西安市夜間土方工程施工揚塵排放特征分析

劉嘉明 狄育慧 梅 源 王雪艷

西安市夜間土方工程施工揚塵排放特征分析

劉嘉明1狄育慧1梅 源2王雪艷1

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

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

土方工程；施工揚塵；氣象因子；相關性；粒徑分布

0 引言

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

據(jù)資料報道，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)域內揚塵濃度較其他區(qū)域揚塵濃度明顯偏高，不同區(qū)域揚塵污染情況差異顯著[4]。成都市一處典型土方施工項目，其基坑挖掘與回填施工階段揚塵產(chǎn)塵量占施工項目總揚塵量的32%[5]。田剛計算得到北京市近郊40余處施工工地的TSP排放因子是AP-42推薦計算排放因子的1.83倍[6]。

土方施工階段產(chǎn)塵量較多且強度波動較大[7]，目前土方工程施工多集中于夜間進行，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地為例，場地內部揚塵粒徑分布呈雙峰型，峰值粒徑范圍在3.2～5.6μm和10～18μm[10]。在風場的卷揚作用下，揚塵顆粒進入大氣環(huán)境，且這類顆粒的粒徑不大于10μm[11]。大粒徑顆粒物卷揚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濃度與相對濕度呈負相關但這也與文獻[13]的研究結論存在差異。針對不同研究區(qū)域[15]，氣象因子與揚塵濃度之間的相關性也不盡相同。

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

本文選取西安市典型土方工程施工項目實例，通過現(xiàn)場夜間監(jiān)測采樣得到的土方工程施工揚塵及氣象參數(shù)等數(shù)據(jù)，旨在研究夜間施工現(xiàn)場內土方施工揚塵排放特征。對施工現(xiàn)場揚塵濃度變化趨勢、氣象因子對揚塵排放的影響以及土方施工揚塵的粒徑分布進行分析，以期對土方施工揚塵的污染控制提供理論基礎。

1 試驗方法

選擇西安市內人口密集區(qū)典型黃土土方工程施工現(xiàn)場為本次研究測試地點，針對施工現(xiàn)場的中部和南側地區(qū)展開監(jiān)測。其主要施工活動為基坑挖掘和土方清運，施工現(xiàn)場中部區(qū)域為基坑挖掘施工作業(yè)區(qū)，測試點北側為工地內部硬化道路，渣土車從北側道路進入基坑和南側土方清運區(qū)域，車輛滿載后從測試點西側硬化道路駛出。挖掘機械施工時和車輛通過時有明顯可見的揚塵起揚。測試儀器包括美國AEROCET-831四通道PM濃度值檢測儀一臺、德國Welas-2000氣溶膠粒徑譜儀一臺和便攜式自動氣象站一臺等。

AEROCET-831四通道PM濃度值檢測儀，可同時測量和記錄4種空氣中可吸入顆粒物濃度值，亦可測量環(huán)境空氣中總懸浮顆粒物TSP的濃度值。便攜式自動氣象站可實時連續(xù)測量監(jiān)測區(qū)域內溫度、相對濕度、風速及風向等參數(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塵顆粒，檢測單元在90°散射角處接收揚塵顆粒的散射信號，再由信號處理單元統(tǒng)計匯總得出土方施工揚塵顆粒粒徑大小及顆粒數(shù)值信息。其特有的T型感應技術能夠消除邊緣區(qū)域測量誤差，能實現(xiàn)重疊計數(shù)的檢測及校正，且滿足高濃度測量要求，屬于高精度光學粒徑譜儀。

使用AEROCET-831 PM濃度值檢測儀對西安市典型夜間土方工程項目揚塵濃度進行實例監(jiān)測采樣，并對揚塵濃度變化趨勢展開分析。使用數(shù)據(jù)分析軟件SPSS對現(xiàn)場監(jiān)測采樣到的PM2.5、PM10和TSP濃度值與溫度、相對濕度、風速和風向數(shù)據(jù)進行相關性分析。使用Welas-2000氣溶膠粒徑譜儀對土方施工現(xiàn)場揚塵顆粒粒徑分布進行測試，本次試驗所測土方施工揚塵顆粒粒徑范圍為0.5～100μm，粒徑測試范圍包含于Welas-2000量程范圍內，并將測試結果與未進行土方工程施工時的現(xiàn)場及環(huán)境背景點測試結果進行對比。

2 試驗結果與分析

2.1 土方工程施工揚塵濃度分析

測試自2017年8月1日20:00開始，至2017年8月20日06:00結束，數(shù)據(jù)的采集與記錄從晚20:00開始至次日早06:00結束。測試期間受降雨和施工單位施工安排的影響，選取施工工作內容相同的3個連續(xù)晴朗夜晚的土方工程施工揚塵濃度數(shù)值為典型代表，此測試區(qū)間內TSP濃度、PM10濃度和PM2.5濃度隨時間序列的變化如圖1所示。由圖可知，此測試期間內第二天的TSP濃度和PM10濃度變化較大，且出現(xiàn)短時間濃度峰值，濃度峰值與現(xiàn)場施工活動及其劇烈程度有關，但其PM2.5濃度卻保持在相對較低水平范圍內；第三天所測TSP濃度、PM10濃度和PM2.5濃度變化趨勢均趨于平穩(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。導致這一現(xiàn)象的原因在于，施工現(xiàn)場土方施工揚塵濃度較復雜，既受施工現(xiàn)場具體施工活動的影響又與氣象因子有關。

2.2 氣象因子對土方工程施工揚塵濃度的影響

對現(xiàn)場監(jiān)測采樣所得PM2.5濃度、PM10濃度和TSP濃度以及風速、溫度、濕度和風向數(shù)據(jù)進行相關性分析，相關性結果見表1，由表可知PM2.5、PM10和TSP濃度與溫度和濕度呈正相關，與風速和風向呈負相關。土方工程施工作業(yè)過程中在挖掘機械的外力作用下以及運輸車輛行進過程中車輪的卷揚作用下，顆粒物濃度迅速上升，此時較大的風速有助于現(xiàn)場土方施工揚塵的稀釋和擴散，緩解土方施工現(xiàn)場降塵壓力。PM2.5、PM10和TSP濃度與溫度呈正相關，主要是因為西安市土方工程施工作業(yè)要求在夜間進行，土方施工活動強度隨之增大，環(huán)境溫度也隨夜間時間的流逝而逐步升高。PM2.5、PM10和TSP濃度與濕度呈正相關，主要是由于濕度較大時不利于土方施工揚塵的擴散。PM2.5、PM10和TSP濃度與風向呈負相關，主要與城市主導風向和土方工程施工現(xiàn)場測試點的位置以及施工活動的位置有關。

表1 顆粒物濃度與氣象因子間的相關性

續(xù)表1 顆粒物濃度與氣象因子間的相關性

**.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)場環(huán)境空氣中揚塵顆粒的粒徑分布同時受大氣環(huán)境顆粒物和土方工程施工揚塵的共同影響，根據(jù)土方工程施工時現(xiàn)場測試所得揚塵顆粒粒徑值，并與同一時段內環(huán)境背景參考測點及工地未進行土方工程施工作業(yè)時的大氣顆粒物粒徑分布進行對比，對不同粒徑段的揚塵顆粒物數(shù)量所占比率作圖，得出施工現(xiàn)場夜間土方施工揚塵粒徑分布如圖2所示。由圖可以看出，施工現(xiàn)場大氣與背景監(jiān)測參考點測試的顆粒物粒徑分布基本一致，施工現(xiàn)場土方工程施工進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61.24%，可吸入顆粒物占比達33.52%。這是因為挖掘機械在行進、挖掘和傾倒過程中由于機械外力排放至大氣環(huán)境中，土方清運車輛行駛在基坑內部和未鋪裝硬化道路上在車輪的帶動作用下卷揚至環(huán)境空氣中，使得土方工程施工揚塵總量增加。表明土方工程施工揚塵是PM10和TSP的來源之一，對施工現(xiàn)場及周邊環(huán)境空氣質量和現(xiàn)場施工人員的身體健康產(chǎn)生影響。

施工現(xiàn)場大氣顆粒物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塵中大粒徑顆粒占多數(shù)，這也符合土方工程揚塵源的排放特性。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塵對西安市環(huán)境大氣中PM2.5的貢獻能力有限。

圖2 顆粒物粒徑分布比較

3 結論

為探究土方工程施工揚塵排放特征，論文對施工現(xiàn)場揚塵濃度變化趨勢、氣象因子對揚塵排放的影響以及土方施工揚塵的粒徑分布進行了分析，并得出如下結論。

（1）土方工程施工過程中施工現(xiàn)場揚塵顆粒物濃度高于未施工狀態(tài)下施工現(xiàn)場大氣顆粒物濃度和背景參考測點顆粒物濃度值，測試期間TSP濃度和PM10濃度值變化較大，且出現(xiàn)短時間濃度峰值，濃度峰值與現(xiàn)場施工活動及其劇烈程度有關，施工現(xiàn)場土方施工揚塵既受具體施工活動的影響又與氣象因子有關。

（2）施工現(xiàn)場土方施工作業(yè)時PM2.5、PM10和TSP顆粒物濃度與溫度和濕度呈正相關，與風速和風向呈負相關。濕度較高時不利于土方施工揚塵的擴散，風速的適宜增大則有助于施工現(xiàn)場揚塵的擴散，有效降低土方施工區(qū)域的污染水平。

（3）未進行土方施工時施工現(xiàn)場環(huán)境大氣顆粒物粒徑與背景參考點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61.24%，亦表明土方工程施工揚塵是西安市環(huán)境大氣PM10和TSP的來源之一，工地內土方清運車輛及土方施工活動均為重要揚塵源。

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

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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)化項目資助（項目編號：15JF017）；

西安市科技局高校院所人才服務企業(yè)工程項目資助（項目編號：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