公路施工場(chǎng)地?fù)P塵污染擴(kuò)散機(jī)理及抑塵措施研究

文章編號(hào)：1674-6139（2025)06-0077-05

中圖分類號(hào)：X734文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Research on Diffusion Mechanism and Dust Suppression Measures of Dust Pollution in Highway Construction Sites

Tang Longxing

(Zhenba County Rural Highway Development Center，Hanzhong 7236OO，China）

Abstract:Since thecurrentmethodcannotefectivelysuppressdust，thedifusionmechanismanddustsuppressionmeasuresof highwayconstructionsiteustpolutionbasedonCFDarestudied.UsingCFDfluiddnamicstosimulatefluidflow，theprocessofdust difusionissmulatedbysetingtheboundaryconditionsofcontiuousphaseflowfieldtocalculateReyoldsnumberandjudgefluidflow stateThedusttrbulencemodeldscriptionquationasconstructedtobtainthedustpolltiondifusioncoefcientandeflcttedust particledifusionabilityiteairTeselingvelocityofustparticesialulated，tustpolutiolevelsedvidedcodigto thedustmass concentration，andthedustsuppressionmeasuresare taken.Theexperimentshows that whenthe truck speed is 40km/h （20 and 50km/h ，the maximum concentration of PM_2.5 can be inhibited by 155μg/m³ and 260μg/m³ respectively，and the maximum concentration of PM₁₀ can be inhibited by 90μg/m³ and 55μg/m³ respectively，all of which belong to mild pollution and can effectively deal with dust pollution.

Key Words:highway construction；dust pollutionon the site；difusion mechanism；dust suppression measures；CFD

前言

公路施工是現(xiàn)代交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中不可或缺的一環(huán)，然而過程中產(chǎn)生的揚(yáng)塵污染問題卻日益凸顯。公路施工場(chǎng)地的粉塵不但對(duì)工人的身體有危害，還對(duì)周邊環(huán)境和居民生活帶來嚴(yán)重干擾[1]。因此，深入研究公路施工場(chǎng)地?fù)P塵污染的擴(kuò)散機(jī)理，并采取有效的抑塵措施，已成為當(dāng)前亟待解決的問題。

已有文獻(xiàn)對(duì)此進(jìn)行研究，文獻(xiàn)[2]利用MonteCarlo模擬不同風(fēng)速、風(fēng)向等條件下?lián)P塵顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡和擴(kuò)散范圍，揭示揚(yáng)塵擴(kuò)散機(jī)理。在模擬過程中，對(duì)實(shí)際環(huán)境進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在偏差；文獻(xiàn)[3]通過收集施工場(chǎng)地及其周邊 PM_2.5，PM₁₀ 等顆粒物濃度，揭示揚(yáng)塵污染的空間分布和擴(kuò)散規(guī)律，并據(jù)此制定抑塵措施。空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的數(shù)量和分布不足以全面反映揚(yáng)塵污染狀況，數(shù)據(jù)代表性不足；文獻(xiàn)[4]構(gòu)建沉積粉塵的臨界流量模型，預(yù)測(cè)和揭示揚(yáng)塵污染的擴(kuò)散機(jī)理。通過計(jì)算顆粒沉降速度，評(píng)估揚(yáng)塵在空間和時(shí)間上分布和擴(kuò)散情況。揚(yáng)塵污染的擴(kuò)散機(jī)理會(huì)發(fā)生變化，模型難以實(shí)時(shí)更新和調(diào)整。

基于以上背景，提出了基于CFD的污染擴(kuò)散機(jī)理及抑塵措施。CFD模擬能夠捕捉揚(yáng)塵顆粒在風(fēng)場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)軌跡、濃度分布以及擴(kuò)散范圍，揭示揚(yáng)塵污染的擴(kuò)散機(jī)理，降低公路施工過程中的揚(yáng)塵污染水平，保護(hù)周邊環(huán)境和居民健康。

1應(yīng)用CFD模擬方法的揚(yáng)塵污染擴(kuò)散機(jī)理研究

公路施工引起的揚(yáng)塵是大氣顆粒物污染的一個(gè)重要源頭，尤其是在道路施工期間，受自然風(fēng)力、施工機(jī)械作業(yè)、運(yùn)輸車輛行駛等客觀原因，會(huì)在施工現(xiàn)場(chǎng)生成大量的粉塵，并向周邊大氣擴(kuò)散。沙塵天氣不僅會(huì)使大氣中的污染物顆粒含量升高，還會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞，對(duì)動(dòng)植物的生長(zhǎng)、生態(tài)環(huán)境的破壞，對(duì)建筑工人及當(dāng)?shù)厝嗣竦纳眢w健康構(gòu)成威脅[5]。應(yīng)用CFD流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)主要是通過模擬流體的流動(dòng)，分析揚(yáng)塵污染擴(kuò)散特性[6]。揚(yáng)塵以氣體為連續(xù)介質(zhì)，而顆粒以離散相形式存在，傳播過程是氣－固兩相運(yùn)動(dòng)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)建筑工地的空氣流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，建立了一種連續(xù)相流場(chǎng)，并對(duì)受力狀態(tài)及運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行模擬，以達(dá)到揚(yáng)塵擴(kuò)散效果。連續(xù)相流場(chǎng)邊界條件見圖1。

在CFD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))模擬中，設(shè)置連續(xù)相流場(chǎng)的邊界條件對(duì)于判斷流體是處于層流狀態(tài)還是湍流狀態(tài)具有至關(guān)重要的作用。邊界條件決定了流體在邊界處的速度、壓力、溫度等物理量的值或分布，這些值直接影響流體的動(dòng)力學(xué)特性[7]。在靠近固體邊界的區(qū)域，由于黏性力的作用，流體速度會(huì)迅速降低，形成邊界層。邊界條件的設(shè)置會(huì)影響邊界層的厚度和特性，進(jìn)而影響流動(dòng)狀態(tài)。

在數(shù)值模擬中，將氣體視為不可壓縮的流體，并劃分為層流流動(dòng)與湍流流動(dòng)。層流就是將流體按一定方向分層，各層之間互不影響，也就不會(huì)發(fā)生能量和動(dòng)量的交換[8]。但若將湍流分為兩個(gè)層次，它們彼此間會(huì)發(fā)生作用，既有能量、動(dòng)量的交換，又有動(dòng)量的損耗，并且隨著流速的增大，這種交換與損耗的幅度會(huì)越來越大。判定流體為層流或湍流，可根據(jù)雷諾數(shù)的大小來判定。雷諾數(shù)是判斷流動(dòng)狀態(tài)的重要指標(biāo)，它基于流體的慣性力和黏性力的比值。計(jì)算公式如式(1)所示：

式（1）中 _，μ 表示流體運(yùn)動(dòng)黏度： _;ρ 表示流體密度； L 表示特征長(zhǎng)度； v 表示平均速度。設(shè)置臨界雷諾數(shù)，當(dāng)計(jì)算結(jié)果小于臨界雷諾數(shù)時(shí)，則認(rèn)為流體是層流，否則為湍流[9]。當(dāng)黏性較小時(shí)，三維空間內(nèi)的湍流更易發(fā)生非定常隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。在實(shí)際工程中，一般采用的是低黏度流體，流場(chǎng)均為湍流。湍流是一類十分復(fù)雜的三維非定常流動(dòng)，包含了非定常、多尺度空間內(nèi)的波動(dòng)現(xiàn)象。湍流對(duì)流體的性質(zhì)有很大的影響，當(dāng)黏性力作用力和慣性作用力之比達(dá)到一定顯著水平時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生湍流。該情況下?lián)P塵模式描述方程如式(2):

式(2）中， v_a 表示摩擦速度，表征了湍流切應(yīng)力； k 表示卡門常數(shù)，用于描述湍流邊界層中平均速度分布的對(duì)數(shù)廓線特性[10] H₀ 表示未施工地面粗糙度； H 表示公路施工地面粗糙度。根據(jù)該方程，對(duì)湍流表面壓強(qiáng)進(jìn)行規(guī)格化處理，由此獲取的揚(yáng)塵污染擴(kuò)散系數(shù)可表示為式(3）：

式（3）中， P 表示測(cè)點(diǎn)平均壓力。擴(kuò)散系數(shù)指的是由于濃度差異導(dǎo)致的物質(zhì)從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴(kuò)散速率，對(duì)于揚(yáng)塵污染，擴(kuò)散系數(shù)反映了塵粒在空氣中的擴(kuò)散能力。擴(kuò)散系數(shù)越大，說明揚(yáng)塵污染擴(kuò)散能力越強(qiáng)。

2 基于揚(yáng)塵污染擴(kuò)散機(jī)理的抑塵控制措施

揚(yáng)塵質(zhì)量濃度是指大氣中懸浮粒子的數(shù)量，而顆粒沉降速率是指懸浮粒子在大氣中的移動(dòng)速率。在天然條件下，塵土受到引力及任意作用力的影響，振幅非常小，當(dāng)有風(fēng)時(shí)，塵土顆粒移動(dòng)得很快。這是由于空氣和塵土粒子在一起移動(dòng)，即氣流對(duì)塵土顆粒有粘滯的作用力。塵土顆粒沉降速度，可用如式（4）表示：

式（4）中， d 表示水泥顆粒物粒徑 ;ρ_c 表示水泥顆粒重力沉降過程的密度； g 表示重力加速度。在高溫、干旱條件下，土體含水率減少，土壤間的內(nèi)聚力降低，產(chǎn)生開裂的傾向。在行駛車輛碾壓、磨擦、揉搓、刮擦等作用下，土體受力部位會(huì)出現(xiàn)許多細(xì)小的顆粒。由于細(xì)小顆粒與土壤之間以及這些顆粒間的粘附非常微弱，受到外部因素的影響，這些顆粒會(huì)脫離地表，從而形成揚(yáng)塵。

為了明確施工揚(yáng)塵污染等級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)揚(yáng)塵在呼吸量范圍內(nèi)的水平尺寸，對(duì)公路施工場(chǎng)地周邊地區(qū)進(jìn)行分區(qū)，并在每個(gè)分區(qū)設(shè)立監(jiān)測(cè)點(diǎn)。以多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集到的揚(yáng)塵濃度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，判定施工揚(yáng)塵污染等級(jí)。揚(yáng)塵質(zhì)量濃度計(jì)算公式為式(5）：

式（5）中， m₁…m₂ 分別表示采樣后、采樣前的質(zhì)量； V₀ 表示采樣體積。綜合考慮揚(yáng)塵污染的影響程度，將其劃分為3個(gè)等級(jí)，等級(jí)1是輕度污染，濃度范圍為 c<300μg?m^-3 ；等級(jí)2是中度污染，濃度范圍為 300μg?m^-3?c?500μg?m^-3 ；等級(jí)3是重度污染，濃度范圍為 c>500μg?m^-3 依據(jù)揚(yáng)塵污染強(qiáng)度劃分結(jié)果，設(shè)計(jì)不同濃度污染的分級(jí)控制措施，如下所示：

對(duì)于輕度污染采取的措施為：懸掛污染警示牌以明確污染等級(jí)；每天對(duì)工地入口、道路、物料堆放區(qū)及加工區(qū)域進(jìn)行一到兩次的噴灑及清潔工作，以保證環(huán)境清潔；加強(qiáng)沉池清洗，每日最少2～3次，以防止污泥積聚；設(shè)立圍擋和采用濕法作業(yè)來減少揚(yáng)塵，并對(duì)進(jìn)出車輛進(jìn)行沖洗，確保車輛不帶塵。同時(shí)，硬化辦公區(qū)道路，以減少揚(yáng)塵源。

對(duì)于中度污染采取的措施為：加大灑水力度，每日灑水3至4次；同時(shí)啟動(dòng)霧炮機(jī)和高空噴淋系統(tǒng)；運(yùn)輸車輛全覆蓋，嚴(yán)查撒漏，確保環(huán)保到位。

對(duì)于重度污染采取的措施為：中度污染下，除常規(guī)措施外，還將噴灑化學(xué)抑塵劑；同時(shí)加強(qiáng)醫(yī)療應(yīng)急準(zhǔn)備，確保健康安全。

3實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)概況

為了探究高速公路施工現(xiàn)場(chǎng)揚(yáng)塵蔓延的實(shí)際狀況，對(duì)其進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。研究選取了一條 22km 的改建工程為研究對(duì)象，包括新建設(shè)的 11.2km 道路和 5.5km 的道路拓寬。項(xiàng)目建設(shè)一期2～4車道高速公路，設(shè)計(jì)速度 80km/h ，路基寬度 22.3m 。

在連續(xù)多日晴天后，選取一段表層土壤含水量極低的路堤土裸露地段，該地段很容易產(chǎn)生揚(yáng)塵。

為了制造出足夠多的揚(yáng)塵，將一輛 6m 長(zhǎng)、10噸空重的貨車放在了實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的裸露土路上。車輛在行進(jìn)過程中會(huì)對(duì)地面造成較大擾動(dòng)，因此可以用來模擬沙塵在來流方向上的情況。

3.2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)采用微型激光 PM_2.5?PM₁₀ 檢測(cè)儀SDL307，上方設(shè)有進(jìn)氣口，通過內(nèi)置的激光模組發(fā)出光束，當(dāng)顆粒通過時(shí)，高靈敏的數(shù)電模塊將其探測(cè)到，并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的空氣質(zhì)量指標(biāo)。

通過實(shí)驗(yàn)儀器，獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

該表中的數(shù)據(jù)為公路施工場(chǎng)地?fù)P塵擴(kuò)散的數(shù)據(jù)，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)過程中，需要將其與抑塵后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以此驗(yàn)證不同方法抑塵效果。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

使用MonteCarlo模擬量化、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、沉積粉塵的臨界流量模型、離子色譜儀和CFD方法，對(duì)比分析卡車行駛速度分別為 時(shí)的 PM_2.5，PM₁₀ 濃度變化情況。

不同方法在卡車行駛速度為 40km/h 時(shí)的 濃度變化情況，見圖2。

由圖2(a)可知，使用離子色譜儀、CFD方法將中度污染控制成輕度污染，最高 PM_2.5 濃度分別為230μg/m³，155μg/m³ ;由圖2(b)可知，使用空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、沉積粉塵的臨界流量模型、離子色譜儀和CFD方法將中度污染控制成輕度污染，最高 PM₁₀ 濃度分別為 299μg/m³?215μg/m³?165μg/m 、90μg/m³ 。

不同方法在卡車行駛速度為 50km/h 時(shí)的 PM_2.5 、PM₁₀ 濃度變化情況，見圖3。

由圖3(a)可知，只有使用CFD方法將中度污染控制成輕度污染，最高 PM_2.5 濃度為 260μg/m³ ；由圖3(b)可知，MonteCarlo模擬量化、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、沉積粉塵的臨界流量模型、離子色譜儀和CFD方法均能起到一定控制效果，但只有使用CFD方法PM₁₀ 濃度最低，對(duì)應(yīng)的最高數(shù)值為 55μg/m³ 。

4結(jié)束語

研究基于CFD流體動(dòng)力學(xué)的公路施工場(chǎng)地?fù)P塵污染擴(kuò)散機(jī)理及抑塵措施的過程中，通過應(yīng)用CFD技術(shù)，不僅能夠模擬出揚(yáng)塵顆粒在不同風(fēng)速條件下的擴(kuò)散軌跡和濃度分布，還能依據(jù)污染濃度等級(jí)設(shè)計(jì)抑塵措施。通過構(gòu)建精確的揚(yáng)塵湍流模式與污染擴(kuò)散模型，成功量化了揚(yáng)塵的擴(kuò)散能力及污染等級(jí)，為揚(yáng)塵治理提供了科學(xué)依據(jù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果可知，使用所研究方法能夠使揚(yáng)塵污染濃度抑制成為輕度污染，在卡車行駛速度為 40，50km/h 時(shí)，抑制 PM_2，5 最高濃度分別為 155μg/m³.260μg/m³ ，抑制 PM₁₀ 最高濃度分別為 90μg/m³.55μg/m³ ，克服了傳統(tǒng)方法的局限性，有效驗(yàn)證了該方法的實(shí)際應(yīng)用效果與可行性，為公路施工場(chǎng)地的揚(yáng)塵污染控制提供更加可靠的理論依據(jù)和技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]李廷昆，馮銀廠，畢曉輝，等.城市揚(yáng)塵污染主要成因與精準(zhǔn)治塵思路[J].環(huán)境科學(xué)，2022，43(3)：1323-1331.

[2]王恬爽，牛笑應(yīng)，文惠，等.蘭州地區(qū)大氣污染的化學(xué)組成及來源解析[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2022，42（11)：351-360.

[3]石耀鵬，胡京南，褚腸晰，等.基于空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的鋼鐵行業(yè)污染源識(shí)別方法[J].環(huán)境科學(xué)，2022，43(5)：2427-2435.

[4]GuoJ，LiA，WangT，etal.Parametricmodelingstudy for blown-dust secondary pollution and optimal ventilation velocity during tunnel construction.[J].Environmental pollution， 2023，335(10):1-10.

[5]周紅，沈希文，趙穎慧.施工揚(yáng)塵擴(kuò)散模擬與工人健康損害定量評(píng)估研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2023，23（8)：2750-2758.

[6]張雪純，王文鉅，王明婭，等.中國盆地城市人為源大氣污染物排放清單及空間分布特征——以晉城市為例[J].環(huán)境化學(xué)，2022，41（12）：4016-4031.

[7]安毅夫，連國璽，武旭陽，等.鈾尾渣庫區(qū)微生物群落特征及污染物遷移擴(kuò)散機(jī)理[J].中國環(huán)境科學(xué)，2023，43(5)：2632-2639.

[8]舒嬡媛，柏榮耀，石俊豪，等.孝感市開放源揚(yáng)塵重金屬污染特征、來源及健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)［J].環(huán)境化學(xué)，2022，41(2):499-510.

[9]邱昀，李金香，張立坤，等.2018年-2022年北京市施工裸地?fù)P塵排放估算[J].中國環(huán)境科學(xué)，2023，43(增刊1)：62-69.

[10]占長(zhǎng)林，詹佳偉，柯振東，等.湖北孝感不同類型揚(yáng)塵中黑碳的污染特征及來源分析[J].環(huán)境污染與防治，2022，44(1):14-19;26.