唐山市典型道路积尘负荷分布特征研究*

林 孜 姬亚芹# 唐 倩 林 宇 高玉宗 杨 益

(1.南开大学环境科学与工程学院，天津 300350；2.国家环境保护城市空气颗粒物污染防治重点实验室，天津 300350；3.生态环境部环境规划院，北京 100012)

大气细颗粒物(PM2.5)被认为是影响城市环境空气质量的首要污染物[1-4]，而道路扬尘对大气颗粒物的贡献率可达20%左右[5-7]。研究表明，道路扬尘作为城市扬尘的重要来源之一[8-9]，已成为影响空气质量[10-11]、能见度[12-13]和人体健康[14-17]的重要因素之一。因此，针对道路扬尘的排放规律和特征的研究已成为制定扬尘污染控制措施的重要基础。

道路积尘负荷作为编制道路扬尘排放清单的重要参数，引起国内外学者的广泛关注。张伟等[18]基于样方真空吸尘法研究了天津市不同类型道路积尘负荷的变化规律和分布特征；郭硕等[19]利用AP-42排放因子模型和快速检测法计算并比较不同类型道路积尘负荷、排放因子和排放强度；樊守彬等[20]参考AP-42采样方法，对北京市不同区域、不同道路类型的积尘负荷进行监测和实验室分析，并编制了北京市道路交通扬尘PM2.5排放清单。

唐山市作为重工业城市，2019年机动车保有量超过242万辆，城市路网密度不断加大，道路里程和公路长度逐年增长，颗粒物污染水平一直处于城市排名前端，道路扬尘对空气质量和人体健康的危害不容忽视。因此，本研究在2019年1、4、7月基于样方真空吸尘法采集唐山市道路扬尘PM2.5样品，再通过过筛计算得出不同道路类型、不同车道的积尘负荷，并探讨其时空分布特征，旨在为编制唐山市道路扬尘排放清单、制定城市空气质量达标规划提供参考。

1 材料与方法

1.1 采样点分布

采集唐山市市区(路南区和路北区)，污染较严重的近郊(古冶区)和远郊(玉田县)的主干道、次干道、快速路、支路和环线5种道路类型共24条道路的积尘，采样点分布见图1。每条道路采集机动车道最外侧车道(慢车道)和与慢车道相邻的车道(快车道)共两个车道，每条道路分别设置2～4个采样点，采样点之间的间隔通常大于800 m，采样点位置应尽量避开路口处、公交车站等人流密集处，采集到同一条道路不同位置的道路扬尘样品。

1.2 样品采集和处理

使用面积1 m2的采样框确定采样区域，记录每个样品的采样面积；用真空吸尘器均匀吸扫样方框内路面积尘，吸尘器在采样区域内横竖方向上各吸两遍，速度保持在1～2 min/m2，吸尘时应注意将样方框内边角位置处吸扫干净。吸尘结束后，取下集尘盒，用细毛刷将集尘盒内的尘土扫入样品袋内编号并保存，带回实验室分析，共采集360个样品。将采集的样品除去垃圾、树枝等杂物，在实验室内自然阴干，之后将其通过20、200目泰勒标准筛进行筛分及称重处理。

1.3 道路积尘负荷计算方法

道路积尘负荷(SL，g/m2)是指道路单位面积能通过200目标准筛(粒径<75 μm)的积尘质量[21]，计算公式为：

(1)

式中：W、W20、W200分别为道路扬尘样品总质量、20目泰勒标准筛上物质质量、200目泰勒标准筛上物质质量，g；S为采样面积，m2。

2 结果与讨论

2.1 不同类型道路积尘负荷分布特征

由表1可见，唐山市不同类型道路积尘负荷排序为支路>环线>次干道>主干道>快速路。造成差异的主要原因包括车流量[22-23]、车速[24]、平均车重[25]、道路清扫措施[26]和道路周边环境等。主干道、次干道采用机械化清扫的方式，湿扫和干扫频次较大，道路面宽，作业方便；支路车流量小、车速慢，使得道路不易起尘，容易导致路面积尘的积累，同时支路由于道窄，可能还有便道停车现象，不方便机扫，使其积尘负荷最大；快速路因其车流量大、车速快，道路积尘容易被快速行驶的车辆扰动而扬起并运移，同时快速路路口少(路口处由于机动车转弯、刹车、启动会增加积尘负荷)，无非机动车道，所以其积尘负荷最小。虽然次干道的积尘负荷稍高于主干道，但利用SPSS 25.0对其进行相关样本非参数检验，结果表明，两者之间的差异不存在统计学意义(P=0.396)。

图1 唐山市道路积尘负荷采样点分布Fig.1 Sampling points distribution of silt loading of roads in Tangshan

表1 唐山市与其他城市道路积尘负荷对比Table 1 Comparison of silt loading of roads between Tangshan and other cities

唐山市道路积尘负荷略高于北京市、天津市和石家庄市，低于西安市和乌鲁木齐市，这差异可能是受到不同采样时间、采样方法、选点位置、交通因素、所处行政区域、控制措施等影响造成。本研究道路积尘负荷排序结果与北京市、乌鲁木齐市支路>次干道>主干道>快速路一致，与天津市支路>次干道>主干道>快速路>环线稍有不同，其原因可能在于唐山市环线道路大型货运车辆较多，车辆沙石遗撒和路面有不同程度破损，增加了唐山市环线道路积尘负荷，以及本研究所利用的采集方法采集到的道路扬尘与大气PM2.5的关系更紧密，而采用快速检测法采集的道路扬尘更容易受到路面机动车的影响。

2.2 道路积尘负荷季节分布特征

唐山市3个季节道路积尘负荷排序为夏季((0.51±0.64) g/m2)>春季((0.42±0.46) g/m2)>冬季((0.35±0.38) g/m2)，这可能是受到气象和人为因素的共同影响。唐山市道路积尘负荷变化趋势和平均气温变化趋势(夏季(27.1 ℃)>春季(13.6 ℃)>冬季(-4.3 ℃))一致，和平均风速变化趋势(春季(3.1 m/s)>夏季(2.2 m/s)>冬季(2.1 m/s))略有不同。可能是因为夏季风速较小，道路扬尘不易被吹起，且夏季降水较冬季频繁，降水量更大，降水使得道路两旁裸露土壤被冲刷至路面；降水使得来往车辆车轮胎更容易携带沙土至路面；同时，降水还增强了大气中颗粒物的湿沉降，导致道路积尘负荷增加。人为因素主要表现为唐山市夏季施工比其他一些季节性生产企业工作强度大，渣土运输车辆遗撒较春季和冬季多，从而增大道路积尘负荷，这与张诗建[31]等对天津市道路扬尘积尘负荷的研究相一致。

2.3 道路积尘负荷空间分布特征

唐山市道路积尘负荷的空间分布表现为古冶区((0.52±0.56) g/m2)>玉田县((0.50±0.57) g/m2)>市区((0.27±0.35) g/m2)，这与《2019年唐山市环境状况公报》公布的可吸入颗粒物年均值排序(古冶区(128 μg/m3)>玉田县(112 μg/m3)>市区(103 μg/m3))一致，可见大气干湿沉降对道路积尘负荷和道路扬尘对城市大气颗粒物的贡献具有相互影响。古冶区的道路积尘负荷最高，原因在于古冶区拥有较丰富的矿产资源，钢铁、水泥等工业活动频繁，其对道路扬尘的贡献较高，运输的柴油车、渣土车等使用更频繁造成较高的道路积尘负荷；由于市区车流量较大，清洁程度最高、对大型运输车的限制等原因，市区道路积尘负荷最低。

由图2可见，次干道、主干道和支路积尘负荷排序一致，均为古冶区>玉田县>市区；环线积尘负荷排序则为古冶区>市区>玉田县。采样期间，古冶区外环路采样路段存在封路施工行为，封路行为导致的车流量减小、施工掉落至路面的沙土、施工建设相关渣土车的使用等使其积尘负荷最高，市区环线积尘负荷高于玉田县可能是因为市区外环线道路两侧裸土较多(有的路段无便道)，且道路中间设有绿化带，周边环境差，道路积尘来源复杂。

图2 唐山市不同类型道路积尘负荷空间分布Fig.2 Spatial distribution of silt loading of different road types in Tangshan

2.4 不同速度车道积尘负荷分布特征

唐山市不同速度车道积尘负荷排序为慢车道((0.54±0.60) g/m2)>快车道((0.26±0.27) g/m2)。不同速度车道、不同类型道路积尘负荷变化均一致，都表现为慢车道>快车道(见图3)，与肖捷颖等[29]研究结果一致。其原因可能在于慢车道车流量较小，车速慢，机动车行驶过程中不易卷起尘土，导致路面积尘多，积尘负荷较高；慢车道更接近道路边缘，道路两侧裸土在风力及降水作用下更容易进入慢车道造成积尘负荷的升高；同时，机动车在慢车道停车的频次更高，刹车、启动也会导致积尘负荷增加。主干道、次干道、环线、快速路慢车道积尘负荷分别是其相应快车道的1.71、2.31、1.76、1.60倍，快速路快、慢车道积尘负荷差距最小可能是因为其两个车道行驶车辆速度差距较小，且没有非机动车道。

图3 唐山市不同速度车道的积尘负荷Fig.3 Silt loading of different speed lanes in Tangshan

运用SPSS 25.0对唐山市不同速度车道积尘负荷进行了相关样本的非参数检验，结果表明，快、慢车道积尘负荷差异有统计学意义(P=0)。再进行Spearman相关分析，拟合结果见图4。结果表明，快、慢车道积尘负荷呈显著线性关系(P=0，r=0.52)。因此，在今后的道路扬尘清单编制过程中，可通过对快、慢车道的拟合来估算道路积尘负荷，从而减少采样的工作量、减小采样过程的安全隐患。但道路积尘负荷不仅受到降水、风速、风向、道路环境、周围环境等自然因素的影响，还与车流量、车速、平均车重、道路保洁措施和清扫程度、道路周围施工行为等人为因素有关，使得道路积尘负荷不断变化，因此要想得到不同速度车道积尘负荷的关系，还须进一步深入研究。

图4 不同速度车道积尘负荷之间的关系Fig.4 Relationship of the silt loading of different speed lanes

3 结 论

(1) 唐山市不同类型道路积尘负荷排序为支路((0.70±0.85) g/m2)>环线((0.50±0.47) g/m2)>次干道((0.30±0.25) g/m2)>主干道((0.29±0.30) g/m2)>快速路((0.16±0.12) g/m2)。造成差异的主要原因包括车流量、车速、平均车重、道路清扫措施和道路周边环境等。

(2) 唐山市3个季节道路积尘负荷排序为夏季((0.51±0.64) g/m2)>春季((0.42±0.46) g/m2)>冬季((0.35±0.38) g/m2)，这可能是受到气象和人为因素的共同影响。

(3) 唐山市市区、古冶区和玉田县的整体道路积尘负荷排序为古冶区((0.52±0.56) g/m2)>玉田县((0.50±0.57) g/m2)>市区((0.27±0.35) g/m2)；次干道、主干道和支路积尘负荷排序均为古冶区>玉田县>市区；环线积尘负荷排序则为古冶区>市区>玉田县。

(4) 唐山市不同速度车道、不同类型道路积尘负荷都表现为慢车道>快车道，且快、慢车道积尘负荷呈显著线性关系(P=0，r=0.52)。