公路施工場地揚塵污染擴散機理及抑塵措施研究

文章編號：1674-6139（2025)06-0077-05

中圖分類號：X734文獻標志碼：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

公路施工是現代交通基礎設施建設中不可或缺的一環，然而過程中產生的揚塵污染問題卻日益凸顯。公路施工場地的粉塵不但對工人的身體有危害，還對周邊環境和居民生活帶來嚴重干擾[1]。因此，深入研究公路施工場地揚塵污染的擴散機理，并采取有效的抑塵措施，已成為當前亟待解決的問題。

已有文獻對此進行研究，文獻[2]利用MonteCarlo模擬不同風速、風向等條件下揚塵顆粒的運動軌跡和擴散范圍，揭示揚塵擴散機理。在模擬過程中，對實際環境進行簡化處理，導致模擬結果與實際情況存在偏差；文獻[3]通過收集施工場地及其周邊 PM_2.5，PM₁₀ 等顆粒物濃度，揭示揚塵污染的空間分布和擴散規律，并據此制定抑塵措施。空氣質量監測站點的數量和分布不足以全面反映揚塵污染狀況，數據代表性不足；文獻[4]構建沉積粉塵的臨界流量模型，預測和揭示揚塵污染的擴散機理。通過計算顆粒沉降速度，評估揚塵在空間和時間上分布和擴散情況。揚塵污染的擴散機理會發生變化，模型難以實時更新和調整。

基于以上背景，提出了基于CFD的污染擴散機理及抑塵措施。CFD模擬能夠捕捉揚塵顆粒在風場作用下的運動軌跡、濃度分布以及擴散范圍，揭示揚塵污染的擴散機理，降低公路施工過程中的揚塵污染水平，保護周邊環境和居民健康。

1應用CFD模擬方法的揚塵污染擴散機理研究

公路施工引起的揚塵是大氣顆粒物污染的一個重要源頭，尤其是在道路施工期間，受自然風力、施工機械作業、運輸車輛行駛等客觀原因，會在施工現場生成大量的粉塵，并向周邊大氣擴散。沙塵天氣不僅會使大氣中的污染物顆粒含量升高，還會對周邊環境造成嚴重的破壞，對動植物的生長、生態環境的破壞，對建筑工人及當地人民的身體健康構成威脅[5]。應用CFD流體動力學技術主要是通過模擬流體的流動，分析揚塵污染擴散特性[6]。揚塵以氣體為連續介質，而顆粒以離散相形式存在，傳播過程是氣－固兩相運動。在此基礎上，對建筑工地的空氣流動進行了數值模擬，建立了一種連續相流場，并對受力狀態及運動軌跡進行模擬，以達到揚塵擴散效果。連續相流場邊界條件見圖1。

在CFD(計算流體動力學)模擬中，設置連續相流場的邊界條件對于判斷流體是處于層流狀態還是湍流狀態具有至關重要的作用。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力學特性[7]。在靠近固體邊界的區域，由于黏性力的作用，流體速度會迅速降低，形成邊界層。邊界條件的設置會影響邊界層的厚度和特性，進而影響流動狀態。

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

式（1）中 _，μ 表示流體運動黏度： _;ρ 表示流體密度； L 表示特征長度； v 表示平均速度。設置臨界雷諾數，當計算結果小于臨界雷諾數時，則認為流體是層流，否則為湍流[9]。當黏性較小時，三維空間內的湍流更易發生非定常隨機運動。在實際工程中，一般采用的是低黏度流體，流場均為湍流。湍流是一類十分復雜的三維非定常流動，包含了非定常、多尺度空間內的波動現象。湍流對流體的性質有很大的影響，當黏性力作用力和慣性作用力之比達到一定顯著水平時，就會產生湍流。該情況下揚塵模式描述方程如式(2):

式(2）中， v_a 表示摩擦速度，表征了湍流切應力； k 表示卡門常數，用于描述湍流邊界層中平均速度分布的對數廓線特性[10] H₀ 表示未施工地面粗糙度； H 表示公路施工地面粗糙度。根據該方程，對湍流表面壓強進行規格化處理，由此獲取的揚塵污染擴散系數可表示為式(3）：

式（3）中， P 表示測點平均壓力。擴散系數指的是由于濃度差異導致的物質從高濃度區域向低濃度區域擴散速率，對于揚塵污染，擴散系數反映了塵粒在空氣中的擴散能力。擴散系數越大，說明揚塵污染擴散能力越強。

2 基于揚塵污染擴散機理的抑塵控制措施

揚塵質量濃度是指大氣中懸浮粒子的數量，而顆粒沉降速率是指懸浮粒子在大氣中的移動速率。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，當有風時，塵土顆粒移動得很快。這是由于空氣和塵土粒子在一起移動，即氣流對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，土壤間的內聚力降低，產生開裂的傾向。在行駛車輛碾壓、磨擦、揉搓、刮擦等作用下，土體受力部位會出現許多細小的顆粒。由于細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，這些顆粒會脫離地表，從而形成揚塵。

為了明確施工揚塵污染等級分類標準，依據揚塵在呼吸量范圍內的水平尺寸，對公路施工場地周邊地區進行分區，并在每個分區設立監測點。以多個監測點采集到的揚塵濃度為評價指標，判定施工揚塵污染等級。揚塵質量濃度計算公式為式(5）：

式（5）中， m₁…m₂ 分別表示采樣后、采樣前的質量； V₀ 表示采樣體積。綜合考慮揚塵污染的影響程度，將其劃分為3個等級，等級1是輕度污染，濃度范圍為 c<300μg?m^-3 ；等級2是中度污染，濃度范圍為 300μg?m^-3?c?500μg?m^-3 ；等級3是重度污染，濃度范圍為 c>500μg?m^-3 依據揚塵污染強度劃分結果，設計不同濃度污染的分級控制措施，如下所示：

對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；每天對工地入口、道路、物料堆放區及加工區域進行一到兩次的噴灑及清潔工作，以保證環境清潔；加強沉池清洗，每日最少2～3次，以防止污泥積聚；設立圍擋和采用濕法作業來減少揚塵，并對進出車輛進行沖洗，確保車輛不帶塵。同時，硬化辦公區道路，以減少揚塵源。

對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；同時啟動霧炮機和高空噴淋系統；運輸車輛全覆蓋，嚴查撒漏，確保環保到位。

對于重度污染采取的措施為：中度污染下，除常規措施外，還將噴灑化學抑塵劑；同時加強醫療應急準備，確保健康安全。

3實驗

3.1 實驗概況

為了探究高速公路施工現場揚塵蔓延的實際狀況，對其進行了現場觀測。研究選取了一條 22km 的改建工程為研究對象，包括新建設的 11.2km 道路和 5.5km 的道路拓寬。項目建設一期2～4車道高速公路，設計速度 80km/h ，路基寬度 22.3m 。

在連續多日晴天后，選取一段表層土壤含水量極低的路堤土裸露地段，該地段很容易產生揚塵。

為了制造出足夠多的揚塵，將一輛 6m 長、10噸空重的貨車放在了實驗場的裸露土路上。車輛在行進過程中會對地面造成較大擾動，因此可以用來模擬沙塵在來流方向上的情況。

3.2 實驗儀器

實驗采用微型激光 PM_2.5?PM₁₀ 檢測儀SDL307，上方設有進氣口，通過內置的激光模組發出光束，當顆粒通過時，高靈敏的數電模塊將其探測到，并轉化為相應的空氣質量指標。

通過實驗儀器，獲取的實驗數據見表1。

該表中的數據為公路施工場地揚塵擴散的數據，在后續實驗過程中，需要將其與抑塵后的數據進行對比，以此驗證不同方法抑塵效果。

3.3 實驗結果與分析

使用MonteCarlo模擬量化、空氣質量監測數據、沉積粉塵的臨界流量模型、離子色譜儀和CFD方法，對比分析卡車行駛速度分別為 時的 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，使用空氣質量監測數據、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、空氣質量監測數據、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，對應的最高數值為 55μg/m³ 。

4結束語

研究基于CFD流體動力學的公路施工場地揚塵污染擴散機理及抑塵措施的過程中，通過應用CFD技術，不僅能夠模擬出揚塵顆粒在不同風速條件下的擴散軌跡和濃度分布，還能依據污染濃度等級設計抑塵措施。通過構建精確的揚塵湍流模式與污染擴散模型，成功量化了揚塵的擴散能力及污染等級，為揚塵治理提供了科學依據。根據實驗對比結果可知，使用所研究方法能夠使揚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，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 ，克服了傳統方法的局限性，有效驗證了該方法的實際應用效果與可行性，為公路施工場地的揚塵污染控制提供更加可靠的理論依據和技術支持。

參考文獻：

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

[2]王恬爽，牛笑應，文惠，等.蘭州地區大氣污染的化學組成及來源解析[J].環境科學學報，2022，42（11)：351-360.

[3]石耀鵬，胡京南，褚腸晰，等.基于空氣質量監測數據的鋼鐵行業污染源識別方法[J].環境科學，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.施工揚塵擴散模擬與工人健康損害定量評估研究[J].安全與環境學報，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].環境化學，2022，41（12）：4016-4031.

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

[8]舒嬡媛，柏榮耀，石俊豪，等.孝感市開放源揚塵重金屬污染特征、來源及健康風險評價［J].環境化學，2022，41(2):499-510.

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

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