石家庄市夏季道路交通扬尘排放特征研究*

安 塞 肖捷颖 刘 娟 郭 硕 赵文霞 闫伯骏

(河北科技大学环境科学与工程学院，河北省污染防治生物技术实验室，河北 石家庄 050018)

石家庄市夏季道路交通扬尘排放特征研究*

安 塞 肖捷颖#刘 娟 郭 硕 赵文霞 闫伯骏

(河北科技大学环境科学与工程学院，河北省污染防治生物技术实验室，河北 石家庄 050018)

利用石家庄市快速路、主干道、次干道、支路共8条道路上布设的降尘缸，收集夏季道路交通扬尘并进行样品筛分、称重、粒径分析及碳分析。结果表明：(1)2.5～10.0μm粒径颗粒物含量最高，其次为10.0～30.0μm，0～2.5μm最少。相同类型道路南侧、西侧细颗粒物多，而北侧、东侧大颗粒物相对多，原因与道路两侧车流量和周围环境有关。2.5～10.0μm颗粒物更易在2.5m处富集，而10.0～30.0μm颗粒物在1.5m处容易富集。(2)PM2.5比PM10更易富集碳。快速路PM2.5中总碳(TC)、有机碳(OC)高，元素碳(EC)低。快速路和主干道2.5m处PM10更易富集碳，次干道和支路则更易在1.5m处富集。(3)研究区道路扬尘PM2.5和PM10中碳组分的主要来源为汽油车尾气和燃煤排放，少部分为生物质燃烧。

道路扬尘 颗粒物 粒径分布 碳分析

Abstract: Road dust samples were collected from different types of city paved road by dust deposition gauges in Shijiazhuang during summer，and were sieved，weighed，particle size analyzed and carbon content analyzed. Results were as follows : (1) Diameter of road dustparticles was mainly between 2.5-10.0 μm, secondly between 10.0-30.0 μm, few of them between 0-2.5 μm. The concentration of fine particle was higher in south and west side of same type of road；while coarse particle concentration was higher in north and east side，it was due to traffic flow and surrounding environment. Comparing the particle size percentage from different types of road and different height (1.5，2.5 m)，percentage content of road dust with 10.0-30.0 μm in diameter from the height of 1.5 m was found higher than from 2.5 m，while particles diameter 2.5-10.0 μm had high percentage content in 2.5 m. (2) The carbon content of PM2.5was found higher than that of PM10. On expressway TC and OC concentration of PM2.5was high and EC was low. Carbon was easier to be enriched on PM10at a height of 2.5 m on expressway and trunk road，while it was easier to be enriched at a height of 1.5 m on secondary trunk and branch road. (3)The main sources of carbon of PM2.5and PM10in the road dust of the study area was gasoline car exhaust and coal combustion，a few was biomass burning.

Keywords: road dust; particles; size distribution; carbon analysis

颗粒物粒径分布特征和人体健康息息相关[1]，粒径越小危害越大。其中，碳是细粒径颗粒物的主要组成成分[2]，而机动车排放是城市大气中细颗粒物的主要贡献源之一[3]，北方城市主要表现为道路交通扬尘排放[4]，且因其接近人群而被认为对空气质量、能见度和人体健康的影响更直接[5]。近年来，工业烟尘、粉尘排放被逐步控制[6]，但扬尘产生的颗粒物却在增加。有研究者认为，2006—2010年北京道路扬尘排放是其大气PM10的主要来源[7]。碳因导致气溶胶中有机污染[8]而备受关注，主要有元素碳(EC)和有机碳(OC)。EC是源于人为排放的单质碳的一次污染物；OC包括一次OC和挥发性有机物在大气中产生的二次OC[9]。

国内相关研究主要针对大气颗粒物的化学成分和积尘负荷，如康苏花等[10]分析了石家庄市2013年大气颗粒物碳组分；温先华等[11]发现厦门市2012—2013年降尘中含重金属；朱琼宇等[12]关注上海市不同粒径颗粒物汞的分布特征；李佳琦等[13]、YE等[14]研究亚微米颗粒物元素组成。国外主要侧重颗粒物化学组成，如对亚特兰大街区扬尘颗粒物含铅量的研究[15]以及NALD等[16]对美国道路扬尘化学成分的分析。

目前，对我国城市大气颗粒物粒径分布特征的研究相对较少[17]，更鲜有对城市道路交通扬尘粒径排放特征及碳组分的报道。本研究以石家庄市2014年夏季道路扬尘为研究对象，利用降尘法收集道路扬尘，处理并计算各粒径区间颗粒物含量，分析不同类型道路颗粒物粒径分布特征及颗粒物中的碳组分，为城市大气污染治理提供理论参考和数据支撑。

1 研究方法

1.1 采样点及采样方法

降尘缸依据《环境空气 降尘的测定 重量法》(GB/T 15265—94)选取。道路交通扬尘样品通过在被测道路两侧路灯杆上安装降尘缸来收集。依据《防治城市扬尘污染技术规范》(HJ/T 393—2007)的降尘法，干法收集扬尘沉降到直径15 cm、高30 cm圆柱形平底降尘缸内的颗粒物。在石家庄市区选择快速路、主干道、次干道、支路4种类型道路(以1～4编号)，每种类型道路各2条(以(1)、(2)编号)，每条各选8个采样点(见图1)，对称布设道路两侧。将有编号的降尘缸安装在路灯杆上，高度为1.5、2.5 m，共128个，降尘缸均对着道路一侧放置并避开路口、施工路段等局部污染源。采样时间为2014年7月20日至9月10日，盛行风向为东南季风，平均风速约1.5～2.0 m/s。

图1 采样点分布Fig.1 Location of the sampling sites

1.2 粒径分析

分析天平称取1.5 g样品通过进样口送入自制的再悬浮仪器，结合Grimm 1.109便携式气溶胶光学粒径谱仪得到不同粒径颗粒物浓度，计算不同粒径区间(0～2.5、2.5～10.0、10.0～30.0 μm)颗粒物含量。

1.3 碳分析

使用DRI Model2001A热光碳分析仪测定样品PM2.5和PM10中碳组分，利用程序升温法(IMPROVE)分两个阶段测定：(1)第1阶段，在纯氦气零氧条件下，加热到140 ℃得到有机碳组分1(OC1)，至280 ℃时得到有机碳组分2(OC2)，480 ℃得到有机碳组分3(OC3)，580 ℃时得到有机碳组分4(OC4)；(2)第2阶段，在含98%(体积分数，下同)氦气和2%氧气条件下，580 ℃时得到元素碳组分1(EC1)，740 ℃得到元素碳组分2(EC2)，840 ℃得到元素碳组分3(EC3)。第1阶段会产生大气水溶性极性化合物(OPC)[18]，所测定的OC=OC1+OC2+OC3+OC4+OPC，EC=EC1+EC2+EC3-OPC[19]。

1.4 车流量

用行车记录仪统计车流量，快速路、主干道、次干道、支路平均车流量分别为17万、6万、4万、2万辆/d。快速路平均车流量远高于其他3种类型道路。

2 结果与分析

2.1 道路两侧粒径组成特征对比

由图2可见，北侧的10.0～30.0 μm颗粒物含量都高于南侧。1(1)号南侧0～2.5、2.5～10.0 μm颗粒物含量高于北侧，但南侧10.0～30.0 μm颗粒物含量低于北侧。1(2)号1.5 m处北侧0～2.5、10.0～30.0 μm颗粒物含量高于南侧，而南侧2.5～10.0 μm颗粒物含量高于北侧；2.5 m处南侧0～2.5、2.5～10.0 μm颗粒物含量高于北侧，而北侧10.0～30.0 μm颗粒物含量高于南侧。车流量数据显示，1(1)号南侧多于北侧，1(2)号北侧多于南侧，表明车流量对细粒径颗粒物有一定影响。

由图3可见，2(1)号1.5 m处西侧的0～2.5、2.5～10.0 μm颗粒物含量远高于东侧，10.0～30.0 μm颗粒物含量则东侧高于西侧；2.5 m处两侧的颗粒物含量相差不大。2(2)号1.5、2.5 m处两侧的颗粒物质量分数差异不大，主要集中在2.5～10.0 μm，约60%，0～2.5 μm占10%左右，10.0～30.0 μm占30%左右。两条主干道两侧车流量没太大差异，结果可能与道路两侧环境有关。

由图4可见，两侧的颗粒物含量没有明显差距。颗粒物集中在2.5～10.0 μm，约占60%；其次为10.0～30.0 μm，约占30%；0～2.5 μm占10%左右。

由图5可见，4(1)号1.5、2.5 m处两侧颗粒物含量无明显规律性。1.5 m处南侧的0～2.5 μm颗粒物含量高于北侧，2.5～10.0、10.0～30.0 μm则北侧高于南侧；2.5 m处0～2.5 μm颗粒物含量没有明显差异，2.5～10.0 μm北侧高于南侧，10.0～30.0 μm南侧高于北侧。4(2)号1.5 m处两侧颗粒物含量无明显差异；2.5 m处两侧颗粒物集中在2.5～10.0 μm，且南侧高于北侧，0～2.5 μm则北侧高于南侧，其余粒径区间差别不大。南北两侧车流量数据差异不大，可能是周围环境的影响。

图2 快速路两侧降尘缸颗粒物质量分数对比Fig.2 Comparison of particle size percentage distribution from both sides of expressway

图3 主干道两侧降尘缸颗粒物质量分数对比Fig.3 Comparison of particle size percentage distribution from both sides of trunk road

图4 次干道两侧降尘缸颗粒物质量分数对比Fig.4 Comparison of particle size percentage distribution from both sides of secondary trunk road

图5 支路两侧降尘缸颗粒物质量分数对比Fig.5 Comparison of particle size percentage distribution from both sides of branch road

道路编号高度/m质量分数/%0～2.5μm2.5～10.0μm10.0～30.0μm道路编号高度/m质量分数/%0～2.5μm2.5～10.0μm10.0～30.0μm1(1)1.58.2658.0928.033(1)1.514.1666.5518.492.510.0462.0426.222.512.6267.8219.091(2)1.510.8265.8420.923(2)1.511.5159.1128.332.510.0462.0426.222.59.9359.5229.942(1)1.56.1142.7440.564(1)1.59.2458.6230.102.59.2864.8824.342.510.2660.2228.532(2)1.59.5359.6228.424(2)1.58.4060.2630.592.57.5563.0927.812.516.5355.5227.32

图6 不同类型道路降尘粒径对比Fig.6 Comparison of particle size percentage distribution from different types of road

2.2 颗粒物粒径分布高度差异分析

由表1可见，两条次干道不同高度各区间颗粒物差异非常小。1(1)、2(1)、4(1)号2.5 m处0～2.5、2.5～10.0 μm颗粒物含量高于1.5 m处；10.0～30.0 μm则2.5 m处低于1.5 m处。1(2)、2(2)号1.5 m处0～2.5 μm颗粒物含量高于2.5 m处；2.5～10.0 μm则1(2)号1.5 m处高于2.5 m处、2(2)号2.5 m处高于1.5 m处；10.0～30.0 μm则1(2)号1.5 m处低于2.5 m处、2(2)号1.5 m处高于2.5 m处。总体上，2.5～10.0 μm颗粒物更易在2.5 m处富集，而10.0～30.0 μm颗粒物在1.5 m处容易富集。

2.3 不同类型道路颗粒物粒径分布对比

如图6所示，总体上，1.5 m处0～2.5、2.5～10.0 μm颗粒物含量为次干道>快速路>支路>主干道；10.0～30.0 μm则为主干道>支路>快速路>次干道。2.5 m处0～2.5 μm颗粒物含量为支路>次干道>快速路>主干道；2.5～10.0 μm则为主干道>快速路>次干道>支路；10.0～30.0 μm则为支路>主干道>快速路>次干道。表明，次干道1.5 m处最易富集10.0 μm以下颗粒物，主干道富集最少；10.0 μm以上的颗粒物更易在主干道1.5 m处富集。所有道路在2.5 m处富集2.5～10.0 μm颗粒物的差别不大，支路更容易富集0～2.5、10.0～30.0 μm颗粒物。

3 颗粒物中碳分析

3.1 不同类型道路PM2.5和PM10中碳组分特征

表2显示，PM2.5中EC的含量为支路>次干道>主干道>快速路，PM2.5中TC、OC的含量均为快速路>次干道>支路>主干道。PM10中TC、OC的含量均为次干道>支路>快速路>主干道，PM10中EC的含量为次干道>主干道>支路>快速路。快速路PM2.5中TC、OC高，EC低。所有道路中，主干道PM2.5中TC最少，次干道和支路相差不大；支路PM2.5中EC最高，表明支路上人为排放的碳较多；次干道PM10中TC、OC、EC最高，主干道TC、OC最少，快速路和支路TC、OC、EC相差不大。不同道路PM2.5中碳组分含量高于PM10中，说明粒径小的颗粒物更易富集碳。

表2 不同类型道路PM2.5和PM10中碳组分

注：快速路-1.5表示采样点位于快速路的1.5 m高度处，其余类推。图7 不同高度PM2.5和PM10中碳组分Fig.7 PM2.5 and PM10 carbon content from different heights

颗粒物道路类型高度/m质量分数/%OC1OPCOC2OC3OC4EC1EC2EC3快速路1.53.224.0118.1643.9321.3610.632.620.082.53.614.5017.6246.2218.3811.392.780主干道1.51.393.8813.3149.4921.5111.922.240.14PM2.52.51.542.4712.9649.6220.4811.823.530.06次干道1.52.821.3312.8257.7917.288.171.1202.52.271.0516.7648.8617.8510.673.000.60支路1.53.630.0116.5050.6015.2011.512.420.142.52.141.6813.7054.6215.8111.422.310快速路1.52.653.1515.8742.9324.9311.002.510.102.52.532.7720.1738.9922.9811.053.600.69主干道1.51.472.6614.1644.8923.8811.763.720.12PM102.51.833.9312.1947.1522.1112.703.750.27次干道1.52.732.4115.4942.8625.9710.152.750.052.51.981.6414.9344.7725.859.143.290.04支路1.51.321.3316.3951.1517.5211.372.200.042.50.653.1414.6651.5419.7810.702.570.10

3.2 PM2.5和PM10中碳组分的高度差异

图7显示，同类型道路2.5 m处PM2.5中TC、OC均高于1.5 m处；EC除支路1.5 m处高于2.5 m处外，其余均相反。快速路、主干道2.5 m处PM10中TC、OC、EC均高于1.5 m处，而次干道、支路则相反。快速路、主干道和次干道PM2.5中TC、OC、EC更易在2.5 m处富集，而EC在支路更易富集在1.5 m处；快速路、主干道上PM10中TC、OC、EC更易富集在2.5 m处，而次干道、支路则更易在1.5 m处富集。

3.3 OC、EC组成分析

有研究表明，生物质燃烧排放OC1、OPC最多，燃煤排放OC2最多，汽车尾气排放OC3、OC4、EC1最多，柴油车排放EC2、EC3最多，可据此推断颗粒物碳的来源[20]。由表3可见，不同类型道路PM2.5中OC3最高，为43.93%～57.79%；其次为OC4和OC2，分别为15.20%～21.51%、12.82%～18.16%；EC3最低。PM10中碳组分规律与PM2.5相同。同类型道路、不同高度碳组分相差不大。由此判断，研究区道路扬尘PM2.5和PM10中碳组分的主要来源为汽油车尾气和燃煤排放，少部分为生物质燃烧。

4 结 论

(1) 2.5～10.0 μm粒径含量最高，其次为10.0～30.0 μm，0～2.5 μm最少。相同类型道路南侧、西侧细颗粒物多，而北侧、东侧大颗粒物相对多，原因与道路两侧车流量和周围环境有关。2.5～10.0 μm颗粒物更易在2.5 m处富集，而10.0～30.0 μm颗粒物在1.5 m处容易富集。

(2) PM2.5比PM10更易富集碳。快速路PM2.5中TC、OC高，EC低。快速路和主干道2.5 m处PM10更易富集碳，次干道和支路则更易在1.5 m处富集。

(3) 研究区道路扬尘PM2.5和PM10中碳组分的主要来源为汽油车尾气和燃煤排放，少部分为生物质燃烧。

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EmissioncharacteristicsofroaddustduringsummerinShijiazhuang

ANSai，XIAOJieying，LIUJuan，GUOShuo，ZHAOWenxia，YANBojun.

(PollutionPreventionBiotechnologyLaboratoryofHebeiProvince，SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering，HebeiUniversityofScienceandTechnology，ShijiazhuangHebei050018)

安 塞，男，1992年生，硕士研究生，研究方向为环境工程。#

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*国家自然科学基金资助项目(No.41471027)；国家环境保护部环保公益性科研专项(No.201409004)；河北省自然科学基金资助项目(No.D2015208162)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.09.016

2016-05-03)