郑州市不同道路等级对近地空气PM2.5和PM10分布特征的影响

郭二辉，陈家林，郑 敏，裴 丙，杨喜田

(河南农业大学林学院，河南 郑州 450002)

郑州市不同道路等级对近地空气PM2.5和PM10分布特征的影响

郭二辉，陈家林，郑 敏，裴 丙，杨喜田

(河南农业大学林学院，河南 郑州 450002)

为探究城市不同道路等级对空气PM2.5和PM10质量浓度特征及其日变化规律的影响，本研究选取郑州市的金水路(快速路)、文化路(主干道)和东三街(支道)进行调查和监测。结果表明，PM2.5和PM10的日均值表现为金水路>文化路>东三街，3条道路PM2.5和PM10的质量浓度均不同程度超过国家标准质量浓度限值。文化路PM2.5和PM10的日变化呈现单峰型曲线，峰值出现在7:00-8:00。金水路PM2.5和PM10日变化波动性较小，且整体保持较高质量浓度水平。东三街PM2.5和PM10质量浓度峰值出现在6:00-8:00，在12:00之后随着车流量的变化呈现波动。3条道路PM2.5/PM10值为0.64～0.73，且在13:00-14:00之间出现峰值。PM2.5/PM10的平均比值：文化路(0.69)>东三街(0.68)>金水路(0.66)，说明机动车尾气对PM2.5的贡献大于PM10。3条道路的PM2.5、PM10质量浓度与车流量之间存在相关性，但显著性不同。

城市道路等级；PM2.5质量浓度；PM10质量浓度；分布特征

随着中国社会经济的快速发展和城市化进程的迅猛推进，城市人口迅速增加，机动车辆日益增多，许多严峻的生态环境问题频繁发生，其中大气颗粒物已成为许多城市空气的首要污染物[1-2]。2013年以来，全国多个地区接连发生的灰霾污染现象，更引发公众对空气质量的极大关注。PM2.5和PM10是空气动力学当量直径分别≤2.5μm和≤10μm的颗粒物，均是大气污染物的重要组成部分[3]。PM2.5和PM10能散射和吸收太阳辐射，影响地球-大气系统能量平衡，降低大气能见度，导致城市及周边区域雾霾的发生[4-5]。PM2.5可以进入人的肺泡，沉积在肺中，又被称为可入肺颗粒物。可吸入颗粒物中的PM2.5质量浓度水平与呼吸系统和心肺疾病的发病率、死亡率存在正相关关系，严重危害人体健康[6-7]。在20世纪中期，美国和欧洲一些国家就开始对空气颗粒物进行研究，中国目前的研究主要集中于对空气颗粒物的来源分析、成分解析、危害评价、时空变化规律和防控对策等方面[8-15]。环保部空气质量公报显示，自2013年初加入PM2.5等监测指标后，郑州市环境空气质量连续3年位列全国倒数10名之内，因而开展郑州市空气颗粒物污染的研究刻不容缓。本文研究了郑州市不同道路等级的PM2.5和PM10质量浓度特征及其日变化规律，并分析了其与道路车流量之间的相互关系，以期为郑州市道路空气颗粒物的防控和周边居民的健康出行提供有益参考。

1 研究区概况

试验选取了郑州市的金水路、文化路和东三街为研究对象，采样点位置见图1。3条道路的具体情况：(1)金水路为郑州市的快速路，东西双向8车道。金水路采样点位于河南省委对面，周围主要是政府机关，无大型工地或工厂，车辆行驶比较畅通。(2)文化路为郑州市主干道，南北双向4车道，文化路沿线有10多条公交线路，车速较慢，拥堵现象较多。文化路采样点在郑州大学工学院东门附近，周围主要是居住区和学校。(3)东三街为支道，南北双向2车道。采样点在郑州大学第二附属中学西门，采样点周围为居住区，车辆较少，基本无堵车现象。

图1 采样点位置Fig.1 Position of sampling point

2 研究方法

2.1监测方法

本研究采用SYD-HM粉尘连续测试仪(青岛宜兰环保工程有限公司)进行监测，仪器的灵敏度为0.001 mg·m-3，相对测量误差≤ ±10%。试验时间为2015-04-20 — 2015-05-15，选择晴朗无风的天气共7 d，同时对金水路、文化路和东三街进行连续监测。测量时间为6:00-18:00，检测点距离地表高度为1.5 m，同时记录不同道路的平均车流量。

2.2数据处理

原始的监测数据为5 min平均值，文中采用的数据是小时平均值，日均值为白天6:00-18:00的小时平均质量浓度的算术平均值。采用SPSS 19.0软件，进行单因素方差(one-way ANOVA)分析不同道路的PM2.5和PM10平均值的差异，当差异性显著时，采取Turkey距离进行多重比较。

3 结果与分析

3.1不同道路的PM2.5和PM10质量浓度特征

由表1可知，PM2.5和PM10的日均值均表现出金水路>文化路>东三街，金水路与文化路的PM2.5和PM10质量浓度之间差异性不显著，但金水路、文化路与东三街之间存在显著差异。PM2.5和PM10的小时均值最大值均出现在文化路，最大值分别为184、275 μg·m-3，最小值均出现在东三街，分别为58、86 μg·m-3。与国家《环境空气质量标准》中质量浓度限值相比，3条道路的颗粒物质量浓度均不同程度超过新标准规定的一级、二级标准限值，其中PM2.5最大超标倍数分别为5.26、2.45，PM10最大超标倍数分别为5.50、1.83。3条道路中，金水路和文化路PM2.5、PM10的日均值超过二级质量浓度限值，东三街PM2.5日均值也超过二级质量浓度限值，但PM10的质量浓度介于一级和二级质量浓度限值之间。

表1 不同道路PM2.5和PM10质量浓度和国家标准限值Table 1 The mass concentrations of PM2.5 and PM10 in different roads and the national standard limits

注：同一列中，不同字母表示差异达到显著水平(P<0.05)。
Note：Different letters in the same column mean significant difference(P<0.05).

3.2不同道路PM2.5和PM10质量浓度日变化特征

3条道路的PM2.5和PM10质量浓度的日变化规律及车流量情况如图2所示。监测结果表明，文化路PM2.5和PM10质量浓度的日变化呈现单峰型，峰值出现在7:00-8:00之间，这和文化路车辆出行早高峰具有密切的关系，文化路在7:00-8:00之间还经常出现交通拥堵。9:00之后，PM2.5和PM10值逐渐降低，在12:00-13:00之间下降速度最大，在14:00-17:00之间，保持在较低水平，而在18:00受车辆晚高峰的影响出现回升趋势。文化路下午的PM值低于上午，这与车流量的变化有关，也可能是因为随着太阳光照的增强，大气条件越来越活跃，有利于污染物的扩散。

金水路PM2.5和PM10的日变化波动性较小，在8:00-9:00之间大幅升高，之后整体保持较高质量浓度水平。金水路的7:00-8:00期间是车流高峰期，其 PM数值在8:00左右开始上升，9:00左右达到峰值，原因可能在于机动车排放的尾气扩散，并导致PM质量浓度的变化需要时间，一般滞后0.5～1.0 h左右；10:00以后PM值趋于平稳。东三街PM2.5和PM10质量浓度峰值出现在6:00-8:00，9:00以后稳于低值，并随着车流量的增减而呈现相应的升降趋势。监测结果也表明文化路6:00-8:00之间PM2.5和PM10值远远高于其他2条道路，文化路的车流量高于东三街，这是文化路颗粒物浓度较东三街高的主要原因。然而在此时间段，金水路的车流量却大于文化路的车流量，这可能是由于文化路早高峰期间，道路拥堵现象严重，车辆行驶缓慢，而金水路道路畅通，车辆行驶速度较快。有研究表明，汽车在加速、减速、停止时会排放更多尾气[16]。车辆拥堵的文化路上车辆加速、减速、停止等行为更加频繁，因此，早高峰期文化路PM2.5和PM10值高于金水路。

注：柱状图为车流量，折线图为PM变化图。Note:The histogram was traffic flow,and the line was PM.

3.3不同道路PM2.5和PM10的比值与相关性

道路PM2.5与PM10质量浓度的比值可以反映空气中可吸入颗粒物中细颗粒所占的比重(图3)。研究发现，3条道路PM2.5/PM10值范围为0.64～0.73，表明春季的空气颗粒物大部分由PM2.5组成，这与徐敬等[17]得到的结果一致。不同道路PM2.5/PM10值随时间变化规律如图3，3条道路的比值均在13:00-14:00之间出现峰值，高于每天早晨(6:00-9:00)和傍晚(17:00-18:00)的交通运输高峰期的比值。XAVIER等[18]把这种PM2.5与PM10比值与交通运输量呈反相关的现象归结为：交通流动引起二次悬浮的粗颗粒在空气中的比例上升，其中很大一部分粒子的粒径在2.5～10 μm之间，从而降低了PM2.5在PM10中的比例。

图3 不同道路PM2.5/PM10值Fig.3 PM2.5/PM10 of different roads

对不同道路的PM2.5和PM10进行相关性分析，可以得到不同道路PM2.5与PM10的线性方程PM10=a·PM2.5+b(式中a为参数，b为常数)，如表2所示。3条道路PM2.5增大的同时，PM10也在增大，具有相同的变化趋势，两者符合线性关系，有很好的相关性。3条道路线性方程的R值与查相关系数检验表得到R临界值(表2)相较，均远远大于临界值，表明3条道路PM2.5和PM10呈极显著关系(α=0.01)。

表2 不同道路PM2.5和PM10的线性相关关系Table 2 Linear relationship of PM2.5 and PM10 of different roads

注：显著水平α=0.01。
Note：Significant correlation underα=0.01.

3.4不同道路的PM2.5和PM10质量浓度与车流量相关性

为探讨不同道路颗粒物质量浓度与车流量的关系，对3条道路PM2.5、PM10质量浓度与车流量进行相关分析。由表3可知，文化路车流量与PM2.5质量浓度之间存在显著相关关系(P<0.05)，但与PM10质量浓度之间相关关系不显著，相关系数分别为0.573、0.436；金水路车流量与PM2.5、PM10质量浓度之间均呈现显著相关关系(P<0.05)，相关系数高达0.596、0.561；而东三街车流量与PM2.5、PM10质量浓度间的相关关系均不明显，可能因为东三街车流量较小，环境背景PM质量浓度对其贡献较大。

表3 不同道路PM2.5和PM10与车流量的相关关系Tab.3 Correlation relationships between traffic flow and PM2.5 and PM10 of different roads

注：* 表示在P<0.05 水平上显著。
Note:*means significant correlation atP<0.05.

4 讨论与结论

试验监测期间，3条道路PM2.5平均质量浓度限值均超过新标准中国家环境空气质量二级标准，PM10质量浓度也超出或接近二级标准限值。PM2.5和PM10的日均值均表现出金水路>文化路>东三街，金水路与文化路颗粒物质量浓度之间差异性不显著，而金水路、文化路与东三街之间存在显著差异，3个道路测量点颗粒物的来源主要是道路机动车排放和交通扬尘。道路交通中机动车尾气排放出大量的颗粒物，同时车辆行驶过程中造成气流扰动而形成的二次扬尘，不断增加空气中PM2.5、PM10的质量浓度，而车辆制动磨损、轮胎磨损、路面磨损等非尾气排放也对颗粒物浓度产生增加作用，不同的道路交通状况对颗粒物浓度产生不同的影响[19-20]。道路交通颗粒物的浓度与道路等级之间存在密切的关系。有关的研究发现：城市快速路、主干道、支路的车流量比例为100:29:9，不同道路的降尘量快速路：主干道：支路=100:85:66。在本研究中，金水路(快速路)、文化路(主干道)、东三街(支道)3条道路PM2.5和PM10的比例分别为100:92:53和100:86:50。PM2.5和PM10的小时最大质量浓度数值均出现在文化路上，这可能是与其早高峰期间车速较慢，拥堵现象严重有关，有研究也表明怠速行驶的汽车会比快速行驶过程中排放出更多颗粒物[19-20]。3条道路的PM2.5与PM10的比值为0.64～0.73，说明PM2.5是PM10的主要组成成分，两者的平均比值是文化路(0.69)>东三街(0.68)>金水路(0.66)，说明机动车尾气对PM2.5的贡献大于对PM10，与包贞等[21]对杭州市大气PM2.5和PM10来源解析得出的结论相符。

不同道路PM2.5和PM10质量浓度随时间变化分析表明：早晨(6:00-9:00)和傍晚(17:00-18:00)颗粒物的质量浓度高于白天，下午14:00以后PM2.5、PM10质量浓度相对较低，这与大多数研究结果一致[9,16]。空气中颗粒物质量浓度除了受道路交通情况的影响，还与气象条件息息相关。早晨和晚间受大气边界层收缩的影响，颗粒物不易扩散，导致颗粒物质量浓度较高，随着温度升高，大气近地层垂直对流增强，促进污染物扩散[22-23]。然而在日照充足的下午，湿度较低且大气层较不稳定，更利于污染物的扩散，从而PM2.5、PM10质量浓度在此时保持较低水平。陈治宇等[24]在佛山市的研究发现，城市主干道、次干道和支道PM2.5/PM10的平均值分别为70.1%、58.5%、69.5%。本研究结果表明快速路、主干道和支道PM2.5/PM10平均值分别为66.4%、68.9%、68.2%，这种差异性结果与魏复胜等[25]在中国南北城市研究中得到的北方城市PM2.5/PM10低于南方城市的结论相符。

研究结果表明,3条道路PM2.5、PM10质量浓度的变化均受到车流量的影响，但其相关的显著性不同。有关的研究表明机动车在怠速情况下排放的颗粒物比正常行驶状态多[19-20]，文化路较为拥堵，因此会影响车流量与PM2.5、PM10质量浓度之间的相关关系。由于道路近地空气PM2.5、PM10质量浓度值还受交通畅通特征、道路周边植被特征、空气颗粒物的输入情况及环境因子如大气温度、湿度、风速、风向等的影响；以上多因素综合影响下，很难准确对不同道路PM2.5、PM10质量浓度与车流量之间的关系进行定量化，在今后的试验设计中，应以本研究的结果为基础，最大限度地排除其他PM2.5、PM10质量浓度的影响因子，重点研究同一区域不同车流量下近地空气PM2.5、PM10质量浓度变化特征，以期为城市道路区域空气颗粒物的防控提供有效的科学依据。

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(责任编辑：李莹)

EffectsofdifferentroadsgradesondistributioncharacteristicsofPM2.5andPM10inZhengzhouCity

GUO Erhui，CHEN Jialin，ZHENG Min，PEI Bing，YANG Xitian

(College of Forestry，Henan Agricultural University，Zhengzhou 450002，China)

In order to explore the effects of different roads grades on distribution characteristics of air PM2.5and PM10mass concentration and their diurnal variation,Jinshui Road,Wenhua Road and Dongsan Street in Zhengzhou were selected for this study.The results showed that the daily average value of PM2.5and PM10from high to low was Jinshui Road,Wenhua Road,and Dongsan Street,and the mass concentrations of PM2.5and PM10in the three roads was higher than the national standard concentration limit.The diurnal variation of PM2.5and PM10from 6:00 to 18:00 in Wenhua Road was a single peak curve type，while the maximum appeared around 7:00-8:00.The diurnal variation of PM2.5and PM10in Jinshui Road varied with a small range,maintaining a high level of PM2.5and PM10from 6:00 to 18:00.The maximum of PM2.5and PM10concentration in Dongsan Street appeared at 6:00-8:00,and the PM2.5and PM10concentration kept fluctuating after 12:00 with the change of traffic flow.The PM2.5/PM10of the three roads ranged from 0.64 to 0.73,and the maximum appeared between 13:00 and 14:00.The average ratio of PM2.5/PM10from high to low was Wenhua Road (0.69),Dongsan Street (0.68),and Jinshui Road (0.66),indicating that the the motor vehicle exhaust contribution rate of PM2.5is higher than that of PM10.The correlation coefficients between traffic volume and PM2.5,PM10concentration of the three roads were different.

city road grades； PM2.5concentrations; PM10concentrations; distribution characteristics

X 513

：A

2015-10-29

国家自然科学基金项目(41401206)；郑州市科技攻关项目(153PKJGG107)；河南省基础研究计划项目(152300410234)

郭二辉(1984-)，男，河南汝阳人，讲师，博士，主要从事恢复生态学研究。

杨喜田(1965-)，男，河南长垣人，教授，博士，博士研究生导师。

1000-2340(2016)03-0416-06