西安市春季典型交通道路黑碳气溶胶的排放特征

2020-04-08谭志海李冬雪

西安工程大学学报 2020年1期

吴创,谭志海,韩通,高博,杨柳,李冬雪

(西安工程大学环境与化学工程学院,陕西西安 710048)

0 引言

黑碳(black carbon, BC)气溶胶是大气气溶胶的重要组成部分,主要由含碳物质的不完全燃烧造成,例如汽车尾气、燃煤发电等都能排放黑碳气溶胶[1]。黑碳气溶胶具有很强的吸附性,其表面能够吸附其他污染物(如多环芳烃类、重金属等)。这些污染物粒子可以通过呼吸作用进入人体,从而引起呼吸系统疾病、心血管疾病、癌症等疾病。因此，黑碳气溶胶粒子能对人体健康产生极大危害[2-4]。黑碳气溶胶中含有有机碳,有机碳中含有难降解碳[5]。黑碳气溶胶在大气中有较长的寿命,能降低能见度,改变平流层臭氧，造成光化学烟雾并参与全球生物地球化学循环以及直接和间接的影响气候变化等[6]。目前,对城市大气环境中黑碳气溶胶的监测主要通过一个或多个站点的固定平台进行长周期测量,进而对黑碳气溶胶的时空分布特征及理化特性进行分析[7]。机动车发动机在匀速工况、减速工况、加速工况、怠速工况下,相应的黑碳浓度排放放特征需要进一步研究[8-9]。特别是在人口和交通密度高的地方,很大一部分城市居民每天接触这些有害的大气复合污染物,使得死亡率和发病明显提高[10]。因此，研究道路交通的黑碳排放有助于人们对黑碳气溶胶来源进行防控。本文研究西安市典型道路黑碳排放问题，揭示道路黑碳排放的特征及原因。

1 实验

1.1 采样点选取

对小寨十字天桥进行连续 4 d 的监测,时间为2018年5月8至11日，共4 d。小寨十字天桥有3个布点，分别是小寨天桥底(距地面1.2 m)、小寨天桥上(距地面5.7 m)及距天桥底20 m处的10层楼处(距地面31.2 m)。对长乐中路与幸福北路的交叉口进行1 d的监测,时间为2018年5月23日。将红灯信号开始到绿灯信号结束之间的时间设为一个周期,进行4个周期的黑碳浓度监测。对西安世博园进行1 d的监测,时间为2018年5月23日,作为黑碳浓度背景值。对西安市长乐中路10个布点进行2 d的监测,时间为4月14日下午非车流量高峰期(13:54—15:03)与晚上车流量高峰期(18:48—19:27),5月23日下午非车流量高峰期(15:06—16:12)与晚上车流量高峰期(17:54—18:34)。具体采样点分布如图1所示。

图 1 采样点位置示意图Fig.1 Schematic diagram of the sampling point location

1.2 实验方法

实验仪器为 Aethlabs AE-51黑碳仪。仪器工作原理:外界的黑碳气溶胶颗粒落在包裹在t60 特氟龙(Teflon)的硼硅酸盐玻璃上,880 nm的射线透过时,会有一定的衰弱,通过这种衰弱测出黑碳的质量浓度。实验采用间隔为10 s,流量为100 mL·min-1的操作模式[11]。在定点监测时，首先将黑碳仪打开并使黑碳仪距里地面1.15 m,使得黑碳仪每隔10 s记录一次环境黑碳质量浓度(以下简称浓度),然后持续一段时间,关闭黑碳仪。定点黑碳浓度取监测时间内的平均黑碳浓度。

2 结果与讨论

2.1 实验结果

长乐中路4月14日下午道路黑碳质量浓度最低值为8.7 μg·m-3,最高值为16.4 μg·m-3,平均值为4.0 μg·m-3。4月14日晚上道路黑碳质量浓度最低值为1.5 μg·m-3,最高值为32.0 μg·m-3,平均值为5.7 μg·m-3。5月23日下午道路黑碳质量浓度最低值为1.3 μg·m-3,最高值为9.8 μg·m-3,平均值为3.8 μg·m-3。5月23日晚上道路黑炭浓度最低值为2.5 μg·m-3,最高值为8.1 μg·m-3,平均值为5.0 μg·m-3。晚上道路黑碳质量浓度整体大于下午道路黑碳质量浓度。小寨天桥5月8日在距地面1.2,5.7,31.2 m处黑碳质量浓度分别为8.6,2.9,1.7 μg·m-3。5月9日在距地面1.2,5.7,31.2 m处黑碳质量浓度分别为1.8,1.6,1.5 μg·m-3。5月10日在距地面1.2,5.7,31.2 m处黑碳质量浓度分别为4.4,3.9,3.0 μg·m-3。5月11日在距地面1.2,5.7,31.2 m处黑碳质量浓度分别为4.1,2.2,1.9 μg·m-3。黑碳质量浓度整体随距地面高度增加而减小。在红绿灯口，红灯时黑碳质量浓度为2.4,3.0,0.6，4.4 μg·m-3，绿灯时黑碳质量浓度4.0,5.5,4.7,4.4 μg·m-3，红灯时道路黑碳质量浓度整体小于绿灯时。

2.2 机动车流量变化对黑碳浓度变化的影响

对西安市长乐中路道路黑碳浓度进行监测。4月14日下午道路黑碳质量浓度集中在1.3 μg·m-3(下四分位数)与3.6 μg·m-3(上四分位数)范围内变化,当晚道路黑碳质量浓度则集中在2.7 μg·m-3(下四分位数)与3.6 μg·m-3(上四分位数)之间变化。5月23日下午道路黑碳质量浓度集中在2.5 μg·m-3(下四分位数)与4.4 μg·m-3(上四分位数)之间变化,而当晚道路黑碳质量浓度则集中在3.9 μg·m-3(下四分位数)与5.8 μg·m-3(上四分位数)之间变化。道路黑碳质量浓度整体上均高于该区域同时期大气黑碳背景值浓度2.3 μg·m-3。这是因为汽油柴油等机动车用油在不完全燃烧时会产生黑碳气溶胶。从同一天不同时间段道路黑碳浓度来看,下午黑碳排放浓度高于晚上黑碳排放浓度。此时，下午(14:00:00—17:00:00)车流量平均为2 002 辆/h,晚间(17:00:00—20:00:00)车流量达到3 612 辆/h,晚间高峰期车流量明显高于下午平峰期车流量[12]。下午到晚上，随着道路车流量增加,污染物浓度也随之增加[13]，车流量增加,道路上黑碳排放源增多，导致道路黑碳气溶胶浓度增大。可见,交通道路黑碳浓度变化与道路车流量变化密切相关。

图 2 长乐中路黑碳质量浓度箱型图Fig.2 Box chart of black carbon concentrationin middle Changle road

2.3 黑碳浓度垂直变化与高程变化的关系

对小寨天桥道路黑碳浓度进行监测，结果如图3。由图3可知，当监测点由近地面高度逐渐增高(1.2，5.7，31.2 m),5月8日黑碳质量浓度分别减少5.7，1.2 μg·m-3, 浓度减少率分别为66.3%，41.4%；5月9日黑碳减少0.2，0.1 μg·m-3,浓度减少率为11.1%，6.3%；5月10日黑碳减少0.5，0.9 μg·m-3,浓度减少率为11.4%，23.1%；5月11日黑碳减少1.9，0.3 μg·m-3,浓度减少率为46.3%，13.6%。这是因为道路黑碳浓度变化明显取决于近地面大气湍流强弱变化和地形条件，随着监测点高程增加,大气湍流作用逐步增强,风的扩散作用加强,进而使得黑碳浓度下降。可见,道路黑碳浓度受到近地面大气湍流变化的影响。

图 3 小寨天桥黑碳质量浓度随地面高度变化Fig.3 Black Carbon concentration of the Xiaozhai overpass varies with the height of the ground

2.4 红绿灯口黑碳排放与机动车运行工况的关系

研究表明,红绿灯口处人行道上的颗粒物浓度远大于非红绿灯口处颗粒物浓度[14]。出入长乐中路十字路口机动车辆处于动态平衡状态。十字路口红色信号灯执行时,进入等待区车辆大多数处于减速工况,而绿灯执行时刻车辆大多数处于加速工况[15-17]。随着十字路口的红绿灯信号变化,汽车工况改变,机动车黑碳排放状态也随之变化。对长乐中路与幸福北路交叉路口进行黑碳浓度监测，结果如图4所示。由图4可见，在第1个周期内,红灯时黑碳质量浓度较绿灯时黑碳质量浓度减少了1.6 μg·m-3,减少率为40.0%；在第2个周期内,红灯时黑碳质量浓度较绿灯时黑碳质量浓度减少了2.5 μg·m-3,减少率为45.5%；在第3个周期内,红灯时黑碳质量浓度较绿灯时黑碳质量浓度减少了4.1 μg·m-3,减少率为87.2%；在第4个周期内,红灯时黑碳质量浓度较绿灯时黑碳质量浓度减少了0.04 μg·m-3,减少率为0.8%。长乐中路非红绿灯口处平均黑碳质量浓度为3.1 μg·m-3,非红绿灯口处机动车大多数处于怠速工况。可见，非红绿灯处黑碳质量浓度小于绿灯时黑碳质量浓度,而大于红灯时黑碳质量浓度,说明汽车在怠速工况下黑碳排放浓度是介于汽车在加速工况与减速工况下黑碳排放浓度的。这是因为机动车在加速工况时,燃烧室中燃油多,空气少,燃烧室内呈现缺氧状态,燃油不能够充分燃烧,产生大量的碳氢化合物,即燃油没有全部用来做功,导致道路黑碳气溶胶排放大量增加。机动车在减速工况时,燃烧室中燃油少,空气多,产生黑碳气溶胶较少,而机动车在怠速工况下燃油利用效率介于两者之间[15-17]。可见,交通十字路口机动车黑碳排放强弱受到车辆运行工况的影响较大。