范武波,陳軍輝,唐斌雁,馮小瓊,駱麗紅

(1.四川省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院,成都 610041；2.四川大學(xué),成都 610207)

前 言

建筑施工揚(yáng)塵是城市揚(yáng)塵的主要來源之一，不僅嚴(yán)重影響人體健康，而且大大降低了大氣能見度，對大氣環(huán)境和人類活動都產(chǎn)生了較為不利的影響[1～3]。近年來，四川省相繼發(fā)布了《四川省建筑工程揚(yáng)塵污染防治技術(shù)導(dǎo)則》[4]《四川省建筑施工場地?fù)P塵排放標(biāo)準(zhǔn)》[5]等文件，對控制全省揚(yáng)塵排放具有重要指導(dǎo)監(jiān)督作用。建筑揚(yáng)塵排放清單是評估揚(yáng)塵排放量的重要指標(biāo)，也是開展建筑揚(yáng)塵污染防控的科學(xué)基礎(chǔ)，通過建立研究區(qū)域內(nèi)高時空分辨率的施工揚(yáng)塵排放清單，不僅可以識別該區(qū)域內(nèi)施工揚(yáng)塵排放的重點(diǎn)區(qū)域及重點(diǎn)時段，還能掌握施工揚(yáng)塵對大氣污染的貢獻(xiàn)率，為開展施工揚(yáng)塵污染防控提供數(shù)據(jù)支撐[6～8]。

通常，學(xué)者采用自下而上的排放因子法來建立施工揚(yáng)塵排放清單[9～15]，其中揚(yáng)塵排放因子等關(guān)鍵參數(shù)多是參考《揚(yáng)塵源顆粒物排放清單編制技術(shù)指南》[16]，這種方法也得到了廣泛應(yīng)用，如薛亦峰[17]等采用排放因子法建立了北京市2008～2015年的施工揚(yáng)塵排放清單，結(jié)果表明2015年北京市施工揚(yáng)塵排放的TSP、PM10和PM2.5分別為14.41、7.06和1.47萬t；肖晗[18]等采用兩套不同的實(shí)測排放因子建立了2017年西安市的建筑揚(yáng)塵排放清單，PM10的排放量約為6.8～10.8萬t，PM2.5約為1.4～2.2萬t；楊楊[19]等采用實(shí)測排放因子估算了2012年珠三角地區(qū)建筑施工揚(yáng)塵排放量約為3.52萬t。實(shí)際上，建筑揚(yáng)塵排放量與當(dāng)?shù)氐氖┕顩r、抑塵措施等密切相關(guān)，只有對研究區(qū)域內(nèi)建筑工地的施工工況、抑塵措施及控制效率等參數(shù)進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，才能建立更準(zhǔn)確的排放清單。

廣元作為川北門戶在近幾年得到了快速發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，隨之而來的施工揚(yáng)塵排放問題也日趨明顯，尤其是當(dāng)?shù)仫L(fēng)速相對較大[20]，較易起塵，但尚未見到與之相關(guān)的研究報道。本研究采用排放因子法估算了2010～2019年廣元市房屋建筑施工揚(yáng)塵排放量，探討了近年來的變化趨勢，分析了2019年廣元市施工揚(yáng)塵的時間和空間分布特征，并選取市區(qū)某典型工地進(jìn)行擴(kuò)散特征模擬，以期為廣元市施工揚(yáng)塵防治提供數(shù)據(jù)支撐。

1 數(shù)據(jù)與研究方法

1.1 排放清單建立方法

本研究參考生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《揚(yáng)塵源顆粒物排放清單編制指南(試行)》[16]中提供的總體估算方法來計(jì)算廣元市揚(yáng)塵排放量，計(jì)算公式為：

Wi=Ei×A×T

(1)

Ei=2.69×10-4×(1-η)

(2)

式中：Wi為施工揚(yáng)塵源中PMi的總排放量，t/a；Ei為整個施工工地PMi的平均排放系數(shù)，t/(m2·月)；A為施工區(qū)域面積，m2；T為工地的施工月份數(shù)，一般按施工天數(shù)/30計(jì)算；η為污染控制技術(shù)對揚(yáng)塵的去除效率，%，多種措施同時開展的，取控制效率最大值。實(shí)際上，該公式適用于總體估算整個建筑施工區(qū)域的排放總量，PM10和PM2.5排放量可根據(jù)施工積塵的粒徑分布情況估算獲得，參考粒徑系數(shù)為：PM10為0.49、PM2.5為0.1。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究采用查閱統(tǒng)計(jì)年鑒[21]、走訪調(diào)研、企業(yè)填報、部門提供等方式獲取2010-2019年間廣元市建筑施工區(qū)域面積、控制措施對揚(yáng)塵的去除效率等數(shù)據(jù)，分別如表1和表2所示。

表1 2010～2019年廣元市房建施工面積Tab.1 Housing construction area in Guangyuan from 2010 to 2019 (104m2)

表2 施工揚(yáng)塵控制措施及效率Tab.2 Construction dust control measures and efficiency (%)

通過實(shí)際調(diào)研可知，不同季節(jié)采用的抑塵措施略有變化，其中春夏季節(jié)多采用圍擋、灑水、噴霧、清掃等，秋冬季節(jié)多采用防塵網(wǎng)、灑水等措施，而道路硬化等措施則極少采用。根據(jù)每個季節(jié)采取的控制措施及公式(2)計(jì)算得到廣元市春、夏、秋、冬四個季節(jié)施工揚(yáng)塵的平均排放因子，結(jié)果如表3所示。其中，2015年起對揚(yáng)塵排放管控較嚴(yán)格，其排放因子略有降低，本研究在平均排放因子的基礎(chǔ)上降低5%作為2015年以后的排放因子。

表3 廣元市不同季節(jié)施工揚(yáng)塵平均排放因子Tab.3 Average emission factors of construction dust in different seasons in Guangyuan

1.3 空間分布

研究采用 ArcGIS 將2019年廣元市房建施工揚(yáng)塵的排放量進(jìn)行3km×3km分配，其空間分配系數(shù)主要來自于房建工地的地理位置分布情況。

1.4 典型工地?cái)U(kuò)散特征模擬

采用CALPUFF模型對2019年廣元市某工地施工揚(yáng)塵PM2.5的擴(kuò)散特征進(jìn)行模擬。CALPUFF包含氣象模塊(CALMET)、擴(kuò)散模塊(CALPUFF)和后處理模塊(CALPOST)3部分，適用于幾十米到幾百公里的污染擴(kuò)散模擬，是我國推薦的大氣環(huán)境影響評價的法規(guī)模型之一，在行業(yè)內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用[22～26]。本文以廣元市利州區(qū)某土方作業(yè)階段的工地為例進(jìn)行施工揚(yáng)塵擴(kuò)散模擬研究，圖1為本研究的模擬區(qū)域，網(wǎng)格數(shù)為52×36，精度為0.1km，模擬時段為2019年1，4，7，10月。

本次模擬所需要的常規(guī)地面氣象觀測資料通過廣元市利州區(qū)氣象站提供，距離模擬工地直線距離2.30km，探空氣象資料由WRF模式提供(參數(shù)設(shè)置見表4)，模擬網(wǎng)格精度為1km×1km，其結(jié)果經(jīng)CALWRF處理后輸出為3d.dat用于CALMET.

ABCD區(qū)域?yàn)檠芯抗さ厮谖恢?，建筑工地西南角B和東北角D的地理坐標(biāo)分為別(32°27′33.84″N,105°51′7.20″E)和(32°27′49.68″N,105°51′28.80″E)，模擬區(qū)域左下角和右上角的地理坐標(biāo)分別為(32°26′40.27″N,105°49′37.52″E)和(32°28′34.46″N,105°52′55.27″E) 圖1 廣元市模擬實(shí)驗(yàn)工地Fig.1 The simulation experiment site in Guangyuan

研究區(qū)域的地形數(shù)據(jù)為航天飛機(jī)雷達(dá)地形測繪任務(wù)(SRTM)的90m分辨率的數(shù)字地面高程，土地利用數(shù)據(jù)為美國地質(zhì)勘探局(USGS)，精度為1 000m。

表4 WRF模式參數(shù)設(shè)置Tab.4 Parameter settings of WRF

模擬區(qū)域揚(yáng)塵排放強(qiáng)度依據(jù)公式(1)和(2)計(jì)算，根據(jù)對該工地的現(xiàn)場調(diào)查，年施工時間約為268d，施工揚(yáng)塵控制效率約為38%，獲取排放源強(qiáng)約為1.49×10-4t/(m2·a)。

2 結(jié)果與討論

2.1 排放清單

圖2展示了2010～2019年間廣元市房建施工揚(yáng)塵PM10和PM2.5的排放量。整體看來，十年間廣元市房建施工揚(yáng)塵排放量逐漸增加，年均增長率達(dá)到9.80%。其中，2010～2016年間增勢明顯，PM10和PM2.5分別從830.25t和192.99t增加到1948.35t和452.90t，年均增長率達(dá)到15.28%；2016～2019年P(guān)M10和PM2.5的排放量逐步趨于穩(wěn)定，分別在1925.90～2120.50t和447.68～492.91t之間波動。

圖2 廣元市房建施工揚(yáng)塵排放清單Fig.2 Construction dust emission inventory of Guangyuan

從季節(jié)變化特征來看，春季排放的PM10和PM2.5最高，其次為冬季和秋季，夏季排放量最小。以2019年為例，春季(3～5月)、夏季(6～8月)、秋季(9～12月)、冬季(12月、1月、2月)排放的PM10分別為572.12、415.02、436.48、502.28t，排放的PM2.5分別為129.92、99.12、101.07和117.58t。這可能是由于春季、冬季等時段灑水、清掃等抑塵措施執(zhí)行率低，導(dǎo)致排放量較高；秋季和夏季等時段雨水相對較多，尤其是夏季灑水頻率較高，控制措施較為嚴(yán)格，抑制了揚(yáng)塵的排放。

2.2 空間分布特征

本研究采用ArcGIS對2019年廣元市房建施工排放量進(jìn)行3km×3km分配，結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，廣元市房建施工揚(yáng)塵排放的PM10主要集中在利州區(qū)中部、青川縣中西部、劍閣縣中部和北部，而朝天區(qū)、昭化區(qū)、旺蒼縣及蒼溪縣的排放量相對較低，分布也較零散，PM10最大排放強(qiáng)度超過1.54t/km2，最小排放量則低于0.13t/km2。PM2.5的空間分布特征與PM10存在一定差異，主要分布在利州區(qū)中部、青川縣中部、劍閣縣中部和北部、旺蒼縣南部以及蒼溪縣的西南部，而朝天區(qū)、昭化區(qū)等排放量相對較小，PM2.5最大排放強(qiáng)度超過0.34t/km2，最小排放量則低于0.03t/km2。

圖3 2019年廣元市房建施工揚(yáng)塵排放清單Fig.3 Construction dust emission inventory of Guangyuan in 2019

據(jù)四川省統(tǒng)計(jì)年鑒[21]顯示，2018年末廣元市三區(qū)四縣的城鎮(zhèn)化率(城鎮(zhèn)人口/常住人口)分別為：利州區(qū)72.05%，昭化區(qū)36.21%，朝天區(qū)37.75%，旺蒼縣42.41%，青川縣36.17%，劍閣縣40.03%，蒼溪縣37.11%，房地產(chǎn)開發(fā)投資額分別為：利州區(qū)625 669萬元，昭化區(qū)11 873萬元，朝天區(qū)11 691萬元，旺蒼縣29 077萬元，青川縣12 077萬元，劍閣縣51 212萬元，蒼溪縣107 334萬元。綜合對比揚(yáng)塵排放空間分布可以發(fā)現(xiàn)，在城鎮(zhèn)化率和房地產(chǎn)開發(fā)投資額較高的利州區(qū)、劍閣縣、蒼溪縣等地?fù)P塵排放則較嚴(yán)重。這說明，城鎮(zhèn)化率、房地產(chǎn)開發(fā)投資等是影響廣元市房建揚(yáng)塵排放的重要因素，當(dāng)?shù)卦陂_展房建施工揚(yáng)塵污染防治時應(yīng)重點(diǎn)考慮利州區(qū)、劍閣縣、蒼溪縣等地。

2.3 排放特征模擬結(jié)果

圖4是基于CALPUFF模擬的2019年該工地1，4，7，10月的月均濃度擴(kuò)散結(jié)果，鑒于模擬邊界處施工揚(yáng)塵濃度太低，因此選取擴(kuò)散濃度大于2×10-5mg/m3的部分進(jìn)行作圖。從圖中可以看出，4個季節(jié)的模擬結(jié)果都呈現(xiàn)出向東南方向擴(kuò)散的趨勢，這與廣元市的風(fēng)場具有較大關(guān)系。廣元地處四川北部，常年盛行西北風(fēng)，從而導(dǎo)致4個月的建筑揚(yáng)塵月均模擬結(jié)果都向東南方向擴(kuò)散。另外從圖中還可以看出，4個月的揚(yáng)塵濃度模擬高值均出現(xiàn)在工地中心附近，濃度約為0.001 3mg/m3，在下風(fēng)向距離中心點(diǎn)600m左右降至0.000 3mg/m3，而其他方位上則大約在300～400m左右降至0.000 3mg/m3，這說明施工場地排放的揚(yáng)塵對周圍約600m范圍內(nèi)的污染影響更突出，該研究結(jié)果與課題組前期對成都市新都區(qū)某工地開展的模擬結(jié)果[27]較為一致。因此，建議當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門在開展揚(yáng)塵污染防治時候，應(yīng)當(dāng)在房建工地周邊600m范圍內(nèi)的區(qū)域?qū)嵤└鼮閲?yán)格的管控措施，從而降低對周邊大氣環(huán)境的影響。

圖4 測試工地?fù)P塵擴(kuò)散模擬結(jié)果Fig.4 Simulation results of dust diffusion trend at test construction site

3 結(jié) 論

3.1 2010～2019年廣元市房建施工揚(yáng)塵排放量逐步增加，2019年P(guān)M2.5和PM10的排放量分別達(dá)到1 925.90t和471.24t，年均增長率達(dá)到447.68%。

3.2 從時間分布特征來看，廣元市房建施工揚(yáng)塵在春季排放最高，其次為冬季和秋季，夏季排放量最??；從空間分布來看，廣元市房建施工揚(yáng)塵的高排放區(qū)為利州區(qū)、劍閣縣、蒼溪縣等地的建城區(qū)。

3.3 對廣元市某房建工地的模擬結(jié)果表明，風(fēng)場對當(dāng)?shù)胤拷ㄊ┕P(yáng)塵擴(kuò)散具有重要影響，主要向東南方向擴(kuò)散，重點(diǎn)影響范圍為施工區(qū)域周邊600m范圍。

3.4 廣元市房建施工揚(yáng)塵排放呈現(xiàn)出逐年增加的趨勢，建議當(dāng)?shù)卣畱?yīng)當(dāng)采取更具針對性的措施對施工揚(yáng)塵加以管控，從而進(jìn)一步提高廣元市大氣環(huán)境質(zhì)量。