施工揚(yáng)塵空間擴(kuò)散影響因素?cái)?shù)值模擬研究

胡偉成，袁紫婷，陳華鵬，劉 偉，邢浩然，王永祥，金峻炎，孫世龍

（1. 華東交通大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，江西 南昌 330013；2. 南昌交通學(xué)院土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330100；3. 華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013；4. 華東交通大學(xué)智能交通基礎(chǔ)設(shè)施研究所，江西 南昌 330013）

場(chǎng)地平整、基礎(chǔ)工程、結(jié)構(gòu)工程及建筑物料運(yùn)輸?shù)冉ㄖ┕み^程產(chǎn)生的揚(yáng)塵顆粒是大氣污染物的主要來源之一，其對(duì)大氣中PM10（可吸入顆粒物，粒徑小于10 μm）和PM2.5（細(xì)顆粒物，粒徑小于2.5 μm）的顆粒物濃度貢獻(xiàn)率分別可達(dá)到38.9%和37.7%[1]。這些揚(yáng)塵顆粒物不僅會(huì)對(duì)植被和周圍環(huán)境造成嚴(yán)重的影響， 而且會(huì)引發(fā)人體的各類呼吸系統(tǒng)疾病，嚴(yán)重危害人類的身體健康[2]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者從多個(gè)角度分析研究了施工揚(yáng)塵空間擴(kuò)散特性及危害，包括揚(yáng)塵化學(xué)元素特征[3]、揚(yáng)塵排放特征[4]和揚(yáng)塵控制措施[5]等。 田剛等[6]通過對(duì)北京市某大型建筑工地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到了132組相關(guān)數(shù)據(jù)，以此探討了建筑工地內(nèi)的PM10排放率隨風(fēng)速的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)施工揚(yáng)塵排放強(qiáng)度隨風(fēng)速增大而增加。 劉嘉明等[7]探究了西安市夜間土方工程施工的揚(yáng)塵排放特征，發(fā)現(xiàn)土方施工過程產(chǎn)生的揚(yáng)塵濃度與風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)。 侯亞峰等[8]通過分析北京市土方施工過程產(chǎn)生的揚(yáng)塵濃度后發(fā)現(xiàn)，不同粒徑顆粒物濃度均與風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)。 隨著計(jì)算機(jī)水平的提高，數(shù)值模擬技術(shù)在揚(yáng)塵空間擴(kuò)散研究上的應(yīng)用越來越廣[9-10]。 鄧濟(jì)通等[11]利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD） 模擬技術(shù)研究了不同圍擋高度對(duì)土方施工過程產(chǎn)生的揚(yáng)塵污染情況，結(jié)果表明，2.2 m 圍擋高度圍成的施工工地對(duì)外界環(huán)境造成的揚(yáng)塵污染影響最小，且風(fēng)速越大圍擋防止施工揚(yáng)塵向外界空間擴(kuò)散的效果越差。 阮順領(lǐng)等[12]針對(duì)施工揚(yáng)塵的空間擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)揚(yáng)塵濃度隨風(fēng)速增大而逐漸減小。 單曉宇等[13]利用Fluent 軟件模擬不同來流風(fēng)速和圍擋離工地距離下的施工揚(yáng)塵空間擴(kuò)散，發(fā)現(xiàn)圍擋后方揚(yáng)塵濃度隨風(fēng)速增大而減小，圍擋離工地較遠(yuǎn)時(shí)更有利于抑制揚(yáng)塵擴(kuò)散，且圍擋離工地10 m 時(shí)，3.3 m/s 風(fēng)速下的揚(yáng)塵濃度達(dá)到最高。 然而，現(xiàn)有施工揚(yáng)塵空間擴(kuò)散數(shù)值模擬相關(guān)研究考慮的來流大多為均勻流，且揚(yáng)塵顆粒粒徑單一，數(shù)值模擬結(jié)果未與工地實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)論的科學(xué)性與合理性仍有待研究。

本研究以北京市某實(shí)際工地?cái)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)[14]，來流風(fēng)速采用指數(shù)律風(fēng)剖面形式[15]，利用CFD 技術(shù)模擬工地附近施工揚(yáng)塵污染的空間分布與擴(kuò)散，并與工地實(shí)測(cè)揚(yáng)塵濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證；對(duì)比分析了6 種圍擋高度和6 種指數(shù)律剖面來流風(fēng)速下的施工揚(yáng)塵空間擴(kuò)散特性，為施工揚(yáng)塵污染管理控制措施的制定提供有力保障。

1 CFD 模擬技術(shù)與工程概況

1.1 CFD 模擬理論基礎(chǔ)

在施工揚(yáng)塵污染擴(kuò)散的CFD 模擬中， 需要準(zhǔn)確模擬空氣介質(zhì)的流動(dòng)以及空氣與揚(yáng)塵顆粒之間的相互作用。 空氣為連續(xù)流體介質(zhì)，揚(yáng)塵顆粒為固體介質(zhì)，可采用離散相對(duì)二者進(jìn)行模擬。 CFD 模擬中，由于空氣流速較慢，通常假設(shè)空氣為不可壓縮流體[15]。本文采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型求解流場(chǎng)分布，相關(guān)控制方程如下

式中：t 為時(shí)間，s；xi為3 個(gè)坐標(biāo)分量，m；ui為3 個(gè)速度分量，m/s；P 為壓強(qiáng)，Pa；k 為湍動(dòng)能，m2/s2；ε 為湍動(dòng)能耗散率，m2/s3；ρ 為空氣密度，kg/m3；v 為空氣運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；，τij=2vτSij-2/3kδij為雷諾應(yīng)力，m2/s2；vτ=Cμ，為湍流運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；Sij=0.5)，為平均速度梯度，s-1；Cμ，C1ε，C2ε，δk和δε為模型參數(shù)，分別為0.09，1.44，1.92，1.0 和1.3。

根據(jù)式（1）～式（5）可求解整個(gè)流場(chǎng)的風(fēng)速、壓強(qiáng)、湍動(dòng)能和湍動(dòng)能耗散率分布，通過指定揚(yáng)塵顆粒的密度、直徑、初始位置和初始速度，即可計(jì)算揚(yáng)塵顆粒的受力狀態(tài)， 從而通過反復(fù)迭代預(yù)測(cè)每個(gè)揚(yáng)塵顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡， 最終求得整個(gè)區(qū)域的揚(yáng)塵顆粒位置和濃度分布。 由于揚(yáng)塵顆粒之間的相互碰撞會(huì)造成一定的耗散， 且揚(yáng)塵顆粒會(huì)反過來對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生一定的影響；本文采用隨機(jī)軌道模型[16]與雙向耦合算法[17]，充分考慮空氣與揚(yáng)塵顆粒的相互作用。

1.2 CFD 模擬入口邊界條件

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）中規(guī)定了A、B、C、D 共4 類標(biāo)準(zhǔn)地貌， 這4 類標(biāo)準(zhǔn)地貌中的風(fēng)速沿高度變化的剖面均滿足指數(shù)律分布形式，在CFD 模擬中必須考慮指數(shù)律風(fēng)剖面形式。本文定義CFD 模擬的入口邊界條件[18－19]如下

式中：U（z），Iu（z），k（z）和（z）分別為地面高度z 處的平均風(fēng)速，湍流強(qiáng)度，湍動(dòng)能和湍動(dòng)能耗散率；zr為參考高度；Ur為參考高度處的平均風(fēng)速；α 為風(fēng)剖面指數(shù)，與地貌類別有關(guān)，4 類標(biāo)準(zhǔn)地貌的取值分別為0.12，0.15，0.22 和0.30；I10為10 m 高 度處湍 流強(qiáng)度，與地貌類別有關(guān)，4 類標(biāo)準(zhǔn)地貌取值分別為0.12，0.14，0.23 和0.39。

1.3 工程案例概況

以北京市國(guó)家游泳中心建筑工地為例[14]，該工地施工期間為2004 年5 月至2005 年5 月。 在施工期間， 距離工地圍擋0～105 m 的水平位置布置8 個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)的水平間隔為15 m，測(cè)點(diǎn)離地高度為3 m，測(cè)量每個(gè)測(cè)點(diǎn)位置在每個(gè)月份的施工揚(yáng)塵濃度。 該工地順風(fēng)向長(zhǎng)度為95 m，圍擋高度為2 m。為驗(yàn)證施工揚(yáng)塵空間擴(kuò)散CFD 模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性，選取施工階段達(dá)到中期且施工揚(yáng)塵濃度最高的的2004 年11 月的工地監(jiān)測(cè)揚(yáng)塵濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證， 重現(xiàn)整個(gè)區(qū)域的施工揚(yáng)塵顆粒空間分布與擴(kuò)散過程。 本文選取該工地?fù)P塵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)用于CFD 模擬對(duì)比驗(yàn)證的原因在于其揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比較可靠，且工地的相關(guān)參數(shù)相對(duì)比較明確，模擬難度較低。

1.4 施工揚(yáng)塵污染評(píng)估指標(biāo)

施工揚(yáng)塵污染的常用評(píng)估指標(biāo)包括揚(yáng)塵濃度、揚(yáng)塵排放率以及揚(yáng)塵逃逸比等。 揚(yáng)塵濃度能夠直觀表示施工揚(yáng)塵的污染情況，在評(píng)估揚(yáng)塵污染程度時(shí)應(yīng)用最為廣泛[20]。然而，揚(yáng)塵濃度無法考慮風(fēng)速對(duì)揚(yáng)塵顆粒的遷移作用而導(dǎo)致的污染加劇效應(yīng)。 與之相比，揚(yáng)塵排放率是單位時(shí)間通過單位面積的揚(yáng)塵質(zhì)量，等于揚(yáng)塵濃度乘以風(fēng)速[6]，是綜合考慮揚(yáng)塵濃度和風(fēng)速遷移作用的評(píng)估指標(biāo)。 在對(duì)比施工揚(yáng)塵對(duì)人體造成危害的嚴(yán)重程度時(shí)， 多數(shù)研究?jī)H考慮1.5 m呼吸高度處的揚(yáng)塵濃度或揚(yáng)塵排放率大小。 然而每個(gè)個(gè)體的呼吸高度存在顯著差異，特別是成人與小孩，成人的平均呼吸高度為1.5 m 左右，小孩則只有0.5 m 左右。僅用1.5 m 呼吸高度處的揚(yáng)塵污染參數(shù)作為評(píng)估指標(biāo)的方法不夠全面。 本文考慮人體的呼吸高度范圍約為0.5～1.5 m，提出該高度范圍內(nèi)的平均揚(yáng)塵排放率如式（10），作為評(píng)估施工揚(yáng)塵對(duì)人體危害的指標(biāo)。

式中：Rm為0.5 m～1.5 m 呼吸高度范圍內(nèi)的平均揚(yáng)塵排放率，μg/（m2／s）；R（z）為高度z 處的揚(yáng)塵排放率，μg/（m2/s）；C（z）為高度z 處的揚(yáng)塵濃度，μg/m3；U（z）為高度z 處的平均風(fēng)速。

為評(píng)估施工揚(yáng)塵對(duì)外界環(huán)境的污染強(qiáng)度，可采用揚(yáng)塵逃逸比進(jìn)行對(duì)比分析。 揚(yáng)塵逃逸比是指逃離工地的揚(yáng)塵顆粒數(shù)與工地釋放的揚(yáng)塵顆粒數(shù)之比，如式（11）。 逃逸比越大，表示施工揚(yáng)塵對(duì)外界環(huán)境的影響越大[11]。

式中：Rescape為揚(yáng)塵逃逸比；Nemission為釋放揚(yáng)塵數(shù)目；Nescape為逃離工地?fù)P塵數(shù)目。

2 施工揚(yáng)塵空間擴(kuò)散CFD 模擬驗(yàn)證

2.1 工程案例氣象風(fēng)速數(shù)據(jù)分析

由中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)下載得到施工工地附近的氣象風(fēng)速觀測(cè)數(shù)據(jù)（http://data.sheshiyuanyi.com/WeatherData/），選定離目標(biāo)工地最近的北京市海淀區(qū)氣象站，該氣象站的站臺(tái)編號(hào)為54511，氣象觀測(cè)點(diǎn)距離地面高度為31.3 m。 工地施工期橫跨2004年和2005 年，統(tǒng)計(jì)分析該氣象站2004 年1 月1 日至2005 年12 月31 日這段時(shí)期內(nèi)的日平均風(fēng)速和日極大風(fēng)速，繪制風(fēng)頻分布和風(fēng)速累計(jì)分布函數(shù)如圖1。

圖1 日均風(fēng)速的風(fēng)頻與累計(jì)分布函數(shù)Fig.1 Wind frequency and cumulative distribution function of diurnal mean wind velocity

由圖可知，該工地所處地理位置的日平均風(fēng)速所在區(qū)間最大可能為1.5～2.0 m/s 和2.0～2.5 m/s，發(fā)生概率為27%和20%，日極大風(fēng)速所在區(qū)間最大可能為4～5 m/s 和3～4 m/s， 發(fā)生概率為21%和20%。整體而言，其日平均風(fēng)速最大可能在2 m/s 左右，日極大風(fēng)速最大可能在4 m/s 左右。

為對(duì)比研究來流風(fēng)速對(duì)施工揚(yáng)塵空間分布與擴(kuò)散特性的影響， 針對(duì)日平均風(fēng)速和日極大風(fēng)速，選擇累計(jì)分布函數(shù)的50%，80%和95%分位點(diǎn)，作為CFD 模擬的來流風(fēng)速。 目標(biāo)工地中，日平均風(fēng)速的3 個(gè)分位點(diǎn)對(duì)應(yīng)風(fēng)速分別為2，3 m/s 和4 m/s，日極大風(fēng)速的3 個(gè)分位點(diǎn)對(duì)應(yīng)風(fēng)速分別為5，7 m/s 和9 m/s；因此，本文對(duì)比的來流風(fēng)速總計(jì)6 個(gè)，包括2，3，4，5，7 m/s 和9 m/s。注意，此處描述的來流風(fēng)速為氣象觀測(cè)點(diǎn)距離地面高度31.3 m 處的平均風(fēng)速，即式中的參考高度zr=31.3 m，參考高度處平均風(fēng)速Ur為來流風(fēng)速，CFD 模擬時(shí)入口風(fēng)速按照式的指數(shù)律剖面給定。

在對(duì)比分析之前，需要先驗(yàn)證CFD 模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。 本文以目標(biāo)工地2004 年11 月的揚(yáng)塵濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[14]為對(duì)比對(duì)象，進(jìn)行施工揚(yáng)塵空間擴(kuò)散的CFD 模擬。 根據(jù)統(tǒng)計(jì)，該工地2004 年11月的月平均風(fēng)速為2.2 m/s，風(fēng)力等級(jí)為2 級(jí)。 根據(jù)該工地所處地理位置， 確定其為標(biāo)準(zhǔn)B 類地貌，可確定式（6）～式（9）的入口邊界條件相關(guān)參數(shù)為：α=0.15，I10=0.14，zr=31.3 m，Ur=2.2 m/s。

2.2 數(shù)值建模

利用商用軟件Ansys 14.5 的流體力學(xué)模塊Fluent 進(jìn)行CFD 模擬，根據(jù)工地特點(diǎn)建立如圖2 的二維簡(jiǎn)化數(shù)值模型[21－22]。

圖2 CFD 模擬計(jì)算域與局部網(wǎng)格示意Fig.2 Schematic diagram of calculation domain and local grid of CFD simulation

根據(jù)工地的實(shí)際情況，確定施工區(qū)域的長(zhǎng)度為95 m。 為避免入口來流和出口邊界對(duì)模擬結(jié)果的影響，在施工工地前后分別設(shè)置15 m 和950 m 的過渡段和尾流發(fā)展段， 其中尾流發(fā)展段的長(zhǎng)度為施工區(qū)域長(zhǎng)度的10 倍。 計(jì)算域的高度通常需大于障礙物的10 倍，本文取為該圍擋高度的20 倍，即為40 m。因此，整個(gè)計(jì)算域大小為1 060 m × 40 m，其中1 060 m 為順風(fēng)向（x）長(zhǎng)度，40 m 為豎向（z）高度。為準(zhǔn)確模擬圍擋附近的復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象， 針對(duì)圍擋附近進(jìn)行網(wǎng)格加密。在x 方向，將過渡段、施工段和尾流段分別劃分為15，100 個(gè)和90 個(gè)網(wǎng)格， 共計(jì)205個(gè)；在z 方向，將地面至圍擋高度和圍擋高度至頂部劃分為40 個(gè)和48 個(gè)網(wǎng)格，共計(jì)88 個(gè)。 因此，整個(gè)計(jì)算域的網(wǎng)格數(shù)量總計(jì)為18 040 個(gè)。本文采用的網(wǎng)格下近壁面無量綱網(wǎng)格尺度為42，滿足[30，100]范圍內(nèi)要求，可以達(dá)到預(yù)期模擬精度。

2.3 邊界條件與參數(shù)設(shè)置

本次模擬在四核英特爾酷睿i7-4790K 處理器上進(jìn)行，CFD 模擬的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表1[13，23]。 模擬設(shè)定收斂準(zhǔn)則為10-6， 同時(shí)監(jiān)測(cè)出口處3 m 高度處的平均風(fēng)速，當(dāng)出口風(fēng)速變化不大時(shí)表明模擬基本趨于穩(wěn)定。經(jīng)測(cè)定，模擬在10 000 步后趨于穩(wěn)定，統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定后10 000 步的平均風(fēng)速和揚(yáng)塵濃度數(shù)據(jù)用于分析研究。

表1 CFD 模擬參數(shù)設(shè)置Tab.1 Parameter settings of the CFD simulations

2.4 CFD 模擬結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證施工揚(yáng)塵空間擴(kuò)散CFD 模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性，將CFD 模擬得到的揚(yáng)塵濃度數(shù)據(jù)與工地實(shí)測(cè)揚(yáng)塵濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。 提取距離圍擋水平長(zhǎng)度0～120 m，地面高度3 m 位置的CFD 模擬揚(yáng)塵濃度數(shù)據(jù)，繪制揚(yáng)塵濃度沿水平方向擴(kuò)散的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比圖， 如圖3。 由圖3 可以看出，CFD 模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好，二者的均方根誤差RMSE 僅為17.08 μg/m3，決定系數(shù)R2為0.949 3。因此，該施工揚(yáng)塵CFD 模擬的結(jié)果較為可靠，為不同圍擋高度和來流風(fēng)速下施工揚(yáng)塵空間擴(kuò)散CFD模擬提供了可靠有力支撐。

圖3 CFD 模擬揚(yáng)塵濃度水平擴(kuò)散結(jié)果驗(yàn)證Fig.3 Verification of CFD results with horizontal dust concentration diffusion

3 圍擋高度和來流風(fēng)速對(duì)施工揚(yáng)塵空間擴(kuò)散影響分析

《建筑施工安全檢查標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 59-2011）規(guī)定一般路段的工地必須設(shè)置封閉圍擋，且圍擋高度不得低于1.8 m， 而通常圍擋高度最高不超過3 m，因此， 本文選取1.8，2.0，2.2，2.5，2.8，3.0 m 共6 種圍擋高度進(jìn)行施工揚(yáng)塵空間擴(kuò)散特性對(duì)比研究。 來流風(fēng)速取第2.1 節(jié)中的6 個(gè)風(fēng)速， 即2，3，4，5，7 m/s和9 m/s，與圍擋高度共構(gòu)成36 組工況。 采用CFD模擬技術(shù)對(duì)比分析不同圍擋高度和來流風(fēng)速對(duì)施工揚(yáng)塵空間擴(kuò)散特性的影響。

3.1 圍擋高度的影響

3.1.1 揚(yáng)塵濃度水平向分布

由于日平均風(fēng)速發(fā)生頻率最高為2 m/s， 對(duì)比該風(fēng)速下不同圍擋高度的揚(yáng)塵濃度空間分布。 圖4為6 種圍擋高度下1.5 m 呼吸高度揚(yáng)塵濃度沿水平方向的擴(kuò)散結(jié)果。 可以看出，圍擋高度為1.8，2.5 m和3.0 m 時(shí)，離圍擋水平距離20 m 處的揚(yáng)塵濃度分別 為172，154 μg/m3和136 μg/m3， 最 大 差 異 為26.5%。 表明圍擋高度越高，則圍擋對(duì)揚(yáng)塵擴(kuò)散的阻擋效應(yīng)越強(qiáng)，導(dǎo)致?lián)P塵濃度越低。 但圍擋影響揚(yáng)塵濃度的水平范圍有限，不同圍擋高度下在距離圍擋水平長(zhǎng)度60 m 左右基本趨于一致。

圖4 不同圍擋高度下1.5 m 呼吸高度處揚(yáng)塵濃度水平擴(kuò)散結(jié)果-來流風(fēng)速2 m/sFig.4 Horizontal dispersion results of dust concentration at 1.5 m breathing height under different fence heightswhen incoming wind velocity is 2 m/s

3.1.2 揚(yáng)塵濃度豎向分布

根據(jù)劉偉等[24]的分析結(jié)果可知，施工揚(yáng)塵達(dá)到中度污染的最遠(yuǎn)距離為42 m， 超過42 m 可視為輕度污染區(qū)域，該結(jié)論對(duì)于本文不同圍擋高度的影響分析同樣適用。 本文取距離圍擋水平長(zhǎng)度42 m 位置處的揚(yáng)塵濃度進(jìn)行對(duì)比分析，研究不同圍擋高度下?lián)P塵濃度沿豎向的擴(kuò)散特性，如圖5。 可以看出，在呼吸高度0.5～1.5 m 范圍內(nèi)，6 種圍擋高度的揚(yáng)塵濃度分別在79～82，73～78，75～80，70～77，67～72 μg/m3和64～71 μg/m3區(qū)間內(nèi)。1.8 m 和3.0 m 圍擋高度導(dǎo)致的揚(yáng)塵濃度最大差異約為23.1%。 若按照揚(yáng)塵濃度從高到低排序，則為圍擋1.8 m＞2.2 m＞2.0 m＞2.5 m＞2.8 m＞3.0 m。 整體而言，圍擋高度越高，呼吸高度范圍內(nèi)的揚(yáng)塵濃度越低，揚(yáng)塵污染越弱。

圖5 不同圍擋高度下離圍擋水平長(zhǎng)度42 m 處揚(yáng)塵濃度豎向擴(kuò)散結(jié)果-來流風(fēng)速2 m/sFig.5 Vertical dispersion results of dust concentration at 42 m from the fence under different fence heightswhen incoming wind velocity is 2 m/s

3.1.3 平均揚(yáng)塵排放率

為綜合考慮揚(yáng)塵顆粒隨風(fēng)遷移作用及對(duì)人體造成的危害，繪制不同圍擋高度和來流風(fēng)速下離圍擋水平距離42 m 處的0.5～1.5 m 呼吸高度內(nèi)的平均揚(yáng)塵排放率，如圖6。 可以看出，來流風(fēng)速為2，3，4，7 m/s 和9 m/s 時(shí)，3.0 m 圍擋高度的平均揚(yáng)塵排放率Rm分別為7.7，10.0，5.9，5.0 μg/（m2/s） 和5.0 μg/（m2/s）， 在6 種圍擋高度中平均揚(yáng)塵排放率均為最低， 比1.8 m 圍擋高度的平均揚(yáng)塵排放率分別低51.2%、12.6%、15.0%、21.9%和19.5%。 來流風(fēng)速為5 m/s 時(shí)，2.8 m 圍擋高度的平均揚(yáng)塵排放率最低，為5.3 μg/（m2/s），而3.0 m 圍擋高度平均揚(yáng)塵排放率為5.8 μg/（m2/s），比1.8 m 圍擋高度的平均揚(yáng)塵排放率低8.9%。整體而言，在相同風(fēng)速下，3.0 m 圍擋高度的平均揚(yáng)塵排放率最低，對(duì)人體造成危害最輕。

圖6 不同圍擋高度和來流風(fēng)速下離圍擋42 m 的平均揚(yáng)塵排放率Fig.6 Average dust emission rate at 42 m from the fence under different fence heights and incoming wind velocities

根據(jù)以上分析可知，1.8，2.0，2.2，2.5，2.8 m 和3.0 m 這6 種圍擋高度中，3.0 m 圍擋高度的揚(yáng)塵濃度和平均揚(yáng)塵排放率整體最低，即對(duì)于阻擋施工揚(yáng)塵空間擴(kuò)散的效果最佳， 對(duì)人體造成的危害最輕，這也與圍擋越高阻擋效果越好的認(rèn)識(shí)基本一致。

3.2 來流風(fēng)速的影響

根據(jù)圖7 可以看出，當(dāng)圍擋高度低于2.6 m 時(shí)，來流風(fēng)速越大， 距離圍擋42 m 處的平均揚(yáng)塵排放率越低， 對(duì)人體危害越??； 當(dāng)圍擋高度高于2.6 m時(shí)， 距離圍擋42 m 處的平均揚(yáng)塵排放率隨來流風(fēng)速的增加先增大后減小， 在來流風(fēng)速為3 m/s 時(shí)達(dá)到最大，即對(duì)人體危害最大。對(duì)于3.0 m 圍擋高度而言，來流風(fēng)速為3 m/s 平均揚(yáng)塵排放率最高，其次為來流風(fēng)速2 m/s，二者相差28.6%；不同來流風(fēng)速導(dǎo)致的平均揚(yáng)塵排放率最大相差99.0%。

為有效考慮施工揚(yáng)塵對(duì)外界環(huán)境的影響，繪制不同圍擋高度和來流風(fēng)速下的揚(yáng)塵逃逸比，如圖7?？梢钥闯觯? m/s 來流風(fēng)速時(shí)，6 種圍擋高度的揚(yáng)塵逃逸比最大差異為1.2%；3，4，5，7 m/s 和9 m/s 來流風(fēng)速時(shí)，6 種圍擋高度的揚(yáng)塵逃逸比最大差異分別為0.6%，0.9%，0.6%，0.4%和0.6%。 由此可見，相同來流風(fēng)速時(shí)， 圍擋高度對(duì)揚(yáng)塵逃逸比的影響較小，均小于1.2%；因此，計(jì)算指定來流風(fēng)速的6 種圍擋高度的揚(yáng)塵逃逸比的平均值，作為該來流風(fēng)速揚(yáng)塵逃逸比的代表值，用于分析來流風(fēng)速對(duì)逃逸比的影響。2，3，4，5，7 m/s 和9 m/s 這6 種來流風(fēng)速的平均揚(yáng)塵逃逸比分別為10.6%，11.3%，12.5%，13.2%，4.5%和4.9%?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)來流風(fēng)速在2～5 m/s 內(nèi)，揚(yáng)塵逃逸比隨風(fēng)速的增加而增大， 在5 m/s 時(shí)達(dá)到最大；當(dāng)風(fēng)速超過5 m/s，揚(yáng)塵逃逸比突然減小，之后保持不變。 這是因?yàn)轱L(fēng)速較小時(shí)，風(fēng)速越大，揚(yáng)塵顆粒受到的遷移作用越強(qiáng)， 逃出工地的顆粒越多；但當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定程度時(shí)，大部分揚(yáng)塵顆粒在逃離工地之前，會(huì)被圍擋阻擋并捕捉，逃離的顆粒反而會(huì)大幅減小。 整體而言，來流風(fēng)速在2～5 m/s 時(shí)，施工揚(yáng)塵對(duì)外界環(huán)境的危害會(huì)隨風(fēng)速的增加而加劇，并在來流風(fēng)速5 m/s 時(shí)達(dá)到最強(qiáng)。

圖7 不同圍擋高度和來流風(fēng)速下的揚(yáng)塵逃逸比Fig.7 Dust fugitive ratios under different fence heights and incoming wind velocities

4 結(jié)論

1） 將施工揚(yáng)塵空間擴(kuò)散的CFD 模擬結(jié)果與工地實(shí)測(cè)揚(yáng)塵濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者的揚(yáng)塵濃度RMSE 誤差僅為17.08 μg/m3。R2指標(biāo)為0.949 3，表明二者的結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了施工揚(yáng)塵空間擴(kuò)散CFD 模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。

2） 對(duì)比1.8，2.0，2.2，2.5，2.8 m 和3.0 m 共6 種圍擋高度下施工揚(yáng)塵空間擴(kuò)散特性，發(fā)現(xiàn)相同風(fēng)速下3.0 m 圍擋高度的揚(yáng)塵濃度和平均揚(yáng)塵排放率整體最低， 表明3.0 m 圍擋高度時(shí)能最有效阻擋施工揚(yáng)塵空間擴(kuò)散，對(duì)人體危害最低。

3） 對(duì)比2，3，4，5，7 m/s 和9 m/s 這6 種來流風(fēng)速下施工揚(yáng)塵空間擴(kuò)散特性， 發(fā)現(xiàn)當(dāng)圍擋高度為3.0 m 時(shí)， 來流風(fēng)速為3 m/s 的平均揚(yáng)塵排放率最高，對(duì)人體危害最高，其次為來流風(fēng)速2 m/s；來流風(fēng)速在2～5 m/s 內(nèi)， 施工揚(yáng)塵逃逸比隨風(fēng)速增加而增大，并在5 m/s 時(shí)達(dá)到最大，即對(duì)外界環(huán)境危害最高。

4） 本研究是針對(duì)北京市某施工工地而言，其結(jié)論可作為其它工地?fù)P塵污染控制措施制定的依據(jù)，對(duì)于特定的工地需針對(duì)具體情況進(jìn)行施工揚(yáng)塵現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)或CFD 模擬，幫助進(jìn)行決策。