施工揚塵空間擴散影響因素數值模擬研究

胡偉成，袁紫婷，陳華鵬，劉 偉，邢浩然，王永祥，金峻炎，孫世龍

（1. 華東交通大學交通運輸工程學院，江西 南昌 330013；2. 南昌交通學院土木建筑學院，江西 南昌 330100；3. 華東交通大學土木建筑學院，江西 南昌 330013；4. 華東交通大學智能交通基礎設施研究所，江西 南昌 330013）

場地平整、基礎工程、結構工程及建筑物料運輸等建筑施工過程產生的揚塵顆粒是大氣污染物的主要來源之一，其對大氣中PM10（可吸入顆粒物，粒徑小于10 μm）和PM2.5（細顆粒物，粒徑小于2.5 μm）的顆粒物濃度貢獻率分別可達到38.9%和37.7%[1]。這些揚塵顆粒物不僅會對植被和周圍環境造成嚴重的影響， 而且會引發人體的各類呼吸系統疾病，嚴重危害人類的身體健康[2]。

國內外學者從多個角度分析研究了施工揚塵空間擴散特性及危害，包括揚塵化學元素特征[3]、揚塵排放特征[4]和揚塵控制措施[5]等。 田剛等[6]通過對北京市某大型建筑工地進行現場實測得到了132組相關數據，以此探討了建筑工地內的PM10排放率隨風速的變化規律，發現施工揚塵排放強度隨風速增大而增加。 劉嘉明等[7]探究了西安市夜間土方工程施工的揚塵排放特征，發現土方施工過程產生的揚塵濃度與風速呈負相關。 侯亞峰等[8]通過分析北京市土方施工過程產生的揚塵濃度后發現，不同粒徑顆粒物濃度均與風速呈負相關。 隨著計算機水平的提高，數值模擬技術在揚塵空間擴散研究上的應用越來越廣[9-10]。 鄧濟通等[11]利用計算流體動力學（computational fluid dynamics，CFD） 模擬技術研究了不同圍擋高度對土方施工過程產生的揚塵污染情況，結果表明，2.2 m 圍擋高度圍成的施工工地對外界環境造成的揚塵污染影響最小，且風速越大圍擋防止施工揚塵向外界空間擴散的效果越差。 阮順領等[12]針對施工揚塵的空間擴散進行數值模擬分析，發現揚塵濃度隨風速增大而逐漸減小。 單曉宇等[13]利用Fluent 軟件模擬不同來流風速和圍擋離工地距離下的施工揚塵空間擴散，發現圍擋后方揚塵濃度隨風速增大而減小，圍擋離工地較遠時更有利于抑制揚塵擴散，且圍擋離工地10 m 時，3.3 m/s 風速下的揚塵濃度達到最高。 然而，現有施工揚塵空間擴散數值模擬相關研究考慮的來流大多為均勻流，且揚塵顆粒粒徑單一，數值模擬結果未與工地實測數據進行對比驗證，結論的科學性與合理性仍有待研究。

本研究以北京市某實際工地數據為基礎[14]，來流風速采用指數律風剖面形式[15]，利用CFD 技術模擬工地附近施工揚塵污染的空間分布與擴散，并與工地實測揚塵濃度數據進行對比驗證；對比分析了6 種圍擋高度和6 種指數律剖面來流風速下的施工揚塵空間擴散特性，為施工揚塵污染管理控制措施的制定提供有力保障。

1 CFD 模擬技術與工程概況

1.1 CFD 模擬理論基礎

在施工揚塵污染擴散的CFD 模擬中， 需要準確模擬空氣介質的流動以及空氣與揚塵顆粒之間的相互作用。 空氣為連續流體介質，揚塵顆粒為固體介質，可采用離散相對二者進行模擬。 CFD 模擬中，由于空氣流速較慢，通常假設空氣為不可壓縮流體[15]。本文采用標準k-ε 湍流模型求解流場分布，相關控制方程如下

式中：t 為時間，s；xi為3 個坐標分量，m；ui為3 個速度分量，m/s；P 為壓強，Pa；k 為湍動能，m2/s2；ε 為湍動能耗散率，m2/s3；ρ 為空氣密度，kg/m3；v 為空氣運動黏度，m2/s；，τij=2vτSij-2/3kδij為雷諾應力，m2/s2；vτ=Cμ，為湍流運動黏度，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，分別為0.09，1.44，1.92，1.0 和1.3。

根據式（1）～式（5）可求解整個流場的風速、壓強、湍動能和湍動能耗散率分布，通過指定揚塵顆粒的密度、直徑、初始位置和初始速度，即可計算揚塵顆粒的受力狀態， 從而通過反復迭代預測每個揚塵顆粒的運動軌跡， 最終求得整個區域的揚塵顆粒位置和濃度分布。 由于揚塵顆粒之間的相互碰撞會造成一定的耗散， 且揚塵顆粒會反過來對流場產生一定的影響；本文采用隨機軌道模型[16]與雙向耦合算法[17]，充分考慮空氣與揚塵顆粒的相互作用。

1.2 CFD 模擬入口邊界條件

《建筑結構荷載規范》（GB 50009-2012）中規定了A、B、C、D 共4 類標準地貌， 這4 類標準地貌中的風速沿高度變化的剖面均滿足指數律分布形式，在CFD 模擬中必須考慮指數律風剖面形式。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 處的平均風速，湍流強度，湍動能和湍動能耗散率；zr為參考高度；Ur為參考高度處的平均風速；α 為風剖面指數，與地貌類別有關，4 類標準地貌的取值分別為0.12，0.15，0.22 和0.30；I10為10 m 高 度處湍 流強度，與地貌類別有關，4 類標準地貌取值分別為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 個測點，測點的水平間隔為15 m，測點離地高度為3 m，測量每個測點位置在每個月份的施工揚塵濃度。 該工地順風向長度為95 m，圍擋高度為2 m。為驗證施工揚塵空間擴散CFD 模擬結果的準確性與可靠性，選取施工階段達到中期且施工揚塵濃度最高的的2004 年11 月的工地監測揚塵濃度數據進行對比驗證， 重現整個區域的施工揚塵顆粒空間分布與擴散過程。 本文選取該工地揚塵監測數據用于CFD 模擬對比驗證的原因在于其揚塵監測數據比較可靠，且工地的相關參數相對比較明確，模擬難度較低。

1.4 施工揚塵污染評估指標

施工揚塵污染的常用評估指標包括揚塵濃度、揚塵排放率以及揚塵逃逸比等。 揚塵濃度能夠直觀表示施工揚塵的污染情況，在評估揚塵污染程度時應用最為廣泛[20]。然而，揚塵濃度無法考慮風速對揚塵顆粒的遷移作用而導致的污染加劇效應。 與之相比，揚塵排放率是單位時間通過單位面積的揚塵質量，等于揚塵濃度乘以風速[6]，是綜合考慮揚塵濃度和風速遷移作用的評估指標。 在對比施工揚塵對人體造成危害的嚴重程度時， 多數研究僅考慮1.5 m呼吸高度處的揚塵濃度或揚塵排放率大小。 然而每個個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 呼吸高度處的揚塵污染參數作為評估指標的方法不夠全面。 本文考慮人體的呼吸高度范圍約為0.5～1.5 m，提出該高度范圍內的平均揚塵排放率如式（10），作為評估施工揚塵對人體危害的指標。

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

為評估施工揚塵對外界環境的污染強度，可采用揚塵逃逸比進行對比分析。 揚塵逃逸比是指逃離工地的揚塵顆粒數與工地釋放的揚塵顆粒數之比，如式（11）。 逃逸比越大，表示施工揚塵對外界環境的影響越大[11]。

式中：Rescape為揚塵逃逸比；Nemission為釋放揚塵數目；Nescape為逃離工地揚塵數目。

2 施工揚塵空間擴散CFD 模擬驗證

2.1 工程案例氣象風速數據分析

由中國氣象數據網下載得到施工工地附近的氣象風速觀測數據（http://data.sheshiyuanyi.com/WeatherData/），選定離目標工地最近的北京市海淀區氣象站，該氣象站的站臺編號為54511，氣象觀測點距離地面高度為31.3 m。 工地施工期橫跨2004年和2005 年，統計分析該氣象站2004 年1 月1 日至2005 年12 月31 日這段時期內的日平均風速和日極大風速，繪制風頻分布和風速累計分布函數如圖1。

圖1 日均風速的風頻與累計分布函數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速所在區間最大可能為1.5～2.0 m/s 和2.0～2.5 m/s，發生概率為27%和20%，日極大風速所在區間最大可能為4～5 m/s 和3～4 m/s， 發生概率為21%和20%。整體而言，其日平均風速最大可能在2 m/s 左右，日極大風速最大可能在4 m/s 左右。

為對比研究來流風速對施工揚塵空間分布與擴散特性的影響， 針對日平均風速和日極大風速，選擇累計分布函數的50%，80%和95%分位點，作為CFD 模擬的來流風速。 目標工地中，日平均風速的3 個分位點對應風速分別為2，3 m/s 和4 m/s，日極大風速的3 個分位點對應風速分別為5，7 m/s 和9 m/s；因此，本文對比的來流風速總計6 個，包括2，3，4，5，7 m/s 和9 m/s。注意，此處描述的來流風速為氣象觀測點距離地面高度31.3 m 處的平均風速，即式中的參考高度zr=31.3 m，參考高度處平均風速Ur為來流風速，CFD 模擬時入口風速按照式的指數律剖面給定。

在對比分析之前，需要先驗證CFD 模擬結果的準確性與可靠性。 本文以目標工地2004 年11 月的揚塵濃度監測數據[14]為對比對象，進行施工揚塵空間擴散的CFD 模擬。 根據統計，該工地2004 年11月的月平均風速為2.2 m/s，風力等級為2 級。 根據該工地所處地理位置， 確定其為標準B 類地貌，可確定式（6）～式（9）的入口邊界條件相關參數為：α=0.15，I10=0.14，zr=31.3 m，Ur=2.2 m/s。

2.2 數值建模

利用商用軟件Ansys 14.5 的流體力學模塊Fluent 進行CFD 模擬，根據工地特點建立如圖2 的二維簡化數值模型[21－22]。

圖2 CFD 模擬計算域與局部網格示意Fig.2 Schematic diagram of calculation domain and local grid of CFD simulation

根據工地的實際情況，確定施工區域的長度為95 m。 為避免入口來流和出口邊界對模擬結果的影響，在施工工地前后分別設置15 m 和950 m 的過渡段和尾流發展段， 其中尾流發展段的長度為施工區域長度的10 倍。 計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，整個計算域大小為1 060 m × 40 m，其中1 060 m 為順風向（x）長度，40 m 為豎向（z）高度。為準確模擬圍擋附近的復雜流動現象， 針對圍擋附近進行網格加密。在x 方向，將過渡段、施工段和尾流段分別劃分為15，100 個和90 個網格， 共計205個；在z 方向，將地面至圍擋高度和圍擋高度至頂部劃分為40 個和48 個網格，共計88 個。 因此，整個計算域的網格數量總計為18 040 個。本文采用的網格下近壁面無量綱網格尺度為42，滿足[30，100]范圍內要求，可以達到預期模擬精度。

2.3 邊界條件與參數設置

本次模擬在四核英特爾酷睿i7-4790K 處理器上進行，CFD 模擬的相關參數設置如表1[13，23]。 模擬設定收斂準則為10-6， 同時監測出口處3 m 高度處的平均風速，當出口風速變化不大時表明模擬基本趨于穩定。經測定，模擬在10 000 步后趨于穩定，統計穩定后10 000 步的平均風速和揚塵濃度數據用于分析研究。

表1 CFD 模擬參數設置Tab.1 Parameter settings of the CFD simulations

2.4 CFD 模擬結果驗證

為驗證施工揚塵空間擴散CFD 模擬結果的準確性與可靠性，將CFD 模擬得到的揚塵濃度數據與工地實測揚塵濃度數據進行對比。 提取距離圍擋水平長度0～120 m，地面高度3 m 位置的CFD 模擬揚塵濃度數據，繪制揚塵濃度沿水平方向擴散的模擬結果與實測數據對比圖， 如圖3。 由圖3 可以看出，CFD 模擬結果與實測數據吻合較好，二者的均方根誤差RMSE 僅為17.08 μg/m3，決定系數R2為0.949 3。因此，該施工揚塵CFD 模擬的結果較為可靠，為不同圍擋高度和來流風速下施工揚塵空間擴散CFD模擬提供了可靠有力支撐。

圖3 CFD 模擬揚塵濃度水平擴散結果驗證Fig.3 Verification of CFD results with horizontal dust concentration diffusion

3 圍擋高度和來流風速對施工揚塵空間擴散影響分析

《建筑施工安全檢查標準》（JGJ 59-2011）規定一般路段的工地必須設置封閉圍擋，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 種圍擋高度進行施工揚塵空間擴散特性對比研究。 來流風速取第2.1 節中的6 個風速， 即2，3，4，5，7 m/s和9 m/s，與圍擋高度共構成36 組工況。 采用CFD模擬技術對比分析不同圍擋高度和來流風速對施工揚塵空間擴散特性的影響。

3.1 圍擋高度的影響

3.1.1 揚塵濃度水平向分布

由于日平均風速發生頻率最高為2 m/s， 對比該風速下不同圍擋高度的揚塵濃度空間分布。 圖4為6 種圍擋高度下1.5 m 呼吸高度揚塵濃度沿水平方向的擴散結果。 可以看出，圍擋高度為1.8，2.5 m和3.0 m 時，離圍擋水平距離20 m 處的揚塵濃度分別 為172，154 μg/m3和136 μg/m3， 最 大 差 異 為26.5%。 表明圍擋高度越高，則圍擋對揚塵擴散的阻擋效應越強，導致揚塵濃度越低。 但圍擋影響揚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 呼吸高度處揚塵濃度水平擴散結果-來流風速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 揚塵濃度豎向分布

根據劉偉等[24]的分析結果可知，施工揚塵達到中度污染的最遠距離為42 m， 超過42 m 可視為輕度污染區域，該結論對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度42 m 位置處的揚塵濃度進行對比分析，研究不同圍擋高度下揚塵濃度沿豎向的擴散特性，如圖5。 可以看出，在呼吸高度0.5～1.5 m 范圍內，6 種圍擋高度的揚塵濃度分別在79～82，73～78，75～80，70～77，67～72 μg/m3和64～71 μg/m3區間內。1.8 m 和3.0 m 圍擋高度導致的揚塵濃度最大差異約為23.1%。 若按照揚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，呼吸高度范圍內的揚塵濃度越低，揚塵污染越弱。

圖5 不同圍擋高度下離圍擋水平長度42 m 處揚塵濃度豎向擴散結果-來流風速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 平均揚塵排放率

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

圖6 不同圍擋高度和來流風速下離圍擋42 m 的平均揚塵排放率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 圍擋高度的揚塵濃度和平均揚塵排放率整體最低，即對于阻擋施工揚塵空間擴散的效果最佳， 對人體造成的危害最輕，這也與圍擋越高阻擋效果越好的認識基本一致。

3.2 來流風速的影響

根據圖7 可以看出，當圍擋高度低于2.6 m 時，來流風速越大， 距離圍擋42 m 處的平均揚塵排放率越低， 對人體危害越小； 當圍擋高度高于2.6 m時， 距離圍擋42 m 處的平均揚塵排放率隨來流風速的增加先增大后減小， 在來流風速為3 m/s 時達到最大，即對人體危害最大。對于3.0 m 圍擋高度而言，來流風速為3 m/s 平均揚塵排放率最高，其次為來流風速2 m/s，二者相差28.6%；不同來流風速導致的平均揚塵排放率最大相差99.0%。

為有效考慮施工揚塵對外界環境的影響，繪制不同圍擋高度和來流風速下的揚塵逃逸比，如圖7。可以看出，2 m/s 來流風速時，6 種圍擋高度的揚塵逃逸比最大差異為1.2%；3，4，5，7 m/s 和9 m/s 來流風速時，6 種圍擋高度的揚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，相同來流風速時， 圍擋高度對揚塵逃逸比的影響較小，均小于1.2%；因此，計算指定來流風速的6 種圍擋高度的揚塵逃逸比的平均值，作為該來流風速揚塵逃逸比的代表值，用于分析來流風速對逃逸比的影響。2，3，4，5，7 m/s 和9 m/s 這6 種來流風速的平均揚塵逃逸比分別為10.6%，11.3%，12.5%，13.2%，4.5%和4.9%。可以發現，當來流風速在2～5 m/s 內，揚塵逃逸比隨風速的增加而增大， 在5 m/s 時達到最大；當風速超過5 m/s，揚塵逃逸比突然減小，之后保持不變。 這是因為風速較小時，風速越大，揚塵顆粒受到的遷移作用越強， 逃出工地的顆粒越多；但當風速達到一定程度時，大部分揚塵顆粒在逃離工地之前，會被圍擋阻擋并捕捉，逃離的顆粒反而會大幅減小。 整體而言，來流風速在2～5 m/s 時，施工揚塵對外界環境的危害會隨風速的增加而加劇，并在來流風速5 m/s 時達到最強。

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

4 結論

1） 將施工揚塵空間擴散的CFD 模擬結果與工地實測揚塵濃度數據進行對比，發現二者的揚塵濃度RMSE 誤差僅為17.08 μg/m3。R2指標為0.949 3，表明二者的結果基本一致，驗證了施工揚塵空間擴散CFD 模擬結果的準確性與可靠性。

2） 對比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塵空間擴散特性，發現相同風速下3.0 m 圍擋高度的揚塵濃度和平均揚塵排放率整體最低， 表明3.0 m 圍擋高度時能最有效阻擋施工揚塵空間擴散，對人體危害最低。

3） 對比2，3，4，5，7 m/s 和9 m/s 這6 種來流風速下施工揚塵空間擴散特性， 發現當圍擋高度為3.0 m 時， 來流風速為3 m/s 的平均揚塵排放率最高，對人體危害最高，其次為來流風速2 m/s；來流風速在2～5 m/s 內， 施工揚塵逃逸比隨風速增加而增大，并在5 m/s 時達到最大，即對外界環境危害最高。

4） 本研究是針對北京市某施工工地而言，其結論可作為其它工地揚塵污染控制措施制定的依據，對于特定的工地需針對具體情況進行施工揚塵現場實測或CFD 模擬，幫助進行決策。