天津市春季典型道路積塵負荷分布特征

張 偉，姬亞芹，李樹立，趙 杰，趙靜波，欒孟孝，張詩建，朱振宇

南開大學環境科學與工程學院,天津 300071

自2013年我國北方城市發生大范圍霧霾以來，大氣顆粒物污染受到了越來越多的關注。隨著機動車限行、企業減排等措施的實行，城市揚塵對于大氣顆粒物的貢獻日益凸顯出來。道路揚塵作為城市揚塵的重要組成部分[1]，也是顆粒物污染的重要塵源之一[2-8]。研究表明[9-14]，道路揚塵對PM2.5的貢獻率高達20%左右。道路揚塵不僅影響空氣質量[15-16]，還影響能見度以及人體健康[17-20]。因此，了解道路揚塵排放規律已是制定揚塵污染控制措施的重要基礎和依據[21]，構建道路揚塵的排放清單則成為治理城市顆粒物污染的重要環節[22]。

積塵負荷是道路揚塵排放清單中一個十分重要的參數，也是各地環境管理的一個重要方面。道路積塵負荷是指道路單位面積上能通過75 μm標準篩的積塵的質量，積塵負荷可以表征路面清潔程度，即路面越臟積塵負荷相應越大；反之，路面越干凈積塵負荷就越小。目前，國內外均已形成標準化的道路積塵測量方法，國內測量方法大多為《防治城市揚塵污染技術規范》(HJ/T 393—2007)[23]中推薦方法，國外研究大多參考美國環保署(USEPA)公布的 AP-42表面采樣測定積塵負荷的方法[24]，2種方法原理和操作過程基本相同。其中，劉永紅等[22]采用《防治城市揚塵污染技術規范》(HJ/T 393—2007)中推薦的方法開展了廣東佛山地區交通揚塵排放特征的研究；程建等[25]通過AP-42采樣方法，獲得了重慶市主城區各道路積塵負荷，并研究了其道路揚塵排放特征；彭康等[26]參考AP-42采樣方法，估算了珠三角地區道路揚塵排放因子和排放量，深入分析道路揚塵排放的時空變化等特征。

國內學者大多集中在對于道路揚塵排放特征的研究，很少有對道路揚塵排放清單中重要參數的分布規律的研究。本研究針對城市空氣顆粒物中道路揚塵源顆粒物污染問題，以天津市道路揚塵為研究對象，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、環線5種道路類型的道路揚塵樣品，再對所采集樣品進行過篩，得到了不同車道以及不同道路類型的積塵負荷，并研究了該積塵負荷的空間分布特征，旨在為構建天津市道路揚塵排放清單和制定道路揚塵控制措施提供參考。

1 研究方法

1.1 采樣地點

在天津市的5種道路類型中，每種道路類型選擇2～3條，每條道路選擇1～2個路段，共選擇11個路段，分別是衛津路、復康路、黃河道、鞍山西道、南開二緯路(包含西市大街，以下簡稱“南開二緯路”)、白堤路、迎水道、快速路密云路段(以下簡稱“密云路”)、快速路紅旗南路段(以下簡稱“紅旗南路”)、外環線西路1、外環線西路2。圖1為采樣點示意圖，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研究的弊端，在采樣路段每側的機動車道慢車道(以下簡稱“機”)和非機動車道(以下簡稱“非”)上分別各選取4個點，即每個路段道路的兩側共選取16個點，采樣點之間間隔一般大于800 m，采樣點位盡量避開公交站、路口、公司門口等人流密集處。

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月進行樣品采集。實驗儀器為800 W塵杯式真空吸塵器、1 m2采樣框、樣品袋、細毛刷、3 kW汽油發電機、850 μm和75 μm泰勒標準篩、手持GPS定位儀、萬分之一電子天平、電動振篩機。用真空吸塵器吸掃路面積塵，采樣區域內用吸塵器在橫豎方向上各吸2遍，速度保持在1～2 min/m2。吸塵時應注意將采樣框邊角位置處吸干凈。吸塵完畢后，取下集塵盒，用細毛刷將集塵盒內的塵土掃入樣品袋內編號保存，帶回實驗室分析。將采集到的原始樣品去除煙頭、雜草和生活垃圾等，在干燥器內平衡3 d，將樣品放入電動振篩機標準篩(850 μm和75 μm)中振蕩10 min后稱重，并記錄每個采樣點的塵重。

圖1 采樣點位示意Fig.1 Map of sampling sites

道路名稱道路類型道路走向衛津路主干道南北走向復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線西路1環線南北走向外環線西路2環線南北走向

1.3 數據處理

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

(1)

式中：sL為積塵負荷，g/m2；m為道路揚塵樣品質量，g；m20為850 μm泰勒標準篩篩上物的質量，g；m200為75 μm泰勒標準篩篩上物的質量，g；S為采樣面積，m2。

2 結果與討論

2.1 機動車道與非機動車道積塵負荷特征分析

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

表2所選典型道路積塵負荷

Table2Thesiltloadingofsamplingtypicalroadsg/m2

為了研究各采樣路段不同車道積塵負荷的差異是否具有統計學意義，運用SPSS 16.0軟件對其進行2個相關樣本非參數檢驗。結果表明，P=0.000<0.05，說明各采樣點不同車道積塵負荷的差異有統計學意義。再運用SPSS 16.0軟件對其進行斯皮爾曼相關分析。結果表明，P=0.000<0.01，說明不同車道積塵負荷呈線性相關關系(圖2)。由圖2可知，機動車道慢車道(y)和非機動車道積塵負荷(x)的關系y=0.107x+0.031。因為采集整個道路橫斷面的道路揚塵比較危險、耗時，因此在后續道路揚塵清單編制過程中，可以通過將非機動車道和各車道擬合的方法減少采樣工作量，從而節約時間和實驗成本。

圖2 不同車道積塵負荷之間的關系Fig.2 Relationship of the silt loading between different lanes

不同道路類型的非機動車道積塵負荷的中位值均大于機動車慢車道積塵負荷中位值(圖3)。其中圖3(a)包含南開二緯路的積塵負荷，圖3(b)中不包含南開二緯路的積塵負荷。因為南開二緯路路面較為光滑，車輛行駛過程中容易將塵土帶起，所以路面積塵負荷較其他道路小。由圖3(a)可知，主干道、次干道和支路的非機動車道積塵負荷分別是機動車道慢車道積塵負荷的7.4、6.6、5.9倍，快速路和環線的非機動車道積塵負荷是機動車道慢車道積塵負荷的5.7倍，這可能與快速路和環線非機動車道實際上是機非混合車道有關。由圖3(b)可知，支路的非機動車道的積塵負荷是機動車道慢車道積塵負荷的7.8倍。

2.2 不同道路類型積塵負荷的比較

對于不同道路類型而言，非機動車道、機動車道慢車道積塵負荷中位值關系如圖3(b)所示。從圖3(b)可見，對于非機動車道，積塵負荷中位值從大到小順序依次為次干道>主干道>環線>支路>快速路，其中快速路的非機動車道積塵負荷相對較小，可能與快速路非機動車道實際上是機非混合車道有關。對于機動車道慢車道，積塵負荷中位值從大到小順序依次為次干道>環線>主干道>支路>快速路，主干道、次干道、支路、環線、快速路車流量分別為89 064、59 541、34 786、62 110、217 561輛/d，其中次干道和環線積塵負荷相對較大，可能是因為次干道車流量較小，車速較慢而使路面不易起塵，造成路面積塵負荷較大，而環線雖然車流量較大，但因環線位于城市的外圍，道路兩側裸土較多以及道路中間有綠化帶，路面塵來源復雜，影響因素較多；快速路積塵負荷最小，可能與其車流量最大、車速快有關。許妍等[28]對天津市道路揚塵排放特征的研究得出的結論是支路>次干道>主干道>環線，與本研究的結論有所不同，這可能與研究對象所屬行政區域有關，行政區域不同，清掃方式和清掃力度可能不同，造成其積塵負荷不同。

圖3 天津市春季不同道路類型非機動車道和機動車道慢車道積塵負荷比較Fig.3 Comparison of silt loading of the non-motor and motor vehicle lanes of different types in spring of Tianjin

2.3 道路兩側積塵負荷的比較

為了研究風向和風速對于道路兩側積塵負荷大小的影響，分析了不同走向道路(東西走向和南北走向)相同類型車道的積塵負荷的差異，結果見圖4(圖4中“非”代表非機動車，“機”代表機動車)。天津市春季風向頻率玫瑰圖見圖5。

圖4 天津市春季不同走向道路兩側非機動車道和機動車道慢車道積塵負荷比較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的非機動車道和機動車道慢車道的積塵負荷的中位值大于西側積塵負荷的中位值。由圖5可知，天津市春季風向以西南風為主，風力的作用可能使道路西側的道路揚塵吹至道路東側，從而造成東側的積塵負荷大于西側的積塵負荷。對于東西走向的道路兩側的積塵負荷的中位值，機動車道慢車道北側小于南側；非機動車道北側大于南側，可見風向對于東西走向道路的積塵負荷影響較小。為了驗證道路兩側積塵負荷差異是否具有統計學意義，運用SPSS 16.0軟件分別對東西南北走向的道路積塵負荷進行相關樣本非參數檢驗。結果表明，南北走向道路P=0.111 6>0.05，表明這5條道路東西兩側積塵負荷差異沒有統計學意義；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積塵負荷差異也沒有統計學意義。因此，為了省時、省力，在編制道路揚塵排放清單獲得本地化積塵負荷參數的過程中，可以只采集分析道路一側道路揚塵樣品。

3 結論

1)天津市春季不同道路類型的非機動車道積塵負荷的中位值明顯高于機動車道慢車道積塵負荷的中位值，2種類型車道非參數檢驗結果表明其差異有統計學意義。

2)非機動車道積塵負荷(x)與機動車道積塵負荷(y)建立關系為y=0.107x+0.031。在清單編制過程中，為了省時、省力，可以通過將非機動車道和各車道擬合的方法減少采樣工作量。

3)不同道路類型積塵負荷的分布規律：非機動車道從大到小順序依次為：次干道>主干道>環線>支路>快速路；機動車道慢車道從大到小順序依次為次干道>環線>主干道>支路>快速路。

4)南北走向道路2種類型車道積塵負荷大小關系均為東側>西側；東西走向道路非機動車道和機動車道慢車道積塵負荷大小關系分別為北側>南側和南側>北側。但是2種走向的道路兩側積塵負荷差異均沒有統計學意義，所以為了提高實驗的安全性、靈活性和經濟性，在建立道路揚塵排放清單時，可以只采集道路一側的道路塵樣品。

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