北京市道路扬尘时空变化特征的研究*

竹 涛 李冉冉 李笑阳 吴世琪

(中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院，北京 100083)

北京市道路扬尘时空变化特征的研究*

竹 涛 李冉冉 李笑阳 吴世琪

(中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院，北京 100083)

道路扬尘已成为城市颗粒物重要来源之一。为了甄选有效的采样测试方法，分别采用降尘法和积尘负荷法对北京市4种不同类型的道路扬尘进行采集，通过分析获得降尘量和积尘负荷的时空变化规律。结果显示：降尘量夏季明显高于秋季，在次干道和支路上，采样高度1.5、2.5 m的降尘量差异不大，在夏季差值分别为0.193 0、0.122 4 g/(m2·d)，在秋季差值分别为0.037 1、0.013 3 g/(m2·d)；而主干道和快速路上，1.5 m高度的降尘量明显大于2.5 m高度，在夏季差值分别为0.268 6、0.464 6 g/(m2·d)，在秋季差值分别为0.111 0、0.353 9 g/(m2·d)；道路积尘负荷夏季高于秋季，在夏季表现为支路>次干道>主干道>快速路，其积尘负荷从大到小依次为2.758 9、1.976 7、1.787 8、1.547 5 g/m2，在秋季表现为次干道>支路>快速路>主干道，其积尘负荷从大到小依次为1.920 2、1.822 9、1.430 6、0.201 5g/m2。随着车流量增大和车速加快，积尘负荷逐渐降低。研究结果能为北京市在道路扬尘采样方法的选择和颗粒物控制上提供理论依据。

道路扬尘 降尘 积尘负荷 时空变化

随着经济发展，城市道路格局和机动车活动水平不断变化，道路扬尘排放量逐年增加，成为城市颗粒物的重要来源之一[1]，道路扬尘中的PM10和PM2.5严重影响了城市空气质量及人体健康[2]。PM10易吸附多环苯类、多环芳烃等致癌物质；PM2.5和PM10均能损坏人体呼吸道，造成过敏、哮喘和肺气肿[3]。据《2013年北京市环境状况公报》，PM10的年平均质量浓度为108.1 μg/m3，超过《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)二级限值(70 μg/m3)，PM2.5的年平均质量浓度为89.5 μg/m3，超过GB 3095—2012二级限值(35 μg/m3)，可见道路扬尘治理任务艰巨而紧迫。国内对道路扬尘的研究重点大多集中于颗粒物化学组分分析方面，宋少洁等[4]分析了北京市典型道路的细颗粒物元素组成和分布特征，刀谞等[5]60-69分析了京津冀地区PM2.5、PM10及其水溶性离子组分的区域污染特征，朱琼宇等[6]分析了上海市霾期与非霾期的不同粒径大气颗粒物中汞的分布特征，霍静等[7]研究了天津市秋冬季PM2.5碳组分化学特征及其来源。近几年对道路扬尘排放特性的研究增多[8-9]，大部分是基于美国环境保护署的AP-42模型，如刘泽常等[10]利用AP-42模型研究了济南市道路扬尘排放因子及其主要影响因素，王社扣等[11]对南京市不同类型道路扬尘的源排放清单进行了估计，彭康等[12]研究了珠江三角洲的道路扬尘排放因子与排放清单状况。道路扬尘采样是排放特征研究的基础，国内使用较多的有积尘负荷法、降尘法、快速检测法[13]。张正偲等[14]使用降尘法在腾格里沙漠研究了不同收集方式对降尘效率的影响，许妍等[15]使用积尘负荷法研究了天津市道路扬尘排放特征及空间分布。

虽然国内对不同采样方法的研究较多，但对于不同方法的对比分析涉及较少，不同方法的适用性还有待商榷。因此，本研究以降尘法和积尘负荷法对比研究北京市道路扬尘时空分布，并对两种方法的适用性进行评价，以期为采样方法的规范和颗粒物控制提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

将北京市铺装道路按照主干道(学院路)、次干道(成府路)、快速路(北四环路)、支路(静淑苑路)进行分类，并设置背景点，采用优化布点方式选择不同类别的铺装道路，于2014年5月6日至8月7日进行夏季采样，2014年8月8日至11月8日进行秋季采样，具体采样点布设如表1和图1所示。

表1 道路扬尘采样点布设

对实验样品的采集，采用了降尘法和积尘负荷法两种方法。

(1) 降尘法：每个路段在道路两侧对应位置各选4个路灯杆，相邻路灯杆的距离在100 m以上，每个路灯杆在1.5、2.5 m(以降尘缸的上缘高度为准)两个高度上布设降尘缸，降尘法采样时间至少为30 d。2～3 m是目前国内外普遍采用的采样高度，如田刚等[16]在北京市选择3 m作为采样高度，HEDALEN[17]在挪威选择2.5 m作为采样高度。本研究在2.5 m高度基础上，又对应设置了1.5 m采样高度进行对比分析。

图1 道路扬尘采样点位置Fig.1 Location of road dust sampling points

(2) 积尘负荷法：机动车道(包括机动快速车道、机动中速车道和机动慢速车道)选取4 m2进行采样，非机动车道选择2 m2进行采样，快速辅路和机非混合车道视情况而定。一般在风速3.0 m/s以下的时段进行采样，采样时先用扫帚，再用吸尘器，确保大小颗粒物均能被收集，同时记录路况(车流量、天气状况等)，采集好的样品密封保存。

1.2 样品处理方法

采集的道路扬尘样品经过去杂、烘干、过筛、称重等过程，计算得到降尘量和积尘负荷。将道路同侧同一高度的降尘缸的数据进行合并，得到降尘量，将同一条道路上不同采样点位置获得的积尘负荷取平均值得到该条道路的积尘负荷。

2 结果与讨论

2.1 降尘量和积尘负荷的季节变化规律

将得到的降尘量和积尘负荷进行整理，可得到其季节变化规律，如图2、图3所示。

由图2和图3可以看出，不同道路的降尘量和积尘负荷季节变化趋势一致，都为夏季>秋季，这可能是由人为因素和气象因素共同造成的。人为因素主要包括工地降尘和道路清扫。工地降尘是进入道路的主要尘源之一，它包括建筑、拆迁、市政工地等方面，且春夏季节的工地施工比秋冬季节更为频繁；施工中产生的降尘、车辆携带的泥土、运输遗撒等会增大路面的积尘负荷。道路清扫一定程度上促使路面积尘向上迁移。此外，夏季光照强烈，频繁的光化学反应生成大量二次粒子[5]64，使PM2.5增加，而且夏季雨水较多，车辆容易携带泥土，增大积尘负荷，在车辆带动下扬尘强度增大，从而增加了降尘量。因此，夏季降尘量和积尘负荷均高于秋季。在夏季应该采取更严格的措施减小施工降尘和车辆带入道路的泥土量，主要包括路边裸土绿化、施工车辆清洗等[18]631。

注：各道路的降尘量取1.5、2.5 m高度降尘量的平均值。图2 不同道路的降尘量在不同季节的对比Fig.2 Contrast of fall dust on different roads in different seasons

图3 不同道路在不同季节的积尘负荷对比Fig.3 Contrast of dust load on different roads in different seasons

2.2 不同道路降尘量和积尘负荷的变化规律

由图2、图3可以看出，在夏季和秋季，降尘量均表现为快速路>主干道>次干道>支路。在夏季，积尘负荷表现为支路>次干道>主干道>快速路，从大到小依次为2.758 9、1.976 7、1.787 8、1.547 5 g/m2；在秋季，积尘负荷表现为次干道>支路>快速路>主干道，从大到小依次为1.920 2、1.822 9、1.430 6、0.201 5 g/m2。不同道路的降尘量和积尘负荷变化并不一致，产生这一现象的原因是支路的车流量、车速最小，容易积累尘土，且支路路口较多，路口处车辆刹车和启动、车辆转弯等都会产生较大的积尘负荷；快速路的车速和车流量较主干道、次干道大，路面的尘土容易被扬起，因此道路的扬尘排放较强，降尘量最大。可见降尘量很好地反映了道路扬尘排放状况，这与樊守彬等[18]630的研究一致。由此可以分析出，积尘负荷可能随着车流量和车速的增大而降低。图3显示主干道在秋季出现积尘负荷异常偏低现象，这可能与当时的天气状况和路面清洁有关，说明积尘负荷受外界影响较多，误差较大，在研究道路扬尘时空变化上的适用性不如降尘法，这与黄玉虎等[19]30的研究一致。

对夏季同一道路的不同车道的积尘负荷进行了分析，因静淑苑路只有机非混合车道，没有可比性，所以只针对其他3条道路进行分析，结果见图4。

图4 不同车道的积尘负荷对比Fig.4 Contrast of dust load in different lanes

由图4可以看出：学院路上不同车道积尘负荷表现为机非混合车道>机动慢速车道>机动中速车道；成府路表现为非机动车道>机动慢速车道>机动快速车道；北四环路表现为非机动车道>快速辅路。进一步验证了积尘负荷随着车速和车流量的增大而减小。机非混合车道和非机动车道的积尘负荷显著大于机动慢速车道和快速辅路，因此机非混合车道与非机动车道应成为城市道路清扫的重点。

2.3 不同高度的降尘量变化规律

对每条道路上不同采样高度得到的降尘进行分析，分别得到夏季和秋季不同高度的降尘量变化，结果如图5、图6所示。

由图5、图6可以看出，夏季和秋季的变化规律相似：在次干道和支路上，1.5、2.5 m高度的降尘量(以8个采样点的平均值统计)差异较小，在夏季差值分别为0.193 0、0.122 4 g/(m2·d)，在秋季差值分别为0.037 1、0.013 3 g/(m2·d)；而主干道和快速路上，1.5 m高度的降尘量明显大于2.5 m高度，在夏季差值分别为0.268 6、0.464 6 g/(m2·d)；在秋季差值分别为0.111 0、0.353 9 g/(m2·d)。降尘是路面上的尘土在机动车等外力作用下被扬起而进入到大气环境中，在向上迁移过程中，粒径较大的颗粒物以重力沉降作用为主导，在垂直高度上呈递减趋势；而小粒径(粒径<1 μm)颗粒物的布朗运动则明显增强，在车辆湍流作用较小的情况下分布较为均匀。由此可见，主干道的车流量较大，快速路的车速较快，能产生较大的湍流，使较多大粒径颗粒向上迁移，并随高度上升而递减，导致1.5 m 高度的降尘量明显大于2.5 m高度；次干道和支路的车流量和车速均较小，大粒径颗粒物难以向上迁移，小粒径颗粒物因布朗运动分布较为均匀，导致1.5、2.5 m高度的降尘量相差不大。

注：Ⅰ-14、Ⅱ-14、Ⅲ-14和Ⅳ-14分别代表主干道、次干道、快速路和支路上采样点1～4的平均值，Ⅰ-58、Ⅱ-58、Ⅲ-58和Ⅳ-58分别代表主干道、次干道、快速路和支路上采样点5～8的平均值。图6同。

图5夏季不同高度降尘量对比
Fig.5 Contrast of fall dust at different heights in summer

图6 秋季不同高度降尘量对比Fig.6 Contrast of fall dust at different heights in autumn

因此，在车流量较小、车速较慢的道路上采样时，可以设置1.5 m高度来代替2.5 m高度，采样高度定为1.5 m不仅更接近人们的呼吸高度，更具有实际意义，也更便于实施管理。

2.4 降尘量和积尘负荷的关系

为了比较降尘量和积尘负荷的关系，将两者进行线性拟合，结果如图7所示。

图7 降尘量和积尘负荷的关系Fig.7 The relationship between fall dust and dust load

由图7可以看出，降尘量和积尘负荷的相关性很差，R2为-0.053 8，说明降尘量和积尘负荷没有直接相关性。这是因为积尘负荷缺失了车流量、平均车重等重要道路信息，只反映了路面的清洁状况，而降尘量代表道路扬尘的排放强度。积尘负荷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]31。

3 结论与建议

(1) 采用降尘法获取北京市道路降尘量，通过对比分析，发现降尘量夏季明显高于秋季，因此在夏季应对施工扬尘加强管控，注意路面清扫以降低路面积尘负荷。在次干道和支路上，1.5、2.5 m高度的降尘量差异不大，而主干道和快速路上，1.5 m高度的降尘量明显大于2.5 m高度，因此进行降尘采样时，在车流量较小、车速较慢的道路上，可将采样高度设置为1.5 m，该高度更接近人们的呼吸高度，且便于管理。不同道路的降尘量表现为快速路>主干道>次干道>支路，因此应该重点加强快速路和主干道的道路扬尘治理，加强道路绿化，合理规划城市道路，增加支路、次干道对主干道的分流作用，缓解城市交通压力。

(2) 采用积尘负荷法获取北京市道路积尘负荷，通过对比分析，得出积尘负荷夏季高于秋季，因此在夏季要加强道路清扫力度，保持路面清洁。在夏季，积尘负荷表现为支路>次干道>主干道>快速路；在秋季，积尘负荷表现为次干道>支路>快速路>主干道。不同车道积尘负荷变化表现为非机动车道、机非混合车道大于机动慢速车道、机动中速车道和机动快速车道，积尘负荷随着车流量和车速的增大而逐渐降低，因此，非机动车道、机非混合车道是清扫的重点。

(3) 通过降尘量和道路积尘负荷的相关性研究，发现两者没有直接相关性，因为积尘负荷缺失了车流量、平均车重等重要信息，只反映了路面的清洁程度，而降尘量代表道路扬尘的排放强度。因此，降尘法更适于道路扬尘的研究。

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Researchontemporal-spatialvariationcharacteristicsofroaddustinBeijingCity

ZHUTao,LIRanran,LIXiaoyang,WUShiqi.

(SchoolofChemical&EnvironmentalEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing),Beijing100083)

Road dust has been an important source of urban particulate matter. In order to select effective sampling method,the temporal-spatial variation characteristics of four kinds of road dust in Beijing was focused on,by fall dust and dust load method,respectively. The temporal-spatial variation regular of fall dust and dust load were obtained through laboratory analysis. The results showed that fall dust in summer was significantly higher than it in autumn. In secondary road and branch road,there was no significant difference in fall dust at sampling height of 1.5 and 2.5 m,with the difference in summer 0.193 0,0.122 4 g/(m2·d),and in autumn 0.037 1，0.013 3 g/(m2·d). However,the fall dust at 1.5 m was clearly higher than 2.5 m in main road and freeway,with the difference in summer 0.268 6 and 0.464 6 g/(m2·d),and in autumn 0.111 0 and 0.353 9 g/(m2·d). Dust load in summer was higher than autumn. In summer,dust load of different sampling roads showed branch road>secondary road>main road>freeway,with their dust load 2.758 9,1.976 7,1.787 8 and 1.547 5 g/m2,respectively. In autumn,dust load of different roads displayed secondary road>branch road>freeway>main road,with their dust load 1.920 2,1.822 9,1.430 6 and 0.201 5 g/m2,respectively. Dust load gradually decreased as the traffic volume and speed increasing. The research provided theoretical basis for the choice of road dust sampling method and particulate matter control in Beijing City.

road dust; fall dust; dust load; temporal-spatial variation

竹 涛，男，1979年生，博士，教授，研究方向为大气污染控制。

*国家环境保护公益性行业科研专项(No.201409004-04)；新世纪优秀人才支持计划资助项目(No.NCET120967)；北京市优秀人才培养资助项目(2012ZG81)；中央级公益性科研院所基本科研业务专项(No.2009QH03)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2016.12.008

编辑:徐婷婷 (

2016-01-13)