道路扬尘评估方法的建立和比较

黄玉虎，李 钢，杨 涛，秦建平，田 刚

北京市环境保护科学研究院，北京 100037

道路扬尘评估方法的建立和比较

黄玉虎，李 钢，杨 涛，秦建平，田 刚

北京市环境保护科学研究院，北京 100037

建立了降尘法和AP-42法2种道路扬尘评估方法，它们分别以减去背景降尘的道路自身降尘(ΔDFr)和道路扬尘排放强度(EIr)作为评估指标.通过对这2种方法评估结果的比较与分析发现:①ΔDFr和EIr有很好的正相关关系，相关系数(R2)为0.708;②ΔDFr能同时反映车辆激发扬尘和路面风蚀扬尘，而EIr只反映车辆激发扬尘;③积尘负荷大小不代表评估道路扬尘污染程度，但适用于定量评价道路清扫保洁质量.降尘法相比 AP-42法，其实施安全、简单易行、误差小，但不能满足快速评估要求，而且评估成本略高.2种评估方法均表明《奥运保障措施》控制道路扬尘的效果明显，2008年北京奥运会期间与2007年同期相比，快速路、主干路、次干路和支路ΔDFr分别下降了65%，55%，65%和84%.

道路扬尘;评估方法;降尘;AP-42;北京奥运会

Abstract:In this article，we set up two methods for evaluation of fugitive road dust:the dust fallmethod and the AP-42 method. The twomethods use relative road dust fall after subtracting background dust fall(ΔDFr)and the emission intensity of fugitive road dust(EIr)as the evaluation indices.Three conclusions have been drawn through comparing evaluation results of these two methods.First，ΔDFr and EIr are positively correlated，with a correlation coefficient R2of 0.708.Second，ΔDFr can simultaneously measure the fugitive dust generated by vehicles and wind erosion of the road surface silt，while EIr can only measure fugitive dust generated by vehicles.Third，the single index of silt loading(sL)does not reflect the degree of pollution from fugitive road dust，but can be applied to quantitatively evaluate the quality of city road sweeping and cleaning.Compared with the AP-42 method，the dust fallmethod is safer and easier to use with only small errors，but it does not provide fast results and has slightly higher costs.The two methods both indicate that the policies of Guaranteeing Measures of the 2008 Olympic Games had an obvious effect on controlling fugitive road dust.Comparing the period of the 2008 Olympic Games with the same period in 2007 shows that ΔDFr on freeways，major arterial，minor arterial and collector roads was reduced by 65%，55%，65%and 84%，respectively.

Keywords:fugitive road dust;evaluation methods;dust fall;AP-42;Beijing Olympic Games

2007年北京市区空气质量超标(API＞100)天数累计达119 d，可吸入颗粒物(PM10)成为首要污染物的天数比率高达99.2%［1］.SONG等［2］使用CALPUFF模型系统模拟2000年1月和2月期间北京市PM10的扩散，得出机动车和道路扬尘的贡献率分别为5%和13%.CHENG等［3］应用一个耦合的空气质量模型系统MM5-ARPS-CMAQ，模拟得出北京市2002年1月，4月，8月和10月道路扬尘对大气环境 PM10的月均贡献率分别为16.7%，12.9%，18.6%和18.2%.交通来源颗粒物中细粒子以外的部分主要来源于道路扬尘［4］，道路扬尘污染越来越受到包括中国在内的世界各国环保部门的重视，目前北京、上海、重庆［5］和济南等城市都在大力开展扬尘综合整治，如何定量评估道路扬尘整治效果成为一个亟需解决的问题，科学的评估方法可以为道路扬尘整治工作指明方向.

针对中国目前缺乏道路扬尘评估方法的现状，建立了2种道路扬尘评估方法及监测方法，即分别监测道路降尘和扬尘(PM10)排放强度.道路降尘(DFr)是指靠重力自然沉降在道路附近集尘缸中的颗粒物.道路扬尘排放强度(EIr)是指每日每单位长度道路排放的扬尘量，其由美国国家环境保护局(US EPA)AP-42公式［6］计算而得，它是道路积尘负荷、平均车质量和车流量的函数，其中积尘负荷是指机动车行驶区域内单位面积道路上收集的能通过200目(≤75μm)标准筛的颗粒物质量，单位为g/m2.因此将这2种评估方法分别命名为降尘法和 AP-42法.通过对2种方法评估结果的比较分析，以期发现二者间的内在关系及优缺点，为2种方法的实际应用奠定基础.

1 材料与方法

为综合考虑时间、空间和道路类型对2种评估方法的影响，将对不同季节、区域、道路类型进行降尘监测和积尘采样.

1.1 降尘监测方法

田刚等［7］研究施工扬尘扩散规律时发现，施工降尘浓度与监测高度、监测点距工地中心距离的2次方都成反比.SPATT等［8］指出，道路边界降尘量最高，降尘量随监测点与道路边界最小水平距离的增加而呈指数衰减.因此，采用降尘法评估道路扬尘，除了需要按照《环境空气 降尘的测定重量法》(GB/T 15265—1994)［9］准备集尘缸和分析道路降尘样品外，还需要统一监测高度和监测点与道路的最小水平距离.

国内外学者研究道路降尘时不约而同地选择了相近的监测高度，如田刚等［10］在北京选择3 m，HEDALEN［11］在挪威选择 2.5 m，MUHAMMAD等［12］在巴基斯坦选择3 m.3 m左右不仅可以防止集尘缸过多接收道路扬起的大颗粒(粒径≥100 μm)，而且有利于更换集尘缸和免于人为破坏.因此，该研究的监测高度没有选择 GB/T 15265—1994规定的5～12 m，而是选择了3 m.

为确定道路降尘监测点的设置位置，研究了道路横截面降尘分布.横截面位置分为3类，共5个位置:上下主路之间(1个位置)，主辅路之间(2个)和辅路便道之间(2个).选择北京西二环至西三环的快速路和主干路中4处道路横截面为研究对象，每处横截面设置5个监测点，连续监测6个月.表1是道路横截面平均降尘分布情况，道路降尘(DFr)分布特征基本遵循上下主路之间＞主辅路之间＞辅路便道之间.基于该分布特征，将监测点统一设置在主辅路之间，无辅路时设置在行车道和便道之间，同时避开建设工地、商场和公交车站等其他影响源.

表1 道路横截面平均降尘分布Table 1 Distribution of dust fall from road’s cross section t/(km2·月)

1.2 积尘采样方法

AP-42附录APP-C1推荐了 AP-42铺装道路积尘采样方法［13］.AP-42法要求采样人员站在路上用吸尘器吸尘，这对车辆通行和采样人员安全提出了极大挑战，加上大城市积尘采样的工作量大，因此保证采样的安全性、快捷性和准确性成为首要任务.KUHNS等［14］于2001年开发了一种推测道路积尘负荷的新方法(TRAKER).笔者在保证积尘负荷物理意义不变的前提下，对AP-42法略微做了改进，设计了移动式铺装道路积尘采样方法(见图 1)，该方法在采样车低速(＜7.2 km/h)行驶过程中完成积尘采样，采样时采样车在车道中央行驶，开启采样车后门，采样人员坐在车尾两侧用吸尘器吸尘，吸尘区域在每车道左、右内侧(距离车轮约1 m)，采样带宽度约0.12 m，吸完一条车道并入下一车道，直至采集到双向每条车道路面尘土.

为保证积尘采样量足够且覆盖道路双向每条车道，因此要求支路每条车道采集200 m(车道左、右内侧各100 m)，其他类型道路每车道采集100 m(车道左、右内侧各50 m).通过安装在车轮上的智能计数器来计量吸尘长度，车轮每转1圈，计数器响应1次，吸尘长度最大计量误差为4%.实践证明，该方法与 AP-42法相比，其采样的安全性、快捷性和准确性都有大幅提高.

图1 移动式铺装道路积尘采样方法Fig.1 A travelling sampling method for paved road silt

1.3 样品采集情况

2007年4月，8月，11月20日左右，以及2008年1月和8月20日左右(奥运期间)，分5次对城八区40条道路(包括快速路、主干路、次干路和支路)完成监测周期为(30±2)d的道路降尘(DFr)监测，每条道路上设置2个监测点(2点距离大于300 m)，同时选择14个公园或绿地进行背景降尘(DFb)监测.

分5次对城八区58条道路(包括快速路、主干路、次干路和支路)的路面积尘进行采样，58条道路中有21条同步监测了道路降尘，每次积尘采样时间都在道路降尘监测期内.保证每个城区都有1～2段快速路、主干路、次干路和支路用于降尘与积尘负荷监测，图2为监测道路的分布情况.

图2 降尘和积尘负荷监测道路分布Fig.2 Distribution of roads for monitoring dust fall and silt loading

2 结果与讨论

2.1 数据统计和评估指标

5次道路降尘监测共获得470个降尘数据，5次路面积尘采样共获得290个积尘负荷数据.使用格鲁布斯检验法分析原始数据，在保证置信度为0.95的前提下，剔除少量离群数据，离群数据主要指受车轮带泥和车辆遗撒等行为影响的监测数据.

道路降尘(DFr)与背景降尘(DFb)的差值是道路自身引起的降尘浓度，笔者将其定义为道路自身降尘(ΔDFr)，并将ΔDFr作为降尘法评估道路扬尘的指标，ΔDFr的单位为t/(km2·月)，其中一个月取30 d.

US EPA AP-42铺装道路扬尘排放因子模型［6］将积尘负荷作为一个重要参数，排放因子模式见式(1)，根据积尘负荷和平均车质量［15］计算排放因子.然后根据不同类型道路的排放因子和车流量［16］计算道路扬尘排放强度(EIr)，其单位为kg/(km·d).AP-42法将EIr作为评估道路扬尘的指标.

式中，E为排放因子，g/VKT，其中VKT是指车公里数;k为粒径系数，g/VKT;sL为路面积尘负荷，g/m2;W为道路平均车质量，t;C为20世纪80年代车辆尾气排放、刹车和轮胎磨擦排放因子，g/VKT.

2.2 2种评估方法比较

2.2.1 ΔDFr和EIr的关系按道路类型(4类)和试验次数(5次)对试验数据进行统计，共获得20组 ΔDFr和EIr对照数据，图3是ΔDFr和EIr的线性相关图.由图3可以看出，ΔDFr和EIr有很好的正相关关系，相关系数(R2)为0.708.虽然ΔDFr单位为t/(km2·月)，EIr单位为kg/(km·d)，由于笔者统一了降尘监测点在道路横截面上的设置位置，因此可以认为ΔDFr和EIr具有相同的量纲，同为M/(L·T)，其表示单位时间(T)内单位道路长度(L)排放颗粒物的质量(M).量纲相似可以证明二者具有相似的物理意义，即ΔDFr和EIr可以互为表征.

图3 ΔDFr与EIr的关系Fig.3 Relationship between relative dust fall and em ission intensity of fugitive road dust

2.2.2 ΔDFr和EIr季节特征比较

选取4月，8月，11月和1月作为北京4个季节的代表月份，以秋季的试验数据为对照项，对各季节的数据进行归一化处理，即考核各季节与秋季数据的比值，同时考虑不同类型道路的扬尘污染权重，得到每个季节的加权平均值，最终揭示ΔDFr和EIr的季节变化特征，结果见图4.由图4可以看出，ΔDFr和EIr的季节特征不完全一致，EIr在春季和冬季的归一化系数比ΔDFr分别下降了21%和39%.

道路扬尘既包括路面积尘被车辆激发的扬尘，还包括路面积尘经风蚀作用产生的扬尘. ΔDFr能同时反映这两部分扬尘，而EIr只反映车辆激发扬尘.2007年春、冬季环境风速 ＞5.4 m/s的小时数占全年比例分别为44%和25%，大风使路面积尘负荷降低，因此，EIr在大风季节的归一化系数比ΔDFr明显降低，此时 ΔDFr比EIr能更加全面反映道路扬尘.二者季节特征的不一致性是导致ΔDFr和EIr之间R2不高的原因.从图5可以看出，仅对夏季和秋季的12组对照数据作线性相关，ΔDFr和EIr的R2由0.708升至0.888.

图4 ΔDF r和EIr季节特征比较(秋季为归一化季节)Fig.4 Comparison ofΔDFr and EIr in different seasons (the autumn is the normalization season)

图5 夏季和秋季ΔDFr与EIr的关系Fig.5 Relationship betweenΔDFr and EIr in summer and autumn

2.2.3 优缺点比较

试验结果表明，2种评估方法具有很好的一致性，但在实际应用时2种方法有各自的优缺点.通过对二者优缺点的比较，可为评估方法的选择提供依据.2种评估方法的优缺点:①降尘法只监测道路降尘和背景降尘，实施安全，评估周期长(7～30 d)，评估结果代表长时间的平均值，评估误差小，但不能满足快速评估要求，而且评估成本略高.②AP-42法只监测积尘负荷，评估周期短(1～3 d)，能满足快速评估要求，但需要代入平均车质量和车流量等参数，而这些道路信息在许多城市不易获得，导致AP-42法应用存在难度;此外其评估结果仅代表短时间的情况，评估误差大，而且不反映路面风蚀扬尘.

2.3 降尘法评估结果

奥运期间(2008年8月)北京市实施了《奥运保障措施》［17］，该措施要求奥运期间停止土石方工程、黄标车禁行、加强城市主要道路的吸扫和冲刷等.图6是采用ΔDFr评估《奥运保障措施》控制道路扬尘效果的评估结果.由图6可以看出，ΔDFr基本遵循快速路＞主干路 ＞次干路 ＞支路，奥运期间与2007年同期相比，快速路、主干路、次干路和支路 ΔDFr分别下降65%，55%，65%和84%，证明《奥运保障措施》控制道路扬尘的效果明显，同时也证明降尘法可以用于道路扬尘评估.

图6 道路自身降尘(ΔDFr)评估结果Fig.6 Evaluation results of fugitive road dust byΔDFr

2.4 AP-42法评估结果

2.4.1EIr评估《奥运保障措施》

图7是采用EIr评估《奥运保障措施》控制道路扬尘效果的评估结果.由图7可以看出，奥运期间与2007年同期相比，快速路、主干路、次干路和支路EIr分别下降了77%，54%，67%和66%，显示EIr评估结果与ΔDFr评估结果基本一致.《奥运保障措施》降低道路积尘负荷效果明显，积尘负荷下降保证了EIr大幅下降，这是因为吸扫和冲刷可有效降低积尘负荷［18］.《奥运保障措施》启示我们，今后在大力推广道路的吸扫和冲刷的同时，尤其要杜绝施工工地污染社会道路.

图7 道路扬尘排放强度(EIr)评估结果Fig.7 Evaluation results of fugitive road dust by EIr

2.4.2 评估指标EIr优于积尘负荷

采用式(1)计算发现，不同类型道路的积尘负荷和EIr呈负相关，仅用积尘负荷评估道路扬尘，得出污染强弱顺序为支路＞次干路＞快速路 ＞主干路，它与EIr和 ΔDFr的评估结果都完全相反.此外，积尘负荷与 ΔDFr的相关性很差，R2仅为0.01，说明积尘负荷大小不代表道路扬尘污染程度，但适用于定量评价道路清扫保洁质量［19］.再者，评价不同类型道路不可以共用一个积尘负荷限值，可以共用一个ΔDFr或EIr限值，因此，《防治城市扬尘污染技术规范》(HJ/T 393—2007)［20］按4种道路类型分别制定了道路积尘负荷限值标准.

3 结论

a.针对缺乏城市道路扬尘整治效果定量评估方法的现状，建立了2种道路扬尘评估方法及监测方法，即降尘法和AP-42法，分别以减去背景降尘的道路自身降尘(ΔDFr)和道路扬尘排放强度(EIr)作为评估指标.

b.通过对2种方法评估结果的比较与分析发现:①ΔDFr和EIr有很好的正相关关系，相关系数(R2)为0.708;②ΔDFr能同时反映车辆激发扬尘和路面风蚀扬尘，而EIr只反映车辆激发扬尘;③积尘负荷大小不代表道路扬尘污染程度，但适用于定量评价道路清扫保洁质量.

c.降尘法相比AP-42法，其实施安全、简单易行、误差小，但不能满足快速评估要求，而且评估成本略高.2种评估方法均表明《奥运保障措施》控制道路扬尘的效果明显，2008年北京奥运会期间与2007年同期相比，快速路、主干路、次干路和支路 ΔDFr分别下降了 65%，55%，65%和84%.

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Establishm ent and Com parison of Evaluation Methods for Fugitive Road Dust

HUANG Yu-hu，LIGang，YANG Tao，QIN Jian-ping，TIAN Gang
Beijing Municipal Research Institute of Environmental Protection，Beijing 100037，China

X513

A

1001-6929(2011)01-0027-06

2010-05-23

2010-09-29

北京市科技计划项目(Z09040600930902);国家环保公益性行业科研专项(200709030)

黄玉虎(1978-)，男，江西景德镇人，助理研究员，硕士，主要从事无组织扬尘研究，huangyuhu@sina.com.