張 偉，姬亞芹，李樹(shù)立，趙 杰，趙靜波，欒孟孝，張?jiān)娊?，朱振?/p>

南開(kāi)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300071

自2013年我國(guó)北方城市發(fā)生大范圍霧霾以來(lái)，大氣顆粒物污染受到了越來(lái)越多的關(guān)注。隨著機(jī)動(dòng)車(chē)限行、企業(yè)減排等措施的實(shí)行，城市揚(yáng)塵對(duì)于大氣顆粒物的貢獻(xiàn)日益凸顯出來(lái)。道路揚(yáng)塵作為城市揚(yáng)塵的重要組成部分[1]，也是顆粒物污染的重要塵源之一[2-8]。研究表明[9-14]，道路揚(yáng)塵對(duì)PM2.5的貢獻(xiàn)率高達(dá)20%左右。道路揚(yáng)塵不僅影響空氣質(zhì)量[15-16]，還影響能見(jiàn)度以及人體健康[17-20]。因此，了解道路揚(yáng)塵排放規(guī)律已是制定揚(yáng)塵污染控制措施的重要基礎(chǔ)和依據(jù)[21]，構(gòu)建道路揚(yáng)塵的排放清單則成為治理城市顆粒物污染的重要環(huán)節(jié)[22]。

積塵負(fù)荷是道路揚(yáng)塵排放清單中一個(gè)十分重要的參數(shù)，也是各地環(huán)境管理的一個(gè)重要方面。道路積塵負(fù)荷是指道路單位面積上能通過(guò)75 μm標(biāo)準(zhǔn)篩的積塵的質(zhì)量，積塵負(fù)荷可以表征路面清潔程度，即路面越臟積塵負(fù)荷相應(yīng)越大；反之，路面越干凈積塵負(fù)荷就越小。目前，國(guó)內(nèi)外均已形成標(biāo)準(zhǔn)化的道路積塵測(cè)量方法，國(guó)內(nèi)測(cè)量方法大多為《防治城市揚(yáng)塵污染技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 393—2007)[23]中推薦方法，國(guó)外研究大多參考美國(guó)環(huán)保署(USEPA)公布的 AP-42表面采樣測(cè)定積塵負(fù)荷的方法[24]，2種方法原理和操作過(guò)程基本相同。其中，劉永紅等[22]采用《防治城市揚(yáng)塵污染技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 393—2007)中推薦的方法開(kāi)展了廣東佛山地區(qū)交通揚(yáng)塵排放特征的研究；程建等[25]通過(guò)AP-42采樣方法，獲得了重慶市主城區(qū)各道路積塵負(fù)荷，并研究了其道路揚(yáng)塵排放特征；彭康等[26]參考AP-42采樣方法，估算了珠三角地區(qū)道路揚(yáng)塵排放因子和排放量，深入分析道路揚(yáng)塵排放的時(shí)空變化等特征。

國(guó)內(nèi)學(xué)者大多集中在對(duì)于道路揚(yáng)塵排放特征的研究，很少有對(duì)道路揚(yáng)塵排放清單中重要參數(shù)的分布規(guī)律的研究。本研究針對(duì)城市空氣顆粒物中道路揚(yáng)塵源顆粒物污染問(wèn)題，以天津市道路揚(yáng)塵為研究對(duì)象，采用樣方真空吸塵法，采集天津市的主干道、次干道、支路、快速路、環(huán)線(xiàn)5種道路類(lèi)型的道路揚(yáng)塵樣品，再對(duì)所采集樣品進(jìn)行過(guò)篩，得到了不同車(chē)道以及不同道路類(lèi)型的積塵負(fù)荷，并研究了該積塵負(fù)荷的空間分布特征，旨在為構(gòu)建天津市道路揚(yáng)塵排放清單和制定道路揚(yáng)塵控制措施提供參考。

1 研究方法

1.1 采樣地點(diǎn)

在天津市的5種道路類(lèi)型中，每種道路類(lèi)型選擇2～3條，每條道路選擇1～2個(gè)路段，共選擇11個(gè)路段，分別是衛(wèi)津路、復(fù)康路、黃河道、鞍山西道、南開(kāi)二緯路(包含西市大街，以下簡(jiǎn)稱(chēng)“南開(kāi)二緯路”)、白堤路、迎水道、快速路密云路段(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“密云路”)、快速路紅旗南路段(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“紅旗南路”)、外環(huán)線(xiàn)西路1、外環(huán)線(xiàn)西路2。圖1為采樣點(diǎn)示意圖，表1表示所選采樣道路信息。為了避免樣品量少而影響后續(xù)研究的弊端，在采樣路段每側(cè)的機(jī)動(dòng)車(chē)道慢車(chē)道(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“機(jī)”)和非機(jī)動(dòng)車(chē)道(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“非”)上分別各選取4個(gè)點(diǎn)，即每個(gè)路段道路的兩側(cè)共選取16個(gè)點(diǎn)，采樣點(diǎn)之間間隔一般大于800 m，采樣點(diǎn)位盡量避開(kāi)公交站、路口、公司門(mén)口等人流密集處。

1.2 樣品采集和處理

天津市春季為3—5月，其中4月為春季的典型月份，所以本研究于2015年4月進(jìn)行樣品采集。實(shí)驗(yàn)儀器為800 W塵杯式真空吸塵器、1 m2采樣框、樣品袋、細(xì)毛刷、3 kW汽油發(fā)電機(jī)、850 μm和75 μm泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩、手持GPS定位儀、萬(wàn)分之一電子天平、電動(dòng)振篩機(jī)。用真空吸塵器吸掃路面積塵，采樣區(qū)域內(nèi)用吸塵器在橫豎方向上各吸2遍，速度保持在1～2 min/m2。吸塵時(shí)應(yīng)注意將采樣框邊角位置處吸干凈。吸塵完畢后，取下集塵盒，用細(xì)毛刷將集塵盒內(nèi)的塵土掃入樣品袋內(nèi)編號(hào)保存，帶回實(shí)驗(yàn)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(nèi)平衡3 d，將樣品放入電動(dòng)振篩機(jī)標(biāo)準(zhǔn)篩(850 μm和75 μm)中振蕩10 min后稱(chēng)重，并記錄每個(gè)采樣點(diǎn)的塵重。

圖1 采樣點(diǎn)位示意Fig.1 Map of sampling sites

道路名稱(chēng)道路類(lèi)型道路走向衛(wèi)津路主干道南北走向復(fù)康路主干道東西走向黃河道次干道東西走向鞍山西道次干道東西走向南開(kāi)二緯路支路東西走向白堤路支路南北走向迎水道支路東西走向密云路快速路南北走向紅旗南路快速路東西走向外環(huán)線(xiàn)西路1環(huán)線(xiàn)南北走向外環(huán)線(xiàn)西路2環(huán)線(xiàn)南北走向

1.3 數(shù)據(jù)處理

將過(guò)850 μm和75 μm篩后的質(zhì)量分別記為m20和m200(單位g)，并將其帶入式(1)[27]中：

(1)

式中：sL為積塵負(fù)荷，g/m2；m為道路揚(yáng)塵樣品質(zhì)量，g；m20為850 μm泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩篩上物的質(zhì)量，g；m200為75 μm泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩篩上物的質(zhì)量，g；S為采樣面積，m2。

2 結(jié)果與討論

2.1 機(jī)動(dòng)車(chē)道與非機(jī)動(dòng)車(chē)道積塵負(fù)荷特征分析

從天津市春季機(jī)動(dòng)車(chē)慢車(chē)道與非機(jī)動(dòng)車(chē)道積塵負(fù)荷的變化(表2)可知，非機(jī)動(dòng)車(chē)道和機(jī)動(dòng)車(chē)慢車(chē)道的積塵負(fù)荷分別為0.282 0～1.064 5 g/m2和0.050 4～0.173 9 g/m2，對(duì)于同一道路而言，非機(jī)動(dòng)車(chē)道的積塵負(fù)荷明顯高于機(jī)動(dòng)車(chē)道慢車(chē)道的積塵負(fù)荷。造成這一現(xiàn)象的主要原因是，非機(jī)動(dòng)車(chē)道車(chē)流量較機(jī)動(dòng)車(chē)道慢車(chē)道小，行駛的車(chē)輛多為三輪車(chē)、電動(dòng)車(chē)等非機(jī)動(dòng)車(chē)，車(chē)速較慢，車(chē)輛行駛時(shí)卷起的土量小，塵土多沉積在路面。另外，路邊裸露土壤受降水及風(fēng)力作用的影響進(jìn)入道路表面也是造成非機(jī)動(dòng)車(chē)道積塵負(fù)荷較大的原因之一。同時(shí)，非機(jī)動(dòng)車(chē)道路面較機(jī)動(dòng)車(chē)道慢車(chē)道低，這使得降水或道路保潔灑水將機(jī)動(dòng)車(chē)道積塵沖到非機(jī)動(dòng)車(chē)道并留存在非機(jī)動(dòng)車(chē)道較多?？梢?jiàn)，車(chē)輛類(lèi)型、車(chē)流量及車(chē)速是影響鋪裝道路路面積塵負(fù)荷的重要因素。

表2所選典型道路積塵負(fù)荷

Table2Thesiltloadingofsamplingtypicalroadsg/m2

為了研究各采樣路段不同車(chē)道積塵負(fù)荷的差異是否具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，運(yùn)用SPSS 16.0軟件對(duì)其進(jìn)行2個(gè)相關(guān)樣本非參數(shù)檢驗(yàn)。結(jié)果表明，P=0.000<0.05，說(shuō)明各采樣點(diǎn)不同車(chē)道積塵負(fù)荷的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。再運(yùn)用SPSS 16.0軟件對(duì)其進(jìn)行斯皮爾曼相關(guān)分析。結(jié)果表明，P=0.000<0.01，說(shuō)明不同車(chē)道積塵負(fù)荷呈線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系(圖2)。由圖2可知，機(jī)動(dòng)車(chē)道慢車(chē)道(y)和非機(jī)動(dòng)車(chē)道積塵負(fù)荷(x)的關(guān)系y=0.107x+0.031。因?yàn)椴杉麄€(gè)道路橫斷面的道路揚(yáng)塵比較危險(xiǎn)、耗時(shí)，因此在后續(xù)道路揚(yáng)塵清單編制過(guò)程中，可以通過(guò)將非機(jī)動(dòng)車(chē)道和各車(chē)道擬合的方法減少采樣工作量，從而節(jié)約時(shí)間和實(shí)驗(yàn)成本。

圖2 不同車(chē)道積塵負(fù)荷之間的關(guān)系Fig.2 Relationship of the silt loading between different lanes

不同道路類(lèi)型的非機(jī)動(dòng)車(chē)道積塵負(fù)荷的中位值均大于機(jī)動(dòng)車(chē)慢車(chē)道積塵負(fù)荷中位值(圖3)。其中圖3(a)包含南開(kāi)二緯路的積塵負(fù)荷，圖3(b)中不包含南開(kāi)二緯路的積塵負(fù)荷。因?yàn)槟祥_(kāi)二緯路路面較為光滑，車(chē)輛行駛過(guò)程中容易將塵土帶起，所以路面積塵負(fù)荷較其他道路小。由圖3(a)可知，主干道、次干道和支路的非機(jī)動(dòng)車(chē)道積塵負(fù)荷分別是機(jī)動(dòng)車(chē)道慢車(chē)道積塵負(fù)荷的7.4、6.6、5.9倍，快速路和環(huán)線(xiàn)的非機(jī)動(dòng)車(chē)道積塵負(fù)荷是機(jī)動(dòng)車(chē)道慢車(chē)道積塵負(fù)荷的5.7倍，這可能與快速路和環(huán)線(xiàn)非機(jī)動(dòng)車(chē)道實(shí)際上是機(jī)非混合車(chē)道有關(guān)。由圖3(b)可知，支路的非機(jī)動(dòng)車(chē)道的積塵負(fù)荷是機(jī)動(dòng)車(chē)道慢車(chē)道積塵負(fù)荷的7.8倍。

2.2 不同道路類(lèi)型積塵負(fù)荷的比較

對(duì)于不同道路類(lèi)型而言，非機(jī)動(dòng)車(chē)道、機(jī)動(dòng)車(chē)道慢車(chē)道積塵負(fù)荷中位值關(guān)系如圖3(b)所示。從圖3(b)可見(jiàn)，對(duì)于非機(jī)動(dòng)車(chē)道，積塵負(fù)荷中位值從大到小順序依次為次干道>主干道>環(huán)線(xiàn)>支路>快速路，其中快速路的非機(jī)動(dòng)車(chē)道積塵負(fù)荷相對(duì)較小，可能與快速路非機(jī)動(dòng)車(chē)道實(shí)際上是機(jī)非混合車(chē)道有關(guān)。對(duì)于機(jī)動(dòng)車(chē)道慢車(chē)道，積塵負(fù)荷中位值從大到小順序依次為次干道>環(huán)線(xiàn)>主干道>支路>快速路，主干道、次干道、支路、環(huán)線(xiàn)、快速路車(chē)流量分別為89 064、59 541、34 786、62 110、217 561輛/d，其中次干道和環(huán)線(xiàn)積塵負(fù)荷相對(duì)較大，可能是因?yàn)榇胃傻儡?chē)流量較小，車(chē)速較慢而使路面不易起塵，造成路面積塵負(fù)荷較大，而環(huán)線(xiàn)雖然車(chē)流量較大，但因環(huán)線(xiàn)位于城市的外圍，道路兩側(cè)裸土較多以及道路中間有綠化帶，路面塵來(lái)源復(fù)雜，影響因素較多；快速路積塵負(fù)荷最小，可能與其車(chē)流量最大、車(chē)速快有關(guān)。許妍等[28]對(duì)天津市道路揚(yáng)塵排放特征的研究得出的結(jié)論是支路>次干道>主干道>環(huán)線(xiàn)，與本研究的結(jié)論有所不同，這可能與研究對(duì)象所屬行政區(qū)域有關(guān)，行政區(qū)域不同，清掃方式和清掃力度可能不同，造成其積塵負(fù)荷不同。

圖3 天津市春季不同道路類(lèi)型非機(jī)動(dòng)車(chē)道和機(jī)動(dòng)車(chē)道慢車(chē)道積塵負(fù)荷比較Fig.3 Comparison of silt loading of the non-motor and motor vehicle lanes of different types in spring of Tianjin

2.3 道路兩側(cè)積塵負(fù)荷的比較

為了研究風(fēng)向和風(fēng)速對(duì)于道路兩側(cè)積塵負(fù)荷大小的影響，分析了不同走向道路(東西走向和南北走向)相同類(lèi)型車(chē)道的積塵負(fù)荷的差異，結(jié)果見(jiàn)圖4(圖4中“非”代表非機(jī)動(dòng)車(chē)，“機(jī)”代表機(jī)動(dòng)車(chē))。天津市春季風(fēng)向頻率玫瑰圖見(jiàn)圖5。

圖4 天津市春季不同走向道路兩側(cè)非機(jī)動(dòng)車(chē)道和機(jī)動(dòng)車(chē)道慢車(chē)道積塵負(fù)荷比較Fig.4 The silt loading on both sides of different directions of the non-motor and motor vehicle lanes in spring of Tianjin

圖5 采樣期間風(fēng)向玫瑰圖Fig.5 Wind direction rose map during sampling

由圖4可知，天津市春季南北走向的道路東側(cè)的非機(jī)動(dòng)車(chē)道和機(jī)動(dòng)車(chē)道慢車(chē)道的積塵負(fù)荷的中位值大于西側(cè)積塵負(fù)荷的中位值。由圖5可知，天津市春季風(fēng)向以西南風(fēng)為主，風(fēng)力的作用可能使道路西側(cè)的道路揚(yáng)塵吹至道路東側(cè)，從而造成東側(cè)的積塵負(fù)荷大于西側(cè)的積塵負(fù)荷。對(duì)于東西走向的道路兩側(cè)的積塵負(fù)荷的中位值，機(jī)動(dòng)車(chē)道慢車(chē)道北側(cè)小于南側(cè)；非機(jī)動(dòng)車(chē)道北側(cè)大于南側(cè)，可見(jiàn)風(fēng)向?qū)τ跂|西走向道路的積塵負(fù)荷影響較小。為了驗(yàn)證道路兩側(cè)積塵負(fù)荷差異是否具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，運(yùn)用SPSS 16.0軟件分別對(duì)東西南北走向的道路積塵負(fù)荷進(jìn)行相關(guān)樣本非參數(shù)檢驗(yàn)。結(jié)果表明，南北走向道路P=0.111 6>0.05，表明這5條道路東西兩側(cè)積塵負(fù)荷差異沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；東西走向道路P=0.248>0.05，表明6條東西走向道路南北兩側(cè)積塵負(fù)荷差異也沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。因此，為了省時(shí)、省力，在編制道路揚(yáng)塵排放清單獲得本地化積塵負(fù)荷參數(shù)的過(guò)程中，可以只采集分析道路一側(cè)道路揚(yáng)塵樣品。

3 結(jié)論

1)天津市春季不同道路類(lèi)型的非機(jī)動(dòng)車(chē)道積塵負(fù)荷的中位值明顯高于機(jī)動(dòng)車(chē)道慢車(chē)道積塵負(fù)荷的中位值，2種類(lèi)型車(chē)道非參數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果表明其差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2)非機(jī)動(dòng)車(chē)道積塵負(fù)荷(x)與機(jī)動(dòng)車(chē)道積塵負(fù)荷(y)建立關(guān)系為y=0.107x+0.031。在清單編制過(guò)程中，為了省時(shí)、省力，可以通過(guò)將非機(jī)動(dòng)車(chē)道和各車(chē)道擬合的方法減少采樣工作量。

3)不同道路類(lèi)型積塵負(fù)荷的分布規(guī)律：非機(jī)動(dòng)車(chē)道從大到小順序依次為：次干道>主干道>環(huán)線(xiàn)>支路>快速路；機(jī)動(dòng)車(chē)道慢車(chē)道從大到小順序依次為次干道>環(huán)線(xiàn)>主干道>支路>快速路。

4)南北走向道路2種類(lèi)型車(chē)道積塵負(fù)荷大小關(guān)系均為東側(cè)>西側(cè)；東西走向道路非機(jī)動(dòng)車(chē)道和機(jī)動(dòng)車(chē)道慢車(chē)道積塵負(fù)荷大小關(guān)系分別為北側(cè)>南側(cè)和南側(cè)>北側(cè)。但是2種走向的道路兩側(cè)積塵負(fù)荷差異均沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，所以為了提高實(shí)驗(yàn)的安全性、靈活性和經(jīng)濟(jì)性，在建立道路揚(yáng)塵排放清單時(shí)，可以只采集道路一側(cè)的道路塵樣品。

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