天津市春季典型道路积尘负荷分布特征

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

自2013年我国北方城市发生大范围雾霾以来，大气颗粒物污染受到了越来越多的关注。随着机动车限行、企业减排等措施的实行，城市扬尘对于大气颗粒物的贡献日益凸显出来。道路扬尘作为城市扬尘的重要组成部分[1]，也是颗粒物污染的重要尘源之一[2-8]。研究表明[9-14]，道路扬尘对PM2.5的贡献率高达20%左右。道路扬尘不仅影响空气质量[15-16]，还影响能见度以及人体健康[17-20]。因此，了解道路扬尘排放规律已是制定扬尘污染控制措施的重要基础和依据[21]，构建道路扬尘的排放清单则成为治理城市颗粒物污染的重要环节[22]。

积尘负荷是道路扬尘排放清单中一个十分重要的参数，也是各地环境管理的一个重要方面。道路积尘负荷是指道路单位面积上能通过75 μm标准筛的积尘的质量，积尘负荷可以表征路面清洁程度，即路面越脏积尘负荷相应越大；反之，路面越干净积尘负荷就越小。目前，国内外均已形成标准化的道路积尘测量方法，国内测量方法大多为《防治城市扬尘污染技术规范》(HJ/T 393—2007)[23]中推荐方法，国外研究大多参考美国环保署(USEPA)公布的 AP-42表面采样测定积尘负荷的方法[24]，2种方法原理和操作过程基本相同。其中，刘永红等[22]采用《防治城市扬尘污染技术规范》(HJ/T 393—2007)中推荐的方法开展了广东佛山地区交通扬尘排放特征的研究；程建等[25]通过AP-42采样方法，获得了重庆市主城区各道路积尘负荷，并研究了其道路扬尘排放特征；彭康等[26]参考AP-42采样方法，估算了珠三角地区道路扬尘排放因子和排放量，深入分析道路扬尘排放的时空变化等特征。

国内学者大多集中在对于道路扬尘排放特征的研究，很少有对道路扬尘排放清单中重要参数的分布规律的研究。本研究针对城市空气颗粒物中道路扬尘源颗粒物污染问题，以天津市道路扬尘为研究对象，采用样方真空吸尘法，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，再对所采集样品进行过筛，得到了不同车道以及不同道路类型的积尘负荷，并研究了该积尘负荷的空间分布特征，旨在为构建天津市道路扬尘排放清单和制定道路扬尘控制措施提供参考。

1 研究方法

1.1 采样地点

在天津市的5种道路类型中，每种道路类型选择2～3条，每条道路选择1～2个路段，共选择11个路段，分别是卫津路、复康路、黄河道、鞍山西道、南开二纬路(包含西市大街，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”)、快速路红旗南路段(以下简称“红旗南路”)、外环线西路1、外环线西路2。图1为采样点示意图，表1表示所选采样道路信息。为了避免样品量少而影响后续研究的弊端，在采样路段每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，即每个路段道路的两侧共选取16个点，采样点之间间隔一般大于800 m，采样点位尽量避开公交站、路口、公司门口等人流密集处。

1.2 样品采集和处理

天津市春季为3—5月，其中4月为春季的典型月份，所以本研究于2015年4月进行样品采集。实验仪器为800 W尘杯式真空吸尘器、1 m2采样框、样品袋、细毛刷、3 kW汽油发电机、850 μm和75 μm泰勒标准筛、手持GPS定位仪、万分之一电子天平、电动振筛机。用真空吸尘器吸扫路面积尘，采样区域内用吸尘器在横竖方向上各吸2遍，速度保持在1～2 min/m2。吸尘时应注意将采样框边角位置处吸干净。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3 d，将样品放入电动振筛机标准筛(850 μm和75 μm)中振荡10 min后称重，并记录每个采样点的尘重。

图1 采样点位示意Fig.1 Map of sampling sites

道路名称道路类型道路走向卫津路主干道南北走向复康路主干道东西走向黄河道次干道东西走向鞍山西道次干道东西走向南开二纬路支路东西走向白堤路支路南北走向迎水道支路东西走向密云路快速路南北走向红旗南路快速路东西走向外环线西路1环线南北走向外环线西路2环线南北走向

1.3 数据处理

将过850 μm和75 μm筛后的质量分别记为m20和m200(单位g)，并将其带入式(1)[27]中：

(1)

式中：sL为积尘负荷，g/m2；m为道路扬尘样品质量，g；m20为850 μm泰勒标准筛筛上物的质量，g；m200为75 μm泰勒标准筛筛上物的质量，g；S为采样面积，m2。

2 结果与讨论

2.1 机动车道与非机动车道积尘负荷特征分析

从天津市春季机动车慢车道与非机动车道积尘负荷的变化(表2)可知，非机动车道和机动车慢车道的积尘负荷分别为0.282 0～1.064 5 g/m2和0.050 4～0.173 9 g/m2，对于同一道路而言，非机动车道的积尘负荷明显高于机动车道慢车道的积尘负荷。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慢车道小，行驶的车辆多为三轮车、电动车等非机动车，车速较慢，车辆行驶时卷起的土量小，尘土多沉积在路面。另外，路边裸露土壤受降水及风力作用的影响进入道路表面也是造成非机动车道积尘负荷较大的原因之一。同时，非机动车道路面较机动车道慢车道低，这使得降水或道路保洁洒水将机动车道积尘冲到非机动车道并留存在非机动车道较多。可见，车辆类型、车流量及车速是影响铺装道路路面积尘负荷的重要因素。

表2所选典型道路积尘负荷

Table2Thesiltloadingofsamplingtypicalroadsg/m2

为了研究各采样路段不同车道积尘负荷的差异是否具有统计学意义，运用SPSS 16.0软件对其进行2个相关样本非参数检验。结果表明，P=0.000<0.05，说明各采样点不同车道积尘负荷的差异有统计学意义。再运用SPSS 16.0软件对其进行斯皮尔曼相关分析。结果表明，P=0.000<0.01，说明不同车道积尘负荷呈线性相关关系(图2)。由图2可知，机动车道慢车道(y)和非机动车道积尘负荷(x)的关系y=0.107x+0.031。因为采集整个道路横断面的道路扬尘比较危险、耗时，因此在后续道路扬尘清单编制过程中，可以通过将非机动车道和各车道拟合的方法减少采样工作量，从而节约时间和实验成本。

图2 不同车道积尘负荷之间的关系Fig.2 Relationship of the silt loading between different lanes

不同道路类型的非机动车道积尘负荷的中位值均大于机动车慢车道积尘负荷中位值(图3)。其中图3(a)包含南开二纬路的积尘负荷，图3(b)中不包含南开二纬路的积尘负荷。因为南开二纬路路面较为光滑，车辆行驶过程中容易将尘土带起，所以路面积尘负荷较其他道路小。由图3(a)可知，主干道、次干道和支路的非机动车道积尘负荷分别是机动车道慢车道积尘负荷的7.4、6.6、5.9倍，快速路和环线的非机动车道积尘负荷是机动车道慢车道积尘负荷的5.7倍，这可能与快速路和环线非机动车道实际上是机非混合车道有关。由图3(b)可知，支路的非机动车道的积尘负荷是机动车道慢车道积尘负荷的7.8倍。

2.2 不同道路类型积尘负荷的比较

对于不同道路类型而言，非机动车道、机动车道慢车道积尘负荷中位值关系如图3(b)所示。从图3(b)可见，对于非机动车道，积尘负荷中位值从大到小顺序依次为次干道>主干道>环线>支路>快速路，其中快速路的非机动车道积尘负荷相对较小，可能与快速路非机动车道实际上是机非混合车道有关。对于机动车道慢车道，积尘负荷中位值从大到小顺序依次为次干道>环线>主干道>支路>快速路，主干道、次干道、支路、环线、快速路车流量分别为89 064、59 541、34 786、62 110、217 561辆/d，其中次干道和环线积尘负荷相对较大，可能是因为次干道车流量较小，车速较慢而使路面不易起尘，造成路面积尘负荷较大，而环线虽然车流量较大，但因环线位于城市的外围，道路两侧裸土较多以及道路中间有绿化带，路面尘来源复杂，影响因素较多；快速路积尘负荷最小，可能与其车流量最大、车速快有关。许妍等[28]对天津市道路扬尘排放特征的研究得出的结论是支路>次干道>主干道>环线，与本研究的结论有所不同，这可能与研究对象所属行政区域有关，行政区域不同，清扫方式和清扫力度可能不同，造成其积尘负荷不同。

图3 天津市春季不同道路类型非机动车道和机动车道慢车道积尘负荷比较Fig.3 Comparison of silt loading of the non-motor and motor vehicle lanes of different types in spring of Tianjin

2.3 道路两侧积尘负荷的比较

为了研究风向和风速对于道路两侧积尘负荷大小的影响，分析了不同走向道路(东西走向和南北走向)相同类型车道的积尘负荷的差异，结果见图4(图4中“非”代表非机动车，“机”代表机动车)。天津市春季风向频率玫瑰图见图5。

图4 天津市春季不同走向道路两侧非机动车道和机动车道慢车道积尘负荷比较Fig.4 The silt loading on both sides of different directions of the non-motor and motor vehicle lanes in spring of Tianjin

图5 采样期间风向玫瑰图Fig.5 Wind direction rose map during sampling

由图4可知，天津市春季南北走向的道路东侧的非机动车道和机动车道慢车道的积尘负荷的中位值大于西侧积尘负荷的中位值。由图5可知，天津市春季风向以西南风为主，风力的作用可能使道路西侧的道路扬尘吹至道路东侧，从而造成东侧的积尘负荷大于西侧的积尘负荷。对于东西走向的道路两侧的积尘负荷的中位值，机动车道慢车道北侧小于南侧；非机动车道北侧大于南侧，可见风向对于东西走向道路的积尘负荷影响较小。为了验证道路两侧积尘负荷差异是否具有统计学意义，运用SPSS 16.0软件分别对东西南北走向的道路积尘负荷进行相关样本非参数检验。结果表明，南北走向道路P=0.111 6>0.05，表明这5条道路东西两侧积尘负荷差异没有统计学意义；东西走向道路P=0.248>0.05，表明6条东西走向道路南北两侧积尘负荷差异也没有统计学意义。因此，为了省时、省力，在编制道路扬尘排放清单获得本地化积尘负荷参数的过程中，可以只采集分析道路一侧道路扬尘样品。

3 结论

1)天津市春季不同道路类型的非机动车道积尘负荷的中位值明显高于机动车道慢车道积尘负荷的中位值，2种类型车道非参数检验结果表明其差异有统计学意义。

2)非机动车道积尘负荷(x)与机动车道积尘负荷(y)建立关系为y=0.107x+0.031。在清单编制过程中，为了省时、省力，可以通过将非机动车道和各车道拟合的方法减少采样工作量。

3)不同道路类型积尘负荷的分布规律：非机动车道从大到小顺序依次为：次干道>主干道>环线>支路>快速路；机动车道慢车道从大到小顺序依次为次干道>环线>主干道>支路>快速路。

4)南北走向道路2种类型车道积尘负荷大小关系均为东侧>西侧；东西走向道路非机动车道和机动车道慢车道积尘负荷大小关系分别为北侧>南侧和南侧>北侧。但是2种走向的道路两侧积尘负荷差异均没有统计学意义，所以为了提高实验的安全性、灵活性和经济性，在建立道路扬尘排放清单时，可以只采集道路一侧的道路尘样品。

[1] LI Nan, LONG Xin, TIE Xuexi, et al. Urban dust in the Guanzhong Basin of China, Part I: A Regional Distribution of Dust Sources Retrieved using Satellite Data[J]. Science of The Total Environment, 2016,541: 1 603-1 613.

[2] SUN Yele, ZHUANG Guoshun, WANG Ying, et al. The Air-Borne Particulate Pollution in Beijing-Concentration, Composition, Distribution and Sources[J]. Atmospheric Environment, 2004, 38(35):5 991-6 004.

[3] ZHAO Pusheng, FENG Yinchang, ZHU Tan, et al. Characterizations of Resuspended Dust in Six Cities of North China[J]. Atmospheric Environment, 2006, 40(30): 5 807-5 814.

[4] AMATO Fulvio, ZANDVELD Peter, KEUKEN Menno, et al. Implementation of Road and Soil Dust Emission Parameterizations in the Aerosol Model CAMx: Applications over the Greater Athens Urban Area Affected by Natural Sources[J]. Journal of Geophysical Research-Atmospheres, 2010,115:5 030-5 038.

[5] KARANASIOU Angeliki, MORENO Teresa, AMATO Fulvio, et al. Road Dust Contribution to PM Levels-Evaluation of the Effectiveness of Street Washing Activities by Means of Positive Matrix Factorization[J]. Atmospheric Environment, 2011, 45(13): 2 193-2 201.

[6] MARTUZEVICIUS D, KLIUCININKAS L, PRASAUSKAS T, et al. Resuspension of Particulate Matter and PAHs from Street Dust[J]. Atmospheric Environment, 2011, 45(2): 310-317.

[7] AMATO F, KARANASIOU A, MORENO T, et al. Emission Factors from Road Dust Resuspension in a Mediterranean Freeway[J]. Atmospheric Environment, 2012, 61: 580-587.

[8] ZHAO Hongtao, SHAO Yaping, YIN Chengqing, et al. An Index for Estimating the Potential metal Pollution Contribution to Atmospheric Particulate Matter from Road Dust in Beijing[J]. Science of the Total Environment, 2016, 550: 167-175.

[9] FEDERICO K, CLAUDIO A B, Carlos Francisco C D, et al. Contributions to Cities′ Ambient Particulate Matter (PM): A Systematic Review of Local Source Contributions at Global Level[J]. Atmospheric Environment, 2015, 120: 475-483.

[10] LIU Gang, LI Jiuhai, WU Dan, et al. Chemical Composition and Source Apportionment of the Ambient PM2.5in Hangzhou, China[J]. Particuology, 2015, 18: 135-143.

[11] HSU Chiyu, CHIANG Hungche, LIN Shenglun, et al. Elemental Characterization and Source Apportionment of PM10and PM2.5in the Western Coastal Area of Central Taiwan[J]. Science of The Total Environment, 2016, 541: 1 139-1 150.

[12] 任丽红, 周志恩, 赵雪艳,等. 重庆主城区大气 PM10及 PM2.5来源解析[J]. 环境科学研究, 2014, 27(12):1 387-1 394.

REN Lihong，ZHOU Zhien，ZHAO Xueyan， et al． Source Apportionment of PM10and PM2.5in Urban Areas of Chongqing[J]． Research of Environmental Sciences，2014，27(12): 1 387-1 394．

[13] 叶贤满,徐昶,洪盛茂,等. 杭州市大气污染物排放清单及特征[J]. 中国环境监测, 2015, 31(2)：5-11.

YE Xianman, XU Chang, HONG Shengmao,et al.Emission Inventory and Characteristics of Air Pollutants in Hangzhou[J]. Environmental Monitoring in China,2015, 31(2)：5-11.

[14] 张振华. PM2.5浓度时空变化特性、影响因素及来源解析研究[D].杭州：浙江大学,2014.

[15] LIU Enfeng, YAN Ting, BIRCH Gavin, et al. Pollution and Health Risk of Potentially Toxic Metals in Urban Road Dust in Nanjing, a Mega-City of China[J]. Science of The Total Environment, 2014, 476/477: 522-531.

[16] AMATO F, FAVEZ O, PANDOLFI M, et al. Traffic Induced Particle Resuspension in Paris: Emission Factors and Source Contributions[J]. Atmospheric Environment, 2016, 129: 114-124.

[17] HUANG Rujin, ZHANG Yanlin, BOZZETTI Carlo, et al. High Secondary Aerosol Contribution to Particulate Pollution During Haze Events in China[J]. Nature, 2014,514(7 521): 218-222.

[18] LAI Senchao, ZHAO Yan, DING Aijun, et al. Characterization of PM2.5and the Major Chemical Components during a 1-year Campaign in Rural Guangzhou, Southern China. Atmospheric Research, 2016, 167: 208-215.

[19] 刘爱明. 城市区域大气颗粒物的污染特征研究[J]. 安全与环境工程, 2010, 16(6):15-19.

LIU Aiming.Research on the Pollution Property of Atmospheric Particulates in City Region[J]. Safety and Enviro nmental Engineering,2010, 16(6):15-19.

[20] 姚剑,王广华,林俊,等. 上海市大气颗粒物与能见度的关系[J]. 气象与环境学报, 2010, 26(4):17-21.

YAO Jian, WANG Guanglin, LIN Jun, et al.Relationships Between Atmospheric Particles and Visibility in Shanghai[J]. Journal of Meteorology and Environment,2010, 26(4):17-21.

[21] 樊守彬, 田刚, 李钢, 等. 北京铺装道路交通扬尘排放规律研究 [J]. 环境科学, 2007, 28(10):2 396-2 399.

FAN Shoubin, TIAN Gang, LI Gang, et al. Emission Characteristics of Paved Roads Fugitive Dust in Beijing[J]. Environmental Science, 2007, 28(10):2 396-2 399.

[22] 刘永红,詹鹃铭,刘建昌,等. 广东佛山交通扬尘排放特征研究[J]. 环境科学与技术,2014,37(8):80-86.

LIU Yonghong,ZHAN Juanming,LIU Jianchang,et al. Characteristics of Fugitive Road Dust Emission in Foshan, Guangdong Province[J]. Environmental Science & Technology，2014，37(8)：80-86.

[23] 国家环保总局． 防治城市扬尘污染技术规范:HJ/T 393—2007[S]． 北京: 中国环境科学出版社，2007.

[24] 朱振宇, 张诗建, 张亚飞, 等. 道路交通扬尘采样方法研究进展[J]. 环境与可持续发展, 2014, 39(1):41-45.

ZHU Zhengyu, ZHANG Shijian, ZHANG Yafei,et al. Research Progress on the Sampling Methods of Road Traffic Dust[J]. Environment and Sustainable Development,2014, 39(1):41-45.

[25] 程健, 傅敏. 重庆市主城区道路扬尘排放特性研究[J]. 安全与环境工程, 2015, 22(4):40-44.

CHENG Jian, FU Min.Emission Characteristics of Road Dust in Chongqing Urban Area[J]. Safty and Environmental Engineering, 2015, 22(4):40-44.

[26] 彭康, 杨杨, 郑君瑜,等. 珠江三角洲地区铺装道路扬尘排放因子与排放清单研究[J]. 环境科学学报, 2013, 33(10):2 657-2 663.

PENG Kang, YANG Yang, ZHENG Junyu, et al． Emission Factor and Inventory of Paved Road Fugitive Dust Sources in the Pearl River Delta Region[J]． Acta Scientiae Circumstantiae，2013, 33(10): 2 657-2 663.

[27] USEPA. Emission Factor Documentation for AP-42, Section 13.2.1: Paved Roads [R]. US: Kansas City Midwest Research Institute, 2011.

[28] 许妍, 周启星. 天津城市交通道路扬尘排放特征及空间分布研究 [J]. 中国环境科学, 2012, 32(12):2 168-2 173.

XU Yan, ZHOU Qixing. Emission Characteristics and Spatial Distribution of Road Fugitive Dust in Tianjin, China[J]. China Environmental Science, 2012, 32(12):2 168-2 173.