北京市密云區(qū)道路揚塵排放特征及融雪劑使用的影響*

崔浩然 樊守彬 韓力慧 李婷婷 曲 松 劉俊芳

(1.北京工業(yè)大學環(huán)境與能源工程學院，區(qū)域大氣復合污染防治北京市重點實驗室，北京 100124；2.北京市環(huán)境保護科學研究院，北京 100037；3.國家城市環(huán)境污染控制工程技術研究中心，北京 100037)

諸多研究表明，揚塵是城市大氣顆粒物的主要貢獻者之一，道路揚塵是主要的揚塵源，具有分布廣、規(guī)模大和監(jiān)測難的特點，是城市揚塵防治中的重點和難點[1-3]。HUANG等[4]研究表明，道路揚塵對PM10的貢獻率為16%～30%。WEI等[5]研究表明，北京市道路揚塵對PM2.5的貢獻率為13%。竹濤等[6]503采用AP-42法建立了北京市道路揚塵排放清單，給出了北京市各類型道路揚塵排放因子。FAN等[7]采用AP-42法建立了北京市奧運會期間的道路揚塵排放清單，探究了道路塵負荷對揚塵排放的影響。道路塵負荷是道路揚塵的重要排放來源，對城市道路揚塵排放量有顯著影響。王凱等[8]2使用車載移動監(jiān)測法對北京市延慶區(qū)道路塵負荷進行監(jiān)測指出，路面破損程度和施工活動會顯著提高道路塵負荷。DENBY等[9]研究斯德哥爾摩降雪后的揚塵排放特征時指出，殘留的融雪劑增加了10%的揚塵排放量。國內關于殘留的融雪劑對道路塵負荷及道路揚塵的影響研究還幾乎未見報道。

考慮到北京市道路揚塵排放特征的研究重點集中在平原區(qū)，對山區(qū)的資料掌握不足，故本研究在北京市選擇了平原區(qū)和山區(qū)共存的密云區(qū)進行研究。密云區(qū)東部、北部和南部三面環(huán)山，西部為平原，冬季常發(fā)生強降雪事件，常需大面積施撒融雪劑。本研究利用車載移動監(jiān)測法，于2019年對密云區(qū)的平原區(qū)和山區(qū)的主要道路進行了道路塵負荷監(jiān)測，計算揚塵排放量，并研究了路面殘留的融雪劑對道路塵負荷和道路揚塵排放的影響。

1 方 法

1.1 道路塵負荷監(jiān)測

所選道路均為鋪裝道路，類型包括國道、省道、縣道、鄉(xiāng)道和村道。道路塵負荷監(jiān)測于2019年進行，每月監(jiān)測3 d。在監(jiān)測期間內，監(jiān)測道路附近無建筑施工工地，無風速大于4 m/s的大風天氣出現，若監(jiān)測前路面因降雨降雪或日常道路灑水保潔而濕潤，則等路面干燥后再進行監(jiān)測。為進行融雪劑使用對道路塵負荷和道路揚塵排放量的影響專項研究，12月的監(jiān)測時間特意選擇在了降雪停止后2 d內，平原區(qū)路面明顯有融雪劑殘留。

道路塵負荷監(jiān)測采用車載移動監(jiān)測法，根據輪胎后的二次揚塵顆粒物和車頂的背景顆粒物濃度差值計算道路塵負荷[10]。顆粒物的監(jiān)測使用的是2臺車載DustTrak8530顆粒物監(jiān)測儀(美國TSI公司)，監(jiān)測粒徑為0.1～10.0 μm，時間分辨率為1 s；利用Map60CS全球定位系統(tǒng)(GPS)(美國Garmin公司)同步記錄定位、監(jiān)測數據時間、經緯度、車速和方向，數據記錄的時間間隔設定為1 s。

1.2 道路揚塵排放因子計算

本研究的道路揚塵排放因子計算依據廣泛應用于計算鋪裝道路揚塵排放因子的AP-42法(見式(1))[11]2-3，以1年為基準進行計算。

(1)

式中：E為道路揚塵(包括了總懸浮顆粒物(TSP)、PM10和PM2.5)排放因子，g/(輛·km)；k為粒度修正系數，計算TSP、PM10和PM2.5時分別取3.23、0.62、0.15；sL為道路塵負荷，g/m2；W為機動車平均車重，t；P為1年內降水量大于0.254 mm的天數，本研究中2019年為65 d；N為1年的天數，取365 d。

機動車平均車重根據式(2)[11]2-3計算。

(2)

式中：ui為第i種機動車的平均車重，t；ai為第i種機動車占總機動車數的比例，%。

1.3 道路揚塵排放強度計算

道路揚塵排放強度通過道路揚塵排放因子與車流量乘積計算后得到。

1.4 道路揚塵排放量計算

根據式(3)計算每條道路的揚塵排放量。道路塵負荷和道路揚塵排放量的空間分布圖利用ArcGIS軟件把密云區(qū)劃分成1 km×1 km的網格，將道路與網格疊加后剔除不存在道路的網格得到。

Q=E×L×V

(3)

式中：Q為道路揚塵日排放量，g/d；L為道路長度，km；V為車流量，輛/d。按1個月30 d，1年365 d可以換算成月排放量和年排放量。

1.5 數據來源

根據密云交通管理局提供的各種機動車的平均車重和車流量監(jiān)測數據，整理得到密云區(qū)不同類型道路的車流量和平均車重(見表1)，以及不同區(qū)域道路的車流量和平均車重(見表2)。第i種機動車占總機動車數的比例根據相應的車流量計算。

表1 不同類型道路車流量和平均車重

表2 不同區(qū)域道路車流量和平均車重

2 結果與分析

2.1 密云區(qū)道路塵負荷特征

2.1.1 不同類型道路塵負荷特征

由圖1可見，不同類型道路塵負荷均值表現為村道>鄉(xiāng)道>縣道>國道>省道，分別為1.30、1.00、0.55、0.38、0.36 g/m2，總體與車流量呈負相關的特點，這可能是由于車流量大導致路面積塵揚起，降低道路塵負荷[12]176。值得注意的是，國道的塵負荷高于省道，與它們的車流量呈正相關，這可能是由于國道中的車輛以貨車為主。有研究表明，貨車流量高的地區(qū)，其道路塵負荷有明顯增高的趨勢，這可能是由于貨車車重較大，對路面積塵揚起的作用相對較弱，同時貨車由于大部分往返于工地，夾帶的塵土又會增加道路塵負荷[13-14]。王凱等[8]42017年對北京市延慶區(qū)不同類型道路進行塵負荷監(jiān)測發(fā)現，村道>鄉(xiāng)道>縣道>省道>國道，分別為2.55、1.35、0.97、0.71、0.56 g/m2，整體上略高于本研究，規(guī)律與本研究基本一致。而竹濤等[6]506在北京市市區(qū)內的研究結果是，積塵負荷次干道>快速路>支路>主干道，分別為2.54、2.34、2.19、1.75 g/m2。由此可見，北京市市區(qū)內的道路塵負荷高于郊區(qū)，并且不同類型道路的差別不大，而郊區(qū)不同類型道路塵負荷相差較大。

圖1 密云區(qū)不同類型道路塵負荷Fig.1 Road dust load of different types’ roads in Miyun

2.1.2 不同區(qū)域道路塵負荷特征

圖2為密云區(qū)的平原區(qū)和山區(qū)道路塵負荷月均值，其中1月的平均值最低(0.31 g/m2)，8月的平均值最高(1.29 g/m2)。平原區(qū)與山區(qū)相比，1—11月平原區(qū)道路塵負荷低于山區(qū)，其中山區(qū)道路塵負荷在2—11月均高于了1 g/m2，而平原區(qū)道路塵負荷最高值出現在12月，可能與融雪劑的使用有關。主要原因是，山區(qū)道路周邊裸土較多，受風力或降水沖刷作用易增加道路塵負荷，且山區(qū)道路一般沒有保潔工作；相關研究表明，道路塵負荷隨車流量增大而降低[12]176，平原區(qū)道路較高的車流量使路面積塵容易被揚起，從而降低道路塵負荷。

圖2 密云區(qū)不同區(qū)域道路塵負荷月均值Fig.2 Monthly road dust load of different areas’ roads in Miyun

2.1.3 使用融雪劑對平原區(qū)道路塵負荷的影響

由圖2已知，平原區(qū)道路塵負荷相對較低，最高值出現在12月，而且12月平原區(qū)的道路塵負荷高于了山區(qū)，并且是同為冬季的1、2月的4.0、1.9倍。12月監(jiān)測時平原區(qū)道路附近均無施工工地，可排除建筑施工增加道路塵負荷。由圖3可知，同為冬季的1、2、12月密云區(qū)的各種機動車組成差別不大，車流量分別為6 154、5 478、5 697輛/d，也差別不大，因此也可排除交通條件對道路塵負荷的影響。監(jiān)測的氣象條件基本上是一致的，因此也可排除氣象條件的影響。從圖4中冬季道路塵負荷空間分布可知，12月道路塵負荷較高的區(qū)域主要集中在西南部的平原區(qū)，而1、2月平原區(qū)無大范圍道路塵負荷較高區(qū)域。根據現場調研知道，12月監(jiān)測時西南部的平原區(qū)道路路面明顯有融雪劑殘留，而1、2月監(jiān)測前無降雪過程，因此推斷使用融雪劑是12月平原區(qū)道路塵負荷增高的重要原因。

圖3 冬季密云區(qū)道路機動車組成和車流量Fig.3 Vehicle structure and traffic flow in Miyun in winter

圖4 冬季密云區(qū)道路塵負荷空間分布Fig.4 Spatial distribution of road dust load in Miyun in winter

2.2 密云區(qū)道路揚塵排放特征

2.2.1 不同類型道路揚塵排放特征

不同類型道路的揚塵排放因子計算結果見表3，不同類型道路揚塵排放因子大小與道路塵負荷大小順序并不相同，原因是道路揚塵排放因子是受道路塵負荷和機動車平均車重的綜合影響的，國道道路塵負荷雖低，但其大貨車占比高，平均車重最大；村道的塵負荷雖高，但機動車平均車重較小。

表3 密云區(qū)不同類型道路揚塵排放因子

不同類型道路的揚塵排放強度見表4。國道的揚塵排放強度遠高于其他類型道路，主要是由于車流量遠大于其他道路。省道和縣道的揚塵排放因子和車流量較為接近，因此排放強度差異不明顯。鄉(xiāng)道和村道由于揚塵排放因子和車流量較小，使得排放強度較小。

表4 密云區(qū)不同類型道路揚塵排放強度

不同類型道路揚塵年排放量見表5，TSP、PM10和PM2.5的年排放量分別達到23 060、4 426、1 071 t/a。

表5 密云區(qū)不同類型道路揚塵年排放量

2.2.2 不同區(qū)域道路揚塵排放特征

對比表6中平原區(qū)和山區(qū)的揚塵排放因子發(fā)現山區(qū)大于平原區(qū)，這主要是因為山區(qū)的道路塵負荷高于平原區(qū)。但對比表7中的揚塵排放強度和表8中的揚塵年排放量，發(fā)現都是平原區(qū)大于山區(qū)。雖然平原區(qū)道路塵負荷低于山區(qū)，但結合表2可知，平原區(qū)的車流量遠大于山區(qū)，由于車流能夠使路面積塵快速揚起[12]176，因此導致平原區(qū)的揚塵排放強度和揚塵年排放量高于山區(qū)。由圖5的道路揚塵日排放量空間分布可見，TSP、PM10和PM2.5的日排放量分別為20～2 000、5～400、5～100 kg/d，變化幅度較大。部分山區(qū)道路排放量較高主要是在有國道經過的地方，因國道車流量大，貨車占比高。

圖5 密云區(qū)道路揚塵日排放量空間分布Fig.5 Spatial distribution of daily road dust emissions in Miyun

表6 密云區(qū)不同區(qū)域道路揚塵排放因子

表7 密云區(qū)不同區(qū)域道路揚塵排放強度

表8 密云區(qū)不同區(qū)域道路揚塵年排放量

2.2.3 使用融雪劑對平原區(qū)道路揚塵排放的影響

由表9中冬季平原區(qū)道路揚塵排放因子、揚塵排放強度和揚塵月排放量可知，12月平原區(qū)道路揚塵排放因子、揚塵排放強度和揚塵月排放量均高于1、2月，進一步說明了12月平原區(qū)路面殘留的融雪劑可能提高了道路塵負荷，使得平原區(qū)道路揚塵排放增加。

表9 冬季平原區(qū)道路揚塵排放指標

2.3 融雪劑對道路塵負荷和道路揚塵排放的影響機制探討

前已述及，使用融雪劑能增加道路塵負荷，在機動車組成和車流量較為一致的條件下，就會成為增加道路揚塵排放的重要原因，其主要影響機制可歸納為兩點：(1)路面殘留的融雪劑直接貢獻了道路塵負荷。12月平原區(qū)有強降雪事件發(fā)生，為使平原區(qū)道路迅速通行，大面積施撒了融雪劑，待路面積雪融化、積水蒸發(fā)后，融雪劑就殘留在了路面[15]。目前，國內在道路保潔方面采取的主要管控措施是清掃和灑水沖刷，清掃對揚塵的控制效率為6%～19%，灑水沖刷為 46%～66%，因此灑水沖刷是城市揚塵管控的主要措施。但灑水沖刷受到氣溫的限制，室外氣溫低于3 ℃ 時將停止路面灑水沖刷[16]，只能采用清掃措施，所以道路塵負荷就會處于較高水平，密云區(qū)12月降雪使用融雪劑后，平均氣溫只有-1.4 ℃，無法使用灑水沖刷措施，致使部分融雪劑殘留于路面，增加了道路塵負荷，進而增加了道路揚塵排放。(2)融雪劑中的氯鹽成分可能會延長地面濕潤時間，使得路面積攢更多道路塵負荷，進而增加揚塵排放。道路塵負荷在路面環(huán)境處于干燥狀態(tài)時會隨著氣流擾動而再懸浮于大氣環(huán)境中[17]，當路面處于濕潤環(huán)境時則可很大程度上抑制道路塵負荷再懸浮。因此，若路面濕潤時間延長，則將吸附更多道路塵負荷，而融雪劑很可能就是延長路面濕潤的關鍵因素。DENBY等[18]通過實際測量和NORTRIP模型模擬發(fā)現，在路面有融雪劑存在的條件下，路面潮濕的總小時數會增多6%。原因是因為融雪劑中的氯鹽成分(NaCl、CaCl2和MgCl2等)具有高的吸濕性[19]，在融雪劑表面可形成表面吸附水[20-22]，因此延長了路面濕潤時間。

因此，冬季降雪后在保障道路交通安全的前提下，建議適量使用融雪劑，降雪停止后需要及時對路面殘留的融雪劑進行清掃，最好能灑水沖刷。

3 結 論

(1) 密云區(qū)不同類型道路塵負荷均值表現為村道>鄉(xiāng)道>縣道>國道>省道，分別為1.30、1.00、0.55、0.38、0.36 g/m2。不同類型道路的TSP、PM10和PM2.5年排放量分別為23 060、4 426、1 071 t/a。

(2) 對比平原區(qū)和山區(qū)的道路塵負荷可知，1—11月平原區(qū)道路塵負荷均低于山區(qū)，而12月平原區(qū)受路面殘留融雪劑的影響道路塵負荷高于山區(qū)。對比平原區(qū)和山區(qū)的排放特征可知，平原區(qū)道路揚塵排放因子小于山區(qū)，但揚塵排放強度和揚塵年排放量大于山區(qū)。受路面殘留融雪劑的影響，平原區(qū)冬季12月的道路揚塵排放因子、排放強度和排放量都高于冬季1、2月。

(3) 融雪劑增加道路塵負荷和揚塵排放的機制主要有兩點：路面殘留的融雪劑直接貢獻了道路塵負荷；融雪劑中的氯鹽成分可能延長地面濕潤時間，使路面積攢更多道路塵負荷，進而增加揚塵排放。建議使用融雪劑要適量，使用后要及時清除路面殘留的融雪劑。