建筑施工扬尘现状研究综述

建筑施工扬尘现状研究综述

宋贵荣,高耀,康双

中国建筑第八工程局有限公司西北分公司  陕西西安 710000

摘要：本文对目前建筑施工扬尘相关研究进行总结，从建筑施工扬尘对大气的贡献，扬尘排放量估算方法，化学成分以及排放因子等方面综述现阶段国内外对于建筑施工扬尘的研究方法和进展，提出不足以及未来发展方向，对今后在全国各地即将大范围开展的建筑施工扬尘治理工作和法律标准的制定具有重要的科学借鉴意义和参考价值。

关键字：建筑施工扬尘    扬尘排放量    排放因子

Review of Building Construction Fugitive Dust Research

Abstract :Methods and techniques related to building construction fugitive dust  previously and currently applied are summarized, including the ratio in ambient ,method of evaluating emission, chemical composition analysis, and emission factor. This review is expected to provide a fundamental understanding of building construction fugitive dust and to serve as an important reference for managing building construction fugitive dust to be widely conducted in China and regulations or law for controlling the building construction fugitive dust emission in China.

Key words ：building construction fugitive dust   dust emission   emission factor

随着经济的高速发展，城市大气污染越来越严重，而大气颗粒物是首要污染物。2017-2021的环境公报（表1）表明虽然我国城市空气质量达标情况明显好转，但是2021年参与统计的339个城市中，空气质量达标城市只有64.3%，且大气颗粒物依然是首要污染物之一，大气颗粒物不仅严重影响人体健康，而且对大气环境及大气环境质量也产生重要影响，必须引起高度的重视。研究表明，无论高浓度、中浓度或是低浓度的大气颗粒物污染都可能对人体健康造成不良的影响[1-3]。建筑扬尘作为引起大气颗粒物的重要来源之一，必须引起高度的重视。

表1 近年我国城市空气质量达标情况

1 建筑施工扬尘对大气颗粒物的贡献研究

建筑扬尘是指在城市市政基础建设、建筑物建造与拆迁、设备安装工程及装饰修缮工程等施工场所和施工产生的扬尘[4]。施工活动是人类最重要的生存活动之一，显然也是对环境破坏的主要原因之一。随着城市化的不断推进，我国城镇建设规模一直保持着高水平发展，从图1可知2017-2020年全国城市建设施工面积由1.31万平方公里增长到1.49万平方公里，在建设施工过程中将产生大量的扬尘，而扬尘会成为大气颗粒物的重要贡献源之一。国外许多研究利用受体模型、排放清单和扩散模型对城市空气颗粒物来源进行分析，研究表明扬尘即颗粒物开放源是城市颗粒物污染的重要来源 ，而建筑施工扬尘是非常重要的颗粒物开放源类。国内许多研究也发现城市扬尘是大气颗粒物的重要来源。由于近年来城市建筑施工不断增多，规模也越来越大，已将建筑扬尘列为一个独立的无组织污染源进行研究。高运川等对上海市吴淞工业区大气环境中总悬浮颗粒物的源解析研究表明，该区域2001年大气环境总悬浮颗粒物中，建筑尘在秋、冬、春（翌年）的贡献率分别为7.8%、12.1%、14.6%。赵普生等利用ISC3模型，模拟计算了天津市建筑施工过程中的 PM10排放浓度，结果表明,施工产生的 PM10平均浓度为20.3μg/m3,占大气 PM10浓度的 13.3%。佟小宁等[19]统计分析了 2010 年南京市各行政区建筑场地面积和工期，结合扬尘排放因子，建立了南京市建筑扬尘排放清单。研究表明，2010 年南京市建筑扬尘占工业烟( 粉) 尘排放量的 23% 、13% 和 8.6% 。郊区县建筑扬尘排放量较大，约占全市 TSP、PM10、PM2.5排放总量的 72%。冯银厂等在乌鲁木齐市 5 个采样点分别采集了环境空气中的总悬浮颗粒物(TSP)和可吸入颗粒物(PM10)，用化学质量平衡  (CMB)受体模型和二重源解析技术解析了 TSP 和 PM10的来源,结果表明建筑水泥尘对TSP和PM10的分担率分别为10%和11%。不过需要指出的是，城市大气中的水泥尘可能来自于水泥的生产、运输、加工，以及工程建设等各个环节，而水泥尘在施工扬尘中所占的比例与水泥的使用方式有关，如主要是袋装水泥还是商品混泥土等。

图1 近四年全国城市建筑施工面积统计

2 建筑施工扬尘排放量监测研究

建筑施工扬尘是一种无组织排放源，其排放量往往很难被定量化，采用包围整个开放式扬尘源现场或捕获整个排放烟羽是非常困难的。目前，用来监测建筑扬尘主要有排放因子法，实测法以及四维通量法。

2.1 排放因子法。利用排放因子法计算建筑扬尘排放量包括两个步骤，首先是确定排放因子和活动水平，其次是计算排放量。大气污染物排放因子是表征排放到大气中的污染物数量和排放污染物的活动水平之间的代表值，排放因子通常表达为单位质量、单位体积、单位长度或活动周期内排放污染物的质量。这些排放因子是可获得数据的平均水平，用来代表一类排放源中许多特定排放的长期平均水平。污染物排放量的通用计算公式：

式中：E­─排放量；

      A─活动水平（有时可能是多个参数的乘积）；

      EF─排放因子；

      ER─所有控制措施使排放总量减少的百分数。

由于监测手段方面的限制，扬尘所产生颗粒物的计算在大多数情况下采用排放因子法，但是排放因子的确定往往基于大量系统的实际监测工作。为了特定的扬尘源强或对排放因子进行本地化校核，现场监测是必要的工作。

2.2实测法。在估算污染源的排放时，对特定污染源排放进行现场实测或采用在线监测通常是最准确的方法。但是建筑扬尘是一种无组织排放面源，不可能像点源那样将其在“组织"起来对“排气筒”进行监测。目前所采用的实测方法有以下两种：

2.2.1 上风向-下风向法

该方法是利用设置在地面上的采样器，测量上风向和下风向的颗粒物浓度，结合当时当地的气象条件，然后利用大气扩散方程计算污染物的源强。通过分析污染源活动水平（如车辆数，或单位时间内的物料重量）和排放源之间的关系获得排放因子。相关气象参数（风速、风向、湿度、温度等）必须被同时记录下来，并输入到扩散方程中。赵普生等选择天津某建筑施工工地,现场采集大气中PM10、气象、路面积尘及机动车数等数据,并确定施工扬尘排放的主要影响因素。利用FDM模型得到施工扬尘排放因子,将得到的扬尘排放因子及各影响因素进行非线性拟合,建立施工扬尘PM10排放因子定量模型,并结合ISC3模型,模拟计算2003年11～12月间,天津市建筑施工过程中的PM10排放浓度.结果表明,施工产生的PM10平均浓度为20.3μg/m3,占大气PM10浓度的13.3%.利用大气扩散模型计算面源排放量，通常假设面源排放源是均匀的，而施工扬尘排放具有很大的空间不均匀性，如果下风向监测点位不具备代表性，则通过模型计算的结果会出现偏差。

2.2.2 暴露浓度剖面法

该方法同时、多点测量烟羽有效横截面积内的颗粒物浓度和风速，然后通过对烟羽剖面积分计算出烟羽的净颗粒物质量通量。许多研究者利用暴露浓度剖面对无组织尘排放进行了研究。该方法已被USEPA认定为是一种最适合对开放式认为扬尘源排放量进行量化测量的技术，USEPA的排放因子手册AP-42给出了一些质量等级最该的开放式扬尘源排放因子，这些排放因子是以该方法为基础得到的。这种方法以等动力剖面的概念为基础，也是传统源测试方法的基础。通过一组同时、多点采样装置对排放源下风向瞬间通过的大气污染物直接进行测量，测量无组织排放烟羽有效截面内的颗粒物浓度和风速。这种技术使用了一种和烟囱测试相似的质量平衡计算方案，而不是使用一般的大气扩散模型间接计算。该法是一种实测的方法，如果在烟羽上有充足的采样密度，这种方法是比较准确的，然而这种方法野外进行的工作量较大，对天气有一定的要求，所需的人力、物力较多，无法广泛的应用。

2.3 四维通量法

北京市环科院田刚等以施工工地为研究对象，通过大量基础性研究，建立了一种与美国环保局推荐的暴露高度浓度剖面法类似、应用实测数据计算施工扬尘排放量的数学模型——四维通量法模型,以及一套与该模型相匹配的施工扬尘排放量监测方案。该方法同时在施工现场边界四周相同高度布设基本采样点（直接采集颗粒物环境质量浓度或降尘量），在1～2个基本采样点上方各布设一个采样点以用来计算垂直扩散系数，在施工现场附近100m以外寻找远离各类颗粒物污染源的背景点，将各采样点采集的样品带入有关公式就可以计算出采样周期内该施工现场的扬尘排放量。四维通量法模型较好的继承了暴露浓度剖面法的优点，同时在一定程度上弥补了某些局限性，具体表现为一下三个方面：1围绕边界四周布设了多个监测点，解决了的风向变化和空间分布不一致性的问题；2 延长了一次监测实验的监测周期（7～30d），解决了时间分布不一致性；3 同时采用DF和TSP作为监测指标，大大降低了实验成本。然而该方法的缺点是精确度不如暴露浓度剖面法，但是较为简单，特别是采用降尘作为监测指标时，可以大面积、多工地、长时间布点进行排放量估算。

3 化学组分特征研究

建筑施工扬尘化学组分特征分析是评价建筑施工扬尘污染和解析建筑施工扬尘来源等研究的重要依据，也是进行暴露评价的基础。一般分析建筑扬尘颗粒物化学组分主要包括无机水溶性离子、主要元素组分、有机化合物以及碳组分等。通过分析建筑施工扬尘的化学组分，可以建立该地区建筑施工扬尘化学组分特征谱，可以为评价建筑施工扬尘污染和模型模拟提供基础数据，也可为大气颗粒物源解析提供参考依据。近年来，随着建筑施工扬尘对人体健康的危害越来越引起关注，一些国内学者开始对建筑施工扬尘化学成分进行研究。华蕾

[5]等对北京市建筑施工尘PM10进行采样、分析,建立相应的成分谱数据库,通过对其化学组分分析,确定建筑施工尘PM10化学组分特征和标识元素。建筑施工扬尘PM10的标识元素为Ca。吴虹[6]等在2001年及2011年对天津市建筑水泥尘进行采样和分析,建立天津市大气颗粒物源成分谱。通过对化学成分的分析,研究建筑施工扬尘成分谱的特征,同时确定标识元素。结果显示建筑水泥尘的标识元素为Ca，其质量分数在37%左右，是土壤风沙尘及城市扬尘Ca含量的四倍多。Si、Al也占有一定的比例，分别在7.2%～9.1%、4.1%～7.4%范围内。赵普生[7]等选择天津市一处典型的建筑施工工地作为研究对象,分施工阶段对尘源样品进行了采集分析,得到了建筑扬尘的成分谱(元素、离子和碳组分)。结果表明,建筑施工扬尘化学组成特征与具体施工阶段、施工操作和建筑材料等密切相关。

4 施工扬尘排放因子研究

由于施工扬尘排放过程非常复杂，扬尘源监测数据很难获得，即使能够获得，也很难反映实际排放量随时间和空间变化的规律，排放因子就成为预测排放量最好或唯一的方法，尽管它有一定的局限性。由于不同地区，不同施工阶段，不同施工工艺的排放强度是不同的，如果选错了排放因子，估算出的排放量可能会相差很大，因此排放因子的本地化工作是至关重要的，是估算本地建筑施工扬尘排放量的关键工作。

尽管美国很长时间就认识到建设施工活动是颗粒物排放的一个重要来源，但是关于建设施工活动特征方面的研究还是很有限的。美国环保局1995年出版的AP-42文件根据对公寓和购物中心两个建筑工程周围总悬浮颗粒物浓度进行实地测量研究，得出的建设施工活动排放因子（按施工场地面积计算）的表达式：

EFTSP=2.69t/（hm2·30d）

这个值被认为最适合于估算分散在整个施工面积上的建设施工扬尘总排放量，即不能对不同类型、不同施工操作的建筑工地颗粒物排放量进行具体估算。所以，AP42中建议将施工过程分解成许多具体操作，然后根据其它章节中类似操作过程的排放因子进行分别估算。通过AP42中方法在美国西部的应用，发现建筑施工中70—90％的PM10来自动土操作(Earthmoving activities)。此外，Midwest Research Institute对建筑施工排放因子进行了改进和细化。由于不同行业在设备和操作上均有不同，所以这些针对其它行业或者其它工程制订的排放因子不能很好地应用于建筑施工 。Midwest Research Institute和EPA's National Risk Management Research Laboratory在 1998-2001 年间通过人为设计实验，主要包括卡车装卸碎石实验，铲土机操作实验，建筑工地往附近铺装道路粘带泥土实验以及铲土机行驶路线洒水抑制试验等，进行了建筑施工中一些相关操作单元的 PM10 和 PM2.5 排放速率研究。

由于国内建筑施工现场情况与国外有一定的差异，同时建筑施工扬尘排放受气候条件影响较大，因而国内建筑扬尘研究不能直接借鉴国外的研究结果。因此，近年来国内学者也开始开展建筑施工扬尘排放因子相关研究。北京环科院利用四维通量法将北京城近郊区40多个建筑工地的实测数据代入该数学模型所得到的北京市施工扬尘中TSP排放因子为0.492 kg/(m2.30 d),在数值上是美国环保局AP-42文件推荐排放因子的1.83倍；黄玉虎等按照四维通量法模型要求的施工扬尘排放因子监测方案,2008-2009年对呼和浩特市9个建筑工地和5个背景点进行降尘监测,得出施工降尘量(ΔDF)年均值为31.7t/(km2.30d).,结果表明,施工扬尘是PM2.5的来源之一.呼市施工扬尘PM10排放因子(以建设用地面积表示)为0.133kg/(m2.30d),是美国CARB排放因子的1.42倍,春夏秋冬4季排放因子的比值为1:0.76:0.38:0.36。2006年呼市建筑施工扬尘PM10排放量为2595 t/a.赵普生等利用FDM模型，将天津某处建筑施工大气PM10、气象等数据带入此模型，计算施工扬尘排放因子，将计算得到的排放因子和路面积尘、机动车数、表面积尘含水率等影响因素进行非线性拟合，建立了施工扬尘PM10排放因子定量模型，发现风速和表面积尘含水率是影响施工扬尘排放的关键因素。

5 结论和展望

1）建筑施工扬尘对于大气颗粒物的贡献是非常重要的一部分，但是国内对于这方面的研究还相对较少，特别是对于起尘环节的研究基本是空白；

2）由于不同时间和空间、不同施工阶段，建筑施工扬尘的化学成分是不同的，这就需要建立更为详细准确的建筑施工扬尘成分谱，从而能够准确的解析出建筑施工扬尘对于大气颗粒物的贡献，对于改善环境空气质量，完善建筑施工相关法律法规，改进控制措施都极为重要。

3）目前建筑施工扬尘排放因子本地化研究相对较少，应因地制宜的选择估算扬尘排放量的方法，从而准确的得到当地的建筑施工扬尘排放因子。

参考文献：

[1] 吴建会,朱坦,冯银厂,等. 太原市环境空气中TSP和PM_(10)来源解析[J]. 城市环境与城市生态, 2008, 21(4): 40-42.

[2] 韩博,冯银厂,毕晓辉,等. 无锡市区环境空气中PM_(10)来源解析[J]. 环境科学研究, 2009, 22(1): 35-39.

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[4] 佟小宁,乔月珍,姚双双,等. 南京市建筑扬尘排放清单研究[J]. 环境监测管理与技术, 2014, 26(3): 21-24, 67.

[5] 华蕾,郭婧,徐子优,等. 北京市主要PM_(10)排放源成分谱分析[J]. 中国环境监测, 2006, 22(6): 64-71.

[6] 吴虹,毕晓辉,冯银厂,等. 天津市大气颗粒物源成分谱特征研究[C]//2013中国环境科学学会学术年会论文集（第五卷） , 2013: 4812-4818.

[7] 赵普生,冯银厂,金晶,等. 建筑施工扬尘特征与监控指标[J]. 环境科学学报, 2009, 29(8): 1618-1623.