃”的機(jī)械組合作業(yè),有效發(fā)揮了除塵、增濕的效果,積塵負(fù)荷值低于支路;但次干道三賢路的積塵負(fù)荷明顯高于主干道樂天大街,結(jié)合2.3.1節(jié)分析結(jié)果可進(jìn)一步說明車流量是影響積塵負(fù)荷大小的主要因素。以恒通北路為代表的支路主要以人工清掃和小型機(jī)械洗掃的方式為主,相比主次干道其機(jī)械化清掃水平較低,一次作業(yè)涉及的道路寬度及范圍較小,道路清掃所需時間更長、清掃頻率較低,并且小型機(jī)械洗掃車清潔力度較低,不能完全將道路表面的積塵去除,導(dǎo)致道路積塵監(jiān)測值較高。因此,為有效降低支路積塵負(fù)荷,建議改進(jìn)完善清掃工藝,對具體路段進(jìn)行靶向管控,合理加大機(jī)械清掃率和濕法作業(yè)頻次,進(jìn)行高壓沖洗和吸塵,避免積塵被車輛碾壓揚(yáng)起,形成二次污染。

2.4 灑水抑塵效果評估

道路灑水是渭南市道路揚(yáng)塵管控最常用抑塵方式。為了評估灑水抑塵效果,根據(jù)渭南市道路抑塵相關(guān)方案,選擇了主干道、次干道和支路等9條路段作為監(jiān)測路線,在灑水作業(yè)前、灑水作業(yè)后30 min以及灑水后道路完全干燥(道路干燥水平根據(jù)現(xiàn)場氣象條件進(jìn)行實際判定,本研究中為灑水后1 h左右)3種情景下開展道路積塵負(fù)荷走航監(jiān)測。

由表3可見,灑水前道路積塵負(fù)荷平均值為2.19 g·m?2,灑水后30 min道路積塵負(fù)荷為0.46 g·m?2,降塵效果較明顯;除朝陽大街和解放路灑水后積塵負(fù)荷改善幅度略小外,其他道路灑水后積塵負(fù)荷降幅均較大,降幅在78.7%～94.4%。道路灑水后1 h(路面干燥)的大部分道路的積塵負(fù)荷相比灑水前仍有所降低,積塵負(fù)荷平均值降低了21.9%;倉程路和渭花路積塵負(fù)荷較灑水前略有反彈,主要與其部分路段路面破損和鄉(xiāng)村道路等非鋪裝道路交叉有關(guān),非鋪裝道路的塵土易隨車輛帶上倉程路和渭花路。

表3 灑水抑塵效果對比監(jiān)測Table 3 Comparative monitoring of dust suppression effect by water spraying

對比各道路灑水后30 min和道路灑水后1 h(路面干燥)的積塵負(fù)荷可知,灑水降低道路積塵負(fù)荷效果明顯,但是降塵效果保持時間較短,各道路路面干燥后積塵負(fù)荷反彈嚴(yán)重。說明灑水只能暫時性壓制道路表面浮塵,應(yīng)采取加大高壓沖洗和吸塵等的作業(yè)方式,有效減低道路浮土和積塵,降低道路積塵負(fù)荷,減輕道路揚(yáng)塵問題。

3 結(jié)論

1)渭南市秋季道路積塵負(fù)荷平均值(1.13 g·m?2)處于較高水平,支路積塵負(fù)荷平均值最大(1.79 g·m?2),國道平均積塵負(fù)荷最小(0.71 g·m?2);渣土車路線的道路積塵負(fù)荷為1.52 g·m?2,高出城區(qū)道路積塵負(fù)荷平均值34.51%;以支路和次干道為主的學(xué)校周邊道路積塵負(fù)荷在四大功能區(qū)中最高。

2)各類道路慢車道積塵負(fù)荷均高于快車道,其中快車道積塵負(fù)荷平均值為1.41 g·m?2,慢車道積塵負(fù)荷平均值為2.38 g·m?2,慢車道積塵負(fù)荷平均值高于快車道68.66%,說明車速明顯影響積塵負(fù)荷,車速越大積塵負(fù)荷越小。

3)車流量是影響渭南市城市道路積塵負(fù)荷重要原因,道路積塵負(fù)荷隨著24 h平均車流量的增大而降低;平均車重與積塵負(fù)荷沒有明顯的線性關(guān)系,車重可能不是影響道路積塵負(fù)荷的主控因素。

4)各類型道路中支路積塵負(fù)荷值最高,與其抑塵機(jī)械化率和清掃頻次較低有關(guān),需進(jìn)一步加大機(jī)械清掃和濕法除塵力度,進(jìn)行靶向管控。

5)灑水前道路積塵負(fù)荷平均值為2.19 g·m?2,灑水后30 min道路積塵負(fù)荷值降低了79.0%,待路面干燥后僅比灑水前降低了21.9%,說明灑水對降低道路積塵負(fù)荷的效果明顯,但是保持時間較短,路面干燥后積塵反彈嚴(yán)重。建議改變重灑水弱清掃的作業(yè)模式,重點關(guān)注清掃除塵,提高道路揚(yáng)塵清掃效果,系統(tǒng)評估治理措施采取前后的道路積塵負(fù)荷值,量化評估道路揚(yáng)塵污染與治理情況。