中国城市道路扬尘污染研究
摘要：中国城市空气颗粒物污染严重，城市铺装道路扬尘已成为城市环境空气颗粒物的重要来源之一。从城市道路尘的来源、监测评估、化学组分构成、道路尘对空气颗粒物贡献的评估及治理措施等方面进行了分析探讨，展望了今后城市道路尘控制的研究方向。
关键词：城市道路 道路积尘 扬尘 排放因子
从20世纪初提出道路扬尘的问题[1] 到现在，道路扬尘污染对环境空气质量和人体健康的影响已日益受到研究人员的重视，也引起了环境管理部门的关注，将逐渐成为城市扬尘污染控制的重点之一。
道路扬尘，是指道路、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颗粒物。许多研究结果表明，道路扬尘是城市空气颗粒物的主要来源之一[2]。1990年初，上海市城区(354 km2)道路扬尘排放TSP的量约12.3万t[3]。北京市城区及近郊区(1040 km2)1999年颗粒物排放清单中，交通扬尘(包括道路扬尘和机动车尾气尘)排放的TSP为8.06万t，PM10为2.74万t，PM2.5为1.00万t，分别占相应粒径范围的空气颗粒物总排量的33.5％、25.7％和18.7％。
近年全国环境质量公报指出，我国340多个城市中有近2/3的空气颗粒物浓度超过国家二级标准，成为城市空气首要污染物。在消烟除尘、机动车尾气控制收效甚微的情况下，控制道路扬尘等开放源将成为城市空气颗粒物污染治理的重点之一。为此，开展针对道路尘基本物化特性、监测方法、控制标准、贡献评估技术、治理技术等方面的研究，对于改善城市环境空气质量具有重要的现实意义。
1 道路扬尘的主要来源
城市道路分为铺装道路和未铺装道路，一般前者占绝大部分。铺装道路尘的来源十分复杂，主要有：（1）邻近地区因风蚀、水蚀作用带来的泥沙与尘土；（2）机动车携带泥块、沙尘、物料等抖落遗撒等；（3）机动车行驶造成自身磨损与消耗（如轮胎、刹车垫的磨损，尾气净化装置的老化与消耗等）及尾气排放；（4）路面老化破损后被碾压形成的颗粒物；（5）冰雪天气施洒沙粒及盐水形成的颗粒物；（6）生物碎屑，如枯枝落叶，草坪、树木修剪时遗留的碎屑，经过干燥、碾压形成颗粒物；（7）废物丢弃、泼洒，如烟蒂、纸屑等垃圾；（8）大气降尘。未铺装道路尘则主要是道路自身破损形成的。
2 道路尘污染研究现状
2.1 道路尘监测
道路尘监测是道路尘研究的基础，包括道路尘监测参数选择及其监测方法的设计等。通常，衡量道路起尘能力的指标是道路尘排放因子。排放因子是一特征值，它反映排污活动与污染物排放量之间的关系，一般表示为单位质量、单位体积、单位距离、单位时间内排放的污染物的质量。许多研究认为，道路尘排放跟道路积尘负荷及道路上行使车辆的平均重量有密切关系。因此，监测这些参数，可得到道路扬尘的排放因子。
2.1.1 道路积尘量的测定
道路积尘量指单位面积路面上某一粒径范围内的颗粒物的重量，几何粒径75 µm以下的积尘量称为积尘负荷。我国目前尚无道路积尘量测定的标准方法，测定工作常根据美国EPA的AP-42手册中的方法进行。铺装道路尘一般用真空吸尘器吸取，未铺装道路尘则用扫帚或刷子扫取。道路积尘量根据道路类型的不同而产生差异。城市道路按照功能，可划分为快速路、主干道、次干道和支路。道路积尘量典型值应当反映这种道路的特征。2003—2004年期间，笔者测定了石家庄、济南、青岛和邯郸等城市的铺装道路的积尘量（见表1）。从表1可看出，同一等级道路的积尘量差异较大，不同等级道路的积尘量平均值也有显著的区别，非机动车道的积尘量普遍高于同一等级的机动车道，快速路与支路的积尘量大体上高于主干道和次干道。
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| 表1 四城市不同等级道路的积尘量监测值 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
另外，也有研究人员对城市进行分区，测定各分区内部的道路积尘量。例如，北京市道路积尘负荷在环线上约为5.0 g/m2，二环以内为6.6 g/m2，二三环之间为8.7 g/m2，三四环之间为11.4 g/m2，支路为22.0 g/m2，受市政施工影响的路段高达180 g/m2[4]。张承中等[4]报道了西安市城区道路积尘量，为150~300 g/m2。道路积尘量随季节发生变化，许多地区冬春季节积尘量较大，而夏秋季节则较少。
2.1.2 道路尘排放因子的测算
道路尘是环境空气中颗粒物的重要来源之一。许多研究指出，道路尘排放因子的影响因素包括跟道路尘有关的密度、含湿量、粒径分布、积尘负荷等；与机动车有关的车重、车速、车流量和路况等；与气象条件有关的风速、降水等。这些因素都影响道路尘排放因子的测算，因此需结合实际情况找出主要影响因素。
道路扬尘排放因子的测定方法主要有：(1)Upwind—downwind法，在测试路段的两侧，即上风向(Upwind)和下风向(Downwind)，立体设置采样点，测定机动车经过时上下风向的颗粒物浓度差。根据车速、车重、风速、风向、道路积尘量、颗粒物浓度差等参数，采用一定的数学处理方法，得到排放因子与各参数之间的经验公式。Dyck等[5]及后续许多研究者采用此法测定道路扬尘的排放因子，成为一种基本的方法；(2)隧道法，在隧道入口和出口附近设置采样点，测定两者之间的颗粒物浓度差，然后根据车流量、车速、车重、道路积尘量、稀释比等参数计算交通尘排放因子。实际上，该法得到的排放因子包括道路扬尘和机动车尾气两部分，因此道路扬尘排放因子将被高估，除非采用电动机动车进行测定；(3)车载实时浓度差法，在试验机动车的车身前后两处设置采样器或传感器，根据两者之间的颗粒物浓度差或信号差以及颗粒物烟羽扩散规律等计算道路尘排放因子。该法在车辆实际行使工况条件下测定道路尘排放因子，因而认为比较真实。Fitzz等[6]和Etyemeziana等[7]均设计类似的方法测定排放因子，被认为是比较符合实际的新方法，具有较大的优越性；(4)室内模拟方法，将机动车或类似汽车行驶的装置在封闭的空间中运动，测定室内的颗粒物浓度，进而计算道路尘的排放因子。
国内开展道路扬尘排放因子的研究，主要采用Upload—download法和隧道法。Ji等[3]曾对上海市内几条不同性质和积尘负荷的铺装道路进行测定，得到单一车辆的道路尘排放系数经验公式：
E = 0.000501V0.823u0.139()
式中：E为道路尘排放因子(kg/ km)；V为车速(km/h)；u为风速(m/s)；W为平均车重(t)。
张承中等[4,8]以电厂灰替代道路尘进行正交试验，并建立“半圆柱”扩散模型，得到速度为30 km/h时，以车轮数目和道路粉尘负荷为变量的单辆机动车的道路尘排放因子计算公式。但以电厂灰模拟道路积尘，忽视了道路尘与电厂灰之间重要的物化特性差异。道路尘主要来自地壳物质颗粒，中位粒径、密度都比电厂灰大，不易起尘和扩散，致使测定的排放因子偏大。另外“半圆柱”模型未考虑颗粒物的沉降特性，认为颗粒物在各方向上均匀梯度扩散，这也将高估道路尘排放因子。中国环境科学研究院等单位在潭峪沟隧道试验获得路尘负荷与交通扬尘排放因子间的数学关系，并依此计算北京市建成区的各种道路交通扬尘的排放因子，但它实际上包括道路扬尘和机动车尾气尘两部分。
2.2 道路尘化学组成
道路尘的化学组成也受到人们的关注，主要包括元素、重金属、离子、有机物等。许多研究表明，道路尘大部分来自于土壤风沙尘。2002—2003年期间，笔者对太原、石家庄、邯郸、焦作、乌鲁木齐等城市的道路积尘和土壤尘(空气动力学直径均小于10 μm) 的20余种化学组分进行分析，包括19种元素、2种碳组分和4种离子，各组分的质量分数见表2。对照道路尘和土壤尘的化学组分含量，可以发现道路尘中Si的含量普遍低于土壤尘，Ca、TC、OC等组分普遍高于土壤尘，发生了富集。另外，Cu、Zn、Pb等重金属相对于土壤尘也发生了富集。其它组分则没有明显的规律。这些结果与Ho等[9]及Chow等[10]分别对香港和美国的铺装道路尘的分析结果一致。由于机动车排放多环芳烃(PAHs)等有机物，道路尘中的有机物，特别是PAHs，也引起研究人员的关注。尤明刚等[11]对广州和香港两地的隧道烟尘、道路尘及下水道积尘中的有机物进行了比较分析，发现广州的道路尘和下水道积尘中含有丰富的菲及其烷基化多环芳烃，而香港的道路尘和下水道积尘中低分子量多环芳烃缺失，含硫多环芳烃则丰度较高。随着机动车尾气净化装置逐步普及，国内学者开始注意到道路尘中稀有金属(如铂系金属Pt、Rh、Rd等)的重要影响，但尚未开展研究。
表2 国内若干城市道路尘化学组分的质量分数
2.3 道路尘对空气颗粒物贡献的评估
研究道路扬尘对环境空气颗粒物的贡献是对道路扬尘所造成的颗粒物浓度或排放量的定量化过程。道路扬尘对空气颗粒物贡献，主要有以下一些研究方法。
2.3.1 排放清单法
通过计算每一个具体排放口、线源、面源、体源等的排放量，然后统计各类空气颗粒物排放源的排放量，这样可以得到包括道路尘在内的各类排放源的贡献量(t/a)以及相应的分担率(％)。美国、加拿大、澳大利亚等国均采取这种方法。中国环境科学研究院对1999年北京市的颗粒物排放清单作了测算，发现交通扬尘贡献量和分担率都很大。李悦红等[12]将其他城市的道路尘排放因子按道路等级估算上海市闵行区道路尘的年排放量。何建等[13]估算了成都市包括道路扬尘在内的各种扬尘的排放清单。后两者未测定当地道路尘排放因子，排放量计算所依据的公式亦不严谨。
2.3.2 受体模型解析法
受体模型是解决污染物来源贡献大小的重要方法。道路扬尘作为一种重要的颗粒物来源，有时也被纳入到受体模型(如CMB，PCA，PMF等模型)之中解析计算。道路扬尘对路边受体点浓度以及生态良好地区(如峡谷)区域浓度进行分担率解析是可行的，因为此时道路扬尘对它们影响程度足够大，远远超过了类似的土壤风沙尘等。但它作为一类单独的排放源对城区范围进行解析的案例很少见，因为它与土壤尘无法准确区分。有学者尝试用二重源解析法将道路尘作为一种颗粒物排放源，纳入到CMB受体模型中对太原市整体空气颗粒物浓度进行来源解析，得到的结果认为道路尘是重要的颗粒物来源，但其解析过程仍然存在明显的不足之处。
2.3.3 浓度差法
浓度差法是根据道路扬尘的主要特性来计算的。该法认为，道路扬尘绝大部分是PM2.5，受重力影响较大，容易沉降，因而垂直扩散范围较小；另一方面机动车尾气尘90％以上为PM2.5，容易扩散。基于这一特点，有研究[14,15]将呼吸带高度(1.5~2.0 m)上的颗粒物浓度减去扬尘影响很小的高度(4~6 m)上的颗粒物浓度，得到所谓的道路扬尘的浓度。这种道路扬尘颗粒物浓度，大致反映了道路附近地区的道路扬尘浓度，尚缺乏严谨的理论和试验支持，也无法得知对整个城市环境空气颗粒物浓度的贡献大小。
2.4 道路尘治理措施
道路扬尘是城市扬尘的一种重要具体形式。对于颗粒物来说，道路尘既是源，又是汇，因此控制道路扬尘污染，一方面应设法减少路面积尘量，另一方面需对道路尘的源头加以控制。
道路积尘是道路扬尘的直接贡献者，积尘量越小则道路扬尘浓度越小。控制道路积尘量，应当从技术措施和控制标准双管齐下。从技术措施来看，有道路清扫、洒水冲刷、施洒路面稳定剂、路面硬化等。道路清扫分为人工清扫和机械清扫，前者效率很低，主要清除块状垃圾和较大的颗粒，对粒径小的颗粒物去除不足，也容易产生扬尘；后者包括普通刷扫、刷扫/真空吸尘、纯真空吸尘等，对道路积尘的去除效率逐渐提高。李钢等[16]通过模拟试验研究了一种国产真空吸尘清扫车对粒径为750 µm以下的颗粒物的清扫效率，发现对黄土、河砂、水泥等三种质地的颗粒物，其清扫效率超过90％。洒水可增加道路尘的含水量，从而抑制起尘，道路冲刷则直接冲洗道路积尘，使之随水流进入下水道等。但洒水冲洗频率和面积比例等重要参数仍需进一步研究。施洒路面稳定剂，可以固定道路积尘，使路面形成一定厚度的硬壳并保持一段时间。这些主要是针对未铺装道路。从控制标准而言，就是要制定道路积尘限值标准，对道路积尘进行达标控制。对快速路、主干道、次干道和支路等不同等级的道路设置积尘量限值标准，用以评估道路尘的治理效果。但我国目前道路清扫及洒水冲洗，是根据《城市环境卫生质量标准》、城市市容标准规定、城市容与环境卫生管理条例来实施的，其中尚无道路积尘控制的明确规定以及相应的评估标准和技术方法。
从源治理是道路尘控制的另一个重要方面。源头治理的目的是减小道路作为颗粒物的汇的作用，从而减少道路扬尘。科学合理地对道路进行绿化，采用草、灌木、乔木相结合的立体绿化方式，消灭裸露地面如树坑等，以减少风蚀和水蚀作用。加强施工工地和厂矿区管理，强化抑尘措施，特别是出入工地车辆，应实施封闭运输、车身清洗等措施，实行施工路段保洁制度。根据污染者付费以及谁污染谁治理等原则，建立健全空气颗粒物开放源管理制度，实行颗粒物排放收费制度。
3 道路扬尘污染研究展望
道路扬尘污染是我国城市扬尘污染的重要形式。我国对道路尘基本物化特性以及道路尘排放因子已经进行了较多的基础研究，但这仅仅是道路尘污染研究的开端，许多方面尚待深入研究：建立完整可行的道路尘监测程序和方法，为动态地掌握道路扬尘污染状况提供基础数据；制定道路积尘限值标准，强化城区各等级道路管理，实行道路积尘量达标管理；寻求科学合理的道路尘贡献评估技术，了解道路扬尘对城市空气污染的影响程度；积极开发道路尘控制和治理技术，开展技术效益评估研究，寻求最佳经济技术；建立空气颗粒物开放源管理和监督制度，探索并建立空气颗粒物排污收费机制，对包括工程建设、厂矿开发等在内的颗粒物排放行为征收排污费，通过经济手段对形成道路尘污染直接或间接行为加以约束。道路尘污染控制，是一项综合性的工程，需要系统地研究其来源及特性，采取包括工程机械、生态学、环境与经济管理等多方面的原理和技术才能稳妥进行，从而达到改善城市环境空气质量的目标。
参考文献
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