本文是一篇土木工程论文，笔者通过实测和现场调研，总结研究所得土方扬尘浓度分布规律和浓度预测模型，明确产尘作用力及相关排放模型后，因地制宜的提出了降尘抑尘措施。
1 绪论
1.1 课题研究背景和意
近年来西安城市化发展迅猛，城区的大规模扩建使得大型用地开发项目的建设体量呈上升趋势，但就西安市 2016-2018 年城市环境空气质量状况却令人堪忧。此外，西安市又属于典型湿陷性黄土地区，此类土质在工程建设项目中的土方施工阶段掘出的土方填料极易产尘。土方填料及附着在裸露土质表面的土方颗粒易在外界扰动下因黏性力的减弱而脱离原束缚表面，借助风场起扬形成二相流，对施工区域周围环境乃至西安城区大气造成严重环境污染。此外，土方颗粒还会在外力作用下如碾压作用，当作用力的合力大于临界起锚荷载时，亦会起扬形成土方扬尘。西安市积极响应治霾减排政策，污染来临之际全市施工单位停产停工，“一刀切”的关停模式使得施工企业经济损失较大，且“一刀切”的关停模式缺少参考依据和指导性的标准条例。西安市土方工程施工扬尘的排放以及扬尘造成的环境污染问题已经引起工程人员与环境保护人员的重视，明确西安市土方工程施工产尘机理及其扩散规律已成为亟待研究与解决的重要问题。
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1.2 土方施工扬尘研究进展
1.2.1 扬尘源解析研究进展
建筑扬尘和道路扬尘是美国加州南部海岸地区环境空气中 PM10 的主要尘源，在John G[4]等人基于化学质量平衡模型(Chemical Mass Balance)以下简称“CMB 模型”的解析中已基本得到证实。之后，Pouliot G[5]在此基础上进行了深化，认为除道路扬尘和建筑扬尘外，农业耕作及采矿作业亦是该地区环境空气中 PM2.5 和 PM10 的主要尘源，且借助 CMAQ 模型(Community Multiscale Air Quality)，解析结果表明环境中PM10 的 40~60%是由于人为原因排放所致。不难看出 CMB 模型和 CMAQ 模型均能准确的判断尘源类别，但 CMAQ 模型的解析功能更为丰富。除借助源解析模型外，也有学者通过分析扬尘中的特征元素以此推断尘源类别。就北京市而言，华蕾[6]等对市内无组织排放源与固定排放源排放的 PM10 采样并做扬尘元素族谱分析后指出 Si、Ca、Fe、Al 四种元素为北京市 PM10 标识元素，于此合理推测土壤尘、建筑扬尘、土方工程施工扬尘及钢铁尘是北京市 PM10 的主要尘源。之后，韩力慧[7]在此基础上予以验证和补充，认为除 Al、Ti、Ca、Mg 为代表的地壳元素外，由建筑施工产生的Ca2+和 SO42-在众多离子团中其含量占主导地位。此亦可验证建筑扬尘、土方工程施工扬尘是影响北京大气环境的重要污染源。同年，西班牙学者 Amato F[8]等对巴塞罗那多条道路 PM10 采样后借助元素量化法指出扬尘颗粒中地壳元素含量较高，道路PM10 多源自道路周边建筑工地土方施工扬尘和土壤风蚀。在已有成果基础上余南娇[9]等使用单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪(SPAMS)分别对土方施工扬尘、建筑施工扬尘、道路尘的标识元素进行深入探究，研究指出广州市土方施工扬尘标识元素为 Al、建筑施工扬尘标识元素为 Si、道路扬尘标识元素为 Ca。就上述研究方法而言，元素族谱分析法、元素量化法和 SPAMS 均能合理的明确不同扬尘源中的特定标识元素，但就不同扬尘源对大气环境污染的贡献程度并未得到体现。应明确指出建筑扬尘、土方工程施工扬尘等扬尘源对大气环境污染程度的贡献率并应引起足够的重视。也为日后防治与治理扬尘污染提供有力的鉴别手段和参考依据。
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2 典型土方工程施工扬尘浓度测试方案设计
2.1 测试工程概况
该项目地处西安市南三环，隶属于某民营地产，项目正值土方工程施工阶段，以此为契机，对项目施工现场内的土方施工扬尘浓度数值进行监测。经初步测量，土方施工区域南北向长度约 150m，东西向长度约 300m；昼间不进行土方施工，夜间进行土方的开挖和土方填料的运输工作。基坑为标准基坑，深度约为 5m，厂区内有专门堆放土方填料的位置，堆砌高度约 5m~8m。工地北面为车辆入口，工地西面设有车辆出口，进口位置至基坑位置间的道路为硬化路面，基坑内为未硬化路面，出口段道路为钢板硬化路面，施工现场内硬化路面总体占有率较低，多数为未硬化道路，车辆行驶过程中肉眼可见扬尘起扬排放较多，由此造成的环境污染不可忽视。由于昼间不进行土方施工，故每日 18 点开始装车，19 点开始向外出车运输土料，至次日早 7 点结束。每日土方施工视工程进度及气象条件决定。土方施工现场情况及施工区域平面布置示意图如下图所示。
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2.2 测试仪器概况
本课题所采用的测试仪器主要包括：Testo 410-1 型手持式风速仪、Testo 精密风速仪、TSI 7525 手持式空气品质检测仪、美国 AEROCET-831 四通道 PM 浓度值检测仪、德国 Welas-2000 气溶胶粒径谱仪以及手持式激光测距仪。
AEROCET-831 四通道 PM 颗粒物浓度值检测仪，可同时测量和记录四种环境空气中可吸入颗粒物的浓度值，亦可测量记录环境空气中总悬浮颗粒物 TSP 的浓度值。Testo 410-1 型手持式风速仪、Testo 精密风速仪、TSI 7525 手持式空气品质检测仪用于监测描述被控区域内温度、相对湿度、风速及风向等参数数据。而 Welas-2000 气溶胶粒径谱仪，采用白光光源投射土方施工扬尘颗粒，检测单元在 90°散射角处接收扬尘颗粒的散射信号，再由信号处理单元统计汇总得出土方施工扬尘颗粒粒径大小及颗粒数值信息。其特有的 T 型感应技术能够消除边缘区域测量误差，能实现重叠计数的检测及校正，且满足高浓度测量要求，属于高精度光学粒径谱仪。本文实测场地内土方施工扬尘颗粒粒径范围在 0.5μm~100μm，土方扬尘颗粒粒径测试范围包含于Welas-2000 量程范围内。
上述测试仪器如下图所示：
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3 土方施工扬尘浓度与粒径分布规律探究 ................................... 15
3.1 土方扬尘浓度监测结果与数据分析 .......................................... 15
3.2 土方施工扬尘浓度分布规律 ................................................ 16
4 气象因子对土方施工扬尘浓度的影响研究 ................................. 23
4.1 土方扬尘 PM2.5 浓度与气象因子相关性研究 .................................... 26
4.2 土方扬尘 PM10 浓度与气象因子相关性研究 .................................... 29
5 土方施工扬尘产尘机理的研究 ............................... 37
5.1 产尘作用力力学特性研究 .............................. 37
5.1.1 产尘作用力类别 .................................... 38
5.1.2 产尘作用力特性研究 ................................. 38
7 土方施工扬尘的降尘抑尘策略研究
7.1 扬尘防治常用措施
本小节将梳理现有若干种常用的扬尘防治措施，并对该部分常用措施进行简要介绍说明，意在知晓扬尘防治措施的主要特点和简要原理。
7.1.1 建立围挡
土建施工项目不允许敞开式施工，必须沿施工区域边缘建立硬质围挡，目前硬质围挡多为砖混结构。若施工工地临近城市主干道，则硬质围挡结构高度不应低于2.5m，若施工工地临近一般城市道路，则硬质围挡结构高度不应低于 1.8m。
通常砖混的硬质围挡降尘原理可以概述为如下，土方扬尘颗粒随风卷扬起尘后是逐步加速的过程，也是逐渐缓慢上升进入高空，在初期起扬阶段，含有扬尘颗粒的二相流气流遇到围挡后，扬尘颗粒粒子由于惯性作用，大颗粒粒子与围挡壁面发生碰撞，扬尘颗粒动能被墙壁吸收后大粒径的扬尘颗粒就会由于重力作用而沉降。部分含尘气流则会在围挡底部形成回流气流，而高出围挡的含尘气流中的土方施工扬尘则会进入城市大气环境形成污染。
8 结论与展望
8.1 文章主要研究结论
通过实测和现场调研，总结研究所得土方扬尘浓度分布规律和浓度预测模型，明确产尘作用力及相关排放模型后，因地制宜的提出了降尘抑尘措施。故文章得出的主要研究结论如下：
（1）土方施工扬尘 TSP 浓度预测模型为：y TSP = -1.8963x5 + 42.171x4- 314.46x3 + 915.88x2 - 949.46x + 1357.6；土方施工扬尘 PM10 浓度预测模型为：y PM10 = -0.2781x4 + 5.045x3 - 20.98x2 - 16.031x + 342.53；土方施工扬尘 PM2.5 浓度预测模型为：y PM2.5 = -0.0661x4 + 1.2657x3 - 7.6489x2 + 18.016x + 35.967。
（2）未进行土方施工时施工现场环境大气颗粒物粒径与背景参考点颗粒物粒径分布基本一致；土方施工状态下粒径较大的颗粒物所占比例高于前两者，粒径大于10μm 的颗粒物占比高达 61.24%，可吸入颗粒物占比达 33.52%；亦证明土方工程施工扬尘是西安市环境大气 PM10 和 TSP 的重要来源之一。施工现场从事土方作业时PM2.5:PM10:TSP=0.01:0.55:1，排放至环境大气中的土方扬尘在大粒径的颗粒占绝对优势的情况下，其造成的扬尘环境污染范围有限，在一定距离范围内会逐步沉降回归地表，土方施工扬尘随城市大气环境进行远距离输送的可行性有限。
（3）土方扬尘 PM2.5 浓度值与风速和相对湿度在 0.05 水平双侧显著相关，与温度呈正相关，与风向呈负相关；土方扬尘 PM10 浓度值与温度在 0.01 水平双侧显著正相关；与相对湿度在 0.05 水平双侧显著正相关；而与风速和风向参数则是在 0.05 水平双侧显著负相关。土方扬尘 TSP 扬尘浓度值与风速和风向在 0.05 水平双侧显著负相关；与温度参数在 0.01 水平双侧显著正相关；与相对湿度参数呈正相关，但就相关显著性而言，温度的相关显著性强度则高于相对湿度的相关显著性。
（4）若仅研究土方颗粒不考虑其他外界影响因素，在自身属性力的影响中，重力＞浮升力。诱导气流和振动效应是打破原静止土方颗粒力系平衡的必要因素，再借助风场力起扬，该部分起扬的土方颗粒部分会发生自然沉降，另一部分会随气流扩散形成土方施工扬尘并造成环境污染。机械附加外力的影响是诱导气流＞振动效应＞压力梯度力＞粘附力。
参考文献（略）