南宁市工地基础施工扬尘分布量化分析

郭翔翔，甘麟雄，丁　一,陈宗平

(广西大学土木建筑工程学院， 广西南宁530004)



南宁市工地基础施工扬尘分布量化分析

郭翔翔，甘麟雄，丁一,陈宗平

(广西大学土木建筑工程学院， 广西南宁530004)

为量化分析在基础施工阶段工地内的扬尘分布情况，选取南宁市环境空气质量实时发布系统公布数据作为对比标准，测量2015年10月到2016年1月间南宁某教学楼工地内细颗粒物PM2.5和可吸入颗粒物PM10数值量。将测得数据对数转化，减少数据变异性，使其接近正态分布，并选取置信度为95%的数据。对PM2.5及PM10排放量提取主成分表示排放强度。依据排放强度，将工地内位置用系统聚类分成三类。结果显示：①工地内排放强度最大一类区域为钢筋加工棚，挖掘机工作区，挖掘机破碎锤工作区，水泥搅拌区。利用独立样本T检验对分类效果进行检验，得到分类效果良好。②排放强度最大一类区域PM10与PM2.5排放量呈极强正相关(R2=0.838)，即两种污染物具有相同的污染源。③对排放强度与气象因素进行相关性分析，得到基坑周围、工人生活区、道路边、桩机和水泥车周围排放强度和温度呈显著正相关和湿度呈显著负相关，扬尘主要来源于颗粒物扩散。

施工；扬尘；主成分分析；聚类算法

0　引　言

随着城镇化的不断推进，大量建设项目的开展，施工作业对于大气环境的影响愈发明显。根据部分城市的颗粒物来源解析研究结果表明，施工扬尘是造成城市颗粒物污染严重的重要因素[1-3]。施工扬尘产生的扬尘总量占城市总扬尘量的32.1%[4],对总悬浮颗粒物(total suspended particulate，TSP)有重要贡献，而大气中过量的悬浮颗粒物会严重影响居民身体健康[5]。但是当前国内有关施工扬尘的研究大多集中在工地整体扬尘排放量的估算，而缺少对于工地内部扬尘分布的量化分析研究，因此难以确认施工过程当中污染最严重的位置。如何对扬尘排放严重区域进行针对性的处理，实现绿色施工，是一个亟待解决的问题。

对于现在的城镇建筑工地，施工主要可以分成三个阶段：基础施工阶段、主体结构施工阶段、装饰施工阶段，其中基础施工阶段扬尘污染最为严重[6-7]。本文选取南宁西乡塘区某教学楼工地，对于基础施工阶段工地PM2.5及PM10进行监测，分析工地内部不同区域扬尘排放强度，旨在找出工地颗粒物污染源，并得到污染物排放量的影响因素，为施工基础阶段降低扬尘排放提供参考。

1　采样与数据预处理

1.1采样

测量颗粒物浓度仪器选用塞纳威手持式PM2.5检测器，型号CW-HAT200。仪器测量工作原理为光散射法，测量高度约为1.2 m，每个测点测量时间为1 min。基础施工阶段，每周选取无雨的两个整天，选取的每个测点每隔一个小时记录一次读数。数据包括：PM2.5浓度、PM10浓度、时间、温度、相对湿度。选取南宁市空气质量实时发布系统发布的西乡塘区测站测量得到的PM2.5以及PM10的每小时均值为背景值。根据灌注桩基础施工工艺特点，将基础施工分为两阶段进行测量：土方施工阶段(2015年10月初～2015年11月末)及桩基施工浇筑阶段(2015年12月初～2016年1月初)。根据位置不同，在工地内部选取十类测点，分别为工地围墙外、道路边、钢筋加工棚、挖掘机工作区、炮机工作区、水泥砂浆搅拌区、基坑边角点(共八个点)、工人生活区、桩机工作区、水泥罐车周围。具体位置如图1所示：

1.入口; 2.道路边; 3.工人生活区; 4.水泥砂浆搅拌区; 5.钢筋加工棚; 6～13.基坑周围

1.2数据预处理

利用spss22.0及Excel对数据进行处理，对获得的PM2.5及PM10数据进行对数转化，减小原始数据的数据变异性，使数据分布接近正态分布。取置信度95%的个案进行分析，即排除数据当中超出(μ-1.96σ，μ+1.96σ)的个案(μ与σ分别是正态分布的平均值及标准值)。再对原数据和对数化后的数据进行相关分析，检验水准a取为0.05[8]。对对数转换前后的两组数据进行相关性分析得到，在对数转化后数据和原数据的Pearson相关系数分别为0.863和0.874，具有极强相关作用，即对数转化过程合理。土方施工阶段实测数据322个，选取292个，数据有效率90.7%。桩基浇筑阶段实测数据120个，选取个案112个，数据有效率93%。对筛选以后的个案进行统计描述如表1：

表1　个案选取情况与统计描述Tab.1　Data selection and statistical description

2　分析与解释

2.1排放强度指标

将实测得PM2.5及PM10值减去背景值对应时间的值得到工地排放的PM2.5和PM10值。对PM2.5及PM10排放量进行相关性分析。分析得到两变量的Pearson相关系数为0.825，即两变量具有极强相关性。可以通过主成分分析提取一个主成分来实现变量降维[9]，主成分分析得到的成分提取过程的指标特征值和贡献率见表2，因子载荷矩阵见表3。

表2　指标特征值与贡献率Tab.2　The index characteristic value and contribution

表3　因子载荷矩阵Tab.3　The availability of the load factor for the original indicators

由表2可以看到提取的第一个主成分的贡献率为91.259%，选取这一主成分来反映工地PM2.5及PM10 的排放强度，记作Z,则可以结合成分矩阵写出排放强度Z的表达式为：

Z=0.707×ΔPM2.5+0.707×ΔPM10。

(1)

根据主成分表达式分别计算出各测点个案的主成分数值，计算各测点位置的主成分平均值如表4。

表4　各位置主成分平均值Tab.4　The average principal component of each position

2.2区域分类

图2　聚类分析谱系图Fig.2　Cluster analysis graph

为了找出需要在施工过程当中着重关注的扬尘排放位置，并且了解不同位置扬尘的来源与影响因素，于是将各位置依据排放强度进行分类。选用SPSS自带系统聚类方法对位置进行分类。对排放强度进行标准化后，利用平方Euclidean 距离进行分类，绘制出系统聚类谱系图如图2。

根据谱系图显示将十个位置分成三类：第一类为出工地围墙外位置，主成分Z平均值为4.543，显示此位置扬尘量仅略大于背景值。说明工地围墙对于扬尘扩散有良好的抑制效果。第二类包括基坑周围、民工生活区、道路边、桩机和水泥车周围。第三类包括水泥砂浆搅拌区，炮机工作区，钩机工作区，钢筋加工棚。这几个位置是扬尘排放强度最高的位置，且是工地当中施工强度最大的位置。

对分类结果进行独立样本T检验，得到三个类别之间的T检验P值矩阵如表5。

表5　分类结果独立样本T检验Tab.5　Independent sample T test on the classification

根据检验标准P<0.05,可以看出将测点分为三类的分类效果良好。

2.3PM2.5及PM10排放相关性

对各个区域的PM10排放量和PM2.5排放量进行线性拟合。第一类区域两类颗粒物排放量之间拟合的R2为0.056，而线性拟合的R2在第二类区域中则是0.574,在排放强度最大的第三类区域两者有良好线性关系。线性拟合可以得到方程：

图3　PM10与PM2.5排放量线性拟合Fig.3　Linear fit of emissions of PM10 and PM2.5

(2)

拟合的置信度R2=0.838。

由拟合方程的R2可以看出，两变量线性关系良好，说明在第三类区域中PM2.5和M10排放具有相同的排放源。利用配对样本T检验对两个排放量检验得显著性系数4.1-12<0.05，即工地基础施工阶段PM10的排放量显著大于PM2.5的排放量。工地排放的颗粒物以粒径大于10 μm的为主。

重庆、杭州、北京、武汉等地都有研究称建筑水泥尘是大气环境中颗粒物污染的重要影响因素[10-14]。而第三类区域中的水泥砂浆搅拌区和炮机破碎锤工作区域都会产生建筑水泥尘，实测扬尘排放数值大。水泥砂浆搅拌区堆放大量袋装干拌砂浆，在砖胎模砌筑阶段加水混合，用于砌筑和抹灰。现场需将袋装干拌砂浆倒入搅拌机，且搅拌作业现场疏于清理，地面水泥尘易受机械扰动，所以砂浆搅拌区对周围颗粒物浓度产生较大影响。钢筋加工棚加工则进行作业时在短时产生大量PM2.5及PM10排放，对加工棚下风口扬尘浓度产生巨大影响。在桩基施工阶段，使用灌注桩工艺施工时需要大量的焊接作业，这一阶段的焊接作业大幅度增大了工地扬尘排放强度。对桩基施工阶段和土方施工阶段的排放强度进行独立样本T检验，得到两个类别之间双尾显著性系数0.025<0.05，即桩基施工排放显著大于土方施工。

2.4排放强度与温度湿度的相关性

基于系统聚类的分类结果，对每一类位置排放强度和温度、湿度、进行相关性分析。分析结果如表6所示。

表6　排放强度与气象因素相关性Tab.6　Correlation of emissions intensity and meteorological factor

注：**表示相关性在0.01层上显著(双尾)。

根据相关性分析的结果可以看到只有第二类位置排放强度关于温度和湿度相关性显著。第二类区域在工地当中所占面积最大，扬尘排放强度与湿度成负相关，与温度呈正相关。空气中的相对湿度越大，则施工扬尘颗粒易于水汽结合成较大的颗粒，将PM10转化成为更大的颗粒，降低了可吸入颗粒物在空气中的含量，同时降低了扬尘扩散能力，导致二类区域的排放强度指标下降。如第二类当中的水泥车周围区域，虽然基础施工阶段混凝土大部分来源于商品混凝土，但是水泥车运送的商品混凝土已经充分搅拌，自由的微颗粒物少，且装在相对封闭的罐体当中，对周围的颗粒物浓度影响较小。第二类区域的基坑周围、工人生活区、道路边、桩机和水泥车周围排放主要来自颗粒物扩散作用。

第三类区域作为施工扬尘排放量最大的区域，排放强度主要受施工强度影响，排放的颗粒物主要来自自身。其对周边区域的影响较大，受温度和湿度的影响较小，所以排放强度与这两个因素的相关性并不显著。而围墙外排放强度低，受到车辆运行扬尘等其他因素的影响较大，使得相关性有所下降。

3　讨　论

对于施工工地扬尘检测来说，测量数据波动大，数据解释性差，难以精准测定具体位置的排放强度。如能够选用更有效的数据降噪方法，并建立不同位置间的扬尘排放之间影响关系的矩阵，可以通过BP神经网络等智能算法对各位置的扬尘排放强度进行预测，通过温湿度、位置、施工阶段、背景排放量等参数针对污染最严重的位置进行定位，并进行处理。

利用本文所提供的方法，可以对不同施工工艺和材料对于颗粒物排放的影响程度进行评估，如商品混凝土和现场搅拌混凝土，干拌砂浆和湿拌砂浆，木模版和新型材料模板等可以相互对比。同时为了减少施工阶段的扬尘污染，需要更多地关注工地内部的扬尘分布情况，才能在施工管理时做到有的放矢，实现绿色施工的目标。

4　结　语

①工地内排放强度最大一类区域为钢筋加工棚，挖掘机工作区，炮机工作区，水泥搅拌区。利用独立样本T检验对分类效果进行检验，得到分类效果良好。

②排放强度最大一类区域PM10与PM2.5排放量呈极强正相关(R2=0.838)，即两种污染物具有相同的污染源。

③对排放强度与气象因素作相关性分析，得到基坑周围、工人生活区、道路边、桩机和水泥车周围排放强度和温度呈显著正相关和湿度显著负相关，扬尘主要来源颗粒物扩散。

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(责任编辑唐汉民梁碧芬)

Quantitative analysis on dust distribution of construction site in foundation project in Nanning

GUO Xiang-xiang， GAN Lin-xiong， DING Yi， CHEN Zong-ping

(College of Civil Engineering and Architecture, Guangxi University, Nanning 530004, China)

In order to study the dust distribution of construction sites in foundation projects, PM2.5 and PM10 weremeasured in a construction site in Nanning, Guangxi province, during October 2015 to January 2016. The air quality dataprovided by The Nanning City Ambient Air Quality Live Weather Station are selected as a comparison. Logarithmic transformed figureswith confidence level of 95% were selected. A principal component calculated from PM2.5 and PM10 emissions is regardedas the emissions intensity. By system clustering, the location of site will be divided into three types according to the emissions intensity. The results showed:① steel process site, excavator workspace, percussion bit workspace, and cement mixing zone were the most polluted area in the site. The classification was effective according tothe T-test onthe independent samples. ② PM10 and PM2.5 emissions hada strongly positive correlation in the most polluted areas (R2= 0.838), andtherefore the two kinds of pollutants hadthe same pollution sources. ③ Correlation analysis was carried out on the emissions intensity and the meteorological factors, and the emissions intensity and the temperature were significantly positively related. The emissions intensity has a significantly negative correlation with the humidity around the foundation, worker living quarters, roadside, pile machine and cement truck, thus the pollution in these areas mainly comes from dust particle diffusion.

construction; fugitive dust; principal component analysis; clustering algorithms

2016-04-21；

2016-05-11

国家自然科学基金资助项目(51578163)；大学生创新项目(T3030098224)

陈宗平(1975—)，男，广西玉林人，广西大学教授，博士生导师;E-mail: zpchen@gxu.edu.cn。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1285

TU721

A

1001-7445(2016)04-1285-06

引文格式：郭翔翔，甘麟雄，丁一,等.南宁市工地基础施工扬尘分布量化分析[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(4)：1285-1290.