唐斌雁，陳軍輝，范武波，馮小瓊

(四川省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，成都 610041)

成都市作為我國(guó)西南地區(qū)經(jīng)濟(jì)核心正經(jīng)歷著前所未有的快速發(fā)展，城市規(guī)模在保持著較高的發(fā)展水平的同時(shí)，其大氣環(huán)境質(zhì)量也承受著巨大的壓力。近年來(lái)，相關(guān)學(xué)者對(duì)大氣環(huán)境污染也開(kāi)展了多方面的研究，包括污染源排放清單建立[1～3]，大氣顆粒物的組分特征、來(lái)源解析[4]，冬季灰霾及夏季臭氧[5]等。其中大氣顆粒物是影響人體健康、造成大氣污染的重要污染物之一[6～10]，而揚(yáng)塵則是我國(guó)大部分地區(qū)PM10的重要來(lái)源[10～15]。

在1997年，美國(guó)研究的排放清單中明確提出，建筑施工源排放的PM10與PM2.5分別占其排放總量的13.5%與15.6%[16]。國(guó)內(nèi)對(duì)揚(yáng)塵源的研究主要集中在京津冀[17～19]、珠三角[20-21]等區(qū)域，而關(guān)于成都地區(qū)的揚(yáng)塵排放研究則相對(duì)較少。由于成都地處四川盆地，受先天地形限制，氣象擴(kuò)散條件較差，揚(yáng)塵污染也尤為突出。張彩艷在研究中提出，成都地區(qū)的揚(yáng)塵源對(duì)成都市顆粒物的貢獻(xiàn)在PM10與PM2.5中分別為24%～29%和19%～22%之間，是成都市大氣環(huán)境污染的主要排放源之一[22]。近年由于成都市建筑規(guī)模不斷增長(zhǎng)，建筑揚(yáng)塵對(duì)當(dāng)?shù)卮髿猸h(huán)境污染貢獻(xiàn)較為突出，空氣質(zhì)量的改善面臨著較大的壓力。如何有效控制建筑揚(yáng)塵污染，改善城市大氣環(huán)境質(zhì)量是當(dāng)前面臨的重要問(wèn)題之一。

為了掌握成都市建筑揚(yáng)塵的排放特征，了解建筑揚(yáng)塵空間擴(kuò)散規(guī)律,本文通過(guò)對(duì)成都市典型工地的揚(yáng)塵排放進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，分析了在獨(dú)特天氣形式下的揚(yáng)塵排放特征，借助觀測(cè)結(jié)果及高斯擴(kuò)散模型研究了成都市建筑揚(yáng)塵的擴(kuò)散規(guī)律。明確建筑揚(yáng)塵空間擴(kuò)散規(guī)律, 對(duì)于計(jì)算建筑揚(yáng)塵排放量和制定相關(guān)控制措施具有重要的意義。

1 研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與校準(zhǔn)

本文采用在線監(jiān)測(cè)設(shè)備來(lái)監(jiān)測(cè)揚(yáng)塵濃度，設(shè)備為美國(guó)TSI公司的Dusttrak。該設(shè)備可以同時(shí)測(cè)量質(zhì)量濃度和粒徑尺寸，自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)資料。在測(cè)試工作開(kāi)展之前，本研究采用四通道大氣顆粒物智能采樣儀對(duì)Dusttrack進(jìn)行了校準(zhǔn)，具體操作為：同時(shí)將四通道采樣儀與Dusttrack放置在施工工地廠界外同一點(diǎn)位處進(jìn)行采樣，四通道設(shè)備配備PM10切割頭，采樣濾膜為石英膜，每小時(shí)換一張濾膜，連續(xù)監(jiān)測(cè)12h，通過(guò)重量法分析得到監(jiān)測(cè)濃度，以此對(duì)Dusttrack在線監(jiān)測(cè)濃度進(jìn)行校準(zhǔn)，通過(guò)調(diào)整Dusttrack內(nèi)置參數(shù)，使在線監(jiān)測(cè)值接近離線重量采樣值。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

對(duì)于實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)，本文選取了受其他人為源影響較少、四周無(wú)高大建筑物、無(wú)同期施工的工地，在圍檔外沿正東西方向從圍檔邊界外5m處開(kāi)始監(jiān)測(cè)揚(yáng)塵濃度，每隔5m或10m設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，使用Dusttrack測(cè)試每個(gè)點(diǎn)位濃度，記錄工地廠界外的濃度變化。測(cè)試過(guò)程中最大程度減小其他人為源的干擾。

1.3 實(shí)驗(yàn)原理

本研究參考田剛[23]、張?chǎng)╂肹24]等相關(guān)研究人員研究過(guò)程，把施工工地看做面源源進(jìn)行處理，并使用高斯模式進(jìn)行建模。要使用高斯模式需滿足以下條件：①污染物在水平方向的分布符合高斯分布；②風(fēng)速和源強(qiáng)需要是均勻、穩(wěn)定的；③污染物在擴(kuò)散過(guò)程中質(zhì)量守恒。則地面連續(xù)點(diǎn)源的高斯擴(kuò)散模式可表示為：

(1)

式中：

C1為地面點(diǎn)源下風(fēng)向空間任一點(diǎn)的污染物濃度；

Q為源強(qiáng)；

u為平均風(fēng)速；

σz、σy為分別為垂直和橫向的擴(kuò)散參數(shù)。

令z=0,y=0可得地面源地面軸線濃度公式：

(2)

式中:

C2為地面源地面軸線濃度。

上述公式中參數(shù)σyσz并沒(méi)有確定，這里使用帕斯奎爾擴(kuò)散曲線法來(lái)確定擴(kuò)散參數(shù)。當(dāng)符合帕斯奎爾擴(kuò)散曲線條件時(shí)，地面面源軸線擴(kuò)散模式可以寫成以下模式：

(3)

式中k1為計(jì)算地面面源軸線擴(kuò)散濃度的有關(guān)常數(shù)。

2 結(jié)果與分析

本研究中揚(yáng)塵擴(kuò)散模式的數(shù)據(jù)來(lái)源為在2016年現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的40個(gè)建筑工地，包括22個(gè)土方開(kāi)挖階段工地和18個(gè)其他排放階段的工地，這部分工地四周開(kāi)闊，無(wú)其他同期施工工地，受其他人為源、建筑物阻擋影響較少，能夠較為準(zhǔn)確的反應(yīng)成都市建筑揚(yáng)塵的擴(kuò)散情況。建筑揚(yáng)塵的采樣點(diǎn)位設(shè)置為：在工地外界5～100m以內(nèi)以均勻的距離(5m或10m)增加點(diǎn)位，使用Dusttrack測(cè)試每個(gè)點(diǎn)位濃度，記錄了工地廠界外的濃度變化，得到了每類施工工地建筑揚(yáng)塵排放濃度的擴(kuò)散實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合高斯擴(kuò)散模型以此為依據(jù)研究了揚(yáng)塵擴(kuò)散規(guī)律。本文測(cè)試揚(yáng)塵數(shù)據(jù)濃度均指PM10的濃度，且并未扣除周邊環(huán)境中PM10的本底濃度。

2.1 氣象要素對(duì)揚(yáng)塵濃度影響

建筑揚(yáng)塵起塵主要受風(fēng)速影響[25～27]，風(fēng)力是作用于顆粒物外力的主要來(lái)源之一，作用于顆粒物的外力接近某一臨界值f，少數(shù)顆粒物受到該作用力的影響開(kāi)始在原位置振動(dòng)。當(dāng)外力超過(guò)f時(shí)，振動(dòng)也隨之加強(qiáng)，迎面阻力和上升力就相應(yīng)增大，并足以克服重力作用。也就是說(shuō)，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定程度時(shí)，能夠?qū)е陆ㄖP(yáng)塵的產(chǎn)生。

圖1為成都市風(fēng)速和此次測(cè)試的40個(gè)建筑工地在圍欄外5m處的揚(yáng)塵排放濃度(此次測(cè)試濃度最高點(diǎn))的影響相關(guān)性，從圖中可以看出成都市平均風(fēng)速整體偏小，所測(cè)試工地的風(fēng)速整體較小，主要集中在1.5m/s以下，平均風(fēng)速約在1m/s左右，隨著風(fēng)速的不斷增加，顆粒物排放濃度呈現(xiàn)微弱的下降趨勢(shì)。因?yàn)槌啥际姓w風(fēng)速偏小，且平均風(fēng)速約在1m/s左右，故可以把公式(3)寫為:

圖1 成都市風(fēng)速對(duì)建筑揚(yáng)塵排放濃度的影響Fig.1 Inflaence of Wind Speed on Emission Concentration of Building Dust in Chengdu

2.2 建筑揚(yáng)塵擴(kuò)散基本規(guī)律

圖2是這次所測(cè)施工工地建筑揚(yáng)塵水平擴(kuò)散點(diǎn)位監(jiān)測(cè)結(jié)果匯總。圖中每種顏色的點(diǎn)代表一個(gè)工地。從圖中可以看出，隨著距離增加，揚(yáng)塵濃度開(kāi)始逐漸下降，在前20m揚(yáng)塵濃度下降很快，可以下降至原濃度一半左右，之后濃度下降速度漸漸緩慢，在 80～100m處濃度幾乎不變，慢慢達(dá)到一個(gè)平衡。

圖2 建筑揚(yáng)塵水平擴(kuò)散點(diǎn)位監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.2 Monitoring results of building construction dust

從圖2可以看出，施工揚(yáng)塵濃度△C隨距離(5～100m)的變化基本符合雙曲線的變化關(guān)系，參考田剛[18]等在2008年的研究結(jié)果且經(jīng)過(guò)初步回歸分析，可以確定水平擴(kuò)散方程為：

(4)

式中，△C為圍擋外某點(diǎn)離地1.5m高處的施工揚(yáng)塵濃度(mg/m3)，N為水平擴(kuò)散常數(shù)(mg/m)，l為圍擋外揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離圍擋的長(zhǎng)度(m)，l0為等效逸散初始距離，和揚(yáng)塵面源面積大小有關(guān)(m)。

2.3 擴(kuò)散模型

因?yàn)閾P(yáng)塵濃度數(shù)據(jù)基本符合雙曲線的變化規(guī)律，為了方便計(jì)算，我們把公式(4)兩邊開(kāi)根號(hào)并取其倒數(shù)，可以把公式(4)轉(zhuǎn)換為：

(5)

為了更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膮^(qū)分揚(yáng)塵濃度與距離的關(guān)系，我們把工地按揚(yáng)塵濃度按照施工階段的不同分成了幾個(gè)組，土方開(kāi)挖、土方回填階段分別為施工揚(yáng)塵濃度大于0.65mg/m3、施工揚(yáng)塵濃度在0.55～0.65 mg/m3之間與施工揚(yáng)塵濃度在0.3～0.55 mg/m3之間三個(gè)組；其他階段分為施工揚(yáng)塵濃度在0.15～0.3 mg/m3之間、施工揚(yáng)塵濃度在0.07～0.15 mg/m3之間、以及施工揚(yáng)塵濃度小于0.07 mg/m3三個(gè)組。

將隨距離變化的揚(yáng)塵數(shù)據(jù)帶入公式(5)中進(jìn)行回歸，得出在土方開(kāi)挖和土方回填過(guò)程下的揚(yáng)塵水平擴(kuò)散方程中的N值與l0的值，詳見(jiàn)表1。

表1 建筑揚(yáng)塵水平擴(kuò)散回歸方程式求解值Tab.1 Solution of Horizontal Diffusion Regression Equation of building dust

圖3 揚(yáng)塵水平擴(kuò)散規(guī)律Fig.3 Horizontal diffusion law of building construction dust

其他施工階段數(shù)據(jù)處理方法和土方階段相同，同樣是將△C隨距離變化的揚(yáng)塵數(shù)據(jù)帶入公式(4)中進(jìn)行回歸，得出在其他施工階段中的揚(yáng)塵水平擴(kuò)散方程中的N值與l0的值，詳見(jiàn)表2。

表2 建筑揚(yáng)塵水平擴(kuò)散回歸方程式求解值Tab.2 Solution of Horizontal Diffusion Regression Equation of buitling dust

圖4 揚(yáng)塵水平擴(kuò)散規(guī)律Fig.4 Horizontal diffusion law of building construction dust

2.4 揚(yáng)塵擴(kuò)散規(guī)律模型結(jié)果修正

從上文可看出，在不同階段不同濃度的水平擴(kuò)散方程式中，水平擴(kuò)散常數(shù)N相差較大，這與田剛的研究也非常符合。水平擴(kuò)散常數(shù)N最大值與最小值相差4倍多，可見(jiàn)N與施工揚(yáng)塵污染強(qiáng)度有關(guān)，污染強(qiáng)度越大，N值也越大。雖然對(duì)具體的工地來(lái)說(shuō)，N是一個(gè)確定的值，但是對(duì)于不同的工地來(lái)說(shuō)，N值是變化的，所以我們可以得出：

(6)

式中C為施工工地?fù)P塵濃度(mg/m3)，a為修正系數(shù)(mg/m3)，N0為具體的水平擴(kuò)散常數(shù)(mg/m)，在這里具體指的是上文求出的各具體水平擴(kuò)散常數(shù)值。

把公式(4)與公式(6)結(jié)合可以得到：

(7)

表3 a值計(jì)算結(jié)果Tab.3 The calculating results of value a

綜上可得成都市建筑揚(yáng)塵的水平擴(kuò)散規(guī)律公式見(jiàn)表4。

表4 建筑揚(yáng)塵的水平擴(kuò)散規(guī)律Tab.4 Horizontal diffusion law of building construction dust

式中△C為圍擋外某點(diǎn)離地1.5m高處的施工揚(yáng)塵濃度(mg/m3)，C為施工工地?fù)P塵濃度(mg/m3)，a為修正系數(shù)(mg/m3)，N0為水平擴(kuò)散常數(shù)(mg/m)，l為圍擋外揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離圍擋的長(zhǎng)度(m)，l0為等效逸散初始距離，和揚(yáng)塵面源面積大小有關(guān)。

3 結(jié) 論

3.1 當(dāng)施工揚(yáng)塵濃度>0.65 mg/m3時(shí)，水平擴(kuò)散常數(shù)為916.5 mg/m，等效逸散初始距離為29.92 m；當(dāng)施工揚(yáng)塵濃度在0.15～0.65 mg/m3之間時(shí)，水平擴(kuò)散常數(shù)在1 066.3～1 847.6 mg/m之間，等效逸散初始距離在37.2～63.6 m之間；當(dāng)施工揚(yáng)塵濃度≤0.15 mg/m3時(shí)，水平擴(kuò)散常數(shù)在411.1～718.3 mg/m之間，等效逸散初始距離在63.6～95.7 m之間。施工揚(yáng)塵濃度越大，等效逸散初始距離越短。

3.2 成都地區(qū)普遍風(fēng)速偏小，風(fēng)速對(duì)成都市建筑揚(yáng)塵影響較小。

3.3 建筑工地邊界外部，在同一高度、同一方向的建筑揚(yáng)塵濃度與建筑工地邊界的距離相關(guān)性較好，揚(yáng)塵濃度隨距離的增加而遞減,在80～100m處達(dá)到平衡。

3.4 建筑揚(yáng)塵擴(kuò)散濃度與施工工地源強(qiáng)有關(guān)，源強(qiáng)越大，在相同距離、相同高度的建筑揚(yáng)塵濃度越高，且源強(qiáng)越大，等效逸散初始距離越短，但水平擴(kuò)散常數(shù)差異不大。