劉嘉明 狄育慧 梅 源 王雪艷

西安市夜間土方工程施工揚(yáng)塵排放特征分析

劉嘉明1狄育慧1梅 源2王雪艷1

（1.西安工程大學(xué)城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院 西安 710048；2.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院 西安 710055）

為探究土方工程施工揚(yáng)塵排放特征，基于土方作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)采集與檢測(cè)所得揚(yáng)塵濃度數(shù)值和揚(yáng)塵顆粒物粒徑值以及工地氣象因子參數(shù)，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)揚(yáng)塵濃度變化趨勢(shì)、氣象因子對(duì)揚(yáng)塵排放的影響以及土方施工揚(yáng)塵的粒徑分布特征予以解析。結(jié)果表明，測(cè)試期間TSP濃度和PM10濃度值變化較大，并出現(xiàn)短時(shí)間濃度峰值，施工現(xiàn)場(chǎng)土方施工揚(yáng)塵既受具體施工活動(dòng)的影響又與氣象因子有關(guān)。施工現(xiàn)場(chǎng)土方施工作業(yè)時(shí)PM2.5、PM10和TSP濃度與溫度和濕度呈正相關(guān)，與風(fēng)速和風(fēng)向呈負(fù)相關(guān)。土方施工時(shí)粒徑較大的顆粒物所占比例高于施工現(xiàn)場(chǎng)大氣和背景值，粒徑不小于10μm的顆粒物占比61.24%，土方施工揚(yáng)塵是西安市環(huán)境大氣PM10和TSP的來源之一，工地內(nèi)運(yùn)輸車輛及土方施工活動(dòng)均為重要揚(yáng)塵源。土方作業(yè)時(shí)PM2.5:PM10:TSP=0.01:0.55:1，夜間土方工程施工揚(yáng)塵對(duì)西安市環(huán)境大氣PM2.5的貢獻(xiàn)能力有限。

土方工程；施工揚(yáng)塵；氣象因子；相關(guān)性；粒徑分布

0 引言

施工揚(yáng)塵已成為影響我國(guó)南北方大部分城鎮(zhèn)地區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量的主要污染源同時(shí)也是空氣中可吸入顆粒物的重要來源之一[1]，施工揚(yáng)塵排放特征與施工階段及操作密切相關(guān)，在眾多施工過程中土方施工階段揚(yáng)塵污染甚為嚴(yán)重[2]。

據(jù)資料報(bào)道，城市高層建筑基坑挖掘過程排放的PM10占挖掘過程總排放量的23%；土方清運(yùn)過程PM10排放量占該階段總排放量的89%[3]。土方施工階段施工區(qū)域內(nèi)揚(yáng)塵濃度較其他區(qū)域揚(yáng)塵濃度明顯偏高，不同區(qū)域揚(yáng)塵污染情況差異顯著[4]。成都市一處典型土方施工項(xiàng)目，其基坑挖掘與回填施工階段揚(yáng)塵產(chǎn)塵量占施工項(xiàng)目總揚(yáng)塵量的32%[5]。田剛計(jì)算得到北京市近郊40余處施工工地的TSP排放因子是AP-42推薦計(jì)算排放因子的1.83倍[6]。

土方施工階段產(chǎn)塵量較多且強(qiáng)度波動(dòng)較大[7]，目前土方工程施工多集中于夜間進(jìn)行，粒徑分布特征也與晝間不完全相同[8]。晝間切割與焊接工序排放的細(xì)顆粒物居多，夜間鉆井與挖掘過程粗顆粒物的排放占多數(shù)[9]。以呼和浩特市某典型施工場(chǎng)地為例，場(chǎng)地內(nèi)部揚(yáng)塵粒徑分布呈雙峰型，峰值粒徑范圍在3.2～5.6μm和10～18μm[10]。在風(fēng)場(chǎng)的卷?yè)P(yáng)作用下，揚(yáng)塵顆粒進(jìn)入大氣環(huán)境，且這類顆粒的粒徑不大于10μm[11]。大粒徑顆粒物卷?yè)P(yáng)后沉降速度較快影響范圍有限[12]，其濃度受氣象因子的影響較明顯，小粒徑揚(yáng)塵顆粒濃度受氣象因子的影響不明顯[13]。郭翔翔[14]等在其研究中指出PM10濃度與相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)但這也與文獻(xiàn)[13]的研究結(jié)論存在差異。針對(duì)不同研究區(qū)域[15]，氣象因子與揚(yáng)塵濃度之間的相關(guān)性也不盡相同。

西安地處西北，是典型黃土地區(qū)代表城市，黃土土質(zhì)施工時(shí)易于揚(yáng)塵，并且西安市缺乏相應(yīng)的土方揚(yáng)塵研究資料。有關(guān)部門對(duì)土方施工揚(yáng)塵的排放控制與揚(yáng)塵治理并未提出合理的對(duì)策，同時(shí)也缺乏依據(jù)。因此探討該領(lǐng)域的研究方向及擬解決的關(guān)鍵問題具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

本文選取西安市典型土方工程施工項(xiàng)目實(shí)例，通過現(xiàn)場(chǎng)夜間監(jiān)測(cè)采樣得到的土方工程施工揚(yáng)塵及氣象參數(shù)等數(shù)據(jù)，旨在研究夜間施工現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)土方施工揚(yáng)塵排放特征。對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)揚(yáng)塵濃度變化趨勢(shì)、氣象因子對(duì)揚(yáng)塵排放的影響以及土方施工揚(yáng)塵的粒徑分布進(jìn)行分析，以期對(duì)土方施工揚(yáng)塵的污染控制提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方法

選擇西安市內(nèi)人口密集區(qū)典型黃土土方工程施工現(xiàn)場(chǎng)為本次研究測(cè)試地點(diǎn)，針對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的中部和南側(cè)地區(qū)展開監(jiān)測(cè)。其主要施工活動(dòng)為基坑挖掘和土方清運(yùn)，施工現(xiàn)場(chǎng)中部區(qū)域?yàn)榛油诰蚴┕ぷ鳂I(yè)區(qū)，測(cè)試點(diǎn)北側(cè)為工地內(nèi)部硬化道路，渣土車從北側(cè)道路進(jìn)入基坑和南側(cè)土方清運(yùn)區(qū)域，車輛滿載后從測(cè)試點(diǎn)西側(cè)硬化道路駛出。挖掘機(jī)械施工時(shí)和車輛通過時(shí)有明顯可見的揚(yáng)塵起揚(yáng)。測(cè)試儀器包括美國(guó)AEROCET-831四通道PM濃度值檢測(cè)儀一臺(tái)、德國(guó)Welas-2000氣溶膠粒徑譜儀一臺(tái)和便攜式自動(dòng)氣象站一臺(tái)等。

AEROCET-831四通道PM濃度值檢測(cè)儀，可同時(shí)測(cè)量和記錄4種空氣中可吸入顆粒物濃度值，亦可測(cè)量環(huán)境空氣中總懸浮顆粒物TSP的濃度值。便攜式自動(dòng)氣象站可實(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)量監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速及風(fēng)向等參數(shù)數(shù)據(jù)。

Welas-2000氣溶膠粒徑譜儀，采用白光光源投射土方施工揚(yáng)塵顆粒，檢測(cè)單元在90°散射角處接收揚(yáng)塵顆粒的散射信號(hào)，再由信號(hào)處理單元統(tǒng)計(jì)匯總得出土方施工揚(yáng)塵顆粒粒徑大小及顆粒數(shù)值信息。其特有的T型感應(yīng)技術(shù)能夠消除邊緣區(qū)域測(cè)量誤差，能實(shí)現(xiàn)重疊計(jì)數(shù)的檢測(cè)及校正，且滿足高濃度測(cè)量要求，屬于高精度光學(xué)粒徑譜儀。

使用AEROCET-831 PM濃度值檢測(cè)儀對(duì)西安市典型夜間土方工程項(xiàng)目揚(yáng)塵濃度進(jìn)行實(shí)例監(jiān)測(cè)采樣，并對(duì)揚(yáng)塵濃度變化趨勢(shì)展開分析。使用數(shù)據(jù)分析軟件SPSS對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)采樣到的PM2.5、PM10和TSP濃度值與溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。使用Welas-2000氣溶膠粒徑譜儀對(duì)土方施工現(xiàn)場(chǎng)揚(yáng)塵顆粒粒徑分布進(jìn)行測(cè)試，本次試驗(yàn)所測(cè)土方施工揚(yáng)塵顆粒粒徑范圍為0.5～100μm，粒徑測(cè)試范圍包含于Welas-2000量程范圍內(nèi)，并將測(cè)試結(jié)果與未進(jìn)行土方工程施工時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)及環(huán)境背景點(diǎn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 土方工程施工揚(yáng)塵濃度分析

測(cè)試自2017年8月1日20:00開始，至2017年8月20日06:00結(jié)束，數(shù)據(jù)的采集與記錄從晚20:00開始至次日早06:00結(jié)束。測(cè)試期間受降雨和施工單位施工安排的影響，選取施工工作內(nèi)容相同的3個(gè)連續(xù)晴朗夜晚的土方工程施工揚(yáng)塵濃度數(shù)值為典型代表，此測(cè)試區(qū)間內(nèi)TSP濃度、PM10濃度和PM2.5濃度隨時(shí)間序列的變化如圖1所示。由圖可知，此測(cè)試期間內(nèi)第二天的TSP濃度和PM10濃度變化較大，且出現(xiàn)短時(shí)間濃度峰值，濃度峰值與現(xiàn)場(chǎng)施工活動(dòng)及其劇烈程度有關(guān)，但其PM2.5濃度卻保持在相對(duì)較低水平范圍內(nèi)；第三天所測(cè)TSP濃度、PM10濃度和PM2.5濃度變化趨勢(shì)均趨于平穩(wěn)，數(shù)值上的變化量相較于第一天和第二天也有明顯減少；第二天PM10平均濃度高于第一天PM10平均濃度，但第二天PM2.5平均濃度則低于第一天PM2.5的平均濃度。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因在于，施工現(xiàn)場(chǎng)土方施工揚(yáng)塵濃度較復(fù)雜，既受施工現(xiàn)場(chǎng)具體施工活動(dòng)的影響又與氣象因子有關(guān)。

2.2 氣象因子對(duì)土方工程施工揚(yáng)塵濃度的影響

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)采樣所得PM2.5濃度、PM10濃度和TSP濃度以及風(fēng)速、溫度、濕度和風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，相關(guān)性結(jié)果見表1，由表可知PM2.5、PM10和TSP濃度與溫度和濕度呈正相關(guān)，與風(fēng)速和風(fēng)向呈負(fù)相關(guān)。土方工程施工作業(yè)過程中在挖掘機(jī)械的外力作用下以及運(yùn)輸車輛行進(jìn)過程中車輪的卷?yè)P(yáng)作用下，顆粒物濃度迅速上升，此時(shí)較大的風(fēng)速有助于現(xiàn)場(chǎng)土方施工揚(yáng)塵的稀釋和擴(kuò)散，緩解土方施工現(xiàn)場(chǎng)降塵壓力。PM2.5、PM10和TSP濃度與溫度呈正相關(guān)，主要是因?yàn)槲靼彩型练焦こ淌┕ぷ鳂I(yè)要求在夜間進(jìn)行，土方施工活動(dòng)強(qiáng)度隨之增大，環(huán)境溫度也隨夜間時(shí)間的流逝而逐步升高。PM2.5、PM10和TSP濃度與濕度呈正相關(guān)，主要是由于濕度較大時(shí)不利于土方施工揚(yáng)塵的擴(kuò)散。PM2.5、PM10和TSP濃度與風(fēng)向呈負(fù)相關(guān)，主要與城市主導(dǎo)風(fēng)向和土方工程施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試點(diǎn)的位置以及施工活動(dòng)的位置有關(guān)。

表1 顆粒物濃度與氣象因子間的相關(guān)性

續(xù)表1 顆粒物濃度與氣象因子間的相關(guān)性

**.Correlation is significant at the 0.01 level (2-tailed)

*.Correlation is significant at the 0.05 level (2-tailed)

2.3 粒徑分布特征

考慮到土方工程施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境空氣中揚(yáng)塵顆粒的粒徑分布同時(shí)受大氣環(huán)境顆粒物和土方工程施工揚(yáng)塵的共同影響，根據(jù)土方工程施工時(shí)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試所得揚(yáng)塵顆粒粒徑值，并與同一時(shí)段內(nèi)環(huán)境背景參考測(cè)點(diǎn)及工地未進(jìn)行土方工程施工作業(yè)時(shí)的大氣顆粒物粒徑分布進(jìn)行對(duì)比，對(duì)不同粒徑段的揚(yáng)塵顆粒物數(shù)量所占比率作圖，得出施工現(xiàn)場(chǎng)夜間土方施工揚(yáng)塵粒徑分布如圖2所示。由圖可以看出，施工現(xiàn)場(chǎng)大氣與背景監(jiān)測(cè)參考點(diǎn)測(cè)試的顆粒物粒徑分布基本一致，施工現(xiàn)場(chǎng)土方工程施工進(jìn)行過程中粒徑較大的顆粒物比例較高，粒徑大于等于10μm的顆粒物占比高達(dá)61.24%，可吸入顆粒物占比達(dá)33.52%。這是因?yàn)橥诰驒C(jī)械在行進(jìn)、挖掘和傾倒過程中由于機(jī)械外力排放至大氣環(huán)境中，土方清運(yùn)車輛行駛在基坑內(nèi)部和未鋪裝硬化道路上在車輪的帶動(dòng)作用下卷?yè)P(yáng)至環(huán)境空氣中，使得土方工程施工揚(yáng)塵總量增加。表明土方工程施工揚(yáng)塵是PM10和TSP的來源之一，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)及周邊環(huán)境空氣質(zhì)量和現(xiàn)場(chǎng)施工人員的身體健康產(chǎn)生影響。

施工現(xiàn)場(chǎng)大氣顆粒物PM2.5/PM10=0.34，PM10/TSP=0.83；土方工程施工過程中PM2.5/PM10=0.02，PM10/TSP=0.55。兩者的PM2.5/PM10均低于北京大氣環(huán)境0.4～0.6的比例[16]，這也說明土方工程施工排放的揚(yáng)塵中大粒徑顆粒占多數(shù)，這也符合土方工程揚(yáng)塵源的排放特性。土方工程施工過程中PM2.5/PM10數(shù)值明顯低于美國(guó)CARB建議值0.21[17]，數(shù)值同樣也低于香港的0.11～0.3[18]，由此亦可表明西安市夜間土方工程施工揚(yáng)塵對(duì)西安市環(huán)境大氣中PM2.5的貢獻(xiàn)能力有限。

圖2 顆粒物粒徑分布比較

3 結(jié)論

為探究土方工程施工揚(yáng)塵排放特征，論文對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)揚(yáng)塵濃度變化趨勢(shì)、氣象因子對(duì)揚(yáng)塵排放的影響以及土方施工揚(yáng)塵的粒徑分布進(jìn)行了分析，并得出如下結(jié)論。

（1）土方工程施工過程中施工現(xiàn)場(chǎng)揚(yáng)塵顆粒物濃度高于未施工狀態(tài)下施工現(xiàn)場(chǎng)大氣顆粒物濃度和背景參考測(cè)點(diǎn)顆粒物濃度值，測(cè)試期間TSP濃度和PM10濃度值變化較大，且出現(xiàn)短時(shí)間濃度峰值，濃度峰值與現(xiàn)場(chǎng)施工活動(dòng)及其劇烈程度有關(guān)，施工現(xiàn)場(chǎng)土方施工揚(yáng)塵既受具體施工活動(dòng)的影響又與氣象因子有關(guān)。

（2）施工現(xiàn)場(chǎng)土方施工作業(yè)時(shí)PM2.5、PM10和TSP顆粒物濃度與溫度和濕度呈正相關(guān)，與風(fēng)速和風(fēng)向呈負(fù)相關(guān)。濕度較高時(shí)不利于土方施工揚(yáng)塵的擴(kuò)散，風(fēng)速的適宜增大則有助于施工現(xiàn)場(chǎng)揚(yáng)塵的擴(kuò)散，有效降低土方施工區(qū)域的污染水平。

（3）未進(jìn)行土方施工時(shí)施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境大氣顆粒物粒徑與背景參考點(diǎn)顆粒物粒徑分布基本一致，土方施工狀態(tài)下粒徑較大的顆粒物所占比例高于前兩者，粒徑大于等于10μm的顆粒物占比高達(dá)61.24%，亦表明土方工程施工揚(yáng)塵是西安市環(huán)境大氣PM10和TSP的來源之一，工地內(nèi)土方清運(yùn)車輛及土方施工活動(dòng)均為重要揚(yáng)塵源。

（4）施工現(xiàn)場(chǎng)從事土方作業(yè)時(shí)PM2.5:PM10: TSP=0.01:0.55:1，西安市夜間土方工程施工揚(yáng)塵對(duì)西安市環(huán)境大氣中PM2.5的貢獻(xiàn)能力有限。

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Analysis on the Characteristics of Dust Emission from Earthwork Construction at Night in Xi'an

Liu Jiaming1Di Yuhui1Mei Yuan2Wang Xueyan1

( 1.Xi'an Polytechnic University,College of chemistry and environmental engineering,Xi'an 710048;2.Xi`an University of Architecture and Technology, Civil Engineering Institute, Xi'an, 710055 )

In order to explore the dust emission characteristics of earthwork construction, based on the values of dust concentration and particle size of dust collected and detected at the site of earthwork, the change of dust concentration at construction site, the influence of meteorological factors on dust emission and earthwork construction Dust particle size distribution characteristics be resolved. The results showed that during the test period, the TSP concentration and PM10 concentration changed greatly, and the short-time concentration peak appeared. The dust of earthwork construction on the construction site was affected not only by the concrete construction activities but also with the meteorological factors. The concentration of PM2.5, PM10 and TSP at earthwork construction site at construction site was positively correlated with temperature and humidity, negatively correlated with wind speed and wind direction. The proportion of particles with larger particle size in earthwork construction is higher than the atmosphere and background value in construction site, and the proportion of particulates with particle size not less than 10μm accounts for 61.24%. The earthwork construction dust is one of the sources of PM10 and TSP in Xi'an, Internal transport vehicles and earthwork construction activities are all important dust sources. PM2.5:PM10:TSP=0.01:0.55:1 for earthwork operation, and the contribution of construction dust from earthwork at night to PM2.5 in Xi'an's ambient atmosphere is limited.

Earthwork; construction dust; meteorological factors;correlation; particle size distribution

X706

A

1671-6612（2019）03-332-05

陜西省教育廳產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目資助（項(xiàng)目編號(hào)：15JF017）；

西安市科技局高校院所人才服務(wù)企業(yè)工程項(xiàng)目資助（項(xiàng)目編號(hào)：2017074CG/RC037(XAGC012)）

劉嘉明（1993.10-），男，在讀研究生，E-mail：1318165612@qq.com

狄育慧（1964.02-），女，博士，教授，E-mail：470836165@qq.com

2018-06-13