基于光散射快速檢測法的渭南市道路積塵研究

馬彤,巴利萌,孫璐萍,劉佳媛,王杰,5,程曉夏,鄭易飛,高健?

(1中國環境科學研究院大氣環境研究所, 北京 100012；2長安大學環境科學與工程學院,陜西 西安 710054；3渭南市臨渭區環境監測站,陜西 渭南 714000；4南開大學環境科學與工程學院,城市交通污染防治研究中心, 天津 300071；5北京化工大學環境科學與工程系, 北京 100029；6渭南市環境科學研究中心,陜西 渭南 714000；7中科弘清(北京)科技有限公司廣州分公司, 廣東 廣州 510310)

0 引言

近年來我國區域性復合型大氣污染日趨嚴重,大氣細顆粒物(PM2.5)作為影響我國環境空氣質量的主要污染物受到了越來越多的關注[1,2]。揚塵源對大氣顆粒物的貢獻顯著[3],研究發現,揚塵源對西安市[4]和咸陽市[5]PM2.5的貢獻率分別達27%和22%;而道路揚塵作為揚塵的重要組成部分[6,7],對城市空氣質量有著不可忽視的影響。隨著機動車保有量的上升,道路揚塵對顆粒物的貢獻比重越來越大[7?12]。因此,掌握道路揚塵的分布及排放特征是揚塵源控制的重要一環,也能豐富道路揚塵排放因子。此外,嚴重的道路積塵在大風及機動車行駛過程等情況下會形成揚塵,造成空氣質量污染并影響居民的身體健康,道路清掃能有效去除路面積塵,但作業方式和頻率的不同會造成去除效果的差異[13]。

道路積塵負荷是指單位道路面積上能夠通過200目(75μm)標準篩的顆粒物質量[14],是影響道路揚塵污染的重要因素之一,也是研究道路揚塵排放特征以及排放清單編制的重要參數[15?17]?，F在越來越多的城市將積塵負荷作為考核及評估道路清掃效果的指標之一。目前,國內外均已形成標準化的道路積塵測量方法,應用最多的有降塵法和真空吸塵器法[18?24],但是存在效率低、需要耗費大量人力、不能保障采樣人員安全、同時采樣面積小、代表性差等問題。國內學者對道路積塵的研究主要集中在京津冀等重點城市,如對北京市[23,25]、天津市[5]和石家莊市[10]不同道路積塵負荷的分布規律和特征進行了研究,且基本上都采用真空吸塵器法。與常用方法相比,基于光散射法的快速檢測法能夠快速地測量不同道路類型、不同路段的積塵負荷,并在監測過程中實時反饋監測數據,減少了樣品轉移過程和測量誤差。

渭南市揚塵污染問題嚴重,PM10濃度一直處于較高水平,如2018年PM10濃度年均值為124μg·m?3,位列關中城市群首位,但目前對于渭南市揚塵污染特征等方面的研究較少,研究基礎較為薄弱。本文采用道路積塵負荷車載式快速監測系統[26]對渭南市城區道路積塵負荷進行測定,分析各類型道路積塵負荷的差異,研究道路積塵負荷與車流量、車速等的關系及變化特征,討論不同抑塵方式對積塵負荷的影響,并對灑水抑塵的效果進行監測與評估,旨在獲得道路積塵本地化參數,為提高排放清單的準確性及道路揚塵精細化管控等提供依據,對渭南市道路揚塵污染管控、抑塵方式優化及城市環境空氣質量改善有重要的參考價值。

1 材料和方法

1.1 監測儀器和方法

本次道路積塵負荷監測方法遵循HJ/T 393–2007《防治城市揚塵污染技術規范》[18]要求,利用道路積塵負荷車載快速監測系統(專利授權號:203422305U)[26]測量道路積塵負荷。該系統利用車載顆粒物檢測儀獲取積塵負荷值,根據車輪揚起的顆粒物濃度值與背景顆粒物濃度值的差得到道路積塵負荷值。

該系統由監測車、第一顆粒物濃度測量儀、道路揚塵濃度測量儀、流量測量系統、GPS定位系統、數據處理與輸出單元組成(如圖1所示)。其中,4臺TSI8530顆粒物檢測儀組成第一顆粒物測量儀(2臺TSI8530)和第二顆粒物濃度測量儀(2臺TSI8530)。第一顆粒物濃度測量儀的采樣口位于后車窗,用來測定顆粒物的背景濃度值;第二顆粒物測量儀的采樣口位于后輪胎,測定由于輪胎揚塵揚起的顆粒物濃度和。第一顆粒物濃度測量儀和第二顆粒物濃度測量儀的濃度差記為揚塵信號。測量系統工作時,道路揚塵信號和GPS定位系統獲取的位置信息等信息一并傳入數據處理與輸出單元,系統實時(1 s)計算出道路積塵負荷,并通過GIS系統將道路積塵負荷數據可視化。其中路面積塵負荷L與揚塵信號C、車速V等參數具有相關性,其函數關系可以表達為L=f(C,V)。

圖1 道路積塵負荷車載快速監測系統示意圖(a)及現場監測圖(b)、(c)Fig.1 Diagram of dust load vehicle-mounted rapid detection system(a)and site monitoring picture(b),(c)

TSI8530可以通過更換采樣頭分別測定PM2.5和PM10的實時濃度。實驗中顆粒物監測數據時間間隔與車輛行駛速度記錄間隔均設為1 s,使得測定過程中機動車行駛速度和顆粒物濃度數據對應。

1.2 測定時間和范圍

實驗選取渭南市主城區主干道、次干道、支路、國道、省道等主要道路,選擇具有能代表秋冬季污染水平的11月份開展監測。2017–2018年秋冬季空氣質量數據顯示,2017年11月PM10和PM2.5月均值分別為 153 μg·m?3和 85 μg·m?3,接近秋冬季平均水平 (PM10和 PM2.5濃度分別為 155 μg·m?3和 92 μg·m?3)。根據現場條件選定2018年11月13–23日開展監測,期間天氣晴朗、小時平均風速基本小于2.0 m·s?1,相對濕度總體較低,監測條件良好。

1.3 車流量及平均車重數據

選取渭南市主城區主干道(東風大街、朝陽大街)、次干道(三賢路、崇業路)、支路(東興大街)等典型道路調取卡口數據及視頻,對道路進行分車型車流量記錄,通過人工識別的方法得到24 h車流量數據。依據常見車型的車重(滿載)及行駛在道路上的機動車中不同類型車輛的比例計算車輛的平均質量,計算公式為

式中為道路上車輛的平均質量,單位為t;n為車輛的種類數;Wi為第i種車輛的平均質量,單位為t;ai為第i種車輛占道路上總車輛數的比例。

1.4 質量控制

走航監測前檢查儀器背景值進口管道有無堵塞,清理儀器路面端進口管道內的灰塵和切割頭。每次使用儀器前都應對其進行零點標定,車輛保持靜止,觀測儀器背景值和路面值的示數,若兩者示數之差持續小于0.01,則認為儀器正常;若儀器之差持續性大于0.01,則認為儀器不穩定,需重新對儀器進行零點校準。

走航過程中,走航速度保持為30～50 km·h?1勻速行駛。較長路段盡量一次從頭走到尾,減少因車輛轉彎、減速時輪胎與路面靜止摩擦增加導致顆粒物測量值增大從而出現誤差。走航道路如為裸土或泥濘路面,停止監測該路段并標記數據。

本次監測在滿足道路積塵負荷測定條件下,每條道路至少重復監測兩次,保證獲取車載系統兩次平行秒級數據。兩次平行監測數據的平均為道路積塵負荷值,去除異常值及缺失值后,本次道路積塵負荷監測走航有效監測里程為133 km,共得到約6萬組有效數據。不同類型道路及各功能區道路的積塵負荷值為相應各條道路的加權平均值。

2 結果與討論

隨著“以克論凈”[27]量化考核機制的推行,現階段城市一般以道路積塵1.00 g·m?2作為考核標準,認為道路積塵負荷若大于1.00 g·m?2,則代表該城市道路清潔程度總體較差。渭南市城區道路積塵負荷平均值為1.13 g·m?2,超出該考核標準值13.00%,說明其道路積塵量較大。與北京市、天津市、石家莊市、武漢市、成都市和烏魯木齊市等城市(見表1)對比可見,渭南市道路積塵負荷較其他城市高0.14～1.02 g·m?2,積塵負荷值明顯偏高;京津冀地區典型城市—北京市[23]、天津市[28]、石家莊市[29]的道路積塵負荷值在2015年前已小于0.50 g·m?2[23,28,29],說明渭南市道路揚塵管控和治理仍有較大空間。

表1 不同城市道路積塵負荷Table 1 Dust load on roads in different cities

2.1 道路積塵負荷空間分布特征

2.1.1 不同類型道路積塵負荷分布特征

渭南市秋季主干道、次干道、支路、國道和省道的積塵負荷平均值分別為0.94、1.22、1.79、0.71、1.08 g·m?2,五類道路積塵負荷大小依次為支路>次干道>省道>主干道>國道,這一規律與樊守彬等[23]、張詩建等[28]的研究結果一致。渭南市支路積塵負荷值最大,可能是因為支路車流量小、車速較低,導致支路的塵土不易被揚起,容易累積在路面上,造成積塵負荷較高[21,30]。國道積塵負荷值最低,可能與國道車輛行駛速度快、車流量大有關,車輛在高速行駛過程中產生的空氣流動易帶起路面積塵,導致國道上積塵負荷數值相對較小[12]。說明除道路自身如道路破損、工地降塵等影響積塵負荷外,車流量和車速等因素可能也會影響道路積塵負荷的大小[30]。

2.1.2 不同功能區周邊道路積塵負荷分布特征

對渭南市的學校、醫院、大型商場和工業園區四大功能區周邊道路以及渣土車行駛道路的積塵負荷分布特征進行分析(圖2)。渣土車行駛路線上的積塵負荷最高,平均值為1.52 g·m?2,高出城區道路積塵負荷平均值(1.13 g·m?2)34.51%,主要與渣土車在物料運輸過程中易發生遺撒及車身、車輪帶泥上路等有關;學校周邊道路的積塵負荷平均值為1.25 g·m?2,僅次于渣土車行駛道路,高出城區積塵負荷平均值10.62%,主要是因為學校周邊道路以支路和次干道為主,且商鋪密集、人流量大,人為活動強度較高,使得積塵負荷相對較高;工業園區、醫院和大型商場的周邊道路以主干道為主,積塵負荷較低,分別為0.90、0.77、0.67 g·m?2。說明需要重點加強對渣土車及建筑工地的管理,并加大支路和次干道的抑塵管理工作。

圖2 不同功能區周邊道路積塵負荷分布情況Fig.2 Distribution of dust load around roads in different functional areas

2.2 快車道與慢車道積塵負荷

圖3為渭南市不同類型道路快車道和慢車道積塵負荷分布特征。由圖可見,渭南市快車道積塵負荷平均值為1.41 g·m?2,慢車道積塵負荷平均值為2.38 g·m?2,慢車道積塵負荷均顯著高于快車道,說明車速明顯影響積塵負荷,車速越大,積塵負荷越小。此外,慢車道接近道路邊緣,綠化帶等周邊裸土等灰塵容易進入[29]。主城區監測范圍內存在S107和S108兩條省道,由于S108車道部分數據缺失,該研究選取S107代表省道進行車道積塵負荷對比分析。

圖3 不同類型道路快車道和慢車道積塵負荷分布特征Fig.3 Distribution characteristics of dust load on fast lanes and slow lanes of different types of roads

慢車道積塵負荷大小依次為支路>省道(S107)>主干道>國道>次干道,快車道積塵負荷大小依次為支路>次干道>省道(S107)>主干道>國道。支路兩車道積塵負荷均高于其他類型道路,且車道積塵負荷偏差Ld相對較小,可能由于支路上車輛的車速較低、車流量較小,路面積塵不易被揚起。

車道積塵負荷偏差計算公式為

式中Ls為慢車道道路積塵負荷,Lf為快車道道路積塵負荷。

各類型道路快、慢車道積塵負荷均有明顯特征,主干道和國道的快慢兩車道積塵負荷分布特征相似,慢車道積塵負荷約為快車道的2倍;次干道兩車道積塵負荷較接近,慢車道積塵負荷為2.09 g·m?2,較快車道高0.22 g·m?2;省道兩車道積塵負荷差別最大,慢車道積塵負荷為 5.1 g·m?2,較快車道高 3.58 g·m?2。以 S107為代表的省道積塵負荷較高,與該道路上重型貨運車輛、渣土運輸車等車輛通行量較多,道路保潔頻率低有關。

2.3 積塵負荷影響因素分析

2.3.1 車流量和車重對道路積塵負荷的影響分析

為了解渭南市城區道路積塵負荷與車流量、車重的關系,在主干道、次干道和支路中各挑選出典型道路為研究對象,分析其積塵負荷分布特征。主干道、次干道和支路的積塵負荷、24 h平均車流量Q與平均車重情況W如圖4所示。由圖可見,積塵負荷大小呈支路>次干道>主干道的特征,24 h平均車流量大小呈主干道>次干道>支路的特征,平均車重的大小呈主干道>次干道>支路的特征。道路積塵負荷與24 h平均車流量呈明顯負相關,隨著24 h平均車流量的減少積塵負荷逐漸遞增;平均車重與積塵負荷沒有明顯的線性關系,積塵負荷最低的主干道上平均車重最大,而平均車重接近的次干道和支路的積塵負荷值差異較大,表明平均車重可能不是影響道路積塵負荷的主控因素。因此,車流量可能是影響渭南市城市道路積塵負荷主要原因之一,且道路積塵負荷隨著24 h平均車流量的增大而降低。

圖4 道路積塵負荷與不同類型道路平均車重、車流量的關系Fig.4 Relationship between road dust load and average vehicle weight and traffic volume of different types of roads

2.3.2 不同類型道路抑塵方式

清掃、灑水和沖水等手段是降低道路積塵負荷的普遍方法[31?35]。渭南市常用的道路抑塵方式是清掃,具體為大功率、多類型、清掃面積大的大型清掃機械負責主干道、次干道及城市出入口,小型清掃機械負責支路進行道路清潔的作業模式。為研究主干道、次干道和支路抑塵方式與道路積塵負荷的關系,在主干道、次干道和支路各選一條代表性路段進行統計分析。根據道路抑塵作業的時間,分別在早、中、晚對3條道路進行至少一次監測,保證結果的有效性。各道路清掃方式、時間和頻次如表2所示。

表2 代表性道路抑塵方式及作業頻次Table 2 Typical road dust suppression methods and operation frequency

由表2可見,渭南市城區主干道(樂天大街)、次干道(三賢路)和支路(恒通北路)的清掃方式和機械化水平明顯不同。其中,樂天大街和三賢路代表的主、次干道的機械化清掃率、濕法作業頻次等較高,均采用“一沖、二灑、三清掃”的機械組合作業,有效發揮了除塵、增濕的效果,積塵負荷值低于支路;但次干道三賢路的積塵負荷明顯高于主干道樂天大街,結合2.3.1節分析結果可進一步說明車流量是影響積塵負荷大小的主要因素。以恒通北路為代表的支路主要以人工清掃和小型機械洗掃的方式為主,相比主次干道其機械化清掃水平較低,一次作業涉及的道路寬度及范圍較小,道路清掃所需時間更長、清掃頻率較低,并且小型機械洗掃車清潔力度較低,不能完全將道路表面的積塵去除,導致道路積塵監測值較高。因此,為有效降低支路積塵負荷,建議改進完善清掃工藝,對具體路段進行靶向管控,合理加大機械清掃率和濕法作業頻次,進行高壓沖洗和吸塵,避免積塵被車輛碾壓揚起,形成二次污染。

2.4 灑水抑塵效果評估

道路灑水是渭南市道路揚塵管控最常用抑塵方式。為了評估灑水抑塵效果,根據渭南市道路抑塵相關方案,選擇了主干道、次干道和支路等9條路段作為監測路線,在灑水作業前、灑水作業后30 min以及灑水后道路完全干燥(道路干燥水平根據現場氣象條件進行實際判定,本研究中為灑水后1 h左右)3種情景下開展道路積塵負荷走航監測。

由表3可見,灑水前道路積塵負荷平均值為2.19 g·m?2,灑水后30 min道路積塵負荷為0.46 g·m?2,降塵效果較明顯;除朝陽大街和解放路灑水后積塵負荷改善幅度略小外,其他道路灑水后積塵負荷降幅均較大,降幅在78.7%～94.4%。道路灑水后1 h(路面干燥)的大部分道路的積塵負荷相比灑水前仍有所降低,積塵負荷平均值降低了21.9%;倉程路和渭花路積塵負荷較灑水前略有反彈,主要與其部分路段路面破損和鄉村道路等非鋪裝道路交叉有關,非鋪裝道路的塵土易隨車輛帶上倉程路和渭花路。

表3 灑水抑塵效果對比監測Table 3 Comparative monitoring of dust suppression effect by water spraying

對比各道路灑水后30 min和道路灑水后1 h(路面干燥)的積塵負荷可知,灑水降低道路積塵負荷效果明顯,但是降塵效果保持時間較短,各道路路面干燥后積塵負荷反彈嚴重。說明灑水只能暫時性壓制道路表面浮塵,應采取加大高壓沖洗和吸塵等的作業方式,有效減低道路浮土和積塵,降低道路積塵負荷,減輕道路揚塵問題。

3 結論

1)渭南市秋季道路積塵負荷平均值(1.13 g·m?2)處于較高水平,支路積塵負荷平均值最大(1.79 g·m?2),國道平均積塵負荷最小(0.71 g·m?2);渣土車路線的道路積塵負荷為1.52 g·m?2,高出城區道路積塵負荷平均值34.51%;以支路和次干道為主的學校周邊道路積塵負荷在四大功能區中最高。

2)各類道路慢車道積塵負荷均高于快車道,其中快車道積塵負荷平均值為1.41 g·m?2,慢車道積塵負荷平均值為2.38 g·m?2,慢車道積塵負荷平均值高于快車道68.66%,說明車速明顯影響積塵負荷,車速越大積塵負荷越小。

3)車流量是影響渭南市城市道路積塵負荷重要原因,道路積塵負荷隨著24 h平均車流量的增大而降低;平均車重與積塵負荷沒有明顯的線性關系,車重可能不是影響道路積塵負荷的主控因素。

4)各類型道路中支路積塵負荷值最高,與其抑塵機械化率和清掃頻次較低有關,需進一步加大機械清掃和濕法除塵力度,進行靶向管控。

5)灑水前道路積塵負荷平均值為2.19 g·m?2,灑水后30 min道路積塵負荷值降低了79.0%,待路面干燥后僅比灑水前降低了21.9%,說明灑水對降低道路積塵負荷的效果明顯,但是保持時間較短,路面干燥后積塵反彈嚴重。建議改變重灑水弱清掃的作業模式,重點關注清掃除塵,提高道路揚塵清掃效果,系統評估治理措施采取前后的道路積塵負荷值,量化評估道路揚塵污染與治理情況。