成都市铺装道路积尘碳组分特征及排放因子研究

乔玉红，叶芝祥，杨怀金，张 罡

(1.成都信息工程大学资源环境学院，成都 610225;2.中国科学院大学，北京 100049)

城市道路积尘是大气飘尘、汽车携带、路面磨损、周边裸地和建筑尘等各种来源迁移和沉积的结果，也是大气污染物和城市地表径流中污染物的重要来源。道路、街道上的积尘在一定的动力条件(风力、机动车碾压或人群活动)的作用下，一次或多次扬起并混合，进入到环境空气中形成一定粒径分布的扬尘，对环境和人类健康可能造成严重危害。随着成都铺装道路和机动车保有量增加[1]，铺装道路扬尘污染不可忽视。文献报道，交通扬尘对北京市PM10的年平均贡献率达到了16.6%[2]，南宁市秋冬季道路扬尘源对PM2.5中碳组分的贡献仅次于机动车尾气和燃煤燃烧[3]。由于交通来源颗粒物的排放高度比较低,且分布在交通线两旁和交通路口,更接近人群密集和活动的场所,所以对环境空气质量、能见度和人体健康的影响将更直接[4]。碳组分是大气颗粒物的重要组成部分，主要由元素碳(EC)和有机碳(OC)组成，其对人体健康、能见度、气候变化都会产生很大的影响[5]。EC主要来源于含碳物质的不完全燃烧，OC的来源则相对复杂，有燃烧、工业和自然源的直接排放，还能由大气化学过程生成[6]。目前国内对于气溶胶碳组分的研究主要集中在分析OC、EC浓度，二次有机碳气溶胶的生成机制，水溶性有机碳浓度特征以及城市碳气溶胶来源估算等[7]，鲜见对成都市道路积尘碳组分特征的研究[8]。

本研究于2014年4～6月对成都市铺装道路积尘进行了采样分析，获得了铺装道路积尘中碳组分含量，在此基础上分析了主干路、次干路和支路的碳组分污染特征，水泥路面和沥青路面支路的碳组分污染特征。通过AP-42模型计算了碳组分排放因子，并初步探讨了其来源，可为进一步开展碳气溶胶来源解析工作提供参考，也为政府开展城市大气污染的防治工作提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

根据《城市道路工程设计规范CJJ37-2012》，城区铺装道路分为快速路、主干路、次干路和支路4类。于2014年4～6月期间用车辆、蓄电池、吸尘器和GPS定位系统组成的移动式道路积尘采样系统[9]在成都市青羊区、武侯区、龙泉驿区、金牛区、温江区、双流县、新津县、崇州市等区域采集道路积尘。每条道路采集积尘不少于200g，共采集76条道路，各级道路采样个数见表1，其中快速路车流量大、车速快不能保证采样安全未能采集到样品。

表1 道路积尘样品分布Tab.1 Distribution of road dust samples (个)

1.2 AP-42排放因子模型

美国环保署(USEPA)在多年的实践经验上总结了一套完整的估算道路扬尘排放因子的方法(AP-42法)[10]。本研究采用该方法估算成都市铺装道路扬尘碳排放因子，计算公式如下：

(1)

式(1)中：E为计算周期内的平均排放因子(g/VKT)；k为不同粒度范围的粒度乘数；sL为道路积尘负荷(g/m2，即单位面积道路扬尘中直径小于或等于75μm的颗粒物重量)；W为通过道路车辆的平均重量(t)；P为计算周期内降水量为0.254 mm及以上的天数；N为基准年的天数。

1.3 排放因子模型参数

1.3.1 粒度乘数(k) 根据美国EPA 2011年AP-42方法中粒度乘数的数据,TSP粒度乘数取3.23。本文以TSP排放因子乘积尘中碳组分占比来计算道路扬尘碳排放因子。

1.3.2 道路积尘负荷 道路积尘负荷是指道路单位面积上能够通过200目标准筛(相当于几何粒径75μm以下)的积尘质量。现场采集的样品带回实验室,去除石块、烟头、树叶等杂质后转移至不锈钢盘,于105℃烘至恒重,记为W(g)。烘干后的样品放于20目标准尼龙筛，将20目、200目筛子由上而下叠好放入摇床，振摇30～60min。振摇结束后用百分之一电子天平称量每个标准筛及筛上物重量。按公式(2)计算道路积尘负荷值：

(2)

式(2)中：W为道路积尘样品总重量(g)；W20和W200分别为20目和200目筛和筛上物总重量(g)；M20和M200分别为20目和200目标准筛净重量(g)；S为采样面积(m2)。

1.3.3 车流量 采集道路积尘时同时对该条道路进行人工统计车辆数目。得到成都市主干路、次干路和支路车流量分别为2 202±1 321辆/h、830±477辆/h、282±211辆/h；沥青路面和水泥路面支路分别为381±246辆/h、209±145辆/h。

1.3.4 平均车重 根据收费公路车辆通行费车型分类(JT/T489-2003)标准，将车辆类型分为一类车(1～2t)、二类车(2～5t)、三类车(5～10t)、四类车(10～15t)和五类车(>15t)。平均车重是指通过某类道路所有车辆的平均重量。本研究从高速公路管理部门获得不同类型货车的重量信息，小客车重量参考许妍的研究结果[11]并结合实际监测的车流量，按式(3)计算通过某类道路的平均车重:

(3)

式(3)中：Wi为i类道路的平均车重，n为道路类型数量；Kij为第i类道路上第j类车辆的比例；Wij为第i种等级道路上第j种车型的车重量(t)。计算得到成都市主干路、次干路和支路平均车重分别为2.49t、2.72t和2.44t；沥青路面和水泥路面支路分别为2.0t和2.7t。

1.3.5 计算周期内降水量为0.254 mm及以上的天数 通过年鉴获得2014年成都市降雨量大于等于0.254的天数为207d。

1.4 样品碳组分分析

采用DRI Model2001A 热光碳分析仪分析200目道路积尘的碳组分。由于样品中碳含量较高，直接测量5mg样品的碳组分时会超出了仪器的测量范围，取样量太少，仪器无法测量并且误差也较大，所以采用性质稳定的氧化铝做稀释剂，对样品稀释后进行分析。首先将氧化铝置于850℃马弗炉中煅烧2h除去有机物，然后准确称量处理过后的稀释剂氧化铝0.900 0g和200目道路积尘样品0.100 0g于研钵中混合均匀后，称取5.0mg稀释后的样品放置于铂金舟中，应用IMPROVE 热光反射( TOR，Thermal Optical Reflectance) 的实验方法进行OC、EC的测定[12]。在无氧的纯He环境中，颗粒中的有机碳分别在140℃、280℃、480℃、580℃下挥发，经催化氧化炉转化生成的CO2，然后再将样品在2%氧气的He环境下，分别于580℃、740℃和840℃逐步加热将EC氧化成CO2，无氧加热阶段生成的CO2和有氧阶段生成的CO2，均在还原炉中被还原成甲烷(CH4)，再由火焰离子化检测器(FID)定量检测。无氧加热时的焦化效应(也称为碳化)可使部分OC转变为裂解碳(OPC)，为检测OPC的生成量，用633nm激光全程照射样品，测量加热升温过程中反射光强的变化，以初始光强作为参照，准确确定OC和EC的分离点。根据IMPROVE方法，OC=OC1+OC2+OC3+OC4+OPC，EC=EC1+EC2+EC3-OPC。

2 结果与讨论

2.1 铺装道路积尘负荷特征

根据式(2)计算出成都市各条道路积尘负荷，各类道路积尘负荷平均值如表2所示。支路的积尘负荷最大，为0.237 7±0.260 0g/m2；其次为次干路，为0.138 7±0.156 5 g/m2；最小的是主干路，为0.074 9±0.061 1g/m2。支路积尘负荷是主干路的3.1倍，这是因为主干路的车流量大清扫密集，而支路车流量小清扫次数少。这和北京[13]天津[11]有相似规律，均是支路>次干路>主干路，值比天津和北京小，这可能是由于北方干燥而南方湿润导致的。

表2 不同类型道路积尘负荷Tab.2 Dust load on different levels of roads (g/m2)

2.2 铺装道路积尘碳组分特征及排放因子

成都市主干路、次干路和支路积尘中碳组分如图1所示。主干路、次干路和支路OC浓度分别为35.32±14.95 mg/g、49.25±20.28 mg/g和64.28±30.59 mg/g，主干路<次干路<支路。OC主要来自于汽油车尾气排放，支路车流量小而OC浓度大，其原因可能是支路两旁餐饮企业较多，排出的油烟增加了支路OC的浓度。EC浓度是主干路13.37±6.25 mg/g、次干路17.16±7.81 mg/g、支路19.06±10.66 mg/g；TC浓度是主干路48.69±20.39 mg/g、次干路66.42±25.88 mg/g、支路83.34±38.15mg/g；均是主干路<次干路<支路。

碳组分分布如图1b所示，三类道路中OC1、OC2和EC3的浓度远小于OC3、OC4、EC1和EC2这四个组分，整体呈驼峰状。这和郭森[14]周盼[15]等的石家庄夏季冬季道路扬尘中碳组分OC3最大且呈显著的单峰变化不同。分析原因可能是郭森与周盼所做是把道路积尘再悬浮采集的PM2.5和PM10膜样品进行分析，而本研究是直接取200目道路积尘样品测定。其中OC3、OC4和EC1三个组分浓度是支路>次干路>主干路，EC2组分是次干路>支路>主干路。

根据AP-42模型计算所得成都市各类道路碳排放因子如表3所示。

图1 各类铺装道路碳组分浓度Fig.1 Mass fraction of carbon components at all levels of roads in Chengdu

表3 各类道路碳排放因子Tab.3 Carbon emission factors of all levels of roads (g/VKT)

主干路的TC、OC和EC排放因子都是最小，支路都是最大。支路TC排放因子0.155g/VKT，是次干路的1.8倍，主干路的4.8倍；OC排放因子是次干路的1.9倍，主干路的5倍；EC排放因子是次干路的1.6倍，主干路的4倍。各类道路碳组分排放因子相差悬殊，这是因为支路的积尘负荷与碳组分含量均为三类道路中的最大值。所以应该加强支路清扫力度，减少道路积尘和碳排放。

2.3 水泥路和沥青路面道路积尘中碳组分特征及排放因子

成都市铺装道路路面类型有水泥路面和沥青路面两种，其中主干路和次干路路面类型大都为沥青路面，支路中沥青和水泥几乎各占50%，因此这里只讨论支路不同路面类型碳组分特征。两种路面类型碳组分浓度如图2a所示。

图2 不同路面类型支路碳组分质量浓度Fig.2 Mass concentrations of carbon components of different road types

沥青路面TC、OC和EC浓度分别是103.46±33.69mg/g、82.25±27.05mg/g、21.21±8.02mg/g，水泥路面TC、OC和EC浓度分别是68.255±34.11mg/g、50.8±25.79mg/g、17.45±12.03mg/g。沥青路面积尘中各个碳组分浓度均大于水泥路面，其中TC浓度是水泥路面的1.5倍，OC是水泥路面的1.6倍，EC差距较小，是水泥路面的1.2倍。两种路面类型的碳组分分布如图2b所示，OC3、EC1浓度比其他组分大，整体呈驼峰状。

使用AP-42计算出不同路面类型排放因子如表4所示。

表4 支路不同路面类型碳排放因子Tab.4 Carbon emission factors of different surface types of branch way (g/VKT)

沥青路面的TC、OC和EC排放因子均小于水泥路面，分别是水泥路面的0.68、0.74和0.56倍。这和两种路面类型的碳组分浓度大小相反，其原因是沥青路面的积尘负荷(0.168 1±0.160 2g/m2)小于水泥路面(0.284 1±0.300 2g/m2)。因此需要大力推进对支路水泥路面改沥青路面工作。

2.4 铺装道路碳组分来源分析

不同污染源的OC/EC具有不同范围，轻型汽油车为2.2，重型柴油车为0.8，生物质燃烧为9.0，汽油车尾气为4.1，燃煤为12.0[16]。成都市主干路、次干路和支路积尘中OC/EC值如图3所示，分别是2.77±0.76、3.05±0.87和3.68±1.15，均在2～4之间，表明积尘碳组分主要来自于机动车尾气排放。支路的OC/EC值的标准偏差更大，说明支路积尘中碳组分来源更复杂，除了机动车排放外，还可能与道路两旁的餐饮企业排放的油烟有关。

Turpin等[17]认为通过研究OC和EC之间的关系，可以区分碳组分的来源。若OC EC的相关性好，则表明来自于相同污染源。利用OC EC的相关性可在一定程度上对积尘碳组分的来源进行定性分析。使用OriginPro 2019对OC EC进行一次拟合，如图4所示，次干路与支路的OC EC皮尔逊相关系数为0.623 4和0.621 4，主干路为0.819 5，主干路大于次干路与支路。这说明次干路与支路的碳组分来源比主干路复杂。

图3 各级道路OC/ECFig.3 OC/EC of all levels of roads

图4 各类道路OC EC散点图Fig.4 OC EC scatter diagram of roads at all levels

Cao 等[18]研究认为，OC1在生物质燃烧样品中最丰富，OC2、OC3、OC4及EC1是燃煤和汽油车尾气中丰富的碳组分，EC2和EC3是柴油车尾气中丰富的碳组分。同时Gu等[19]认为OC3、OC4代表了道路扬尘源的贡献。对碳组分进行因子分析可以在一定程度上实现对碳气溶胶的源解析[20]。应用SPSS22软件对成都市各级道路积尘样品中的7个碳组分进行因子分析，结果列于表5。根据特征值大于1，各级道路分别提取出两个因子由表5可知。主干路提取的因子解释了碳组分的76.54%，因子1的 OC2、OC3、OC4、EC1负载大，说明汽油车尾气排放是主要的碳组分来源，因子2的OC1、EC2 和EC3负载显著，说明主要来源是生物质燃烧和柴油车排放；次干路提取出的因子解释了碳组分的79.37%，因子1的 OC2、OC3、OC4、EC1负载大，同样也表明汽油车尾气排放是一个主要的污染源；因子2中OC1、EC2、EC3作用显著，主要来自柴油车排放和生物质燃烧；支路提取的两个因子，解释了碳组分的78.01%，因子1中OC2、OC3、OC4、EC1和EC2作用显著，主要为汽油车和柴油车排放，因子2中OC1和OC2作用显著，主要为生物质燃烧。道路积尘碳组分中均存在一定程度的生物质燃烧污染，虽然成都市区对生物质如落叶等已实施禁燃多年，但是成都周边地区尤其是农村地区秸秆焚烧问题时有发生。通过来源解析发现成都市道路积尘碳组分主要来源于汽油车排放，柴油车排放及生物质燃烧。需要指出的是支路碳组分来源的解析结果虽然为汽油车排放和生物质燃烧，但是餐饮源是一个不可忽视的污染源，餐饮源碳组分源成分谱的缺乏致使无法确定其标识组分，从而无法解析出该源。

表5 城市道路扬尘碳组分因子分析Tab.5 Absolute principal component analysis results of fugitive dust carbon fractions in city roads

3 结 论

3.1 成都市铺装道路积尘中OC和EC含量支路>次干路>主干路，碳排放因子也是支路>次干路>主干路，所以应该加强支路清扫力度，减少道路积尘及碳排放。

3.2 支路沥青路面积尘的碳组分含量高于水泥路面，而沥青路面排放因子小于水泥路面，因此需要大力推进对支路水泥路面改沥青路面工作。

3.3 通过OC/EC值和因子分析表明成都市道路积尘碳组分主要来源于汽油车和柴油车排放。