道路交通扬尘采样方法研究进展

朱振宇 张诗建 张亚飞 张 静 姬亚芹

(南开大学环境科学与工程学院，天津 300071)

道路扬尘指道路积尘在一定的动力条件(风力、机动车碾压、人群活动等)的作用下进入环境空气中形成的扬尘［1］。随着我国城镇化进程的加快和机动车保有量的增加，道路交通扬尘已成为城市道路扬尘的主要来源［2］。这部分颗粒物往往反复沉降与扬起，多次进入环境空气中，造成重复污染。源解析研究结果表明，我国北方多数城市环境空气颗粒物中扬尘的贡献率在50%左右，扬尘在部分城市总悬浮颗粒物中所占比例为:北京60%、西安62%、济南54%、石家庄60%、南京59%、常州55%，数据表明扬尘污染已成为影响城市环境空气质量的重要因素之一［3］。而由于城市中道路面积所占比例很大，道路交通扬尘又成为城市扬尘的重要组成部分，因此控制道路交通扬尘污染是提高城市空气质量的一种重要途径。

控制道路交通扬尘污染首先要进行采样与检测，在《防治城市扬尘污染技术规范》(HJ/T393－2007)中已经建立了道路积尘负荷的检测方法。但是，随着科技进步和研究的不断深入，道路交通扬尘采样方法和采样设备不断增加和改进，目前主要包括降尘法、积尘负荷法和快速检测法三种。本文介绍了当前上述三种采样方法的研究进展，为今后筛选适用于道路扬尘的快速便捷的采样方法提供参考。

1 降尘法

降尘法是模拟自然状况下扬尘的沉降过程从而进行采样的一种方法。根据收集容器内所加入的介质的不同又分为干法、湿法和玻璃球法3 种。我国国家标准《环境空气－降尘的测定GB/T 15265－94》规定，降尘收集装置(集尘缸)为直径15cm、高度30cm 的圆柱形平底玻璃容器。

1.1 干法收集

干法收集装置就是在容器内不加任何介质，大气中的尘物质直接沉降在容器的器壁和底部。干法收集的不足之处在于无法避免已经进入容器的降尘“二次起尘”，从容器中逃逸。因此，干法收集装置的应用较少。

王帅杰等［4］利用干法收集装置进行了石家庄市地面起尘量的估算方法研究。针对道路地面，将采样点设在主、次道路交通岗亭上，采样高度为1.5m，将编好号的集尘缸(内径15 ±0.5cm、高30cm 的圆筒形玻璃缸)罩上塑料袋，置于采样点的固定架上，取下塑料袋，开始采样，采样时间为一个月。结果表明，TSP 中扬尘浓度与地面起尘因子成准对数关系。

1.2 湿法收集

湿法收集装置与干法收集装置的不同之处在于容器内加入了一定量的液体，进入收集容器的降尘物质溶入液体中或沉积在容器底部，从而有效避免“二次起尘”现象。我国国家标准《环境空气－降尘的测定GB/T 15265－94》规定使用乙二醇(C2H6O2)水溶液进行湿法收集，乙二醇的加入量为60～80mL，根据不同季节的蒸发量与降水量，酌情加蒸馏水50～200mL。

樊守彬等［5］采用湿法收集装置监测北京道路扬尘并分析降尘排放特征。对北京市城八区的快速路、主干道、次干道和支路共计40 条道路进行道路降尘(DFr)监测，每条道路布置2 个降尘监测点，同时选择14 个公园或绿地进行背景降尘(DFb)监测，道路降尘与背景降尘的差值作为道路自身降尘(ΔDF)。集尘缸的尺寸和样品分析程序均依照《环境空气－降尘的测定－重量法》(GB/T15265－1994)规定执行，材质为95 号玻璃。每月采样一次，每次采样30d，2007年共采集12 次，每期共获取1128 个降尘监测样品。以1年的数据作为研究周期，对2007年全年数据进行统计分析。结果显示，快速路、主干道、次干道和支路的ΔDF 分别为18.9、13.9、9.9 和9.7t/(km2·30d)，降尘值比例为100∶74∶52∶51，单辆车引起的降尘比例为1.00∶2.55∶5.20∶5.67;夏季道路降尘量最大，其次为冬季。以一年为周期，道路月均降尘为ΔDF，则1～4月份交通降尘量为0.72～0.94ΔDF，5～8月份降尘量为1.10～1.30ΔDF，9～12月份月降尘量为0.96～0.99ΔDF;不同类型道路ΔDF 数据均呈偏态分布，道路降尘不同季节也均为偏态分布。道路降尘量与车流量呈正线性相关。

1.3 玻璃球法收集

玻璃球法收集降尘是指在降尘容器中平铺一层玻璃球，使降尘落入其间的空隙，减小“二次起尘”的概率。这种方法既克服了干法收集装置的部分缺点，又避免了湿法收集时加液体的麻烦。从理论上而言，玻璃球法收集的降尘应该多于干法而少于湿法。

倪刘建［6］采用玻璃球法收集装置，定期收集交通干道降尘并对冬季降尘样品进行了沉降通量的计算和粒度的测定。具体方法为:在距地面约2～10m 不等处，使用直径15cm、高度30cm 的向上开口的聚乙烯圆桶形集尘缸，内衬一次性洁净塑料袋，袋内平铺一层直径为1.2cm 的玻璃球，罩上塑料袋，把集尘缸放在采样点的固定架上再把塑料袋取下，开始收集样品。每个采样点放置5 个集尘缸，集尘缸口距离取样平台160cm。尘样按月收集，去除树叶、昆虫等异物，每次以200mL 蒸馏水冲洗下附着在塑料袋内壁上的尘于烧杯中，在80℃下恒温烘干后，用万分之一天平称重，密封保存。结果表明，2004年12月份到2005年3月份期间南京市降尘沉降通量在3.58～65.53g/(m2·30d)之间变化。

1.4 三种降尘收集方法之间的关系

由于三种降尘收集方法抑制“二次起尘”的能力不同，因此也就具有不同的收集效率。据Mc Tainsh［7］的研究，干法收集会严重低估降尘量，干法收集的降尘仅占湿法64%;王赞红［8］的研究表明，干法收集的降尘为湿法的76%。钱广强等［9］研究表明，干法收集的降尘量为湿法的73%，为玻璃球法的95%;玻璃球法收集的降尘量为湿法的77%。

2 积尘负荷法

表面积尘负荷是指道路或地面单位面积上能够通过200 目标准筛(相当于几何粒径75 微米以下)的那部分积尘的质量［1］。目前，国内还没有形成标准化的道路积尘的测量方法，国内该领域的专家学者较为普遍地引用了美国环保署(EPA)公布的AP－42 表面采样测定积尘负荷的方法。具体的操作规范如下:

(1)根据采样路段的长度确定采样点的数量和位置。采集区域为1 个矩形，一边为道路宽度，一边根据道路清洁程度决定，一般为0.3～3.0m，用胶带在路面上作标记，确定采样区域，如果路段长度大于2.4km，即在距离路口小于800m 确定第1 个采样点，然后每隔800m确定1 个采样点。如果路段长度小于2.4km，即在2 个路口之间确定3 个随机点，采样宽度为0.3～3.0m。

(2)根据确定的采样点进行采样。对于比较脏的道路用扫帚和簸箕进行样品采集，而对于较清洁的路段用真空吸尘器进行采集。

(3)样品采集完毕装入密封袋，封口，贴上标签。

(4)注意事项:在确定采样点时，切忌用粉笔等能产生颗粒物的物质进行标记。采样时的自然风速应为1.8～9.0m/s，以避免采集过程中样品因扬尘而丢失。采样的同时记录采样点的车流、风速、地理位置和周围的环境因素。

(5)将采集的样品送回实验室进行筛分等处理，利用粒径谱仪分析样品中不同粒径含量的信息，利用公式(1)计算得到路面污染量。

式中:L 为道路污染量，g/m2;s 为样品中不同粒径含量，%;M 为样品总质量，g;S 为采样面积，m2。

根据积尘收集方式的不同，基于AP－42 的积尘负荷法又可分为人工扫尘法、真空收集法和移动吸尘法。

2.1 人工扫尘法

人工扫尘法是采样人员利用干净的塑料扫帚和簸箕在划定的路面上收集降尘，将样品存于自封袋，再带回实验室进行分析的采样方法。

刘春华等［10］在利用人工扫尘法对北京市的街道灰尘进行粒度分析时，将采样时间定为春季和冬季供暖季开始之前，在交叉路口的4 个方位采用多点采样(人行道、自行车道及机动车道边缘地带)再进行混合作为一个采样点的样品，采样范围在100m2以内，样品质量约为300g，结果表明，北京市街道灰尘粒度呈双峰分布特征。

为增加样品的代表性，郭光焕等［11］在城市道路(高速公路、主要干道、支路)的路口或交叉路口处布设采样点，在每个采样点采集马路上的灰土，同时采集附近的交通警察岗楼、交通指挥台等载尘平台处的长期积累的灰尘。常静等［12］为避免一次性采样时间变化对污染物的影响对固定样点进行了长时间序列采样。刘峥延［13］用塑料小刷子和木铲在各道路两侧采集灰尘样品，每200 米采集一次，每公里路段样品混合为一个综合样，每条道路采10 个灰尘综合样品，采集的样品保存在自封袋中，同时标记好采样的时间和地点。

关于采样时间的确定，张菊［14］分别于2002年11月(秋季)、2003年2月(冬季)、2003年7月(夏季)、2004年4月(春季)，在天气保持晴朗干燥至少三天后，选择晴朗无风的天气进行采样。一般而言，具体采样时间需根据所在城市天气状况而定。

2.2 真空收集法

真空收集法是利用真空吸尘器在一定面积路面上吸取道路灰尘，放入样品袋并编号，再带回实验室进行分析的采样方法。

王帅杰［15］利用真空收集法监测道路积尘量，制定了道路积尘量限定标准环境效益的评估方法。按主干道、次干道、支路、快车道等4 类分别采样，每类道路任选2 条，每条路任选4 处测量(尽量做到两处在车流量较大的地段，两处在车流量较小的地段)，对于主干道、次干道、快车道等长的道路两处距离在1000m 以上，对于支路中一些较短的道路两处距离在100m 以上。对机动车道、非机动车道也要分别进行采样。采样时在每处的路边进行采样，对于非机动车道，在靠人行道的路边进行采样。对样品分析结果表明，道路积尘量下降率和环境空气颗粒物浓度下降值之间存在一种定量的关系，可以定量地进行环境效益的评估。

2.3 移动吸尘法

基于AP－42 的人工扫尘法和真空收集法都需要大量人力，且采样时间长。黄玉虎等［16］提出了改进的移动吸尘法。该方法是在采样车低速(＜7.2km/h)行驶过程中完成积尘采样的方法，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1m)，采样带宽度约0. 12m，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，见图1。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200m(车道左、右内侧各100m)，其他类型道路每车道采集100m(车道左、右内侧各50m)。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，该方法采样的安全性、快捷性和准确性都有大幅提高。

3 快速检测法

图1 移动吸尘法采样示意图

基于AP－42 的积尘负荷法只是检测了道路表面静止的尘土负荷，并没有将因机动车的流动引起的扬尘考虑进去，而快速检测法则可以实现对道路交通扬尘的动态检测。目前主要是指TRAKER 技术—即道路再悬浮气溶胶的动力排放测试系统，该系统是将采样等相关设备安装在机动车上，随车进行采样。系统包括:①颗粒物浓度监测系统(传感器或者采样头等，可根据需要搭载不同的采样设备)，它被安装在机动车的前轮后侧;②颗粒物背景浓度监测系统(传感器或者采样头等，可根据需要搭载不同的采样设备)，它被安放在机动车前轮的前部;③数据的收集和处理系统;④GPS 定位系统，用来对机动车行驶路线实时定位;⑤摄像机，随车拍摄道路状况。

2001年Kuhns 等［17］首次采用TRAKER 技术在美国拉斯维加斯道路现场进行测试，当时搭载了两个粉尘测定仪来监测粒径小于10μm 的颗粒物，一台安装在车辆引擎盖的上方;一台安装在车内，通过一根6.2mm 的进口连线与前轮轮胎后部相连，如图2 所示。测定仪的入口置于轮胎中心，距地面17.5cm，在轮胎转轴后侧47cm。结果表明TRAKER 具有监测道路尘负荷时空分布的潜在能力，但是当时仅仅进行道路尘负荷的监测，加之采集和分析尘样的劳动强度较大，在当时推行这种技术并不实际。

图2 粉尘测定仪安装位置图

后来Kuhns 等对TRAKER 技术进行了改进，并在美国爱达荷州宝谷道道路尘研究中将该技术作为主要的研究方式，不仅可以评估各种道路尘的排放情况，而且可以评估道路清扫、降雨、季节等因素对扬尘排放的影响。

2003年V. Etyemezian 等［18］对TRAKER 技术进行了改进，分别在机动车左右前轮的后侧均安装了颗粒物采样入口，右边的采样入口在轮胎后侧50mm，距地面165mm;左边的采样入口在轮胎后侧63mm，距地面165mm，颗粒物背景采样入口位于机动车的前部。图3给出了各个采样入口及设备安装位置的俯视图。这种采样可更加准确地反映机动车扰动引起的道路扬尘排放量。

图3 采样入口及设备安装位置俯视图

随后，TRAKER 技术开始被广泛地应用，Sehyun Han 等［19］在前轮的正后方安装有二次扬尘采样器入口，另一个采样器入口位于前保险杠上，用于采集道路尘背景值作为对比，在汽车的顶端则装有一个GPS 定位系统能够更加精确的给出汽车所在的位置和运动轨迹，如图4 所示。

图4 采样系统示意图

Patrick F. DeLuca 等［20］在加拿大安大略湖汉密尔顿市进行了移动式道路尘采样系统对道路尘样及其它空气污染物质进行了采样监测，所有颗粒物的浓度和GPS 数据信息同时被收集到数据记录器中，然后存储为一个完整的数据库。Patrick F. DeLuca 指出移动式采样技术能够明确的识别出问题区域和当地单个排污源。然后可以根据监测结果采取一系列的综合措施进行针对性的治理和削减计划，这样能够更有效的对空气污染进行控制。

2009年Karin Edvardsson 等［21］采用移动式道路尘采样系统对道路PM10浓度进行监测，与前人不同的是Karin Edvardsson 等将两个相同的粉尘采样器(DustTrak)放置在机动车顶部的保护盒中，其中一个采样器的采样头放置在左反光镜上，用以记录PM10浓度的背景值，另一个采样器的采样头放置在后挡风玻璃处，用以测量道路尘(见图5)。根据Muleski 等人总结的经验，采样口高度为1m 时，能够代表PM10暴露的峰值，据此，该实验设置的采样口距离地面的高度大约为1.1m，而且在这个高度上扬尘对大气能见度已经造成了影响。该移动式采样方法可以给出连续的数据，而且具有快速、可靠、重复性好、易于操作、经济性好等优点，驾驶员的开车方式对采样结果影响很小。

图5 粉尘采样器位置图

国内的樊守彬等［22］也开发出一种移动式路面尘负荷测试系统，该系统包括帕杰罗速跑车1 辆、DustTrak8520 颗粒物采样仪3 台、GPS 仪1 台等。DustTrak8520 分别安装于车顶和车内，车内仪器通过防静电管连接测试轮胎后PM10，测点位于右侧轮胎正中，距离地面17.5cm，距离轮胎5cm，1 台备用，GPS 仪放置于车内通过天线接收信号，车辆行驶过程中同时测量道路环境中颗粒物浓度和车轮后颗粒物浓度。该系统根据前后车轮质量浓度差来推断二次扬尘排放潜势，并把浓度差修正到同一车速下判断道路扬尘潜势，结合GPS仪显示路面尘负荷的空间分布，建立了路面尘负荷、车速和浓度差之间的函数关系为sL = 9.89·C0.810·

4 三种方法比较

采用降尘法监测道路降尘，具有实施安全，评估周期长(7～30 d)，评估结果代表长时间的平均值，评估误差小等优点;但存在的问题主要有不能满足快速评估要求，难以收集细粒子的扬尘，采样过程易受天气状况的影响，且采样成本略高，当用于研究扬尘与车速车流量的关系时无法给出降尘量与车速及车型的定量关系。

而基于AP－42 的积尘负荷法中，真空收集法和人工扫尘法都要求采样人员站在路上扫尘或用吸尘器吸尘，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，因此必须保证采样的安全性、快捷性和准确性。真空吸尘时，可能会将采样区域以外的道路尘一并吸入从而造成误差，同时采样后存在于尘收集与处理中的误差也需要加以注意。人工扫尘时，老化的道路会产生大量路面风蚀尘，在分析时需考虑此因素。而移动吸尘法目前相关的文献较少，还没有详细的技术规范。

结合了GPS 的快速检测法可以显示路面尘负荷的空间分布，可以显示出不同位置的路面清洁程度，可以在较短时间内获得大量数据，消除了尘负荷采样过程中的不安全因素。该采样方法可以给出连续的数据，而且具有快速、可靠、重复性好、易于操作、经济性好等优点，驾驶员的开车方式对采样结果影响很小。快速检测法能够明确的识别出问题区域和当地单个排污源，然后可以根据监测结果采取一系列的综合措施进行针对性的治理和削减计划，这样能够更有效的对空气污染进行控制。快速检测法与前两种方法之间测试数据存在一定差异，主要原因是快速检测法测量值为整条道路的平均值，前两种方法采集的尘负荷为典型路面的结果。

5 结 语

目前降尘法、积尘负荷法和快速检测法是国内外相关研究中用于开展道路交通扬尘检测的主要方法，这些方法均各自存在优缺点。本文分别从采样点的布置、采样频率、研究目的等各方面对相关研究者所采用的不同采样方法进行了介绍。笔者认为，降尘法更适合大气降尘的收集，而基于我国目前的道路交通安全状况，积尘负荷法又有一定的风险，快速检测法虽然安全便捷，但最大问题是可能得出负值，因此，关于道路交通扬尘采样方法的研究还需加强。

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