2022, Vol. 43
早在20世纪60年代, 就有国外学者开始关注土壤风蚀、铺装道路和施工活动中“尘”的排放情况, 并开展排放特征研究[1, 2].随着研究不断深入, 扬尘(fugitive dust)的概念逐渐形成, 并识别了包括农业耕作与收获、建筑拆迁与施工、物料装卸、铺装道路、未铺装道路和农业风蚀等10余种主要扬尘源类[3, 4].随着扬尘污染防治工作不断深入, 我国先后发布了相关规范和技术指南[5, 6], 明确了扬尘源定义, 建立扬尘源多级分类体系, 识别了道路扬尘、施工扬尘、料堆扬尘和土壤扬尘这4项一级源类, 并根据道路类型、施工阶段和土地利用类型等详细信息进一步划分子源类.
扬尘是城市环境空气颗粒物的重要贡献源, 对城市环境空气质量、市容市貌和人体健康均具有重要影响[7~12].近年来, 国家高度重视包括扬尘在内的各项污染源管控工作, 采取了诸多有效措施[13~17], 并取得了显著成效, 全国范围内颗粒物浓度逐年下降.但监测结果显示, 截至2020年, 我国部分城市环境空气颗粒物依然显示出较为明显的扬尘污染特征, 尤其是中国北方地区.如河北省石家庄、保定、廊坊和唐山等多个城市, 以及太原、郑州、济南和西安等省会城市2020年的年均ρ(PM10)均处于较高水平(80~103 μg ·m-3), 且粗细粒子比例(PM2.5-10/PM2.5)在0.70~0.85之间, 而作为对比, 同区域的北京和天津两地年均ρ(PM10)分别为56 μg ·m-3和68 μg ·m-3, 且粗细粒子比例仅分别为0.47和0.41(数据来源于真气网: https://www.aqistudy.cn/).根据2020年京津冀大气污染传输通道“2+26”城市和汾渭平原11城市降尘监测结果, 不少城市降尘量仍长期处于相对较高水平(数据来源于生态环境部, http://www.mee.gov.cn/).
目前关注扬尘排放特征的研究逐渐增多, 但系统和深入地分析并回答如何开展精准治尘的文献还较少.因此, 为“精准治尘”, 本文梳理总结了城市扬尘排放与贡献特征, 并将学术研究成果与扬尘防治实践应用联系起来, 综合剖析城市扬尘污染的主要成因, 明确主要起尘情景和关键控制指标, 并提出主要防治措施建议, 为精准有效防尘和深入贯彻落实防尘工作指明方向.同时, 针对扬尘治理所需保障措施提出建议, 以期为我国城市扬尘防治的实践应用提供全面的和有益的参考.
1 扬尘源排放与贡献特征 1.1 扬尘源排放特征扬尘源的排放与气候环境有较为密切的关系[18].气候越干燥、风速越大的环境, 越便于尘的累积与起尘[19, 20].同时, 干燥少雨环境相对湿润气候环境不利于自然植被生长, 会进一步影响植被覆盖水平, 加大裸土风蚀潜力.在此环境下, 地面积尘易于进入环境受体, 并通过风蚀和人为扰动(如车辆)不断在地表与环境受体之间重复“扬起-传输-沉降-扬起”的过程, 造成扬尘污染.
环境空气颗粒物监测结果和各类排放评估研究均表明我国北方地区扬尘排放较为突出, 相对固定燃烧源、工艺过程源和移动源等其他各类源处于较高水平.近年来我国北方地区扬尘排放特征相关代表性研究成果如表 1所示.其中土壤扬尘, 在我国东起黑龙江、西至新疆, 南抵青海、陕西、山西和河北等省份的广大北方干旱-半干旱地区, 每年春季排放风沙尘可达4亿t[21].各类下垫面中以荒漠或荒漠草原起尘最为剧烈, 如塔克拉玛干沙漠所在的新疆南部地区年排放PM2.5和PM10可分别达到400万t和1 200万t的水平[22].但农田和植被等北方主要下垫面类型颗粒物排放量也很大, 如“2+26”城市和山东省PM10年排放量经测算均有100万t左右的排放水平, 其中城市级别区域PM2.5排放量在万t水平, PM10排放量在数万t乃至十数万t之间[18, 23].这些主要来自于郊区荒漠、农田和裸土等地表类型的风沙尘在传输到城市之后, 又会成为道路和施工等其他扬尘源类的重要积尘来源[24].土壤扬尘之外, 各类研究评估所得城市级别道路扬尘源和施工扬尘源PM10排放量也均在万t以上水平[25~27, 33].各项研究成果表明, 我国北方地区城市级别区域土壤、道路和施工等主要扬尘源类PM2.5排放量总和大约在数万t水平, PM10排放量大约在数万t至十数万t水平.扬尘源庞大的颗粒物排放量可对标其他各项人为源排放量总和.以京津冀及其周边地区的大气污染源排放清单研究[28~29]为例, 北京市、天津市和石家庄市各项人为排放源在2012年和2013年排放PM2.5和PM10总量只分别在6~11万t和12~18万t之间.Jiang等[30]的研究建立的山东省大气污染源排放清单中, 各类扬尘源排放PM10和PM2.5排放量分别占各类源排放总量的64%和72%, 远高于化石燃料燃烧、工业企业和道路机动车等其他污染源.
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表 1 我国部分地区扬尘源排放特征研究成果 Table 1 Study results of fugitive dust emission characteristic in some regions of China |
1.2 扬尘源对环境受体贡献特征
部分主要城市官方发布的, 采用受体模型得到的环境空气PM2.5和PM10来源解析结果显示扬尘源具有重要贡献(如表 2).扬尘源在北方城市对环境空气颗粒物贡献率相对较高, 其中PM2.5和PM10能分别达到20% ~30%和30% ~40%的高水平, 排名相对其他源类也较为靠前.如扬尘源对天津市[38]和郑州市[40]环境空气PM2.5和PM10贡献率相对于燃煤、工业和机动车等主要排放源均排名第1, 对北京市环境空气PM2.5贡献率也仅次于机动车源排名第2.而扬尘源在南方地区对环境空气颗粒物贡献率相对较低, 其中PM2.5多在20%以下, 甚至10%以下, 相比于机动车、燃煤源和工业源也多处于倒数第1或靠后水平.有关北京市、天津市、石家庄市、保定市和沧州市等城市开展的区域性环境空气PM2.5来源解析研究也表明, 扬尘源贡献率多在10% ~26%区间内[46, 47].Hopke等[48]综述世界各地PM2.5受体来源解析研究成果, 指出尘源对中国北方地区PM10平均贡献率为30.5%, 相对其他源类位列第1, 对南方地区PM10贡献率为15.2%.采用大气污染源排放清单与源扩散模型联用的方法评估扬尘源对环境受体颗粒物贡献的研究[27, 31, 36, 49, 50], 也得到了类似的结果.
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表 2 我国南北方部分省会城市官方发布扬尘源对环境空气颗粒物贡献结果1) Table 2 Sources apportionment of ambient particulate matter in some provincial capitals in north and south China |
各扬尘源中, 道路和施工是我国多数城市扬尘的主要贡献源[35, 51], 在扬尘污染较为突出的城市中通常以道路扬尘更为突出[36].赵普生等[50]和薛亦峰等[27]的研究采用FDM、ISC和WRF/CMAQ等模型分别模拟了施工扬尘源对天津和北京环境受体PM10的年度贡献, 分别达到20.3 μg ·m-3和17.5 μg ·m-3, 可见施工扬尘源贡献之大.而在雄安新区的研究发现, 道路扬尘源排放量1.4倍于施工扬尘, 但对城区目标点位环境受体PM10贡献达到3.3倍的差距[36].原因在于施工扬尘源在研究区域内多呈零星点状分布, 少部分呈线状或面状分布(如道路施工或大规模基础设施建设); 施工扬尘在施工区域可能对环境受体颗粒物有较高的贡献, 但是由于排放颗粒以粗颗粒为主, 其在扩散过程中快速沉降, 对远距离环境受体贡献相对有限.赵普生等[50]的研究发现施工扬尘排放颗粒物向下风向扩散1.5 km距离, 对环境受体PM10浓度贡献即从800 μg ·m-3下降至10~20 μg ·m-3.田刚等[52]的研究发现施工工地周边降尘浓度随距离增加而递减, 前者与后者的2次方成反比关系.与之相比, 道路扬尘源呈密集网状分布, 且集中于城区.同时, 道路扬尘具有更为明显“二重性特征”, 即是颗粒物排放源, 也是各类颗粒物排放源的受体.城区道路可能受到渣土车物料遗撒和“脏车”进城的影响, 造成局部路段积尘负荷上升, 再加上车辆反复剧烈扰动, 引起积尘在不同道路之间转移扩散并加大道路扬尘排放强度[36, 51, 53].因此, 在扬尘污染较为突出的城市中, 道路通常是环境空气颗粒物的主要扬尘贡献源, 但其部分积尘来自于施工工地和矿山等其他污染源.土壤扬尘源以裸露农田和荒地为主, 主要位于郊区, 多在气候干燥多风的北方和风沙季节对城市环境空气颗粒物有较大影响[18].
2 扬尘污染主要成因基于扬尘源贡献特征, 结合我国城市扬尘污染现状, 进一步梳理、总结扬尘污染成因如图 1所示, 包括“5类主要扬尘源、3种主要起尘情景、3类关键控制指标、3种积尘来源、6类主要问题和11种典型现象”.
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图 1 城市扬尘污染主要问题剖析 Fig. 1 Analysis of the main problems of urban dust pollution |
各城市扬尘源一般主要包括道路、施工、裸土、矿区和料堆这5项子源类.其中, 道路扬尘通常是各扬尘源类中的首要贡献源.因此, 城市扬尘污染防治需要将道路扬尘防治置于更为突出的位置.
道路扬尘源起尘情景包括车辆扰动和气象扰动两种, 其中以车辆扰动为主.车辆扰动起尘强度取决于道路积尘负荷和交通强度(如车流量和车重等)两类指标.限制交通强度的控尘措施将影响生产生活秩序, 因此, 以积尘负荷作为道路扬尘防治关键控制指标更为可行, 其在扬尘污染突出的城市主要来源于道路自身、车辆携带和自然沉降等3种途径, 而较小比例来自于车辆刹车磨损和轮胎磨损等[18, 54~57].因此, 基于全流程管控的思路, 通过以这3种来源途径为主来实现对关键指标道路积尘负荷的控制是道路扬尘防治的主要措施[20, 58].现今扬尘污染较重的道路普遍存在的典型现象如图 1所示, 包括但不限于诸如车辆通行路面破损、硬化标准不高或未硬化和渣土车带尘上路等7种[53], 其直接导致道路积尘负荷处于较高水平, 从而使得道路扬尘排放较大.由此分析总结道路扬尘突出的主要原因, 也即没有围绕关键指标落实好各项主要防治措施, 以致道路积尘负荷较重.
施工和矿区两类扬尘源起尘环节众多, 可以总结为主要来自于生产活动自身、车辆扰动和气象扰动.生产活动包括物料机械破碎活动(含爆破、拆迁等)、土方矿料挖掘和材料的就地制造等, 一般伴随强烈起尘, 其扬尘防治十分必要, 多采取空间隔离(如密闭、围挡和苫盖等)和湿法作业等措施[59~61].生产活动目前相关的防尘措施较为明确, 且在没有不利气象情况下, 直接影响范围一般仅限于局部周边区域, 相比之下, 车辆扰动是更加重要并且需要引起关注的防治环节[62].由于物料运输所需, 施工工地、矿区内通行大型货车较多.部分中小型施工工地在地基开挖和地基建设等土方作业阶段, 日进出车辆能达到数百车次[50]; 在大型施工工地, 日进出车辆甚至能达到上千车次.同时, 工地和矿区内道路受到土方作业、运输物料遗撒和空气中积尘自然沉降等来源贡献, 积尘负荷可能较重, 能达到数十乃至上百μg ·m-3.未硬化的道路, 由于车辆反复碾压, 表面形成浮土, 起尘潜势相对于铺装道路更大.因此, 由于具有较高水平的扰动频率、扰动强度和积尘负荷, 车辆扰动通常是施工扬尘和矿区扬尘的主要起尘情景.基于全流程管控的思路, 通过以道路硬化、地表(积尘)清扫和湿法作业为主的各种方式, 一方面从“源头”角度控制积尘从工地和矿区各个生产环节向道路转移, 另一方面从“末端”角度控制和削减道路表面积尘负荷是防治扬尘的重要措施.同时, 裸露土壤(或其他物料)在风蚀作用下也会直接产生起尘或将颗粒输送至道路乃至场地外, 特别是在风沙季或者特定大风天气[63].有研究指出, 由于车辆携带和风蚀的原因, 施工工地周围道路积尘负荷远超城市街道平均水平[53, 64~66].针对气象扰动, 关键防治措施则是通过各种方法途径控制场内道路积尘负荷和裸土面积.施工、矿区扬尘起尘环节众多, 而扬尘污染较重时主要存在的典型现象如图 1所示, 分析总结污染主要成因即是没有紧紧聚焦围绕以上关键指标落实好各项主要防治措施, 导致部分施工工地和矿区扬尘防治效果时好时坏, 容易反弹.来自于农田和荒地等地表的裸土扬尘和工业企业内部的料堆扬尘影响因素较为单一, 起尘环节较少, 主要受到气象和人为(料堆装卸转移)扰动, 易于管控, 主要通过苫盖和密闭等手段削减裸露面积这一关键指标.
3 扬尘污染防治思路对于扬尘污染防治, 在众多起尘情景中根据起尘强度、环境影响和可操作空间, 归纳总结确定主要防治情景, 提出关键防治指标和主要防治措施, 明确扬尘监管和防治责任主体单位, 制定保障机制是有效落实防治措施和精准治尘的总体思路.因此, 本文基于现有各类扬尘防治研究[13~17], 围绕各类扬尘主要起尘情景、关键控制指标和主要来源途径, 梳理主要防治措施.在明确防治重点的同时, 针对现今城市扬尘防治相关配套保障措施存在的薄弱之处提出建议(如图 2).
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图 2 城市扬尘污染综合防治体系 Fig. 2 Comprehensive prevention and control system of urban fugitive dust pollution |
道路是城市扬尘的主要贡献源, 积尘负荷是其关键控制指标, 而施工、矿区、裸土和料堆等扬尘源对道路存在积尘输送.因此, 城市扬尘防治应采取“标本兼治”的总体策略, 一方面以削减道路积尘负荷为主要途径, 开展道路扬尘治理; 另一方面加强其他扬尘源内部治理, 并严格把控其对外传输环节, 从源头控制其他扬尘对道路扬尘的输送.
3.1.1 道路扬尘源防治道路扬尘防治以积尘负荷为关键控制指标, 主要从加强道路基础设施建设维护、严格管理渣土物料运输等“带尘”车辆和加大道路的日常清扫保洁力度这3个方面着手.其次, 可以从限制交通强度的角度, 根据实际情况对大型货车和渣土车在特定时间和特定区域内通行活动做出合理规划.
道路基础设施建设维护主要通过路面修复、道路扩宽和新路建设等各项措施逐步消除路面坑槽、裂缝、沉陷和路肩裸土等各类问题, 保障道路功能并提升道路品质, 避免路基材料在车辆碾压过程中受损起尘.渣土物料运输车辆监管主要目的在于尽可能减少车辆行驶过程中物料遗撒加重道路积尘负荷的情况出现, 采取包括货舱全密闭运输、规定货运装卸的时间路线和杜绝带尘脏车进入主城区等3项手段.道路清扫保洁活动的目的在于定期或者及时清除道路表面积尘, 对于控制道路扬尘较为有效[20, 55, 64, 67, 68].其他道路扬尘防治措施, 比如采用抑尘剂对防治道路起尘也是有效的[20], 但考虑到经济性原因, 可能不便大规模使用此方法.
各项工作在必要时还需划定重点路段、重点区域和重点时段, 深入贯彻“精准治尘”.其中以交通繁忙、货车通行密集、年久失修的国省干线和县乡道路为重点路段, 以城区周围城乡结合部为重点区域, 以风沙季和雨季为重点时段.并且采取走航观测等先进手段开展各区域、各时段和各道路扬尘的常态化监测, 以便于进一步识别分析起尘原因, 及时调整防控重点.
3.1.2 其他扬尘源防治施工工地是道路之外的另一个重点防控源类.施工工地起尘环节众多, 防尘工作量较大, 更有必要推进落实“精准治尘”.根据前文分析, 围绕场内道路车辆扰动和裸土风蚀两个主要起尘情景, 以及切断场内积尘向外输送通道的目的, 施工工地在落实“六个百分百”和“八项标准”等常规防治要求的过程中[69], 可以重点、优先落实“6项关键措施”, 即机动车道路硬化、裸土苫盖、湿法土方作业、出场运输车辆货箱密闭、车辆出场冲洗和表面积尘清扫.其中裸土苫盖和湿法土方作业2项措施的主要目的是从源头控制生产环节和气象扰动两个主要起尘情景, 并避免积尘向场地内的道路或场地外输送.机动车道路硬化和表面积尘清扫这2项措施主要目的在于, 通过控制积尘负荷水平来控制道路上车辆扰动起尘, 同时一定程度抑制气象扰动起尘强度.出场运输车辆货箱密闭和车辆出场清洗这2项措施主要目的在于避免场内积尘通过车辆携带的方式向场外传输.以上6项关键措施, 特别是在施工工地存在土方开挖、地基建设和土方回填等大量动土作业时, 需要特别注意落实, 以最大程度控制积尘的产生和转移乃至向场外传输.
矿区扬尘主要起尘情景与施工较为相似, 开矿等生产活动起尘剧烈, 车辆扰动频繁且裸土面积较大, 扬尘防治难度较大.矿区扬尘防治可结合自身实际, 参考施工扬尘防治思路和重点, 围绕车辆扰动和气象扰动两个重点防治环节, 基于“源头-过程-末端”全流程控制的思路, 采取机动车道路硬化、表面积尘清扫和苫盖为主的各类措施控制场地内道路积尘负荷和裸露土壤(物料)面积, 以便于加强场地内扬尘污染防治并控制场内积尘通过车辆和风蚀向外输送的途径.
土壤扬尘污染主要出现在风速较大的风沙季和裸土面积较大的秋冬季节, 其关键控制指标是裸土面积.其主要排放源在郊区农田和荒地, 但防治重点在城市公共区域、临时闲置土地和城区道路两侧的裸露地表, 主要采用绿化和苫盖等控制裸土面积的措施抑制起尘.
料堆主要集中在工业企业和物流仓储, 其主要防治环节是表面风蚀和装卸运输过程, 主要采取表面苫盖或者密闭方式抑尘.同时, 料堆扬尘通过车辆携带等方式对外输送也是重要控制环节.
3.2 扬尘防治配套保障措施建议完善的监测网络是及时掌握、追踪扬尘污染特征动态变化趋势以及防治措施履行情况的根本途径[60~62].综合线上线下、在线离线各类监测方式, 构建涵盖“环境空气质量监测、污染源监测监控和定期抽查巡检”三位一体的扬尘综合监测监控网络, 并确保持续良好状态运行.其中扬尘源监测监控体系包括道路积尘负荷监测、施工工地降尘监测、施工工地扬尘(PM10)监测、施工工地视频监控、矿山扬尘(PM10)监测和矿山视频监控等.同时, 环境监察等相关执法部门对各类扬尘源重点防治措施执行情况开展线下不定期抽查巡检.综合监测网络各项监测数据与分析结果定期报送决策部门为扬尘防尘策略动态调整提供情报支持.
保障措施主要包括组织领导、培训交流、专家咨询和财政科技这4项.自上而下的组织领导和配套的考核问责机制是扬尘防治工作强力推进最为核心和最为重要的驱动.其次, 针对扬尘防治业务部门各级领导和执法人员, 特别是道路、工地和矿区等扬尘防治责任主体单位的管理人员和一线操作人员开展充分的培训交流与宣传教育, 使其熟悉和掌握各类扬尘源防治的思路和重点, 将是各项防尘措施深入落实和常态化运行取得成效的关键所在[49].加强科技支撑作用, 对扬尘污染防治形势进行跟踪研究, 识别扬尘防治主要问题并提出应对措施, 可以为扬尘防治策略动态调整提供重要指导作用.必要的金融财政和科技装备(如各种先进监测设备和大数据平台等)是扬尘综合防治体系常态化运行的必要的保障.
4 结论(1) 扬尘是我国城市环境空气颗粒物的重要来源, 尤以我国北方地区更为突出.扬尘源PM10排放量可对标其他所有人为源排放总量, 对环境空气颗粒物贡献率相比于燃煤、工业和机动车等主要源类排名靠前.
(2) 道路和施工是城市扬尘主要贡献源类, 其中在扬尘污染突出的城市通常以道路扬尘为首要贡献源, 而道路积尘部分来自于施工、裸土等其他扬尘源的输送.城市扬尘防治在加强道路本身治理的同时, 需注意做好其他扬尘源场内治理, 以便于削减其对场外积尘输送.
(3) 各类扬尘源主要包括生产活动、车辆扰动和气象扰动这3类起尘情景, 而扬尘污染的主要成因是各类起尘情景中关键指标的控制不到位.其中道路扬尘源以积尘负荷为关键控制指标, 施工、矿区、料堆和裸土等扬尘源在生产活动之外, 以场地内道路积尘负荷和裸露土壤(或物料)面积为关键控制指标.
(4) 从关键控制指标来源途径分析, 建议道路扬尘以路面维护、“脏”车管理和加强清扫3种主要措施开展扬尘防治; 施工、矿区扬尘源以“6项关键措施”为主的多种措施来开展扬尘防治; 裸土和料堆扬尘主要通过苫盖等措施开展扬尘防治.
(5) 建议完善配套保障措施, 其中监测网络、组织领导和培训交流这三者最为重要.监测网络是及时掌握、追踪扬尘污染特征动态变化趋势和防治措施履行情况的根本途径; 组织领导是防治体系的核心驱动力; 培训交流是确保防尘取得成效的关键所在.
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