天津市春季樣方法道路揚塵PM2.5粒度乘數特征

張 偉,姬亞芹,李樹立,趙 杰,趙靜波,欒孟孝,張詩建,朱振宇

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天津市春季樣方法道路揚塵PM2.5粒度乘數特征

張 偉,姬亞芹*,李樹立,趙 杰,趙靜波,欒孟孝,張詩建,朱振宇

(南開大學環境科學與工程學院,天津 300071)

粒度乘數表示道路揚塵排放因子模型中不同粒徑的顆粒物的系數,是道路揚塵排放清單的重要參數,直接影響排放清單的不確定性.2015年春季用樣方真空吸塵法采集了天津市市區11條道路88個點位的道路揚塵樣品,在便攜式氣溶膠粒徑譜儀Grimm1.109和再懸浮采樣器粒徑實驗基礎上,通過公式計算得到了道路揚塵PM2.5的粒度乘數值2.5,開展了粒度乘數分布特征的研究.結果表明:天津市春季非機動車道和機動車道慢車道道路揚塵的PM2.5粒度乘數范圍分別為0.053~0.088g/VKT和0.047~0.087g/VKT;主干道、次干道、支路以及快速路的非機動車道PM2.5的粒度乘數2.5均大于機動車道慢車道的2.5,環線的機動車道PM2.5的粒度乘數2.5均大于非機動車道慢車道的2.5;不同道路類型的道路揚塵PM2.5粒度乘數分布規律為:機動車道,環線>次干道>主干道>支路>快速路;非機動車道,次干道>支路>主干道>環線>快速路;道路兩側相同類型車道間PM2.5粒度乘數中位值不同,但是其差異無統計學意義.

道路揚塵；粒度乘數；PM2.5；天津市

排放清單是研究大氣污染特征、機制和成因,開展環境空氣質量數值模擬和預報預警的重要基礎,也是制定城市及區域大氣污染控制措施、開展污染防治工作的重要依據[1].揚塵,尤其道路揚塵是大氣顆粒物的主要來源之一[2],其對大氣細顆粒物PM2.5的貢獻率可達到20.0%左右[3-9].道路揚塵不僅影響空氣質量,還對能見度以及人體健康造成影響[10-13].因此,構建道路揚塵PM2.5的排放清單,成為治理城市顆粒物污染的一個重要環節.

道路揚塵PM2.5的排放清單編制涉及參數較多.其中,粒度乘數作為構建道路揚塵排放清單的一個非常重要的參數,直接影響道路揚塵排放清單的不確定性.粒度乘數表示道路揚塵排放因子模型中,不同粒徑的顆粒物的系數.由排放因子估算模型可知[15],排放因子值Eext與粒度乘數之間存在線性關系,可見粒度乘數值會對排放因子造成較大的影響.國內研究[16-20]大多數直接引用美國AP-42模型中給出的粒度乘數值2.5(0.15g/VKT),如許巖,劉永紅,彭康,程健等,然而AP-42中給出的粒度乘數是根據美國實驗得到的經驗數據,與本地實際情況可能存在較大差別,如果直接用于國內排放清單的計算,會使所有使用這一方法的地區擁有相同的粒徑比例,顯然這是不符合實際情況的,從而增加排放清單的不確定性[21].另外,國內的有些研究沒給出具體的粒度乘數來源、計算方法和過程,例如樊守彬等[22].因此,需要開展道路揚塵粒度乘數分布特征的研究.

本研究采用樣方真空吸塵器法采集天津市的主干道、次干道、支路、快速路、環線5種道路類型的道路揚塵樣品,用便攜式氣溶膠粒徑譜儀Grimm1.109和再懸浮采樣器對采集的道路揚塵樣品進行粒徑分析,得到PM2.5在PM30中所占的百分含量,通過公式計算得到了天津市本地化的道路揚塵PM2.5的粒度乘數值2.5,研究了該粒度乘數的分布特征,旨在為構建天津市道路揚塵排放清單提供參考.

1 研究方法

1.1 采樣地點

在天津市選擇了11條典型道路作為采樣點,分別是衛津路、復康路、黃河道、鞍山西道、南開二緯路(包括西市大街,以下簡稱南開二緯路)、白堤路、迎水道、快速路密云路段(以下簡稱密云路)、快速路紅旗路段(以下簡稱紅旗南路)、外環線西路1、外環線西路2(表1,圖1).在每條道路的兩側的機動車道慢車道(以下簡稱“機”)和非機動車道(以下簡稱“非”)上分別各選取4個點,即在一條道路的兩側共選取16個點.

表1 所選采樣典型道路 Table 1 The selected sampling typical roads

1.2 樣品采集和處理

采樣時間為2015年4月份,4月份為天津市春季的典型月份.實驗儀器為800W塵杯式真空吸塵器、1m2采樣框、樣品袋、細毛刷、3kW汽油發電機、200目泰勒標準篩、手持GPS定位儀、再懸浮采樣器、便攜式氣溶膠粒徑譜儀Grimm1.109、萬分之一電子天平、電動振篩機.采樣車道分別為機動車道慢車道和非機動車道.吸塵完畢后,取下集塵盒,用細毛刷將集塵盒內的塵土掃入樣品袋內編號保存,帶回實驗室分析.將采集到的原始樣品去除煙頭、雜草和生活垃圾等,在干燥器內平衡3d,將樣品放入電動振篩機標準篩中震蕩10min后稱重,稱量之后的樣品按車道混合均勻,將得到的樣品再懸浮,同時用便攜式氣溶膠粒徑譜儀Grimm1.109測試得到樣品的粒徑數據.

1.3 數據處理

通過再懸浮處理得到各道路揚塵樣品的粒徑分布數據,將同一條道路兩側的非機動車道、機動車道慢車道的數據進行處理,分別得到天津市春季不同道路以及不同道路類型的粒徑分布數據,按照公式1[21]計算得到粒度乘數數據.

式中:2.5為修正后的PM2.5粒度乘數;2.5和10分別為基于便攜式氣溶膠粒徑譜儀得到的空氣動力學當量直徑小于等于2.5μm和10μm的顆粒物百分含量;10為美國AP-42中給出的PM10的粒度乘數,10為0.62g/VKT[23].

2 結果與討論

2.1 機動車道與非機動車道粒度乘數特征分析

天津市春季各典型道路機動車道與非機動車道的PM2.5粒度乘數值2.5如圖2和圖3所示.

從圖2可知,天津市春季非機動車道和機動車道慢車道道路揚塵的PM2.5粒度乘數范圍分別為0.053~0.088g/VKT和0.047~0.087g/VKT,中位值分別為0.063g/VKT和0.059g/VKT.兩個車道的道路揚塵PM2.5粒度乘數均小于美國AP-42中給出的PM2.5的粒度乘數推薦值(0.15g/VKT).黃嫣旻等[21]通過校正公式得到的上海市道路揚塵PM2.5粒度乘數范圍為0.9~1.2g/VKT,其所參考的是2001版AP-42中的推薦值.可見,PM2.5的粒度乘數2.5存在地域性差異.因此,在編制排放清單時,如果直接使用AP-42推薦值將會增加排放清單的不確定性,如果研究時間和經費允許,建議通過采集道路揚塵樣品和實驗分析獲得本地化的粒度乘數值,從而降低排放清單的不確定性.

從粒度乘數中位值來看(見圖2),非機動車道的PM2.5的粒度乘數稍高于機動車道慢車道,造成這一現象的主要原因是非機動車道車流量較機動車道小,車速較慢;而機動車道慢車道車流量大,行駛速度相對于非機動車道快,行駛時卷起的細小顆粒較非機動車道多.為了研究兩類車道間粒度乘數的差異是否具有統計學意義,進行了兩相關樣本的非參數檢驗,得到=0.149>0.05,即非機動車道和機動車道慢車道粒度乘數間的差異無統計學意義.

由圖3可知,主干道、次干道、支路以及快速路的非機動車道PM2.5的粒度乘數中位值均大于機動車道慢車道的2.5;環線的機動車道慢車道的PM2.5的粒度乘數中位值略大于非機動車道,這可能與環線非機動車道實際上是機非混行車道,且環線機非混行車道非機動車不多,而機動車卻較多有關.另外,環線道路兩側多為綠地或裸露地面,存在風蝕起塵和降水導致綠地土壤流向道路的現象,起塵過程中粗顆粒物比細顆粒物更容易沉降,非機動車道距離裸露地面較近,積塵較多并多為粗顆粒,這也可能造成環線上機動車道慢車道的PM2.5的粒度乘數2.5大于非機動車道的粒度乘數2.5.

2.2 不同道路類型道路揚塵PM2.5粒度乘數的對比

圖3表明,不同道路類型的PM2.5粒度乘數中位值不同,但是相差不大.對于機動車道, 外環線(0.069g/VKT)>次干道(0.060g/VKT)>主干道(0.059g/VKT)>支路(0.057g/VKT)>快速路(0.052g/VKT).其中,外環線較大,主要是因為外環線上通過的重型車輛較多,路面磨損比較嚴重,從排氣管排放出的細小顆粒更多,路面塵來源復雜,影響因素較多;快速路較小,可能是因為快速路上車速快,車重小造成的.對于非機動車道, 次干道(0.078g/VKT)>支路(0.066g/VKT)>主干道(0.065g/VKT)>外環線(0.059g/VKT)>快速路(0.058g/VKT).其中,外環線和快速路較小,可能與其非機動車道實際上是機非混合車道有關.

2.3 道路兩側PM2.5粒度乘數的大小對比

為了探討風向和風速對PM2.5粒度乘數的影響,分析了不同走向道路兩側(東西走向和南北走向)相同類型車道PM2.5粒度乘數的差異,結果見圖4.天津市春季風向頻率玫瑰圖見圖5.

由圖4可知,天津市春季東西走向的道路南側的非機動車道和機動車道慢車道的PM2.5粒度乘數2.5高于北側的2.5.由圖5天津市春季風向頻率玫瑰圖可知,天津市春季多以南風為主.由于風力的作用,道路積塵揚起,由南側吹向北側,在道路塵揚起的過程中,粗顆粒物比細顆粒物更容易沉降,造成粗顆粒物在道路北側沉積;并且對于道路兩側來說,車流量和車重差異并不明顯,因此道路南側的PM2.5粒度乘數2.5高于北側的2.5.對于南北走向道路的PM2.5粒度乘數,非機動車道:東側>西側;機動車道:西側>東側.這可能是因為天津市春季西風并不是主導風向,故風向對東西兩側PM2.5粒度乘數的影響不大.為了研究兩類車道間粒度乘數的差異是否具有統計學意義,進行了兩相關樣本的非參數檢驗,得到南側和北側非機動車道(=0.917)和機動車道慢車道(=0.463)、西側和東側非機動車道(=0.144)和機動車道慢車道(=0.138)的值均大于0.05,差異無統計學意義.因此,為了省時、省力,在做道路揚塵排放清單時可以只采集道路一側的塵樣品.

3 結論

3.1 天津市春季非機動車道和機動車道慢車道道路揚塵的PM2.5粒度乘數范圍分別為0.053~ 0.088g/VKT和0.047~0.087g/VKT,與美國AP-42的推薦值0.15g/VKT相差較大,兩種類型車道之間的非參數檢驗表明其差異無統計學意義.

3.2 主干道、次干道、支路以及快速路的非機動車道PM2.5的粒度乘數中位值均大于機動車道慢車道的2.5,外環線的機動車道PM2.5的粒度乘數中位值均大于非機動車道慢車道的2.5.

3.3 不同道路類型的道路揚塵PM2.5粒度乘數分布規律為:機動車道,外環線>次干道>主干道>支路>快速路;非機動車道,次干道>支路>主干道>環線>快速路.

3.4 東西走向道路南北兩側兩種車道PM2.5粒度乘數均為南側>北側,南北走向道路東西兩側非機動車道和機動車道慢車道PM2.5粒度乘數分別為東側>西側、西側>東側;但兩種走向道路的兩側對應車道差異均無統計學意義.

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*責任作者, 副教授, jiyaqin@nankai.edu.cn

PM2.5size multiplier feature of road dust in Tianjin during spring with quadrat sampling method

ZHANG Wei, JI Ya-qin*, LI Shu-li, ZHAO Jie, ZHAO Jing-bo, LUAN Meng-xiao, ZHANG Shi-jian, ZHU Zhen-yu

(College of Environmental Science and Engineering, Nankai University, Tianjin 300071, China)., 2016,36(7)：1955~1959

The size multiplier,the coefficient of different size particles in the road dust emission factor model, is one of the important parameters of road dust emission inventory, which directly affects its uncertainty. This study collected 88samples on 11roads in Tianjin City with quadrat sampling method in spring of 2015. On the basis of portable Grimm1.109 aerosol particle spectrometer and resuspender experiment, PM5size multipliers of the road dust (2.5) were obtained by the formula. And then the2.5distribution features were analyzed. The results were as follows: the2.5medians of non-motorized vehicle lanes ranged from 0.053g/VKT to 0.088g/VKT, and the2.5medians of motorized vehicle lanes were 0.047~0.087g/VKT; the2.5median values of non-motorized vehicle lanes in major arterial, minor arterial, branch road and express way were greater than those of the slow lanes, but the2.5value of the slow-vehicle lanes in outer ring was a little larger than that of the non-motorized vehicle lanes; the sequential ordersof2.5distribution in different types of roads were outer ring > minor arterial > major arterial >branch road >in the case of motorized vehicle lanes, and minor arterial > branch road > major arterial > outer ring > express way in the case of non-motorized vehicle lanes; the2.5median values of the same type lanes in two roadsides were different, but there was no statistically significant differences in-between them.

road dust；particle size multiplier；PM2.5；Tianjin

X513

A

1000-6923(2016)07-1955-05

張 偉(1992-)女,河北衡水人,南開大學碩士研究生,主要從事大氣污染研究.

2015-12-13

環保公益性行業專項項目(201409004)