侯亚峰 邢 敏 潘 研 李珊珊#

(1.首都师范大学资源环境与旅游学院，北京 100048；2.北京市环境保护科学研究院，北京 100037)

施工扬尘是北京大气颗粒物的重要来源[1-2]。自20世纪70年代至今，对施工扬尘的研究主要集中在排放因子方面[3-4]，其中美国环境保护署提出的AP-42扬尘排放量的估算方法得到了国际上多数相关机构的认可[5-6]。在国外对施工扬尘的研究中，研究方向集中于扬尘排放特征和影响因素[7-8]、扬尘控制技术[9-10]以及对人体健康造成的危害等方面[11]。我国对施工扬尘的研究集中于施工扬尘排放特征及影响因素[12-14]、排放因子和排放量[15]、化学组分分析[16-17]、扬尘扩散模拟[18]及施工扬尘控制技术等方面[19-20]。以往的施工扬尘研究大多数集中在对整个施工工地扬尘总体排放水平及特征的分析，对工地内部不同区域扬尘排放特征的研究较少。但工地内部不同区域的扬尘排放特征存在一定差异，不同影响因素与扬尘浓度的相关性也不同。

本研究通过对施工工地扬尘浓度进行监测，分析不同区域扬尘排放特征的差异，研究关键影响因素与扬尘浓度的相关性，提出扬尘污染防治措施建议，提升土方阶段施工工地扬尘管控水平。

1 材料与方法

1.1 监测指标与仪器

选取总悬浮颗粒物(TSP)、PM10、PM2.5作为监测指标，使用GRAY WOLF手持式颗粒物检测仪(光散射法)和LVS便携式颗粒物采样器(重量法)对北京市典型土方阶段施工工地扬尘进行实测研究。

1.2 实验方法

参照《上海建筑施工颗粒物控制标准》(DB 31/964—2016)、《陕西施工厂界扬尘排放限值》(DB 61/1078—2017)等规定，监测点位应设置于施工工程施工区域围栏安全范围内，且可直接监控工地现场主要施工活动的区域，分别在工地主出入口、上风向、下风向处设置便携式颗粒物采样器及手持式颗粒物检测仪进行采样，另外增设土方阶段的主要施工区域基坑作为1个监测点，更好地反映主要施工活动的扬尘排放特征。

施工现场监测完成后，对手持式颗粒物检测仪进行数据导出并分析，便携式颗粒物采样器则取下滤膜并规范称重，称重及浓度计算方法参照《环境空气 PM10和PM2.5的测定 重量法》(HJ 618—2011)、《环境空气 总悬浮颗粒物的测定 重量法》(GB/T 15432—1995)相关要求进行。

1.3 工地概况与实验

土方阶段包括土方开挖、运输、排水、降水和土壁支撑等施工活动，最主要的施工活动为土方开挖与土方运输，是扬尘排放量最大的施工活动。

选取北京市门头沟区与大兴区施工工地为监测对象，主要施工活动为土方开挖和运输，总体施工活动量较大，车辆出入频繁，扬尘污染较为严重，施工期间工地内能见度较小。两个施工工地的扬尘污染防治水平和管理措施有一定差异，可进行对比研究。

监测时间为2018年9月底，此时北京以西北风和北风为主，结合监测当天工地附近环境监测站风向数据，将上风向和下风向监测点分别设置在工地北侧和南侧。工地A布置4个监测点位(见图1(a))，分别位于上风向处(记为a)、主出入口(记为b)、基坑(记为c)、下风向处(记为d)，每个监测点位放置便携式颗粒物采样器3台(分别监测PM2.5、PM10、TSP)，此外在主出入口、基坑、下风向处各增设手持式颗粒物检测仪1台，采样口高度设为2.5 m。工地B仪器放置方法同工地A，其中上风向处、主出入口、基坑、下风向处监测点位分别为e、f、g、h(见图1(b))。采样时间设置为7:00—20:00，重量法采样天数为2 d，每天采集1次；光散射法采样频率设置为1 min，最后计算出扬尘浓度的小时均值进行分析。监测期间风力等级不超过4级，且监测前两天无降水。

2 结果与讨论

2.1 不同区域扬尘分布差异分析

根据通过重量法获取的施工场地内PM2.5、PM10及TSP日均值见图2。可以发现，所监测施工工地内基坑的各项监测指标的浓度均大于主出入口与下风向，原因是基坑内裸露地面较多，土方作业强度大，运输车辆进出基坑频繁。工地A施工活动所产生的扬尘中，主出入口、基坑、下风向3个点位PM2.5的日均值分别为42.54、85.10、45.14 μg/m3， PM10的日均值分别为205.93、922.19、312.84 μg/m3， TSP的日均值分别为414.64、1 985.32、483.13 μg/m3。由下风向PM10质量浓度减去上风向PM10质量浓度，可得工地A的PM10净日均值为211.24 μg/m3，工地B的PM10净日均值为160.13 μg/m3，工地A、工地B基坑内PM10在TSP中的占比分别为46%、47%，这说明基坑内的扬尘排放主要以粗颗粒物为主。

图1 采样布点Fig.1 Sampling layout

图2 不同区域扬尘日均值(重量法)Fig.2 Daily average mass concentration of dust in different areas (gravimetric method)

根据光散射法得到的施工场地内PM2.5和PM10日均值(见图3)可以看出，3个点的光散射法监测值中，基坑的颗粒物日均值最高，主出入口与下风向颗粒物日均值明显低于基坑。

对比两工地的重量法与光散射法的监测数据，两种方法测的PM2.5、PM10日均值相差较小，将同点位两种方法的监测数据进行相关性分析，得出两种方法测得的PM2.5、PM10日均值相关系数分别为0.978(P=0.01)、0.954(P=0.03)，相关性显著，说明光散射法测得的数据是可靠的。

通过搜集整理天津、北京、以及珠三角地区的扬尘质量浓度数据(见表1)，得出其他实验与本实验测得PM10净日均值相差不大，且北京地区扬尘浓度相对较低，其原因是近年来北京地区施工扬尘管控与监察力度不断加大，施工现场扬尘管控措施齐备。

图3 不同区域扬尘日均值(光散射法)Fig.3 Daily average mass concentration of dust in different areas (light scattering method)

表1 不同地区土方阶段PM10质量浓度

为了进一步了解工地内部扬尘浓度的分布差异，分别对两工地不同点位的小时均值进行单因素方差分析[23]，将工地A与工地B的光散射法监测数据分别分为主出入口、基坑、下风向3组数据，通过单因素方差分析法分析3组数据间的扬尘浓度小时均值差异，以及各组数据内的扬尘浓度小时均值差异。组间差异指3个点位之间PM10小时均值的差异，组内差异指每个点位内PM10小时均值的差异。F>1说明组间差异大于组内差异。由表2可知，工地A与工地B的F>1，说明主出入口、基坑、下风向3点位的组间差异比组内差异更大，证实工地内部不同点位的扬尘浓度确实存在差异。另外工地A的P>0.05，代表工地A的组间扬尘浓度差异不显著，而工地B的P<0.05，则说明工地B的组间扬尘浓度差异显著。造成这种现象的原因是工地A防尘管理水平较差，在高强度施工时段未保持雾炮机等防尘设备的运行，并且主出入口与下风向的防尘措施不完善，造成同时段3个点位扬尘浓度差异较小。工地B则防尘管理水平较高，在高强度污染时段一直保持雾炮机、洒水车的正常工作，且主出入口的洗轮机设备较为规范，下风向处喷淋系统也保持正常工作，加上3个点位施工强度与活动不同，造成了扬尘浓度差异较大的现象。所以工地现场防尘水平的差异也会对工地内部的扬尘分布造成一定的影响，工地现场信息见表3。

表2 单因素方差分析结果

在工地A主出入口中，PM10小时均值与PM2.5小时均值变化趋势大致相同(见图4)。8：00—10：00，

表3 工地现场信息

图4 工地A扬尘小时均值Fig.4 Dust hourly average mass concentration in construction site A

由于工地内存在小规模土方作业，产生少量扬尘排放，越接近中午，施工强度越小，扬尘排放也逐渐变低。15：00—18：00，由于工地内进行大量土方开挖、土方运输作业，产生大量粒径为2.5～10 μm的颗粒物，导致PM2.5在PM10中的占比下降。18：00—20：00主出入口处由于少量土方运输车与工地物料运输车的出入，以及物料的搬卸与清扫，造成PM10浓度的总体增加。

在工地A基坑中，PM10与PM2.5小时均值整体较高，15：00—18：00，PM2.5与PM10浓度同时剧增，但与其他时间段相比，其PM2.5在PM10中的占比减小。对工地A下风向监测数据进行分析，下风向PM2.5与PM10的浓度总体水平低于基坑，其中PM2.5为11.32～28.76 μg/m3,PM10为141.24～814.42 μg/m3。下风向的扬尘基本来自基坑内的施工作业，由于颗粒物浓度随大气扩散逐渐降低，下风向的颗粒物浓度会略低于基坑。综合3个点位的监测分析数据可以得出，同一点位下，PM2.5与PM10质量浓度越大，PM2.5在PM10中的占比越小。因此，在扬尘排放量较大的施工环节中，应该重点加强PM10的排放管控，从而有效降低扬尘排放量。

工地B所呈现扬尘排放特征与工地A基本一致，不同的是工地B的下风向扬尘浓度在出土时段并没有明显升高，反而下降，结合工地B现场信息可知，由于工地B基坑周边的雾炮机与喷淋系统在出土时段一直保持着工作状态，且雾炮机数量较多，工地围挡处也装有喷淋系统，大大降低了出土时段的扬尘浓度。工地A防尘措施在出土时段并不是一直保持工作状态，且围挡处无喷淋系统，故造成整体扬尘浓度高于工地B，且峰值明显。此外，工地A和工地B的基坑扬尘浓度峰值均出现在出土时段，说明土方开挖和运输造成了大量的扬尘污染。

2.2 不同区域扬尘浓度数据分布

由图5可以看出，工地A和工地B都是主出入口的PM10浓度累计频率先达到100%，其次是下风向处，基坑处PM10浓度累积频率达到100%的浓度区间最大。工地A的基坑PM10质量浓度为2 850～3 000 μg/m3时，相对频率为7.69%，累积频率为100%。工地B的基坑PM10质量浓度为900～1 050 μg/m3时累积频率已达到100%。当PM10大于300 μg/m3时，工地A主出入口、基坑、下风向的相对频率分别为30.76%、53.83%、46.14%，工地B主出入口、基坑、下风向的相对频率分别为0、46.14%、38.46%。所以防尘水平较差的工地更容易产生高浓度扬尘污染，且基坑处产生高浓度扬尘污染的概率最高。

图5 PM10质量浓度频率分布Fig.5 Frequency distribution of PM10 mass concentration

表4 施工扬尘排放量及排放因子

2.3 不同防尘水平工地排放因子对比

近年来，随着施工扬尘管控力度的加大和扬尘管控措施的落实，扬尘管理水平对施工扬尘的排放量也带来了影响。根据杨杨[24]研究建立的排放因子模型，假定施工场所的扬尘活动都处于5 m以下，且上下风向2.5 m高处的扬尘浓度差可代表现场扬尘浓度水平，可计算得出施工现场当天扬尘排放因子，具体公式见式(1)和式(2)：

Ej=Cb×u×w×5×36 000×10-6

(1)

EFj=Ej/(w×l×10)

(2)

式中：Ej为10 h内PM10的排放量，g；Cb为上下风向PM10质量浓度差，μg/m3；u为施工场所内2.5 m处风速，m/s；w为工地宽度，m；EFj为PM10排放因子，g/(m2·h)；l为工地长度，m。

由表4可以看出，工地A的PM10排放因子为0.035 g/(m2·h)，工地B的PM10排放因子为0.021 g/(m2·h)，明显低于工地A，证实了在不同防尘水平的土方阶段施工工地所测得的排放因子也不同。文献[25]也估算了施工扬尘的排放因子，普遍高于与本研究结果。

2.4 下风向不同粒径的颗粒物与风速的相关性分析

将风速、温度、湿度气象因素作为变量，对工地A和工地B下风向点位PM10与气象因素的相关性进行分析，结果显示工地A和工地B的PM10与风速的相关系数分别为-0.520、-0.573，且P均小于0.05，相关性显著。温度、湿度与PM10的相关性较差，P>0.05。

从扬尘与气象因素的相关性来看，两工地风速与PM10相关性最显著，且两工地的相关系数接近，将工地A与工地B下风向所有粒径颗粒物与风速进行相关性分析，结果得出不同粒径颗粒物浓度均与风速呈一定程度的负相关(见表5)，原因主要是：风速较低时，产生的颗粒物不易扩散，并长时间悬浮在施工工地内，容易导致颗粒物浓度增高。从下风向不同粒径颗粒物与风速的相关性来看， PM0.5与风速的相关性最小，且随着粒径的增加相关性变大，PM10最大，相关系数为-0.549。原因主要是：施工活动中以排放粗颗粒物为主，颗粒物粒径越小，排放量也少。由此得出，下风向不同粒径的颗粒物与风速之间的相关性都呈负相关，且存在一定差异，随着粒径的增大，其与风速的相关性也就越大。此外，对基坑以及主出入口的PM10与风速相关性分析得出，主出入口的PM10与风速相关性较差，基坑的最差，其原因可能是这两个点位受施工活动影响较大，工地内任何施工活动、车辆行驶、人为干预都会对扬尘污染特征造成影响，基坑处施工活动量大且频繁，主出入口处车辆进出较为频繁。

表5 不同粒径颗粒物与风速的相关性

以300 μg/m3为分界点，将PM10浓度分为高浓度和低浓度，分析高浓度PM10和低浓度PM10与风速的相关性，相关系数分别为-0.615、-0.619(见表6)，这说明高浓度和低浓度PM10与风速的相关性相差不大，且总体呈负相关。由图6可以看出，高浓度期间，风速为4 km/h时PM10实际监测值相较风速为2～3 km/h时明显上升，随着风速的继续增大，PM10实际监测值逐渐降低。原因是当风速为4 km/h时，既有利于基坑产生PM10向下风向处蔓延，同时不利于PM10质量浓度的稀释。低浓度期间，工地本身施工活动产生的PM10处于较低水平，但基坑内存在大量裸地，当风速增加到一定程度(8 km/h)时，会造成一定的风蚀扬尘的形成，从而提升了PM10实际监测值。

表6 不同浓度PM10与风速的相关性

图6 不同质量浓度范围PM10与风速的相关性Fig.6 Correlation between PM10 and wind speed in different mass concentration ranges

3 结论与建议

(1) 北京市土方阶段施工工地扬尘排放特征有明显差异，从分布上来看，受土方作业影响，重量法获取的PM2.5、PM10及TSP日均值呈现出基坑处>下风向处>主出入口处>上风向处的趋势，光散射法获取的PM2.5和PM10日均值也呈现出基坑处明显高于主出入口处和下风向处的趋势，且两种方法的相关性显著。对比天津、珠三角地区等，北京市扬尘浓度相对较低，表明近年来随着北京市施工扬尘管控力度的加大和扬尘管控措施的到位，北京市扬尘治理效果显著。基坑内的扬尘排放主要以粗颗粒物为主，因此在扬尘排放量较大的施工环节中，应该重点加强PM10的排放管控，可以进一步有效降低扬尘排放量。

(2) 从不同区域扬尘浓度数据分布来看，防尘水平较差的工地更容易产生高浓度扬尘污染，且基坑处产生高浓度扬尘污染的概率最高。

(3) 从不同防尘水平工地扬尘排放量及排放因子来看，本研究中防尘水平较差的工地的PM10排放因子明显高于防尘水平较好的工地PM10排放因子。

(4) 从扬尘与气象因素的相关性来看，两工地风速与PM10的相关性最显著，不同粒径颗粒物浓度均与风速呈一定程度的负相关，可见风速是影响施工扬尘浓度的重要因素，且随着颗粒物粒径的增大，其与风速的相关性也越显著。