北京城區冬季道路灰塵粒度特征分析

周戀彤,董黎明,趙 鈺

北京工商大學環境科學與工程系，北京 100048

城市道路灰塵是指來自于人為源(汽車尾氣排放、部件以及路面磨損等)直接排放或土壤侵蝕的懸浮顆粒物沉積在戶外道路界面形成的固態顆粒物[1-2]，是環境污染物的“源”和“匯”，并對區域環境污染程度、人類活動狀況具有良好指示作用[3-4]。在風力、機動車和人群活動等外動力條件下，道路灰塵可再懸浮與大氣顆粒物相互轉化，形成典型的“點、線、面”型污染，從而對城市生態系統造成環境風險與健康威脅[1, 5-7]。道路灰塵的可遷移性、物理化學性質、污染潛力和環境風險都與粒徑有關。有研究表明，由于細粒徑顆粒物比表面積大，吸附污染物能力強，大多數元素的含量隨灰塵粒徑的減小而增大[8-10]，且粒徑小于75 μm的細顆粒是通過再懸浮進入大氣環境的主要污染物[11-13]。

目前關于城市道路灰塵研究的采樣點設置主要包括“線性”和“面源”2種，線性分布是沿著一條或幾條交通干線進行布點[14-15]；面源則是根據不同的功能區進行布點[16-17]。但關于不同道路類型灰塵粒徑分布特征的研究相對較少。該研究依據北京城區大氣環境質量監測的環境評價點和道路監控點設置采樣點，采用激光衍射粒度分析技術獲得道路灰塵的粒度特征，并探查其環境效應，以期為北京中心城區道路灰塵污染防治提供科學依據。

1 實驗部分

1.1 樣品采集

表1 北京城區各采樣點詳細信息

注：采樣點JiPj(或HiPj)，J為交通監控點；H為環境評價點；i為采樣地區編號；P為交通類型，快速路h(highway)，主干路p(primary road)，次干路m(minor road)，支路c(collector road)；j為同一采樣地區同一道路類型采樣點序號。

1.2 樣品制備

采集的道路灰塵樣品自然風干，用清潔的篩子(篩孔直徑1 000 μm)篩除煙頭、植物碎屑等雜物。留取各采樣點粒徑小于1 000 μm的道路灰塵樣品作為總樣品。

1.3 樣品分析

粒度分析用美國的Microtrac S3500 激光粒度分析儀進行。粒度測量范圍為0.02～2 000 μm，分100個粒級，重復測定3次，重復測量誤差小于2%。

1.4 統計方法

根據Microtrac S3500所測得數據繪制北京城區冬季道路灰塵頻率曲線與累積頻率曲線。采用Folk-Ward圖解法[18]計算粒度參數(平均粒徑MZ、分選系數σI、偏度SKI和峰度KG)。

MZ=(Φ16+Φ30+Φ84)/3

σI=(Φ84-Φ16)/4 + (Φ95-Φ5)/6.6

SKI= (Φ16+Φ64-2Φ30)/2(Φ64-Φ16) +
(Φ5+Φ95- 2Φ50)/2(Φ95-Φ5)

KG=(Φ95-Φ5)/2.44(Φ75-Φ25)

式中：Φn代表累積百分含量為n%時的粒徑，根據Krumbein[19]公式對數轉化而得：

Φ=-log2d

式中：d為顆粒直徑，mm。同時，根據Folk-Ward 粒度參數分級標準[18](表2)，研究分析道路灰塵的粒度參數特征。

表2 Folk-Ward[18]粒度參數分級標準

2 結果與分析

2.1 道路灰塵頻率分布與累積頻率分布

采集的40組道路灰塵樣品頻率曲線如圖1所示。

圖1 道路灰塵頻率曲線

16組樣品呈不對稱的單峰型，24組樣品呈不對稱的雙峰型，粒徑眾數值大于中位數和均值，峰偏向粒徑較粗的一側。其中單峰型峰值粒徑為112～237 μm；雙峰型第一峰值粒徑為189～286 μm，粒度范圍較大，占總樣的多數，第二峰值粒徑為42～57 μm，粒度范圍較小。40組樣品的累積頻率曲線如圖2所示，單峰型和雙峰型樣品的累積頻率曲線均呈細粒尾較長的不對稱“S”型，且在30～50 μm有明顯的拐點，與頻率曲線所反映的特征基本一致，同樣說明粗顆粒物質含量較多的特征。

圖2 道路灰塵累積頻率曲線

2.2 道路灰塵質地分類

根據Udden-Wentworth粒級劃分標準(以2為基數)統計了40組樣品的粒級分配，結果如圖3所示。在40組樣品中，以作為較粗組分的砂粒(粒徑大于63 μm)為主，占56.76%～81.76%，其中細砂(63～250 μm)、中砂(250～500 μm)和粗砂(500～1 000 μm)分別占29.33%～54.85%、14.03%～31.60%、1.01%～19.68%；其次為4～63 μm的粉砂，占14.99%～40.02%，其中粗粉砂(16～63 μm)及細粉砂(4～16 μm)分別占11.16%～31.87%、2.98%～11.47%；而作為較細組分的黏土(粒徑小于4 μm)最少，不足3.71%。根據“黏粒組-粉砂組-砂粒組”三因分類三角圖解法[20]，北京城區冬季道路灰塵屬砂土。

這一次吻唐小芹讓胡成鎖逮了個正著，張清元料想胡成鎖是不會放過他的。張清元最怕的就是胡成鎖把自己交給黎院長。張清元覺得，在這孤兒院里對他最照顧的要算黎院長了，自己能在園田里賣力干活，也只是想在她面前好好表現。而今天這事犯在胡成鎖手上，他告到黎院長那里她會煩成啥樣，張清元還不知道。他甚至擔心黎院長會不會把他趕出孤兒院。

圖3 道路灰塵粒度分布三角圖

3 討論

3.1 道路灰塵粒度特征

研究表明，可由風蝕物的粒級含量反推其來源(粒徑小于20 μm的屬于遠源物質，20～70 μm 的屬于區域物質，粒徑大于70 μm 的屬于局地物質)[21]。由圖4可以看出，北京城區道路灰塵的來源大部分屬于局地物質，遠源沙塵貢獻物質很少。在中等風暴條件下(平均風速15 m/s)[21]，這些道路灰塵物質主要來自周圍土壤、建筑工地等局地源，而直接通過大氣環流遠程搬運并沉降至道路表面的灰塵相對較少。16個頻率曲線呈單峰型分布的道路灰塵樣品，其峰值粒徑(112～237 μm)屬于局地物質的粒徑范圍，說明來源單一為北京地區的局地粉塵；而24個雙峰型樣品的第一峰值粒徑(189～286 μm)屬于局地物質的粒徑范圍，第二峰值粒徑(42～57 μm)屬于區域物質的粒徑范圍，說明是由大氣環流對局地灰塵和區域灰塵混合搬運形成。單峰型和雙峰型樣品累積頻率曲線均在30～50 μm有明顯的拐點，進一步佐證局地與區域2個主要來源，但區域來源只占很小的一部分，其呈現的細粒尾就是區域來源的證明。

圖4 道路灰塵不同粒級平均含量

不同粒級的地表顆粒物在風力作用下的運動狀態、輸送方式以及輸送距離不同[21]。40組樣品中以躍移方式在近地層一定距離運動的道路灰塵(70～500 μm)最多，體積分數達47.27%～69.02%，次之為短時懸浮灰塵(20～70 μm)，體積分數達12.70%～34.62%，地表蠕移(粒徑大于500 μm)和長期懸浮(粒徑小于20 μm)的灰塵最少，體積分數僅為1.01%～19.68%和4.79%～19.68%，其中可在對流層懸浮搬運的灰塵(粒徑小于2 μm)體積分數小于1.24%，且有25個樣點未檢出。16個單峰型樣品的峰值粒徑(112～237 μm)和24個雙峰型樣品的第一峰值粒徑(189～286 μm)均在躍移范圍內，而第二峰值粒徑(42～57 μm)在短時懸浮范圍內，與上述統計結果特征一致。

根據大氣粉塵4種主要沉降機制[22]，由于北京城區冬季道路灰塵主要為躍移或短時懸浮顆粒物，故對大氣中短時懸浮顆粒污染物的貢獻受所在地范圍常年季節性風速與地表濕性、粗糙度影響，并且由于灰塵樣品中長期懸浮顆粒含量很少，粒徑小于2 μm的顆粒含量更低，說明道路灰塵對大氣中長期懸浮顆粒污染物的貢獻量有限。

3.2 道路灰塵粒度參數

粒度參數(表3)可綜合反應沉積物粒度特征及沉積環境。平均粒徑代表粒度分布的集中趨勢，反映搬運介質平均動能和源區物質粒度分布。40組樣品的平均粒徑為117.7～283.2 μm，要比劉春華等[23]對北京市春季(75 μm)和秋季(100 μm)的街道灰塵平均粒徑的研究結果粗得多，分析可能是由于冬季不能進行道路沖洗作業致使道路灰塵粗粒徑組成比例大。平均粒徑最小的地點出現在位于市郊偏東北方向的東四環北。田暉等[24]在研究西安市路面積塵的粒徑分布時發現，位于城鄉結合部的采樣點樣品與其他區域樣品相比，細粒徑組分含量明顯增高。東四環北特殊的細粒徑分布可能是由于采樣點位于城郊結合部，進出車輛較多、帶入和輾細作用較強。

分選系數反映粒度的分散和集中程度，常被用作環境指標。40組樣品的分選系數范圍為1.76～3.34，只有5個樣品介于1.00～2.00，分選性較差，其余樣品均介于2.00～4.00，分選性差，表明道路灰塵大部分具有同源性的同時也存在一定大氣環流遠程搬運產生的差異。

偏度實質上反映粒度分布的不對稱程度。40組樣品的偏度SKI為0.26～0.64，只有1個樣品為0.10～0.30，屬正偏態；其余樣品偏度均在0.30～1.00范圍內，屬極正偏態，與道路灰塵頻率曲線及累積頻率曲線反映出的特征一致。由此可看出40組道路灰塵樣品頻率曲線形態均極不對稱，峰在粗粒度一側，細粒度一側有一低的頭部，即道路灰塵中粗粒組分總體上在樣品中占優勢，且有離群極端粗粒徑灰塵出現。

峰度可用來衡量頻率曲線峰凸程度。40組樣品的峰度為0.80～1.41，即峰態呈現寬峰態、中等峰態和窄峰態，由此進一步說明遠程搬運風塵在不同采樣點對道路灰塵粒度特征產生影響。

表3 道路灰塵粒度參數

3.3 不同道路類型灰塵粒度參數特征及環境風險

研究4種不同道路類型灰塵樣品粒度參數(表4)發現，平均粒徑從大到小依次為快速路>支路>次干路>主干路，這可能是由于隨著車輛對灰塵的輾細作用增強，導致平均粒徑支路、次干路、主干路逐漸減小，而快速路灰塵特殊的粗粒徑分布可能是由于輾細作用最強且地面平坦、粗糙度較低，車輛行駛產生強大的地面風力將大量遷移性較強的細粒徑灰塵卷入空中，較粗粒徑灰塵在重力作用下很快落到地面，導致更多的粗?；覊m沉積在路面上。分選系數與偏度均呈現快速路>主干路>次干路>支路趨勢，峰度無較大區別。根據粒度參數的數學和物理意義[25]分析可得：快速路灰塵粒徑在相對較粗粒徑的較大鄰域內分布，且出現明顯極端粗粒徑分布。主干路灰塵粒徑在細粒徑的較大鄰域內分布，且出現幾個粒徑偏粗的分布。次干路、支路灰塵粒徑在粗粒徑的較小鄰域內分布，相對無極端粗粒徑分布。

表4 不同道路類型灰塵粒度參數

大量研究表明，粒徑小于75 μm的細粒徑級別地表顆粒物是通過再懸浮進入大氣環境的主要污染[11-13]。分析4種不同道路類型灰塵樣品的細顆粒(<75 μm)比例發現，細顆粒含量主干路>次干路>(支路、快速路)，快速路特殊的較小細顆粒含量再次佐證細顆?；覊m可能已在車輛擾動作用下遷移至附近，沉積在路面上的多為粗?；覊m，這與快速路灰塵特殊的較粗平均粒徑特征結論一致。

結合4種不同道路類型灰塵樣品的粒度參數特征與細顆粒比例分析其環境風險發現，由于主干路道路灰塵平均粒徑相對較細，細顆粒的比例高，所以其污染貢獻率更高，在高強度的道路交通環境和一定大氣動力條件下，細顆粒容易通過再懸浮而進入大氣，對人體健康和大氣環境的危害潛力不容忽視。次干路和支路道路灰塵由于平均粒徑較粗、分選性較好，可采取機器清掃替代人工清掃、并提高清掃頻率的方式去除?？焖俾返缆坊覊m多已遷移至附近，因此應更加注意提高附近區域環境衛生管理水平。

4 結論

1)北京城區冬季道路灰塵粒徑呈單峰型或雙峰型分布，單峰型峰值粒徑為112～237 μm，代表北京地區背景粉塵；雙峰型第一峰值粒徑為189～286 μm，第二峰值粒徑為42～57 μm，顯示地方性灰塵和遠程搬運灰塵混合物的特性。道路灰塵的大部分可能來自周圍土壤及建筑工地等局地物質，而直接通過大氣運移沉降至道路表面的遠源灰塵相對較少。

2)北京城區冬季道路灰塵主要為躍移或短時懸浮顆粒物，長期懸浮顆粒含量很少，對大氣懸浮顆粒污染物的貢獻量有限。

3)冬季道路灰塵平均粒徑為183 μm，粗顆粒物質含量較大，分選性差，呈極不對稱的極正偏寬峰態到窄峰態，屬以砂粒成分為主的砂土。

4)4種不同道路類型灰塵平均粒徑從大到小順序為快速路>支路>次干路>主干路，分選系數與偏度均呈現快速路>主干路>次干路>支路趨勢，峰度無較大區別，細顆粒含量主干路>次干路>(支路、快速路)。主干路灰塵污染貢獻率更高，對人體健康和大氣環境的危害潛力不容忽視。次干路和支路道路灰塵可采取機器清掃替代人工清掃、并提高清掃頻率的方式去除。同時應更加注意提高快速路附近區域環境衛生管理水平。

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