城市交通扬尘及其治理
我看治霾2020-02-07 20:07
文/王奎
由包括机动车和机动车道在内的城市交通系统引发的扬尘，简称城市交通扬尘。
一、城市交通扬尘的成因与规模效应
在城市生活的各种形态中，交通系统动态、繁忙。其如下行为制造和产生城市交通扬尘：（1）机动车车轮与机动车道路面间的磨耗，其产物至少部分扬起；（2）行驶中的疏于清洗的机动车上的沉积物，在空气流冲击下至少部分扬起；（3）经车轮碾压、卷带以及行驶中车体对空气的扰动，车道上的沉积物至少部分扬起。
此外，为压制和降低机动车道及其周边的污染，环卫部门定期或不定期的洒水作业会衍生如下问题：（1）在路面上形成的泥水被行进中的机动车溅起，使包括车轮、底盘在内的车体污染；（2）除部分被行驶的机动车卷带迁移外，大部分泥水随机在机动车道上沉积。其后果是，使机动车和机动车道制造和产生城市交通扬尘的能力增强。
城市交通系统的上述行为随着机动车保有量增加而加重，表现出明显的规模效应。
例如，北京市2018年统计的机动车保有量为608.4万辆[i]。若其中的一半，约304.2万辆，上路行驶，以每辆机动车轮胎磨耗损失为1克/每天计，产生的磨耗损失可达约3吨/每天；若上路行驶的机动车中的一半，约152.1万辆，疏于清洗，以在空气流的冲击下每辆机动车产生的扬尘量为10克/每天计，产生的扬尘量可达约15吨/每天；若304.2万辆机动车上路行驶，以每辆机动车通过碾压、卷带等引起的扬尘为50克/每天计，产生的扬尘量可达约152吨/每天，共计约170吨/每天。
这一巨大数值，凸显规模效应下的城市交通扬尘对城市污染的严重性。
二、城市交通扬尘的特点及影响因素
作为城市空气污染源，城市交通扬尘具有明显的自身特点，包括：常态、循环、满城趋同、污染快和污染无死角等。
城市交通扬尘与交通伴生，交通系统运转的常态决定了城市交通扬尘发生的常态。这种常态是指在非降雨、刮风和降雪天气状况下城市交通扬尘发生的现象。
一般而言，城市交通扬尘发生的水平是城市交通扬尘的发生量与城市自身对扬尘净化能力间的一种平衡。关于城市自身对扬尘的净化能力，现阶段人力介入有限，通常指自然状态下城市的净化能力。自然状态下的城市净化能力与降雨、刮风和降雪等天气现象有关。其中，适度的降雨对机动车和机动车道上沉积物的清除较为彻底，雨后交通系统制造和产生城市交通扬尘能力的恢复时间较长。由此，可以解释为什么北方城市霾发生频次高于南方城市的原因。
图1简要勾勒出了城市交通扬尘的产生及其行为轨迹。其中，车体沉积物在空气流冲击下扬起，成为城市交通扬尘；路面沉积物在行驶的机动车的碾压和卷带下扬起，成为城市交通扬尘。城市交通扬尘中，＜10μm颗粒物在空气中滞留、扩散，成为城区包括霾污染的主体；＞10μm颗粒物扩散、随机沉降，包括至少部分重新沉积在路面或机动车车体上。其他来源扬尘的加入，特别是其中＞10μm颗粒物在路面或机动车车体上沉积，使路面和车体沉积物量增加或得到补充。
图1中，从路面、车体沉积物→城市交通扬尘→＞10μm颗粒物→再到路面、车体沉积物构成一种闭合的循环，这种循环一定程度上决定了城市交通系统作为污染源的可持续性，是城市交通扬尘常态发生的基础条件。
与其他扬尘源相比，城市交通系统作为扬尘源的不同还在于引发扬尘的机动车的移动性和机动车道通达全城的网格化分布。其中，载尘机动车在机动车道上的行驶以及在机动车道上行驶的机动车对空气的搅动等，使城市交通扬尘在城区分布趋于均一化；在网格化分布的机动车道上行驶的机动车，使城市交通扬尘对城区的污染快速、无死角。
城市交通扬尘的存在，客观上赋予了城市交通系统一种制造和产生扬尘的功能。
三、城市交通扬尘的治理
城市交通扬尘的治理，包括如何清除扬尘前身物（包括路面沉积物和车体表面沉积物等）、如何抑制其他源扬尘和阻断沉积物循环路径的问题。
研究发现，除机动车道通达四方、呈网格化分布的特点外，城市交通系统还具有如下的属性：（1）依横向，车道可区分为轮迹带和非轮迹带，一条车道（单轨等非常规轨道交通除外）包括两条轮迹带，介于两条轮迹带之间的内侧非轮迹带和两条轮迹带外的外侧非轮迹带；（2）机动车道上的积水溅起，对机动车底盘和轮胎等具有冲刷作用；（3）机动车在机动车道上的定向移动产生车道风等属性。充分利用这些特点和属性，从中可得到很好的解决城市交通扬尘问题的方法。
3.1依托机动车道而成的动态洗车系统和洗车方法
洗车可以解决机动车带尘上路的问题。但是，现有的作坊式洗车方法不能满足城市数十万或数百万计机动车常态、高频次的洗车要求。
一种依托机动车道而成的动态洗车方法[ii]，提供了一种在行进中完成机动车冲洗的技术方案。
如图2，方案包括第一清洗区和可选择的第二清洗区。第一清洗区包括水道、供水单元、排水单元和可选择的水净化单元。其中的水道设置在机动车道上。使用中，机动车按照机动车行驶方向驶入并通过水道。其中的水道和/或供、排水单元的设置以及向水道的供、排水量的控制满足机动车通过水道时，水道中的水能够被搅动和/或溅射，该被搅动和/或溅射的水使包括机动车底盘在内的机动车的至少部分被冲洗，且冲洗后回落的水在水道中至少部分沿机动车行驶的反方向流动。这里，所述冲洗后回落的水至少部分在水道中沿机动车行驶的反方向流动是指，通过水道、水道供水单元和水道排水单元的设置及控制，抑制或消除回落的水沿机动车行驶的方向与水道中的水的混合（返混）。
经在第一清洗区清洗的机动车，可以正常沿机动车道行驶，视需要也可以驶离车道进入第二清洗区对机动车进行进一步的清理和养护。
图3为一种可满足图2要求的水道的横向剖面图。包括轮迹带、外侧非轮迹带、内侧非轮迹带、水道围堰体、挡水板和水导引体（兼做水道内围堰体）。其中，水导引体中凹槽的深度沿水道可以是一致的，也可以沿机动车行驶方向呈梯度变化。当水导引体中凹槽的深度沿水道一致时，完整水道的底面设计与以图3所示的水道底面的轮廓线为动线在一平面上连续的运动轨迹一致；当沿机动车行驶方向呈梯度变化时，完整水道的底面设计中除凹槽的深度变化外，其他部分可以与以图3所示的水道底面的轮廓线为动线在一平面上连续的运动轨迹保持一致。
在具体实施中，图2中的水道由分别设置在外侧非轮迹带上的水道围堰体和内侧非轮迹带的水导引体围堰形成。通过水导引体可以直接将回落的水导引出水道，也可以是在水导引体上设置出水口，使水导引体中逆机动车行驶方向流动的水补充进入水道。图3中，挡水板的作用包括防止溅起的水溢出水道等。
3.2具有自净化功能的车道和车道清洗方法
清洗车道可以解决机动车上路扬尘的问题。但是，现有道路清洗存在的问题是，在清洗过程中形成的泥浆在路面上随机沉积，清除困难。
一种具有自净化能力的机动车道和清洗方法[iii]，为解决这一问题提供了可选择的技术方案。
方案中，机动车道沿纵向至少包括一条凹陷带，所述凹陷带在车道上的设置满足所述车道的正常使用，且冲洗车道时，路面污水向所述凹陷带汇聚。
图4为一种可满足要求的车道的路面示意图。按照图4，依横向车道区分为内侧非轮迹带，轮迹带和外侧非轮迹带。其中，包括内侧非轮迹带设置有凹陷带的路段A和外侧非轮迹带设置有凹陷带的路段B。为使冲洗路面形成的污水向凹陷带汇聚，对内侧非轮迹带上设置凹陷带的路段A和外侧非轮迹带上设置凹陷带的路段B的路面设计应不同，包括内侧非轮迹带上设置凹陷带的路段A的横向坡度或外侧非轮迹带上设置凹陷带的路段B的路拱设计应满足这一要求。
按照图4，车道中包括一条在内侧轮迹带设置的凹陷带和两条在外侧非轮迹带设置凹陷带，整个车道中，三条凹陷带各自不连续。在具体实施中，这种设置视需要可做多种变化。例如，一条车道只设置一条凹陷带，该凹陷带可以设置于内侧非轮迹带上，可以设置于外侧之一的非轮迹带上；一条车道设置三条凹陷带，与图4不同的是，三条凹陷带均贯穿整个车道等。图4中，呈V字型的凹陷带可由具有其他构型的凹陷带替换，以满足不同需求。
与现有车道不同，上述方案提供的车道包括凹陷带，在自然降雨和人工洒水冲洗作业时，路面上的沉积物随水流向凹陷带汇聚，克服了一般车道轮迹带路面形成泥浆以及泥浆在路面随机沉积问题，从而实现车道，特别是车道轮迹带部分的自身净化。
3.3依托机动车、机动车道的城市吸尘系统和城市吸尘方法
多年的以减排为目标、以产业升级和能源结构调整等为抓手的治霾实践，为防止空气质量的频繁重度污染起到了关键作用。但是，像北京这样的超大型城市轻、中度霾污染仍时常光顾的现实提醒人们，单一的以减排为目标的治霾进程存在限制。为突破这种限制，还需重视和强化城市自身净化能力建设。
一种城区扬尘净化系统[iv]，为此提供了可选择的技术方案。
方案中，城区扬尘净化系统包括扬尘捕获装置、机动车和/或城区道路，其中的扬尘捕获装置设置于机动车和/或城区道路上，扬尘捕获装置及其在机动车和/或城区道路上的设置满足机动车和/或城区道路的正常使用，且使得至少部分城区中的扬尘被所述扬尘捕获装置捕获。例如：
图5为一种机动车净尘系统，该系统包括公交车（或大客车），设置于车顶上的由腔体、吸尘体、空气导引体和通气管道组成的扬尘捕获装置。
该扬尘捕获装置包括两个如图6-a、图6-b所示的单元扬尘捕获装置。其中，图6-a、图6-b所示的单元扬尘捕获装置包括腔体，吸尘体、空气导引体和设置于腔体上的空气导引体接口。腔体由壳体和多孔板构成，壳体和多孔板在构成腔体的同时满足在多孔板的另一侧设置吸尘体。
按照本图5，车顶上设置的两个单元扬尘捕获装置的通气管道由两个单元扬尘捕获装置上的空气导引体接口对接而成。按照本技术方案，空气导引体导引如图6-a、图6-b所示的空气流在流入腔体前与吸尘体接触、净化。
图7为一种道路净尘系统，该系统包括机动车道和设置于车道两侧的扬尘捕获装置。
其中的单元扬尘捕获装置如图8-a、图8-b所示，包括腔体，吸尘体、空气导引体和设置于腔体上的空气导引体接口。其中，吸尘体为2个，腔体由壳体和两个平行布置的多孔板构成，壳体和两个平行布置的多孔板构成腔体的同时，满足在每个多孔板的另一侧设置吸尘体。
图7中的空气导引体包括如图8-a、图8-b所示的空气导引体接口和与其联通的空气导引体。按照本技术方案，空气导引体导引如图8-a、图8-b所示的空气流在流入腔体前与吸尘体接触、净化。
上述的依托机动车、机动车道而成的城市吸尘系统，通过设置扬尘捕获装置，在不额外占用城市空间的前提下，赋予城市交通系统扬尘捕获功能，从而提高城市自身净尘能力。
四、结束语
城市交通扬尘的存在，客观上赋予了城市交通系统一种制造和产生扬尘的功能。
城市交通扬尘对城市空气污染的严重性在于：量大、持续、发生污染快和无死角等。
依托城市交通系统构建的包括洗车、洗路以及吸尘在内的城市净化系统，可有效清除城市交通扬尘，阻断城市交通扬尘和其他源扬尘通过交通系统在城区的循环。它们的实施将极大提升城市自身净化能力，使城市交通系统从扬尘制造者的角色，转变成为城市污染治理的参与及贡献者。
[i] 彭科峰，文/汽车之家，源自网络，2019-03-21。
[ii] 王奎，机动车清洗系统、含该系统建筑物、车道和停车场及应用[P]，CN 20171033554.7。
[iii] 王奎，车道、含该车道的车道清洗系统和城区净尘系统及应用和城区净尘方法[P]，CN 201811154406.X。
[iv]王奎，城区扬尘净化系统及其应用和城区扬尘净化方法[P]，CN 201811154376.2。
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