機動車車速對道路交通揚塵排放特征的影響*

張詩建 姬亞芹# 朱振宇 張亞飛 李樹立 趙靜波

(1.南開大學環境科學與工程學院,天津 300071;2.國家環境保護城市空氣顆粒物污染防治重點實驗室,天津 300071)

近年來，城市揚塵對城市空氣顆粒物的貢獻率日益受到關注。研究表明，城市揚塵已成為城市空氣顆粒物污染的主要原因[1-2]。道路交通揚塵是城市揚塵的重要組成部分，也是空氣顆粒物的重要塵源之一[3-6]。因此，道路交通揚塵的定量研究及控制已成為治理城市顆粒物污染的一個重要環節。道路交通揚塵定量研究的主要目的為構建道路交通揚塵排放清單，美國環境保護總署推薦的AP-42排放因子模型是用于構建道路交通揚塵排放清單的主要方法。樊守斌等[7]應用AP-42排放因子模型從多個層面分析了北京市鋪裝道路交通揚塵的排放規律及特征；許妍等[8]依據AP-42排放因子模型計算了天津市中心城區不同道路類型的道路交通揚塵排放因子及排放量；劉澤常等[9]以濟南城市道路為研究對象，運用AP-42排放因子模型獲得了不同道路類型的道路交通揚塵排放因子并探討了排放因子的主要影響因素。

AP-42排放因子模型涉及的主要參數有粒徑乘數、道路長度、氣象要素、車流量以及平均車重等。模型中沒有將機動車行駛速度這一因素考慮在內。有研究表明，機動車行駛速度對道路交通揚塵的排放特征有較大影響[10-12]，盡管已有學者對道路交通揚塵與機動車車速之間的關系開展了研究[13-14]，但這些研究均采用離線分析的方法計算道路交通揚塵量排放量，即利用空氣顆粒物采樣器將空氣顆粒物采集到膜上，根據采樣前后采樣膜的質量差和采樣體積計算顆粒物濃度。該方法耗時大且獲得數據量較少，同時采樣器多設于道路邊緣，采集到的顆粒物濃度為多輛機動車引起的混合揚塵以及環境背景顆粒物濃度，不能真實反映由單輛機動車車輪轉動卷起的道路交通揚塵量，也不能反映單輛機動車行駛中交通揚塵的排放特征。本研究利用顆粒物實時測量儀器及全球定位系統(GPS)記錄儀，通過設置背景值以及將采樣器入口放置在車輪后方獲得單輛機動車行駛過程中排放的道路交通揚塵實時濃度與機動車車速之間的關系，能較為真實地反映機動車道路交通揚塵的排放特征，了解機動車車速對道路交通揚塵排放特征的影響，為后續準確計算道路交通揚塵排放清單奠定實驗基礎。

1 材料與方法

1.1 實驗儀器

本研究使用某品牌轎車1輛、DustTrak 8530型顆粒物檢測儀(美國TSI公司)4臺、GPS Map60CS型GPS記錄儀(美國Garmin公司)1臺。其中，轎車整備質量為1 717 kg，總質量2 092 kg。DustTrak 8530型顆粒物檢測儀可以通過更換采樣頭(分別為PM10、PM2.5)測定不同粒徑顆粒物的實時濃度，同時可通過設定時間間隔，將顆粒物實時濃度記錄在儀器本身自帶的儲存卡內。本研究中顆粒物監測數據的時間間隔均為1 s。實驗期間采用GPS記錄儀記錄機動車行駛速度，其數據記錄間隔時間與顆粒物檢測儀的記錄間隔時間一致，均為1 s。采樣開始前，將4臺DustTrak 8530型顆粒物檢測儀的時間與GPS記錄儀時間設定一致，以方便機動車速度和顆粒物濃度數據匹配。

1.2 實驗設計

4臺DustTrak 8530型顆粒物檢測儀分別編號為DT1、DT2、DT3、DT4，其中DT1、DT2通過連接管與測試采樣口連接并置于機動車左前輪后側，測試采樣口對準輪胎正中，距地面175 mm，距離輪胎50 mm。DT3、DT4通過連接管與背景采樣口連接并安置于車頂，4臺顆粒物檢測儀的采樣口安裝位置以及測量指標見表1，采樣裝置連接方式見圖1。實驗開始前對4臺顆粒物檢測儀進行校準，使4臺儀器之間同時測量相同粒徑顆粒物時，質量濃度數據最大值與最小值之差在2 μg/m3以內。

表1 顆粒物檢測儀安裝位置及測量指標

選擇一個車流量較小的路段，以避免測試過程中由于其他車輛干擾引起的顆粒物濃度背景值波動。機動車以不同的速度行駛，利用顆粒物檢測儀記錄顆粒物濃度數據的變化。考慮到城市內部最大車速為80 km/h和文獻[13]中給出的最低設定車速，將實驗車速設定為10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80 km/h共15個速度梯度，每個速度梯度測試4次。

圖1 采樣裝置的連接Fig.1 Schematic diagram of connection between sampling devices

1.3 采樣時間與采樣地點

采樣時間為2014年12月2日，有效測試時長為2.2 h，有效測試長度為72 000 m。采樣地點為天津市西青區一條車流量不超過20輛/h的路段，路段長度為1 200 m。

1.4 數據處理

采樣期間，機動車行駛過程中車輪轉動產生的PM2.5濃度由DT1與DT3檢測濃度之差計算得到，產生的PM10濃度由DT2與DT4檢測濃度之差計算得到。由于機動車高度僅為1.5 m，且采樣地點位于郊外，測試道路周圍空曠，因此由于測試采樣口與背景采樣口距地面高度不同而引起的濃度差異忽略不計。將機動車車輪轉動引起的顆粒物濃度與機動車車速以時間為契合點匹配，研究顆粒物濃度隨機動車車速的變化規律。

2 結果與討論

2.1 車輪轉動產生的PM2.5濃度與車速的關系

機動車在選取的路段上來回折返，以15個速度梯度分別測試4次，共得到60組數據。以時間為契合點算出逐秒的PM2.5濃度，計算每組數據PM2.5濃度的平均值，研究PM2.5質量濃度與車速的關系，結果見圖2。

由圖2可見，隨著機動車車速的增長，車輪轉動產生的PM2.5濃度逐漸增加。以機動車實際測得的平均車速為自變量，車輪轉動產生的PM2.5質量濃度為因變量，對60組數據進行擬合，結果見式(1)。

圖2 車輪轉動產生的PM2.5質量濃度與車速的關系Fig.2 Relationship between mass concentration of PM2.5 caused by vehicles’ wheel rotation and vehicle speed

(1)

式中：ΔDT2.5為機動車車輪轉動產生的PM2.5質量濃度，μg/m3；V為機動車實際測得的平均車速，km/h。

2.2 車輪轉動產生的PM10濃度與車速的關系

采用與上述PM2.5數據相同的研究方法，根據機動車在15個速度梯度下行駛獲得的60組數據，以時間為契合點，得到逐秒的PM10濃度，再以組為單位計算各組PM10濃度的平均值，研究車輪轉動產生的PM10質量濃度與車速的關系，結果見圖3。

圖3 車輪轉動產生的PM10質量濃度與車速的關系Fig.3 Relationship between mass concentration of PM10 caused by vehicles’ wheel rotation and vehicle speed

由圖3可見，隨著機動車車速的增長，車輪轉動產生的PM10濃度逐漸增加。以機動車實際測得的平均車速為自變量，車輪轉動產生的PM10質量濃度為因變量，對60組數據進行擬合，結果見式(2)。

ΔDT10= 0.136 5×V2.077 2R2=0.93

(2)

式中：ΔDT10為機動車車輪轉動產生的PM10質量濃度，μg/m3。

ETYEMEZIAN等[15]在美國金銀谷開展類似實驗，得到擬合公式ΔDT10=0.000 17×V2.96，R2=0.972；樊守斌等[16]在呼和浩特市進行的實驗中得出擬合公式ΔDT10=0.361e0.085V，R2=0.905。從最優擬合函數公式的形式以及相關系數R2來看，3個擬合公式間存在一定差異，這些差異可能由以下兩個原因導致：(1)3個實驗所選道路的交通揚塵負荷以及交通揚塵中各粒徑分布可能存在差異；(2)3個實驗的測試車速范圍不同，ETYEMEZIAN等的測試車速為5～30 m/s，樊守彬等的測試車速在10～50 km/h。

2.3 道路交通揚塵中顆粒物構成與車速的關系

以時間為契合點，將機動車行駛過程中PM2.5/PM10(質量濃度比，下同)與車速建立關系，結果見圖4。由圖4可見，隨著機動車車速逐漸加快，PM2.5/PM10逐漸增大。以機動車實際測得的平均車速為自變量，PM2.5/PM10為因變量，對60組數據進行擬合，結果見式(3)。

Y=0.242 5+0.004 4VR2=0.84

(3)

式中：Y為PM2.5與PM10的質量濃度比。

圖4 PM2.5/PM10隨車速的變化關系Fig.4 Relationship between the value of PM2.5/PM10 and vehicle speed

3 結 論

通過機動車單車行駛實驗，研究了機動車車速對道路交通揚塵排放特征的影響。研究發現，隨著車速的加快，由機動車車輪轉動引起的PM10、PM2.5濃度以及PM2.5/PM10逐漸增大，通過數據擬合，得到機動車車速與道路交通揚塵中PM10、PM2.5濃度及PM2.5/PM10的關系。未來在利用AP-42道路揚塵排放因子模型計算不同城市、不同道路類型的道路

交通揚塵排放因子及排放量時，應考慮機動車車速對道路交通揚塵排放特征的影響。該研究獲得的結論為準確構建道路交通揚塵排放清單及測試道路交通揚塵排放因子和排放量奠定了實驗基礎。

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