关于高速公路建设期间大气污染的系统性回顾：基于多种监测数据源

本研究系统分析了公路施工过程中大气污染的来源、影响及监测技术，揭示了扬尘、机械排放和沥青烟雾三大污染源的作用机制，对比了不同监测技术的优缺点，为环境管理提供依据。

　　

黄善谦|王新军|卢春英|傅金生|孔亚萍

中国交通科学院，北京市朝阳区汇新里240号，邮编100029

摘要

尽管全球高速公路网络不断扩展，但很少有研究关注高速公路建设对大气环境的负面影响。本研究对高速公路建设期间空气中的污染物进行了全面、系统和多维度的调查。通过综合三种分辨率的监测数据，识别出了关键的排放源和过程。研究采用了系统回顾分析、Shapiro-Wilk正态性检验、相关性分析和空间插值等方法。研究结果揭示了不同施工活动对大气环境影响机制的具体规律，确定了三种污染源及其影响范围和程度，并讨论了三种监测技术的优缺点。这些发现为实际应用中的环境保护、研究方向和政策制定提供了重要的实证依据，对高速公路建设行业的利益相关者、研究人员和政策制定者具有价值。

引言

全球高速公路网络覆盖了超过20%的地表面积，预计到2050年，现有高速公路网络还将增加约2500万公里（Laurance等人，2014年）。高速公路建设包括桥梁、隧道、路基、路面等设施的建设。由于规模庞大、施工条件复杂、工程专业多样和技术先进，这些项目可能在不同程度上对空气环境产生不利影响。这些项目会导致多种空气污染物的大量排放，对人类社会和环境构成威胁（Cui等人，2020年；Turek等人，2022年；Lee等人，2023年；Yoo等人，2023年；Hill等人，2024年）。近期关于大气传输的国际研究主要集中在机动车排放和路边空气污染的特性上（Alvanchi等人，2020年；Xu等人，2021年）。相比之下，关于高速公路建设期间空气污染的研究较少，尽管这些影响的范围和程度相当显著，需要进一步研究。

在过去30年里，监测数据一直是研究高速公路建设对大气影响的基础。早期研究侧重于监测污染物排放及其扩散模式（Funasaka等人，1998年；Oliver等人，2001年；Sharrard等人，2007年；Lin和Yu，2008年；Hsu和Huang，2009年）。随后，研究转向了影响模式、机制和建模方法的研究（Olayinka等人，2016年；Shiva Nagendra等人，2016年；Barikayeva等人，2018年；Gabbe等人，2019年）。近年来，监测数据的改进促进了低影响建设技术的发展（Giunta等人，2020年；Tang等人，2020年；Wang等人，2021年；Yang等人，2023年）。因此，本研究重点关注污染物源监测、活动类型、技术水平和数据来源，以总结研究进展。

关于污染物源监测的研究应用了物理或化学实验和模型模拟来研究路边气态污染物、空气颗粒物组成和来源特征（Hanson等人，2012年；Rubio等人，2013年；Boczkaj等人，2014年；Olayinka等人，2016年；Shiva Nagendra等人，2016年）。这一过程通常包括测量元素组成、金属含量、质量浓度、有害成分和碳百分比。这些数据有助于分析排放特征，包括来源和时空分布。使用模型模拟颗粒物沉积、时空分布和质量参数，以预测污染物浓度、排放和扩散（Giunta等人，2020年；Wang等人，2020年）。

关于施工活动类型监测的研究集中在追踪施工机械或车辆产生的大气污染排放，以及隧道和路面建设过程中的相关过程。在各种操作条件下，研究了机械排气中的气态污染物和颗粒物的排放情况，促进了主要污染物的排放清单的建立（Sharrard等人，2007年；Jiang等人，2020年；Cheng等人，2021年；Liu等人，2021年；Li等人，2023年）。与隧道建设相关的研究集中在爆破作业和重型卡车的装卸操作上。研究了有害气体、烟雾和灰尘的空间分布、影响因素和扩散模式，建立了隧道污染物的时空分布模型（Oliver等人，2001年；Qiao等人，2021年；Blaauw等人，2022年；Yang等人，2023年）。另一个研究领域是路面建设，包括在不同工作条件下准备和应用不同比例的沥青混合料。分析了有害气体、颗粒物和温室气体的排放和组成，并评估了不同沥青路面在其生命周期内的环境影响（Yu等人，2013年；Li等人，2021年；Chang等人，2022年；Sukhija等人，2022年）。

由于监测技术的进步，监测方法的范围、准确性和方法论不断提高。通过从点监测转向时空监测，实现了大规模监测（Giunta等人，2020年；Wang等人，2020年）。随着监测准确性的提高，监测范围从关注污染源扩展到物理和化学成分，从而有助于识别新的污染物（Blaauw等人，2022年）。远程自动化监测实现了从离散监测到连续监测，并且频率不断提高（Zhou等人，2023年）。这些技术进步推动了研究从关注排放向分析机制的转变，促进了污染控制技术的发展。

在监测数据来源方面，国际上可获得的学术出版物是研究高速公路建设污染排放的主要来源。除了学术出版物外，公开报告还提供了中国高速公路项目的监测数据。在中国，开始高速公路建设项目之前需要进行环境影响评估和报告。尽管这些报告通常包含的施工活动产生的污染排放监测数据较少，但在中国高速公路项目建设过程中鼓励进行多次环境监测，相关数据和结果会记录在完工报告中。因此，可以从公开的完工报告中获取环境监测数据。已发表的学术论文和公共报告提供了关于不同阶段、排放途径、影响范围和机制的污染监测的见解。然而，这些数据存在覆盖不全面、数据分布碎片化以及时空分辨率差异较大的问题，导致排放特征不确定。

尽管该领域积累了大量案例研究和数据，但对高速公路项目及其相关设施在建设过程中产生的各种大气污染物排放的全面和系统分析仍然不足。因此，高速公路建设对空气污染物的负面影响仍不清楚。本研究对相关文献和公共监测报告进行了系统回顾。对关键项目进行了现场监测，并使用聚类分析和数据预处理整合了多源数据。定性和定量分析展示了高速公路建设对大气环境的负面影响机制。

方法

本研究从监测报告、学术论文和现场监测中获取了高速公路建设期间的大气环境监测数据。对三种不同分辨率的数据类型进行了数据提取、分类和处理（图1）。数据按数据来源、污染物类型和监测场景进行分类，形成了一个综合数据集。监测场景包括主要项目和临时项目，以及环境监测

报告中的Shapiro-Wilk检验结果

表2列出了Shapiro-Wilk正态性检验的结果。分类使用了四分位数作为区间。图3显示了大气监测报告中TSP和PM₁₀的分布情况。

第二季度的TSP水平显著高于其他季度，临时项目的TSP水平高于背景站点。预制厂和敏感区域

结果讨论

本研究通过将三种来源的监测数据与数十年的历史数据和实时监测数据进行比较，全面研究了高速公路建设期间的大气污染动态。施工灰尘、机械排气和沥青烟雾是高速公路建设期间大气污染的主要来源。追踪来源发现，大多数有害污染物来自非道路移动机械和沥青混合料，其中灰尘最为普遍

结论

我们的研究结果表明，高速公路建设对大气产生了不利影响，导致了多种形式的污染。高速公路建设对大气环境的负面影响可归因于三个因素：（1）来自道路或隧道建设的施工灰尘分布广泛，影响显著。TSP和PM₁₀的浓度显著相关，空间分布相似。临时监测站点的超标情况较为明显

作者贡献声明

黄善谦：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、调查、正式分析、数据管理、概念化。王新军：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、资金获取。卢春英：调查、正式分析。傅金生：调查、正式分析。孔亚萍：监督、资源管理、方法论、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划 [项目编号：2022YFB2601901]的支持。