渭南主城區(qū)道路積塵負(fù)荷及交通揚(yáng)塵顆粒物排放*

巴利萌 鄧順熙# 汪晶發(fā) 宋 慧

(1.長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.長安大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710061)

近年來，我國機(jī)動(dòng)車保有量迅速增長，交通污染排放已成為城市空氣污染的重要來源，其中道路交通揚(yáng)塵排放是城市顆粒物污染的重要因素[1]。相關(guān)研究顯示，PM2.5每增加5 μg/m3，肺癌風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)增加18%；PM10每增加10 μg/m3，肺癌風(fēng)險(xiǎn)增加22%；在繁忙道路附近100 m內(nèi)居住，肺癌風(fēng)險(xiǎn)高出9%[2]。因此，研究道路交通揚(yáng)塵排放特征及其顆粒物排放量很有必要。

道路交通揚(yáng)塵是道路積塵在機(jī)動(dòng)車行駛過程中產(chǎn)生的氣流作用下再懸浮而進(jìn)入空氣中形成的[3]。BHASKAR等[4]對(duì)印度坎普爾的道路交通揚(yáng)塵排放特征研究發(fā)現(xiàn)，道路交通揚(yáng)塵顆粒物排放占機(jī)動(dòng)車總排放質(zhì)量的20%～35%。AMATO等[5]對(duì)法國巴黎城區(qū)道路交通揚(yáng)塵排放的研究得出，道路交通揚(yáng)塵的PM10排放量占城市PM10年均排放量的60%。國內(nèi)道路交通揚(yáng)塵排放的研究主要集中在京津冀[6]23,[7]、珠三角[8],[9]2661等城市和地區(qū)，對(duì)于西北地區(qū)城市的道路交通揚(yáng)塵排放特征還知之甚少。

渭南位于陜西關(guān)中平原東部，是陜西東部地區(qū)政治經(jīng)濟(jì)文化中心和交通樞紐，受地形和氣象條件的影響，該地區(qū)污染物擴(kuò)散條件較差。分析近3年的“陜西省統(tǒng)計(jì)年鑒”發(fā)現(xiàn)，渭南機(jī)動(dòng)車保有量平均每年增加9.2%。

因此，本研究對(duì)渭南主城區(qū)道路積塵負(fù)荷進(jìn)行實(shí)測，并收集不同類型道路上機(jī)動(dòng)車活動(dòng)水平信息，采用AP-42模型[10]計(jì)算渭南主城區(qū)道路交通揚(yáng)塵排放的顆粒物，并分析不同路型、不同車型對(duì)道路交通揚(yáng)塵排放顆粒物的影響以及日變化特征，為道路交通揚(yáng)塵污染治理提供決策依據(jù)。

1 研究方法

1.1 道路積塵負(fù)荷監(jiān)測

根據(jù)渭南主城區(qū)路網(wǎng)實(shí)際情況分別在主干道、次干道、支路、省道、國道和高速共計(jì)45條道路(見表1)上進(jìn)行了道路積塵負(fù)荷監(jiān)測。

道路積塵負(fù)荷監(jiān)測方法遵循《防治城市揚(yáng)塵污染技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 393—2007)要求，采用道路積塵負(fù)荷車載式快速監(jiān)測系統(tǒng)[11]開展走航監(jiān)測。

1.2 道路交通揚(yáng)塵顆粒物排放量估算

利用排放因子法對(duì)渭南主城區(qū)2018年道路交通揚(yáng)塵顆粒物排放量進(jìn)行估算，計(jì)算方法如式(1)所示。

Q=N×E×L×V

(1)

式中：Q為某一道路類型的交通揚(yáng)塵顆粒物年排放量，kg；N為基準(zhǔn)年天數(shù)，d，取365 d；E為某一道路類型的交通揚(yáng)塵顆粒物排放因子，kg/(km·輛)；L為某一道路類型的總長，km；V為某一道路類型上的日均交通量，輛/d。

本研究計(jì)算排放因子時(shí)用的積塵負(fù)荷是在常規(guī)條件下監(jiān)測的，即在道路日常灑水2 h后路面干燥情況下走航監(jiān)測，不必考慮道路污染控制措施的控制效率，故采用美國環(huán)境保護(hù)署(USEPA)的AP-42模型來計(jì)算道路交通揚(yáng)塵顆粒物排放因子(見式(2))。

E=K×SL0.91×W1.02×(1-P/4N)

(2)

式中：K為揚(yáng)塵顆粒物粒度乘數(shù)，g/km ；SL為某一道路類型的積塵負(fù)荷，g/m2；W為某一道路類型的平均車重，t；P為基準(zhǔn)年內(nèi)可見降水天數(shù)(即降水量大于0.254 mm的天數(shù))，d，渭南2018年可見降水天數(shù)為89 d。

揚(yáng)塵顆粒物粒度乘數(shù)參考USEPA的推薦值，PM2.5和PM10的粒度乘數(shù)分別取0.15、0.62 g/km。

日均交通量通過向當(dāng)?shù)亟还懿块T收集主要道路卡口視頻資料并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到，同時(shí)計(jì)算車流量系數(shù)[6]23；平均車重通過對(duì)當(dāng)?shù)貦C(jī)動(dòng)車檢測中心提供的不同車型平均重量、不同車型機(jī)動(dòng)車占比等信息計(jì)算得到。渭南主城區(qū)各道路類型上的日均交通量和平均車重見表2。

利用ArcGIS 10.2軟件的解譯功能得到不同道路類型的總長，結(jié)果見表3。

2 結(jié)果與討論

2.1 道路積塵負(fù)荷特征分析

2.1.1 不同道路類型積塵負(fù)荷分布特征

由表4可知，渭南主城區(qū)各道路類型平均積塵負(fù)荷大小順序?yàn)椋褐?次干道>省道>主干道>國道>高速，分別為1.79、1.22、1.08、0.94、0.71、0.05 g/m2。渭南位于西北地區(qū)，氣候干燥，且易受沙塵暴影響，降塵量相對(duì)較大[12]。通過對(duì)渭南主城區(qū)監(jiān)測道路的積塵負(fù)荷及監(jiān)測距離加權(quán)平均得到積塵負(fù)荷的平均值為1.03 g/m2，比樊守彬等[6]22對(duì)北京的研究結(jié)果高出約2倍，但不同類型道路的積塵負(fù)荷分布特征相似。支路積塵負(fù)荷大，主要由于支路車流量小而行人活動(dòng)相對(duì)密集，且道路清潔頻率較低；高速積塵負(fù)荷小，主要由于車流量大、車速快，機(jī)動(dòng)車行駛過程造成的空氣擾動(dòng)使路面積塵揚(yáng)起，導(dǎo)致路面積塵少。

表1 積塵負(fù)荷監(jiān)測道路

表2 渭南主城區(qū)不同道路類型日均交通量和平均車重

表3 渭南主城區(qū)不同道路類型的總長

表4 渭南主城區(qū)不同道路類型積塵負(fù)荷

2.1.2 道路灑水前后的積塵負(fù)荷比較

選擇不同道路類型的共計(jì)10條道路比較了灑水前以及灑水2 h后路面干燥情況下的積塵負(fù)荷，結(jié)果如圖1所示。由圖1可見，大部分道路均是灑水后的積塵負(fù)荷低于灑水前，灑水后積塵負(fù)荷相較于灑水前平均下降11.3%，可見灑水作業(yè)對(duì)城市道路積塵有較好的去除效果。

圖1 灑水前后的積塵負(fù)荷比較Fig.1 Comparison of dust loading before and after sprinkling

2.2 道路交通揚(yáng)塵顆粒物排放因子

2.2.1 不同道路類型的交通揚(yáng)塵顆粒物排放因子

圖2顯示，各道路類型的交通揚(yáng)塵PM2.5、PM10排放因子大小順序均為：支路>省道>次干道>國道>主干道>高速，與不同道路類型積塵負(fù)荷分布特征基本一致，這與北京[6]23和珠江三角洲[9]2660的交通揚(yáng)塵顆粒物排放因子研究結(jié)果一致，說明道路積塵負(fù)荷是道路交通揚(yáng)塵顆粒物排放因子的主要影響因素。總體而言，PM10的排放因子大于PM2.5。

圖2 渭南主城區(qū)不同道路類型交通揚(yáng)塵的排放因子Fig.2 Fugitive dust emission characteristics of different road types in main urban area of Weinan

2.2.2 不同車型對(duì)排放因子的影響

不同道路類型上車型分布不同，對(duì)平均車重有重要影響，依據(jù)各道路類型上平均車重的相似性將研究的6種道路類型合并為城市道路(包括主干道、次干道和支路)、國省道(包括國道和省道)和高速3類，用于討論不同車型對(duì)交通揚(yáng)塵顆粒物排放因子的影響。由圖3可見，不同道路類型上，不同車型的交通揚(yáng)塵顆粒物排放因子大小排序規(guī)律基本相同，即重型貨車>大型客車>中型貨車>中型客車>輕型貨車>小型客車>摩托車，可以看出車重越大，排放因子越大。

2.3 道路交通揚(yáng)塵顆粒物排放量

2.3.1 不同道路類型交通揚(yáng)塵顆粒物年排放量

由表5可見，渭南主城區(qū)道路交通揚(yáng)塵的PM2.5和PM10年排放量分別為1 149.65、4 751.88 t，其中由于主干道車流量大且道路總長最長，其PM2.5、PM10年排放量最大，分別為565.55、2 337.60 t，而國道最小，分別為44.42、183.59 t。

2.3.2 不同車型對(duì)道路交通揚(yáng)塵顆粒物排放量的影響

分析表6可知，同一道路類型，各車型的PM2.5和PM10年排放量分擔(dān)率相同。計(jì)算不同道路類型上各車型的PM2.5或PM10年排放量分擔(dān)率發(fā)現(xiàn)，不同車型在不同道路類型上引起的交通揚(yáng)塵顆粒物排放分擔(dān)率差別較大。城市道路上交通揚(yáng)塵顆粒物排放主要來源于小型客車，分擔(dān)率達(dá)到59.49%，其次是大型客車，分擔(dān)率為30.46%；國省道上小型客車的交通揚(yáng)塵顆粒物年排放量分擔(dān)率為41.46%，重型貨車為36.75%；而重型貨車在高速上的分擔(dān)率最大(63.35%)。

圖3 不同車型的排放因子Fig.3 Emission factors of different vehicle types

表5 渭南主城區(qū)2018年不同道路類型交通揚(yáng)塵顆粒物年排放量

2.3.3 道路交通揚(yáng)塵顆粒物排放日變化特征

由圖4可見，渭南主城區(qū)城市道路的車流量系數(shù)日變化趨勢(shì)相似，均呈現(xiàn)出明顯的雙峰分布特征，而國省道和高速由于受早晚高峰的影響較小，雙峰日變化特征不如城市道路明顯。

圖4 渭南主城區(qū)不同道路類型車流量系數(shù)日變化特征Fig.4 Diurnal variation characteristics of traffic flow coefficients of different road types in main urban area of Weinan

由于道路交通揚(yáng)塵PM2.5和PM10小時(shí)排放量的日變化趨勢(shì)一致，因此以PM10的小時(shí)排放量日變化數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析(見圖5)。PM10小時(shí)排放量日變化趨勢(shì)與各道路類型的車流量系數(shù)日變化基本一致，說明車流量是影響道路交通揚(yáng)塵顆粒物排放量的重要因素。城市道路上，早高峰(7:00—9:00)與晚高峰(17:00—19:00)時(shí)道路揚(yáng)塵PM10小時(shí)排放量出現(xiàn)明顯的峰值。國省道和高速上由于車流量受早晚高峰的影響較小，其道路揚(yáng)塵PM10小時(shí)排放量的雙峰分布不明顯，總體上白天排放量明顯高于夜間。但是高速上夜間排放量較高，這是因?yàn)橐归g高速上中重型貨車車流量較大。

表6 渭南主城區(qū)2018年不同車型的道路交通揚(yáng)塵顆粒物年排放量

注：小時(shí)排放量計(jì)算方法參照式(1)，N改為時(shí)間，取1 h；V改為某一道路類型上的時(shí)均交通量，輛/h；同時(shí)假設(shè)E全年不變。

圖5 渭南主城區(qū)不同道路類型交通揚(yáng)塵PM10
小時(shí)排放量日變化特征
Fig.5 Diurnal variation characteristics of PM10hourly
emissions of different road types in main
urban area of Weinan

3 結(jié) 論

(1) 渭南主城區(qū)支路、次干道、省道、主干道、國道和高速積塵負(fù)荷分別為1.79、1.22、1.08、0.94、0.71、0.05 g/m2；灑水2 h后積塵負(fù)荷較灑水前平均下降11.3%。

(2) 渭南主城區(qū)各道路類型的交通揚(yáng)塵顆粒物排放因子大小順序均為：支路>省道>次干道>國道>主干道>高速，與不同道路類型積塵負(fù)荷分布特征相似；不同車型的交通揚(yáng)塵顆粒物排放因子與平均車重呈正相關(guān)關(guān)系，表現(xiàn)為：重型貨車>大型客車>中型貨車>中型客車>輕型貨車>小型客車>摩托車。

(3) 渭南主城區(qū)道路交通揚(yáng)塵PM2.5和PM10的年排放量分別為1 149.65、4 751.88 t。城市道路上交通揚(yáng)塵顆粒物排放主要來源于小型客車，分擔(dān)率達(dá)到59.49%；國省道也主要來源于小型客車，分擔(dān)率為41.46%；高速主要來源于重型貨車，分擔(dān)率為63.35%。

(4) 不同道路類型交通揚(yáng)塵PM2.5、PM10小時(shí)排放量的日變化趨勢(shì)與車流量系數(shù)一致，城市道路早晚高峰出現(xiàn)明顯的雙峰日變化特征，而國省道和高速雙峰日變化特征不明顯。