北京市道路揚塵時空變化特征的研究*

竹 濤 李冉冉 李笑陽 吳世琪

(中國礦業大學(北京)化學與環境工程學院，北京 100083)

北京市道路揚塵時空變化特征的研究*

竹 濤 李冉冉 李笑陽 吳世琪

(中國礦業大學(北京)化學與環境工程學院，北京 100083)

道路揚塵已成為城市顆粒物重要來源之一。為了甄選有效的采樣測試方法，分別采用降塵法和積塵負荷法對北京市4種不同類型的道路揚塵進行采集，通過分析獲得降塵量和積塵負荷的時空變化規律。結果顯示：降塵量夏季明顯高于秋季，在次干道和支路上，采樣高度1.5、2.5 m的降塵量差異不大，在夏季差值分別為0.193 0、0.122 4 g/(m2·d)，在秋季差值分別為0.037 1、0.013 3 g/(m2·d)；而主干道和快速路上，1.5 m高度的降塵量明顯大于2.5 m高度，在夏季差值分別為0.268 6、0.464 6 g/(m2·d)，在秋季差值分別為0.111 0、0.353 9 g/(m2·d)；道路積塵負荷夏季高于秋季，在夏季表現為支路>次干道>主干道>快速路，其積塵負荷從大到小依次為2.758 9、1.976 7、1.787 8、1.547 5 g/m2，在秋季表現為次干道>支路>快速路>主干道，其積塵負荷從大到小依次為1.920 2、1.822 9、1.430 6、0.201 5g/m2。隨著車流量增大和車速加快，積塵負荷逐漸降低。研究結果能為北京市在道路揚塵采樣方法的選擇和顆粒物控制上提供理論依據。

道路揚塵 降塵 積塵負荷 時空變化

隨著經濟發展，城市道路格局和機動車活動水平不斷變化，道路揚塵排放量逐年增加，成為城市顆粒物的重要來源之一[1]，道路揚塵中的PM10和PM2.5嚴重影響了城市空氣質量及人體健康[2]。PM10易吸附多環苯類、多環芳烴等致癌物質；PM2.5和PM10均能損壞人體呼吸道，造成過敏、哮喘和肺氣腫[3]。據《2013年北京市環境狀況公報》，PM10的年平均質量濃度為108.1 μg/m3，超過《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)二級限值(70 μg/m3)，PM2.5的年平均質量濃度為89.5 μg/m3，超過GB 3095—2012二級限值(35 μg/m3)，可見道路揚塵治理任務艱巨而緊迫。國內對道路揚塵的研究重點大多集中于顆粒物化學組分分析方面，宋少潔等[4]分析了北京市典型道路的細顆粒物元素組成和分布特征，刀谞等[5]60-69分析了京津冀地區PM2.5、PM10及其水溶性離子組分的區域污染特征，朱瓊宇等[6]分析了上海市霾期與非霾期的不同粒徑大氣顆粒物中汞的分布特征，霍靜等[7]研究了天津市秋冬季PM2.5碳組分化學特征及其來源。近幾年對道路揚塵排放特性的研究增多[8-9]，大部分是基于美國環境保護署的AP-42模型，如劉澤常等[10]利用AP-42模型研究了濟南市道路揚塵排放因子及其主要影響因素，王社扣等[11]對南京市不同類型道路揚塵的源排放清單進行了估計，彭康等[12]研究了珠江三角洲的道路揚塵排放因子與排放清單狀況。道路揚塵采樣是排放特征研究的基礎，國內使用較多的有積塵負荷法、降塵法、快速檢測法[13]。張正偲等[14]使用降塵法在騰格里沙漠研究了不同收集方式對降塵效率的影響，許妍等[15]使用積塵負荷法研究了天津市道路揚塵排放特征及空間分布。

雖然國內對不同采樣方法的研究較多，但對于不同方法的對比分析涉及較少，不同方法的適用性還有待商榷。因此，本研究以降塵法和積塵負荷法對比研究北京市道路揚塵時空分布，并對兩種方法的適用性進行評價，以期為采樣方法的規范和顆粒物控制提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

將北京市鋪裝道路按照主干道(學院路)、次干道(成府路)、快速路(北四環路)、支路(靜淑苑路)進行分類，并設置背景點，采用優化布點方式選擇不同類別的鋪裝道路，于2014年5月6日至8月7日進行夏季采樣，2014年8月8日至11月8日進行秋季采樣，具體采樣點布設如表1和圖1所示。

表1 道路揚塵采樣點布設

對實驗樣品的采集，采用了降塵法和積塵負荷法兩種方法。

(1) 降塵法：每個路段在道路兩側對應位置各選4個路燈桿，相鄰路燈桿的距離在100 m以上，每個路燈桿在1.5、2.5 m(以降塵缸的上緣高度為準)兩個高度上布設降塵缸，降塵法采樣時間至少為30 d。2～3 m是目前國內外普遍采用的采樣高度，如田剛等[16]在北京市選擇3 m作為采樣高度，HEDALEN[17]在挪威選擇2.5 m作為采樣高度。本研究在2.5 m高度基礎上，又對應設置了1.5 m采樣高度進行對比分析。

圖1 道路揚塵采樣點位置Fig.1 Location of road dust sampling points

(2) 積塵負荷法：機動車道(包括機動快速車道、機動中速車道和機動慢速車道)選取4 m2進行采樣，非機動車道選擇2 m2進行采樣，快速輔路和機非混合車道視情況而定。一般在風速3.0 m/s以下的時段進行采樣，采樣時先用掃帚，再用吸塵器，確保大小顆粒物均能被收集，同時記錄路況(車流量、天氣狀況等)，采集好的樣品密封保存。

1.2 樣品處理方法

采集的道路揚塵樣品經過去雜、烘干、過篩、稱重等過程，計算得到降塵量和積塵負荷。將道路同側同一高度的降塵缸的數據進行合并，得到降塵量，將同一條道路上不同采樣點位置獲得的積塵負荷取平均值得到該條道路的積塵負荷。

2 結果與討論

2.1 降塵量和積塵負荷的季節變化規律

將得到的降塵量和積塵負荷進行整理，可得到其季節變化規律，如圖2、圖3所示。

由圖2和圖3可以看出，不同道路的降塵量和積塵負荷季節變化趨勢一致，都為夏季>秋季，這可能是由人為因素和氣象因素共同造成的。人為因素主要包括工地降塵和道路清掃。工地降塵是進入道路的主要塵源之一，它包括建筑、拆遷、市政工地等方面，且春夏季節的工地施工比秋冬季節更為頻繁；施工中產生的降塵、車輛攜帶的泥土、運輸遺撒等會增大路面的積塵負荷。道路清掃一定程度上促使路面積塵向上遷移。此外，夏季光照強烈，頻繁的光化學反應生成大量二次粒子[5]64，使PM2.5增加，而且夏季雨水較多，車輛容易攜帶泥土，增大積塵負荷，在車輛帶動下揚塵強度增大，從而增加了降塵量。因此，夏季降塵量和積塵負荷均高于秋季。在夏季應該采取更嚴格的措施減小施工降塵和車輛帶入道路的泥土量，主要包括路邊裸土綠化、施工車輛清洗等[18]631。

注：各道路的降塵量取1.5、2.5 m高度降塵量的平均值。圖2 不同道路的降塵量在不同季節的對比Fig.2 Contrast of fall dust on different roads in different seasons

圖3 不同道路在不同季節的積塵負荷對比Fig.3 Contrast of dust load on different roads in different seasons

2.2 不同道路降塵量和積塵負荷的變化規律

由圖2、圖3可以看出，在夏季和秋季，降塵量均表現為快速路>主干道>次干道>支路。在夏季，積塵負荷表現為支路>次干道>主干道>快速路，從大到小依次為2.758 9、1.976 7、1.787 8、1.547 5 g/m2；在秋季，積塵負荷表現為次干道>支路>快速路>主干道，從大到小依次為1.920 2、1.822 9、1.430 6、0.201 5 g/m2。不同道路的降塵量和積塵負荷變化并不一致，產生這一現象的原因是支路的車流量、車速最小，容易積累塵土，且支路路口較多，路口處車輛剎車和啟動、車輛轉彎等都會產生較大的積塵負荷；快速路的車速和車流量較主干道、次干道大，路面的塵土容易被揚起，因此道路的揚塵排放較強，降塵量最大。可見降塵量很好地反映了道路揚塵排放狀況，這與樊守彬等[18]630的研究一致。由此可以分析出，積塵負荷可能隨著車流量和車速的增大而降低。圖3顯示主干道在秋季出現積塵負荷異常偏低現象，這可能與當時的天氣狀況和路面清潔有關，說明積塵負荷受外界影響較多，誤差較大，在研究道路揚塵時空變化上的適用性不如降塵法，這與黃玉虎等[19]30的研究一致。

對夏季同一道路的不同車道的積塵負荷進行了分析，因靜淑苑路只有機非混合車道，沒有可比性，所以只針對其他3條道路進行分析，結果見圖4。

圖4 不同車道的積塵負荷對比Fig.4 Contrast of dust load in different lanes

由圖4可以看出：學院路上不同車道積塵負荷表現為機非混合車道>機動慢速車道>機動中速車道；成府路表現為非機動車道>機動慢速車道>機動快速車道；北四環路表現為非機動車道>快速輔路。進一步驗證了積塵負荷隨著車速和車流量的增大而減小。機非混合車道和非機動車道的積塵負荷顯著大于機動慢速車道和快速輔路，因此機非混合車道與非機動車道應成為城市道路清掃的重點。

2.3 不同高度的降塵量變化規律

對每條道路上不同采樣高度得到的降塵進行分析，分別得到夏季和秋季不同高度的降塵量變化，結果如圖5、圖6所示。

由圖5、圖6可以看出，夏季和秋季的變化規律相似：在次干道和支路上，1.5、2.5 m高度的降塵量(以8個采樣點的平均值統計)差異較小，在夏季差值分別為0.193 0、0.122 4 g/(m2·d)，在秋季差值分別為0.037 1、0.013 3 g/(m2·d)；而主干道和快速路上，1.5 m高度的降塵量明顯大于2.5 m高度，在夏季差值分別為0.268 6、0.464 6 g/(m2·d)；在秋季差值分別為0.111 0、0.353 9 g/(m2·d)。降塵是路面上的塵土在機動車等外力作用下被揚起而進入到大氣環境中，在向上遷移過程中，粒徑較大的顆粒物以重力沉降作用為主導，在垂直高度上呈遞減趨勢；而小粒徑(粒徑<1 μm)顆粒物的布朗運動則明顯增強，在車輛湍流作用較小的情況下分布較為均勻。由此可見，主干道的車流量較大，快速路的車速較快，能產生較大的湍流，使較多大粒徑顆粒向上遷移，并隨高度上升而遞減，導致1.5 m 高度的降塵量明顯大于2.5 m高度；次干道和支路的車流量和車速均較小，大粒徑顆粒物難以向上遷移，小粒徑顆粒物因布朗運動分布較為均勻，導致1.5、2.5 m高度的降塵量相差不大。

注：Ⅰ-14、Ⅱ-14、Ⅲ-14和Ⅳ-14分別代表主干道、次干道、快速路和支路上采樣點1～4的平均值，Ⅰ-58、Ⅱ-58、Ⅲ-58和Ⅳ-58分別代表主干道、次干道、快速路和支路上采樣點5～8的平均值。圖6同。

圖5夏季不同高度降塵量對比
Fig.5 Contrast of fall dust at different heights in summer

圖6 秋季不同高度降塵量對比Fig.6 Contrast of fall dust at different heights in autumn

因此，在車流量較小、車速較慢的道路上采樣時，可以設置1.5 m高度來代替2.5 m高度，采樣高度定為1.5 m不僅更接近人們的呼吸高度，更具有實際意義，也更便于實施管理。

2.4 降塵量和積塵負荷的關系

為了比較降塵量和積塵負荷的關系，將兩者進行線性擬合，結果如圖7所示。

圖7 降塵量和積塵負荷的關系Fig.7 The relationship between fall dust and dust load

由圖7可以看出，降塵量和積塵負荷的相關性很差，R2為-0.053 8，說明降塵量和積塵負荷沒有直接相關性。這是因為積塵負荷缺失了車流量、平均車重等重要道路信息，只反映了路面的清潔狀況，而降塵量代表道路揚塵的排放強度。積塵負荷不代表道路揚塵污染程度，但適用于定量評價道路清掃保潔質量[19]31。

3 結論與建議

(1) 采用降塵法獲取北京市道路降塵量，通過對比分析，發現降塵量夏季明顯高于秋季，因此在夏季應對施工揚塵加強管控，注意路面清掃以降低路面積塵負荷。在次干道和支路上，1.5、2.5 m高度的降塵量差異不大，而主干道和快速路上，1.5 m高度的降塵量明顯大于2.5 m高度，因此進行降塵采樣時，在車流量較小、車速較慢的道路上，可將采樣高度設置為1.5 m，該高度更接近人們的呼吸高度，且便于管理。不同道路的降塵量表現為快速路>主干道>次干道>支路，因此應該重點加強快速路和主干道的道路揚塵治理，加強道路綠化，合理規劃城市道路，增加支路、次干道對主干道的分流作用，緩解城市交通壓力。

(2) 采用積塵負荷法獲取北京市道路積塵負荷，通過對比分析，得出積塵負荷夏季高于秋季，因此在夏季要加強道路清掃力度，保持路面清潔。在夏季，積塵負荷表現為支路>次干道>主干道>快速路；在秋季，積塵負荷表現為次干道>支路>快速路>主干道。不同車道積塵負荷變化表現為非機動車道、機非混合車道大于機動慢速車道、機動中速車道和機動快速車道，積塵負荷隨著車流量和車速的增大而逐漸降低，因此，非機動車道、機非混合車道是清掃的重點。

(3) 通過降塵量和道路積塵負荷的相關性研究，發現兩者沒有直接相關性，因為積塵負荷缺失了車流量、平均車重等重要信息，只反映了路面的清潔程度，而降塵量代表道路揚塵的排放強度。因此，降塵法更適于道路揚塵的研究。

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Researchontemporal-spatialvariationcharacteristicsofroaddustinBeijingCity

ZHUTao,LIRanran,LIXiaoyang,WUShiqi.

(SchoolofChemical&EnvironmentalEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing),Beijing100083)

Road dust has been an important source of urban particulate matter. In order to select effective sampling method,the temporal-spatial variation characteristics of four kinds of road dust in Beijing was focused on,by fall dust and dust load method,respectively. The temporal-spatial variation regular of fall dust and dust load were obtained through laboratory analysis. The results showed that fall dust in summer was significantly higher than it in autumn. In secondary road and branch road,there was no significant difference in fall dust at sampling height of 1.5 and 2.5 m,with the difference in summer 0.193 0,0.122 4 g/(m2·d),and in autumn 0.037 1，0.013 3 g/(m2·d). However,the fall dust at 1.5 m was clearly higher than 2.5 m in main road and freeway,with the difference in summer 0.268 6 and 0.464 6 g/(m2·d),and in autumn 0.111 0 and 0.353 9 g/(m2·d). Dust load in summer was higher than autumn. In summer,dust load of different sampling roads showed branch road>secondary road>main road>freeway,with their dust load 2.758 9,1.976 7,1.787 8 and 1.547 5 g/m2,respectively. In autumn,dust load of different roads displayed secondary road>branch road>freeway>main road,with their dust load 1.920 2,1.822 9,1.430 6 and 0.201 5 g/m2,respectively. Dust load gradually decreased as the traffic volume and speed increasing. The research provided theoretical basis for the choice of road dust sampling method and particulate matter control in Beijing City.

road dust; fall dust; dust load; temporal-spatial variation

竹 濤，男，1979年生，博士，教授，研究方向為大氣污染控制。

*國家環境保護公益性行業科研專項(No.201409004-04)；新世紀優秀人才支持計劃資助項目(No.NCET120967)；北京市優秀人才培養資助項目(2012ZG81)；中央級公益性科研院所基本科研業務專項(No.2009QH03)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2016.12.008

編輯:徐婷婷 (

2016-01-13)