北京市不同功能区冬季道路扬尘排放特征

2020-05-19亓浩雲樊守彬王凯

环境工程技术学报 2020年3期

亓浩雲，樊守彬，王凯

1.首都师范大学资源环境与旅游学院 2.北京市环境保护科学研究院 3.国家城市环境污染控制工程技术研究中心

大气污染物主要包括气态污染物和颗粒态污染物，颗粒物按粒径大小可分为TSP、PM10和PM2.5[1-3]。近些年，我国大气污染物分布发生了变化，PM10和PM2.5成为城市空气首要污染物[4-6]。随着机动车保有量的日益增加，机动车所带来的交通问题与大气污染问题越来越突出。道路扬尘是PM10的一大来源，也是城市扬尘的重要组成部分[7]，会影响大气能见度及环境质量，损害人类健康，破坏城市景观。美国学者[8-10]在道路积尘负荷测量方面开展研究较早，我国鲜见成熟的测量方法，一般采用美国国家环境保护局(US EPA)公布的AP-42文件中积尘负荷采样方法。如樊守彬等[11-16]应用AP-42方法对呼和浩特城区、北京城区典型道路扬尘进行计算，并建立了基于ArcGIS的排放清单数据库；朱振宇等[17]采用改进的AP-42方法计算并分析天津城区不同类型道路的积尘负荷；杨德容等[18]利用AP-42方法对成都城区和郊区不同等级铺装道路扬尘的排放因子和排放量进行了估算；王社扣等[19]使用AP-42方法估算出南京市2010年的扬尘排放量，并给出了高分辨率的空间分布。笔者以北京市东城区、朝阳区、顺义区、平谷区为研究对象，分别代表四大功能区——首都功能核心区、城市功能拓展区、城市发展新区、生态涵养区，通过对比各功能区的道路积尘负荷特征，分析功能区的道路扬尘排放情况；通过模型计算不同功能区不同类型道路的扬尘排放因子、排放强度及排放量，分析道路扬尘空间分布，以期为制定不同功能区道路扬尘排放控制方案提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 排放因子计算方法

采用AP-42排放因子模型计算各功能区不同等级道路扬尘排放因子，计算公式如下：

E=k×SL0.91×W1.02×(1-P4N)

(1)

式中：E为道路扬尘排放因子，g/(km·辆)；k为粒径修正系数，TSP、PM10和PM2.5分别取3.23、0.62和0.15；SL为积尘负荷，g/m2；W为车辆平均质量，t；P为研究时段内降水量大于0.254 mm的天数，d；N为研究时段的总天数，d。

在调查北京市各功能区不同类型道路车辆的构成比例基础上，对不同类型客车、货车空载和满载时的质量进行调查分析，得到不同类型车辆的单车质量。根据不同类型车辆的平均质量和行驶在不同等级道路上不同类型车辆的构成比例计算道路上机动车车辆平均质量，计算方法如下：

(2)

式中：n为车辆的种类数；Wi为第i种车辆的平均质量，t；ai为第i种车辆占道路上总车辆的比例，%。

各功能区不同类型道路和道路车流量是交通扬尘排放清单建立的基础数据，通过现场调查、对相关部门调研等方法获得了北京市各功能区路网信息、车流量等基础数据。以路网信息为基础，应用ArcGIS软件编辑生成实际道路上车流量、车型构成等基础信息。

1.2 排放强度及排放量计算方法

排放强度表示单位长度道路的日扬尘排放量，采用排放因子估算法计算，计算公式如下：

ES=E×TV1 000

(3)

式中：ES为道路扬尘的排放强度，kg/(km·d)；TV为日车流量，辆/d。

以北京市各功能区路网信息数据库为基础，计算并整理道路扬尘排放因子、车流量、不同等级道路的信息，应用ArcGIS软件的空间分析和数据统计功能，计算得到各功能区的道路扬尘排放量。计算公式如下：

Q=∑Ej×Lj×Vj

(4)

式中：Q为道路扬尘排放总量，g；L为道路长度，km；V为车流量，辆/a；j为第j条道路。

1.3 积尘负荷检测方法

积尘负荷是指道路或地面等下垫面单位面积上能够通过200目标准筛(几何粒径小于75 μm)的积尘质量。在计算道路扬尘排放量过程中，积尘负荷是重要参数之一。于2018年12月对4个功能区不同类型道路进行检测：核心区及拓展区，快速路检测10段，其余各类型道路检测30～50段；生态涵养区及发展新区，国道检测10段，省道检测20段，其余各类型道路检测30～50段。基于快速检测法，利用移动式检测系统测试各功能区积尘负荷，同时使用手持GPS记录仪记录采样时的地理位置，对积尘负荷的采样及分析方法按照AP-42文件要求进行。

2 结果与分析

2.1 道路车流量特征

核心区及拓展区根据城市道路等级划分道路，生态涵养区及发展新区根据公路行政等级划分道路。根据路网信息获得各功能区不同类型道路的车型构成，结果见表1。核心区毗邻拓展区，发展新区紧挨生态涵养区，从表1可以看出，核心区与拓展区车型构成相似，发展新区与生态涵养区车型构成相似[20]。

表1 各功能区不同类型车辆占比

应用ArcGIS软件，以北京市路网数据为基础获取实际不同类型道路车流量、车型构成等基础数据。不同等级道路机动车的平均质量通过北京交通发展研究院的《2018年度北京市交通发展年度报告》及ArcGIS中的北京路网数据计算获得。采用式(2)计算得到不同功能区各类型道路车辆的平均质量，结果见表2。结合表1和表2可知，由于生态涵养区和发展新区的货车、大客车占比高于核心区和拓展区，因此生态涵养区和发展新区的平均车质量大于核心区和拓展区。

表2 不同功能区各类型道路车辆的平均质量

图1 各功能区道路积尘负荷Fig.1 Road dust load detection map of each district

2.2 道路积尘负荷特征

各功能区道路积尘负荷分布见图1。从图1(a)和(b)可以看出，核心区和拓展区快速路段、主干道路段的积尘负荷多小于0.5 g/m2，而次干道、支路等的积尘负荷多大于1.0 g/m2。从图1(c)和(d)可以看出，发展新区和生态涵养区乡镇内的道路积尘负荷较高，连接不同乡镇的道路积尘负荷较低。

对各功能区的积尘负荷按照道路类型进行统计，结果见表3和表4。从表3和表4可以看出，核心区和拓展区不同类型道路积尘负荷平均值为支路>次干道>主干道>快速路，发展新区和生态涵养区的不同类型道路积尘负荷平均值为村道>乡道>县道>省道>国道。拓展区各类型道路积尘负荷均大于核心区；除国道和村道外，发展新区的各类型道路积尘负荷均大于生态涵养区。支路及村道等级的道路积尘负荷较大，这是由于其多为未铺装路面，绿化面积较小，道路破损严重，且打扫的频率较低。对城市道路等级积尘负荷进行对比，支路的最大积尘负荷与最小积尘负荷差距最大(核心区为3.94 g/m2，拓展区为5.77 g/m2)，快速路的最大积尘负荷与最小积尘负荷差距最小(核心区为0.46 g/m2，拓展区为0.32 g/m2)；对公路等级积尘负荷进行对比，村道的最大积尘负荷与最小积尘负荷差距最大(发展新区为6.01 g/m2，生态涵养区为6.61 g/m2)；国道的最大积尘负荷与最小积尘负荷差距最小(发展新区和生态涵养区均为0 g/m2)。

表3 核心区和拓展区不同类型道路积尘负荷比较

Table 3 Comparison of dust load on different types of roads in Dongcheng District and Chaoyang District gm2

表3 核心区和拓展区不同类型道路积尘负荷比较

项目核心区拓展区快速路主干道次干道支路快速路主干道次干道支路平均值0.210.681.121.990.290.741.472.38最小值0.020.130.240.510.080.540.590.99最大值0.481.002.124.450.401.272.186.76

表4 发展新区和生态涵养区不同类型道路积尘负荷比较

Table 4 Comparison of dust load on different types of roads in Shunyi District and Pinggu District gm2

表4 发展新区和生态涵养区不同类型道路积尘负荷比较

项目发展新区生态涵养区国道省道县道乡道村道国道省道县道乡道村道平均值0.100.360.791.912.320.100.300.561.222.98最小值0.100.180.360.510.730.100.020.150.621.11最大值0.100.671.443.236.740.100.661.102.087.72

综合北京市各功能区整体积尘负荷平均水平，与其他城市积尘负荷进行对比，结果见表5。从表5可以看出，由于交通因素、地理条件等不同，不同城市的道路积尘负荷存在较大的差异。

表5 不同城市道路积尘负荷比较

Table 5 Dust load range of roads in different cities gm2

表5 不同城市道路积尘负荷比较

城市积尘负荷数据来源北京市0.10～2.98本研究长春市1.36～3.46文献[21]石家庄市0.59～1.33文献[22]曼谷1.37～27文献[23]坎普尔18～84文献[24]

2.3 道路扬尘排放因子特征

由于TSP、PM10和PM2.5排放因子的特征基本一致，因此以PM10为例，计算各功能区不同类型道路的道路扬尘排放因子，结果见图2。从图2可以看出，核心区和拓展区的道路PM10排放因子为支路>次干道>主干道>快速路，发展新区和生态涵养区的道路PM10排放因子为村道>乡道>县道>省道>国道，生态涵养区和发展新区的道路PM10排放因子整体高于核心区和拓展区，这是因为生态涵养区和发展新区的不同类型道路积尘负荷差值较大，且不同类型道路车辆平均质量明显高于核心区和拓展区。

2.4 道路扬尘排放强度

根据式(3)计算各功能区不同类型道路扬尘排放强度，结果见图3。从图3可以看出，核心区和拓展区的道路扬尘排放强度为主干道>次干道>快速路>支路，发展新区道路扬尘排放强度为省道>国道>县道>乡道>村道，生态涵养区道路扬尘排放强度为国道>省道>县道>乡道>村道。核心区和拓展区的主干道、次干道以及发展新区和生态涵养区的国道、省道的道路扬尘排放强度明显大于其他类型道路。这是由于主干道、省道、国道的车流量较大且排放因子较高。

图2 不同功能区各类型道路PM10排放因子Fig.2 PM10 emission factors for various types of roads in different functional areas

图3 不同功能区各类型道路扬尘排放强度Fig.3 Dust emission intensity of various types of roads in different functional areas

2.5 道路扬尘排放清单

北京市各功能区冬季道路扬尘排放量见表6。由表6可知，冬季道路扬尘排放量为发展新区>拓展区>生态涵养区>核心区。进一步计算各功能区冬季单位面积道路扬尘排放量，结果见表7。从表7可以看出，核心区冬季单位面积道路扬尘排放量最大，生态涵养区最小。

表6 北京市各功能区冬季道路扬尘排放量

Table 6 Dust emission of roads in winter in each functional area of Beijing t季度

表6 北京市各功能区冬季道路扬尘排放量

功能区PM2.5PM10TSP核心区45121630拓展区1827403 852发展新区3171 3106 845生态涵养区2797502 922总计8232 92114 249

表7 北京市各功能区冬季单位面积道路扬尘排放量

Table 7 Dust emission per unit area of roads in winter in each functional area of Beijing t(季度·km2)

表7 北京市各功能区冬季单位面积道路扬尘排放量

功能区PM2.5PM10TSP核心区1.072.8915.05拓展区0.391.578.18发展新区0.311.286.71生态涵养区0.290.794.13

2.6 道路扬尘空间分布

基于ArcGIS软件，统计网格内不同等级道路长度，结合各类型道路扬尘排放因子及各类型道路车流量，计算网格内道路扬尘排放量，由于PM10和PM2.5及TSP空间分布特征相似，以PM10为例，建立核心区300 m×300 m自下而上的网格PM10排放空间分布，建立拓展区、发展新区、生态涵养区1 km×1 km自下而上的网格PM10排放空间分布，结果见图4。从图4可以看出，4个功能区PM10排放主要集中在城区中部，主要原因是城区中部路网密集、车流量大[25]、排放强度大，拓展区、生态涵养区、发展新区有部分道路PM10排放较高的区域集中在远离城区的高速路段，同样是由于车流量大造成的。