基于ap-42道路扬尘排放因子模型的道路粉尘负荷研究

基于ap-42道路扬尘排放因子模型的道路粉尘负荷研究

随着天津经济和社会的快速发展，天津汽车的拥有量日益增加。据调查，2002年至2010年，天津汽车总数从2002年的99万辆增加到2010年的179万辆。随着汽车负荷的增加，道路污染日益严重，道路灰尘对污染的贡献率越来越高。根据数据，天津市污染量最重要的颗粒为p10。2009年，产酸量为101.47g.3m，超过国家二级标准（gb3095-1996）的13.7%。运输灰尘对北京大气pm0的影响也非常显著。年平均贡献率为l6.60%，年平均贡献浓度为27.50g.3m。交通来源对环境的影响，尽管估计结果的值，且运输废物的总生量低于其他过程中排放的废物，但交通来源颗粒的排放高度相对较低，分布在交通线两侧和交叉口附近，接近人们密集而活动的地方，对空气和环境的影响更直接。因此，道路灰尘的污染引起了越来越多的关注。早在1968年,美国环境保护署(EPA)首次发表了《空气污染物排放因子汇编》(AP-42),并定期对其进行补充更新.其模型公式是在大量排放测试的回归分析的基础上得出的经验公式,提供了对区域范围的排放估算、具体设备的排放估算以及与周围空气质量相关的排放估算的计算模型及参数.近年来,美国等国外学者在交通道路扬尘污染方面也加强了研究.有研究表明,在美国加利福尼亚州铺装道路灰尘占PM10排放的65%,意大利米兰交通道路灰尘占PM10排放的27.1%.Kuhns等基于TRAKER(道路再卷起气溶胶的动力排放测试)方法研究了道路扬尘的排放和控制措施.国内多年来大多集中在道路扬尘颗粒物化学组分分析方面.直到近几年,才有学者对道路扬尘排放特性开展了初步研究.本研究针对城市空气颗粒物中交通道路扬尘来源颗粒物污染问题,以天津市道路扬尘为研究对象,通过大量的实测和统计数据,利用AP-42排放因子模型,计算天津市区各类型道路扬尘TSP、PM10和PM2.5的排放因子及排放强度,估算TSP、PM10和PM2.5的排放量,从多个层面分析了天津市道路扬尘的排放规律和特征,同时进行了天津市道路灰尘中PM10的空间分布的研究,以期为交通扬尘排放量估算与控制提供参考.1材料和方法1.1采样点布设和样品采集根据美国EPA的AP-42采样要求,依靠发电机提供电力,用飞利浦FC8224真空吸尘器在一定面积路面上吸取道路灰尘,放入样品袋并编号,同时记录地理位置、采样面积并观察交通流量等周围环境因素.根据天津市中心城区道路特点分4种道路类型选择具有代表性路段进行测定,布设采样点.其中,环线7条,主干路7条,次干路5条,支路6条(图1).1.2道路1.4排放因子美国环境保护署推荐应用AP-42方法收集道路扬尘,计算排放因子.路面尘的来源包括:降尘、车辆遗撒、车轮车身带泥、路面破损、轮胎磨损、生物残骸、道路施工和建筑施工等.影响排放因子的因素主要有路面尘负荷、粒度乘数和平均车重等,其中,路面尘负荷为单位面积上粒径小于200目(75μm)颗粒物的重量,排放因子的计算见式(1),可以计算每辆车行驶单位里程所产生的道路灰尘重量:式中:E为颗粒物排放因子,g/VKT;k为不同粒度范围的粒度乘数,g/VKT;sL为路面尘负荷,g/m2;W为道路上行驶机动车的平均车重,t.1.3基于排放因子模型参数的计算1.3.1ap-32方法k为不同粒度范围的基本排放因子.根据美国EPA2011年更新的AP-42方法中粒度乘数的数据,计算TSP、PM10和PM2.5时分别取3.23、0.62和0.15.1.3.2道路粉尘负荷的测定将现场采集的原始样品带回实验室,去除较大的烟头、杂草和生活垃圾等杂质,在105℃条件下烘干,密封保存.样品称量后,将20目、200目筛子由上而下层叠放置,将样品放入20目筛中,记录筛上物重量,用式(2)计算道路粉尘负荷.式中:W为样品总重量,g;W20为20目筛筛上物重量,g;W200为200目筛筛上物重量,g;S为采样面积,m2.1.3.3道路上各类机动车影响因素根据《天津统计年鉴2011》得到2010年天津民用车辆拥有量数据,通过其算出天津城区道路上各类机动车车型的比例如表1所示,并根据式(3)获得研究区域道路的平均车重.式中:ai为第i类车的车型比例;mi为第i类车的平均质量.由统计结果可以看出天津市机动车中轿车占显著比例,高达88.5%.通过计算得到天津市区道路的平均车重为1.7t.1.3.4天津市区各道路类型平均监测网的流量根据采样时在各个时间段不同道路类型车辆数目的统计,得到天津市区各道路类型的平均车流量如表2所示.由表2可知,天津市区环线、主干路、次干路和支路的平均车流量分别为3654,2637,1435,300辆/h.1.3.5道路长度l式中:A为估算区域车辆行驶里程,km;F为车流量,辆/h;L为道路长度,km;T为时间(取1a).L道路长度应用Mapinfo地理信息系统软件计算,再通过车辆行驶里程的计算公式得到天津市区各道路类型车辆行驶1a的里程,如表3所示.2结果与讨论2.1道路路面尘负荷根据式(2)计算出不同类型各道路路面尘负荷和每种类型道路的路面尘负荷平均值,具体见表4.其中,“/”前道路为采样道路,“/”后为与采样道路交叉的道路.错误!从表4可以看出,天津市区环线、主干路、次干路和支路的道路粉尘负荷分别为0.30,0.40,0.64,2.02g/m2.樊守彬等研究北京市城区道路结果表明,北京城区快速路、主干道、次干道和支路路面尘负荷分别为0.17,0.34,1.48,2.60g/m2,可以看出天津市道路粉尘负荷略低于北京的道路粉尘负荷,说明天津市的道路比北京道路清洁.天津路面尘污染强弱顺序为支路>次干路>主干路>环线,路面粉尘负荷随车流量增大而逐渐降低.与北京的研究结果一致,环线的路面尘负荷平均值最低,因为环线的车流量最大,车辆行驶过程中带起路面尘,路面积尘相应就少,而支路的路面尘负荷平均值最高,因为支路车流量小,路面积尘较多.每条环线、主干路和次干路的路面尘负荷相差较小,各个支路的路面尘负荷相差较大,因为各个支路的车流量小,影响路面尘负荷的主要因素就为道路的清扫状况,在不同功能区的道路的清扫状况不同导致各个支路的路面尘负荷相差大.2.2道路尘排放因子根据式(1),用颗粒物排放因子、路面尘负荷和平均车重计算出不同类型道路不同粒径范围的道路尘排放因子(表5).由表5可以看出,天津市区各类型道路不同粒径范围的道路尘排放因子大小顺序为支路>次干路>主干路>环线,与各类型道路尘负荷的大小趋势一致,说明道路尘排放因子与道路尘负荷成正比,支路由于道路尘负荷最大,所以排放因子也最大,其TSP、PM10和PM2.5排放因子分别为10.52,2.02,0.49g/VKT.2.3计算出发病时间根据AP-42计算方法,在假设一段时间内的平均排放因子与降水量大于0.254mm的频率成反比例的条件下,通过应用降水修正因子可以将式(1)外推到其他条件不可控的状况.以每天为时间段的外推公式如下所示:式中:Eext为一年或者其他一段长时间的外推平均排放因子,g/VKT;P为一段时间内降雨量大于0.254mm的天数,取23d;N为一段时间的天数,一年按365d记.单位长度道路每天的道路灰尘排放量可以用Ed排放强度来表示,Ed可以用外推排放因子Eext和每天的车流量F计算得到,如下式所示:根据式(6),通过外推平均排放因子和每天的车流量,可以得出天津市区各道路类型道路灰尘排放强度如表6所示.樊守彬等研究表明,北京市城区PM10排放强度环线为66.2kg/(km·d),主干道130.2kg/(km·d),次干道101.0kg/(km·d),支路39.0kg/(km·d).可见,北京市区道路灰尘PM10排放强度大于天津市区,可能与北京市的车流量大有关,天津2010年年末的机动车保有量为179万辆,北京市2010年年末的机动车保有量为481万辆,几乎为天津市的3倍,使得道路灰尘的排放量远远大于天津市.说明天津市中心城区的道路比北京市的道路更清洁.由表5和表6可以看出,受到每种类型道路车流量不同的影响,排放强度为环线>主干路>次干路>支路,与车流量的大小顺序相同,与排放因子的大小顺序相反,说明车流量是影响排放强度的主要因素.2.4外推平均排放因子道路灰尘排放量EF的计算公式如下所示:式中:EF为道路灰尘排放量,g;Eext为一年或者其他一段长时间的外推平均排放因子,g/VKT;A为估算区域车辆行驶公里数,km.根据式(5)得到天津市道路灰尘的外推平均排放因子,并根据车辆行驶的公里数计算出天津市区一年道路灰尘的排放量(表7).由表7可得,天津市区一年道路灰尘的排放量为27985t,天津中心城区的面积为72.05km2,平均每天排放量为1.06g/m2.2.5交通扬尘网格排放清单应用Mapinfo软件将天津市中心城区分成1km×1km的网格,统计每个网格内各类型道路长度和车流量得到每个网格的车辆行驶里程,并通过计算得到的道路灰尘排放因子,计算出每个网格每天的PM10排放量,得到了交通扬尘网格排放清单(图2).由图2可以看出,中环线内和平区由于道路密集交通扬尘排放量最高,向四周排放量递减.3天津市道路1年2月1日道路尘排放单因素变化趋势3.1天津路面尘污染强弱顺序为支路>次干路>主干路>环线,路面粉尘负荷随车流量增大而逐渐降低.3.2道路尘排放因子与各类型道路尘负荷的大小趋势一致,说明