李 冬，薛占剛，劉善文，高 健，朱健忠，李賢芳，陳建華

1. 中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

2. 傲藍(lán)得環(huán)境科技有限公司，河南 鄭州 451482

3. 山東諾方電子科技有限公司，山東 濟(jì)南 250001

4. 暨南大學(xué)環(huán)境與氣候研究院，廣東 廣州 511436

道路揚(yáng)塵是指道路上的積塵在外力(自然風(fēng)力、人力等)作用下進(jìn)入環(huán)境中形成的大氣污染物,主要來源于城市裸地、渣土車運(yùn)輸引起的散落塵、大氣降塵等[1]. 研究[2-4]表明，道路揚(yáng)塵對(duì)城市大氣環(huán)境PM10濃度的貢獻(xiàn)為40%～75%. 道路揚(yáng)塵中富含多種重金屬和多環(huán)芳烴等成分，對(duì)人體健康具有嚴(yán)重危害[5-7].近年來，道路揚(yáng)塵因其顆粒物貢獻(xiàn)大、污染源多、影響人體健康等特點(diǎn)而被廣泛關(guān)注[8-10].

統(tǒng)籌落實(shí)城市道路保潔工作、從源頭控制道路揚(yáng)塵成為地方政府大氣污染治理的工作目標(biāo). 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)道路揚(yáng)塵排放的檢測(cè)方法[11-16]、空間分布特征[17-18]、來源解析[19-21]、排放清單[22-23]和人體健康效應(yīng)[24-25]等開展了大量研究，但關(guān)于不同保潔工藝的路面積塵控制效率評(píng)估、保潔工藝實(shí)施后道路揚(yáng)塵濃度變化規(guī)律及控制的研究較為鮮見[26].

鄭州市是京津冀及周邊地區(qū)“2+26”城市大氣污染的重點(diǎn)研究區(qū)域. 該研究以鄭州市為研究對(duì)象，采用激光顆粒物傳感器對(duì)鄭州市典型道路的積塵負(fù)荷和道路揚(yáng)塵濃度進(jìn)行了測(cè)定，計(jì)算了城市道路揚(yáng)塵控制效率，分析了典型濕式保潔工藝實(shí)施后揚(yáng)塵濃度的變化規(guī)律，以期為鄭州市及其他城市精準(zhǔn)治理道路揚(yáng)塵提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

該研究采用山東諾方電子科技有限公司生產(chǎn)的道路積塵-揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用基于光散射原理的四核顆粒物傳感器感，能夠通過4個(gè)子傳感器的數(shù)據(jù)交叉校驗(yàn)實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)識(shí)別來保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性. 當(dāng)1個(gè)子傳感器數(shù)據(jù)與另外3個(gè)子傳感器的數(shù)據(jù)差異明顯時(shí)，通過集成算法判斷傳感故障. 用剩余3個(gè)子傳感器的平均值來代替整個(gè)傳感器輸出數(shù)據(jù)，消除了傳感器故障產(chǎn)生的無效數(shù)據(jù).

道路積塵監(jiān)測(cè)設(shè)備通過北京市計(jì)量檢測(cè)科學(xué)研究院的校準(zhǔn)，并取得《道路積塵負(fù)荷監(jiān)測(cè)儀》校準(zhǔn)證書，示值誤差小于±15%，符合相關(guān)技術(shù)要求規(guī)范. 道路積塵監(jiān)測(cè)設(shè)備終端核心是自主研發(fā)的SDM908-SE工業(yè)級(jí)監(jiān)測(cè)儀，對(duì)道路表面積塵揚(yáng)起的可懸浮顆粒物(TSP)濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè). 標(biāo)定過程嚴(yán)格遵循《城市揚(yáng)塵污染防治技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 393-2007)規(guī)定的人工取樣方法進(jìn)行TSP和積塵負(fù)荷數(shù)據(jù)之間的標(biāo)定轉(zhuǎn)換，最終得出積塵負(fù)荷值，經(jīng)實(shí)測(cè)標(biāo)定后TSP與積塵負(fù)荷的相關(guān)系數(shù)大于0.9.

道路揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)設(shè)備采用一款快裝式的環(huán)境空氣連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)微站，可集成監(jiān)測(cè)PM2.5、PM10、TSP等指標(biāo)，數(shù)據(jù)終端核心是自主研發(fā)的SDS019-TRF顆粒物傳感器，傳感器已通過CPA (中華人民共和國(guó)計(jì)量器具批準(zhǔn)證書)、CE (符合歐盟《技術(shù)協(xié)調(diào)與標(biāo)準(zhǔn)化新方法》指令的基本要求)、FCC (電子、電氣產(chǎn)品的電磁兼容性符合美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)認(rèn)證要求)、RoHs(電子、電氣產(chǎn)品中所含6種有害物質(zhì)符合歐盟標(biāo)準(zhǔn)上限濃度)，單臺(tái)設(shè)備時(shí)間分辨率為3 s，定位精度高于10 m.

1.2 數(shù)據(jù)的獲取

該研究采用道路積塵-揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)道路積塵負(fù)荷和道路揚(yáng)塵排放數(shù)據(jù). 通過調(diào)研獲取試驗(yàn)路段及保潔作業(yè)情況. 保潔工藝根據(jù)其特點(diǎn)可分為干式作業(yè)(如干掃收邊、干式吸塵等)、濕式作業(yè)(如洗掃收邊、灑水、高壓沖洗等)和混合作業(yè)(指兩種及以上保潔工藝綜合施用的作業(yè)情況).

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

道路揚(yáng)塵控制效率計(jì)算公式：

式中：η表示道路揚(yáng)塵控制效率，%；sLbefore表示道路在未采取保潔措施前的積塵負(fù)荷，g/m2；sLafter表示道路在采取保潔措施后的積塵負(fù)荷，g/m2.

1.4 研究方法

1.4.1道路揚(yáng)塵控制效率研究方法

于2020年10月-2021年2月，采用道路積塵-揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)不同保潔工藝作業(yè)前、后的積塵負(fù)荷和道路揚(yáng)塵進(jìn)行測(cè)定. 為減少外界環(huán)境干擾和保證對(duì)同一道路復(fù)測(cè)的時(shí)間有效，選取車流量較少且相鄰的道路為試驗(yàn)對(duì)象. 在新老城區(qū)選取的監(jiān)測(cè)路段如圖1所示，包括鄭州市南四環(huán)路、紫荊山南路、京深線和中州大道等，涵蓋的道路類型包括快速路、主干道和次干道. 分別測(cè)定保潔工藝實(shí)施前、后路面上的積塵負(fù)荷，各路段及不同工藝的測(cè)試頻次不少于2次，復(fù)測(cè)時(shí)間間隔盡可能控制在1～2 h內(nèi). 檢測(cè)期間同時(shí)記錄環(huán)境溫度和相對(duì)濕度.

圖1 監(jiān)測(cè)路段示意Fig.1 Schematic diagram of the monitoring roads

1.4.2道路揚(yáng)塵變化規(guī)律及控制研究方法

濕式作業(yè)是城市常用的控塵或抑塵方法，該研究監(jiān)測(cè)濕式作業(yè)后干燥后3 h內(nèi)道路揚(yáng)塵濃度變化，以掌握濕式作業(yè)效果持續(xù)的時(shí)間. 路面干燥時(shí)間由儀器內(nèi)置濕度傳感器確定. 為研究不同灑水量對(duì)道路揚(yáng)塵控制的效果，于2020年11月18日-12月11日以宇通路為研究對(duì)象研究不同灑水模式對(duì)道路揚(yáng)塵控制的影響，分為“后灑”(大水量保濕作業(yè)且肉眼觀測(cè)路面有明顯積水)和“后噴霧”(小水量保濕作業(yè))兩種試驗(yàn)情景. 試驗(yàn)期間采用宇通路固定微站和十八里河標(biāo)準(zhǔn)站的監(jiān)測(cè)結(jié)果相互對(duì)比檢校以排除試驗(yàn)的偶然性. 試驗(yàn)期間保證濕式作業(yè)頻次不變，日平均作業(yè)時(shí)間間隔為2～3 h.

2 結(jié)果與討論

2.1 道路揚(yáng)塵控制效率研究

2.1.1保潔工藝實(shí)施后不同時(shí)間內(nèi)道路揚(yáng)塵控制效率的變化規(guī)律

在保潔工藝作業(yè)后，按不同時(shí)間間隔測(cè)定道路積塵負(fù)荷值，按式(1)計(jì)算道路揚(yáng)塵控制效率并取平均值，得到道路揚(yáng)塵控制效率與保潔時(shí)間的關(guān)系如圖2所示. 由圖2可見，道路揚(yáng)塵控制效率與保潔時(shí)間的皮爾森相關(guān)系數(shù)(r)約為-0.75，表明擬合程度較好，剩余25%的擬合差異受道路車流量、城市自然風(fēng)速變化、道路積塵量不均勻等綜合因素的影響.p值通過0.05顯著性水平，表明由于偶然性造成擬合差異的概率較小，具備統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.

圖2 保潔工藝實(shí)施后不同時(shí)間內(nèi)道路揚(yáng)塵控制效率的變化規(guī)律Fig.2 Time series changes of road dust control efficiency after various cleaning measures

由圖2可見：道路揚(yáng)塵控制效率隨保潔時(shí)間的增長(zhǎng)呈顯著下降趨勢(shì)，在采取保潔作業(yè)后1 h內(nèi)，各保潔工藝的道路揚(yáng)塵控制效率為23%～47%；在1～2 h內(nèi)，道路揚(yáng)塵控制效率為20%～40%；在2～2.5 h內(nèi)，道路揚(yáng)塵控制效率為5%～27%；3 h后，路面積塵恢復(fù)原有水平. 結(jié)果表明，1 h內(nèi)各保潔工藝對(duì)道路揚(yáng)塵的控制效率均較為顯著，2 h后控塵效果逐漸減弱，3 h后控塵效果甚微. 實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，保潔工藝實(shí)施后，車輛引入的新積塵會(huì)導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)路面積塵負(fù)荷增加. 研究[27]表明，道路積塵會(huì)被沖刷至道路兩側(cè)，在行駛車輛的帶動(dòng)下積塵會(huì)再次返回路面. 綜上，城市相關(guān)部門在進(jìn)行道路揚(yáng)塵治理時(shí)，各種保潔工藝在某一路段的工作時(shí)間間隔應(yīng)控制在1～2 h之間. 除塵和抑塵作業(yè)應(yīng)配套進(jìn)行，清理路面積塵要更加徹底.此外，相關(guān)職能部門應(yīng)嚴(yán)格運(yùn)輸管理，降低物料撒落.運(yùn)輸車輛進(jìn)出工地要沖洗輪胎，防止泥沙上路.

2.1.2環(huán)境溫度和相對(duì)濕度對(duì)道路揚(yáng)塵控制效率的影響

環(huán)境溫度和相對(duì)濕度可能是影響道路揚(yáng)塵排放的因素. 該研究試驗(yàn)期間環(huán)境溫度的變化范圍為1～20 ℃，相對(duì)濕度的變化范圍為20%～84%. 道路揚(yáng)塵控制效率隨環(huán)境溫度和相對(duì)濕度變化關(guān)系如圖3所示. 由圖3可見：道路揚(yáng)塵控制效率與環(huán)境溫度呈弱負(fù)相關(guān)，與相對(duì)濕度呈弱正相關(guān)，其皮爾森相關(guān)系數(shù)(r)分別為-0.20和0.19 (p均小于0.05).道路揚(yáng)塵排放受環(huán)境溫度、相對(duì)濕度的影響，且受環(huán)境溫度影響更強(qiáng). 日氣溫較高時(shí)，會(huì)加速路面水分蒸發(fā)，進(jìn)而導(dǎo)致濕式作業(yè)后的控制效率較低. 由圖3可見，當(dāng)環(huán)境溫度大于9 ℃時(shí)，平均揚(yáng)塵控制效率低于0，表明此時(shí)應(yīng)適當(dāng)加大保潔措施的頻次.較高的相對(duì)濕度有利于延緩保潔工藝控制積塵的效果，然而由于試驗(yàn)時(shí)間處于鄭州市秋冬季，無高濕(相對(duì)濕度＞90%)情況，若出現(xiàn)高濕情況時(shí)，應(yīng)適當(dāng)減少濕式作業(yè)等保潔工藝頻次，以避免顆粒物的吸濕增長(zhǎng).

圖3 道路揚(yáng)塵控制效率隨溫度和相對(duì)濕度的變化情況Fig.3 Relationship between dust control efficiency and temperature and relative humidity

2.1.3不同保潔工藝的道路揚(yáng)塵控制效率

分析各類型保潔工藝在實(shí)施后1 h內(nèi)的道路揚(yáng)塵控制效率，結(jié)果如圖4所示. 由圖4可見，混合作業(yè)在1 h時(shí)的道路揚(yáng)塵控制效率(37%～51%)最高，濕式作業(yè)的道路揚(yáng)塵控制效率 (11%～48%)次之，干式作業(yè)的道路揚(yáng)塵控制效率(5%～19%)最低. 結(jié)果表明，混合作業(yè)和濕式作業(yè)對(duì)城市道路揚(yáng)塵治理的效果更好，原因在于各類保潔工藝的除塵和抑塵能力不同. 混合作業(yè)綜合各種濕式或干式工藝，清掃更徹底，抑塵時(shí)間更長(zhǎng)；濕式作業(yè)通過灑水方式使抑塵時(shí)間較長(zhǎng)，但除塵效果并不如混合作業(yè)；干式作業(yè)僅能除去路面較大粒徑的塵土，卻無水抑塵，所以控制效率最低.

圖4 不同類型道路保潔工藝的道路揚(yáng)塵控制效率Fig.4 Road dust control efficiency of different types of cleaning measures

目前，評(píng)估保潔工藝積塵控制效率的研究較少，彭康[28]基于路面吸塵測(cè)定積塵負(fù)荷的方式評(píng)估了珠三角地區(qū)“水洗+清掃”保潔工藝的路面積塵控制效率為30.4%～78.7%(平均值為61%)，與筆者研究結(jié)果一致，說明混合保潔工藝的路面積塵控制效率較高，但尚不能完全控制揚(yáng)塵.

對(duì)試驗(yàn)路段同一作業(yè)模式(洗掃收邊)在1 h內(nèi)的揚(yáng)塵控制效率分析發(fā)現(xiàn)，洗掃收邊作業(yè)對(duì)紫荊山南路北段、中州大道等路段的道路揚(yáng)塵控制效率較高(見圖5). 紫荊山南路北段積塵較多，中州大道為物流通道，行駛的大貨車較多、路面有破損，導(dǎo)致路面積塵較多. 這說明該保潔工藝對(duì)積塵污染較重路段的積塵改善效果更明顯. 由于金港大道、亳都路和新港大道等道路為老城區(qū)道路，所以保潔前后道路積塵改善效果較小，導(dǎo)致?lián)P塵控制效率較低. 而其中一些路段的車流量較大，會(huì)夾帶塵土或排放尾氣顆粒物使路面積塵重新恢復(fù)或略超過原有水平，導(dǎo)致?lián)P塵控制效率為0或負(fù)值. 因此，應(yīng)加強(qiáng)主要干道的養(yǎng)護(hù)和清洗，落實(shí)好城市綠化工作，避免綠化帶成為揚(yáng)塵積累灰沙帶. 應(yīng)了解和掌握城市道路的污染狀況，對(duì)污染較重路段實(shí)施混合保潔工藝.

圖5 基于不同路段的道路揚(yáng)塵控制效率分析Fig.5 Analysis of road dust control efficiency on different roads

2.2 濕式作業(yè)實(shí)施后道路揚(yáng)塵濃度變化規(guī)律及其控制效果

2.2.1濕式作業(yè)路面干燥后道路揚(yáng)塵變化規(guī)律

鄭州市普遍采用濕式保潔工藝控制道路揚(yáng)塵. 濕式作業(yè)路面干燥后道路積塵負(fù)荷值和揚(yáng)塵濃度隨路面干燥后的時(shí)間變化規(guī)律如圖6所示. 由圖6可見：道路積塵負(fù)荷與揚(yáng)塵濃度的變化規(guī)律呈較好的一致性，在濕式作業(yè)路面干燥后約1 h內(nèi)道路積塵和道路揚(yáng)塵均得到有效控制，積塵負(fù)荷和道路揚(yáng)塵濃度平均值的變化規(guī)律較為穩(wěn)定且呈下降趨勢(shì)；濕式作業(yè)路面干燥1.1 h后，道路積塵和揚(yáng)塵濃度平均值均發(fā)生顯著變化，濕式作業(yè)對(duì)道路積塵和揚(yáng)塵的控制效果減弱.

圖6 道路積塵負(fù)荷和揚(yáng)塵濃度隨路面干燥后的時(shí)間變化規(guī)律Fig.6 Variation of the silt loading and dust concentrations with time after road surface drought

2.2.2濕式作業(yè)灑水量對(duì)道路揚(yáng)塵濃度變化的影響

分別采用“后灑”和“后噴霧”兩種作業(yè)模式進(jìn)行道路揚(yáng)塵控制試驗(yàn)，并將2個(gè)試驗(yàn)獲得的道路揚(yáng)塵濃度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7所示. 由圖7可見：“后灑”作業(yè)期間，道路揚(yáng)塵濃度較低，變化趨勢(shì)平緩且穩(wěn)定，表明日常灑水抑塵措施能取得良好的保潔效果；“后噴霧”作業(yè)期間，道路揚(yáng)塵濃度在11:00-12:00(午高峰)以及17:00后(晚高峰)出現(xiàn)高值. 筆者研究結(jié)果與任建寧等[27]在渭南市研究的道路環(huán)境顆粒物污染物特征結(jié)果近似，其發(fā)現(xiàn)高峰時(shí)段機(jī)動(dòng)車加速、減速、怠速轉(zhuǎn)換頻繁，導(dǎo)致道路環(huán)境空氣擾動(dòng)強(qiáng)烈，當(dāng)?shù)缆酚不实图奥访鎵m土較多時(shí)，極易造成道路揚(yáng)塵濃度升高. 而秦孝良等[29]在濟(jì)南市的研究顯示，道路環(huán)境顆粒物在早高峰和夜間(21:00-翌日02:00)排放濃度較高，推測(cè)可能與夜間柴油車運(yùn)輸和工地施工的顆粒物排放有關(guān). 與其相比，宇通路為非夜間車輛行駛的主要道路，清晨時(shí)段車流量相對(duì)較少，且周邊未發(fā)現(xiàn)施工工地.

圖7 濕式作業(yè)中“后灑”和“后噴霧”作業(yè)模式下道路揚(yáng)塵濃度變化Fig.7 Variations of road dust concentrations under‘post-scattering’ and ‘post-spraying’ operation modes in wet cleaning measures

該研究消除2次試驗(yàn)中環(huán)境背景的PM10濃度，對(duì)比宇通路固定微站和十八里河標(biāo)準(zhǔn)站在“后灑”試驗(yàn)和“后噴霧”試驗(yàn)中的道路揚(yáng)塵濃度，發(fā)現(xiàn)兩站點(diǎn)采用“后灑”方式可使揚(yáng)塵控制效率分別提高約28%和36%， “后灑”措施能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)道路揚(yáng)塵排放的有效控制，而“后噴霧”措施控塵效果較差. 道路揚(yáng)塵濃度在午高峰和晚高峰時(shí)段排放較為明顯，主要受城市午高峰和晚高峰期間車流量較大的影響. 從環(huán)衛(wèi)部門角度看，為有效治理冬季道路揚(yáng)塵，鄭州市在5 ℃以上(防止局部道路結(jié)冰)時(shí)宜適當(dāng)加大午高峰和晚高峰時(shí)段的“后噴霧”作業(yè)頻次、增加日常干式除塵作業(yè)頻次.

3 結(jié)論

a)道路揚(yáng)塵控制效率受保潔工藝時(shí)間、環(huán)境溫度和相對(duì)濕度影響. 1 h內(nèi)道路揚(yáng)塵控制效率的平均值為23%～47%；在1～2 h內(nèi)，道路揚(yáng)塵控制效率為20%～40%；在2～2.5 h內(nèi)，道路揚(yáng)塵控制效率為5%～27%；3 h后，路面積塵基本恢復(fù)到原有水平. 道路揚(yáng)塵控制效率與環(huán)境溫度和相對(duì)濕度均呈弱相關(guān)性，受環(huán)境溫度影響稍明顯，且當(dāng)環(huán)境溫度大于9 ℃時(shí)，道路揚(yáng)塵控制效率的平均值為負(fù).

b)不同類型保潔工藝在1 h時(shí)的揚(yáng)塵控制效率表現(xiàn)為混合作業(yè)的道路揚(yáng)塵控制效率 (37%～51%)最高，濕式作業(yè)的道路揚(yáng)塵控制效率 (11%～48%)次之，干式作業(yè)的道路揚(yáng)塵控制效率 (5%～19%)最低.各保潔工藝對(duì)積塵污染較重路段的積塵改善效果最佳.

c)濕式作業(yè)路面干燥后約1 h內(nèi)道路積塵和揚(yáng)塵濃度均得到有效控制，二者平均值變化穩(wěn)定且呈下降趨勢(shì). 冬季降低灑水量對(duì)道路揚(yáng)塵控制效果較差.

d)從道路揚(yáng)塵的源頭治理角度，相關(guān)職能部門應(yīng)嚴(yán)格運(yùn)輸管理，降低物料撒落；運(yùn)輸車輛進(jìn)出工地要沖洗輪胎，防止泥沙上路；加強(qiáng)主要干道的養(yǎng)護(hù)和清洗，落實(shí)好城市綠化工作. 從道路揚(yáng)塵的末端治理角度，環(huán)衛(wèi)部門應(yīng)了解和掌握城市道路污染狀況，對(duì)污染較重路段實(shí)施混合保潔工藝；實(shí)施各種保潔工藝的時(shí)間間隔應(yīng)控制在1～2 h為宜，除塵和抑塵作業(yè)應(yīng)配套進(jìn)行. 對(duì)于冬季，環(huán)衛(wèi)部門宜在5 ℃以上(防止局部道路結(jié)冰)時(shí)適當(dāng)加大午高峰和晚高峰時(shí)段的“后灑”和“后噴霧”作業(yè)頻次，并增加日常干式作業(yè)頻次.