重庆典型建筑工地颗粒物排放水平及排放因子

罗毅，张卫东，张丹，吕平江，杨和辰

(1.西南大学化学与化工学院，重庆 400715；2.重庆市环境科学研究院，重庆 401147)

重庆典型建筑工地颗粒物排放水平及排放因子

罗毅1,2，张卫东2，张丹2，吕平江2，杨和辰2

(1.西南大学化学与化工学院，重庆 400715；2.重庆市环境科学研究院，重庆 401147)

选取重庆市两江新区典型建筑施工工地，进行地基开挖阶段颗粒物(PM10、PM2.5)排放监测，同步观测气象参数。探讨了该典型工地地基开挖阶段颗粒物的排放水平及与气象参数的相关性，并首次计算出重庆市建筑施工工地颗粒物排放因子。结果显示，该典型工地地基开挖阶段PM10和PM2.5净浓度范围分别为44.38～913.09 μg/m3和0.54～247.55 μg/m3，最高净浓度值分别为913.09 μg/m3和247.55 μg/m3，最大排放因子分别为0.029 g/(m2·h)和0.008 g/(m2·h)。PM10与PM2.5净浓度呈显著的正相关性，且PM10对环境的贡献大于PM2.5，地基开挖阶段产生的颗粒物以PM10为主。PM10和PM2.5净浓度受到气象条件的影响明显，其净浓度与风速、相对湿度呈显著的正相关，与温度呈弱相关。

建筑施工；排放因子；PM10；PM2.5

当前，大气颗粒物是影响中国环境空气质量的重要污染物之一[1]。研究表明，颗粒物开放源类是城市颗粒物污染的主要来源，土壤尘、道路尘、水泥尘等对中国城市大气PM10的总贡献达到50%左右，最高可达70%[2-3]。近年来，重庆市建筑、道路、桥梁等各类施工工程规模巨大，由此带来的环境颗粒物污染十分严重。重庆市主城区最新颗粒物源解析结果表明[4]，扬尘对主城区PM10和PM2.5的浓度贡献率分别达到了23.9%和13.9%，是主城区大气颗粒物的重要来源。建筑施工扬尘是最重要的污染源之一[5-6]，其中建筑工地施工过程中扬尘污染较重的时段又主要集中在地基开挖、回填运输等土方施工阶段[7-9]。因此，建筑施工扬尘污染对环境的影响及其排放特征等一直是我国环境科技工作者研究的热门课题。如赵普生等[10]通过对天津市的一个典型建筑工地进行扬尘排放特征研究，建立了天津市建筑工地扬尘(PM10)的排放因子。纵观国内外对建筑施工扬尘的研究，主要集中在TSP和PM10排放特征方面，而对施工过程中PM2.5的排放特征及排放因子等方面的研究却鲜有报道。因此，本文重点对重庆市典型建筑工地地基开挖过程中PM10和PM2.5的排放特征及其排放因子进行分析研究，以期为环境空气质量管理提供参考。

1 实验部分

1.1 监测场地选择和点位设置

为了客观反映建筑施工工地地基开挖施工过程中颗粒物的排放水平，作者在重庆市两江新区礼嘉选择了某处于地基开挖阶段的建设施工工地作为颗粒物监测场地。该建筑施工场地为准长方形基坑，长220 m、宽140 m，累积土方量约308 000 m3，工地每天作业施工挖机主要为小松公司PC650型号的反铲挖掘机，施工期间运输车是晚上作业，白天采样过程几乎没有运输车进行工作。并在该监测场地的四角设置A、B、C和D四个监测点位，如图1所示。

图1 施工工地及采样点示意图Fig.1 Construction sites and sampling points

1.2 实验仪器及材料

施工工地地基开挖阶段颗粒物监测所用仪器及材料如表1所示。

表1 监测所用仪器及材料

1.3 样品采集与处理

该监测场地地基开挖施工期(2016.05.03—2016.06.23)共持续50 d。其中，有约20 d为降雨天气，约10 d因道路问题无法正常施工，实际采样时间约为11 d。

(1)滤膜样品准备

采用石英滤膜采集PM10和PM2.5。在采样前对石英滤膜进行预处理,将石英滤膜放入马弗炉中，在500℃条件下煅烧8 h，自然冷却后取出，并在干燥器中平衡24 h，再选用精度为±0.01 mg的电子天平称量至恒重，取三次称量的平均值作为滤膜的质量。

(2)采样仪器准备

采样前一天利用流量计对大气颗粒物采样器进行流量校准，并用无尘纸和无水酒精将采样器切割头及滤膜槽等部件进行擦拭，以免对滤膜造成污染。

(3)颗粒物(PM10和PM2.5)样品采集

在图1所示的监测场地四周A、B、C、D 4个监测点位，采用TH-150AII型智能中流量采样器，分别使用PM10和PM2.5切割头，距离地面2.5 m高度进行对PM10和PM2.5采样(设置空气流量为100 L/min)。工地施工高峰期为11:00至15:00，在此期间进行采样，采用时长共4 h。采样完毕后，并记录相关参数，然后将滤膜封存于干燥器中以备分析。

(4)颗粒物(PM10和PM2.5)滤膜样品处理

将上述在干燥器中平衡24 h后的滤膜样品，用电子天平对其进行称量至恒重，并取三次称量的平均值为滤膜样品的质量。利用采样前后滤膜的质量差除以当次采样时采集的标准体积，计算相应的PM10和PM2.5的浓度，具体计算公式见式1。

(1)

式中，CPM为采样时大气颗粒物平均浓度，μg/m3；C前为采样前的滤膜的质量，mg；C后为采样后的滤膜的质量，mg；V为采样体积，m3。

(5)相关数据的收集

采用风速风向仪同步监测建筑施工工地现场的瞬时风速风向和平均风速风向。通过收集两江新区礼嘉监测站颗粒物监测数据作为施工工地颗粒物排放的背景值，并从气象网站收集当地的大气压、温度及相对湿度等数据资料。

2 结果与讨论

2.1 地基开挖阶段PM10和PM2.5排放水平分析

地基开挖阶段各监测点的PM10和PM2.5的浓度如图2和图3所示。

图2 地基开挖阶段四个监测点位PM10浓度分布情况Fig.2 Distribution of PM10 concentration at the four monitoring points in foundation excavation

图3 地基开挖阶段四个监测点位PM2.5浓度分布情况Fig.3 distribution of PM2.5 concentration at the four monitoring points in foundation excavation

由图2和图3可知，B点和D点PM10和PM2.5浓度总体相对较大，A点和C点PM10和PM2.5浓度总体相对较小。根据现场风速风向仪的监测数据可知，采样期间监测场地主导风向为东北风，即A点和C点位于主导风的上风向，B点和D点位于主导风的下风向，因此B和D点PM10和PM2.5浓度普遍高于A和C点。5月13日B点PM10和PM2.5浓度远高于其他采样日，分别达到1040.36 μg/m3、364.34 μg/m3。可能由于当天工地作业强度较大，风速也达到采样期间最大值2.25 m/s，综合导致PM10和PM2.5浓度偏高。采样期间尽管主导风向总体是东北风，但实际风向常常变化，如6月12日，A点的PM10和PM2.5浓度高于其他监测点浓度，是因为当天主导风向变为西北风，所以导致A点PM10和PM2.5浓度出现最大值。

图4 礼嘉建筑工地PM10采样浓度与礼嘉监测站监测PM10浓度对比图Fig.4 Comparison of PM10 concentration and concentration in construction site PM10

图5 礼嘉建筑工地PM2.5采样浓度与礼嘉监测站监测PM2.5浓度对比图Fig.5 Comparison of PM2.5 concentration and concentration in construction site PM2.5

地基开挖阶段上下风向PM10和PM2.5浓度与礼嘉自动监测站监测数据对比情况见图4和5。由图可知，采样期间上风向PM10浓度范围为47.83～177.19 μg/m3，日平均浓度值为107.44 μg/m3，PM2.5浓度范围约为39.91～116.79 μg/m3，日平均值为56.78 μg/m3，下风向PM10采样浓度范围为142.22～1040.36 μg/m3，日平均浓度值约为329.66 μg/m3，PM2.5浓度范围为67.97～364.34 μg/m3，日平均值约为136.47 μg/m3。同期监测站的PM10监测浓度65～152 μg/m3，日平均浓度为91 μg/m3，PM2.5监测浓度36～86 μg/m3，日平均浓度为56.27 μg/m3。对比发现，施工工地上风向PM10和PM2.5平均浓度值与监测站PM10和PM2.5平均浓度值无明显差异，故上风向PM10和PM2.5浓度可以作为施工场地颗粒物的背景浓度值，本文将施工工地上风向和下风向浓度差作为工地施工期间PM10和PM2.5的净浓度，由此计算出施工期间PM10的净浓度范围为44.38～913.09 μg/m3，日平均值为227.83 μg/m3，PM2.5的净浓度范围为8.47～247.55 μg/m3，日平均值为79.69 μg/m3。不难看出，下风向PM10和PM2.5浓度远高于监测站监测数据，这说明施工过程中产生PM10对环境中的PM10浓度有较大的贡献，而产生的PM2.5对环境中PM2.5浓度仍有一定量的贡献，但其贡献量小于PM10。

2.2 地基开挖阶段PM10与PM2.5排放净浓度分析

为了更好地了解施工期间PM10与PM2.5排放净浓度之间的关系，将PM10与PM2.5净浓度进行对比分析，如图6、图7所示。

图6 地基开挖阶段PM10与PM2.5净浓度对比图Fig.6 Comparison of net concentration of PM10 and PM2.5 during construction

由图7可知，PM10净浓度值明显高于PM2.5浓度值，此结果与理论上PM10包含PM2.5结果一致，同时

说明颗粒物监测结果是可信的。从相关系数来看，相关系数达到0.8584，并通过P=0.01(样本数11个，相关系数高于0.735即为通过检验)的极显著性检验；从PM10与PM2.5净浓度散点变化来看(如图7所示)，趋势方程的期望值R2达到0.737，说明PM10净浓度与PM2.5净浓度呈极显著正相关性。

图7 地基开挖阶段PM10与PM2.5净浓度散点图Fig.7 PM10 and PM2.5 net concentration scatter diagram in foundation excavation stage

通过计算PM2.5净浓度与PM10净浓度的比值发现，其比值范围主要集中在0.5到0.6区间内，而对礼嘉监测站监测PM2.5浓度与PM10浓度的比值发现，其比值范围主要集中在0.7至0.8区间内。施工工地现场PM2.5/PM10比值低于环境自动监测站两者的比值，一方面说明在建筑工地施工过程中产生PM10对环境PM10浓度的贡献大于施工过程中产生PM2.5对环境中的PM2.5浓度贡献，另一方面，说明环境中的PM2.5还有其他污染源叠加贡献。

2.3 气象条件对PM10与PM2.5净浓度的影响

相关研究表明[11]，温度、湿度及风速是影响颗粒物排放的重要因素，因此本节主要分析这三种参数对PM10与PM2.5净浓度的影响。施工期间PM2.5、PM10净浓度及对应的气象参数如表2所示。

表2 采样期间PM10与PM2.5净浓度和气象条件

采用IBM SPSS 对PM10与PM2.5净浓度与各气象参数之间的相关性进行分析，结果列于表3。

表3 PM10与PM2.5净浓度与各气象参数之间的相关性

注：*表示P<0.05，**表示P<0.01(双尾检验)；所有参数样本量n=11。

从表2和3所列结果，温度、相对湿度和风速对颗粒物排放的影响进行如下分析：

(1)温度

PM10、PM2.5净浓度与温度总体呈正相关性，其相关性系数分别为0.300和0.283。通常随着白天气温升高，颗粒物扩散加剧，因而导致颗粒物浓度变大。但是由于采样时间集中在中午，因而采样期间温差变化不大，导致颗粒物与温度变化相关性不明显。

(2)相对湿度

PM10和PM2.5净浓度与相对湿度总体呈极显著正相关性，其相关性系数分别为0.788和0.734。主要是因为湿度大时不利于污染物扩散，同时有利于颗粒物的集聚，所以导致颗粒物下风向浓度变大，从而导致颗粒物净浓度变大，这一结果与其他研究结果一致[11]。5月13日，当相对湿度出现采样期间最高值78%，PM10、PM2.5净浓度也出现最大值，导致当天PM10和PM2.5净浓度远高于其他天数。说明相对湿度是影响施工过程中颗粒物排放的重要因素。

(3)风速

PM10、PM2.5净浓度与风速总体呈极显著正相关性，其相关性系数分别为0.826和0.799。由表2可知，当风速较小时，颗粒物净浓度与风速变化相关性不明显，而风速变大后，颗粒物净浓度明显增加，这是因为风速增大，导致颗粒物在下风向累积，同时有利于地面颗粒物的扬起。相关研究也表明[12]，风速越大越会加剧现场颗粒物的排放，且风速超过一定的范围会加大颗粒物的排放。5月13日时，当风速最大值为2.25 m/s，PM10与PM2.5净浓度值最大，导致当天PM10和PM2.5净浓度远高于其他天数。说明风速是影响颗粒物排放最重要的因素之一。

综上所述，可以发现颗粒物的净浓度与温度、湿度和风速均呈正相关性，其中风速跟相对湿度对颗粒物的排放影响较为显著，而温度对颗粒物的排放影响相对较弱，可能跟采样期间温差变化不大有关，有待进一步研究。

2.4 地基开挖阶段PM10与PM2.5排放因子的确定

排放因子(Emission Factor)是用于定量计算某类污染源污染物排放量的代表性值，为单位时间、单位距离、单位体积等情况下，污染物的排放量。为了建立重庆市施工工地颗粒物初始排放因子，通过采样得到颗粒物净浓度，进而近似计算出一定风速下施工工地的颗粒物通量，得到PMl0、M2.5的初始排放因子，

相关研究表明[13-14]，假设在施工工地范围内PM10主要集中在5 m以下，且2.5 m高处的浓度能够代表PM10浓度垂直分布的平均值。因此PM10的排放量可以通过计算施工期间工地PM10的水平净通量得到。每天施工的4个小时(14 400 s)PM10的初始排放量可由下式计算：

EP=Cn×u×W×5×14400×10-6

式中，Ep为PM10初始排放量，g；Cn为施工期间PM10平均净浓度，μg/m3；u为2.5 m处的平均风速，m/s；W为采样区域的平均宽度，取140 m。

则每4小时采样时段内PM10初始排放因子为：

EFPM=EP/(W×L×4)

式中，EFPM为PM10初始排放因子，g/(m2·h)；L为采样区域长度，取220 m。

PM2.5也用上述公式计算，计算得到PM2.5与PM10的初始排放因子如表4所示。

表4 PM10和PM2.5的初始排放因子

由表4中的数据计算可知，PM10平均初始排因子为0.029 g/(m2·h)，PM2.5平均初始排放因子为0.008 g/(m2·h)。初始排放因子需利用FDM模型进行修正，修正后的排放因子可以作为计算排放清单的基础参数。

2.5 不同地区PM10排放因子的对比

为了更好的了解重庆市主城区建筑工地的排放因子的水平，对比天津、呼和浩特、南京等[15-16]地区PM10初始平均排放因子。具体比较可见图8。

图8 不同城市初始平均排放因子的比较Fig.8 Comparison of initial emission factors in different city

通过比较得知，重庆地区建筑施工PM10初始平均排放因子较其他城市相对偏小，可能是因为施工工地施工机械偏少，且采样期间处于雨季，雨水比较充分，气候湿润，土方含水率与空气湿度较大，减少了土方施工及施工活动颗粒物排放。而天津、呼和浩特处于北方，平时风速较大，气候比较干燥，易起尘，导致空气中颗粒物较多，且工地大多集中施工，一般在四五天之内完成地基开挖阶段，同时进行施工的机械较多，因而导致其排放因子远高于重庆地区。南京与重庆地区同样地处南方，但是重庆地区相对比较潮湿，且采样期间雨水较多，施工周期较长，导致初始排放因子偏低。

3 结论

(1)建筑工地地基开挖PM10净浓度范围为44.38～913.09 μg/m3，日平均值为227.83 μg/m3，PM10平均初始排放因子为0.029 g/(m2·h)；

(2)建筑工地地基开挖PM2.5净浓度范围为8.47～247.55 μg/m3，日平均值为79.69 μg/m3，PM2.5平均初始排放因子为0.008 g/(m2·h)；

(3)建筑施工工地PM10浓度与PM2.5浓度呈极显著正相关性，且地基开挖PM10对环境的贡献大于PM2.5对环境的贡献，地基开挖阶段施工产生的颗粒物主要是PM10；

(4)PM10与PM2.5的净浓度与风速和相对湿度有

极明显正相关性，与温度呈弱相关性；

(5)重庆地区PM10排放因子偏小，可能与采样期间工地施工周期较长、施工机械较少、且空气比较湿润以及土方含水率较高有关。

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Particulate Matter Emission Levels and Emission Factors of Typical Construction Sites in Chongqing City

LUO Yi1,2, ZHANG Wei-dong2, ZHANG Dan2, LYU Ping-jiang2, YANG He-chen2

(1.School of Chemistry and Chemical Engineering, Southwest University, Chongqing 400715, China; 2.Chongqing Academy of Environmental Science, Chongqing 401147, China)

In this paper, the typical construction site in Liangjiang New Area of Chongqing was taken as the target. Its emission concentration of particles (PM10, PM2.5) had been monitored in the foundation excavation stage, and the meteorological parameters had been observed simultaneously. The correlation between particle emission levels and meteorological parameters was discussed, and the emission factors of the typical construction site had been calculated. The results showed that net concentration range of PM10and PM2.5were 44.38～913.09 μg/m3, 0.54～247.55 μg/m3during the foundation excavation stage of the typical construction site, the highest net concentration of PM10and PM2.5were 913.09 μg/m3and 247.55 μg/m3and the maximum emission factors of PM10and PM2.5were 0.029 g/(m2·h), 0.008 g/(m2·h), respectively. The PM10 was positively correlated with the net concentration of PM2.5, and the contribution of PM10 to environment was greater than that of PM2.5, and the PM10was the main particle in the foundation excavation stage. The net concentration of PM10and PM2.5was significantly affected by meteorological conditions. It was positively correlated with wind speed and relative humidity, and weakly correlated with temperature.

construction site; emission factor; PM10; PM2.5

2016-12-29

罗毅(1990—)，男，湖南永州人，硕士研究生，主要从事环境监测与科研，E-mail：370005194@qq.com

张卫东(1963—)，女，重庆人，教授级高级工程师，主要从事环境监测及科研，E-mail： 2993971182@qq.com

10.14068/j.ceia.2017.01.019

X51

A

2095-6444(2017)01-0080-06