城市不同级别道路尘土的粒径特性分析

汪志荣，刘珊珊，李洁，毛月鹏

天津理工大学环境科学与安全工程学院，天津 300384

城市地表径流作为典型面源污染源，包含了大量复杂的污染物质，造成地表水环境或地下水的严重污染。城市不透水下垫面（包括路面、构筑物屋顶、铺设地面等）的面积比例随着城市化进程深入而增加，导致城市地表径流污染日趋严重，其中路面径流污染潜力巨大（董欣等，2008；徐玲玲等，2011；苗展堂，2013）。根据Drapper et al.（2002）对路面沉积物中污染物的研究显示，路面沉积物组分多样，来源复杂，最多的污染物是悬浮颗粒、重金属和有机物，汽车轮胎及其他部件的损耗、轮胎与道路之间的摩擦是污染物的主要来源。

粒径是地表污染物中最为重要的物理性指标，能够反映污染物来源（李海燕等，2014；张存勇，2014；周恋彤等，2015）。Deletic et al.（2005）将道路累积物粒径划分为＜63 μm、63～250 μm、250～500 μm、＞500 μm 4 个区间，发现＜63 μm 粒径范围内重金属浓度最高。Miguntanna et al.（2010）发现地表累积物粒径分布影响营养物质累积，粒径范围在75～150 μm对其影响最大。基于大量的实验研究得出，地表累积物粒径越小，所吸附污染物比例越高（Sutherland et al.，2004；Ahmed et al.，2006）。

城市道路污染物的组分和来源与城市的地理位置和环境状况、道路的级别和清扫方式有密切的关系（张千千等，2014）。研究显示，路面清扫对道路尘土粒径的影响较大（冯伟等，2014）。1972年，美国环保署（USEPA）运用不同路面清扫方法对5个城市路面沉积物进行取样并通过分析其颗粒粒径级分布发现，粒径大于840 μm的颗粒占总量的 1/3，一般的道路清扫仅能够去除路面不到 30%的污染物（潘华，2005）。Drapper et al.（2000）等研究表明，一般的道路清洁设备对小颗粒物的清除效果不好，只能去除＞2000 μm粒径的颗粒尘土，而水扫却可以去除小至20～25 μm的颗粒。Sorme et al.（2002）指出，尽管一般清扫对小粒径污染颗粒的去除效果较差，但多数时候道路清洁对地表径流污染的控制意义重大（Adachi et al.，2005；孙宗斌等，2014）。

本研究对在天津市西青区4级道路的不同采样断面的不同下垫面尘土进行了干式采集和粒径分析，目的是研究城市不同级别道路尘土粒径分布特征，分析道路级别、周边环境、道路功能、清扫方式等对道路尘土的影响，为进一步研究道路径流污染物规律，指导海绵城市建设，以及城市道路清洁管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况和道路清扫方式调查

1.1.1 研究区域概况

西青区位于天津市西南部，海河流域下游，属平原地貌，海拔3～4 m。为暖温带半湿润大陆性季风型气候，冬季寒冷干燥，夏季高温多雨，春季温暖多风，秋季天高气爽，寒暑交替明显。

1.1.2 道路选取

城市快速路和主干路的主要功能为交通，而城市次干路和支路以服务功能为主，交通功能为辅，因此各级道路的污染物主要来源差异较大（王东炜等，2017）。本研究选取西青区 4条不同级别道路，分别是快速路（外环西路）、主干路（津涞公路）、次干路（工一号路）、支路（秀川路）作为研究对象。

1.1.3 道路清扫方式调查

目前天津市大部分道路的清扫都采用机械清扫和人工保洁相结合的方式，其中机械清扫包括机械干扫和机械水洗，超过5级风、下雨等恶劣天气停止工作；人工保洁包括人工清扫和人工捡拾（天津市市容园林管理委员会，2013）。经调查，快速路、主干路的道路清扫方式为机械湿扫为主，无雨无冻时一般1天1次，辅以人工捡取散落在道路上的垃圾；次干路以1天1次的机械清扫为主，人工清扫为辅（全天）；支路秀川路则以机械湿扫为主，一般1天1次，但秀川路南部目前几乎无清扫。

1.2 采样布点和样品采集方法

1.2.1 采样断面

根据各级道路周边环境差异性，选择各级道路的代表性断面（3～4个），共设置代表性断面12个，对各采样断面进行GPS定位，周边情况如表1所示。

1.2.2 采样方法和采样点

根据采样断面的交通量、地势等特性，以棋盘式法作为统一采样标准进行干法采样。每个断面分别采集非机动车道、人行道、中间隔离带处（表征机动车的影响）以及隔离带内草地（低级别的无隔离带道路，则无此项）、道路外侧绿化带（若无绿化带，则无此项）等下垫面（共 43个采样点）的尘土或表层土壤，保证各采样点间无相互干扰。各断面设置3个平行采样点，共采集129个尘土样本。用红色油漆标记采样点位置。

除隔离带内和绿化带取植被表层及地表（0～1 cm）土壤样外，其他下垫面都用胶带分割出采样区域，其中人行道和非机动车道取宽1 m×长2 m的矩形内尘土，隔离带取宽20 cm×长2 m矩形内及马路牙子上尘土。利用扫把、刷子将区域内的尘土全部收集，分类保存于聚乙烯塑料袋里，编号并密封保存。

表1 道路尘土采样信息Table1 Road dust sampling information

1.2.3 气候状况

采样时间为2015年12月，采样前十天的气温为-7～6 ℃，风力都小于5级，白天天气以晴天为主，个别天有雾霾，夜晚以晴为主，偶有雾，期间偶有零星小雪。

1.3 样品前处理和粒径测定

将样品风干、碾碎，捡出石块和植物残体后研磨粗过25目（710 μm）尼龙筛后，装于密封袋中并贴标签保存，重复样混合待分析。经前处理的土样再过8目（2360 μm）筛，称取0.1 g样品放入超声仪中于160 W条件下超声10～15 min，后用激光密度仪LS230进行样本粒径测定。

2 结果分析与讨论

2.1 不同级别道路的不同下垫面尘土平均粒径特性

分析4个级别道路尘土的平均粒径，反映道路级别对不同取样下垫面处尘土粒级的影响。由图 1可知，快速路中，隔离带尘土颗粒平均粒径最大，非机动车道次之，即隔离带＞非机动车道＞隔离带草地＞草地；这主要是由于快速路车流量较大，路面上的颗粒物基本上会被推排至道路两侧和中间隔离带两侧，而隔离带草地和道路两侧草地表层尘土基本上是道路扬尘和土壤，其颗粒粒径较小。

主干路中，草地尘土颗粒平均粒径最大，远远大于其他三者，即草地＞隔离带草地＞人行道＞隔离带＞非机动车道；主干路路面上的尘土大部分被推至道路两侧的隔离带和非机动车道上，所以隔离带上的尘土较多，而路边草地和隔离带草地植被覆盖率较低，基本上为裸露的土壤，而采样时会将土壤掺杂在尘土中，从而对实验结果造车一定影响。

次干路的人行道颗粒平均粒径最大，即人行道＞非机动车道＞草地；次干路周边是商业街和小吃一条街，环境相对较差，人行道上油脂较多，路边停车现象相对严重，机扫基本无法到达非机动车道，因此人行道和非机动车道上的累积物较多，颗粒物粒径也相对较大。

支路中，草地尘土颗粒平均粒径最大，即草地＞人行道＞非机动车道，但总体上，3个不同下垫面上尘土粒径相差较小。支路虽然道路级别最低，但是道路狭窄且周边有学校、加油站、居民区和未利用土地，车流量相对次干路要大，而周边环境较差，因此非机动车道上的尘土粒径相对较小，而人行道和草地上的尘土颗粒物粒径相对较大。

对比各级别道路周边草地上尘土的平均粒径，发现主干路＞支路＞快速路＞次干路；非机动车道上的尘土平均粒径为快速路＞次干路＞支路＞主干路；人行道上的尘土平均粒径为次干路＞支路＞主干路；隔离带上的尘土平均粒径为快速路＞主干路；隔离带草地上的尘土平均粒径为主干路＞快速路。

造成以上分布差异的原因是快速路和次干路的清扫方式主要是机扫，机扫对小粒径颗粒物的去除效果较差，主干和支路道路的清扫方式是机械水洗和人工捡拾，对小颗粒和大颗粒的去除作用较大。

图1 不同级别道路在不同下垫面上尘土的平均粒径Fig.1 The average particle size of dust particles at different underlying surfaces of different grades roads

2.2 道路尘土粒径分布特征

2.2.1 各级道路不同下垫面的尘土粒级分布特征

尘土的粒级分布能够反映尘土的来源和吸附污染物的能力，同时也能够反映清扫方式的影响效果。为便于进行粒径测定结果分析，将粒径划分为0～50、50～100、100～200、200～300、300～400、400～500、500～600、600～700、700～800、800～1000、1000～1900 μm等11个粒级。图2所示为各级道路不同下垫面各粒级尘土的质量分数和分布状况，其中质量分数取自不同下垫面不同断面均值。

由图 2可知，（1）草地下垫面上，快速路、主干路、支路的尘土粒级主要分布在0～50 μm范围内，次干路尘土粒级则主要分布在100～200 μm范围上，除主干路外，其他道路几乎没有≥800 μm粒级的尘土。（2）非机动车道上，主干路尘土绝大部分分布在 0～50 μm之间，而≥300 μm 粒级尘土极少，次干路和支路尘土粒级在0～1000 μm范围内均存在。（3）人行道上，主干路有一半以上的尘土粒级在0～50 μm之间，粒级≥200 μm的尘土几乎没有，而支路存在3.69%粒级≥1000 μm的尘土，但次干路和主干路几乎没有。（4）隔离带，主干路尘土粒级主要分布在 0～50 μm 范围内，不存在粒级≥300 μm的尘土。（5）隔离带草地，快速路和主干路在粒级分布上大致相同，但快速路几乎无粒级≥600 μm 的尘土。

总体上，道路级别越高，尘土粒级分布越小且越集中；道路级别越低，尘土粒级分布范围越广。这是因为级别较低的道路有局部路段存在清扫不到或未清扫的情况。

2.2.2 不同取样断面的各下垫面尘土粒径分布特征

图3～图6显示了各级道路在不同的取样断面的不同下垫面的尘土粒径分布特征，反映了道路周边环境对尘土粒级分布的影响。首先各断面尘土的粒径分布都表现为非正态分布，多以双峰为显著特点，峰值基本都出现在 30～50 μm 和 300～400 μm 附近。此外，各级道路的不同取样断面的尘土粒径分布各具特征。

2.2.2.1 快速路

快速路的草地在4个断面处的尘土粒径分布均相近，颗粒粒径均呈双峰变化，尘土粒径最大值出现在A草地处，为786.9 μm，最小值出现在B、C、D处，为1.261 μm。A断面草地339.9 μm粒径处的尘土最多，A断面处的石料厂对附近道路尘土的影响比较明显，表现为尘土的粒径大，明显高于其他断面的粒径。各个断面尘土粒径大小排序为：A＞B＞C＞D。

图3 快速路不同断面不同下垫面尘土粒径分布Fig.3 Particle size distribution of dust in different positions and underlying surfaces of Outside the west road

图4 主干路不同断面不同下垫面尘土粒径分布Fig.4 Particle size distribution of dust in different positions and underlying surface of Jinlai road

非机动车道 A、C、D断面处尘土粒径分布趋势大致相同，尘土颗粒粒径最大值出现在C、D处，为786.9 μm，最小值出现在B处，为1.149 μm。A断面非机动车道409.6 μm粒径处的尘土最多。各断面尘土粒径大小排序为：D＞C＞A＞B。

图5 次干路不同断面不同下垫面尘土粒径分布Fig.5 Particle size distribution of dust in different positions and underlying surfaces of Gong No.1 road

图6 支路不同断面不同下垫面尘土粒径分布Fig.6 Particle size distribution of dust in different positions and underlying surfaces of Xiuchuan road

从隔离带的3个采样断面看，尘土粒径分布差异较大，以单峰变化为主，这主要是因为隔离带区域的尘土主要来源为大气降尘及机动车行驶过程中将道路上的尘土携带并推动至隔离带边界处堆积而成。主峰分布范围不同，尘土颗粒粒径最大值出现在B、C断面处，为948.3 μm，最小值出现在D处，为2.423 μm，B断面449.7 μm粒径处尘土最多。各断面尘土粒径大小排序为：B＞C＞D。

隔离带草地上，细颗粒的峰值表现相同，但C、D断面尘土粒径分布趋势相似，细颗粒呈明显单峰变化，主峰分布在粒径30～40 μm范围内，而B断面呈明显双峰变化。尘土粒径最大值出现在D断面处，为716.8 μm，最小值出现在B断面处，为1.149 μm；B断面282.1 μm粒径处的尘土最多。各断面尘土粒径大小排序为：B＞D＞C。

2.2.2.2 主干路

主干路草地B、C处采样点尘土粒径分布趋势大致相同，A呈双峰变化，C处呈现近似正态分布，主峰分布在493.6 μm处，尘土颗粒粒径最大值出现在C处，为1822 μm，最小值出现在B处，为1.149 μm；C断面非机动车道493.6 μm粒径处的尘土最多。各断面粒径大小排序为：C＞A＞B。

非机动车道A、C处采样点尘土粒径分布趋势相同，粒径峰值表现不明显，但都呈非正态分布，尘土颗粒粒径最大值出现在A草地处，为282.1 μm，最小值出现在B处，为1.407 μm；A断面草地8.147 μm 粒径处的尘土最多。各断面粒径大小排序为：B＞A＞C。

人行道A、B处采样点尘土粒径分布趋势相同，均呈双峰变化，主峰在57～68 μm范围内；3处采样点都呈非正态分布，尘土颗粒粒径最大值出现在C处，为234.1 μm，最小值出现在A处，为1.261 μm；A断面人行道63.41 μm粒径处的尘土最多。各断面粒径大小排序为：C＞B＞A。

隔离带 3处采样点尘土粒径分布趋势有所差异，A处粒径均呈双峰变化；3处采样点粒径都呈现为非正态分布，尘土颗粒粒径最大值出现在C隔离带处，为282.1 μm，最小值出现在B、C处，为1.261 μm；A断面隔离带63.41 μm粒径处的尘土最多。各断面粒径大小排序为：C＞B＞A。

隔离带草地A、B处采样点尘土粒径分布趋势相同，A、C处粒径均呈双峰变化；3处采样点呈非正态分布，尘土颗粒粒径最大值出现在C隔草处，为1377 μm，最小值出现在B、C处，为1.149 μm；C断面隔草带493.6 μm粒径处的尘土最多。各断面粒径大小排序为：C＞B＞A。

2.2.2.3 次干路

次干路草地尘土颗粒粒径最大值为1041 μm，最小值为 1.832 μm，粒径 1.128～1.337 μm 范围内的尘土最多。

非机动车道A、B处采样点尘土粒径分布趋势大致相同，均呈单峰变化，主峰分布在180～190 μm范围内；3处采样点均呈非正态分布，尘土颗粒粒径最大值出现在B处，为1143 μm，最小值出现在A处，为1.261 μm；A断面非机动车道176.9 μm粒径处的尘土最多。各断面尘土粒径大小排序为：B＞A。

人行道A、B处采样点尘土粒径分布趋势相同，但A处粒径呈单峰变化，B处粒径呈双峰变化；3处采样点均呈非正态分布，尘土颗粒粒径最大值出现在A处，为1143 μm，最小值亦出现在A处，为1.385 μm；A断面人行道63.61 μm粒径处的尘土最多。各断面粒径大小排序为：A＞B。

2.2.2.4 支路

3处草地的尘土粒径分布趋势相同，B、C处粒径均呈双峰变化，但主峰粒径分布范围不同，A处粒径呈单峰变化，主峰分布在30 μm处；3处采样点均呈非正态分布，尘土颗粒粒径最大值出现在B草地处，为1143 μm，最小值出现在A、C处，为1.407 μm；B断面草地373.1 μm粒径处的尘土最多。各断面粒径大小排序为：B＞C＞A。

非机动车道A、C处采样点尘土粒径分布趋势大致相同，3处粒径均呈双峰变化，A、C处主峰分布在300～330 μm范围内；3处采样点均呈非正态分布，尘土颗粒粒径最大值出现在B处，为1822 μm，最小值出现在C处，为1.407 μm；在B断面非机动车道493.6 μm粒径处的尘土最多。各断面粒径大小排序为：B＞A＞C。

人行道3处采样点尘土粒径分布趋势不同，B处粒径呈双峰变化，主峰出现在543.9 μm处；3处采样点均呈非正态分布，尘土颗粒粒径最大值出现在C处，为1822 μm，最小值出现在B处，为0.953 μm；B断面人行道594.9 μm粒径处的尘土最多。各断面粒径大小为：C＞B＞A。

综上，道路尘土粒径除与周边环境相关，与道路清扫方式关系也十分密切，机械水洗清扫可大大降低尘土总量和尘土粒级，而人工清扫对尘土总量和粒级影响有限，这也是不同级别道路粒径分布呈现双峰变化的原因。同一断面的隔离带、非机动车道、人行道上的尘土粒级分布特征相近，且隔离带内表土与路边绿化带的表土具有同源性。

3 结论

（1）从不同下垫面的平均粒径看，在快速路中，机动车道＞非机动车道＞隔离带草地＞草地；在主干路中，非机动车道＞隔离带草地＞人行道＞机动车道＞草地；次干路中，人行道＞非机动车道＞草地。快速路和主干路的交通功能显著，受机动车的影响明显，表现在机动车道和非机动车道的尘土粒径具有相似的特性；隔离带内的草地及道路侧边绿化带的表土均有细颗粒的道路扬尘和土壤组分。次干路和支路的服务功能更为明显，表现为人行道和非机动车道上的累积物总量大，清扫效果差，粒径分布范围广，平均粒径大。

（2）从道路级别看，隔离带的平均粒径表现为：快速路＞主干路；非机动车道为：快速路＞次干路＞支路＞主干路；人行道为：次干路＞支路＞主干路；隔离带草地为：主干路＞快速路；草地为：主干路＞支路＞快速路＞次干路。

（3）从不同级别道路粒级分布看，道路级别越高，尘土粒级分布越小且越集中，道路级别越低，尘土粒级分布范围越广，大颗粒尘土占比相对较高。快速路和主干路几乎不存在粒级≥800 μm的道路尘土，绝大多数为中小颗粒；次干路和支路道路尘土在粒级0～1900 μm范围上均有分布。

（4）不同断面、不同下垫面下的粒径分布趋势大致相同，道路尘土粒径分布呈双峰变化，少有单峰分布，清扫方式是影响其峰值的主要因素。虽然主峰分布粒径范围不同，但都呈非正态分布，各个断面粒径最大值、最小值和累积最多的尘土粒径范围不尽相同。

（5）道路功能、周边环境、清扫方式等是影响道路尘土粒径的主要因素。周边环境和车辆行驶决定着尘土成分和分布位置；清扫方式影响着尘土的粒径及其分布。机械水洗是大幅度降低道路尘土总量和尘土粒级的重要手段，这在主干路尘土粒径上表现最为显著。

参考文献：

AHMED F, ISHIGA H. 2006. Trace metal concentrations in street dusts of Dhaka city, Bangladesh [J]. Atmospheric Environment, 40(21):3835-3844.

DELETIC A, ORR D W. 2005. Pollution buildup on road surfaces [J].Journal of Environmental Engineering, 131(1): 49-59.

DRAPPER D, TOMLINSON R B, WILLIAMS P. 2002. Pollutant concentrations in road runoff: Southeast Queensland case study [J].Journal of Environmental Engineering, 126(4): 313-320.

ADACHI K, TAINOSHO Y. 2005. Single particle characterization of size-fractionated road sediments [J]. Applied Geochemietry, 20(5):849-859.

MIGUNTANNA M P, GOONETILLEKE A, GODOWATTA P, et al. 2010.Understanding nutrient build-up on urban road surface [J]. Journal of Envionmental Science and Health Part A, 22(6): 806-812.

SORME L, LAGERKVIST R. 2002. Source of heavy metals in urban wastewater in Stockholm [J]. Science of the Total Environment,298(1-3): 131-145.

SUTHERLAND R A, TACK F M G, ZIEGLER A D, et al. 2004. Metal extraction form road-deposited sediments using nine partial decomposition procedures [J]. Applied Geochemistry, 19(6): 947-955.

董欣, 杜鹏飞, 李志一, 等. 2008. SWMM模型在城市不透水区地表径流模拟中的参数识别与验证[J]. 环境科学, 29(6): 1495-1501.

冯伟, 王晓冬. 2014. 北京市道路尘土残存量和近地面扬尘监测及其影响因素[J]. 环境卫生工程, 22(5): 31-32.

李海燕, 石安邦. 2014. 城市地表颗粒物重金属分布特征及其影响因素分析[J]. 生态环境学报, 23(11): 1852-1860.

潘华. 2005. 城市地表径流污染特性及排污规律的研究[D]. 西安: 长安大学.

苗展堂. 2013. 微循环理念下的城市雨水生态系统规划方案研究[D]. 天津: 天津大学.

孙宗斌, 周俊, 胡蓓蓓, 等. 2014. 天津城市道路灰尘重金属污染特征[J]. 生态环境学报, 23(1): 157-163.

天津市市容园林管理委员会. 2013.《天津市城市道路清扫保洁作业管理标准规范(试行)》[S].

王东炜, 李辉, 李岩, 等. 2017. 城市道路网络路段状态相关性与道路间距分析[J]. 交通运输工程学报, 17(1): 101-108.

张千千, 李向全, 王效科, 等. 2014. 城市路面降雨径流污染特征及源解析的研究进展[J]. 生态环境学报, 23(2): 352-382.

徐玲玲, 高博, 陆瑾, 等. 2011. 北京市中心城区道路尘土中铂族元素的污染特征[J]. 环境科学, 32(3): 736-741.

张存勇. 2014. 基于粒径谱的连云港近岸海域沉积物多组分数字分离研究[J]. 泥沙研究, (4): 26-31.

周恋彤, 董黎明, 赵钰, 等. 2015. 北京城区道路灰尘季节性粒度分布及分形特征[J]. 中国环境科学, 35(6): 1610-1619.