基于積塵負荷法對北京市鋪裝道路揚塵排放清單的研究

竹 濤，王若男，袁前程，劉笑陽，張 星，劉海兵，劉 鋒

(1.中國礦業大學(北京) 大氣環境管理與污染控制研究所，北京 100083；2.環保部 固體廢物與化學品管理技術中心，北京 100029；3.蘇州科技大學 環境科學與工程學院，江蘇 蘇州 215009)

隨著城市化和工業化的高速發展、道路交通建設的加快，城市道路揚塵成為大氣顆粒物的最主要來源之一，北京市呈現出典型的大氣復合污染特征，且空氣污染日益嚴重。

道路揚塵是城市揚塵中最為主要的揚塵源類型，這類揚塵主要指道路積塵由于風力、人類活動等的作用并在一定的動力條件下進入環境空氣中形成的揚塵[1]。美國學者對道路揚塵排放研究較成熟，在研究方法上主要有TRAKER法[2]、Upwind-downwind法[3]以及在2011年美國環保署(USEPA)推薦的AP-42(來自《空氣污染物排放因子匯編》)方法等[4]。朱振宇等[5]對道路交通揚塵的采樣方法進行了研究；黃玉虎等[6]對降塵法和AP-42法這兩種評估方法進行了比較；許妍等[7]研究了天津市道路揚塵排放特征及空間分布；樊守彬等[8]研究了北京降塵排放特征。然而這些方法由于采樣的取樣方法不同，或多或少都存在數據方法的適用性和廣譜性問題。同時考慮到道路揚塵既是大氣顆粒物污染的源，也是受體[9]，作為城市顆粒物的主要來源，研究其排放因子和排放清單具有重要意義。因此，本研究針對不同類型道路調查了北京市道路車流量以及道路長度，對典型道路采用了積塵負荷法進行了樣本的采集和分析，應用動力學粒徑譜儀的實驗結果對k值(粒度乘數)進行修正，結合AP-42方法得出適于北京市鋪裝道路揚塵計算的方法，計算了不同類型道路的排放因子和排放清單，對排放粒子進行時間和空間上的分析，以期為道路揚塵總量管理提供方法學上的參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區域與研究對象

該研究以北京市海淀區為代表，選取不同道路類型作為采樣區域，分別為主干道、次干道、快速路、支路，編號依次為1、2、3、4，主干道為學院路(六道口-成府路口南段)，次干道為成府路(超市發學院路店-王莊路店)，快速路為北四環(學院橋-花園路段)，支路為靜淑苑路(清華東路-林大北路段)。具體采樣點布設如圖1所示。本文研究揚塵顆粒物分別是TSP、PM10以及PM2.5，其中TSP以PM30來代替[10]。

圖1 采樣點示意圖Fig.1 Schematic diagram in sampling point

1.2 樣品采集與處理

1.2.1樣品采集

本研究采取800 W吸塵器和3 kW發電機采樣，采樣框為可組裝成面積為1 m2的正方形采樣框，且該采樣板高15 cm，如圖2所示。

圖2 采樣框Fig.2 Sampling frame

為方便不同類型道路進行對比分析，每條道路取8個點進行樣品采集，根據道路寬度不同取2 m2或4 m2的樣品。樣品的采集是學院路(主干道)的機動慢速車道、機動中速車道和機動快速車道，每條道各采集樣品8個，成府路(次干道)的機動車道和非機動車道，每條車道各采集樣品8個，北四環路(快速路)的非機動車道和快速輔路，每條車道各采集樣品8個，靜淑苑路(支路)是機非混合車道各采集樣品8個，采集頻率每季節一次。采樣氣象條件為空氣靜穩(風力<1級)、無雨雪、無雷電天氣。

1.2.2樣品處理

本文采用積塵負荷法進行研究。中華人民共和國環境保護行業標準(HJ/T393-2007)指出，道路積塵負荷是指單位面積的道路上能夠通過200目篩(相當于幾何粒徑75 μm以下)的那部分道路積塵的質量，它是道路表面含塵量的表征參數，其大小直接影響道路揚塵排放量的多少。目前國內尚未出臺道路積塵負荷的采樣標準，該領域的相關研究廣泛采用EPA公布的AP-42的積塵負荷采樣方法[11]。

采集的樣品按照以下步驟進行處理：

1) 將采集到的道路塵樣品放置到干燥器中平衡干燥3 d，稱量樣品質量；

2) 用柔軟毛刷將標準篩處理干凈，確保不沾帶雜物；

3) 將20目、200目泰勒標準篩由上而下層疊放入電動振篩機內，將道路揚塵樣品全部倒入20目篩中；

4) 啟動電動振篩機，震動40～60 min后取出標準篩，稱量20目及200目篩上樣品質量。

1.3 道路揚塵相關排放系數估算方法與模型

1.3.1排放因子估算模型

排放因子通常是根據單位時間行駛里程的排放量和道路積塵負荷的關系建立起經驗公式而估算得到的[11]。以AP-42方法來看，鋪設道路的道路積塵負荷應為平衡值，即再懸浮物質量=補充量。AP-42法對于在此假設條件下的道路揚塵排放因子，提出如下經驗估算公式：

FE=k(ρsL)0.91×(m)1.02.

(1)

式中：FE為排放因子，g/(km·輛)[12]；k為不同粒度范圍的粒度乘數，g/(km·輛)；ρsL為路面積塵負荷，g/m2(單位面積揚塵中直徑≤75 μm的顆粒物質量)；m為通過道路車輛的平均車質量，t.

1.3.2排放清單估算方法

科學合理地制定揚塵排放清單是探究道路揚塵控制對策的基礎。完成對排放因子的制定并獲得相關排放清單模型的參數后，根據不同區域的車輛活動水平即可得到排放量[13]。區域內道路揚塵排放的活動水平體現為不同類型鋪裝道路總長度和車流量等，即車輛行駛里程數[14]。本研究采用道路揚塵排放因子模型法來估算北京市道路揚塵排放清單，估算公式如式(2)所示。

(2)

式中：Q為揚塵年排放量，t；FE為以日為單位的排放因子，g/(km·輛)；L為道路長度，km；V為日平均車流量，輛/d.

1.4 模型參數獲取

1.4.1粒度乘數kj

美國環保局根據美國中西部大量實驗和研究得出不同粒徑范圍的粒度乘數k值，其包括公式中未曾體現的其他因素，如車速、風速等。但是AP-42只提供了默認值，并沒有給出具體的確定方法，因此在估算過程中采用其默認值。然而，由于在建立排放因子模型時，發現只和k值有關且比例關系為正比[15]，在這種情況下直接使用AP-42法提供的k值而不經過修正，會產生很大的誤差，因此必須結合北京市的實際情況對k值進行修正。在本文中，首先選擇動力學粒徑譜儀并進行實驗，然后根據實驗結果，利用式(3)對USEPA提供的k值進行修正。

(3)

式中：kj為修正后的粒度乘數；lj為所占質量百分比(粒徑測試儀給出的小于j微米粒徑的顆粒物)；l15為粒徑小于15 μm的顆粒物所占質量百分比；k15為美國EPA給出的粒度乘數，0.77 g/(km·輛).

根據激光粒度儀Grimm1.109所測得的實驗數據，結合式(3)所獲得北京市不同類型鋪裝道路的顆粒物粒度乘數(見表1)，可以計算得出以下結論：粒度乘數與美國環保署(USEPA)的AP-42方法提供的數值量級基本吻合。

表1 北京市不同類型鋪裝道路的顆粒物粒度乘數kTable 1 Particle size multiplier k of different types of pavement road in Beijing city g/(km·輛)

1.4.2道路積塵負荷

道路積塵負荷表示在單位面積揚塵中直徑≤75 μm的顆粒物的質量[16]。因為不同地區道路積塵負荷有較大差異，本文通過使用積塵負荷法，對道路揚塵進行采樣，并通過實驗室分析得到道路積塵負荷數值，結果如表2所示。

表2 北京市不同類型鋪裝道路積塵負荷Table 2 Dust load of different types of pavement road in Beijing city g/m2

1.4.3車輛均重Wi

車輛均重表示通過各類道路的所有車輛的平均重量[17]。在本文中我們將現場調研車種分為以下四種類型，分別為重型車、中型車、輕型車、微型車[18]，用以區分不同車型的車流量特征。其中重型車包括所有公交車、大型校車、公司班車、旅游客車等，車重為5.0～8.0 t；中型車包括小型校車、城鄉客車、輕客、微卡等，車重為3.0～4.0 t；輕型車包括SUV、MPV、跑車、轎車(家庭、商務)、越野車、皮卡，一般區別于中巴、大巴車，車重為1.6～2.0 t；微型車包括奇瑞QQ、奧拓、五菱之光、北斗星等，車重為0.8～1.0 t.分別對不同車型進行統計后，計算道路車輛均重。道路車輛均重數據可通過式(4)[19]獲得：

(4)

式中：n為道路類型數量(主干道、次干道、快速路和支路)；kij為第i種道路上第j種車輛所占比例；Wij為第i種道路上第j種單車的重量，t.

本研究通過對典型道路現場各類車型的車重和比例數據計算出北京市各類鋪裝道路的車輛均重，分別為：主干道平均車重3.5 t，次干道平均車重3.2 t，快速路平均車重3.0 t，支路平均車重1.6 t.

1.4.4各類道路長度

通過查閱《北京市2013年交通發展年度報告》，將北京市不同類型鋪裝道路長度信息進行匯總[20]，得到如下數據：主干道鋪裝道路長度為865 km，次干道長度為648 km，快速路長度為543 km，支路長度為748 km.

1.4.5各類鋪裝道路車流量信息

為獲得北京市各類鋪裝道路的車流量信息，派出研究人員主要通過采取拍攝視頻的方式進行實地調研，在了解各類鋪裝道路的車流量狀況的基礎上，獲得各等級鋪裝道路的車流量詳細數據信息，主干道車流量為3 996輛/h，次干道車流量為1 671輛/h，快速路車流量為9 642輛/h，支路車流量為458輛/h.

2 結果與討論

2.1 北京市道路積塵負荷與其他城市的比較

北京市的主干道、次干道、快速路和支路分別與珠三角[9]、天津[7]和成都[21]做對比(見圖3)，可以看出北京市不同類型道路的積塵負荷值普遍高于其他地區。

圖3 北京市道路積塵負荷與其他地區對比Fig.3 Comparison of road silt loading between Beijing and other cities

北京市不同類型道路的積塵負荷值分別為：主干道1.75 g/m2，次干道2.54 g/m2，快速路2.34 g/m2，支路2.19 g/m2.許妍等[7]對于天津市城區道路的研究表明，該市區環線、主干道、次干道和支路的道路積塵負荷分別為0.30，0.40，0.64，2.02 g/m2，可以總結出北京市道路積塵負荷比天津市高，表明天津市道路相比北京市道路清潔程度高。樊守彬等[22]研究北京城區道路表明，北京市城區快速路、主干道、次干道和支路路面積塵負荷平均值為(0.11±0.08)，(0.21±0.13)，(0.27±0.13)，(0.54±0.52)g/m2，可以看出本研究計算出的積塵負荷值沒有在其平均數內，但是兩篇文章研究給出的積塵負荷值也沒有存在數量級的差別，可以認為兩者的數據趨同。造成這種結果的問題在于其數字平均化以及采樣道路長度、采樣時道路交通狀況以及道路清潔程度有關。北京市不同類型道路與珠三角、天津和成都相比，積塵負荷值要普遍偏高。

2.2 鋪裝道路揚塵排放因子結果

結合本研究所獲得的道路積塵負荷修正粒度乘數，基于各類鋪裝道路的車輛均重等數據，通過排放因子公式(1)可以分別得出北京市不同類型鋪裝道路相關排放因子的數值，結果見表3.

從表3中可看出，北京市根據其鋪裝道路種類的不同，道路揚塵的排放因子亦不同，排放因子由大到小排序依次為：次干道，快速路，主干道，支路。由于支路往來車輛基本是小轎車及其以下噸位的車，平均車重小，因此支路排放因子最小。而排放因子值由大到小的順序(次干道，快速路，主干道)與積塵負荷值(次干道，快速路，支路)略有不同。

表3 北京市各類鋪裝道路揚塵排放因子Table 3 Dust emission factors of paving roads in Beijing

從整體上看，北京市不同類型鋪裝道路揚塵PM2.5、PM10和TSP的平均排放因子分別為0.72，3.66，6.29 g/(km·輛)。

2.3 北京市各類鋪裝道路揚塵排放清單

根據實際調研得到的北京市各類鋪裝道路總長度和每小時車流量等數據，結合本研究估算的相關排放因子，利用式(2)可估算出北京市各類鋪裝道路的揚塵排放量情況，詳細數據如表4所示。

表4 北京市各類鋪裝道路揚塵排放清單Table 4 Inventory of dust emission from various paving roads in Beijing

從表4可知，北京市不同類型鋪裝道路揚塵PM2.5、PM10和TSP的年排放總量分別為74.7×103，465.1×103，641.4×103t/a，而在各類型道路的揚塵排放量中，排放量由大到小依次為：快速路，主干道，次干道，支路。不同類型車流量由大到小依次為：快速路車流量，主干道車流量，次干道車流量，支路車流量，因此揚塵排放量的大小與道路車流量相關，道路車流量越大，揚塵排放量越大。

2.4 道路揚塵排放的時間變化特征

將不同種類道路揚塵的排放量，以車流量日變化數據為依據，可以得出北京市各類鋪裝道路揚塵排放量的日變化折線圖，如圖4所示。

圖4 各類型道路PM10排放量的日變化圖Fig.4 Daily variation of PM10 emissions of various types of roads

從不同類型道路揚塵排放量的時間變化圖可看出，08：00-11：00和17：00-20：00這兩個時間段的道路揚塵排放量達到高峰值，原因是這兩個時間段是上下班的高峰期，車流量大；在13：00-15：00出現白天的最低值，這段時間多為人們午休時間，車流量相對較小；夜間揚塵排放量普遍較低，02：00-04：00達到了全天最低值，此時是人們夜晚睡覺時間，車流量為全天最小。

圖5為4個季節不同類型道路顆粒物排放總量對比，其中，快速路排放總量最大，支路排放總量最小，這與道路車流量、平均車重以及車速有關。不同季節PM2.5,PM10以及TSP的值存在差異，這說明道路揚塵排放量存在季節性變化。

圖5 不同季節各類型道路顆粒物排放總量對比圖Fig.5 Particle emissions of various types of roads in different seasons

2.5 道路揚塵排放的空間變化特征

在不同道路上4個季節揚塵排放總量由大到小依次為：快速路，主干道，次干道，支路，這說明道路揚塵排放量存在區域性差異。這一差異在不同粒徑顆粒物間同樣適用，即PM10～30排放總量由大到小依次為：快速路，主干道，次干道，支路；PM2.5～10排放總量依次為：快速路，主干道，次干道，支路；PM2.5排放總量依次為：快速路，主干道，次干道，支路。這說明不同粒徑的顆粒物占總量的比例大致相同。

圖6 不同類型道路顆粒物排放總量對比Fig.6 Particle emissions of different types of roads

3 結論

1) 北京市不同類型道路的積塵負荷值分別為：主干道1.75 g/m2，次干道2.54 g/m2，快速路2.34 g/m2，支路2.19 g/m2.

2) 北京市不同類型道路揚塵TSP、PM10、PM2.5的排放因子差異較大，主干道為6.15，3.82，0.90 g/(km·輛)；次干道為8.64，4.57，0.76 g/(km·輛)；快速路為6.85，4.12，0.80 g/(km·輛)；支路為3.53，2.11，0.43 g/(km·輛)。

3) 北京地區2015年交通道路揚塵TSP排放量為641.4×103t，PM10為465.1×103t，PM2.5為74.7×103t.研究區域面積為430.8 km2，平均每天排放4.08 g/m2.

4) 2015年北京市不同類型的鋪裝道路，其道路揚塵排放因子變化規律大致為：次干道最大，其次為快速路，主干道，支路；其道路揚塵排放總量變化規律由大到小依次為：快速路，主干道，次干道，支路。排放總量隨路面車流量增大而增大。

5) 在時間變化上，08：00-11：00和17：00-20：00這兩個時間段的道路揚塵排放量達到日高峰值，與這兩個時間段車流量大有關；不同季節PM2.5,PM10以及TSP的值有差異，這說明道路揚塵排放量存在季節性變化。

6) 空間變化上，不同道路類型4個季節的時間內排放總量由大到小依次為：快速路，主干道，次干道，支路，這說明道路揚塵排放量存在區域性差異。且由PM2.5、PM10和TSP之間存在相同的區域性差異，可以得出不同粒徑的顆粒物占總量的比例大致相同。