北京市土方階段施工工地揚塵排放特征及關鍵影響因素分析*

侯亞峰 邢 敏 潘 研 李珊珊#

(1.首都師范大學資源環境與旅游學院，北京 100048；2.北京市環境保護科學研究院，北京 100037)

施工揚塵是北京大氣顆粒物的重要來源[1-2]。自20世紀70年代至今，對施工揚塵的研究主要集中在排放因子方面[3-4]，其中美國環境保護署提出的AP-42揚塵排放量的估算方法得到了國際上多數相關機構的認可[5-6]。在國外對施工揚塵的研究中，研究方向集中于揚塵排放特征和影響因素[7-8]、揚塵控制技術[9-10]以及對人體健康造成的危害等方面[11]。我國對施工揚塵的研究集中于施工揚塵排放特征及影響因素[12-14]、排放因子和排放量[15]、化學組分分析[16-17]、揚塵擴散模擬[18]及施工揚塵控制技術等方面[19-20]。以往的施工揚塵研究大多數集中在對整個施工工地揚塵總體排放水平及特征的分析，對工地內部不同區域揚塵排放特征的研究較少。但工地內部不同區域的揚塵排放特征存在一定差異，不同影響因素與揚塵濃度的相關性也不同。

本研究通過對施工工地揚塵濃度進行監測，分析不同區域揚塵排放特征的差異，研究關鍵影響因素與揚塵濃度的相關性，提出揚塵污染防治措施建議，提升土方階段施工工地揚塵管控水平。

1 材料與方法

1.1 監測指標與儀器

選取總懸浮顆粒物(TSP)、PM10、PM2.5作為監測指標，使用GRAY WOLF手持式顆粒物檢測儀(光散射法)和LVS便攜式顆粒物采樣器(重量法)對北京市典型土方階段施工工地揚塵進行實測研究。

1.2 實驗方法

參照《上海建筑施工顆粒物控制標準》(DB 31/964—2016)、《陜西施工廠界揚塵排放限值》(DB 61/1078—2017)等規定，監測點位應設置于施工工程施工區域圍欄安全范圍內，且可直接監控工地現場主要施工活動的區域，分別在工地主出入口、上風向、下風向處設置便攜式顆粒物采樣器及手持式顆粒物檢測儀進行采樣，另外增設土方階段的主要施工區域基坑作為1個監測點，更好地反映主要施工活動的揚塵排放特征。

施工現場監測完成后，對手持式顆粒物檢測儀進行數據導出并分析，便攜式顆粒物采樣器則取下濾膜并規范稱重，稱重及濃度計算方法參照《環境空氣 PM10和PM2.5的測定 重量法》(HJ 618—2011)、《環境空氣 總懸浮顆粒物的測定 重量法》(GB/T 15432—1995)相關要求進行。

1.3 工地概況與實驗

土方階段包括土方開挖、運輸、排水、降水和土壁支撐等施工活動，最主要的施工活動為土方開挖與土方運輸，是揚塵排放量最大的施工活動。

選取北京市門頭溝區與大興區施工工地為監測對象，主要施工活動為土方開挖和運輸，總體施工活動量較大，車輛出入頻繁，揚塵污染較為嚴重，施工期間工地內能見度較小。兩個施工工地的揚塵污染防治水平和管理措施有一定差異，可進行對比研究。

監測時間為2018年9月底，此時北京以西北風和北風為主，結合監測當天工地附近環境監測站風向數據，將上風向和下風向監測點分別設置在工地北側和南側。工地A布置4個監測點位(見圖1(a))，分別位于上風向處(記為a)、主出入口(記為b)、基坑(記為c)、下風向處(記為d)，每個監測點位放置便攜式顆粒物采樣器3臺(分別監測PM2.5、PM10、TSP)，此外在主出入口、基坑、下風向處各增設手持式顆粒物檢測儀1臺，采樣口高度設為2.5 m。工地B儀器放置方法同工地A，其中上風向處、主出入口、基坑、下風向處監測點位分別為e、f、g、h(見圖1(b))。采樣時間設置為7:00—20:00，重量法采樣天數為2 d，每天采集1次；光散射法采樣頻率設置為1 min，最后計算出揚塵濃度的小時均值進行分析。監測期間風力等級不超過4級，且監測前兩天無降水。

2 結果與討論

2.1 不同區域揚塵分布差異分析

根據通過重量法獲取的施工場地內PM2.5、PM10及TSP日均值見圖2。可以發現，所監測施工工地內基坑的各項監測指標的濃度均大于主出入口與下風向，原因是基坑內裸露地面較多，土方作業強度大，運輸車輛進出基坑頻繁。工地A施工活動所產生的揚塵中，主出入口、基坑、下風向3個點位PM2.5的日均值分別為42.54、85.10、45.14 μg/m3， PM10的日均值分別為205.93、922.19、312.84 μg/m3， TSP的日均值分別為414.64、1 985.32、483.13 μg/m3。由下風向PM10質量濃度減去上風向PM10質量濃度，可得工地A的PM10凈日均值為211.24 μg/m3，工地B的PM10凈日均值為160.13 μg/m3，工地A、工地B基坑內PM10在TSP中的占比分別為46%、47%，這說明基坑內的揚塵排放主要以粗顆粒物為主。

圖1 采樣布點Fig.1 Sampling layout

圖2 不同區域揚塵日均值(重量法)Fig.2 Daily average mass concentration of dust in different areas (gravimetric method)

根據光散射法得到的施工場地內PM2.5和PM10日均值(見圖3)可以看出，3個點的光散射法監測值中，基坑的顆粒物日均值最高，主出入口與下風向顆粒物日均值明顯低于基坑。

對比兩工地的重量法與光散射法的監測數據，兩種方法測的PM2.5、PM10日均值相差較小，將同點位兩種方法的監測數據進行相關性分析，得出兩種方法測得的PM2.5、PM10日均值相關系數分別為0.978(P=0.01)、0.954(P=0.03)，相關性顯著，說明光散射法測得的數據是可靠的。

通過搜集整理天津、北京、以及珠三角地區的揚塵質量濃度數據(見表1)，得出其他實驗與本實驗測得PM10凈日均值相差不大，且北京地區揚塵濃度相對較低，其原因是近年來北京地區施工揚塵管控與監察力度不斷加大，施工現場揚塵管控措施齊備。

圖3 不同區域揚塵日均值(光散射法)Fig.3 Daily average mass concentration of dust in different areas (light scattering method)

表1 不同地區土方階段PM10質量濃度

為了進一步了解工地內部揚塵濃度的分布差異，分別對兩工地不同點位的小時均值進行單因素方差分析[23]，將工地A與工地B的光散射法監測數據分別分為主出入口、基坑、下風向3組數據，通過單因素方差分析法分析3組數據間的揚塵濃度小時均值差異，以及各組數據內的揚塵濃度小時均值差異。組間差異指3個點位之間PM10小時均值的差異，組內差異指每個點位內PM10小時均值的差異。F>1說明組間差異大于組內差異。由表2可知，工地A與工地B的F>1，說明主出入口、基坑、下風向3點位的組間差異比組內差異更大，證實工地內部不同點位的揚塵濃度確實存在差異。另外工地A的P>0.05，代表工地A的組間揚塵濃度差異不顯著，而工地B的P<0.05，則說明工地B的組間揚塵濃度差異顯著。造成這種現象的原因是工地A防塵管理水平較差，在高強度施工時段未保持霧炮機等防塵設備的運行，并且主出入口與下風向的防塵措施不完善，造成同時段3個點位揚塵濃度差異較小。工地B則防塵管理水平較高，在高強度污染時段一直保持霧炮機、灑水車的正常工作，且主出入口的洗輪機設備較為規范，下風向處噴淋系統也保持正常工作，加上3個點位施工強度與活動不同，造成了揚塵濃度差異較大的現象。所以工地現場防塵水平的差異也會對工地內部的揚塵分布造成一定的影響，工地現場信息見表3。

表2 單因素方差分析結果

在工地A主出入口中，PM10小時均值與PM2.5小時均值變化趨勢大致相同(見圖4)。8：00—10：00，

表3 工地現場信息

圖4 工地A揚塵小時均值Fig.4 Dust hourly average mass concentration in construction site A

由于工地內存在小規模土方作業，產生少量揚塵排放，越接近中午，施工強度越小，揚塵排放也逐漸變低。15：00—18：00，由于工地內進行大量土方開挖、土方運輸作業，產生大量粒徑為2.5～10 μm的顆粒物，導致PM2.5在PM10中的占比下降。18：00—20：00主出入口處由于少量土方運輸車與工地物料運輸車的出入，以及物料的搬卸與清掃，造成PM10濃度的總體增加。

在工地A基坑中，PM10與PM2.5小時均值整體較高，15：00—18：00，PM2.5與PM10濃度同時劇增，但與其他時間段相比，其PM2.5在PM10中的占比減小。對工地A下風向監測數據進行分析，下風向PM2.5與PM10的濃度總體水平低于基坑，其中PM2.5為11.32～28.76 μg/m3,PM10為141.24～814.42 μg/m3。下風向的揚塵基本來自基坑內的施工作業，由于顆粒物濃度隨大氣擴散逐漸降低，下風向的顆粒物濃度會略低于基坑。綜合3個點位的監測分析數據可以得出，同一點位下，PM2.5與PM10質量濃度越大，PM2.5在PM10中的占比越小。因此，在揚塵排放量較大的施工環節中，應該重點加強PM10的排放管控，從而有效降低揚塵排放量。

工地B所呈現揚塵排放特征與工地A基本一致，不同的是工地B的下風向揚塵濃度在出土時段并沒有明顯升高，反而下降，結合工地B現場信息可知，由于工地B基坑周邊的霧炮機與噴淋系統在出土時段一直保持著工作狀態，且霧炮機數量較多，工地圍擋處也裝有噴淋系統，大大降低了出土時段的揚塵濃度。工地A防塵措施在出土時段并不是一直保持工作狀態，且圍擋處無噴淋系統，故造成整體揚塵濃度高于工地B，且峰值明顯。此外，工地A和工地B的基坑揚塵濃度峰值均出現在出土時段，說明土方開挖和運輸造成了大量的揚塵污染。

2.2 不同區域揚塵濃度數據分布

由圖5可以看出，工地A和工地B都是主出入口的PM10濃度累計頻率先達到100%，其次是下風向處，基坑處PM10濃度累積頻率達到100%的濃度區間最大。工地A的基坑PM10質量濃度為2 850～3 000 μg/m3時，相對頻率為7.69%，累積頻率為100%。工地B的基坑PM10質量濃度為900～1 050 μg/m3時累積頻率已達到100%。當PM10大于300 μg/m3時，工地A主出入口、基坑、下風向的相對頻率分別為30.76%、53.83%、46.14%，工地B主出入口、基坑、下風向的相對頻率分別為0、46.14%、38.46%。所以防塵水平較差的工地更容易產生高濃度揚塵污染，且基坑處產生高濃度揚塵污染的概率最高。

圖5 PM10質量濃度頻率分布Fig.5 Frequency distribution of PM10 mass concentration

表4 施工揚塵排放量及排放因子

2.3 不同防塵水平工地排放因子對比

近年來，隨著施工揚塵管控力度的加大和揚塵管控措施的落實，揚塵管理水平對施工揚塵的排放量也帶來了影響。根據楊楊[24]研究建立的排放因子模型，假定施工場所的揚塵活動都處于5 m以下，且上下風向2.5 m高處的揚塵濃度差可代表現場揚塵濃度水平，可計算得出施工現場當天揚塵排放因子，具體公式見式(1)和式(2)：

Ej=Cb×u×w×5×36 000×10-6

(1)

EFj=Ej/(w×l×10)

(2)

式中：Ej為10 h內PM10的排放量，g；Cb為上下風向PM10質量濃度差，μg/m3；u為施工場所內2.5 m處風速，m/s；w為工地寬度，m；EFj為PM10排放因子，g/(m2·h)；l為工地長度，m。

由表4可以看出，工地A的PM10排放因子為0.035 g/(m2·h)，工地B的PM10排放因子為0.021 g/(m2·h)，明顯低于工地A，證實了在不同防塵水平的土方階段施工工地所測得的排放因子也不同。文獻[25]也估算了施工揚塵的排放因子，普遍高于與本研究結果。

2.4 下風向不同粒徑的顆粒物與風速的相關性分析

將風速、溫度、濕度氣象因素作為變量，對工地A和工地B下風向點位PM10與氣象因素的相關性進行分析，結果顯示工地A和工地B的PM10與風速的相關系數分別為-0.520、-0.573，且P均小于0.05，相關性顯著。溫度、濕度與PM10的相關性較差，P>0.05。

從揚塵與氣象因素的相關性來看，兩工地風速與PM10相關性最顯著，且兩工地的相關系數接近，將工地A與工地B下風向所有粒徑顆粒物與風速進行相關性分析，結果得出不同粒徑顆粒物濃度均與風速呈一定程度的負相關(見表5)，原因主要是：風速較低時，產生的顆粒物不易擴散，并長時間懸浮在施工工地內，容易導致顆粒物濃度增高。從下風向不同粒徑顆粒物與風速的相關性來看， PM0.5與風速的相關性最小，且隨著粒徑的增加相關性變大，PM10最大，相關系數為-0.549。原因主要是：施工活動中以排放粗顆粒物為主，顆粒物粒徑越小，排放量也少。由此得出，下風向不同粒徑的顆粒物與風速之間的相關性都呈負相關，且存在一定差異，隨著粒徑的增大，其與風速的相關性也就越大。此外，對基坑以及主出入口的PM10與風速相關性分析得出，主出入口的PM10與風速相關性較差，基坑的最差，其原因可能是這兩個點位受施工活動影響較大，工地內任何施工活動、車輛行駛、人為干預都會對揚塵污染特征造成影響，基坑處施工活動量大且頻繁，主出入口處車輛進出較為頻繁。

表5 不同粒徑顆粒物與風速的相關性

以300 μg/m3為分界點，將PM10濃度分為高濃度和低濃度，分析高濃度PM10和低濃度PM10與風速的相關性，相關系數分別為-0.615、-0.619(見表6)，這說明高濃度和低濃度PM10與風速的相關性相差不大，且總體呈負相關。由圖6可以看出，高濃度期間，風速為4 km/h時PM10實際監測值相較風速為2～3 km/h時明顯上升，隨著風速的繼續增大，PM10實際監測值逐漸降低。原因是當風速為4 km/h時，既有利于基坑產生PM10向下風向處蔓延，同時不利于PM10質量濃度的稀釋。低濃度期間，工地本身施工活動產生的PM10處于較低水平，但基坑內存在大量裸地，當風速增加到一定程度(8 km/h)時，會造成一定的風蝕揚塵的形成，從而提升了PM10實際監測值。

表6 不同濃度PM10與風速的相關性

圖6 不同質量濃度范圍PM10與風速的相關性Fig.6 Correlation between PM10 and wind speed in different mass concentration ranges

3 結論與建議

(1) 北京市土方階段施工工地揚塵排放特征有明顯差異，從分布上來看，受土方作業影響，重量法獲取的PM2.5、PM10及TSP日均值呈現出基坑處>下風向處>主出入口處>上風向處的趨勢，光散射法獲取的PM2.5和PM10日均值也呈現出基坑處明顯高于主出入口處和下風向處的趨勢，且兩種方法的相關性顯著。對比天津、珠三角地區等，北京市揚塵濃度相對較低，表明近年來隨著北京市施工揚塵管控力度的加大和揚塵管控措施的到位，北京市揚塵治理效果顯著。基坑內的揚塵排放主要以粗顆粒物為主，因此在揚塵排放量較大的施工環節中，應該重點加強PM10的排放管控，可以進一步有效降低揚塵排放量。

(2) 從不同區域揚塵濃度數據分布來看，防塵水平較差的工地更容易產生高濃度揚塵污染，且基坑處產生高濃度揚塵污染的概率最高。

(3) 從不同防塵水平工地揚塵排放量及排放因子來看，本研究中防塵水平較差的工地的PM10排放因子明顯高于防塵水平較好的工地PM10排放因子。

(4) 從揚塵與氣象因素的相關性來看，兩工地風速與PM10的相關性最顯著，不同粒徑顆粒物濃度均與風速呈一定程度的負相關，可見風速是影響施工揚塵濃度的重要因素，且隨著顆粒物粒徑的增大，其與風速的相關性也越顯著。