南寧市工地基礎施工揚塵分布量化分析

郭翔翔，甘麟雄，丁　一,陳宗平

(廣西大學土木建筑工程學院， 廣西南寧530004)

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南寧市工地基礎施工揚塵分布量化分析

郭翔翔，甘麟雄，丁一,陳宗平

(廣西大學土木建筑工程學院， 廣西南寧530004)

為量化分析在基礎施工階段工地內的揚塵分布情況，選取南寧市環境空氣質量實時發布系統公布數據作為對比標準，測量2015年10月到2016年1月間南寧某教學樓工地內細顆粒物PM2.5和可吸入顆粒物PM10數值量。將測得數據對數轉化，減少數據變異性，使其接近正態分布，并選取置信度為95%的數據。對PM2.5及PM10排放量提取主成分表示排放強度。依據排放強度，將工地內位置用系統聚類分成三類。結果顯示：①工地內排放強度最大一類區域為鋼筋加工棚，挖掘機工作區，挖掘機破碎錘工作區，水泥攪拌區。利用獨立樣本T檢驗對分類效果進行檢驗，得到分類效果良好。②排放強度最大一類區域PM10與PM2.5排放量呈極強正相關(R2=0.838)，即兩種污染物具有相同的污染源。③對排放強度與氣象因素進行相關性分析，得到基坑周圍、工人生活區、道路邊、樁機和水泥車周圍排放強度和溫度呈顯著正相關和濕度呈顯著負相關，揚塵主要來源于顆粒物擴散。

施工；揚塵；主成分分析；聚類算法

0　引　言

隨著城鎮化的不斷推進，大量建設項目的開展，施工作業對于大氣環境的影響愈發明顯。根據部分城市的顆粒物來源解析研究結果表明，施工揚塵是造成城市顆粒物污染嚴重的重要因素[1-3]。施工揚塵產生的揚塵總量占城市總揚塵量的32.1%[4],對總懸浮顆粒物(total suspended particulate，TSP)有重要貢獻，而大氣中過量的懸浮顆粒物會嚴重影響居民身體健康[5]。但是當前國內有關施工揚塵的研究大多集中在工地整體揚塵排放量的估算，而缺少對于工地內部揚塵分布的量化分析研究，因此難以確認施工過程當中污染最嚴重的位置。如何對揚塵排放嚴重區域進行針對性的處理，實現綠色施工，是一個亟待解決的問題。

對于現在的城鎮建筑工地，施工主要可以分成三個階段：基礎施工階段、主體結構施工階段、裝飾施工階段，其中基礎施工階段揚塵污染最為嚴重[6-7]。本文選取南寧西鄉塘區某教學樓工地，對于基礎施工階段工地PM2.5及PM10進行監測，分析工地內部不同區域揚塵排放強度，旨在找出工地顆粒物污染源，并得到污染物排放量的影響因素，為施工基礎階段降低揚塵排放提供參考。

1　采樣與數據預處理

1.1采樣

測量顆粒物濃度儀器選用塞納威手持式PM2.5檢測器，型號CW-HAT200。儀器測量工作原理為光散射法，測量高度約為1.2 m，每個測點測量時間為1 min。基礎施工階段，每周選取無雨的兩個整天，選取的每個測點每隔一個小時記錄一次讀數。數據包括：PM2.5濃度、PM10濃度、時間、溫度、相對濕度。選取南寧市空氣質量實時發布系統發布的西鄉塘區測站測量得到的PM2.5以及PM10的每小時均值為背景值。根據灌注樁基礎施工工藝特點，將基礎施工分為兩階段進行測量：土方施工階段(2015年10月初～2015年11月末)及樁基施工澆筑階段(2015年12月初～2016年1月初)。根據位置不同，在工地內部選取十類測點，分別為工地圍墻外、道路邊、鋼筋加工棚、挖掘機工作區、炮機工作區、水泥砂漿攪拌區、基坑邊角點(共八個點)、工人生活區、樁機工作區、水泥罐車周圍。具體位置如圖1所示：

1.入口; 2.道路邊; 3.工人生活區; 4.水泥砂漿攪拌區; 5.鋼筋加工棚; 6～13.基坑周圍

1.2數據預處理

利用spss22.0及Excel對數據進行處理，對獲得的PM2.5及PM10數據進行對數轉化，減小原始數據的數據變異性，使數據分布接近正態分布。取置信度95%的個案進行分析，即排除數據當中超出(μ-1.96σ，μ+1.96σ)的個案(μ與σ分別是正態分布的平均值及標準值)。再對原數據和對數化后的數據進行相關分析，檢驗水準a取為0.05[8]。對對數轉換前后的兩組數據進行相關性分析得到，在對數轉化后數據和原數據的Pearson相關系數分別為0.863和0.874，具有極強相關作用，即對數轉化過程合理。土方施工階段實測數據322個，選取292個，數據有效率90.7%。樁基澆筑階段實測數據120個，選取個案112個，數據有效率93%。對篩選以后的個案進行統計描述如表1：

表1　個案選取情況與統計描述Tab.1　Data selection and statistical description

2　分析與解釋

2.1排放強度指標

將實測得PM2.5及PM10值減去背景值對應時間的值得到工地排放的PM2.5和PM10值。對PM2.5及PM10排放量進行相關性分析。分析得到兩變量的Pearson相關系數為0.825，即兩變量具有極強相關性?？梢酝ㄟ^主成分分析提取一個主成分來實現變量降維[9]，主成分分析得到的成分提取過程的指標特征值和貢獻率見表2，因子載荷矩陣見表3。

表2　指標特征值與貢獻率Tab.2　The index characteristic value and contribution

表3　因子載荷矩陣Tab.3　The availability of the load factor for the original indicators

由表2可以看到提取的第一個主成分的貢獻率為91.259%，選取這一主成分來反映工地PM2.5及PM10 的排放強度，記作Z,則可以結合成分矩陣寫出排放強度Z的表達式為：

Z=0.707×ΔPM2.5+0.707×ΔPM10。

(1)

根據主成分表達式分別計算出各測點個案的主成分數值，計算各測點位置的主成分平均值如表4。

表4　各位置主成分平均值Tab.4　The average principal component of each position

2.2區域分類

圖2　聚類分析譜系圖Fig.2　Cluster analysis graph

為了找出需要在施工過程當中著重關注的揚塵排放位置，并且了解不同位置揚塵的來源與影響因素，于是將各位置依據排放強度進行分類。選用SPSS自帶系統聚類方法對位置進行分類。對排放強度進行標準化后，利用平方Euclidean 距離進行分類，繪制出系統聚類譜系圖如圖2。

根據譜系圖顯示將十個位置分成三類：第一類為出工地圍墻外位置，主成分Z平均值為4.543，顯示此位置揚塵量僅略大于背景值。說明工地圍墻對于揚塵擴散有良好的抑制效果。第二類包括基坑周圍、民工生活區、道路邊、樁機和水泥車周圍。第三類包括水泥砂漿攪拌區，炮機工作區，鉤機工作區，鋼筋加工棚。這幾個位置是揚塵排放強度最高的位置，且是工地當中施工強度最大的位置。

對分類結果進行獨立樣本T檢驗，得到三個類別之間的T檢驗P值矩陣如表5。

表5　分類結果獨立樣本T檢驗Tab.5　Independent sample T test on the classification

根據檢驗標準P<0.05,可以看出將測點分為三類的分類效果良好。

2.3PM2.5及PM10排放相關性

對各個區域的PM10排放量和PM2.5排放量進行線性擬合。第一類區域兩類顆粒物排放量之間擬合的R2為0.056，而線性擬合的R2在第二類區域中則是0.574,在排放強度最大的第三類區域兩者有良好線性關系。線性擬合可以得到方程：

圖3　PM10與PM2.5排放量線性擬合Fig.3　Linear fit of emissions of PM10 and PM2.5

(2)

擬合的置信度R2=0.838。

由擬合方程的R2可以看出，兩變量線性關系良好，說明在第三類區域中PM2.5和M10排放具有相同的排放源。利用配對樣本T檢驗對兩個排放量檢驗得顯著性系數4.1-12<0.05，即工地基礎施工階段PM10的排放量顯著大于PM2.5的排放量。工地排放的顆粒物以粒徑大于10 μm的為主。

重慶、杭州、北京、武漢等地都有研究稱建筑水泥塵是大氣環境中顆粒物污染的重要影響因素[10-14]。而第三類區域中的水泥砂漿攪拌區和炮機破碎錘工作區域都會產生建筑水泥塵，實測揚塵排放數值大。水泥砂漿攪拌區堆放大量袋裝干拌砂漿，在磚胎模砌筑階段加水混合，用于砌筑和抹灰。現場需將袋裝干拌砂漿倒入攪拌機，且攪拌作業現場疏于清理，地面水泥塵易受機械擾動，所以砂漿攪拌區對周圍顆粒物濃度產生較大影響。鋼筋加工棚加工則進行作業時在短時產生大量PM2.5及PM10排放，對加工棚下風口揚塵濃度產生巨大影響。在樁基施工階段，使用灌注樁工藝施工時需要大量的焊接作業，這一階段的焊接作業大幅度增大了工地揚塵排放強度。對樁基施工階段和土方施工階段的排放強度進行獨立樣本T檢驗，得到兩個類別之間雙尾顯著性系數0.025<0.05，即樁基施工排放顯著大于土方施工。

2.4排放強度與溫度濕度的相關性

基于系統聚類的分類結果，對每一類位置排放強度和溫度、濕度、進行相關性分析。分析結果如表6所示。

表6　排放強度與氣象因素相關性Tab.6　Correlation of emissions intensity and meteorological factor

注：**表示相關性在0.01層上顯著(雙尾)。

根據相關性分析的結果可以看到只有第二類位置排放強度關于溫度和濕度相關性顯著。第二類區域在工地當中所占面積最大，揚塵排放強度與濕度成負相關，與溫度呈正相關?？諝庵械南鄬穸仍酱?，則施工揚塵顆粒易于水汽結合成較大的顆粒，將PM10轉化成為更大的顆粒，降低了可吸入顆粒物在空氣中的含量，同時降低了揚塵擴散能力，導致二類區域的排放強度指標下降。如第二類當中的水泥車周圍區域，雖然基礎施工階段混凝土大部分來源于商品混凝土，但是水泥車運送的商品混凝土已經充分攪拌，自由的微顆粒物少，且裝在相對封閉的罐體當中，對周圍的顆粒物濃度影響較小。第二類區域的基坑周圍、工人生活區、道路邊、樁機和水泥車周圍排放主要來自顆粒物擴散作用。

第三類區域作為施工揚塵排放量最大的區域，排放強度主要受施工強度影響，排放的顆粒物主要來自自身。其對周邊區域的影響較大，受溫度和濕度的影響較小，所以排放強度與這兩個因素的相關性并不顯著。而圍墻外排放強度低，受到車輛運行揚塵等其他因素的影響較大，使得相關性有所下降。

3　討　論

對于施工工地揚塵檢測來說，測量數據波動大，數據解釋性差，難以精準測定具體位置的排放強度。如能夠選用更有效的數據降噪方法，并建立不同位置間的揚塵排放之間影響關系的矩陣，可以通過BP神經網絡等智能算法對各位置的揚塵排放強度進行預測，通過溫濕度、位置、施工階段、背景排放量等參數針對污染最嚴重的位置進行定位，并進行處理。

利用本文所提供的方法，可以對不同施工工藝和材料對于顆粒物排放的影響程度進行評估，如商品混凝土和現場攪拌混凝土，干拌砂漿和濕拌砂漿，木模版和新型材料模板等可以相互對比。同時為了減少施工階段的揚塵污染，需要更多地關注工地內部的揚塵分布情況，才能在施工管理時做到有的放矢，實現綠色施工的目標。

4　結　語

①工地內排放強度最大一類區域為鋼筋加工棚，挖掘機工作區，炮機工作區，水泥攪拌區。利用獨立樣本T檢驗對分類效果進行檢驗，得到分類效果良好。

②排放強度最大一類區域PM10與PM2.5排放量呈極強正相關(R2=0.838)，即兩種污染物具有相同的污染源。

③對排放強度與氣象因素作相關性分析，得到基坑周圍、工人生活區、道路邊、樁機和水泥車周圍排放強度和溫度呈顯著正相關和濕度顯著負相關，揚塵主要來源顆粒物擴散。

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(責任編輯唐漢民梁碧芬)

Quantitative analysis on dust distribution of construction site in foundation project in Nanning

GUO Xiang-xiang， GAN Lin-xiong， DING Yi， CHEN Zong-ping

(College of Civil Engineering and Architecture, Guangxi University, Nanning 530004, China)

In order to study the dust distribution of construction sites in foundation projects, PM2.5 and PM10 weremeasured in a construction site in Nanning, Guangxi province, during October 2015 to January 2016. The air quality dataprovided by The Nanning City Ambient Air Quality Live Weather Station are selected as a comparison. Logarithmic transformed figureswith confidence level of 95% were selected. A principal component calculated from PM2.5 and PM10 emissions is regardedas the emissions intensity. By system clustering, the location of site will be divided into three types according to the emissions intensity. The results showed:① steel process site, excavator workspace, percussion bit workspace, and cement mixing zone were the most polluted area in the site. The classification was effective according tothe T-test onthe independent samples. ② PM10 and PM2.5 emissions hada strongly positive correlation in the most polluted areas (R2= 0.838), andtherefore the two kinds of pollutants hadthe same pollution sources. ③ Correlation analysis was carried out on the emissions intensity and the meteorological factors, and the emissions intensity and the temperature were significantly positively related. The emissions intensity has a significantly negative correlation with the humidity around the foundation, worker living quarters, roadside, pile machine and cement truck, thus the pollution in these areas mainly comes from dust particle diffusion.

construction; fugitive dust; principal component analysis; clustering algorithms

2016-04-21；

2016-05-11

國家自然科學基金資助項目(51578163)；大學生創新項目(T3030098224)

陳宗平(1975—)，男，廣西玉林人，廣西大學教授，博士生導師;E-mail: zpchen@gxu.edu.cn。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1285

TU721

A

1001-7445(2016)04-1285-06

引文格式：郭翔翔，甘麟雄，丁一,等.南寧市工地基礎施工揚塵分布量化分析[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(4)：1285-1290.