西安市春季典型交通道路黑碳氣溶膠的排放特征

吳 創,譚志海,韓 通,高 博,楊 柳,李冬雪

(西安工程大學 環境與化學工程學院,陜西 西安 710048)

0 引 言

黑碳(black carbon, BC)氣溶膠是大氣氣溶膠的重要組成部分,主要由含碳物質的不完全燃燒造成,例如汽車尾氣、燃煤發電等都能排放黑碳氣溶膠[1]。黑碳氣溶膠具有很強的吸附性,其表面能夠吸附其他污染物(如多環芳烴類、重金屬等)。這些污染物粒子可以通過呼吸作用進入人體,從而引起呼吸系統疾病、心血管疾病、癌癥等疾病。因此，黑碳氣溶膠粒子能對人體健康產生極大危害[2-4]。黑碳氣溶膠中含有有機碳,有機碳中含有難降解碳[5]。黑碳氣溶膠在大氣中有較長的壽命,能降低能見度,改變平流層臭氧，造成光化學煙霧并參與全球生物地球化學循環以及直接和間接的影響氣候變化等[6]。目前,對城市大氣環境中黑碳氣溶膠的監測主要通過一個或多個站點的固定平臺進行長周期測量,進而對黑碳氣溶膠的時空分布特征及理化特性進行分析[7]。機動車發動機在勻速工況、減速工況、加速工況、怠速工況下,相應的黑碳濃度排放放特征需要進一步研究[8-9]。特別是在人口和交通密度高的地方,很大一部分城市居民每天接觸這些有害的大氣復合污染物,使得死亡率和發病明顯提高[10]。因此，研究道路交通的黑碳排放有助于人們對黑碳氣溶膠來源進行防控。本文研究西安市典型道路黑碳排放問題，揭示道路黑碳排放的特征及原因。

1 實 驗

1.1 采樣點選取

對小寨十字天橋進行連續 4 d 的監測,時間為2018年5月8至11日，共4 d。小寨十字天橋有3個布點，分別是小寨天橋底(距地面1.2 m)、小寨天橋上(距地面5.7 m)及距天橋底20 m處的10層樓處(距地面31.2 m)。對長樂中路與幸福北路的交叉口進行1 d的監測,時間為2018年5月23日。將紅燈信號開始到綠燈信號結束之間的時間設為一個周期,進行4個周期的黑碳濃度監測。對西安世博園進行1 d的監測,時間為2018年5月23日,作為黑碳濃度背景值。對西安市長樂中路10個布點進行2 d的監測,時間為4月14日下午非車流量高峰期(13:54—15:03)與晚上車流量高峰期(18:48—19:27),5月23日下午非車流量高峰期(15:06—16:12)與晚上車流量高峰期(17:54—18:34)。具體采樣點分布如圖1所示。

圖 1 采樣點位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the sampling point location

1.2 實驗方法

實驗儀器為 Aethlabs AE-51黑碳儀。儀器工作原理:外界的黑碳氣溶膠顆粒落在包裹在t60 特氟龍(Teflon)的硼硅酸鹽玻璃上,880 nm的射線透過時,會有一定的衰弱,通過這種衰弱測出黑碳的質量濃度。實驗采用間隔為10 s,流量為100 mL·min-1的操作模式[11]。在定點監測時，首先將黑碳儀打開并使黑碳儀距里地面1.15 m,使得黑碳儀每隔10 s記錄一次環境黑碳質量濃度(以下簡稱濃度),然后持續一段時間,關閉黑碳儀。定點黑碳濃度取監測時間內的平均黑碳濃度。

2 結果與討論

2.1 實驗結果

長樂中路4月14日下午道路黑碳質量濃度最低值為8.7 μg·m-3,最高值為16.4 μg·m-3,平均值為4.0 μg·m-3。4月14日晚上道路黑碳質量濃度最低值為1.5 μg·m-3,最高值為32.0 μg·m-3,平均值為5.7 μg·m-3。5月23日下午道路黑碳質量濃度最低值為1.3 μg·m-3,最高值為9.8 μg·m-3,平均值為3.8 μg·m-3。5月23日晚上道路黑炭濃度最低值為2.5 μg·m-3,最高值為8.1 μg·m-3,平均值為5.0 μg·m-3。晚上道路黑碳質量濃度整體大于下午道路黑碳質量濃度。小寨天橋5月8日在距地面1.2,5.7,31.2 m處黑碳質量濃度分別為8.6,2.9,1.7 μg·m-3。5月9日在距地面1.2,5.7,31.2 m處黑碳質量濃度分別為1.8,1.6,1.5 μg·m-3。5月10日在距地面1.2,5.7,31.2 m處黑碳質量濃度分別為4.4,3.9,3.0 μg·m-3。5月11日在距地面1.2,5.7,31.2 m處黑碳質量濃度分別為4.1,2.2,1.9 μg·m-3。黑碳質量濃度整體隨距地面高度增加而減小。在紅綠燈口，紅燈時黑碳質量濃度為2.4,3.0,0.6，4.4 μg·m-3，綠燈時黑碳質量濃度4.0,5.5,4.7,4.4 μg·m-3，紅燈時道路黑碳質量濃度整體小于綠燈時。

2.2 機動車流量變化對黑碳濃度變化的影響

對西安市長樂中路道路黑碳濃度進行監測。4月14日下午道路黑碳質量濃度集中在1.3 μg·m-3(下四分位數)與3.6 μg·m-3(上四分位數)范圍內變化,當晚道路黑碳質量濃度則集中在2.7 μg·m-3(下四分位數)與3.6 μg·m-3(上四分位數)之間變化。5月23日下午道路黑碳質量濃度集中在2.5 μg·m-3(下四分位數)與4.4 μg·m-3(上四分位數)之間變化,而當晚道路黑碳質量濃度則集中在3.9 μg·m-3(下四分位數)與5.8 μg·m-3(上四分位數)之間變化。道路黑碳質量濃度整體上均高于該區域同時期大氣黑碳背景值濃度2.3 μg·m-3。這是因為汽油柴油等機動車用油在不完全燃燒時會產生黑碳氣溶膠。從同一天不同時間段道路黑碳濃度來看,下午黑碳排放濃度高于晚上黑碳排放濃度。 此時，下午(14:00:00—17:00:00)車流量平均為2 002 輛/h,晚間(17:00:00—20:00:00)車流量達到3 612 輛/h,晚間高峰期車流量明顯高于下午平峰期車流量[12]。下午到晚上，隨著道路車流量增加,污染物濃度也隨之增加[13]，車流量增加,道路上黑碳排放源增多，導致道路黑碳氣溶膠濃度增大。可見,交通道路黑碳濃度變化與道路車流量變化密切相關。

圖 2 長樂中路黑碳質量濃度箱型圖Fig.2 Box chart of black carbon concentrationin middle Changle road

2.3 黑碳濃度垂直變化與高程變化的關系

對小寨天橋道路黑碳濃度進行監測，結果如圖3。由圖3可知，當監測點由近地面高度逐漸增高(1.2，5.7，31.2 m),5月8日黑碳質量濃度分別減少5.7，1.2 μg·m-3, 濃度減少率分別為66.3%，41.4%；5月9日黑碳減少0.2，0.1 μg·m-3,濃度減少率為11.1%，6.3%；5月10日黑碳減少0.5，0.9 μg·m-3,濃度減少率為11.4%，23.1%；5月11日黑碳減少1.9，0.3 μg·m-3,濃度減少率為46.3%，13.6%。這是因為道路黑碳濃度變化明顯取決于近地面大氣湍流強弱變化和地形條件，隨著監測點高程增加,大氣湍流作用逐步增強,風的擴散作用加強,進而使得黑碳濃度下降。可見,道路黑碳濃度受到近地面大氣湍流變化的影響。

圖 3 小寨天橋黑碳質量濃度隨地面高度變化Fig.3 Black Carbon concentration of the Xiaozhai overpass varies with the height of the ground

2.4 紅綠燈口黑碳排放與機動車運行工況的關系

研究表明,紅綠燈口處人行道上的顆粒物濃度遠大于非紅綠燈口處顆粒物濃度[14]。出入長樂中路十字路口機動車輛處于動態平衡狀態。十字路口紅色信號燈執行時,進入等待區車輛大多數處于減速工況,而綠燈執行時刻車輛大多數處于加速工況[15-17]。隨著十字路口的紅綠燈信號變化,汽車工況改變,機動車黑碳排放狀態也隨之變化。對長樂中路與幸福北路交叉路口進行黑碳濃度監測，結果如圖4所示。由圖4可見，在第1個周期內,紅燈時黑碳質量濃度較綠燈時黑碳質量濃度減少了1.6 μg·m-3,減少率為40.0%；在第2個周期內,紅燈時黑碳質量濃度較綠燈時黑碳質量濃度減少了2.5 μg·m-3,減少率為45.5%；在第3個周期內,紅燈時黑碳質量濃度較綠燈時黑碳質量濃度減少了4.1 μg·m-3,減少率為87.2%；在第4個周期內,紅燈時黑碳質量濃度較綠燈時黑碳質量濃度減少了0.04 μg·m-3,減少率為0.8%。長樂中路非紅綠燈口處平均黑碳質量濃度為3.1 μg·m-3,非紅綠燈口處機動車大多數處于怠速工況。可見，非紅綠燈處黑碳質量濃度小于綠燈時黑碳質量濃度,而大于紅燈時黑碳質量濃度,說明汽車在怠速工況下黑碳排放濃度是介于汽車在加速工況與減速工況下黑碳排放濃度的。這是因為機動車在加速工況時,燃燒室中燃油多,空氣少,燃燒室內呈現缺氧狀態,燃油不能夠充分燃燒,產生大量的碳氫化合物,即燃油沒有全部用來做功,導致道路黑碳氣溶膠排放大量增加。機動車在減速工況時,燃燒室中燃油少,空氣多,產生黑碳氣溶膠較少,而機動車在怠速工況下燃油利用效率介于兩者之間[15-17]。可見,交通十字路口機動車黑碳排放強弱受到車輛運行工況的影響較大。

圖 4 黑碳質量濃度在紅綠燈口的變化Fig.4 Variation of black carbon concentrationin red and green light outlets

3 結 論

1) 定點監測的黑碳濃度特征表明,機動車流量顯著影響道路黑碳濃度,隨著車流量的減小,道路黑碳濃度明顯下降。

2) 從高度與道路黑碳濃度的關系來看,黑碳濃度隨高度增大先急劇減小,然后緩慢減小。道路上空黑碳濃度受近地面大氣湍流變化影響。

3) 紅綠燈口黑碳濃度監測表明,機動車在加速工況下黑碳排放濃度大于在怠速工況下黑碳排放濃度,而機動車在怠速工況下黑碳排放濃度大于減速工況下黑碳排放濃度。機動車黑碳排放濃度與機動車運行工況密切相關。