北京市密云区道路扬尘排放特征及融雪剂使用的影响*

崔浩然 樊守彬 韩力慧 李婷婷 曲 松 刘俊芳

(1.北京工业大学环境与能源工程学院，区域大气复合污染防治北京市重点实验室，北京 100124；2.北京市环境保护科学研究院，北京 100037；3.国家城市环境污染控制工程技术研究中心，北京 100037)

诸多研究表明，扬尘是城市大气颗粒物的主要贡献者之一，道路扬尘是主要的扬尘源，具有分布广、规模大和监测难的特点，是城市扬尘防治中的重点和难点[1-3]。HUANG等[4]研究表明，道路扬尘对PM10的贡献率为16%～30%。WEI等[5]研究表明，北京市道路扬尘对PM2.5的贡献率为13%。竹涛等[6]503采用AP-42法建立了北京市道路扬尘排放清单，给出了北京市各类型道路扬尘排放因子。FAN等[7]采用AP-42法建立了北京市奥运会期间的道路扬尘排放清单，探究了道路尘负荷对扬尘排放的影响。道路尘负荷是道路扬尘的重要排放来源，对城市道路扬尘排放量有显著影响。王凯等[8]2使用车载移动监测法对北京市延庆区道路尘负荷进行监测指出，路面破损程度和施工活动会显著提高道路尘负荷。DENBY等[9]研究斯德哥尔摩降雪后的扬尘排放特征时指出，残留的融雪剂增加了10%的扬尘排放量。国内关于残留的融雪剂对道路尘负荷及道路扬尘的影响研究还几乎未见报道。

考虑到北京市道路扬尘排放特征的研究重点集中在平原区，对山区的资料掌握不足，故本研究在北京市选择了平原区和山区共存的密云区进行研究。密云区东部、北部和南部三面环山，西部为平原，冬季常发生强降雪事件，常需大面积施撒融雪剂。本研究利用车载移动监测法，于2019年对密云区的平原区和山区的主要道路进行了道路尘负荷监测，计算扬尘排放量，并研究了路面残留的融雪剂对道路尘负荷和道路扬尘排放的影响。

1 方 法

1.1 道路尘负荷监测

所选道路均为铺装道路，类型包括国道、省道、县道、乡道和村道。道路尘负荷监测于2019年进行，每月监测3 d。在监测期间内，监测道路附近无建筑施工工地，无风速大于4 m/s的大风天气出现，若监测前路面因降雨降雪或日常道路洒水保洁而湿润，则等路面干燥后再进行监测。为进行融雪剂使用对道路尘负荷和道路扬尘排放量的影响专项研究，12月的监测时间特意选择在了降雪停止后2 d内，平原区路面明显有融雪剂残留。

道路尘负荷监测采用车载移动监测法，根据轮胎后的二次扬尘颗粒物和车顶的背景颗粒物浓度差值计算道路尘负荷[10]。颗粒物的监测使用的是2台车载DustTrak8530颗粒物监测仪(美国TSI公司)，监测粒径为0.1～10.0 μm，时间分辨率为1 s；利用Map60CS全球定位系统(GPS)(美国Garmin公司)同步记录定位、监测数据时间、经纬度、车速和方向，数据记录的时间间隔设定为1 s。

1.2 道路扬尘排放因子计算

本研究的道路扬尘排放因子计算依据广泛应用于计算铺装道路扬尘排放因子的AP-42法(见式(1))[11]2-3，以1年为基准进行计算。

(1)

式中：E为道路扬尘(包括了总悬浮颗粒物(TSP)、PM10和PM2.5)排放因子，g/(辆·km)；k为粒度修正系数，计算TSP、PM10和PM2.5时分别取3.23、0.62、0.15；sL为道路尘负荷，g/m2；W为机动车平均车重，t；P为1年内降水量大于0.254 mm的天数，本研究中2019年为65 d；N为1年的天数，取365 d。

机动车平均车重根据式(2)[11]2-3计算。

(2)

式中：ui为第i种机动车的平均车重，t；ai为第i种机动车占总机动车数的比例，%。

1.3 道路扬尘排放强度计算

道路扬尘排放强度通过道路扬尘排放因子与车流量乘积计算后得到。

1.4 道路扬尘排放量计算

根据式(3)计算每条道路的扬尘排放量。道路尘负荷和道路扬尘排放量的空间分布图利用ArcGIS软件把密云区划分成1 km×1 km的网格，将道路与网格叠加后剔除不存在道路的网格得到。

Q=E×L×V

(3)

式中：Q为道路扬尘日排放量，g/d；L为道路长度，km；V为车流量，辆/d。按1个月30 d，1年365 d可以换算成月排放量和年排放量。

1.5 数据来源

根据密云交通管理局提供的各种机动车的平均车重和车流量监测数据，整理得到密云区不同类型道路的车流量和平均车重(见表1)，以及不同区域道路的车流量和平均车重(见表2)。第i种机动车占总机动车数的比例根据相应的车流量计算。

表1 不同类型道路车流量和平均车重

表2 不同区域道路车流量和平均车重

2 结果与分析

2.1 密云区道路尘负荷特征

2.1.1 不同类型道路尘负荷特征

由图1可见，不同类型道路尘负荷均值表现为村道>乡道>县道>国道>省道，分别为1.30、1.00、0.55、0.38、0.36 g/m2，总体与车流量呈负相关的特点，这可能是由于车流量大导致路面积尘扬起，降低道路尘负荷[12]176。值得注意的是，国道的尘负荷高于省道，与它们的车流量呈正相关，这可能是由于国道中的车辆以货车为主。有研究表明，货车流量高的地区，其道路尘负荷有明显增高的趋势，这可能是由于货车车重较大，对路面积尘扬起的作用相对较弱，同时货车由于大部分往返于工地，夹带的尘土又会增加道路尘负荷[13-14]。王凯等[8]42017年对北京市延庆区不同类型道路进行尘负荷监测发现，村道>乡道>县道>省道>国道，分别为2.55、1.35、0.97、0.71、0.56 g/m2，整体上略高于本研究，规律与本研究基本一致。而竹涛等[6]506在北京市市区内的研究结果是，积尘负荷次干道>快速路>支路>主干道，分别为2.54、2.34、2.19、1.75 g/m2。由此可见，北京市市区内的道路尘负荷高于郊区，并且不同类型道路的差别不大，而郊区不同类型道路尘负荷相差较大。

图1 密云区不同类型道路尘负荷Fig.1 Road dust load of different types’ roads in Miyun

2.1.2 不同区域道路尘负荷特征

图2为密云区的平原区和山区道路尘负荷月均值，其中1月的平均值最低(0.31 g/m2)，8月的平均值最高(1.29 g/m2)。平原区与山区相比，1—11月平原区道路尘负荷低于山区，其中山区道路尘负荷在2—11月均高于了1 g/m2，而平原区道路尘负荷最高值出现在12月，可能与融雪剂的使用有关。主要原因是，山区道路周边裸土较多，受风力或降水冲刷作用易增加道路尘负荷，且山区道路一般没有保洁工作；相关研究表明，道路尘负荷随车流量增大而降低[12]176，平原区道路较高的车流量使路面积尘容易被扬起，从而降低道路尘负荷。

图2 密云区不同区域道路尘负荷月均值Fig.2 Monthly road dust load of different areas’ roads in Miyun

2.1.3 使用融雪剂对平原区道路尘负荷的影响

由图2已知，平原区道路尘负荷相对较低，最高值出现在12月，而且12月平原区的道路尘负荷高于了山区，并且是同为冬季的1、2月的4.0、1.9倍。12月监测时平原区道路附近均无施工工地，可排除建筑施工增加道路尘负荷。由图3可知，同为冬季的1、2、12月密云区的各种机动车组成差别不大，车流量分别为6 154、5 478、5 697辆/d，也差别不大，因此也可排除交通条件对道路尘负荷的影响。监测的气象条件基本上是一致的，因此也可排除气象条件的影响。从图4中冬季道路尘负荷空间分布可知，12月道路尘负荷较高的区域主要集中在西南部的平原区，而1、2月平原区无大范围道路尘负荷较高区域。根据现场调研知道，12月监测时西南部的平原区道路路面明显有融雪剂残留，而1、2月监测前无降雪过程，因此推断使用融雪剂是12月平原区道路尘负荷增高的重要原因。

图3 冬季密云区道路机动车组成和车流量Fig.3 Vehicle structure and traffic flow in Miyun in winter

图4 冬季密云区道路尘负荷空间分布Fig.4 Spatial distribution of road dust load in Miyun in winter

2.2 密云区道路扬尘排放特征

2.2.1 不同类型道路扬尘排放特征

不同类型道路的扬尘排放因子计算结果见表3，不同类型道路扬尘排放因子大小与道路尘负荷大小顺序并不相同，原因是道路扬尘排放因子是受道路尘负荷和机动车平均车重的综合影响的，国道道路尘负荷虽低，但其大货车占比高，平均车重最大；村道的尘负荷虽高，但机动车平均车重较小。

表3 密云区不同类型道路扬尘排放因子

不同类型道路的扬尘排放强度见表4。国道的扬尘排放强度远高于其他类型道路，主要是由于车流量远大于其他道路。省道和县道的扬尘排放因子和车流量较为接近，因此排放强度差异不明显。乡道和村道由于扬尘排放因子和车流量较小，使得排放强度较小。

表4 密云区不同类型道路扬尘排放强度

不同类型道路扬尘年排放量见表5，TSP、PM10和PM2.5的年排放量分别达到23 060、4 426、1 071 t/a。

表5 密云区不同类型道路扬尘年排放量

2.2.2 不同区域道路扬尘排放特征

对比表6中平原区和山区的扬尘排放因子发现山区大于平原区，这主要是因为山区的道路尘负荷高于平原区。但对比表7中的扬尘排放强度和表8中的扬尘年排放量，发现都是平原区大于山区。虽然平原区道路尘负荷低于山区，但结合表2可知，平原区的车流量远大于山区，由于车流能够使路面积尘快速扬起[12]176，因此导致平原区的扬尘排放强度和扬尘年排放量高于山区。由图5的道路扬尘日排放量空间分布可见，TSP、PM10和PM2.5的日排放量分别为20～2 000、5～400、5～100 kg/d，变化幅度较大。部分山区道路排放量较高主要是在有国道经过的地方，因国道车流量大，货车占比高。

图5 密云区道路扬尘日排放量空间分布Fig.5 Spatial distribution of daily road dust emissions in Miyun

表6 密云区不同区域道路扬尘排放因子

表7 密云区不同区域道路扬尘排放强度

表8 密云区不同区域道路扬尘年排放量

2.2.3 使用融雪剂对平原区道路扬尘排放的影响

由表9中冬季平原区道路扬尘排放因子、扬尘排放强度和扬尘月排放量可知，12月平原区道路扬尘排放因子、扬尘排放强度和扬尘月排放量均高于1、2月，进一步说明了12月平原区路面残留的融雪剂可能提高了道路尘负荷，使得平原区道路扬尘排放增加。

表9 冬季平原区道路扬尘排放指标

2.3 融雪剂对道路尘负荷和道路扬尘排放的影响机制探讨

前已述及，使用融雪剂能增加道路尘负荷，在机动车组成和车流量较为一致的条件下，就会成为增加道路扬尘排放的重要原因，其主要影响机制可归纳为两点：(1)路面残留的融雪剂直接贡献了道路尘负荷。12月平原区有强降雪事件发生，为使平原区道路迅速通行，大面积施撒了融雪剂，待路面积雪融化、积水蒸发后，融雪剂就残留在了路面[15]。目前，国内在道路保洁方面采取的主要管控措施是清扫和洒水冲刷，清扫对扬尘的控制效率为6%～19%，洒水冲刷为 46%～66%，因此洒水冲刷是城市扬尘管控的主要措施。但洒水冲刷受到气温的限制，室外气温低于3 ℃ 时将停止路面洒水冲刷[16]，只能采用清扫措施，所以道路尘负荷就会处于较高水平，密云区12月降雪使用融雪剂后，平均气温只有-1.4 ℃，无法使用洒水冲刷措施，致使部分融雪剂残留于路面，增加了道路尘负荷，进而增加了道路扬尘排放。(2)融雪剂中的氯盐成分可能会延长地面湿润时间，使得路面积攒更多道路尘负荷，进而增加扬尘排放。道路尘负荷在路面环境处于干燥状态时会随着气流扰动而再悬浮于大气环境中[17]，当路面处于湿润环境时则可很大程度上抑制道路尘负荷再悬浮。因此，若路面湿润时间延长，则将吸附更多道路尘负荷，而融雪剂很可能就是延长路面湿润的关键因素。DENBY等[18]通过实际测量和NORTRIP模型模拟发现，在路面有融雪剂存在的条件下，路面潮湿的总小时数会增多6%。原因是因为融雪剂中的氯盐成分(NaCl、CaCl2和MgCl2等)具有高的吸湿性[19]，在融雪剂表面可形成表面吸附水[20-22]，因此延长了路面湿润时间。

因此，冬季降雪后在保障道路交通安全的前提下，建议适量使用融雪剂，降雪停止后需要及时对路面残留的融雪剂进行清扫，最好能洒水冲刷。

3 结 论

(1) 密云区不同类型道路尘负荷均值表现为村道>乡道>县道>国道>省道，分别为1.30、1.00、0.55、0.38、0.36 g/m2。不同类型道路的TSP、PM10和PM2.5年排放量分别为23 060、4 426、1 071 t/a。

(2) 对比平原区和山区的道路尘负荷可知，1—11月平原区道路尘负荷均低于山区，而12月平原区受路面残留融雪剂的影响道路尘负荷高于山区。对比平原区和山区的排放特征可知，平原区道路扬尘排放因子小于山区，但扬尘排放强度和扬尘年排放量大于山区。受路面残留融雪剂的影响，平原区冬季12月的道路扬尘排放因子、排放强度和排放量都高于冬季1、2月。

(3) 融雪剂增加道路尘负荷和扬尘排放的机制主要有两点：路面残留的融雪剂直接贡献了道路尘负荷；融雪剂中的氯盐成分可能延长地面湿润时间，使路面积攒更多道路尘负荷，进而增加扬尘排放。建议使用融雪剂要适量，使用后要及时清除路面残留的融雪剂。