天津市春季样方法道路扬尘PM2.5粒度乘数特征

张 伟,姬亚芹,李树立,赵 杰,赵静波,栾孟孝,张诗建,朱振宇



天津市春季样方法道路扬尘PM2.5粒度乘数特征

张 伟,姬亚芹*,李树立,赵 杰,赵静波,栾孟孝,张诗建,朱振宇

(南开大学环境科学与工程学院,天津 300071)

粒度乘数表示道路扬尘排放因子模型中不同粒径的颗粒物的系数,是道路扬尘排放清单的重要参数,直接影响排放清单的不确定性.2015年春季用样方真空吸尘法采集了天津市市区11条道路88个点位的道路扬尘样品,在便携式气溶胶粒径谱仪Grimm1.109和再悬浮采样器粒径实验基础上,通过公式计算得到了道路扬尘PM2.5的粒度乘数值2.5,开展了粒度乘数分布特征的研究.结果表明:天津市春季非机动车道和机动车道慢车道道路扬尘的PM2.5粒度乘数范围分别为0.053~0.088g/VKT和0.047~0.087g/VKT;主干道、次干道、支路以及快速路的非机动车道PM2.5的粒度乘数2.5均大于机动车道慢车道的2.5,环线的机动车道PM2.5的粒度乘数2.5均大于非机动车道慢车道的2.5;不同道路类型的道路扬尘PM2.5粒度乘数分布规律为:机动车道,环线>次干道>主干道>支路>快速路;非机动车道,次干道>支路>主干道>环线>快速路;道路两侧相同类型车道间PM2.5粒度乘数中位值不同,但是其差异无统计学意义.

道路扬尘；粒度乘数；PM2.5；天津市

排放清单是研究大气污染特征、机制和成因,开展环境空气质量数值模拟和预报预警的重要基础,也是制定城市及区域大气污染控制措施、开展污染防治工作的重要依据[1].扬尘,尤其道路扬尘是大气颗粒物的主要来源之一[2],其对大气细颗粒物PM2.5的贡献率可达到20.0%左右[3-9].道路扬尘不仅影响空气质量,还对能见度以及人体健康造成影响[10-13].因此,构建道路扬尘PM2.5的排放清单,成为治理城市颗粒物污染的一个重要环节.

道路扬尘PM2.5的排放清单编制涉及参数较多.其中,粒度乘数作为构建道路扬尘排放清单的一个非常重要的参数,直接影响道路扬尘排放清单的不确定性.粒度乘数表示道路扬尘排放因子模型中,不同粒径的颗粒物的系数.由排放因子估算模型可知[15],排放因子值Eext与粒度乘数之间存在线性关系,可见粒度乘数值会对排放因子造成较大的影响.国内研究[16-20]大多数直接引用美国AP-42模型中给出的粒度乘数值2.5(0.15g/VKT),如许岩,刘永红,彭康,程健等,然而AP-42中给出的粒度乘数是根据美国实验得到的经验数据,与本地实际情况可能存在较大差别,如果直接用于国内排放清单的计算,会使所有使用这一方法的地区拥有相同的粒径比例,显然这是不符合实际情况的,从而增加排放清单的不确定性[21].另外,国内的有些研究没给出具体的粒度乘数来源、计算方法和过程,例如樊守彬等[22].因此,需要开展道路扬尘粒度乘数分布特征的研究.

本研究采用样方真空吸尘器法采集天津市的主干道、次干道、支路、快速路、环线5种道路类型的道路扬尘样品,用便携式气溶胶粒径谱仪Grimm1.109和再悬浮采样器对采集的道路扬尘样品进行粒径分析,得到PM2.5在PM30中所占的百分含量,通过公式计算得到了天津市本地化的道路扬尘PM2.5的粒度乘数值2.5,研究了该粒度乘数的分布特征,旨在为构建天津市道路扬尘排放清单提供参考.

1 研究方法

1.1 采样地点

在天津市选择了11条典型道路作为采样点,分别是卫津路、复康路、黄河道、鞍山西道、南开二纬路(包括西市大街,以下简称南开二纬路)、白堤路、迎水道、快速路密云路段(以下简称密云路)、快速路红旗路段(以下简称红旗南路)、外环线西路1、外环线西路2(表1,图1).在每条道路的两侧的机动车道慢车道(以下简称“机”)和非机动车道(以下简称“非”)上分别各选取4个点,即在一条道路的两侧共选取16个点.

表1 所选采样典型道路 Table 1 The selected sampling typical roads

1.2 样品采集和处理

采样时间为2015年4月份,4月份为天津市春季的典型月份.实验仪器为800W尘杯式真空吸尘器、1m2采样框、样品袋、细毛刷、3kW汽油发电机、200目泰勒标准筛、手持GPS定位仪、再悬浮采样器、便携式气溶胶粒径谱仪Grimm1.109、万分之一电子天平、电动振筛机.采样车道分别为机动车道慢车道和非机动车道.吸尘完毕后,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保存,带回实验室分析.将采集到的原始样品去除烟头、杂草和生活垃圾等,在干燥器内平衡3d,将样品放入电动振筛机标准筛中震荡10min后称重,称量之后的样品按车道混合均匀,将得到的样品再悬浮,同时用便携式气溶胶粒径谱仪Grimm1.109测试得到样品的粒径数据.

1.3 数据处理

通过再悬浮处理得到各道路扬尘样品的粒径分布数据,将同一条道路两侧的非机动车道、机动车道慢车道的数据进行处理,分别得到天津市春季不同道路以及不同道路类型的粒径分布数据,按照公式1[21]计算得到粒度乘数数据.

式中:2.5为修正后的PM2.5粒度乘数;2.5和10分别为基于便携式气溶胶粒径谱仪得到的空气动力学当量直径小于等于2.5μm和10μm的颗粒物百分含量;10为美国AP-42中给出的PM10的粒度乘数,10为0.62g/VKT[23].

2 结果与讨论

2.1 机动车道与非机动车道粒度乘数特征分析

天津市春季各典型道路机动车道与非机动车道的PM2.5粒度乘数值2.5如图2和图3所示.

从图2可知,天津市春季非机动车道和机动车道慢车道道路扬尘的PM2.5粒度乘数范围分别为0.053~0.088g/VKT和0.047~0.087g/VKT,中位值分别为0.063g/VKT和0.059g/VKT.两个车道的道路扬尘PM2.5粒度乘数均小于美国AP-42中给出的PM2.5的粒度乘数推荐值(0.15g/VKT).黄嫣旻等[21]通过校正公式得到的上海市道路扬尘PM2.5粒度乘数范围为0.9~1.2g/VKT,其所参考的是2001版AP-42中的推荐值.可见,PM2.5的粒度乘数2.5存在地域性差异.因此,在编制排放清单时,如果直接使用AP-42推荐值将会增加排放清单的不确定性,如果研究时间和经费允许,建议通过采集道路扬尘样品和实验分析获得本地化的粒度乘数值,从而降低排放清单的不确定性.

从粒度乘数中位值来看(见图2),非机动车道的PM2.5的粒度乘数稍高于机动车道慢车道,造成这一现象的主要原因是非机动车道车流量较机动车道小,车速较慢;而机动车道慢车道车流量大,行驶速度相对于非机动车道快,行驶时卷起的细小颗粒较非机动车道多.为了研究两类车道间粒度乘数的差异是否具有统计学意义,进行了两相关样本的非参数检验,得到=0.149>0.05,即非机动车道和机动车道慢车道粒度乘数间的差异无统计学意义.

由图3可知,主干道、次干道、支路以及快速路的非机动车道PM2.5的粒度乘数中位值均大于机动车道慢车道的2.5;环线的机动车道慢车道的PM2.5的粒度乘数中位值略大于非机动车道,这可能与环线非机动车道实际上是机非混行车道,且环线机非混行车道非机动车不多,而机动车却较多有关.另外,环线道路两侧多为绿地或裸露地面,存在风蚀起尘和降水导致绿地土壤流向道路的现象,起尘过程中粗颗粒物比细颗粒物更容易沉降,非机动车道距离裸露地面较近,积尘较多并多为粗颗粒,这也可能造成环线上机动车道慢车道的PM2.5的粒度乘数2.5大于非机动车道的粒度乘数2.5.

2.2 不同道路类型道路扬尘PM2.5粒度乘数的对比

图3表明,不同道路类型的PM2.5粒度乘数中位值不同,但是相差不大.对于机动车道, 外环线(0.069g/VKT)>次干道(0.060g/VKT)>主干道(0.059g/VKT)>支路(0.057g/VKT)>快速路(0.052g/VKT).其中,外环线较大,主要是因为外环线上通过的重型车辆较多,路面磨损比较严重,从排气管排放出的细小颗粒更多,路面尘来源复杂,影响因素较多;快速路较小,可能是因为快速路上车速快,车重小造成的.对于非机动车道, 次干道(0.078g/VKT)>支路(0.066g/VKT)>主干道(0.065g/VKT)>外环线(0.059g/VKT)>快速路(0.058g/VKT).其中,外环线和快速路较小,可能与其非机动车道实际上是机非混合车道有关.

2.3 道路两侧PM2.5粒度乘数的大小对比

为了探讨风向和风速对PM2.5粒度乘数的影响,分析了不同走向道路两侧(东西走向和南北走向)相同类型车道PM2.5粒度乘数的差异,结果见图4.天津市春季风向频率玫瑰图见图5.

由图4可知,天津市春季东西走向的道路南侧的非机动车道和机动车道慢车道的PM2.5粒度乘数2.5高于北侧的2.5.由图5天津市春季风向频率玫瑰图可知,天津市春季多以南风为主.由于风力的作用,道路积尘扬起,由南侧吹向北侧,在道路尘扬起的过程中,粗颗粒物比细颗粒物更容易沉降,造成粗颗粒物在道路北侧沉积;并且对于道路两侧来说,车流量和车重差异并不明显,因此道路南侧的PM2.5粒度乘数2.5高于北侧的2.5.对于南北走向道路的PM2.5粒度乘数,非机动车道:东侧>西侧;机动车道:西侧>东侧.这可能是因为天津市春季西风并不是主导风向,故风向对东西两侧PM2.5粒度乘数的影响不大.为了研究两类车道间粒度乘数的差异是否具有统计学意义,进行了两相关样本的非参数检验,得到南侧和北侧非机动车道(=0.917)和机动车道慢车道(=0.463)、西侧和东侧非机动车道(=0.144)和机动车道慢车道(=0.138)的值均大于0.05,差异无统计学意义.因此,为了省时、省力,在做道路扬尘排放清单时可以只采集道路一侧的尘样品.

3 结论

3.1 天津市春季非机动车道和机动车道慢车道道路扬尘的PM2.5粒度乘数范围分别为0.053~ 0.088g/VKT和0.047~0.087g/VKT,与美国AP-42的推荐值0.15g/VKT相差较大,两种类型车道之间的非参数检验表明其差异无统计学意义.

3.2 主干道、次干道、支路以及快速路的非机动车道PM2.5的粒度乘数中位值均大于机动车道慢车道的2.5,外环线的机动车道PM2.5的粒度乘数中位值均大于非机动车道慢车道的2.5.

3.3 不同道路类型的道路扬尘PM2.5粒度乘数分布规律为:机动车道,外环线>次干道>主干道>支路>快速路;非机动车道,次干道>支路>主干道>环线>快速路.

3.4 东西走向道路南北两侧两种车道PM2.5粒度乘数均为南侧>北侧,南北走向道路东西两侧非机动车道和机动车道慢车道PM2.5粒度乘数分别为东侧>西侧、西侧>东侧;但两种走向道路的两侧对应车道差异均无统计学意义.

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*责任作者, 副教授, jiyaqin@nankai.edu.cn

PM2.5size multiplier feature of road dust in Tianjin during spring with quadrat sampling method

ZHANG Wei, JI Ya-qin*, LI Shu-li, ZHAO Jie, ZHAO Jing-bo, LUAN Meng-xiao, ZHANG Shi-jian, ZHU Zhen-yu

(College of Environmental Science and Engineering, Nankai University, Tianjin 300071, China)., 2016,36(7)：1955~1959

The size multiplier,the coefficient of different size particles in the road dust emission factor model, is one of the important parameters of road dust emission inventory, which directly affects its uncertainty. This study collected 88samples on 11roads in Tianjin City with quadrat sampling method in spring of 2015. On the basis of portable Grimm1.109 aerosol particle spectrometer and resuspender experiment, PM5size multipliers of the road dust (2.5) were obtained by the formula. And then the2.5distribution features were analyzed. The results were as follows: the2.5medians of non-motorized vehicle lanes ranged from 0.053g/VKT to 0.088g/VKT, and the2.5medians of motorized vehicle lanes were 0.047~0.087g/VKT; the2.5median values of non-motorized vehicle lanes in major arterial, minor arterial, branch road and express way were greater than those of the slow lanes, but the2.5value of the slow-vehicle lanes in outer ring was a little larger than that of the non-motorized vehicle lanes; the sequential ordersof2.5distribution in different types of roads were outer ring > minor arterial > major arterial >branch road >in the case of motorized vehicle lanes, and minor arterial > branch road > major arterial > outer ring > express way in the case of non-motorized vehicle lanes; the2.5median values of the same type lanes in two roadsides were different, but there was no statistically significant differences in-between them.

road dust；particle size multiplier；PM2.5；Tianjin

X513

A

1000-6923(2016)07-1955-05

张 伟(1992-)女,河北衡水人,南开大学硕士研究生,主要从事大气污染研究.

2015-12-13

环保公益性行业专项项目(201409004)