土方工程施工揚塵排放研究進展

劉嘉明 狄育慧 梅 源 王雪艷

土方工程施工揚塵排放研究進展

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）

土方工程施工揚塵已成為困擾我國環境空氣質量的重要污染源之一。現有成果主要從揚塵源解析、揚塵排放特性和揚塵排放相關量化模型三個方面的研究內容進行梳理。試圖歸納總結國內外有關土方工程施工揚塵的研究進展，擬理清土方工程施工揚塵系列問題的研究方向，為城市土方工程施工揚塵的評估和治理提供參考

土方工程施工；塵源解析；排放特性；揚塵擴散規律

0 引言

近年來，霧霾天氣引發的呼吸系統疾病和心血管不適的病例正呈現逐年上升的趨勢，大氣環境中的顆粒污染物已成為公眾關注的焦點。研究表明，環境空氣中PM10每升高10μg/m3，則由顆粒物引起呼吸系統疾病死亡率上升3.4%，心血管疾病死亡率上升1.4%[1]。醫學界也認為顆粒物對健康的影響程度取決于顆粒物的粒徑大小[2]。

參照空氣動力學顆粒物粒徑可劃分為PM2.5、PM10和TSP三大類，是霧霾和沙塵（揚塵）天氣的重要組成成分。而顆粒物多來源于建筑施工、能源化工和尾氣污染，其中包括施工揚塵、道路揚塵、煤炭燃燒和汽車尾氣等。而施工揚塵是我國眾多城市大氣顆粒物的重要來源之一[3]。對揚塵源解析、揚塵排放特性、揚塵估算評價模型和抑塵措施等方面的研究成果進行歸納和總結，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實意義。

1 揚塵源解析

建筑揚塵和道路揚塵是美國加州南部海岸地區環境空氣中PM10的主要塵源，在John G[4]等人基于化學質量平衡模型（Chemical Mass Balance）以下簡稱“CMB模型”的解析中已基本得到證實。之后，Pouliot G[5]在此基礎上進行了深化，認為除道路揚塵和建筑揚塵外，農業耕作及采礦作業亦是該地區環境空氣中PM2.5和PM10的主要塵源，且借助CMAQ（Community Multiscale Air Quality）模型，解析結果表明環境中PM10的40～60%是由于人為原因排放所致。不難看出CMB模型和CMAQ模型均能準確的判斷塵源類別，但CMAQ模型的解析功能更為豐富。除借助源解析模型外，也有學者通過分析揚塵中的特征元素以此推斷塵源類別。就北京市而言，華蕾[6]等對市內無組織排放源與固定排放源排放的PM10采樣并做揚塵元素族譜分析后指出Si、Ca、Fe、Al四種元素為北京市PM10標識元素，于此合理推測土壤塵、建筑揚塵、土方工程施工揚塵及鋼鐵塵是北京市PM10的主要塵源。之后，韓力慧[7]在此基礎上予以驗證和補充，認為除Al、Ti、Ca、Mg為代表的地殼元素外，由建筑施工產生的Ca2+和SO42-在眾多離子團中其含量占主導地位。此亦可驗證建筑揚塵、土方工程施工揚塵是影響北京大氣環境的重要污染源。同年，西班牙學者Amato F[8]等對巴塞羅那多條道路PM10采樣后借助元素量化法指出揚塵顆粒中地殼元素含量較高，道路PM10多源自道路周邊建筑工地土方施工揚塵和土壤風蝕。在已有成果基礎上余南嬌[9]等使用單顆粒氣溶膠飛行時間質譜儀（SPAMS）分別對土方施工揚塵、建筑施工揚塵、道路塵的標識元素進行深入探究，研究指出廣州市土方施工揚塵標識元素為Al、建筑施工揚塵標識元素為Si、道路揚塵標識元素為Ca。就上述研究方法而言，元素族譜分析法、元素量化法和SPAMS均能合理的明確不同揚塵源中的特定標識元素，但就不同揚塵源對大氣環境污染的貢獻程度并未得到體現。應明確指出建筑揚塵、土方工程施工揚塵等揚塵源對大氣環境污染程度的貢獻率并應引起足夠的重視。也為日后防治與治理揚塵污染提供有力的鑒別手段和參考依據。

初步明確建筑揚塵、土方工程施工揚塵等揚塵源的標識元素后，揚塵排放貢獻率也是衡量揚塵排放量的重要指標，亦可用于描述揚塵污染架構，為日后有針對性的擬定揚塵防治措施提供理論支持。就天津市而言，城市PM2.5與PM10排放貢獻率之和高達24%，這一比例是Zelenka M P[10]等借助目標轉換因子分析的數值模型TTFA（Target Transformation Factor Analysis）先識別確定環境中污染源類別，再通過CMB模型進行分配量化后計算所得。長春市大氣環境中有75%的PM2.5是由于本地區揚塵源排放所致，這其中又約有19.47%是由土方施工揚塵和周邊道路揚塵排放引起[11]，排放貢獻率僅次于燃煤鍋爐和工業生產的揚塵排放。目光轉至西南地區代表城市重慶，該市大氣環境PM10主要源自土方施工揚塵、道路揚塵、施工現場的建材塵、煤煙塵和鋼鐵冶煉塵，其中土方施工揚塵和周邊道路揚塵對重慶市PM10的貢獻率高達33.85%[12]。

基于上述總結，土方工程施工現場或是建筑施工現場直接或間接排放的土方工程施工揚塵、建筑施工揚塵、施工現場周邊道路揚塵均是大氣環境中揚塵顆粒的主要來源。借助已有源解析模型能夠有效的辨識揚塵源類型，此類研究方法和模型隨著時間的推移不斷被完善，解析可靠性較強。在解析得到揚塵源類別后，探究、明確不同塵源的標識元素，日后通過直接檢驗揚塵樣本中的化學元素，并找到相應的標識元素后便可簡潔直觀地描述出揚塵組分。值得注意的是國內該領域的學者研究側重點偏向于京津冀地區、東南沿海地區和部分南方城市，而對我國西北地區（多為黃土地區）的揚塵源解析和標識元素的探究缺乏足夠的重視。

2 揚塵排放特性研究

揚塵排放特性是建立揚塵估算排放模型與模擬預測揚塵擴散模式的基礎，在掌握揚塵源解析的基礎上明確揚塵排放特性就顯得極為重要。就北京市而言，Maogui Hu[13]等借助聚類法與EMD（Empirical Mode Decomposition）模型相結合的方式，分別從季節性和城市橫縱跨度上對城市上空PM10濃度分布特征加以探究。季節上，冬夏兩季城市PM10濃度有所回落，春季PM10濃度呈上升趨勢；從城市跨度上看，南部城區PM10濃度遠高于北部城區。田剛[14]等人則將研究側重點放在塵源附近揚塵垂直方向和水平方向上的擴散規律，結果表明，在垂直地面方向1.5～4.1m不同高度處揚塵濃度與高度的2次方成反比；在相同水平高度（3m）處揚塵濃度與監測點距塵源距離的2次方成反比。季節性和城市跨度上的研究僅能宏觀的指出揚塵污染現狀；而探究塵源及附近揚塵濃度空間區域上的分布特征不僅能評估塵源的污染影響范圍，也能為制定降塵方案起到指導作用。

除宏觀探究環境揚塵濃度分布特征外，也有學者從微觀上針對揚塵產塵機理、粒徑分布及特定粒徑揚塵顆粒的排放貢獻率展開探究。在Farhad A[15]的研究中指出，建筑施工現場內切割、鉆井及混凝土攪拌過程中PM2.5與PM10的排放量占建筑揚塵顆粒物總排放量的52～64%，且切割工序超細顆粒物排放量最多。Ketchman K[16]等在探討城市高層建筑基坑開挖階段中定量評估不同粒徑顆粒物的排放量時，實測指出在開挖階段中排放的PM10占挖掘階段總排放量的23%，PM2.5占總排放量的13%；其中土料搬運過程PM10排放量占該過程總排放量的89%，PM2.5占總排放量的90%。在德國，某建筑施工現場向環境排放的顆粒物占總量的17%，其中土方工程施工揚塵排放占7%，其余施工活動占10%[17]。目光回到國內就北京市而言，Xiao-Dong LI[18]等人發現相比于建筑主體施工，土方工程施工活動揚塵排放濃度高且強度波動較大；土方施工時道路兩側及鋼筋加工區是揚塵集中區域，揚塵污染較為嚴重。黃天健[19]等也進行驗證，他表示土方施工階段施工區域內及道路兩側揚塵濃度較其他區域揚塵濃度明顯偏高，不同區域揚塵污染情況差異顯著，土方施工階段PM10的排放濃度相比于地基建設階段和主體施工階段是最高的[20]。蔣楠[21]則在其研究中指出，西安市建筑施工活動排放的PM10占城市PM10總排放量的35.8%。明確指出土方工程施工揚塵和建筑施工揚塵應重點監測，也是日后揚塵防治的重點方向。

除分析土方工程施工揚塵和建筑施工揚塵的排放貢獻率外，對該類揚塵產塵機理的探究也不應被忽視。風蝕能將土方填料或土壤表面的細顆粒卷揚進入大氣環境，且這類顆粒的粒徑不大于10μm，Van Pelt R S[22]等在其研究中予以證實，并認為風蝕是一個篩選過程。這表明在沒有外力作用的情況下，粒徑較大的顆粒依靠風蝕作用進入大氣環境的能力有限。同年，曾慶存[23]等提出正是由于陣風的三維相干結構使得邊界層內部的揚塵顆粒能夠克服大氣下沉氣流而卷揚上升，直至大氣對流層將揚塵顆粒輸送至遠方。且風力對揚塵濃度的影響確實存在風力閾值[24]。就呼市某典型施工場地而言，場地內部揚塵粒徑分布呈雙峰形，峰值粒徑范圍在3.2～5.6μm和10～18μm，且有PM2.5:PM10:TSP= 0.21:0.53:1[25]。趙普生[26,27]同樣指出土方施工階段的開挖與回填、土料堆積與運輸過程揚塵污染較為嚴重。土方施工階段產生的揚塵里大粒徑的顆粒含量較高，卷揚后沉降速度較快，揚塵污染影響范圍有限，但在大風天氣下揚塵排放強度和污染影響范圍明顯增加。

從土方施工產生的揚塵顆粒的粒徑分布來看，這部分揚塵顆粒粒徑普遍較大，這使得揚塵顆粒最終得以沉降回到地表。降塵能夠作為土方工程施工揚塵的監測指標，能夠表明不同施工階段揚塵污染的嚴重程度，降塵指標的可行性在田剛[28]的研究中基本得到證實。在此基礎上樊守彬[29]等予以深化，將PM10空間濃度分布與空間降塵分布相對照后認為PM10空間濃度分布規律與空間降塵分布規律總體趨于一致，也證實降塵法能夠描述PM10的空間濃度分布情況。就成都市一處典型土方工程而言，降塵量（ΔDF）平均為8.33t/(km2·30d)，其中土方開挖和土方回填階段占降塵總量的32%[30]。方由降塵占比可合理推測得知整個土方工程施工階段的揚塵產塵量占總揚塵量的比例將會高于32%。此外，黃玉虎[31,32]等研究指出降塵（ΔDF）與排放強度（EI）間存在明顯的正相關性，降塵量（ΔDF）及背景降塵量（DFb）與風速間也存在正相關性。不過上述排放強度（EI）只能反映激發揚塵量，而降塵（ΔDF）既能反映激發揚塵量又能度量風蝕揚塵強度，降塵（ΔDF）指標優勢明顯。

從氣象因子角度分析，土方施工揚塵的排放強度與風速間存在明顯相關性[33]，揚塵排放強度隨著風速的增大先是緩慢上升，當超過某一風速閾值范圍時揚塵的排放強度迅速增大；而相對濕度增大到某一定值后，再增加濕度將不會影響揚塵的產生[34,35]。樊守彬[36]等在其研究中指出土方揚塵PM10的濃度與溫度、濕度、風速呈正相關，與風向呈負相關。這與郭翔翔[37]和夏菲[38]的研究結論相矛盾，郭翔翔認為PM10濃度與濕度呈負相關，而夏菲則指出PM10濃度與溫度和風速呈負相關。與此同時，馬小鐸[39]和周莉薇[40]均在其研究中發現土方揚塵中PM2.5的濃度變化趨勢與相對濕度呈正相關，與溫度呈負相關。整合上述研究后可以發現氣象因子對揚塵濃度的影響程度不盡相同，不能以偏概全，需因地制宜地探討氣象因子與揚塵排放強度之間的關聯性。

由上述粒徑分布和揚塵貢獻率分析可知，建筑施工活動中，土方施工階段揚塵排放量占主導地位，土方施工揚塵顆粒粒徑較大，使用降塵法作為參照指標可以較好的衡量揚塵濃度的大小。此外，因為我國黃土區域面積之大，黃土土質易于揚塵，且針對于黃土而言沒有具體可查的研究資料，故可嘗試探究降塵法在黃土地區的適用性外，無論是土方施工揚塵的產塵機理理論分析，或是粒徑分布及揚塵顆粒貢獻率的測試，或多或少的存在研究留白，這也為日后的相關研究留有探索空間。再針對氣象因子與揚塵濃度相關性中的互異結論，需要結合特定研究區域及該區域內的氣象要素做具體分析，也正是由于存在差異性，氣象因子與揚塵濃度間的相關性的探究才顯得極有必要。

3 揚塵排放相關量化模型研究

為量化與評價我國土方揚塵擴散及污染程度，有學者針對土方揚塵建立排放模型及模擬擴散特征展開研究。就鄭州市而言，城市揚塵的主要來源為建筑施工、土方工程開挖和裸露地面土壤揚塵。徐媛倩[41,42]等借助AP-42揚塵排放估算模型計算得到上述揚塵源中PM2.5、PM10和TSP的排放因子和排放量分別為3.36g/m2·a、20.16g/m2·a、67.21g/m2·a和597t、3581t、11937t。此外，四維通量法也是評估揚塵排放的量化模型之一，田剛[43,44]等借此得到北京近郊土方施工工地內TSP的排放因子數值上是AP-42手冊中推薦揚塵排放模型計算排放因子的1.83倍，施工工地出入口道路PM10的排放因子是正常道路排放因子的2～10倍。除使用AP-42手冊中排放模型計算排放因子和排放量外，翟紹巖[45]在其學位論文中指出雖然AP-42手冊中含有適用于不同條件下的揚塵排放模型，但實際使用時還是存在地區局限性，必須依據和參考本施工地區相應的氣象條件和施工特征對手冊中的排放模型和排放量估算模型進行修正，以滿足地區適用性減小計量誤差，更有助于準確評估施工地區揚塵污染狀況。樊守彬[46]認為雖然量化模型評估存在數值上的差異，但評估結果是一致的，這也在后續的研究中[47]基本予以證實。也就是說量化預測模型雖存在不確定性，但這種不確定性是可控的可避免的。

除北京和鄭州市外，珠三角地區建筑施工中土方開挖、地基建設、土方回填和一般建設階段PM10的排放因子分別為0.41g/(h·m2)、0.14g/(h·m2)、0.12g/(h·m2)和0.11g/(h·m2)[48]。由排放因子估算得到2014年珠三角地區施工揚塵總排放量高達3.524×104t，其中土方開挖階段揚塵排放量最多，土方回填階段揚塵排放量最少。再者，將風力揚塵排放模塊應用于區域空氣質量模型系統AURAMS（A Unified Regional Air Quality Modeling System）得到的結論[49]與雷諾方程的數值解法、斯托克斯方程（-方程）、-剪應力傳輸模型對湍流風場進行三維數值模擬得到的結論[50]相同。兩者共同指出，風力的卷揚與侵蝕程度嚴重依賴于研究區域的風場特性，且風場受場地地形變化影響巨大，由此排入大氣的揚塵顆粒對環境空氣質量有至關重要的影響。此外，模擬響應模型還包括SAS非線性回歸模型[51]、FDM模型[52]、DPM氣固兩相流離散模型[53]、ISC3模型[54]、BP神經網絡模型[55]和CMAQ模型[56]，以及大氣色散模型軟件ADMS3.1[57]這些模型預測揚塵影響半徑與實際監測值相符程度高，能較好的解析不同影響因素條件下揚塵濃度的變化趨勢，且在實際工程揚塵預測及污染評估中可行性強，可信度高，有著廣泛的適用范圍。

值得注意的是對不同模型的模擬結果相對比形成對照組也同樣重要。將正交因子分解模型PMF（Positive Matrix Factorization）與CMB模型的量化結果相對照，PMF模型能夠區分土方施工揚塵與道路塵，這是CMB模型所不具備的特征[58]。借助地理加權回歸GWR（Geographically Weighted Regression）和時間地理加權回歸GTWR（Gross Trailer Weight Rating）模型對臺灣地區PM系列顆粒物的時空分布結果相對照[59]，結果表明GWR與GTWR模型模擬結果一致性程度高，但GTWR模型對PM2.5和PM10在時空擴散解釋能力與擬合程度上相比于GWR而言更勝一籌。秦珊珊[60]基于PM2.5與PM10濃度采樣的基礎上使用差分自回歸移動平均模型（ARIMA）和神經網絡模型（BPNN）對大氣懸浮顆粒PM2.5和PM10濃度區間進行預測并形成對照，結合監測數據，模型預測結果表明神經網絡模型預測精度更好，對PM2.5和PM10濃度波動范圍預測值更為合理，更適合應用于工程領域。

不難發現揚塵估算模型和揚塵擴散預測模型種類及形式多樣，但不同的估算模型需要與實際研究區域的施工特征、當地氣象因素以及實際施工參數選取合適的估算模型。雖然估算模型間的解析解存在數值差異，若誤差在允許范圍內則可認為模型評估結果是一致的，誤差與不確定性是可控的是可避免的，其之間并無優劣之分。計算結果與實測值相差過大，則需對模型進行修正，使其滿足本地區研究需求。正是因為我國黃土區域面積之大，黃土土質易于揚塵，且針對于黃土而言沒有具體可查的研究資料，這也為建立與修正適用于黃土地區土方施工揚塵估算預測模型留有研究空間。

4 揚塵的降塵對策研究

無論是揚塵估算模型還是擴散預測模型，均應因地制宜突出地區適用性。若能較好的量化揚塵排放量和評估揚塵擴散污染程度，這也是制定降塵和抑塵措施的基礎。以現有技術手段和方式方法可以主要歸納為四個方面：物理抑塵、化學抑塵、植被降塵、物理降塵。

基于風場特性與模擬結果[61]，圍欄高度的增加有助于抑制揚塵的擴散與遷移。此外，對稻草編織而成的地表遮蓋物的抑塵性能測試[62]后發現沒有辦法依靠單一抑塵手段消除裸露地表PM2.5與PM10的排放，這也為后繼研究人員利用多種抑塵方式相結合的方法提高抑塵效率提供了明確思路。化學抑塵方面，抑塵劑與地面間形成的抗脆硬化膜未被破壞前能長期減少PM10的排放[63]，在此基礎上，田森林[64]和譚卓英[65]等進行延伸，其借助正交實驗找到最優抑塵劑配比方案，提出一種具有固結路面、粘結、凝并、吸濕、保水特性的抑塵劑。但使用化工類抑塵劑會存在難降解和環境隱患，故有專家學者認為可利用植被降塵，如Chang Y M[66]等通過系列實驗證實利用常見草種覆蓋裸露地表是一種廉價而有效的抑塵與降塵方式，且最大降塵率不超過45%。而林地的抑塵能力明顯強于自然草地，且林地的抑塵能力與林地種植分密度呈正相關性[67]。此外，植被葉片的大小、平滑或是褶皺、有蠟表面或是存在毛滴都會影響植被的抑塵能力[68]，這也為城市綠化與揚塵減排凈化相結合提供了良好思路。通過實際調研發現，目前以抑塵網遮蓋、地表灑水濕潤和定期清潔[69]為主要降塵手段。

5 展望

基于上述分析，土方施工揚塵是大氣顆粒污染物的重要來源之一，該領域已引起我國專家學者足夠的重視，但是沒有提出合理的對策，也缺乏依據。我國黃土地區面積廣闊，針對黃土地區土方施工揚塵還存在研究留白，據此希望研究得到相應的衡量和評估依據，擬提出合理對策，豐富土方施工揚塵研究理論。亦可參照現有揚塵排放量估算方法和揚塵預測模型，結合黃土地區土質、施工特點和氣象要素對估算方法和預測模型進行合理修正，通過不同模型間的對照分析，使所建模型具有廣泛適用性，以實現不同環境下土方施工揚塵量的合理預測。后續研究中需要探究黃土地區土方施工揚塵擴散規律與氣象因子間的相關性，并明確氣象因子之間對擴散規律的耦合作用效果，以此擬定切實可行的有效抑塵措施。此將是土方施工揚塵系列問題的研究趨勢與熱點問題。

6 結語

（1）當前土方施工揚塵領域的研究主要圍繞揚塵源解析、揚塵排放特性和揚塵排放相關量化模型展開，與黃土地區土方施工揚塵有關的上述研究相對較少，而西北地區因揚塵導致的霧霾天氣又比較多發，因此黃土地區可參照上述幾點展開探究，豐富既有理論成果。

（2）氣象因子是影響揚塵濃度和擴散規律的重要影響因素，不同地區的氣象因子與施工揚塵濃度間的相關性存在差異，需要明確黃土地區氣象因子與土方施工揚塵間的相關性，深入探討氣象因子間的相互耦合效果是必要的。

（3）針對同一研究區域，不同的估算辦法和預測模型的數值差異是可控的或可消除的。在此基礎上結合地區特征對其進行優化修正，建立適用于黃土地區土方施工揚塵排放量估算方法，搭建揚塵預測模型，并擬定切實可行的有效抑塵措施。

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Research Progress on Dust Emission from Earthwork Construction

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 )

Earthwork construction dust has become one of the important pollution sources that plague China's ambient air quality. The existing achievements are mainly combed from the research contents of three aspects: dust source analysis, dust emission characteristics and dust emission related quantitative models. This paper attempts to summarize the research progress of dust in earthwork construction at home and abroad, and to clarify the research direction of the dust collection problem of earthwork construction, and provide reference for the assessment and treatment of urban earthwork construction dust.

Earthwork construction; dust source analysis; emission characteristics; dust diffusion law

X706

A

1671-6612（2019）04-449-08

陜西省教育廳產業化項目資助（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

2018-08-27