周戀彤,董黎明,趙 鈺

北京工商大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，北京 100048

城市道路灰塵是指來自于人為源(汽車尾氣排放、部件以及路面磨損等)直接排放或土壤侵蝕的懸浮顆粒物沉積在戶外道路界面形成的固態(tài)顆粒物[1-2]，是環(huán)境污染物的“源”和“匯”，并對(duì)區(qū)域環(huán)境污染程度、人類活動(dòng)狀況具有良好指示作用[3-4]。在風(fēng)力、機(jī)動(dòng)車和人群活動(dòng)等外動(dòng)力條件下，道路灰塵可再懸浮與大氣顆粒物相互轉(zhuǎn)化，形成典型的“點(diǎn)、線、面”型污染，從而對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)造成環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)與健康威脅[1, 5-7]。道路灰塵的可遷移性、物理化學(xué)性質(zhì)、污染潛力和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)都與粒徑有關(guān)。有研究表明，由于細(xì)粒徑顆粒物比表面積大，吸附污染物能力強(qiáng)，大多數(shù)元素的含量隨灰塵粒徑的減小而增大[8-10]，且粒徑小于75 μm的細(xì)顆粒是通過再懸浮進(jìn)入大氣環(huán)境的主要污染物[11-13]。

目前關(guān)于城市道路灰塵研究的采樣點(diǎn)設(shè)置主要包括“線性”和“面源”2種，線性分布是沿著一條或幾條交通干線進(jìn)行布點(diǎn)[14-15]；面源則是根據(jù)不同的功能區(qū)進(jìn)行布點(diǎn)[16-17]。但關(guān)于不同道路類型灰塵粒徑分布特征的研究相對(duì)較少。該研究依據(jù)北京城區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測的環(huán)境評(píng)價(jià)點(diǎn)和道路監(jiān)控點(diǎn)設(shè)置采樣點(diǎn)，采用激光衍射粒度分析技術(shù)獲得道路灰塵的粒度特征，并探查其環(huán)境效應(yīng)，以期為北京中心城區(qū)道路灰塵污染防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品采集

表1 北京城區(qū)各采樣點(diǎn)詳細(xì)信息

注：采樣點(diǎn)JiPj(或HiPj)，J為交通監(jiān)控點(diǎn)；H為環(huán)境評(píng)價(jià)點(diǎn)；i為采樣地區(qū)編號(hào)；P為交通類型，快速路h(highway)，主干路p(primary road)，次干路m(minor road)，支路c(collector road)；j為同一采樣地區(qū)同一道路類型采樣點(diǎn)序號(hào)。

1.2 樣品制備

采集的道路灰塵樣品自然風(fēng)干，用清潔的篩子(篩孔直徑1 000 μm)篩除煙頭、植物碎屑等雜物。留取各采樣點(diǎn)粒徑小于1 000 μm的道路灰塵樣品作為總樣品。

1.3 樣品分析

粒度分析用美國的Microtrac S3500 激光粒度分析儀進(jìn)行。粒度測量范圍為0.02～2 000 μm，分100個(gè)粒級(jí)，重復(fù)測定3次，重復(fù)測量誤差小于2%。

1.4 統(tǒng)計(jì)方法

根據(jù)Microtrac S3500所測得數(shù)據(jù)繪制北京城區(qū)冬季道路灰塵頻率曲線與累積頻率曲線。采用Folk-Ward圖解法[18]計(jì)算粒度參數(shù)(平均粒徑MZ、分選系數(shù)σI、偏度SKI和峰度KG)。

MZ=(Φ16+Φ30+Φ84)/3

σI=(Φ84-Φ16)/4 + (Φ95-Φ5)/6.6

SKI= (Φ16+Φ64-2Φ30)/2(Φ64-Φ16) +
(Φ5+Φ95- 2Φ50)/2(Φ95-Φ5)

KG=(Φ95-Φ5)/2.44(Φ75-Φ25)

式中：Φn代表累積百分含量為n%時(shí)的粒徑，根據(jù)Krumbein[19]公式對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化而得：

Φ=-log2d

式中：d為顆粒直徑，mm。同時(shí)，根據(jù)Folk-Ward 粒度參數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[18](表2)，研究分析道路灰塵的粒度參數(shù)特征。

表2 Folk-Ward[18]粒度參數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 道路灰塵頻率分布與累積頻率分布

采集的40組道路灰塵樣品頻率曲線如圖1所示。

圖1 道路灰塵頻率曲線

16組樣品呈不對(duì)稱的單峰型，24組樣品呈不對(duì)稱的雙峰型，粒徑眾數(shù)值大于中位數(shù)和均值，峰偏向粒徑較粗的一側(cè)。其中單峰型峰值粒徑為112～237 μm；雙峰型第一峰值粒徑為189～286 μm，粒度范圍較大，占總樣的多數(shù)，第二峰值粒徑為42～57 μm，粒度范圍較小。40組樣品的累積頻率曲線如圖2所示，單峰型和雙峰型樣品的累積頻率曲線均呈細(xì)粒尾較長的不對(duì)稱“S”型，且在30～50 μm有明顯的拐點(diǎn)，與頻率曲線所反映的特征基本一致，同樣說明粗顆粒物質(zhì)含量較多的特征。

圖2 道路灰塵累積頻率曲線

2.2 道路灰塵質(zhì)地分類

根據(jù)Udden-Wentworth粒級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)(以2為基數(shù))統(tǒng)計(jì)了40組樣品的粒級(jí)分配，結(jié)果如圖3所示。在40組樣品中，以作為較粗組分的砂粒(粒徑大于63 μm)為主，占56.76%～81.76%，其中細(xì)砂(63～250 μm)、中砂(250～500 μm)和粗砂(500～1 000 μm)分別占29.33%～54.85%、14.03%～31.60%、1.01%～19.68%；其次為4～63 μm的粉砂，占14.99%～40.02%，其中粗粉砂(16～63 μm)及細(xì)粉砂(4～16 μm)分別占11.16%～31.87%、2.98%～11.47%；而作為較細(xì)組分的黏土(粒徑小于4 μm)最少，不足3.71%。根據(jù)“黏粒組-粉砂組-砂粒組”三因分類三角圖解法[20]，北京城區(qū)冬季道路灰塵屬砂土。

這一次吻唐小芹讓胡成鎖逮了個(gè)正著，張清元料想胡成鎖是不會(huì)放過他的。張清元最怕的就是胡成鎖把自己交給黎院長。張清元覺得，在這孤兒院里對(duì)他最照顧的要算黎院長了，自己能在園田里賣力干活，也只是想在她面前好好表現(xiàn)。而今天這事犯在胡成鎖手上，他告到黎院長那里她會(huì)煩成啥樣，張清元還不知道。他甚至擔(dān)心黎院長會(huì)不會(huì)把他趕出孤兒院。

圖3 道路灰塵粒度分布三角圖

3 討論

3.1 道路灰塵粒度特征

研究表明，可由風(fēng)蝕物的粒級(jí)含量反推其來源(粒徑小于20 μm的屬于遠(yuǎn)源物質(zhì)，20～70 μm 的屬于區(qū)域物質(zhì)，粒徑大于70 μm 的屬于局地物質(zhì))[21]。由圖4可以看出，北京城區(qū)道路灰塵的來源大部分屬于局地物質(zhì)，遠(yuǎn)源沙塵貢獻(xiàn)物質(zhì)很少。在中等風(fēng)暴條件下(平均風(fēng)速15 m/s)[21]，這些道路灰塵物質(zhì)主要來自周圍土壤、建筑工地等局地源，而直接通過大氣環(huán)流遠(yuǎn)程搬運(yùn)并沉降至道路表面的灰塵相對(duì)較少。16個(gè)頻率曲線呈單峰型分布的道路灰塵樣品，其峰值粒徑(112～237 μm)屬于局地物質(zhì)的粒徑范圍，說明來源單一為北京地區(qū)的局地粉塵；而24個(gè)雙峰型樣品的第一峰值粒徑(189～286 μm)屬于局地物質(zhì)的粒徑范圍，第二峰值粒徑(42～57 μm)屬于區(qū)域物質(zhì)的粒徑范圍，說明是由大氣環(huán)流對(duì)局地灰塵和區(qū)域灰塵混合搬運(yùn)形成。單峰型和雙峰型樣品累積頻率曲線均在30～50 μm有明顯的拐點(diǎn)，進(jìn)一步佐證局地與區(qū)域2個(gè)主要來源，但區(qū)域來源只占很小的一部分，其呈現(xiàn)的細(xì)粒尾就是區(qū)域來源的證明。

圖4 道路灰塵不同粒級(jí)平均含量

不同粒級(jí)的地表顆粒物在風(fēng)力作用下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、輸送方式以及輸送距離不同[21]。40組樣品中以躍移方式在近地層一定距離運(yùn)動(dòng)的道路灰塵(70～500 μm)最多，體積分?jǐn)?shù)達(dá)47.27%～69.02%，次之為短時(shí)懸浮灰塵(20～70 μm)，體積分?jǐn)?shù)達(dá)12.70%～34.62%，地表蠕移(粒徑大于500 μm)和長期懸浮(粒徑小于20 μm)的灰塵最少，體積分?jǐn)?shù)僅為1.01%～19.68%和4.79%～19.68%，其中可在對(duì)流層懸浮搬運(yùn)的灰塵(粒徑小于2 μm)體積分?jǐn)?shù)小于1.24%，且有25個(gè)樣點(diǎn)未檢出。16個(gè)單峰型樣品的峰值粒徑(112～237 μm)和24個(gè)雙峰型樣品的第一峰值粒徑(189～286 μm)均在躍移范圍內(nèi)，而第二峰值粒徑(42～57 μm)在短時(shí)懸浮范圍內(nèi)，與上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果特征一致。

根據(jù)大氣粉塵4種主要沉降機(jī)制[22]，由于北京城區(qū)冬季道路灰塵主要為躍移或短時(shí)懸浮顆粒物，故對(duì)大氣中短時(shí)懸浮顆粒污染物的貢獻(xiàn)受所在地范圍常年季節(jié)性風(fēng)速與地表濕性、粗糙度影響，并且由于灰塵樣品中長期懸浮顆粒含量很少，粒徑小于2 μm的顆粒含量更低，說明道路灰塵對(duì)大氣中長期懸浮顆粒污染物的貢獻(xiàn)量有限。

3.2 道路灰塵粒度參數(shù)

粒度參數(shù)(表3)可綜合反應(yīng)沉積物粒度特征及沉積環(huán)境。平均粒徑代表粒度分布的集中趨勢，反映搬運(yùn)介質(zhì)平均動(dòng)能和源區(qū)物質(zhì)粒度分布。40組樣品的平均粒徑為117.7～283.2 μm，要比劉春華等[23]對(duì)北京市春季(75 μm)和秋季(100 μm)的街道灰塵平均粒徑的研究結(jié)果粗得多，分析可能是由于冬季不能進(jìn)行道路沖洗作業(yè)致使道路灰塵粗粒徑組成比例大。平均粒徑最小的地點(diǎn)出現(xiàn)在位于市郊偏東北方向的東四環(huán)北。田暉等[24]在研究西安市路面積塵的粒徑分布時(shí)發(fā)現(xiàn)，位于城鄉(xiāng)結(jié)合部的采樣點(diǎn)樣品與其他區(qū)域樣品相比，細(xì)粒徑組分含量明顯增高。東四環(huán)北特殊的細(xì)粒徑分布可能是由于采樣點(diǎn)位于城郊結(jié)合部，進(jìn)出車輛較多、帶入和輾細(xì)作用較強(qiáng)。

分選系數(shù)反映粒度的分散和集中程度，常被用作環(huán)境指標(biāo)。40組樣品的分選系數(shù)范圍為1.76～3.34，只有5個(gè)樣品介于1.00～2.00，分選性較差，其余樣品均介于2.00～4.00，分選性差，表明道路灰塵大部分具有同源性的同時(shí)也存在一定大氣環(huán)流遠(yuǎn)程搬運(yùn)產(chǎn)生的差異。

偏度實(shí)質(zhì)上反映粒度分布的不對(duì)稱程度。40組樣品的偏度SKI為0.26～0.64，只有1個(gè)樣品為0.10～0.30，屬正偏態(tài)；其余樣品偏度均在0.30～1.00范圍內(nèi)，屬極正偏態(tài)，與道路灰塵頻率曲線及累積頻率曲線反映出的特征一致。由此可看出40組道路灰塵樣品頻率曲線形態(tài)均極不對(duì)稱，峰在粗粒度一側(cè)，細(xì)粒度一側(cè)有一低的頭部，即道路灰塵中粗粒組分總體上在樣品中占優(yōu)勢，且有離群極端粗粒徑灰塵出現(xiàn)。

峰度可用來衡量頻率曲線峰凸程度。40組樣品的峰度為0.80～1.41，即峰態(tài)呈現(xiàn)寬峰態(tài)、中等峰態(tài)和窄峰態(tài)，由此進(jìn)一步說明遠(yuǎn)程搬運(yùn)風(fēng)塵在不同采樣點(diǎn)對(duì)道路灰塵粒度特征產(chǎn)生影響。

表3 道路灰塵粒度參數(shù)

3.3 不同道路類型灰塵粒度參數(shù)特征及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)

研究4種不同道路類型灰塵樣品粒度參數(shù)(表4)發(fā)現(xiàn)，平均粒徑從大到小依次為快速路>支路>次干路>主干路，這可能是由于隨著車輛對(duì)灰塵的輾細(xì)作用增強(qiáng)，導(dǎo)致平均粒徑支路、次干路、主干路逐漸減小，而快速路灰塵特殊的粗粒徑分布可能是由于輾細(xì)作用最強(qiáng)且地面平坦、粗糙度較低，車輛行駛產(chǎn)生強(qiáng)大的地面風(fēng)力將大量遷移性較強(qiáng)的細(xì)粒徑灰塵卷入空中，較粗粒徑灰塵在重力作用下很快落到地面，導(dǎo)致更多的粗?；覊m沉積在路面上。分選系數(shù)與偏度均呈現(xiàn)快速路>主干路>次干路>支路趨勢，峰度無較大區(qū)別。根據(jù)粒度參數(shù)的數(shù)學(xué)和物理意義[25]分析可得：快速路灰塵粒徑在相對(duì)較粗粒徑的較大鄰域內(nèi)分布，且出現(xiàn)明顯極端粗粒徑分布。主干路灰塵粒徑在細(xì)粒徑的較大鄰域內(nèi)分布，且出現(xiàn)幾個(gè)粒徑偏粗的分布。次干路、支路灰塵粒徑在粗粒徑的較小鄰域內(nèi)分布，相對(duì)無極端粗粒徑分布。

表4 不同道路類型灰塵粒度參數(shù)

大量研究表明，粒徑小于75 μm的細(xì)粒徑級(jí)別地表顆粒物是通過再懸浮進(jìn)入大氣環(huán)境的主要污染[11-13]。分析4種不同道路類型灰塵樣品的細(xì)顆粒(<75 μm)比例發(fā)現(xiàn)，細(xì)顆粒含量主干路>次干路>(支路、快速路)，快速路特殊的較小細(xì)顆粒含量再次佐證細(xì)顆粒灰塵可能已在車輛擾動(dòng)作用下遷移至附近，沉積在路面上的多為粗?；覊m，這與快速路灰塵特殊的較粗平均粒徑特征結(jié)論一致。

結(jié)合4種不同道路類型灰塵樣品的粒度參數(shù)特征與細(xì)顆粒比例分析其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)發(fā)現(xiàn)，由于主干路道路灰塵平均粒徑相對(duì)較細(xì)，細(xì)顆粒的比例高，所以其污染貢獻(xiàn)率更高，在高強(qiáng)度的道路交通環(huán)境和一定大氣動(dòng)力條件下，細(xì)顆粒容易通過再懸浮而進(jìn)入大氣，對(duì)人體健康和大氣環(huán)境的危害潛力不容忽視。次干路和支路道路灰塵由于平均粒徑較粗、分選性較好，可采取機(jī)器清掃替代人工清掃、并提高清掃頻率的方式去除。快速路道路灰塵多已遷移至附近，因此應(yīng)更加注意提高附近區(qū)域環(huán)境衛(wèi)生管理水平。

4 結(jié)論

1)北京城區(qū)冬季道路灰塵粒徑呈單峰型或雙峰型分布，單峰型峰值粒徑為112～237 μm，代表北京地區(qū)背景粉塵；雙峰型第一峰值粒徑為189～286 μm，第二峰值粒徑為42～57 μm，顯示地方性灰塵和遠(yuǎn)程搬運(yùn)灰塵混合物的特性。道路灰塵的大部分可能來自周圍土壤及建筑工地等局地物質(zhì)，而直接通過大氣運(yùn)移沉降至道路表面的遠(yuǎn)源灰塵相對(duì)較少。

2)北京城區(qū)冬季道路灰塵主要為躍移或短時(shí)懸浮顆粒物，長期懸浮顆粒含量很少，對(duì)大氣懸浮顆粒污染物的貢獻(xiàn)量有限。

3)冬季道路灰塵平均粒徑為183 μm，粗顆粒物質(zhì)含量較大，分選性差，呈極不對(duì)稱的極正偏寬峰態(tài)到窄峰態(tài)，屬以砂粒成分為主的砂土。

4)4種不同道路類型灰塵平均粒徑從大到小順序?yàn)榭焖俾?支路>次干路>主干路，分選系數(shù)與偏度均呈現(xiàn)快速路>主干路>次干路>支路趨勢，峰度無較大區(qū)別，細(xì)顆粒含量主干路>次干路>(支路、快速路)。主干路灰塵污染貢獻(xiàn)率更高，對(duì)人體健康和大氣環(huán)境的危害潛力不容忽視。次干路和支路道路灰塵可采取機(jī)器清掃替代人工清掃、并提高清掃頻率的方式去除。同時(shí)應(yīng)更加注意提高快速路附近區(qū)域環(huán)境衛(wèi)生管理水平。

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