重慶市主城區道路揚塵排放特性研究

程 健，傅 敏

(重慶工商大學環境與生物工程學院，重慶 400067)

重慶市主城區道路揚塵排放特性研究

程 健，傅 敏

(重慶工商大學環境與生物工程學院，重慶 400067)

在不同季節采集重慶市主城區三種類型道路揚塵樣品，同時記錄采樣時各種類型道路車流量、車型構成、氣象條件、地理位置等數據，并根據美國環保署的AP-42揚塵計算模型計算各種類型道路揚塵排放因子及排放量，對重慶市主城區道路揚塵排放特性進行了研究。結果表明：重慶市區主干道、次干道、支路的道路塵負荷sL值分別為0.872 g/m2、1.199 g/m2、1.463 g/m2，且sL值的大小與車流量有關；重慶市主城區道路揚塵排放因子最大的是支路，排放量最大的是主干道；重慶市主城區所有類型道路TSP、PM10、PM2.5的年排放量分別為3 794.919 t、729.008 t、196.611t，且秋季和冬季的道路揚塵排放量比春季和夏季大。

道路揚塵；道路塵負荷；排放因子；排放量；重慶市主城區

近年來，我國經濟發展迅速，環境污染問題逐漸受到全社會的關注，其中大氣顆粒物污染問題尤為突出。據資料顯示，2014年第三季度我國74個重點城市的空氣質量平均達標天數為79.1%，京津冀地區的大氣顆粒物污染現狀不容樂觀[1-2]。揚塵[3]是大氣顆粒物污染的主要來源之一，而道路揚塵(主要污染源是機動車)是城市揚塵的重要貢獻源[4]。重慶作為老牌工業城市之一，經濟發展迅速，主城區機動車保有量逐漸增加，相關研究[5]表明，重慶市主城區PM10的各貢獻源中，道路揚塵的貢獻率達21.29%。

道路揚塵主要是因道路上累積的灰塵受到動力條件(風力、機動車行駛)的作用進入空氣中形成的[6]，主要來源于大氣降塵、機動車行駛、建筑施工、道路清掃及裸露土壤等[7]，不僅影響空氣質量，還對能見度[8]及人體健康[9-10]有負面影響。道路揚塵排放特性的研究在國外起步較早， 1968年美國環境保護署(EPA)第一次發布AP-42揚塵計算模型[11]，該模型是通過大量實驗及回歸分析所得出的經驗公式，經過EPA的多次更新和補充，現已成為道路揚塵排放特性研究的主要方法，在國外運用較為廣泛[12-13]；此外還有Kuhns等[14]通過氣象條件和車流量等因素利用TARKER法對道路揚塵進行了研究。國內關于道路揚塵排放特性的研究起步較晚，最近幾年才逐步開展，主要集中在北京[15]、濟南[16]、天津[17]等北方城市。本文以重慶市主城區的道路揚塵為研究對象，通過實地采樣與分析，采用EPA公布的AP-42揚塵計算模型，計算了重慶市主城區各種類型道路揚塵的排放因子及排放量，并分析了其排放規律及特點，為道路揚塵控制提供理論依據與數據支撐。

1 樣品采集與處理

1.1 樣品采集

參照美國EPA[18-19]的采樣要求，用便攜式真空吸塵器在一定面積內吸取道路揚塵，編號后放入密封袋保存備用，同時記錄采樣時的氣象條件(風速、溫度、濕度等)、車流量、車型構成、地理位置、采樣面積等數據。本研究通過對重慶市主城區60條不同類型的道路進行實地調查后，最后選取36條道路進行樣品采集，其中主干道、次干道、支路各選12條，按四個季節，每個季節不同類型道路各取3條。

1.2 樣品處理

將密封保存的揚塵樣品帶回實驗室進行后續分析處理：首先去除樣品中較大的雜物后放入燒杯中于105℃條件下烘干，稱重；然后將事先清潔好的20目篩和200目篩分別稱重后自上而下疊放，20目篩在上，200目篩在下，放入烘干后的揚塵樣品于20目篩中，過篩后分別稱取20目篩、200目篩及篩上物質量；最后按下式計算道路塵負荷sL值(單位面積上粒徑小于200目的顆粒物質量):

sL=[W-(W20-M20)-(W200-M200)]/S

(1)

式中：sL為道路塵負荷(g/m2)；W為樣品質量(g)；W20和W200分別為20目篩、200目篩及篩上物質量(g)；M20和M200分別為20目篩和200目篩質量(g)；S為采樣面積(m2)。

2 計算模型

2.1 排放因子估算模型

EPA提出的AP-42揚塵計算模型經過不斷的完善與發展形成了一套完整的體系，是目前研究道路揚塵排放特性最為權威的方法，且應用廣泛，該計算模型為

E=k·(sL)0.91·(W)1.02

(2)

式中：E為大氣顆粒物排放因子(g/VKT)(平均每輛車行駛1 km揚起的顆粒物排放量)；k為不同粒徑的粒度乘數(g/VKT)；sL為道路塵負荷(g/m2)；W為機動車平均車重(t)。

2.2 模型參數

2.2.1 粒度乘數k

參數k值為不同粒徑的粒度乘數，根據EPA的介紹，k值是一個只與車型有關而與所在研究地區無關的系數，其取值采用美國EPA根據大量實驗分析所得到的數據，計算時大氣中PM2.5(大氣中直徑小于或等于2.5 μm的顆粒物，也稱可入肺顆粒物)、PM10(大氣中直徑在10 μm以下的顆粒物，又稱為可吸顆粒物或飄塵)、TSP(大氣中總懸浮顆粒物)的k值分別取0.15 g/VKT、0.62 g/VKT、3.23 g/VKT。2.2.2 道路塵負荷sL

道路塵負荷sL由公式(1)計算獲取。

2.2.3 機動車平均車重W

機動車平均車重W是指在采樣觀測時間段內通過采樣道路的所有車輛的平均質量，可通過下式估算：

W=∑ai·mi

(3)

式中：W為機動車平均車重(t)；ai為第i類機動車所占的車型比例；mi為第i類機動車的質量(t)。

本研究將重慶市主城區道路機動車的車型分為大型車、中型車、小型車和摩托車，每種車型的質量分別約為8 t、5 t、1.2 t、0.15 t，各種車型數量統計數據見圖1。通過對不同類型采樣道路的車流量及車型進行實地觀測后利用公式(3)進行計算，可計算得到，重慶市主城區各種類型道路機動車的平均車重，見表1。

道路類型平均車重/t春季夏季秋季冬季總平均車重/t主干道2.9282.7152.8632.4652.743次干道2.3882.3072.3822.1292.301支路2.0641.8292.2491.8461.997

2.2.4 車流量F

車流量F指采樣時間段1 h內各種類型道路的平均車流量，其數據由采樣時對各種類型道路進行實時監測與記錄獲得，采樣時間段為上午10:00—12：00和下午14：00—16：00，見表2。

表2 重慶市主城區各種類型道路平均車流量

2.2.5 道路長度L

道路長度L數據來源于重慶市城市交通規劃研究所公布的重慶市主城區不同類型道路長度[20]，詳見表3。

表3 重慶市主城區各種類型道路長度(km)

3 結果與討論

3.1 重慶市主城區道路塵負荷與車流量

本文利用公式(1)計算重慶市主城區各種類型道路塵負荷sL值，詳見表4。由表4可見，重慶市主城區主干道、次干道、支路的道路塵負荷平均值分別為0.872 g/m2、1.199 g/m2、1.463g/m2；各個季節的計算數據顯示，春夏兩季主干道和次干道的道路塵負荷值較為接近，這主要與重慶市區季節性差異不明顯有關；各種類型道路塵負荷的大小順序為：支路>次干道>主干道。

表4 重慶市主城區各種類型道路塵負荷

圖2為重慶市主城區各種類型道路塵負荷與車流量的變化曲線。由于本次道路塵負荷考察的是粒徑小于200目的顆粒物質量，其質量較輕，易被行駛的機動車揚起，主干道車流量較大，道路揚塵不斷被帶起卷入空氣中進而降低道路塵負荷，而支路的車流量遠小于主干道，其對應的道路塵負荷值因而較大。

與其他城市相比，重慶市主城區各種類型道路塵負荷值持平于珠三角地區[7](0.99 g/m2、1.30 g/m2、1.45 g/m2)，主干道和次干道的道路塵負荷值都高于天津地區[17](0.40 g/m2、0.64 g/m2)，這主要與天津地區車流量較大有關，而重慶市主城區支路的道路塵負荷值小于天津地區(2.02 g/m2)。可見，車流量只是影響道路塵負荷的因素之一，道路塵負荷還存在較大的區域性差異，地形、氣候、路面材質等因素都會對道路塵負荷產生重要影響。

3.2 重慶市主城區道路揚塵排放因子

本文利用公式(2)計算重慶市主城區各種類型道路揚塵(包括TSP、PM10、PM2.5)排放因子E，詳見表5。由表5可見，重慶市主城區各種類型道路揚塵排放因子E的大小順序為：主干道<次干道<支路。結合表2和表4的統計結果來看，支路車流量最小，道路塵負荷最大，主干道車流量最大，道路塵負荷最小，可見道路揚塵排放因子隨車流量增大而減少，隨道路塵負荷增大而增大；從各個季節來看，秋冬兩季主干道和次干道道路揚塵的排放因子都大于春夏兩季，這可能與重慶市秋冬兩季降水天數少于春夏季有關。

3.3 重慶市主城區道路揚塵排放強度

道路揚塵排放強度Ed是指單位長度道路每天的揚塵排放量。參照AP-42的計算方法，利用降水修正因子進行某個時間段的外推計算，可得到道路揚塵排放強度Ed為

Ed=24E·(1-P/4N)·F/1 000

(4)

式中：Ed為道路揚塵排放強度[kg/(km·d)]；E為顆粒物排放因子(g/VKT)；P為觀測時間內降雨量大于0.254 mm的天數(d)，總天數為142 d，春、夏、秋、冬分別為39 d、41 d、34 d、28 d；N為觀測時間的天數(d)，一年取365 d，一季度取90 d；F為道路車流量(輛/h)。

利用公式(4)計算重慶市主城區道路揚塵排放強度Ed，見表6。由表6可見，重慶市主城區各種類型道路揚塵排放強度Ed的大小順序為主干道>次干道>支路，而重慶市主城區各種類型道路的車流量大小順序也為主干道>次干道>支路，說明道路揚塵排放強度隨車流量的增大而增大；從各個季節來看，春夏兩季降雨較多，主干道和次干道道路揚塵排放強度較小，秋冬兩季降雨天數少，主干道和次干道道路揚塵排放強度較大，說明降雨也是影響道路揚塵排放強度的主要因素；而支路的道路揚塵排放強度變化趨勢又說明揚塵排放強度的大小不完全由降水天數的多少決定。

3.4 重慶市主城區道路揚塵排放量

道路揚塵排放量EF采用下式計算：

EF=1 000·(Ed·L·T/1 000)

(5)

表5 重慶市主城區各種類型道路揚塵排放因子E

表6 重慶市主城區各種類型道路揚塵排放強度Ed

式中：EF為道路揚塵排放量(g)；Ed為道路揚塵排放強度[kg/(km·d)]；L為道路長度(km)，見表3；T為估算時間(h)(一季度為90×24 h，一年為365×24 h)。

本文用公式(5)計算重慶市主城區各種類型道路揚塵排放量，計算結果單位以t來表示，見表7。由表7可見，重慶市主城區各種類型道路揚塵排放量EF的大小順序為主干道>次干道>支路，與車流量的排序相同，說明道路揚塵排放量也與車流量成正比；重慶市主城區所有類型道路TSP、PM10、PM2.5的年排放量分別為3 794.919 t、729.008 t、196.611 t；從各個季節來看，主干道和次干道秋冬兩季的道路揚塵排放量大于春秋兩季，這可能與秋冬兩季降雨量較少有關。

表7 重慶市主城區各種類型道路揚塵排放量

4 結 論

(1) 重慶市主城區各種類型道路塵負荷的大小順序為支路>次干道>主干道，道路塵負荷隨車流量的增大而降低。

(2) 重慶市主城區各種類型道路揚塵排放因子的大小順序為支路>次干道>主干道，主干道排放因子最小，且隨道路塵負荷的增大而增大，隨車流量的增大而減小。

(3) 重慶市主城區各種類型道路揚塵排放強度的大小順序為主干道>次干道>支路，主干道和次干道秋冬兩季的道路揚塵排放強度大于春秋兩季，道路揚塵排放強度的大小與車流量成正比。

(4) 重慶市主城區各種類型道路揚塵排放量的大小順序為主干道>次干道>支路，所有類型道路的TSP、PM10、PM2.5的年排放量分別為3 794.919 t、729.008 t、196.611 t，主干道和次干道秋冬兩季道路揚塵排放量大于春秋兩季。

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Emission Characteristics of Road Dust in Chongqing Urban Area

CHENG Jian,FU Min

(CollegeofEnvironmentalandBiologicalEngineering,ChongqingTechnologyandBusinessUniversity,Chongqing400067,China)

This paper collects the road dust samples from three types of roads in Chongqing urban area in different seasons and investigates the traffic flow,the vehicle structure and the weather conditions of different roads.Based on the AP-42 model established by the US EPA,the paper analyzes the emission factors,emission amount and emission characteristics of road dust.The results show that the silt loading of main roads,secondary trunk roads and branch roads is 0.872 g/m2,1.199 g/m2and 1.463 g/m2,and the road silt loading is related to traffic flow.The maximum emission factor is branch roads and the emission amount of main roads is the maximum.The emission amount of TSP,PM10and PM2.5in 1 year is 3 794.919 t,729.008 t and 196.611 t, and the emission amount of main roads in autumn and winter is larger than that in spring and summer.

road dust;road silt loading;emission factor;emission amount;Chongqing urban area

1671-1556(2015)04-0040-05

2014-12-09

2015-02-04

重慶市市政環衛監測中心項目 作者簡介：程 健(1988—)，男，碩士研究生，主要研究方向為大氣污染控制。E-mail：850813684@qq.com

X513；X734

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.04.007

傅 敏(1963—)，男，博士，教授，主要從事環境化學方面的研究。E-mail：fumin@126.com