北京城区冬季道路灰尘粒度特征分析

周恋彤,董黎明,赵 钰

北京工商大学环境科学与工程系，北京 100048

城市道路灰尘是指来自于人为源(汽车尾气排放、部件以及路面磨损等)直接排放或土壤侵蚀的悬浮颗粒物沉积在户外道路界面形成的固态颗粒物[1-2]，是环境污染物的“源”和“汇”，并对区域环境污染程度、人类活动状况具有良好指示作用[3-4]。在风力、机动车和人群活动等外动力条件下，道路灰尘可再悬浮与大气颗粒物相互转化，形成典型的“点、线、面”型污染，从而对城市生态系统造成环境风险与健康威胁[1, 5-7]。道路灰尘的可迁移性、物理化学性质、污染潜力和环境风险都与粒径有关。有研究表明，由于细粒径颗粒物比表面积大，吸附污染物能力强，大多数元素的含量随灰尘粒径的减小而增大[8-10]，且粒径小于75 μm的细颗粒是通过再悬浮进入大气环境的主要污染物[11-13]。

目前关于城市道路灰尘研究的采样点设置主要包括“线性”和“面源”2种，线性分布是沿着一条或几条交通干线进行布点[14-15]；面源则是根据不同的功能区进行布点[16-17]。但关于不同道路类型灰尘粒径分布特征的研究相对较少。该研究依据北京城区大气环境质量监测的环境评价点和道路监控点设置采样点，采用激光衍射粒度分析技术获得道路灰尘的粒度特征，并探查其环境效应，以期为北京中心城区道路灰尘污染防治提供科学依据。

1 实验部分

1.1 样品采集

表1 北京城区各采样点详细信息

注：采样点JiPj(或HiPj)，J为交通监控点；H为环境评价点；i为采样地区编号；P为交通类型，快速路h(highway)，主干路p(primary road)，次干路m(minor road)，支路c(collector road)；j为同一采样地区同一道路类型采样点序号。

1.2 样品制备

采集的道路灰尘样品自然风干，用清洁的筛子(筛孔直径1 000 μm)筛除烟头、植物碎屑等杂物。留取各采样点粒径小于1 000 μm的道路灰尘样品作为总样品。

1.3 样品分析

粒度分析用美国的Microtrac S3500 激光粒度分析仪进行。粒度测量范围为0.02～2 000 μm，分100个粒级，重复测定3次，重复测量误差小于2%。

1.4 统计方法

根据Microtrac S3500所测得数据绘制北京城区冬季道路灰尘频率曲线与累积频率曲线。采用Folk-Ward图解法[18]计算粒度参数(平均粒径MZ、分选系数σI、偏度SKI和峰度KG)。

MZ=(Φ16+Φ30+Φ84)/3

σI=(Φ84-Φ16)/4 + (Φ95-Φ5)/6.6

SKI= (Φ16+Φ64-2Φ30)/2(Φ64-Φ16) +
(Φ5+Φ95- 2Φ50)/2(Φ95-Φ5)

KG=(Φ95-Φ5)/2.44(Φ75-Φ25)

式中：Φn代表累积百分含量为n%时的粒径，根据Krumbein[19]公式对数转化而得：

Φ=-log2d

式中：d为颗粒直径，mm。同时，根据Folk-Ward 粒度参数分级标准[18](表2)，研究分析道路灰尘的粒度参数特征。

表2 Folk-Ward[18]粒度参数分级标准

2 结果与分析

2.1 道路灰尘频率分布与累积频率分布

采集的40组道路灰尘样品频率曲线如图1所示。

图1 道路灰尘频率曲线

16组样品呈不对称的单峰型，24组样品呈不对称的双峰型，粒径众数值大于中位数和均值，峰偏向粒径较粗的一侧。其中单峰型峰值粒径为112～237 μm；双峰型第一峰值粒径为189～286 μm，粒度范围较大，占总样的多数，第二峰值粒径为42～57 μm，粒度范围较小。40组样品的累积频率曲线如图2所示，单峰型和双峰型样品的累积频率曲线均呈细粒尾较长的不对称“S”型，且在30～50 μm有明显的拐点，与频率曲线所反映的特征基本一致，同样说明粗颗粒物质含量较多的特征。

图2 道路灰尘累积频率曲线

2.2 道路灰尘质地分类

根据Udden-Wentworth粒级划分标准(以2为基数)统计了40组样品的粒级分配，结果如图3所示。在40组样品中，以作为较粗组分的砂粒(粒径大于63 μm)为主，占56.76%～81.76%，其中细砂(63～250 μm)、中砂(250～500 μm)和粗砂(500～1 000 μm)分别占29.33%～54.85%、14.03%～31.60%、1.01%～19.68%；其次为4～63 μm的粉砂，占14.99%～40.02%，其中粗粉砂(16～63 μm)及细粉砂(4～16 μm)分别占11.16%～31.87%、2.98%～11.47%；而作为较细组分的黏土(粒径小于4 μm)最少，不足3.71%。根据“黏粒组-粉砂组-砂粒组”三因分类三角图解法[20]，北京城区冬季道路灰尘属砂土。

这一次吻唐小芹让胡成锁逮了个正着，张清元料想胡成锁是不会放过他的。张清元最怕的就是胡成锁把自己交给黎院长。张清元觉得，在这孤儿院里对他最照顾的要算黎院长了，自己能在园田里卖力干活，也只是想在她面前好好表现。而今天这事犯在胡成锁手上，他告到黎院长那里她会烦成啥样，张清元还不知道。他甚至担心黎院长会不会把他赶出孤儿院。

图3 道路灰尘粒度分布三角图

3 讨论

3.1 道路灰尘粒度特征

研究表明，可由风蚀物的粒级含量反推其来源(粒径小于20 μm的属于远源物质，20～70 μm 的属于区域物质，粒径大于70 μm 的属于局地物质)[21]。由图4可以看出，北京城区道路灰尘的来源大部分属于局地物质，远源沙尘贡献物质很少。在中等风暴条件下(平均风速15 m/s)[21]，这些道路灰尘物质主要来自周围土壤、建筑工地等局地源，而直接通过大气环流远程搬运并沉降至道路表面的灰尘相对较少。16个频率曲线呈单峰型分布的道路灰尘样品，其峰值粒径(112～237 μm)属于局地物质的粒径范围，说明来源单一为北京地区的局地粉尘；而24个双峰型样品的第一峰值粒径(189～286 μm)属于局地物质的粒径范围，第二峰值粒径(42～57 μm)属于区域物质的粒径范围，说明是由大气环流对局地灰尘和区域灰尘混合搬运形成。单峰型和双峰型样品累积频率曲线均在30～50 μm有明显的拐点，进一步佐证局地与区域2个主要来源，但区域来源只占很小的一部分，其呈现的细粒尾就是区域来源的证明。

图4 道路灰尘不同粒级平均含量

不同粒级的地表颗粒物在风力作用下的运动状态、输送方式以及输送距离不同[21]。40组样品中以跃移方式在近地层一定距离运动的道路灰尘(70～500 μm)最多，体积分数达47.27%～69.02%，次之为短时悬浮灰尘(20～70 μm)，体积分数达12.70%～34.62%，地表蠕移(粒径大于500 μm)和长期悬浮(粒径小于20 μm)的灰尘最少，体积分数仅为1.01%～19.68%和4.79%～19.68%，其中可在对流层悬浮搬运的灰尘(粒径小于2 μm)体积分数小于1.24%，且有25个样点未检出。16个单峰型样品的峰值粒径(112～237 μm)和24个双峰型样品的第一峰值粒径(189～286 μm)均在跃移范围内，而第二峰值粒径(42～57 μm)在短时悬浮范围内，与上述统计结果特征一致。

根据大气粉尘4种主要沉降机制[22]，由于北京城区冬季道路灰尘主要为跃移或短时悬浮颗粒物，故对大气中短时悬浮颗粒污染物的贡献受所在地范围常年季节性风速与地表湿性、粗糙度影响，并且由于灰尘样品中长期悬浮颗粒含量很少，粒径小于2 μm的颗粒含量更低，说明道路灰尘对大气中长期悬浮颗粒污染物的贡献量有限。

3.2 道路灰尘粒度参数

粒度参数(表3)可综合反应沉积物粒度特征及沉积环境。平均粒径代表粒度分布的集中趋势，反映搬运介质平均动能和源区物质粒度分布。40组样品的平均粒径为117.7～283.2 μm，要比刘春华等[23]对北京市春季(75 μm)和秋季(100 μm)的街道灰尘平均粒径的研究结果粗得多，分析可能是由于冬季不能进行道路冲洗作业致使道路灰尘粗粒径组成比例大。平均粒径最小的地点出现在位于市郊偏东北方向的东四环北。田晖等[24]在研究西安市路面积尘的粒径分布时发现，位于城乡结合部的采样点样品与其他区域样品相比，细粒径组分含量明显增高。东四环北特殊的细粒径分布可能是由于采样点位于城郊结合部，进出车辆较多、带入和辗细作用较强。

分选系数反映粒度的分散和集中程度，常被用作环境指标。40组样品的分选系数范围为1.76～3.34，只有5个样品介于1.00～2.00，分选性较差，其余样品均介于2.00～4.00，分选性差，表明道路灰尘大部分具有同源性的同时也存在一定大气环流远程搬运产生的差异。

偏度实质上反映粒度分布的不对称程度。40组样品的偏度SKI为0.26～0.64，只有1个样品为0.10～0.30，属正偏态；其余样品偏度均在0.30～1.00范围内，属极正偏态，与道路灰尘频率曲线及累积频率曲线反映出的特征一致。由此可看出40组道路灰尘样品频率曲线形态均极不对称，峰在粗粒度一侧，细粒度一侧有一低的头部，即道路灰尘中粗粒组分总体上在样品中占优势，且有离群极端粗粒径灰尘出现。

峰度可用来衡量频率曲线峰凸程度。40组样品的峰度为0.80～1.41，即峰态呈现宽峰态、中等峰态和窄峰态，由此进一步说明远程搬运风尘在不同采样点对道路灰尘粒度特征产生影响。

表3 道路灰尘粒度参数

3.3 不同道路类型灰尘粒度参数特征及环境风险

研究4种不同道路类型灰尘样品粒度参数(表4)发现，平均粒径从大到小依次为快速路>支路>次干路>主干路，这可能是由于随着车辆对灰尘的辗细作用增强，导致平均粒径支路、次干路、主干路逐渐减小，而快速路灰尘特殊的粗粒径分布可能是由于辗细作用最强且地面平坦、粗糙度较低，车辆行驶产生强大的地面风力将大量迁移性较强的细粒径灰尘卷入空中，较粗粒径灰尘在重力作用下很快落到地面，导致更多的粗粒灰尘沉积在路面上。分选系数与偏度均呈现快速路>主干路>次干路>支路趋势，峰度无较大区别。根据粒度参数的数学和物理意义[25]分析可得：快速路灰尘粒径在相对较粗粒径的较大邻域内分布，且出现明显极端粗粒径分布。主干路灰尘粒径在细粒径的较大邻域内分布，且出现几个粒径偏粗的分布。次干路、支路灰尘粒径在粗粒径的较小邻域内分布，相对无极端粗粒径分布。

表4 不同道路类型灰尘粒度参数

大量研究表明，粒径小于75 μm的细粒径级别地表颗粒物是通过再悬浮进入大气环境的主要污染[11-13]。分析4种不同道路类型灰尘样品的细颗粒(<75 μm)比例发现，细颗粒含量主干路>次干路>(支路、快速路)，快速路特殊的较小细颗粒含量再次佐证细颗粒灰尘可能已在车辆扰动作用下迁移至附近，沉积在路面上的多为粗粒灰尘，这与快速路灰尘特殊的较粗平均粒径特征结论一致。

结合4种不同道路类型灰尘样品的粒度参数特征与细颗粒比例分析其环境风险发现，由于主干路道路灰尘平均粒径相对较细，细颗粒的比例高，所以其污染贡献率更高，在高强度的道路交通环境和一定大气动力条件下，细颗粒容易通过再悬浮而进入大气，对人体健康和大气环境的危害潜力不容忽视。次干路和支路道路灰尘由于平均粒径较粗、分选性较好，可采取机器清扫替代人工清扫、并提高清扫频率的方式去除。快速路道路灰尘多已迁移至附近，因此应更加注意提高附近区域环境卫生管理水平。

4 结论

1)北京城区冬季道路灰尘粒径呈单峰型或双峰型分布，单峰型峰值粒径为112～237 μm，代表北京地区背景粉尘；双峰型第一峰值粒径为189～286 μm，第二峰值粒径为42～57 μm，显示地方性灰尘和远程搬运灰尘混合物的特性。道路灰尘的大部分可能来自周围土壤及建筑工地等局地物质，而直接通过大气运移沉降至道路表面的远源灰尘相对较少。

2)北京城区冬季道路灰尘主要为跃移或短时悬浮颗粒物，长期悬浮颗粒含量很少，对大气悬浮颗粒污染物的贡献量有限。

3)冬季道路灰尘平均粒径为183 μm，粗颗粒物质含量较大，分选性差，呈极不对称的极正偏宽峰态到窄峰态，属以砂粒成分为主的砂土。

4)4种不同道路类型灰尘平均粒径从大到小顺序为快速路>支路>次干路>主干路，分选系数与偏度均呈现快速路>主干路>次干路>支路趋势，峰度无较大区别，细颗粒含量主干路>次干路>(支路、快速路)。主干路灰尘污染贡献率更高，对人体健康和大气环境的危害潜力不容忽视。次干路和支路道路灰尘可采取机器清扫替代人工清扫、并提高清扫频率的方式去除。同时应更加注意提高快速路附近区域环境卫生管理水平。

[1] Ferreira-Baptista L, De Miguel E. Geochemistry and risk assessment of street dust in Luanda, Angola: A tropical urban environment [J]. Atmospheric Environment, 2005, 39(25): 4 501-4 512.

[2] Charlesworth S, Everett M, McCarthy R, et al. A comparative study of heavy metal concentration and distribution in deposited street dusts in a large and a small urban area: Birmingham and Coventry, West Midlands, UK [J]. Environment International, 2003, 29(5): 563-573.

[3] 常静，刘敏，侯立军，等. 城市地表灰尘的概念、污染特征与环境效应 [J]. 应用生态学报，2007，18(5)：1 153-1 158.

[4] Day J P, Hart M, Robinson M S. Lead in urban street dust [J]. Nature, 1975, 253: 243-245.

[5] 李如忠，童芳，周爱佳，等. 基于梯形模糊数的地表灰尘重金属污染健康风险评价模型 [J]. 环境科学学报，2011，31(8)：1 790-1 798.

[6] Zheng N, Liu J S, Wang Q C, et al. Health risk assessment of heavy metal exposure to street dust in the zinc smelting district, Northeast of China [J]. Science of the Total Environment, 2010, 408(4): 726-733.

[7] 杜佩轩，田晖，韩永明，等. 城市灰尘粒径组成及环境效应——以西安市为例 [J]. 岩石矿物学杂志，2002，21(1)：93-98.

[8] 窦筱艳，陆炳，孔少飞，等. 西宁市典型开放源颗粒物粒径组成特征分析 [J]. 中国环境监测，2013，29(2)：113-119.

[9] Zhao H T, Li X Y, Wang X M. Heavy metal contents of road-deposited sediment along the urban-rural gradient around Beijing and its potential contribution to runoff pollution [J]. Environmental Science & Technology, 2011, 45(17): 7 120-7 127.

[10] 魏复盛，滕恩江，吴国平，等. 我国4个大城市空气PM2.5、可吸入颗粒物污染及其化学组成 [J]. 中国环境监测，2001，17(增刊)：1-6.

[11] 叶友斌，张巍，王学军. 北京城市道路积尘多环芳烃的粒度分布特征及其影响因素 [J]. 生态环境学报，2009，18(5)：1 788-1 792.

[12] 常静，刘敏，李先华，等. 上海城市地表灰尘重金属污染粒级效应与生物有效性 [J]. 环境科学，2008，29(12)：3 489-3 495.

[13] US EPA. Emission Factor Documentation for AP-42, Section 13.2.1: Paved roads [R]. Kansas City Midwest Research Institute, 2011.

[14] Arlene L W, Jack C, Marc J B, et al. Distribution of lead in urban roadway grit and its association with elevated steel structures [J]. Chemosphere, 2006, 65(10): 1 762-1 771.

[15] Naim S, H Kurtulus O, Goksel D, et al. Determination of heavy metal concentrations in street dusts in Istanbul E-5 highway [J]. Environment International, 2004, 29(7): 979-985.

[16] Trang T T, Duong, Byeong-Kyu L. Partitioning and mobility behavior of metals in road dusts from national-scale industrial areas in Korea [J]. Atmospheric Environment, 2009, 43(22/23):3 502-3 509.

[17] Anju D K B. Heavy metal levels and solid phase speciation in street dusts of Delhi, India [J]. Environmental Pollution, 2003, 123(1): 95-105.

[18] Folk R L, Ward W C. Brazos River bar：a study in the significance of grain size parameters [J]. Journal of Sedimentary Petrology, 1957, 27: 3-26.

[19] Krumbein W C. Size frequency distribution of sediments and the normal phi carve [J]. Journal of Sedimentary Petrology, 1938, 8: 84-90.

[20] 任明达，王乃梁. 现代沉积环境概论 [M]. 北京：科学出版社，1981：8-26.

[21] Pye K. Aeolian dust and dust depositions [M]. London: Academic Press, 1987: 49.

[22] Tsoar H, Pye K. Dust transport and the question of desert loess formation [J]. Sedimentology,1987,34(1):139-153.

[23] 刘春华，岑况. 北京市街道灰尘粒度特征及其来源探析 [J]. 环境科学学报，2007，27(6)：1 006-1 012.

[24] 田晖，杜佩轩. 西安市路面积尘不同粒径矿物组成研究 [J]. 环境科学与技术，2006，29(7)：26-36.

[25] 徐跃，朱彬，刘卓谞，等. 时域内污染物浓度的统计学指标评价方法研究 [J]. 环境工程，2011，29(增刊1)：260-263.