亓浩雲(yún)，樊守彬，王凱

1.首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院 2.北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院 3.國(guó)家城市環(huán)境污染控制工程技術(shù)研究中心

大氣污染物主要包括氣態(tài)污染物和顆粒態(tài)污染物，顆粒物按粒徑大小可分為T(mén)SP、PM10和PM2.5[1-3]。近些年，我國(guó)大氣污染物分布發(fā)生了變化，PM10和PM2.5成為城市空氣首要污染物[4-6]。隨著機(jī)動(dòng)車(chē)保有量的日益增加，機(jī)動(dòng)車(chē)所帶來(lái)的交通問(wèn)題與大氣污染問(wèn)題越來(lái)越突出。道路揚(yáng)塵是PM10的一大來(lái)源，也是城市揚(yáng)塵的重要組成部分[7]，會(huì)影響大氣能見(jiàn)度及環(huán)境質(zhì)量，損害人類(lèi)健康，破壞城市景觀。美國(guó)學(xué)者[8-10]在道路積塵負(fù)荷測(cè)量方面開(kāi)展研究較早，我國(guó)鮮見(jiàn)成熟的測(cè)量方法，一般采用美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局(US EPA)公布的AP-42文件中積塵負(fù)荷采樣方法。如樊守彬等[11-16]應(yīng)用AP-42方法對(duì)呼和浩特城區(qū)、北京城區(qū)典型道路揚(yáng)塵進(jìn)行計(jì)算，并建立了基于ArcGIS的排放清單數(shù)據(jù)庫(kù)；朱振宇等[17]采用改進(jìn)的AP-42方法計(jì)算并分析天津城區(qū)不同類(lèi)型道路的積塵負(fù)荷；楊德容等[18]利用AP-42方法對(duì)成都城區(qū)和郊區(qū)不同等級(jí)鋪裝道路揚(yáng)塵的排放因子和排放量進(jìn)行了估算；王社扣等[19]使用AP-42方法估算出南京市2010年的揚(yáng)塵排放量，并給出了高分辨率的空間分布。筆者以北京市東城區(qū)、朝陽(yáng)區(qū)、順義區(qū)、平谷區(qū)為研究對(duì)象，分別代表四大功能區(qū)——首都功能核心區(qū)、城市功能拓展區(qū)、城市發(fā)展新區(qū)、生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)，通過(guò)對(duì)比各功能區(qū)的道路積塵負(fù)荷特征，分析功能區(qū)的道路揚(yáng)塵排放情況；通過(guò)模型計(jì)算不同功能區(qū)不同類(lèi)型道路的揚(yáng)塵排放因子、排放強(qiáng)度及排放量，分析道路揚(yáng)塵空間分布，以期為制定不同功能區(qū)道路揚(yáng)塵排放控制方案提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 排放因子計(jì)算方法

采用AP-42排放因子模型計(jì)算各功能區(qū)不同等級(jí)道路揚(yáng)塵排放因子，計(jì)算公式如下：

E=k×SL0.91×W1.02×(1-P4N)

(1)

式中：E為道路揚(yáng)塵排放因子，g/(km·輛)；k為粒徑修正系數(shù)，TSP、PM10和PM2.5分別取3.23、0.62和0.15；SL為積塵負(fù)荷，g/m2；W為車(chē)輛平均質(zhì)量，t；P為研究時(shí)段內(nèi)降水量大于0.254 mm的天數(shù)，d；N為研究時(shí)段的總天數(shù)，d。

在調(diào)查北京市各功能區(qū)不同類(lèi)型道路車(chē)輛的構(gòu)成比例基礎(chǔ)上，對(duì)不同類(lèi)型客車(chē)、貨車(chē)空載和滿載時(shí)的質(zhì)量進(jìn)行調(diào)查分析，得到不同類(lèi)型車(chē)輛的單車(chē)質(zhì)量。根據(jù)不同類(lèi)型車(chē)輛的平均質(zhì)量和行駛在不同等級(jí)道路上不同類(lèi)型車(chē)輛的構(gòu)成比例計(jì)算道路上機(jī)動(dòng)車(chē)車(chē)輛平均質(zhì)量，計(jì)算方法如下：

(2)

式中：n為車(chē)輛的種類(lèi)數(shù)；Wi為第i種車(chē)輛的平均質(zhì)量，t；ai為第i種車(chē)輛占道路上總車(chē)輛的比例，%。

各功能區(qū)不同類(lèi)型道路和道路車(chē)流量是交通揚(yáng)塵排放清單建立的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、對(duì)相關(guān)部門(mén)調(diào)研等方法獲得了北京市各功能區(qū)路網(wǎng)信息、車(chē)流量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。以路網(wǎng)信息為基礎(chǔ)，應(yīng)用ArcGIS軟件編輯生成實(shí)際道路上車(chē)流量、車(chē)型構(gòu)成等基礎(chǔ)信息。

1.2 排放強(qiáng)度及排放量計(jì)算方法

排放強(qiáng)度表示單位長(zhǎng)度道路的日揚(yáng)塵排放量，采用排放因子估算法計(jì)算，計(jì)算公式如下：

ES=E×TV1 000

(3)

式中：ES為道路揚(yáng)塵的排放強(qiáng)度，kg/(km·d)；TV為日車(chē)流量，輛/d。

以北京市各功能區(qū)路網(wǎng)信息數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，計(jì)算并整理道路揚(yáng)塵排放因子、車(chē)流量、不同等級(jí)道路的信息，應(yīng)用ArcGIS軟件的空間分析和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能，計(jì)算得到各功能區(qū)的道路揚(yáng)塵排放量。計(jì)算公式如下：

Q=∑Ej×Lj×Vj

(4)

式中：Q為道路揚(yáng)塵排放總量，g；L為道路長(zhǎng)度，km；V為車(chē)流量，輛/a；j為第j條道路。

1.3 積塵負(fù)荷檢測(cè)方法

積塵負(fù)荷是指道路或地面等下墊面單位面積上能夠通過(guò)200目標(biāo)準(zhǔn)篩(幾何粒徑小于75 μm)的積塵質(zhì)量。在計(jì)算道路揚(yáng)塵排放量過(guò)程中，積塵負(fù)荷是重要參數(shù)之一。于2018年12月對(duì)4個(gè)功能區(qū)不同類(lèi)型道路進(jìn)行檢測(cè)：核心區(qū)及拓展區(qū)，快速路檢測(cè)10段，其余各類(lèi)型道路檢測(cè)30～50段；生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)及發(fā)展新區(qū)，國(guó)道檢測(cè)10段，省道檢測(cè)20段，其余各類(lèi)型道路檢測(cè)30～50段。基于快速檢測(cè)法，利用移動(dòng)式檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試各功能區(qū)積塵負(fù)荷，同時(shí)使用手持GPS記錄儀記錄采樣時(shí)的地理位置，對(duì)積塵負(fù)荷的采樣及分析方法按照AP-42文件要求進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 道路車(chē)流量特征

核心區(qū)及拓展區(qū)根據(jù)城市道路等級(jí)劃分道路，生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)及發(fā)展新區(qū)根據(jù)公路行政等級(jí)劃分道路。根據(jù)路網(wǎng)信息獲得各功能區(qū)不同類(lèi)型道路的車(chē)型構(gòu)成，結(jié)果見(jiàn)表1。核心區(qū)毗鄰?fù)卣箙^(qū)，發(fā)展新區(qū)緊挨生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)，從表1可以看出，核心區(qū)與拓展區(qū)車(chē)型構(gòu)成相似，發(fā)展新區(qū)與生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)車(chē)型構(gòu)成相似[20]。

表1 各功能區(qū)不同類(lèi)型車(chē)輛占比

應(yīng)用ArcGIS軟件，以北京市路網(wǎng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)獲取實(shí)際不同類(lèi)型道路車(chē)流量、車(chē)型構(gòu)成等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。不同等級(jí)道路機(jī)動(dòng)車(chē)的平均質(zhì)量通過(guò)北京交通發(fā)展研究院的《2018年度北京市交通發(fā)展年度報(bào)告》及ArcGIS中的北京路網(wǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算獲得。采用式(2)計(jì)算得到不同功能區(qū)各類(lèi)型道路車(chē)輛的平均質(zhì)量，結(jié)果見(jiàn)表2。結(jié)合表1和表2可知，由于生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)和發(fā)展新區(qū)的貨車(chē)、大客車(chē)占比高于核心區(qū)和拓展區(qū)，因此生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)和發(fā)展新區(qū)的平均車(chē)質(zhì)量大于核心區(qū)和拓展區(qū)。

表2 不同功能區(qū)各類(lèi)型道路車(chē)輛的平均質(zhì)量

圖1 各功能區(qū)道路積塵負(fù)荷Fig.1 Road dust load detection map of each district

2.2 道路積塵負(fù)荷特征

各功能區(qū)道路積塵負(fù)荷分布見(jiàn)圖1。從圖1(a)和(b)可以看出，核心區(qū)和拓展區(qū)快速路段、主干道路段的積塵負(fù)荷多小于0.5 g/m2，而次干道、支路等的積塵負(fù)荷多大于1.0 g/m2。從圖1(c)和(d)可以看出，發(fā)展新區(qū)和生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)內(nèi)的道路積塵負(fù)荷較高，連接不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)的道路積塵負(fù)荷較低。

對(duì)各功能區(qū)的積塵負(fù)荷按照道路類(lèi)型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表3和表4。從表3和表4可以看出，核心區(qū)和拓展區(qū)不同類(lèi)型道路積塵負(fù)荷平均值為支路>次干道>主干道>快速路，發(fā)展新區(qū)和生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)的不同類(lèi)型道路積塵負(fù)荷平均值為村道>鄉(xiāng)道>縣道>省道>國(guó)道。拓展區(qū)各類(lèi)型道路積塵負(fù)荷均大于核心區(qū)；除國(guó)道和村道外，發(fā)展新區(qū)的各類(lèi)型道路積塵負(fù)荷均大于生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)。支路及村道等級(jí)的道路積塵負(fù)荷較大，這是由于其多為未鋪裝路面，綠化面積較小，道路破損嚴(yán)重，且打掃的頻率較低。對(duì)城市道路等級(jí)積塵負(fù)荷進(jìn)行對(duì)比，支路的最大積塵負(fù)荷與最小積塵負(fù)荷差距最大(核心區(qū)為3.94 g/m2，拓展區(qū)為5.77 g/m2)，快速路的最大積塵負(fù)荷與最小積塵負(fù)荷差距最小(核心區(qū)為0.46 g/m2，拓展區(qū)為0.32 g/m2)；對(duì)公路等級(jí)積塵負(fù)荷進(jìn)行對(duì)比，村道的最大積塵負(fù)荷與最小積塵負(fù)荷差距最大(發(fā)展新區(qū)為6.01 g/m2，生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)為6.61 g/m2)；國(guó)道的最大積塵負(fù)荷與最小積塵負(fù)荷差距最小(發(fā)展新區(qū)和生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)均為0 g/m2)。

表3 核心區(qū)和拓展區(qū)不同類(lèi)型道路積塵負(fù)荷比較

Table 3 Comparison of dust load on different types of roads in Dongcheng District and Chaoyang District gm2

表3 核心區(qū)和拓展區(qū)不同類(lèi)型道路積塵負(fù)荷比較

項(xiàng)目核心區(qū)拓展區(qū)快速路主干道次干道支路快速路主干道次干道支路平均值0.210.681.121.990.290.741.472.38最小值0.020.130.240.510.080.540.590.99最大值0.481.002.124.450.401.272.186.76

表4 發(fā)展新區(qū)和生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)不同類(lèi)型道路積塵負(fù)荷比較

Table 4 Comparison of dust load on different types of roads in Shunyi District and Pinggu District gm2

表4 發(fā)展新區(qū)和生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)不同類(lèi)型道路積塵負(fù)荷比較

項(xiàng)目發(fā)展新區(qū)生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)國(guó)道省道縣道鄉(xiāng)道村道國(guó)道省道縣道鄉(xiāng)道村道平均值0.100.360.791.912.320.100.300.561.222.98最小值0.100.180.360.510.730.100.020.150.621.11最大值0.100.671.443.236.740.100.661.102.087.72

綜合北京市各功能區(qū)整體積塵負(fù)荷平均水平，與其他城市積塵負(fù)荷進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表5。從表5可以看出，由于交通因素、地理?xiàng)l件等不同，不同城市的道路積塵負(fù)荷存在較大的差異。

表5 不同城市道路積塵負(fù)荷比較

Table 5 Dust load range of roads in different cities gm2

表5 不同城市道路積塵負(fù)荷比較

城市積塵負(fù)荷數(shù)據(jù)來(lái)源北京市0.10～2.98本研究長(zhǎng)春市1.36～3.46文獻(xiàn)[21]石家莊市0.59～1.33文獻(xiàn)[22]曼谷1.37～27文獻(xiàn)[23]坎普爾18～84文獻(xiàn)[24]

2.3 道路揚(yáng)塵排放因子特征

由于TSP、PM10和PM2.5排放因子的特征基本一致，因此以PM10為例，計(jì)算各功能區(qū)不同類(lèi)型道路的道路揚(yáng)塵排放因子，結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2可以看出，核心區(qū)和拓展區(qū)的道路PM10排放因子為支路>次干道>主干道>快速路，發(fā)展新區(qū)和生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)的道路PM10排放因子為村道>鄉(xiāng)道>縣道>省道>國(guó)道，生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)和發(fā)展新區(qū)的道路PM10排放因子整體高于核心區(qū)和拓展區(qū)，這是因?yàn)樯鷳B(tài)涵養(yǎng)區(qū)和發(fā)展新區(qū)的不同類(lèi)型道路積塵負(fù)荷差值較大，且不同類(lèi)型道路車(chē)輛平均質(zhì)量明顯高于核心區(qū)和拓展區(qū)。

2.4 道路揚(yáng)塵排放強(qiáng)度

根據(jù)式(3)計(jì)算各功能區(qū)不同類(lèi)型道路揚(yáng)塵排放強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖3可以看出，核心區(qū)和拓展區(qū)的道路揚(yáng)塵排放強(qiáng)度為主干道>次干道>快速路>支路，發(fā)展新區(qū)道路揚(yáng)塵排放強(qiáng)度為省道>國(guó)道>縣道>鄉(xiāng)道>村道，生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)道路揚(yáng)塵排放強(qiáng)度為國(guó)道>省道>縣道>鄉(xiāng)道>村道。核心區(qū)和拓展區(qū)的主干道、次干道以及發(fā)展新區(qū)和生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)的國(guó)道、省道的道路揚(yáng)塵排放強(qiáng)度明顯大于其他類(lèi)型道路。這是由于主干道、省道、國(guó)道的車(chē)流量較大且排放因子較高。

圖2 不同功能區(qū)各類(lèi)型道路PM10排放因子Fig.2 PM10 emission factors for various types of roads in different functional areas

圖3 不同功能區(qū)各類(lèi)型道路揚(yáng)塵排放強(qiáng)度Fig.3 Dust emission intensity of various types of roads in different functional areas

2.5 道路揚(yáng)塵排放清單

北京市各功能區(qū)冬季道路揚(yáng)塵排放量見(jiàn)表6。由表6可知，冬季道路揚(yáng)塵排放量為發(fā)展新區(qū)>拓展區(qū)>生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)>核心區(qū)。進(jìn)一步計(jì)算各功能區(qū)冬季單位面積道路揚(yáng)塵排放量，結(jié)果見(jiàn)表7。從表7可以看出，核心區(qū)冬季單位面積道路揚(yáng)塵排放量最大，生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)最小。

表6 北京市各功能區(qū)冬季道路揚(yáng)塵排放量

Table 6 Dust emission of roads in winter in each functional area of Beijing t季度

表6 北京市各功能區(qū)冬季道路揚(yáng)塵排放量

功能區(qū)PM2.5PM10TSP核心區(qū)45121630拓展區(qū)1827403 852發(fā)展新區(qū)3171 3106 845生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)2797502 922總計(jì)8232 92114 249

表7 北京市各功能區(qū)冬季單位面積道路揚(yáng)塵排放量

Table 7 Dust emission per unit area of roads in winter in each functional area of Beijing t(季度·km2)

表7 北京市各功能區(qū)冬季單位面積道路揚(yáng)塵排放量

功能區(qū)PM2.5PM10TSP核心區(qū)1.072.8915.05拓展區(qū)0.391.578.18發(fā)展新區(qū)0.311.286.71生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)0.290.794.13

2.6 道路揚(yáng)塵空間分布

基于ArcGIS軟件，統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格內(nèi)不同等級(jí)道路長(zhǎng)度，結(jié)合各類(lèi)型道路揚(yáng)塵排放因子及各類(lèi)型道路車(chē)流量，計(jì)算網(wǎng)格內(nèi)道路揚(yáng)塵排放量，由于PM10和PM2.5及TSP空間分布特征相似，以PM10為例，建立核心區(qū)300 m×300 m自下而上的網(wǎng)格PM10排放空間分布，建立拓展區(qū)、發(fā)展新區(qū)、生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)1 km×1 km自下而上的網(wǎng)格PM10排放空間分布，結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4可以看出，4個(gè)功能區(qū)PM10排放主要集中在城區(qū)中部，主要原因是城區(qū)中部路網(wǎng)密集、車(chē)流量大[25]、排放強(qiáng)度大，拓展區(qū)、生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)、發(fā)展新區(qū)有部分道路PM10排放較高的區(qū)域集中在遠(yuǎn)離城區(qū)的高速路段，同樣是由于車(chē)流量大造成的。

圖4 PM10排放空間分布Fig.4 Spatial distribution map of PM10 emission

3 結(jié)論

(1)東城區(qū)、朝陽(yáng)區(qū)代表的首都功能核心區(qū)及城市功能拓展區(qū)的不同類(lèi)型道路積塵負(fù)荷平均值為支路>次干道>主干道>快速路，順義區(qū)、平谷區(qū)代表的城市發(fā)展新區(qū)及生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)的不同類(lèi)型道路積塵負(fù)荷平均值為村道>鄉(xiāng)道>縣道>省道>國(guó)道。

(2)核心區(qū)和拓展區(qū)的道路揚(yáng)塵排放強(qiáng)度為主干道>次干道>快速路>支路，發(fā)展新區(qū)和生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)的道路揚(yáng)塵排放強(qiáng)度為省道>縣道>村道>國(guó)道>鄉(xiāng)道。

(3)冬季道路揚(yáng)塵排放量為發(fā)展新區(qū)>拓展區(qū)>生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)>核心區(qū)，單位面積道路揚(yáng)塵排放量為核心區(qū)>拓展區(qū)>發(fā)展新區(qū)>生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)。

(4)總體上來(lái)看，車(chē)流量較小的道路積塵負(fù)荷高，揚(yáng)塵排放因子高，但排放強(qiáng)度較小。由于各功能區(qū)的中心城區(qū)路網(wǎng)密集、車(chē)流量大，因此也是道路揚(yáng)塵排放較高的區(qū)域，車(chē)流量的分布與道路揚(yáng)塵排放量的分布較吻合。