道路路基工程施工扬尘污染排放分析

'山东大学硕士学位论文3．2路基施工扬尘排放因子的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2l3．2．1土料装卸操作扬尘排放因子⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．213．2．2车辆运输扬尘排放因子⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．233．2．3风蚀扬尘排放因子⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．273．3路基施工扬尘排放量的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．293．4小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一30第四章路基施工扬尘的扩散⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．344．1扬尘在大气中的扩散特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯344．1．1大气圈结构及边界层大气的运动特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．344．1．2扬尘在大气中的扩散过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．354．2大气湍流扩散的基本理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯364．2．1湍流的概念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．364．2．2湍流扩散理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．374．3路基工程各类排放源扬尘扩散模式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．394．3．1高斯扩散基本模式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．394．3．2路基工程扬尘污染中的点源扩散⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4l4．3．3路基工程扬尘污染中的线源扩散⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．434．3．4路基工程扬尘污染中的面源扩散⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．444．4扬尘污染预测模型介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯454．5小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．46第五章黄泛平原区路基施工扬尘排放分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯475．1工程概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．475．1．1地理位置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯475．1．2气候、气象及水文特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯475．1．3地形和地貌⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一475．2扬尘排放因子⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯485．2．1土料装卸操作扬尘排放因子⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一485．2．2车辆运输扬尘排放因子⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．495．2．3风蚀扬尘排放因子⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．50 山东大学硕士学位论文5．3扬尘排放量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯515．3．1路基填筑过程中扬尘排放量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5l5．3．2路基压实过程中扬尘排放量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．525．3．3路基放置过程中扬尘排放量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．525．3．4路基施工过程中扬尘排放量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．535．4扬尘扩散⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯545．4．1点源排放⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．545．4．2线源排放⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～555．4．3面源排放⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯565．5小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．57第六章道路路基施工扬尘防治措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯596．1路基施工扬尘抑制原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯596．2路基施工扬尘污染防治措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯606．2．1防治扬尘污染的管理措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．606．2．2防治扬尘污染的技术措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．606．2．3防治扬尘污染的经济措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6l6．2．4防治路基施工扬尘污染的具体措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6l第七章结论和展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯637．1结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．637．2仓U新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．647．3展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．65参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一66致{射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．71 山东大学硕士学位论文CoNTENTSAbstractinChinese⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．IAbstractinEnglish⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯IIIChapter1Introduction⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．11．1Researchbackgroundandsignificance⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11．1．1PresentraiseddustpollutionstatusinChina⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11．1．2Researchsignificance．⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．⋯⋯．⋯．⋯．．⋯⋯．21．2Researchprofilesbothathomeandabroad⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．31．2．1Researchprofilesabroad⋯．⋯．⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯．．．．．⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯．⋯．⋯⋯31．2．2Researchprofilesathome．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．41．2．3Problemsinpresentresearch．⋯．⋯．⋯．．⋯⋯⋯．．．．．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯．．．．51．3Researchcontentandtechniquecourse．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．61．：；．1Mainresearchcontent．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．61．3．2Techniquecourse．．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯．．⋯．⋯⋯．．．⋯⋯⋯．．．⋯．．．6Chapter2Raiseddustpollutionduringsubgradeconstructionandgenerationmechanism．⋯⋯．⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯．．．．．⋯⋯⋯．．．．⋯⋯⋯⋯．⋯72．1Characteristicofraiseddust⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯⋯．．．．⋯⋯．⋯⋯⋯．72．1．1Classificationandsourcesofatmosphericpollutants⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．72．1．2Characteristicsofsubgradedust⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．．⋯⋯．92．2Environmentaleffectsofdustparticles⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯．．⋯112．2．1Impactofdustonnaturalenvironment．⋯⋯．．．．⋯⋯⋯．．．．．．⋯．⋯．⋯．．．112．2．2Impactofdustonhumanhealth⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯．．．．．⋯．⋯．．．⋯．132．2．3Impactofdustonvegetationgrowth⋯⋯⋯．⋯．．⋯．⋯⋯．．．．⋯．⋯⋯⋯．．142．3Generationmechanismofraiseddustduringsubgradeconstruction．．．．152．3．1Forcesthatgeneratedust⋯．⋯．⋯．⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯．．．．⋯⋯⋯．．⋯．162．3．2Criticalloadthatgeneratedust．⋯⋯⋯．．⋯⋯．⋯．．．⋯⋯．⋯．．．．．⋯⋯⋯．⋯17Chapter3Determinationofdustemissionfactorinsubgradeconstruction．⋯⋯．．⋯．．194 山东大学硕士学位论文3．1Divisionofdustemissionoperationunitinsubgradeproject⋯⋯⋯⋯⋯203．2Determinationofdustemissionfactorinsubgradeconstruction⋯⋯⋯．213．2．1Emissionfactorofsoilmaterialloadingandunloading．．．⋯．⋯．．．．213．2．2Emissionfactorofvehicletransportation⋯⋯．．．．．．．⋯⋯⋯．．⋯．⋯⋯．．233．2．3Emissionfactorofwinderosiondust⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．273．3Determinationofdustemissioninsubgradeconstruction．⋯．．⋯⋯．⋯．．．28：；．4Summary．⋯．．⋯⋯．．⋯⋯⋯．⋯．⋯．．．．⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯．⋯．．．⋯．⋯⋯⋯．．⋯．⋯．．．．30Chapter4Dustdiffusioninsubgradeconstruction⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．344．1Dustdiffusioncharacteristicsintheatmosphere⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯344．1．1Atmospherestructureandmotioncharacteristicsofatmosphericboundarylayer⋯⋯．．．⋯．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯．．．．．⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯．344．1．2Diffusionprocessofdustintheatmosphere⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．354．2Basictheoryofatmosphericturbulencediffusion⋯⋯．．．．⋯．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯364．2．1Conceptofturbulence．．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯．．⋯．．．⋯⋯．⋯．．．．⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯．．．364．2．2Turbulentdiffusiontheory．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．374．3Dustdiffusionmodelsofvarioussubgradeconstructionsources⋯．⋯．．．394．3．1BasicGaussiandi偷sionmode⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．394．3．2Subgradedustdiffusionofpointsource．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．414．3．3Subgradedustdiffusionoflinesource．⋯．⋯⋯．．．．．⋯⋯⋯．⋯．．⋯⋯⋯．434．3．4Subgradedustdiffusionofareasource⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．444．4Introductionofdustpollutionpredictionmodel⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯454．5Summary⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．46Chapter5DustemissionanalysisofsubgradeconstructioninYellowRiverFloodPlain⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．475．1Projectoverview⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．475．1．1Location⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．475．1．2Climate．meteorologicalandhyarologicalcharacteristics⋯⋯⋯．．475．1．3Topographyandlandform⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯475．2Dustemissionfactors⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯485 山东大学硕士学位论文5．2．1Emissionfactorofsoilmaterialloadingandunloading．⋯⋯．．⋯．．485．2．2Emissionfactorofvehicletransportation．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．495．2．3Emissionfactorofwinderosiondust⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．505．3Dustemissions．．⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．．．⋯．⋯⋯⋯．．⋯⋯．⋯．⋯．⋯⋯．．．．．⋯⋯．．．．．．．．515．3．1Dustemissionduringsubgradefilling⋯⋯⋯．．．⋯．⋯⋯．．．⋯⋯⋯．．．．．．．515．3．2Dustemissionduringsubgradecompaction．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．525．3．3Dustemissionduringsubgradedeposition⋯．．．⋯．⋯．．．⋯．⋯⋯．．．．．⋯525．3．4Dustemissionduringsubgradeconstruction．．．．⋯⋯．．⋯．．⋯⋯．．．⋯．．535．4Dustdiflusion⋯．⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯．．⋯．⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．．．．⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯．．．．545．4．1Diffusionofpointsource⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．545．4．2Diffusionof1inesource⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．555．4．3Difmsionofaerasource⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一565．5Summary⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯57Chapter6Dustcontrolmeasuresinroadsubgradeconstruction．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．596．1Dustsuppressionprincipleinsubgradeconstruction⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。596．2Dustcontrolmeasuresinsubgradeconstruction⋯⋯．．．⋯⋯．⋯．．⋯．⋯．．⋯．．．606．2．1Managementmeasurestocontroldustpollution⋯⋯．⋯．⋯．⋯．．．．．．．606．2．2Technicalmeasurestocontroldustpollution．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．606．2．3Economicmeasurestocontroldustpollution．．⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯．．．．．．．616．2．4Specificmeasurestopreventandcontroldustpollutionduringsubgradeconstruction．⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．⋯．．．⋯．⋯⋯．⋯．⋯⋯．．⋯．．．61Chapter7Conclusionsandexpectation⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．637．1Conclusions⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯637．2Innovation⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯647．3Expectation⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．65References⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66Acknowledgements⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．716 山东大学硕士学位论文摘要扬尘颗粒污染物是在常见的大气污染物中最基本、分布最广泛的一种。随着近年来我国基础设施建设的大力发展，道路工程施工产生的扬尘污染也日益严重，给生态环境和人体健康带来不利影响。到目前为止还没有对道路工程(特别是路基)施工过程中产生的扬尘开展较为系统的研究，更未见有针对路基施工过程中每个阶段不同的施工特点来分析扬尘排放的研究报道。针对这一现状，本文以在建的滨州．德州高速公路为例，从路基建设各阶段施工特点着手，结合路基工程施工特点和大气扩散理论，探究路基施工各阶段扬尘的排放强度及浓度分布规律，并提出工程中相应的污染控制措施。首先，本文通过资料调研和路基施工现场调查，分析了路基施工扬尘的产生机理，并结合路基施工过程中各阶段扬尘的排放特点，将路基施工过程划分为填筑、压实和放置3个阶段，并细分以下操作单元：为土料装卸、车辆运输(包括已筑路基、施工便道、公共铺装／非铺装道路)、风蚀扬尘(包括已筑路基、施工便道、公共铺装／非铺装道路、取土场和运输车载土料)。其次，以美国环保局AP．42中推荐的建筑施工“单元操作”排放因子法为基础，提出适用于路基施工各操作单元的扬尘排放因子的计算模型和各施工阶段排放量的估算方法。通过分析大气对污染物的扩散和稀释规律，针对路基工程各阶段各操作单元不同种类排放源(点源、线源、面源)扬尘的传输与扩散，选择不同的高斯扩散模式与之相适。最后，以滨州～德州高速公路Al合同段为依托，分别计算了路基施工过程中各阶段各操作单元的扬尘排放因子，并计算了填筑、压实、放置阶段的扬尘排放总量，排放量结果显示：填筑阶段>压实阶段>放置阶段。利用大气估算软件计算了点源、线源和面源模式排放的浓度分布，结果表明：随着距离增长，点源和面源排放均先上升到最大值再减小到稳定值，线源排放模式总体呈现由大Nd,的分布规律。本文研究的方法有利于了解道路路基工程中每个单元操作的扬尘污染排放特征和排放量，对定量计算路基施工扬尘源的排放量和分析空问扩散规律有一l 山东大学硕士学位论文定的指导意义，为环保部门提供路基施工场地扬尘污染的排放清单，也为正确地估算扬尘的污染程度并制定有效的、适合当地技术经济条件的扬尘污染防治措施提供技术方法。关键词：扬尘；路基施工；排放因子；操作单元 山东大学硕士学位论文ABSTRACTRaiseddustpollutantisoneofthemostbasicandmostwidelydistributedcommonairpollutants．Withtherapiddevelopmentoftheconstructionofinfrastructureinourcountry，raiseddustpollutionproducedbyroadconstructionisincreasinglyserious，bringingnegativeeffecttoecologicalenvironmentandpeople’Shealth．Thereisnosystematicresearchonraiseddustproducedduringtheconstructionofroadengineering(especiallysubgrade)untilnOW．What’Smore，fewreportsaboutresearchesanalyzingraiseddustemissionaccordingtothedifferentconstructingcharacteristicsofeachsectionduringtheprocessofsubgradeconstructioncanbefound．Withthecurrentsituationinmind，takinginconstructionoffreewaybetweenBinzhou—Dezhouasanexampleandbeginningwiththeconstructingcharacteristicofeachsectionofsubgradeconstruction，thisdissertationinvestigatestheintensityandconcentrationdistributionofraiseddustemissionduringeachstageofsubgradeconstructionbasedonatmosphericdiffusiontheory,puttingforwardtheengineeringmeasureswhichcontrolpollution．Firstly,throu曲materialstudyandfieldsurvey,thedissertationanalyzesthegenerationmechanismofraiseddustduringtheroadconstruction．Basedonthecharacteristicofraiseddustemissionduringeachstageofsubgaredconstruction，theconstructionprocessofsubgradeisdividedintothreephases：filling，compactionanddeposition，whicharefurtherdividedintothefollowingoperatingunits：soilmaterialloadingandunloading，vehicletransportation(includingconstructedsubgrade，constructionaccessroad，publiclypavedroadandunpavedroad)，winderosiondust(includingconstructedsubgrade，constructionaccessroad，publiclypavedroadandunpavedroad，soilborrowinggroundandtransportvehicleloadedsoil)Secondly,basedon‘‘operationalunit’’EmissionFactormethodduringconstructingrecommendedbyAP一42ofU．S．EnvironmentalProtectionAgency，theIII 山东大学硕士学位论文dissertationputforwadthecalculatingmodelsofraiseddustfactorsuitableforeachoperationalunitinsubgradeconstructionandtheestimationmethodsofemissionduringdifferentconstructingstage．Afteranalyzingtheatmosphericdiffusionanddilutionpatternofpollutants，foreachoperationalunitduringeachstageofsubgradeengineering，differentGaussiandiffusionmodelsarechosenrespectivelyaccordingthetransmissionanddiffusionofraiseddustfromdifferentsource(pointsource，linesourceandareasource)．Finally,basedonA1contractsectiononfreewaybetweenBinzhouandDezhou，theraiseddustemissionfactorofoperationalunitduringeachstageofconstructionofsubgradeiscalculated，aswellasthetotalemissionduringfilling，compaction，andplacement．Theresultshowsthatfilling>compaction>placement．Andtheconcentrationdistributioniscalculatedusingatmosphericestimationsoftwareindifferentpatternofpointsource，linesourceandareasource．Itisshownthatwiththeincreasingofdistance，pointsourceandareasourceemissionincreasetothemaximumvalueandthendecreasetothestablevalue，whilelinesourceemissionpresentsadistributionpatternwhichchangedecreasingly．Theresearchmethodinthisdissertationhelpstounderstandingthecharacteristicsandemissionofraiseddustpollution，andcanguidethequantitativecalculationofemissionofraiseddustpollutantandanalysisofspatialdiffusionpattern，whichcannotonlyprovideforenvironmentprotectionagencytheemissioninventoryofraiseddustpollutantontheconstructionsiteofsubgrade，butalsoprovidetechnicalmethodsforestimatingpollutiondegreeandmakingpreventionmeasureswhichareeffectiveandsuitabletolocaltechniqueandeconomicalconditions．Keywords：raiseddust；subgradeconstruction；emissionfactor；operatingunitIV 山东大学硕士学位论文1．1研究背景和意义第一章绪论大气是人类赖以生存的环境组成之一，然而在人类的生产生活当中，自然因素和人为因素都会对大气造成一定的污染，当大气中污染物质的浓度达到有害程度，以至破坏生态系统和人类正常生存和发展的条件，对人或物造成危害的现象叫做大气污梨11。在常见的大气污染物中，扬尘颗粒物是其中最基本、分布最广泛的一种。大气颗粒物污染从工业革命大量使用煤作为能源开始就已存在。20世纪以来，随着全球工业化的迅猛发展，大气污染问题也同益突出，造成的危害也愈加严重，出现了许多著名的大气污染事件：马斯河谷烟雾事件、多诺拉烟雾事件、伦敦烟雾事件、洛杉矶光化学烟雾事件等。如今，大气颗粒物污染问题已成为全球广泛关注的重大环境问题，受到各国政府和民众的重视。1．1．1我国颗粒物污染现状在我国，近年来的大气污染问题不容乐观，污染状况位于世界上少数最严重的国家之列。近几年的全国环境质量状况分析报告显示【2】，目前大气污染中最主要的污染物为颗粒物污染(即总悬浮颗粒物TSP和可吸入颗粒物PMl0)：2006年全国有33．5％的城市颗粒物年均浓度劣于二级标准；2007年颗粒物年均浓度未达N-级标准的城市占28．O％，2008年颗粒物年均浓度未达N-级标准的城市占18．5％，2009年环保重点城市可吸入颗粒物污染仍然突出，占总污染天数的92．4％，其中山东、陕西、新疆、内蒙古、湖北、江苏、甘肃、湖南等8省区参加统计的地级城市中可吸入颗粒物PMl0未达N-级标准的比例超过20％。对于颗粒物污染扬尘而言，由于其成分复杂，来源众多，加之近年来生态环境的不断恶化，使得颗粒物污染在总的大气污染中的贡献R益突出，已成为导致我国多数城市大气污染的首要因素【3】。城市大气中的颗粒物污染按来源可以分为三个部分【4】：一是人为源，主要 山东大学硕士学位论文包括燃料燃烧、工业生产过程排放的烟尘、粉尘和交通运输中车辆排放的尾气等；二是扬尘，包括大风将外地的尘土从高空输送到本地产生的扬尘和由城市建筑施工、裸露地面、地面尘土、渣土堆放以及人为排放的颗粒污染物沉降等方面产生的尘土在风力和机动车跑动等外力作用下形成的扬尘；三是其它原因产生的颗粒物，如土壤、沙漠风蚀所引发的尘粒以及植物花粉和孢子、各种生物气溶胶以及海盐(沿海城市)等。第一部分污染源(主要为烟尘和细小粉尘)在政府多年不懈努力控制下总体排放量逐年减少【51，并通过采取改善燃烧条件，增加除尘装置等措施，其对城市颗粒物的贡献率正表现出稳中有降的趋势【6】。第三部分颗粒来源中，植物粉粒纯粹由自然原因形成，它对大气颗粒物污染的贡献率在短期内变化不大；而沙漠作为自然界中最大的露天丌放性尘源所引发的风蚀扬尘问题，早已引起全世界的广泛关注，并在1997年的联合国沙漠化会议上制定了防止沙漠化行动计划(DACD)。而对于第二部分——颗粒扬尘而言，由于政府对其控制的重视程度不足以及城市周边生态环境的不断恶化，且目前尚未形成行之有效的方法，使扬尘污染问题日趋严重，其对城市颗粒物污染的贡献日益突出。目前相关研究【7】【8】【9】【10】也表明扬尘已成为大气颗粒物污染尤其是城市颗粒物污染的最重要来源，其中土壤尘、道路尘、水泥尘等源类对城市坏境PMl0的总贡献达到50％左右，最高可达70％【11]U2】。1．1．2研究意义从2008年开始，为了抵御经济危机，我国政府加大了对各地基础设施领域的投资，于是道路工程作为基础设施的一个重要方面，又掀起新一轮建设热潮。然而道路工程建设(特别是路基建设过程当中)的施工扬尘作为一种重要的颗粒物开放源类，其施工面积的大量增加势必会使扬尘排放量急剧上升，致使周边城市大气污染进一步加重，给生态环境和人体健康带来不利影响。目前相关部门还没有充分认识到道路施工扬尘污染控制的紧迫性和重要性，使得这类开放污染源所引起的扬尘几乎没有采取过真正有效的防治措施，扬尘污染长期处于失控状况。针对这一现状，本文以在建的滨州．德州高速公路为例，结合路基工程施工2 山东大学硕士学位论文特点和大气扩散理论，探究路基施工各阶段扬尘的排放强度及浓度分布规律，并提出工程中相应的污染控制措施。本研究对定量计算路基施工扬尘源的排放量和分析空间扩散规律有一定的指导意义，为制定施工扬尘控制措施提供重要的理论依据，对有效控制路基施工各过程中的扬尘污染排放、保护施工现场和周边地区的生态环境、减少城市大气颗粒物污染、保障施工人员和附近居民的身体健康具有重要的现实意义。1．2国内外研究概况1．2．1国外研究概况目前，国际上对建筑施工扬尘的研究主要集中在排放因子方面，自20世纪70年代至今，国际上已经针对施工扬尘的研究陆续得到了一些排放因子经验模型【13】【14】【15】【161，但还没有开发出可以普遍适用的排放因子定量模型【171。国外在扬尘估算方面已经进行了大量的实验分析并应用到了实践中【18】【19】，其中美国环保局提出的AP．42方法是目自订使用广泛、较为权威的一种方法。AP．42指出，美国施工扬尘排放量与施工工艺、施工强度、气象条件、地质条件和污染控制措施等影响因素有关。美国EPA于1972年发表了《空气污染物排放因子汇编》(AP一42)的文档，之后定期地添加新的内容对其进行更新，至lJ2001年，AP．42已经更新到了第五版。AP．42方法包括对区域范围的排放估算，具体设备的排放估算以及与周围空气质量相关的排放估算。AP．42提供的扬尘量估算公式是基于大量排放测试的回归分析而得出的经验公式。由于对扬尘的实时监测困难，因此总量就难以计算。到目前为止，得到全球广泛公认的也就只有美国EPA提供的AP．42方法。对于地面扬尘的粒径特征，国内外都做着不停的探索，美国西部沙漠实验室自制了颗粒物样品再悬浮的粒径分级仪器，可以将颗粒物样品按不同的粒径范围分离出来【201。在扬尘量估算研究方法上，国外除美国的AP．42方法外，还有TRAKER(道路再卷起气溶胶的动力排放测试)：乖IISEM／EDX(单颗粒分析)等方法，分别从区域、单车、单颗粒等角度出发，研究铺设道路和未铺设道路的扬尘问题【2l】【221。国外在路基施工表面扬尘处理研究方面，撒氯化钙溶液作为有效治理路基3 山东大学硕士学位论文表面扬尘的方法几十年来一直应用。近来研究证明，这种方法还会增强路基的稳定度。氯化钙吸潮的性质可以使路基表面保持潮湿，能够在很大的温度和湿度范围内防止扬尘的产生，同时，湿度的维持，可以使土体保持最佳含水量，以期达到设计压实度，保证土基的强度。研究证明，当气温达到37℃时，氯化钙处理过的路基仍然保持20％的湿度(35．38％的喷洒浓度)。另外，还常采用钙镁氯化物和封层方式来处理路基表面扬尘【231。1．2．2国内研究概况国内对地面扬尘的研究多集中在化学分析领域，对于扬尘量的估算研究较少，有的采用划分下垫面类型的方法估算[241，有的采用0rlemonm总结的经验公式估算【251，或多或少都存在估算粗糙和未进行粒径分级的缺点。建筑扬尘作为一种重要的颗粒物开放源类，弄清其具体排放特征及污染特点，进而选择合适的监控指标，对于建筑施工扬尘污染防治及改善城市环境空气质量具有重要意义，但国内到目前为止还没有对建筑施工扬尘开展较为系统的研究。近年来，一些深入揭示施工扬尘污染特征的科研成果表明，在建工地PMl0平均浓度比建成工地高82％，比施工前工地高78掰261；施工路段大气PMl0平均浓度是非施工路段的8．8倍【2刀；降尘量可以作为施工工地对道路环境颗粒物污染程度的一项监测指标【28】；施工工地边界的降尘和TSP有较好的正线性关系[291。由于城市道路分布比较密集，因此多数建筑工地位于城市道路附近，有研究表明建筑工地引起其出口附近道路交通扬尘排放量大幅增ant30】。赵普生等【3l】以天津市一处典型住宅楼施工工地作为研究对象，分施工阶段(地基开挖、地基建设、回填、一般施工阶段)对环境空气PMl0、尘源样品和降尘等进行了系统监测实验，得到了建筑扬尘的成分谱(元素、离子和碳组分)和尘源样品的粒径分布。结果表明，建筑施工扬尘的污染特点和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。通过采集工地周边的降尘，发现利用降尘可以作为工地扬尘的监控指标。田刚与李钢等【32】通过检测建筑工地边界附近同一平面坐标1．5—4．1m范围内不同高度处的降尘浓度变化，研究了建筑工地边界施工扬尘垂直扩散规律；通过监测建筑工地外同方向0—210m范围内不同距离、相同高度(3m)处的降4 山东大学硕士学位论文尘浓度变化，研究了建筑工地施工扬尘水平扩散规律，通过数据回归分别得出了施工扬尘垂直、水平的扩散模型。许艳玲与程水源等【331利用北京市最新调查的交通扬尘排放清单，通过中尺度气象模式ARPS与空气质量模式Models．3／CMAQ的耦合，模拟计算交通扬尘对北京市大气PMl0的贡献率和贡献浓度。黄玉虎等【341通过统计大量实测数据，对北京市建筑工地不同施工阶段的扬尘污染特征进行了较为系统地分析。国内针对在路基土方施工过程中的扬尘问题，各施工单位通常对施工便道进行硬化，并配备洒水车进行不问断洒水，以防止扬尘对周边环境的污染及沿线居民生产生活的影响。另外，细粒土质砂土是修筑路堤的良好材料，雨天不泥泞，晴天不扬尘，易压实构成平整，坚实的路基表面。1．2．3目前研究中存在的问题道路工程项目的建设分为多个施工阶段，其中路基施工过程中产生的扬尘污染最为严重。在整个路基施工过程中，通常又分为填土、平整、碾压、检测四个阶段，每个阶段的施工工艺相差很大，因此不同施工阶段的扬尘排放量、排放强度和排放源模式也不尽相同。从前述目前国内外的研究状况来看，学者们针对建筑施工扬尘已开展了部分工作，但基本都集中在排放源为点源、面源一类(如住宅楼)的建筑工地上；对于道路扬尘排放的研究，也只集中在由机动车辆、自然风力作用产生的颗粒物污染及其对大气环境的影响方面。到目前为止还没有对道路工程(特别是路基)施工过程中产生的扬尘开展较为系统的研究，更未见有针对路基施工过程中每个阶段不同的施工特点来分析扬尘排放的研究报道。综上，本文将从路基建设各阶段施工特点着手，研究路基施工过程中扬尘污染的排放及其对周围地区大气环境的影响。5 山东大学硕士学位论文1．3研究内容和技术路线1．3．1主要研究内容(1)道路路基施工扬尘排放特点与操作单元、阶段划分；(2)与路基施工过程中各操作单元施工特点相应的扬尘排放因子计算方法；(3)路基施工不同阶段扬尘排放量的估算；(4)符合路基施工过程中各操作单元扬尘排放特点的扩散模式；(5)路基施工过程中各扬尘排放模式的扬尘扩散规律。1．3．2技术路线6根据资料和路基施工现场调查，总结路基施工过程中不同阶段的施工工艺特点，将路基施工过程划分为独立的几个操作单元和施工阶段；分析各路基施工操作单元扬尘排放的影响因素及特点，结合AP．42中推荐的建筑施工污染排放因子，选取合适参数，确定相应的扬尘污染源排放因子计算模式；根据各路基施工阶段的特点和扬尘排放源的组成不同，确定各阶段扬尘排放量的估算方法；分析各路基施工子阶段扬尘污染排放源分布特点，根据大气扩散理论，确立各类扬尘排放源相应的扩散模型；以实例为依托，应用大气环境质量模型软件，计算路基施工各类型排放源扬尘在距道路不同距离处的浓度分布，得出扬尘扩散规律。)12345，L／k，L／k，L 山东大学硕士学位论文第二章路基施工扬尘污染与产成机理道路施工现场是产生扬尘的一类重要污染源，特别是在道路路基工程建设过程中，由于自然风力、施工机械作业、施工车辆通行等客观因素，会使施工现场产生大量扬尘，扩散到周围的大气当中。施工扬尘的产生受当地气象条件、地理条件和工程现场施工条件的影响。这些扬尘使大气含尘浓度升高，给周围的自然环境造成严重污染，同时影响动植物的成长，破坏生态环境的平衡，危害施工人员和附近居民的身体健康。2．1扬尘的性质2．1．1大气污染物的分类及来源大气污染物是指以各种方式排放进入大气，有可能对人和生物、建筑材料以及整个大气环境构成危害或带来不利影响的物质。目前认为对人类危害较大的，已被人们注意的大气污染物就有100多种。根据空气污染物的物理形态和化学成分，将其分为以下几判1】：(1)颗粒污染物：是指以固体、液体和气溶胶体微粒形式存在于大气介质中的分散体，从分子尺度大小到几百微米粒径的各种微粒。主要来源是固体物质的破碎、分级、研磨等机械过程或土壤、岩石风化等自然过程以及燃料燃烧所形成的飞灰。又可细分为粉尘、烟、狄、雾、霭、霾、烟尘和烟雾。(2)碳氧化合物：主要是C02和CO等气体污染物。C02主要来源于生物呼吸和矿物燃料的燃烧，它能引起温室效应，使全球气温逐渐升高、气候发生变化。CoN是大气中排量极大的污染物，为无色、无味、化学性质稳定的有毒气体，主要来源于燃料的不完全燃烧和汽车尾气，对人类健康危害极大。(3)氮氧化物：主要是NO和N02等气体污染物，以及由此产生的二次污染物，主要来源于化石燃料的燃烧，如飞机、汽车、内燃机以及硝酸工业、氮7 山东大学硕士学位论文肥厂、有色及黑色金属冶炼厂等，其中机动车的废气排放最为显著。氮氧化物能与大气中的一些物质反应，在太阳紫外线多用下发生光化学反应，生成一些有强烈刺激性和毒性的有机物质，形成光化学烟雾，严重污染环境，损害人类健康。(4)硫化物：最主要的污染物质是S02，是一种分布广、危害大的大气污染物，其来源主要是含硫煤炭的大量燃烧、自然界的火山爆发等。S02排入大气后，在相对湿度较大且有催化剂存在时，与一些氧化性较强的物质发生化学反应，能转化成S03发生催化氧化，溶解于降水中形成酸雨。此外，还有H2s等气体污染物及由S02通过化学转化生成的其他酸性污染物。(5)卤化物：主要是卤代烃以及其他含氯、溴、氟的化合物。大气中卤代烃包括卤代脂肪烃和卤代芳烃。如有机氯农药DDT、六六六，以及多氯联苯(PCB)等以气溶胶形式存在。含氟废气主要是指含HF和SiF4的废气。主要来源于钢铁工业、磷肥工业和氟塑料生产等过程。在氟污染区，大气中的氟化物被植物吸收而在植体内积累，再通过食物链进入人体，产生危害，最典型的是“斑釉齿症”和使骨骼中钙的代谢紊乱“氟沉着症”。(6)碳氢化合物：主要包括烷烃、烯烃和芳烃等复杂多样的含碳和氢的化合物。大部分的碳氢化合物来源于植物的分解，人类排放的量虽然小，却很重要。碳氢化含物的人为来源主要是石油燃料的不充分燃烧过程和蒸发过程，其中汽车尾气占有相当的比重。碳氢化合物大气中碳氢化合物主要是甲烷，约占70％左右，具有温室效应，且效应比同量的二氧化碳大20倍。碳氢此合物中的多环芳烃化合物3，4，苯并(a)芘具有致癌作用。(7)氧化剂：主要指在空气中具有高度氧化性质的一些化学物质，例如臭氧及其它过氧化物，是光化学反应的主要污染因子。(8)放射性物质：指一些由于偶然事件使大气受到放射性污染的物质。如核电站反应堆的外泄事故，使大量放射性尘埃被排放到大气中，造成大范围、长时间的严重空气污染，数千人死亡或病变。下图为常见的大气污染源和污染物。8 山东大学硕士学位论文图2．1常见的大气污染源和污染物2．1．2路基扬尘的特征大气中的颗粒物主要通过两种途径进入空气，一种是排放源直接排放，如燃煤烟尘、工业尘等，另一种是排放源排出的颗粒物沉降后又在风力或其他自然力、机械力、人类活动扰动下，再次或多次进入空气，这些颗粒物被称为扬坐[351136]．Lo扬尘是大气颗粒物的重要来源，包括大风将外地的尘土从高空输送到本地产生的扬尘和由城市建筑施工、裸露地面、地面尘土、渣土堆放以及人为排放的颗粒污染物沉降等方面产生的尘土在风力和机动车跑动等外力作用下形成的扬尘。道路路基工程施工阶段属开放式作业，由于取土、装卸、运输等作用产生的大量可扩散到大气中的颗粒污染物即为路基施工扬尘，具有大气颗粒污染9 山东大学硕士学位论文物的一般特征，故本研究中选用颗粒物作为路基施工扬尘的标志性污染物。2．1．2．1物理特征进入到空气中的扬尘粒径范围较广，粒径小的在0．OlI_tm以下，最大的可达1000}．tm以上，平均粒径范围约为100～200“m。扬尘的真密度范围一般在1．9～4．5t／m3之间【37】。根据空气动力学直径大小，大气颗粒污染物可分为降尘和飘尘。大气颗粒物中粒径大于10pm的固体颗粒称为降尘，由于重力作用，能在较短时间内自然沉降到地面，如土壤粉尘、水泥粉尘、金属粉尘、飞尘等，一般颗粒大，比重也大，危害范围较小。大气颗粒物中粒径小于lOI-tm的固体颗粒称为飘尘，其比重也小，能长期漂浮在大气中，具有胶体性质，又称气溶胶。目前大气质量评价中常用到一个重要污染指标总悬浮颗粒物TSP(TotalSuspendedParticulate)，是分散在大气中的各种颗粒物的总称，数值上等于降尘与飘尘之和。空气动力学直径小于或等于lO肛m的大气颗粒污染物被称作可吸入颗粒物。可吸入颗粒物因粒小体轻，能在大气中长期飘浮，飘浮范围从几公里到几十公里，可在大气中造成不断蓄积，使污染程度逐渐加重。可吸入颗粒物成份很复杂，并具有较强的吸附能力。例如可吸附各种金属粉尘和强致癌物苯并(a)芘、吸附病原微生物等。可吸入颗粒物又可分为粗粒PMl0(空气动力学直径介于2．51am和lOpm之间)和细粒PM2．5(空气动力学直径小于或等于2．5J，tm)。PMIO是可通过呼吸系统吸入人体的颗粒；PM2．5又称为可入肺颗粒物，是能够进入人体肺泡的颗粒，由于这两者可以被吸入人体，因此PMl0和PM2．5被认为是大气颗粒污染物中对人体健康产生危害的主要物质【38】【39】。2．1．2．2化学特征大气颗粒污染物化学成分非常复杂，且因地域不同而有显著差别，它一般由各种无机盐类、有机化合物及微生物组成，如地面尘土、植物花粉、大气化学反应的产物、海盐粒子等。无机盐类包括硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐、硅酸盐等阴离子和各种重金属如Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Mn等多种对人体有害的金属离子；有机物包括各种饱和和不饱和烃之类的碳氢化合物，特别是一些不饱和烃如多环芳烃、杂环化合物等；微生物则寄生于漂浮在空气中的颗粒物中，流动并在动植物之间传播，它们之间甚至含有大量有毒病菌。由如此而复杂的物lO 山东大学硕士学位论文质组成的颗粒物被人们吸入体内而引起各种疾病已被现代的科学研究和调查而证明。科学家们一致认为，生活在扬尘颗粒物浓度较高的地区极易导致肺炎、气管炎、肺结核甚至诱发肺癌【删。颗粒污染物中细颗粒PM2．5的化学成分尤其值得关注。PM2．5中含有许多由化学反应产生的二次污染物，如汽车尾气(NO。，CO，HC)引发的光化学反应的产物吸附在颗粒表面，S02等在颗粒物上通过液相反应产生的盐类。二次污染物对人类危害严重的有硫酸盐、硝酸盐、有机物中的苯并芘等。大气颗粒污染物中的扬尘包括建筑扬尘、风起扬尘、道路扬尘和工业扬尘等。本研究中，由于黄泛平原区各子区域的土壤有不同程度盐碱化，导致各地区土质有明显差异，但道路路基工程施工扬尘的主要成分大致相同，其中大部分都是填土材料因施工机械作用、施工车辆运输或自然风力产生的土料、粉尘微小颗粒，还有一小部分是施工车辆尾气排放的气体颗粒污染物，因此路基施工扬尘主要由矿物颗粒组成。利用带能谱的扫描电镜(SEM～EDX)对所采样品中的矿物颗粒成分进行分析，矿物颗粒中所含主要成分有Ca、Mg、A1、Si、K、Fe、Na、S等主要元素，主要类型是白云石、方解石为碳酸盐矿物。路基施工扬尘的化学性质较稳定，并且具有一定的吸水性，这一点较有利于抑制其起伞【411。2．2扬尘颗粒物的环境效应进入空气中的扬尘，形成大气中的颗粒物质，致使空气中颗粒物浓度增高。大气扬尘颗粒物由于其本身固有的物理、化学性质，会对周围区域的环境产生了一系列负面效应，如导致能见度下降、产生区域和城市灰霾、改变气候等。同时大气颗粒物参与或影响大气化学过程，改变了大气组分，危害人类健康和生活以及动植物的正常成长。2．2．1扬尘对自然环境的影响2．2．1．1对大气能见度的影响自20世纪70年代以来大气颗粒物对能见度的影响就一直是环保部门关注的问题之一。大气能见度、的降低，不仅会使人感到不愉快，而且会造成极大的ll 山东大学硕士学位论文心理影响，还会产生交通安全方面的危害。大气颗粒物对城市大气光学性质的影响可达99％，它通过对光的吸收和散射，以减弱光信号从而达到降低能见度的目的。(1)对光吸收效应据Sisler[421的研究，细颗粒物对光的吸收系数占总消光系数的20％--30％，大气中很少数量的煤烟颗粒就可以导致光强降低很多，有时可能会使某些地区的能见度降低一半以上。大量的研究也表明，PMIO和PM2．5对光的吸收效应几乎全部都是由元素碳和含有元素碳的颗粒物引起的。据Chart等在澳大利亚布里斯班的观测结果，颗粒物(主要为细粒煤烟)吸光系数占总消光系数的27．8％。(2)对光散射效应据研究，颗粒物的散射可造成60％--95％的能见度减弱【43】。在大气颗粒物的瑞利散射、米散射和无条件散射中，主要是米散射，粒径在lgm左右的颗粒物对可见光的散射最强。宋宇、唐孝炎等【删通过对PMIO和PM2．5监测和对颗粒物散光系数的观测发现，颗粒物的散射消光系数占总体消光系数的70％--80％，能见度水平与细粒子污染水平呈现较好的负相关。大气中由散射引起的光衰减，主要是由大小与入射光波长相近的粒子造成的。粒径处于0．1—1．Ogm的亚微米范围内的固体和液体粒子对能见度降低的影响很大【451。2．2．1．2对水文循环的影响大气颗粒物可以增加或减少局部地区的降雨量。在较低大气层中的悬浮颗粒物形成水蒸气的“凝结核”，当大气中水蒸气达到饱和时，就会发生凝结现象。在较高温度下，凝结成液态小水滴，在热岛辐合上升气流的作用下造成降雨；在温度很低时，则会形成冰晶。这种“凝结核”作用有可能潜在地导致降水的增加或减少。据英国和北美几个城市统计，这些城市的降雨量比郊区多5％一10％。另外，某些具有吸收性的气溶胶的吸收导致的地面太阳辐射减少、大气稳定度增加对水分循环可能产生负面影响，据研究炭黑颗粒物通过同云层的反应，抑制降水进而扰乱水文状态的现象已经在大洋洲和印度洋上空得到证实【461。2．2．1．3对气候的影响(1)直接辐射影响12 山东大学硕士学位论文大气颗粒物对全球辐射平衡的影响取决于颗粒物的构成。由于其化学成分不同，它们对气候的影响可以是变冷作用，也可以是变暖作用。据研究硫酸盐或有机碳颗粒物，由于对大气中太阳辐射具有反射到外层空间的功能，同时对地球表面发出的红外辐射仅有微弱的吸收，因而其总体的气候效应是变冷效趔47】。相反，碳黑大气颗粒物可以强烈地吸收太阳辐射，并将这种太阳辐射能以红外辐射形式释放于大气中，从而导致大气增温【481。研究表明，通过吸收散射、反射能直接增加地．气系统能量的颗粒物，则是一种辐射强迫使气候变暖。反之则变冷，气溶胶的辐射强迫作用取决于粒子的大小、形状、化学组分和空间分布情况。(2)间接影响在现代地球大气温湿条件下，气溶胶粒子是云的形成的前提条件，故气溶胶粒子增加的一个最直接的影响就是使云滴数量增加。各种大气颗粒物参与的云层反应能增加云对太阳辐射的反照率并延长云的大气寿命。但目前尚不清楚这种间接效应对地球气候的影响。大气颗粒物会在大气光化学反应中影响03的形成。由于对辐射阳光的散射作用，硫酸盐颗粒物具有增加03形成的效应【491，而碳黑颗粒物具有吸收辐射阳光或散射紫外线的特征，因而可以直接影响大气中光的分解率进而影响光化学反应的动力，据美国一些在大都市例如洛杉矶和墨西哥上空的研究揭示，碳黑颗粒物可以抑制对流层中03的形成【501。2．2．1．4对建筑物体的影响扬尘颗粒污染物对建筑物体的损害包括玷污性损害和化学性损害两方面。玷污性损害主要指空气中的扬尘颗粒物落在建筑物体的表面上造成的，通常每年对建筑物外表的清洗及更换物体的外表就可达数亿计的费用。化学性损害是由于扬尘颗粒污染物的化学作用使物体腐蚀或损坏，即空气中的颗粒物通过固有的腐蚀性，或吸附在其表面的腐蚀性化学物的作用，产生直接的化学破坏。含硫物质或硫酸会侵蚀多种建筑材料，如石灰石、大理石、花岗岩、水泥砂浆等，这些建筑材料先形成较易溶解的硫酸盐，然后再被雨水冲刷掉【501。13 山东大学硕士学位论文2．2．2扬尘对人类健康的影响空气中的颗粒物，尤其是颗粒物中50％一80％属于粒径较小的可吸收颗粒物，它们可以通鼻腔和咽喉进入肺部，引起肺功能的改变和神经系统的疾病。此外，大气中颗粒物常含有经过再次凝结形成的有机物和有毒有害物质，被生物体吸收进入体内后，对生物的危害性将更为严重。国际标准化组织0SO)提出的易引起儿童和成人发生肺部疾病的高危险性颗粒物为粒径小于2．419m的颗粒物，与PM2．5甚为接近。2000年12月英国专家研究认为细颗粒物反而是导致人类死亡率上升的主要原因，尤其是呼吸系统疾病及心肺疾病的死亡率【5¨。粗颗粒物可侵害呼吸系统，诱发哮喘病；细颗粒物可引发心脏病、肺病、呼吸道疾病，降低肺功能等。因此，对于老人、儿童和已患心肺病者等敏感人群，风险是较大的。空气中总悬浮颗粒物对人体健康的影响决定于粒子吸入而积聚于呼吸系统的数量。有研究结果表明，空气动力学尺度大于101．tm的颗粒物，基本上被阻止于人的鼻腔，也可通过咳嗽排出人体；而粒径小于10微米的可吸入颗粒物可随人的呼吸沉积肺部，甚至可以进入肺泡、血液。在肺部沉积率最高的是粒径为l微米左右的颗粒物。这些颗粒物在肺泡上沉积下来，损伤肺泡和粘膜，引起肺组织的慢性纤维化，导致肺心病，加重哮喘病，引起慢性鼻咽炎、慢性支气管炎等一系列病变，严重的可危及生命。29m．101am的颗粒，可进入人体咽喉，约90％可进入并沉积于呼吸道的各个部位，10％可以到达肺的深处，并沉积于肺中；小于2岬的颗粒，100％可以吸入肺泡中，其中O．3pm．21am的粒子几乎全部沉积于肺部而不能呼出，进而进入人体血液循环。研究显示，大气中TSP污染物浓度水平每增)JnO．1mg／m3，人口总死亡率升高5．5％；慢性阻塞性肺部疾病COPD与TSP影响相关的原有发病率为3％，心血管疾病7．62％，脑血管疾病0．66％，急性呼吸道感染两周患病率4．5％。大气中TSP污染物质量浓度每增加O．1mg／m3，COPD、心血管疾病、脑血管疾病、急性呼吸道感染所致的发病率分别增)Jfl6％、6％、8％、13．5蝌52】。2．2．3扬尘对植被生长的影响植被生长主要是靠光合作用和呼吸作用。在路基施工期间，工地周围的空气中含有大量的粉尘，由于植物叶片其表面特性和本身的湿润性使得植物具有14 山东大学硕士学位论文很大的滞尘能力，从而使这些尘埃状的粉尘在植物叶片上被吸附、滞留。扬尘污染对植物的新陈代谢和生长发育会产生许多不良的影响，其主要原因有以下几方面：(1)遮蔽作用。叶片表面小颗粒灰尘会粘在叶片的蜡质外壳一表皮层上，在一定程度上阻碍了叶片对光合作用所需光能的吸收，使得植物光合作用的能力下降。研究表明，覆盖在叶表上的灰尘会遮蔽掉60％的光强，导致叶片光合作用下降约20％左右【53】。(2)气孔阻塞作用。扬尘中细小的颗粒状污染物会阻塞植物的气孔，抑制气孔开放，影响叶片与外界的气体交换，阻碍光合作用底物(C02)进入叶片内部，因此使植物的生长受到抑制。(3)提高叶表温度。由于灰尘的覆盖，使气孔导度减小，叶片的蒸腾速率受到抑制，导致叶片温度增高，进一步影响植物叶片光合作用的正常进行。(4)促进附生植物的生长。大多数扬尘中富含氮和磷，在叶、茎上的累积会为一些微小植物的生长提供营养条件，在一定程度一卜促进了地衣、地钱和苔藓等的生长。附生植物通常能够吸收照射在叶片上50％的光照，对宿主叶片的遮蔽作用非常明显。(5)扬尘中含有的多种污染成分影响植物的健康生长。碱性物质能够直接伤害植物的叶片组织；含Ca的灰尘与水接触，易在植物的叶片、枝条及花朵上形成一层外壳，阻碍了光合作mN：需要的光线的吸收与C02的进入【54】【55】；含可溶性毒物或较多可溶性盐分的灰尘，与水作用后从气孔浸入叶组织，伤害细胞。影响细胞内正常的代谢过程，或发生类似“腐蚀”的情况，使植株形成坏死斑点，降低光合作用面积，直接或间接抑制植物的气体交换f56】；灰尘中还含有一定成分的重金属元素【571，如铅、镉、汞等，这些元素被植物叶片吸收和富集后也会直接抑制叶片的气体交换，严重的还会破坏叶肉细胞。(6)损坏叶表的表皮蜡状物。扬尘还会直接磨损植物的表面，损坏叶表的表皮蜡状物【581，抑制植物叶片的正常生理和代谢过程。当遇到雨水的冲刷，这些粉尘会被带走，但不久新的污染又将继续进行，植物刚有了一定程度的恢复又受到了下一轮的污染，当污染物质的强度超过了植物的忍耐限度就会将隐性的伤害转化为慢性伤害甚至是急性伤害，严重影响植物的生长。15 山东大学硕士学位论文2．3路基施工过程扬尘机理路基施工扬尘根据其排放方式不同可以分为2类：①一次扬尘，施工现场内物料的堆放、装卸、运输在自然风力作用下、施工机械作用下直接向大气环境排放的扬尘；②二次扬尘，运输车辆携带而遗洒到己筑路基路段上的物料，由机动车通行、施工人员走动激发而导致的扬尘。图2．2旌工便道车辆运输扬尘图2．3公用非铺装道路车辆运输扬尘2．3．1产生扬尘的作用力2．3．1．1机械力在物料的处理过程中，粉尘颗粒受到机械部件给它的作用力，使它以较高的初速度或加速度向某方向运动，从而离开整体，这种情况在土料装卸和整平过程中最为常见。由于微细扬尘颗粒极小，可以忽略其所受重力的影响，这样16 山东大学硕士学位论文可以简化其在机械力作用下的运动规律研究。但是扬尘颗粒不会单纯依靠机械力给予的动能而四处飞扬，即机械力不是粉尘飞扬的根本原因。2．3．1．2随机力由于气体分子在不停地做无规则的热运动而使微细颗粒做无规则的布朗运动所受力的随机性，因而称该力为随机力。微细颗粒本身由于与大量进行热运动的气体分子相碰撞而作布朗运动，但单独依靠它的运动而得到的扩散是微不足道的(这里指粉尘粒径>1岬)159】。2．3．1．2黏性力扬尘颗粒依靠随机力和重力作用而得到的运动速度很小，不能成为颗粒扩散和飞扬的主要原因。只有在扬尘颗粒直径小于lgm的情况下才有意义。扬尘的扩散只能由空气的流动而产生，即空气给予粉尘颗粒的黏滞动力。路基施工现场的空气流速相对于机械力作用而产生的速度、热运动扩散速度和重力沉降速度高得多，此时，对于土料表面的某些单个粉尘颗粒可以完全不计重力、机械力以及随机力作用。因而粉尘颗粒本身没有离丌空气的作用力而独立运动的能力，只能随风飘扬。这就说明，在这些作用力中起决定性作用的是空气对粉尘的黏性力【5Ij。2．3．2产生扬尘的临界荷载这里指的产生扬尘的荷载即粉尘起锚荷载，是指克服粉尘颗粒重力、颗粒间引力及粘结力而使粉尘启扬的作用力。使粉尘启扬的临界荷载称为极限起锚力。由下式确定：Fo=C+W+6(2．1)式中，F。o为极限起锚力，C为粉尘颗粒间的粘结力，W为粉尘颗粒自重，G为粉尘颗粒问的引力【砌。粒问粘结力C与粉尘物质组成、电荷极性、含水量以及粉尘颗粒间是否有充填介质等有关。若己知粉尘颗粒所带电荷量，粉尘之间的电荷引力则由物理学方程确定。粉尘颗粒的自重力W取决于颗粒尺寸、物质组成及含水量。粒间引力是普遍存在的，己知粉尘颗粒的质量及颗粒间的中心距离，其引力大小亦由物理学方程确定。由于粒间引力很小，一般可以忽略不计。因此，临界起锚力17 山东大学硕士学位论文主要由粒间粘结力和粉尘颗粒的自重力决定。粉尘启扬的临界条件为：F。≥乞o(2．2)综上，路基施工扬尘的机理可表述为：土质物料在运输及装卸、填筑等过程中以及已筑路面粉尘在运输车辆通行的情况下，会受到剪切压缩气流、诱导空气流、空气流动及机械活动生成的离心尘气流。当这些气流综合作用产生的荷载大于粉尘的临界起锚荷载时，就会使细微粉尘颗粒首先从土质物料中分离出来而启扬，然后由于空气的流动而引起粉尘的飞扬，从而完成了从扬尘产生到扩散的过程。 山东大学硕士学位论文第三章路基施工扬尘排放因子的确定无组织排放是指在生产过程中无密闭设备或设备不完整，无排气筒或烟囱，污染物通过门窗、露天作业场所或废弃物堆放场所以一个不限制的流量排向大气的过程。道路路基施工活动就是一类无组织扬尘污染源，它具有很高的排放潜能，可以在短时间内严重地影响当地的空气质量。路基施工扬尘排放量与施工操作水平、施工阶段、污染控制程度，以及气象条件有着密切关裂611。估算无组织污染源的排放量通常比较困难，一般方法有现场实测法和排放因子法两种。采用现场实测法获得施工全过程的排放量需要大量的人力物力和较长的时间，属于后评估法；排放因子法是利用推荐的排放因子进行计算，排放因子是在大量现场实测基础上获得的某一类排放源排放的长期平均水平。对于道路路基工程这类建筑施工活动的无组织排放，排放因子法计算排放量比现场实测法简单易行。但是，道路路基工程的施工对于利用排放因子法估算扬尘排放量来说也是一个十分复杂、纷乱的过程，这主要表现在时间和空间两个方面：在时间上，同一段路基工程的完成包括施工工艺各不同的几个流程，比如土方路堤的操作程序为取土——运输——推土机初平——平地机整平——压路机碾压；而在空间上，一定范围的施工现场内(比如一段路基的施工)，也会同时存在着不同的污染源以不同的方式向大气中排放扬尘，例如铲运机的装卸、整平机械的作用、运输车辆的通行以及自然风力的侵蚀等。因此，路基施工扬尘的排放量估算受时间和空间的综合作用影响，无法利用常规的各尘源排放量或各操作阶段扬尘排放量简单相加的模式来获得。本文以美国环保局在AP一42种推荐的建筑施工“单元操作”排放因子法为基础，结合工程中各操作单元扬尘排放特点，研究道路路基施工各种扬尘源排放量的计算方法，并通过统计分析施工现场各尘源的分布情况，估算出整个路基施工过程中的扬尘排放量。本文研究的方法有利于了解道路路基工程中每个单元操作的扬尘污染排放特征和排放量，为环保部门提供路基施工场地扬尘污染的排放清单，也为正确地估算扬尘的污染程度并制定有效的、适合当地技术经19 山东大学硕士学位论文济条件的扬尘污染防治措施提供技术方法。3．1路基工程扬尘排放操作单元划分在路基施工期间，每个施工阶段的施工周期、施工工具、施工工艺都不一样，扬尘污染的排放特征也不一样。“单元操作”法就是考虑到工程建设的这个特点，把施工过程分解成若干个操作单元或施工阶段，研究每一个单元或阶段的污染物排放量。道路土方路基工程(以路堤为例)的填筑一般采用常规的四区段八流程水平分层法施i162】。水平分层填筑是指在一个填筑区内按路基横断面全宽纵向分层填筑。四区段按时间顺序分为：填土区段、平整区段、碾压区段和检测区段。施工的八流程按时问顺序分为：施工准备测量放线、基底处理、分层填筑、铺摊平整、碾压、检验鉴证、路面整修和边坡整修。各区段对应的流程见图3．1。20图3．1基床以下路堤填筑施工工艺流程图 山东大学硕士学位论文按照“单元操作”的方法确定路基施工工地扬尘排放源时，要尽可能考虑所有排放点，但由于施工现场扬尘污染来源广泛而不可穷尽，故不可能把所有的扬尘来源全部列入排放清单中来研究，并且有的扬尘源排放量很小，与主要污染源相比可以忽略不计。根据对路基工程施工现场扬尘污染排放源及排放方式的调查，扬尘污染主要来源于以下3个操作单元：施工机械作用、运输车辆的通行和风蚀作用。每个操作单元又可以细分为若干予单元，见表3．1。表3．1路基施工扬尘排放操作单元划分操作单元扬尘排放子单元施工机械主要来源于土料的装载、卸载过程车辆通行主要是车辆在已筑路段、施上便道、公用道路的通行风蚀作用主要包括料场、已筑路段、施工便道、公用道路及车辆运料途中的风蚀3．2路基施工扬尘排放因子的确定排放因子【63】是用于定量估算某类污染源污染物排放量平均水平的代表性值，指单位质量、单位体积、单位长度或单位活动时间内排放的污染物的量，可定量表述污染物的排放和污染情况，是建立污染物排放活动水平和污染物排放量关系的因素。上述几个单元操作在美国AP一42中已有各自的排放因子模型，但这些排放因子模型是以美国建筑施工现场为准、经过大量检测和试验得出的经验性公式，有的并不适合我国的施工现场情况，且有些排放因子的确定考虑的影响因素尚不全面，需要进一步完善。本文就道路土方路堤工程的施工来讨论各操作单元中扬尘污染的排放。3．2．1土料装卸操作扬尘排放因子由于道路路基工程填筑土料的装卸操作和建筑拆除时材料倾倒操作相类似，都是将材料从某一高度处批量倾倒，扬尘排放的方式相同，故扬尘在装卸操作单元排放的因子可参考建筑拆除时材料倾倒排放因子的模式。美国环保局EPA在建筑拆除工程中采取的材料批量或连续倾倒排放因子公式为：2l 山东大学硕士学位论文F口一⋯6一等高等㈦·，式中：Er拆除时的颗粒物排放因子，kg／t；k——颗粒物粒径系数(无量纲系数)，TSP取0．74、PMl0取0．35、PM2．5取0．11；U——平均风速，m／s，默认值2．2m／s；M——建筑废渣的含水量，％，默认值2％。上述模型表示每拆除、倾倒lt建筑废渣所排放的颗粒物质量，在应用于路基施工扬尘排放装卸操作单元时，还需要做以下改动：①应考虑土料装卸时倾倒高度对扬尘排放的影响。在装载土方填料时，当大量土料被倾倒至运输车辆上，空气湍流会引起车厢内尘埃及残留土料颗粒的播扬，大量土方填料倾倒向下运动时会置换出车厢内的空气，这股抬升的气流会使本来存在于运输车辆车厢里的尘埃、土料颗粒和被装载的堆状土方填料表面上的土颗粒一并被抬升。同样，在卸载路基土方填料时，大量土料的倾倒降落也会产生空气湍流而引起尘埃、地基或下层填筑土料颗粒的播扬。因此，倾倒高度的变化也会对空气湍流产生一定影响，增加倾倒高度会使空气湍流加速，进而增加排放量。式(3．1)未把装载和卸载路基土方填料时的倾倒高度作为一个影响参数，所以应在式(3．1)的基础上乘以高度系数H。已有研究中【641，拆除工程楼房取H=3，平房取H=2，根据路基施工现场调查情况，机械装卸土料时所达到的高度通常在2～3m，与一般平房高度相当，故本文取装卸操作高度系数H=2。②应将颗粒物粒径系数k的取值作适当调整。倾倒过程产生的扬尘中，TSP、PMl0和PM2．5的含量及比例除了受风速、含水率的影响，还与倾倒材料表面上起尘颗粒的粒径分布密切相关。本研究中的道路路基工程填筑土料与建筑拆除工程中的建筑废渣材料在组成成分、理化性质上都有很大差别：土方路基填料主要由不同粒径的土颗粒组成，装卸时产生的扬尘以土方表面的细小土颗粒为主；建筑废渣主要由水泥混凝土、砖、石等组成，倾倒时产生的扬尘多以废渣表面破碎后的粉末为主。因此，将式(3．1)应用于路基施工装卸操作单元时，应通过调查、检测等方式分析土方路基填料和建筑废渣表面起尘颗粒物 山东大学硕士学位论文的粒径组成，确定出路基工程中本操作单元扬尘排放因子的颗粒物(TSP、PMIO、PM2．5)粒径系数k。③应将土料装卸单元操作排放因子的单位由kg／t转换为g／m3。在路基施工过程中，填筑土料一般以土方量按m3为单位计量，而不是直接以土料的质量为单位来组织施工。故由公式：质量m=密度p×体积V，可将式(3．1)乘上土方的密度P(单位：t／m3)来实现土料装卸单元扬尘排放因子单位由k／t向kg／rn3的转换，即表示每倾倒lm3填筑土料所排放的颗粒物质量。通常，每单位土方(1m3)的土料在装卸操作单元的扬尘排放量都在100～102g之间，因此将式(3．1)中主要表示数量级的系数0．0016改为1．6，将排放因子单At立kg／m3划为g／m3。综合上述3点修正，扬尘在装卸操作单元的排放因子公式可改写成如下形式：F口“6mp⋯筹@2)式中：Er土料装卸单元扬尘颗粒物的排放因子，g／m3；k——路基填筑土料颗粒物粒径系数，无量纲，TSP取0．75、PMl0取0．40、PM2．5取0．16；P——路基填筑土方的密度，t／m3；H——土料装卸时的高度系数，无量纲，取H=2；U——施工期间平均风速，m／s；M一填筑土料的含水量，％。3．2．2车辆运输扬尘排放因子路基施工现场供运输车辆通行道路的状况主要分为3种情况：为施工车辆行驶提供方便的施工便道和己筑路基、可供施工车辆和社会车辆行驶的公用非铺装道路(土路)、可供施工车辆和社会车辆行驶的公用铺装道路。由于这3种通行道路的路面情况和使用对象不同，因而它们在车辆通行时所产生扬尘的情况也有会所不同。2003年美国环保局在AP一42中对道路排放因子作了新的阐述，将道路分为 山东大学硕士学位论文铺装道路和未铺装道路两种类型，其中未铺装道路又分为工业区和公共区道路，并分别给出了相应的交通扬尘排放因子公式。本文根据路基施工现场3种道路的使用特点，分别选取不同的扬尘排放因子模型。3．2．2．1施工便道和已筑路基路段扬尘排放因子为方便施工而修筑的施工便道通常采用土方或建筑垃圾来填筑，其路面干燥多尘，施工车辆来往密集，且不限制社会车辆通行，是产生扬尘的重要来源。并且，随着施工进度的进行，已筑路基路段亦可作为行驶通道供运输车辆通行。由于施工便道和已筑路基土料水分的蒸发，表面逐渐干燥，细小粉尘颗粒便会在轮胎摩擦、剪切等作用的带动下启扬。依据现场情况和经验，本操作单元扬尘排放主要受路基表面粉土含量和运输车辆载重的影响，表面粉土含量越多、车辆载重越大，则产生扬尘越严重。在施工便道和已筑路基上行驶的车辆，受路面坑洼不平的影响以及新筑路基本身强度和平整度的要求，行驶速度通常较慢，故车辆速度在本操作单元扬尘排放中影响较小，可不作为主要影响因素进行考虑。因此，选择AP一42中在工业区非铺装路段采用的模型来计算运输车辆在施工便道和已筑路基路段上行驶时交通扬尘的排放因子，经验公式如下：E6=k·(S／12)a·(W／3)6(3．3)式中：Er工地现场车辆运输排放因子，1b／vMT；k——颗粒物粒径系数，1b／VMT，TSP取4．9、PMl0取1．5、PM2．5取0．23；a——经验常数，TSP取0．7、PMlO取0．9、PM2．5取0．9；b——经验常数，TSP、PMl0、PM2．5均取O．45；8——路面粉土含量，％；W—一运输车辆重量，短吨。①在应用上式计算排放因子时，应将英美制单位换算为国际制单位。排放因子Eb表示每辆车行驶单位长度路程所排放颗粒物的质量：lb是重量单位磅的简写，VMT(Vehicle．MilesofTravel)是车辆行驶里程单位(英里)。1磅(1b)=0．4536千克(埏)，1VMT(英里：mile)=1．6093Vl汀(千米：km)，故有llb／VMT=0．2819kg／VKT=281．9g／VKT；l短吨(sh．ton)=2000磅(1b)=O．907吨，式(3．3)只需将颗粒物粒径系数k的单位1b／VMT改换为g／vKT，将24 山东大学硕士学位论文运输车辆重量单位短吨换算为吨即可。将上述数量关系代入式(3．3)中可得：E．=k．(s／l2)a．(0．907W／3)仉45=0．584．k．(s／l2)a．W。．45(3·4)式中：Eb——施工便道及已筑路基车辆运输排放因子，g／VKT；k——颗粒物粒径系数，g／VKT，TSP取1381、PMl0取423、PM2．5取65；W～运输车辆的重量，t；S——含义和取值不变。②还应注意的是，因车辆满载和空载时重量差别较大，对结果影响也较大，所以本单元操作应将运输车辆送料和返回料场分别计算。3．2．2．2公用非铺装道路扬尘排放因子在路基施工现场及周围还存在有不少供公共车辆行驶的非铺装道路，通常为较平整但表面干燥、粉尘含量较多的土路，即公用非铺装道路，车辆行驶时能达到一定的速度。这种道路的扬尘排放出了受路面本身粉尘状况的影响，还会受到车辆行驶速度的影响。本文选取2006年更新的AP．42中提供的在公共非铺装道路上采用的模型来计算车辆在施工便道上行驶时交通扬尘的排放因子，公式如下：p七．(S／l2)a．(．5’／30)d一丘c2——弋艿百可_一乙(3·5)。(∥／O．5)。uJ7式中：E。——公共非铺装道路扬尘排放因子，lb／VMT；k——颗粒物粒径系数，lb／VMT，TSP取6、PMl0取1．8、PM2．5取0．27；a——经验常数，TSP、PMl0、PM2．5均取l；c——经验常数，TSP取0．3、PMl0取0．2、PM2．5取0．2；d——经验常数，TSP取0．3、PMl0取0．5、PM2．5取0．5；s——路面尘中粉土含量，％；M——路面尘土含水率，％；S——车辆速度，mph；C——1980s车辆行驶时尾气排放、制动和轮胎磨擦的排放因子，lb／VMT，TSP取0．00047、PMl0取0．00047、PM2．5取0．00036。在应用上式计算施工便道扬尘排放因子时，还应注意以下两点： 山东大学硕士学位论文①单位换算。式(3．5)中均采用的是英美制单位，需要换算成国际制单位以方便使用。式(3．5)只需将系数k和C的单位改换为g／VKT，便可实现排放因子单位的转换。由llb／VMT=0．2819kg／VKT=281．9g／VKT，另外，运输车辆速度单位mph(英里／小时)与国际单位km／h的换算关系为：1mph=1．6093km／h。将上述数量关系代入式(3．5)中可得：口k·S·(0．0536S)d．丘c21i面7矿一C(3．6)。12．(∥／O．5)。¨内，式中：E。——公用非铺装道路扬尘排放因子，g／VKT，表示每辆车行驶lkm所排放扬尘颗粒物的质量；k——颗粒物粒径系数，g／VKT，TSP取1691、PMl0取507、PM2．5取76；S——车辆速度，km／h；C——1980s车辆行驶时尾气排放、制动和轮胎磨擦的排放因子，g／VKT，TSP取0．132、PMl0取0．132、PM2．5取0．101。c、d、s、M一含义和取值不变。②当估算整个施工场地扬尘排放量时，若将汽车尾气排放考虑在内，则上式中无需减掉车辆行驶时尾气排放、制动和轮胎磨擦的排放因子C。3．2．2．3公用铺装道路扬尘排放因子在某些路段的路基施工现场或其附近，还会有铺装的社会公用道路。车辆通过干燥的铺装道路时，由于车轮与路面的摩擦作用以及车辆形成的气流的作用，会导致路面残留颗粒物的二次悬浮形成扬尘。1993年美国环保局根据铺装道路尘负荷(单位面积道路上能够通过200目标准筛的颗粒物的质量)和车辆的平均重量建立了AP．42交通扬尘排放模型【651，根据路面尘负荷、平均车重和车流量可以计算道路交通扬尘排放量。铺装道路交通扬尘的排放因子模型为：Ee=后㈡0’65㈧5一f㈦7，式中：Er_铺装道路排放因子，lb／VMTlilJg(km·辆)；k——颗粒物粒径系数，1b／VMT，TSP取0．082、PMl0取0．016、PM2．5取0．0024： 山东大学硕士学位论文sL——道路表面粉土(尘)负荷，g／m2；W——通过道路的车辆的平均重量，短吨；C——1980s车辆行驶时尾气、刹车和轮胎磨擦的排放因子，lb／VMT．TSP取0．00047、PM10取0．00047、PM2．5取0．00036。①将单位化为国际单位制，则上式改写如下：小五．㈡仉65．(半)1．5-f(3．8)=O．106．k．(sL)o·65．∥1-5一f式中：EP——铺装道路排放因子，g／VKT：k——颗粒物粒径系数，g／VKT，TSP取24、PMl0取4．6、PM2．5取0．66：sI一道路表面粉土(尘)负荷，g／m2；W——通过道路的车辆的平均重量，t；C——1980s车辆行驶时尾气、刹车和轮胎磨擦的排放因子，lb／VMT，TSP取0．132、PMl0取0．132、PM2．5取0．101。②当将汽车尾气排放作为整个施工场地扬尘排放量估算的一部分时，则上式中无需减掉车辆行驶时尾气排放、制动和轮胎磨擦的排放因子C。表3．2车辆运输扬尘排放因子计算模型汇总施工便道、已筑路基公用非铺装道路公用铺装道路TSP磊=141．638·∥7·胪循卿f·㈢3J，-弓=2．544．(鲫憾·∥石PMlOE，=26．393·sO．‘·妒“弩E：8．515‘S‘萨弓=0．488．(目嘶．∥j。矿2PM2．5E：4．056．so9．俨45乓=L车拶5弓=0．070．(目嘶·矿石D3．2．3风蚀扬尘排放因子路基工程施工现场及其附近存在有大面积裸露的地表土，当风速大于土料27 山东大学硕士学位论文或堆积颗粒物的临界摩擦风速时，表面细小颗粒物就会在外界扰动下克服颗粒问凝结力的束缚而启尘。路基施工现场可发生风蚀扬尘的表面主要包括以下几种情况：取土场裸露表土风蚀扬尘、已筑路基及施工便道路表尘土风蚀扬尘、运输车辆运料过程中所载土料风蚀扬尘。路基施工期间土料堆及裸露地面产生的无组织风蚀扬尘可参考U．S．EPA提供的一个风蚀扬尘排放因子模型，该模型是由美国环保局根据大量实际监测得到的经验性统计结果，公式为：岛=1．9×10。4k(s／1．5)[(365一尸)／2351(f／15)(3．9)式中：E、r风蚀扬尘排放因子，以施工场地面积计算，kg／(m2-d)；k——颗粒物粒径系数，无量纲，TSP取1．0，PMl0取0．5，PM2．5取0．2；S——砂石土物料的粉土含量，％；P——一年中降水量大于0．254mm的天数；f——风速大于5．4m／s的时间占全年的百分比，％。上式中的排放因子Ew表示每一天每m2露天扬尘源排放颗粒物的质量。使用该式时应注意以下两点：①因取土场、已筑路基、施工便道、运输车辆所载土料的风蚀扬尘的区别主要取决于暴露在空气中表层材料的粉土含量，故本单元操作扬尘排放因子可根据各砂石土物料粉土含量的不同来分别计算。②风蚀扬尘的排放通常在时问上表现差别不明显，即同种材料在白天和晚上的风蚀扬尘量只与气象条件有关，故为方便使用，本研究中排放因子的单位可根据需要换算为g／(m2-h)。另外，风蚀扬尘排放量和拆除工程施工时间长短有关，相应的应将一年中降水量大于0．254mm的天数P改为施工期降水量大于0．254mm的小时数，傲为施工期风速大于5．4m／s的时间占总施工期的百分比。单位换算后的公式如下：名=2．277×10一·k·s·，·(24Po一尸)／名(3．10)式中：E旷一风蚀扬尘排放因子，g／(m2-h)；P——施工期间降水量大于0．254mm的小时数；Po——施工期天数；f——风速大于5．4m／s的时间占施工期的百分比，％。 山东大学硕士学位论文k、S——含义和取值不变。3．3路基施工扬尘排放量的确定本文根据路基施工过程中扬尘颗粒物的主要排放来源和特点，将路基工程施工分为填筑过程、压实过程和放置过程3个阶段。填筑阶段主要在土料装卸及运输车辆交通量上与压实和放置阶段差别较大，且填筑过程中允许运输车辆在上面行驶；而压实阶段与放置阶段的区别则主要在于路面(特别是已筑路基)表层粉土含量的不同，压实阶段中考虑压路机在已筑路基上的作用，但由于压实过程中路基含水量控制比较严格，整个路面比较潮湿，车辆和风蚀作用产生扬尘的量很少。各个阶段的扬尘的主要来源、排放源的情况不同，导致每个阶段扬尘排放量的计算方式和结果也不相同。路基工程各阶段产生扬尘污染的主要操作单元见表3．3。表3．3路基工程各阶段扬尘主要排放源＼车辆运输风蚀扬尘＼学元土料＼已筑施工公用己筑施工公用运输车阶段＼装卸取土场＼路基便道道路路基便道道路载土料填筑√、，√、，√压实√、，放置√根据各操作单元扬尘排放因子所表示的意义，各阶段施工过程中扬尘颗粒物的排放量计算可统一为如下形式：q=∑％·％+∑％·％·％+∑％·％·乞(3．11)式中：Ql——扬尘颗粒物的排放量，g5ED、ET、Er分别为土料装卸、车辆运输、风蚀扬尘的排放因子，单位分别为g／rn3、g／VKT、g／(m2．h)；i——车辆运输单元道路状况，已筑路基i=l、施工便道i=2、公用非铺装道路i=3、公用铺装道路i=4； 山东大学硕士学位论文j——风蚀扬尘单元表面分类，已筑路基j=l、施工便道j=2、公用非铺装道路j=3、公用铺装道路j=4、取土场j=5、运输车载土料j=6；VD——装、卸土方量，m3；LT——车辆平均运输总路程，km；NT——运输车辆总数，辆；Sw——暴露于空气中的总面积，m2；t——暴露于空气中的时间，h。所以，路基填筑过程中扬尘排放量按下式(3．12)计算：q=∑乞·％+路基压实过程中扬尘排放量按下式(3．13)计算：(3．12)45Q=∑％·％·％+∑％·s,j·0(3．13)f-1j=1路基放置过程中扬尘排放量按下式(3．14)计算：4503=∑Eri．Lrf．Nri+∑E∥S∥tj，=2_，=l整个路基工程施工扬尘总排放量即为：9=q+皱+铱3．4小结(3．14)(3．15)本章对路基施工过程中的排放因子的确定进行了分析研究，得出以下结论：1．通过分析道路路基工程各阶段施工扬尘排放特点，将路基施工划分为土料装卸、车辆运输(包括已筑路基、施工便道、公共铺装／非铺装道路)、风蚀扬尘(包括已筑路基、施工便道、公共铺装／非铺装道路、取土场和运输车载土料)3个操作单元。2．以AP．42中推荐的建筑施工“单元操作”排放因子法为基础，提出路基施工各子操作单元扬尘源排放因子的计算方法：(1)装卸操作单元扬尘排放因子：手，斯％。∑岗+以‰％。∑Ⅲ 山东大学硕士学位论文F口=·．6·七·p·∥·￡等万二筹c3．2)式中：Er土料装卸单元扬尘颗粒物的排放因子，g／m3；k——路基填筑土料颗粒物粒径系数；P——路基填筑土方的密度，t／m3；H——土料装卸时的高度系数，无量纲，取H=2；U——施工期间平均风速，m／s：M一填筑土料的含水量，％。(2)车辆运输扬尘排放因子①施工便道及已筑路基车辆运输扬尘排放因子：F，，=0．584．七．(s／12)a．J|jf，o·45(3．4)式中：Eb——施工便道及已筑路基车辆运输排放因子，g／VKT；k——颗粒物粒径系数，g／VKT；W一运输车辆的重量，t；s——路面尘中粉土含量，％。②公用非铺装道路扬尘排放因子：。后·S·(0．0536Sd—cc一—西2■而—／百0矿5一L(3．6)c1．(肜．)c¨固，式中：E。——公用非铺装道路扬尘排放因子，g／VKT；k——颗粒物粒径系数，g／VKT；S——车辆速度，km／h；C——1980s车辆行驶时尾气排放、制动和轮胎磨擦的排放因子，g／VKT；C、d——经验常数；s——路面尘中粉土含量，％；M——路面尘土含水率，％；③铺装道路扬尘排放因子：EP=0．1O6·后．(sL)o·65．J|jf，1．v—f(3．8)式中：EP——铺装道路排放因子，g／VKT； 山东大学硕士学位论文k——颗粒物粒径系数，g／VKT；sI一道路表面粉土(尘)负荷，g／m2；W——通过道路的车辆的平均重量，t；C——1980s车辆行驶时尾气、刹车和轮胎磨擦的排放因子，1b／VMT。(3)风蚀扬尘排放因子：磊=2．277×10r5·k·s·f·(24Po一尸)／名(3．10)式中：Er风蚀扬尘排放因子，g／(m2·”；P——施工期间降水量大于0．254mm的小时数；Po——施工期天数；f——风速大于5．4m／s的时间占施工期的百分比，％。k——颗粒物粒径系数，无量纲；S——砂石土物料的粉土含量，％；3．根据路基施工过程中扬尘颗粒物的主要排放来源和特点，将路基工程施工分为填筑过程、压实过程和放置过程3个阶段，总结了各阶段扬尘排放量估算方法：46(1)填筑过程：q=∑易·％+E％·Lr,·％+∑％·毛·0(3．12)4(2)压实过程：Q=∑％，=l(3)放置过程：(3．14)式中：Ql——扬尘颗粒物的排放量，g；ED、ET、Er分别为土料装卸、车辆运输、风蚀扬尘的排放因子，单位分别为g／m3、g／VKT、g／(m2·h)；i——车辆运输单元道路状况，已筑路基i=l、施工便道i=2、公用非铺装道路i=3、公用铺装道路i=4；j——风蚀扬尘单元表面分类，己筑路基j=l、施工便道j=2、公用非铺装道路j=3、公用铺装道路j=4、取土场j=5、运输车载土料j=6；VD——装、卸土方量，m3；32B㈦六J％。∑同+％六，勋％。∑岗+¨J以匀 山东大学硕士学位论文LT——车辆平均运输总路程，km；NT——运输车辆总数，辆；Sw——暴露于空气中的总面积，m2；t——暴露于空气中的时间，h。33 山东大学硕士学位论文第四章路基施工扬尘的扩散路基施工扬尘从污染源排放到大气中的传输和扩散过程，与污染源本身特性、气象条件、地面特征和周围地区建筑物分布等因素皆有密切关系。特别是与气象条件的关系更为密切，随着风向、风速、大气湍流运动、气温垂直分布及大气稳定度等气象因素的变化，扬尘颗粒污染物在大气中的扩散稀释情况千差万别，所造成的污染程度有很大不同。因此，充分了解大气的运动特征并预测大气对污染物的扩散和稀释规律，对有效控制路基施工扬尘污染具有重要意义。4．1扬尘在大气中的扩散特征地球表面环绕着一层很厚的气体，称为环境大气或地球大气，简称大气。大气势自然环境的重要组成部分，是人类及生物赖以生存的必不可少的物质，也是各种排放到大气中的颗粒污染物传输、扩散的重要介质。4．1．1大气圈结构及边界层大气的运动特征自然地理学将受地心引力而随地球旋转的大气层成为大气圈。在大气物理学和污染气象学研究中，常把大气圈的上界定为1200"--"1400km，并根据大气温度在垂直于下挚面(即地球表面)方向上分布情况，将大气圈由地表向外分为五层：对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层。大气污染物的迁移扩散和稀释主要在对流层进行。对流层是最接近地面的一层大气，其上界由于对流程度不同而随纬度和季节变化：赤道地区最高(约15～17km)，中纬度地区约10～12km，两极最低(约8"--"9km)；暖季大于冷季。对流层的主要特点是：①对流层厚度比其他层小得多，但却集中了整个大气质量的3／4和几乎全部的水分，云、雾、雨、雪等主要天气现象都发生在这一层中，它是天气变化最复杂、对人类活动影响最大的一层；②大气温度随高度增加而降低，平均每升高lOOm降温约0．65*(2；③空气具有强烈的对流运动，主要是由于下垫面受热不均及其本身特性不同造成的；④温度和湿度的水平分布34 山东大学硕士学位论文不均匀，经常发生大规模空气的水平运动。对流层下层(地面至1～2km处)的大气，受地面阻滞和摩擦的影响很大，称为摩擦层。它的厚度比整个大气层小得多，气流具有边界层的性质，故又成为大气边界层。边界层内风向、风速和气温随高度而变化，空气的运动总表现为湍流形式。其中从地面到50～100m的部分又称近地层或下部摩擦层，因受地表面影响大，大气湍流强烈，在垂直方向上热量和动量的交换甚微，上下气温之差可达l～2℃。近地层以上的气流受地面摩擦的影响越来越小，湍流强度逐渐减弱。大气边界层以上的气流几乎不受地面摩擦的影响，故称为自由大气层。几乎所有场合污染物质的扩散都是在大气边界层中进行的。在大气边界层中，由于受地面冷热的直接影响，所以气温的同变化很明显，特别是近地层，昼夜可相差几十度。由于气流运动受地面摩擦的影响，故风速随高度的增高而增大。在这一层中，大气上下有规则的对流和无规则的湍流运动都比较盛行，加上水汽充足，直接影响着大气污染物的迁移、扩散和转化【66|。4．1．2扬尘在大气中的扩散过程排放到大气中的污染物质随风输送和扩散，侵袭到近地面层，当其浓度超过所能容许的水平或是高于环境标准值的时候，就发生了污染。随着污染源的位置、高度、排放方法等排放条件，与扩散有关的气象条件和大气结构的不同，污染物的扩散过程(包括层流、湍流扩散、沉降、降雨清洗、光化学反应等过程)也会有很大的变化。影响大气污染物质输送和扩散的主要因素是污染源条件和气象要素。直接影响大气污染物输送扩散的气象要素是空气的流动特征——风和湍流，而垂直气温分布又在很大程度上制约着风场和湍流结构。因此，在众多的气象要素中与大气污染最密切的是风向、风速、湍流强度、垂直温度梯度和混合层(载有同照时由于产生对流而能较好地混合的边界层下部)高度等：风向规定了污染的方位，风速表征了大气污染物的输送速率，风速梯度又与湍流脉动密切相关，湍流强度显示了大气的扩散能力，混合层高度决定了污染物扩散的空间大小。对于道路路基工程来说，施工扬尘形成的风沙边界层是空气和沙尘粒子运35 山东大学硕士学位论文动组成的二相流，或称风沙流。在风沙边界层内，粒子的运动形态比较复杂。较大较重的粒子(沙土，粒径d为70"---500pm)主要做蠕动和跃移运动，并造成连锁反应，粒子还可能破碎；而较小较轻的粒子(尘土或粉尘，d<70pm)可在空气中悬浮，主要做布朗运动【671。沙尘粒子在空气中受到自身的重力、流体力学阻力(包括粘性阻力)、因在流体中自旋而有的Mafnus力和Saffman力、以及粒子间和粒子与空气分子微团相碰撞的作用力(甚至还有与别的液态粒子的碰撞)f68】【69】。理论分析表明【701，沙尘从地表起跳或起飞的初速不大，一般是d>70gm的粒子(尘土)只能到达1．5m高度。由此得到风沙边界层的厚度约为1．5m或稍高一些，总结见图4．1。研究还指出，如果在大气边界层底层没有足够的上升气流，当地的起沙只能积聚在很薄的一层空气中，并作布朗扩散或湍涡扩散，不可能上达大气边界层中上层⋯。蠕动Creepp∞0pm)扰动既移Modifiedsal饿"ios(70,,100itm)图4．1沙尘的运动和传输过程172I4．2大气湍流扩散的基本理论4．2．1湍流的概念影响扬尘颗粒污染物扩散的最直接因子是大气的无规则运动，即大气湍流。风速的脉动(或涨落)和风向的摆动就是湍流作用的结果。按照湍流形成原因 山东大学硕士学位论文可分为两种湍流：一是由于垂直方向温度分布不均匀引起的热力湍流，其强度主要取决于大气稳定度；二是由于垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度引起的机械湍流，其强度主要取决于风速梯度和地面粗糙度。实际的湍流是上述两种湍流的叠加。湍流有极强的扩散能力，比分子扩散快105～106倍。但在风场运动的主风方向上，由于平均风速比脉动风速大得多，所以在主风方向上风的平流输送作用是主要的。归结起来，风速越大，湍流越强，污染物的扩散速度越快，污染物的浓度就越低。风和湍流是决定污染物在大气中扩散稀释的最直接最本质的因素，其他一切气象因素都是通过风和湍流的作用来影响扩散稀释的。4．2．2湍流扩散理论目前，研究污染物在大气中的输送和扩散过程有3种基本理论：湍流统计理论、梯度输送理论和相似理论。4．2．2．1湍流统计理论该理论认为，在充分发展的湍流中，速度和其他特征量都是时间和空间的随机量，即湍流运动具有高度随机性，也就是说，个别微团(粒子)的运动极不规则，但对大量的微团的运动却具有一定的统计规律。湍流统计理论就是从研究湍流脉动场的统计性质出发，描述流场中扩散物质的散布规律，它是从研究个别流体微团(粒子)的运动历史入手，并据此确定代表扩散的各种统计性质。泰勒首先应用统计学方法研究湍流扩散问题，提出了著名的泰勒公式。图4．2表示从污染源排放出的粒子，在风沿X方向吹的湍流大气中扩散的情况。假定大气湍流场是均匀、定常的，从原点放出的一个粒子的位置用Y表示，则Y随时间而变化，但其平均值为零。如果从原点排放出很多粒子，则在X轴上粒子的浓度最高，浓度分布以X轴为对称轴，并符合正态分布。萨顿首先应用泰勒公式，提出了解决污染物在大气中扩散的实用模式。高斯在大量实测资料分析的基础上，应用湍流统计理论得到了正态分布假设下的扩散模式，即高斯模式，这也是目前应用较广的模式。37 山东大学硕士学位论文0图4．2由湍流引起的扩散4．2．2．2梯度输送理论梯度输送理论源于分子过程的模拟，把无规则的湍涡运动看作像分子热运动那样，以与分子运动过程相同的方式来完成对流场中各种属性的交换和输送，且认为由大气湍流引起的某物质的扩散可用分子扩散方程描述。该理论的研究方法是讨论空间固定点上由于大气湍流运动而引起的质量(污染物浓度)通量，并假定空间某点污染物的湍流扩散通量讵比于该点污染物浓度梯度，其比例系数为湍流扩散系数K，因而梯度输送理论又称K．理论【73】。但是，近地层大气流场的性质十分复杂，远非简单的线性关系所能说明，在不同问题中，K值可以差得很大，限制了该理论对实际应用的普遍指导意义，目前在区域性较大尺度的大气输送与扩散沉积问题处理领域的应用还占有一定地位。4⋯223相似理论湍流扩散相似理论是在量纲分析基础上发展起来的，其基本原理是关于拉格朗R相似性假设，即假设在近地面层，流体质点的统计特性完全可以用确定欧拉特性的参数来确定，并通过分析得出表征流场欧式性质的参量摩擦速度和莫宁．奥波霍夫长度(系统里和热力联合效应)，用来描述粒子的扩散。迄今，由于多变数量纲分析的复杂性和不确切性，通过相似理论得出的一度 山东大学硕士学位论文些扩散问题的解仅在近地面层小尺度的垂直扩散中得以应用，也就是说，扩散层的厚度多限制在近地层内，即限制在湍流粘滞力等于常数的薄层内，其厚度仅几十米。4．3路基工程各类排放源扬尘扩散模式高斯扩散模式是目前适用性较强、应用最普遍的大气扩散模式，也是许多实用模式中扩散公式的基础。高斯扩散模式适用于均一的大气条件，以及地面开阔平坦的地区，从点源的扩散模式出发，进而研究线源、面源、体源以及瞬时源和连续源、地面源和高架源的污染物扩散，估算实际污染物浓度的分布。因此，本文选用高斯扩散模式来研究路基工程中各操作单元不同种类排放源扬尘的传输与扩散。4．3．1高斯扩散基本模式4．3．1．1坐标系—，(x，-y，z)O)图4．3高斯扩散模式的坐标系高斯模式的坐标系如图4．3所示，其原点为排放点(无界点源或地面源)或高架源排放点在地面的投影点，x轴正向为平均风向，Y轴在水平面上垂直于X轴，正向在x轴的左侧，Z轴垂直于水平面xoy，向上为正向，即为右手坐标系。在这种坐标系当中，污染物扩散的中心线或与X轴重合，或在xoy面的投影为x轴。4．3．1．2假设条件39 山东大学硕士学位论文大量的实验和理论研究证明，特别是对于连续源的污染物排放，其浓度分布符合正态分布。因此，高斯扩散模式有以下4个假设条件：①污染物的浓度在Y、z轴上都符合正态分布(高斯分布)；②在整个扩散空间中，风速是均匀不变的；③污染源的源强是连续的、均匀的；④污染物在扩散过程中的质量是不变的，即污染物到达地面全部反射，不发生沉降和化学反应。4⋯313基本模式高斯扩散的基本模式是在无界点源条件下建立并导出的，它假设排放源位于无界空间，不考虑地面的存在及其影响。由于污染物浓度在Y、Z轴方向上对称并符合正态分布，故可令下风向任一点(x，Y，z)的污染物平均浓度分布形如：c(x，Y，z)=A(x)．--a．V2P砌‘(4．1)式中：e(x，Y，z)为任一点处污染物的浓度，∥m3；A(x)为待定函数；a、b为待定系数。由概率统计理论可写出方差的表达式：夸皆，咯晕≥㈠2，式中：G”oz为污染物在Y、z方向分布的标准差，即大气扩散参数(米)。由假定④污染物在扩散过程中质量守恒，则运用质量连续性条件，在源的下风方向任意垂直面上污染物的总通量应等于排放源强，故可得源强的积分式：p口=￡E—U·c(Ⅳ，y，z)dydz(4．3)式中：QD——点源源强，∥s，可测量或由排放因子计算得到：n——平均风速，m／s，可现场监测。将式(4．1)代入式(4-2)中积分可得：1，1a2可，62矿‘4．4) 山东大学硕士学位论文再将式(4．1)和式(4—4)代入式(4—3)中积分可得：彳(z)：-生(4．5)ZA‘uor0z最后，将式(4-4)和式(4-5)代入式(4．1)中，可得无界情形下连续点源高斯扩散公式：出∽加南唧H号+圳∽6)4．3．2路基工程扬尘污染中的点源扩散在道路路基工程各操作单元的扬尘污染排放当中，由于运输车辆在取土场装载土料时，其活动范围较小且取土过程相对连续，故可将该操作单元的扬尘排放近似作为点源来研究污染物的扩散。但是实际情况由于地面的存在，污染物的散布是有界的，故在研究扩散时须考虑地面的影响，且因地面及其覆盖物的差异很大，对空气污染物散布的影响也十分复杂。土料装载时点源的排放高度H可取倾倒时施工作业机械的最大离地高度。因此，土料装载操作单元扬尘污染排放的扩散模式可采用有界高架连续点源在正态分布假设下的高斯扩散模式。根据高斯模式的假没，可将地面对污染物散布的作用看作一个全反射体，故可用“像源法”来研究离地高度为H的连续点源的扩散情况，其处理方法示意图见图4．4。UZJ2．／二二—，，／／，—一实源扩散：实源(0，0，H)。＼弋：：：j。二二二二二：：：：：：～·P‘⋯’、z=O么．二≥≥》叶P，(一z)7，●像源，轴X(。，。，‘H)、、、’～’-～-一．．～．．．．．．．．．一．一．．．．像源扩散]E轴图4．4高斯扩散模式像源法处理示意图由上图，可参照基本模式(4—6)并分别以实源、像源为原点变换垂直坐标，4l 山东大学硕士学位论文分别得到实源、像源在P点造成的污染物浓度：嘣⋯忍肌煮矗叶糖+半]}嘣⋯一班￡矗唧㈠号+警])则P点的实际污染物浓度应为实源和像源两者贡献之和。但是实际上，由于下垫面情况复杂多样，不可能对扬尘污染物的散布进行全反射，故应将像源造成的污染物浓度c像进行折减(折减系数为D)。即下风向任一点的污染物浓度可由有界高架连续点源在正态分布假设下的高斯扩散模式得到：出M舢，=焘唧(一身H一警卜p卜等]}在土料装载操作单元扬尘污染物的排放、扩散过程中，还应注意的是，取土场的土料在倾倒时产生的颗粒物粒径变化范围较大，且土料表面因风力、重力、机械作用气流而散布到大气中的颗粒物粒径相对也较大。研究表明，当进入到大气中的颗粒物粒径大于10l上m时，除了随流场运动外，还会因重力沉降作用，使扩散羽中心轴线逐渐向地面倾斜，污染物浓度分布也将有所变化。故当扬尘颗粒污染物的粒径大于10pm时，其分布模型为：如成舢，=糌唧㈦毒+半]}㈧8，式中：a——颗粒的地面反射系数，也可为粒径大于lOpm的沉降颗粒物占总悬浮颗粒物的比例，O压实阶段(102894kg)>放置阶段(57508kg)；平均每天排放量：填筑阶段(9981kg)>放置阶段(2875kg)>压实阶段(2572kg)；整个Al合同路基施工过程中总排放量为459832kg。利用大气估算软件，计算了点源、线源和面源模式排放的浓度分布，结果表明：随着距离增长，点源和面源排放均先上升到最大值再减小到稳定值，线源排放模式总体呈现由大到小的分布规律。(1)点源(以单个土料装载为例)：在短距离内显著增大，在距离lOm处S7987654321O—I’m＼aln一瑙蛏 山东大学硕士学位论文浓度达到最大值3．991mg／m3，然后随距离增加(约到150m处)，快速降低至相对平稳状态0．2mg／m3左右。(2)线源(以已筑路基的道路风蚀扬尘为例)：离线源越近，污染浓度越大，最大浓度值线源处为O．030552mg／m3，浓度随距离变化较快，且在500m范围外，浓度值可下降到很小。(3)面源(以300mx200m的取土场为例)：浓度先随着距离增大，在距离179m处达到最大浓度值8．217mg／m3，而后随距离增长而下降至平稳值，但是下降趋势相对缓慢，在900．1000m处降至1mg／m3左右，预计1000m后浓度将继续缓慢降低，污染范围较大。 山东大学硕士学位论文第六章道路路基施工扬尘防治措施从环保角度出发，路基施工场地的大量扬尘致使大气含尘浓度升高，恶劣的空气质量不仅严重影响人民的生产和生活，还会破坏生态环境。从技术经济角度来看，如果施工场地扬尘污染严重而由没有采取有效的扬尘防治措施，则会增加建筑工程承包者大量扰民费用支出；同时使工地路面质量差，车辆主要部件磨损加快，保养、维修费用和耗油量增加，最终导致运输综合成本提高。由此可见，施工场地扬尘污染给建设单位本身也造成较大的经济损失。目前，我国正处在经济快速发展时期，道路基础建设项目多、规模大，由于建设施工引起的环境污染问题突出。因此，在道路路基施工过程中，应做好扬尘防治环境保护工作，有效控制扬尘污染的排放与扩削74】。6．1路基施工扬尘抑制原理根据道路路基施工过程中扬尘的发生机制，抑尘原理可从以下几个方面考虑【75】：(1)增强土质地面的抗辗压性能以减少尘源；(2)增加粉尘颗粒的重量以减少扬尘；(3)改善路况，减少振动；同时，对车载土料进行处理以减少洒落。要增强土质路面的辗压性能，则需要提高土质地面的硬度和强度。然而，由于受开采作业特点及土质路面本身的限制，提高硬度和强度来抵抗重型汽车的超大荷载是非常有限的；因此，只能在满足一定强度和硬度的条件下，增强其柔韧性或塑性来提高抗破碎性能。对于土体特别是粘土，当含水量低于液限时，适当增加含水量其塑性将增强，可减小产生破碎土尘的几率。增大粉尘颗粒的直径需要将细小的粉尘颗粒聚合成较大颗粒的粉尘，其实质还是增大粉尘颗粒的自重，这和增大粉尘颗粒的容重是殊途同归的。增加容重最简单有效的办法就是增加含水量。此外，在土质路面中铺垫碎石，增强路面的抗 山东大学硕士学位论文辗压强度，可减轻汽车重载对路面的破坏，减少尘源。由此提出了粘结、凝并、吸湿和保水一体的综合抑尘思想。粘结就是将粉尘颗粒通过抑尘因子的粘结作用与地面固结，并通过粘结因子的渗透作用使之与路面土质融合为一体，从而提高路面的强度。凝并就是即将细小的粉尘颗粒聚合成较大的粉尘颗粒，从而抑制可悬浮粉尘。吸湿则是吸收空气中的水分，提高路面土尘的含水率，增大容重，增强路面柔韧性及颗粒重量，减少破碎和抑制粉尘扬起。保水则是抑制土尘中水分的蒸发，使水分在土尘或地面中停留更长的时间，以达到好的抑尘效果。6．2路基施工扬尘污染防治措施6．2．1防治扬尘污染的管理措施路基施工扬尘成为影响空气质量的主要因素之一，加强路基施工扬尘治理应成为大气环境管理的一项重要内容【761。(1)配套制定有关管理办法鉴于扬尘污染的严重程度及实际污染防治工作的需要，首先应及时出台有关控制路基工程施工扬尘污染配套的管理规定，以提高扬尘污染控制的有效性和可操作性。(2)控制扬尘污染重在日常管理控制施工现场扬尘污染排放涉及的部门很多，包括环保、城建、园林、交通、环卫、房屋等行政管理部门，因此地方人民政府的作用至关重要。政府要组织协调好各职能部门，发挥环保部门的统一监管作用，有效地遏止施工扬尘污染。地方环保行政主管部门应按照国家环保总局和建设部联合发出的《关于有效控制城市扬尘污染的通知》，切实履行自身的行政监管职责，其它行政主管部门在各自的职责范围内对施工扬尘和其它扬尘污染防治进行监督管理。6．2．2防治扬尘污染的技术措施(1)开展源分析 山东大学硕士学位论文尽早开展道路路基工程大气扬尘颗粒物来源解析的研究工作【771。结合具体工程实例和区域状况，弄清颗粒物的主要来源及扬尘中各类源的分担率，用源解析的结果指导扬尘的治理工作。根据各类源的污染途径及特点，提出治理方法和措施。(2)制定扬尘控制区各路基工程项目需及早把扬尘污染控制列为空气污染防治的重点，根据道路工程自身的特点和优势，划定施工现场及周围的扬尘控制区，并利用大气环境影响评价预测结果，联系实际制定出扬尘控制区的综合防治规划。强化扬尘控制区的环境监督管理，以确保空气中的颗粒物满足空气质量标准的要求。(3)大力开展扬尘污染防治技术研究具有成熟的扬尘污染控制技术和适用的设备是实现扬尘控制区控制目标的关键因素。要加快适合国情的路基施工扬尘防治技术设备的研究、开发、推广和应用，并加快有关示范工程的建设。与此同时，要积极引进和消化国外先进的治理理念、技术和设备。6．2．3防治扬尘污染的经济措施(1)试行扬尘排放收费制度，运用经济手段促进扬尘污染防治工作。(2)建设单位在工程概算中应包括用于扬尘污染控制的专项基会，施工单位应保证此专项基金的专款专用。(3)加大对建设施工扬尘排放导致区域空气中颗粒物浓度超标的环境违法行为的经济处罚力度。6．2．4防治路基施工扬尘污染的具体措施施工场地扬尘的防治问题早已引起国内外的重视。在众多的防尘方法中，洒水降尘是目前我国最常用的路面防尘方法。此方法虽简单，但是由于水分蒸发太快，有效抑尘时间短，尤其在炎热的夏秋季节，洒水几乎起不到防尘作用。不仅如此，频繁洒水还会增加水费和劳务费支出，浪费水资源，并使施工场地路面状况更加恶劣，因此洒水降尘方法的使用受到一定限制。国内还有铺设碎石路面或水泥路面、撒吸湿性盐或洒工业废液等方法，这61 山东大学硕士学位论文些方法抑尘效果虽有提高，但或因成本过高、或因对轮胎和金属零部件有腐蚀作用，或者造成二次污染，而没有广泛推广应用‘781。采用化学抑尘剂抑尘是目前较有效的一种路面防尘方法。该法抑尘效果好、抑尘周期长、设备投资少、综合效益高、对环境无污染，是今后施工场地抑尘的发展方向。目前国内外化学抑尘剂产品大致有以下两类：一类是使用乳化沥青和聚氨酯等高分子材料为粘结剂，将浮土固定；另一类是利用吸水保水材料抑尘。针对道路路基施工，扬尘污染可采取以下具体措施：(1)在取土场装载土料时，应边向料堆或土表面洒水边装载，以减少土料搬运以及倾倒过程中扬尘的产生量。(2)合理安排施工现场。所有的施工挖填土料应统一堆放、保存，应尽可能减少堆场数量，并加棚白等覆盖；合理选择存料地点，尽量减少搬运环节，并使其具备可靠的防扬尘措施，搬运时要做到轻举轻放。(3)运输车辆尽量选择路面平整的铺装硬化道路行驶，施工便道尽量采用焦渣、级配砂石、建筑垃圾、沥青混凝土或水泥混凝土等材料，有条件时可利用永久性道路，并指定专人员对附近的运输道路定期清扫、喷水，使其保持一定的湿度，防止道路扬尘。(4)谨防运输车辆装载过满，不得超出车厢板高度，并采取遮盖、密闭措施减少沿途抛洒、散落；及时清扫散落在路面上的土材料，定期冲洗运输车辆车厢和轮胎。(5)取土场和靠近居民区的施工现场要进行围栏或设置屏障，以缩小施工扬尘扩散范围，减少扬尘污染造成的不利影响。(6)当出现风速过大或不利天气状况时应停止土料运输及路基填筑施工作业，并增加各类道路的洒水频次和洒水量。(7)合理安排工期。尽可能地加快施工速度，减少施工时间，并建议施工单位采取逐段施工方式。(8)提高施工现场周围道路的绿化普及率，增加道路两侧的绿化量，并采用合理的绿化方式，努力消除公用道路两侧的裸露地面。62 山东大学硕士学位论文7．1结论第七章结论和展望本文通过分析道路路基施工过程中的扬尘污染排放特征，确立了各操作单元类排放源排放因子的计算方法，并提出适合各类扬尘排放源的扩散模式。以滨德高速公路为例，计算了A1合同段各路基施工过程中各阶段各操作单元的扬尘排放因子和排放总量，并运用软件模拟计算了点源、线源和面源模式排放的扬尘浓度分布。总结研究成果，可得到以下结论：(1)通过分析路基施工扬尘产生的特点，得出路基施工扬尘的产生机理：土质物料在运输及装卸、填筑等过程中以及路面粉尘在运输车辆通行的情况下，受到剪切压缩气流、诱导空气流、空气流动及机械活动生成的离心尘气流，当这些气流综合作用产生的荷载大于粉尘的临界起锚荷载时，就会使细微粉尘颗粒首先从土质物料中分离出来而启扬，然后由于空气的流动而引起粉尘的飞扬，从而完成了从扬尘产生到扩散的过程。(2)通过分析道路路基工程各阶段施工扬尘排放特点，将路基施工划分为土料装卸、车辆运输(包括已筑路基、施工便道、公共铺装／非铺装道路)、风蚀扬尘(包括已筑路基、施工便道、公共铺装／非铺装道路、取土场和运输车载土料)3个操作单元。(3)以AP．42中推荐的建筑施工“单元操作”排放因子法为基础，结合路基施工各阶段各种排放源扬尘排放特征，提出路基施工各子操作单元扬尘源排放因子的计算方法，包括：装卸操作单元扬尘排放因子、车辆运输扬尘排放因子(施工便道及己筑路基车辆运输、公用非铺装道路、铺装道路)、风蚀扬尘排放因子。(4)根据路基施工过程中扬尘颗粒物的主要排放来源和特点，将路基工程施工分为填筑过程、压实过程和放置过程3个阶段，并总结了各阶段扬尘排放量估算方法。(5)通过分析大气对颗粒污染物的扩散和稀释规律，对路基工程各阶段各63 山东大学硕士学位论文操作单元不同种类排放源(点源、线源、面源)扬尘的传输与扩散，选择不同的高斯扩散模式与之相适，并总结了路基施工各类排放源的源强计算方法。(6)以滨州～德州高速公路A1合同段为依托，分别计算了2m路基施工过程中各阶段各操作单元的扬尘排放因子，并计算了填筑、压实、放置阶段的扬尘排放总量，各阶段的排放量结果显示：填筑阶段>压实阶段>放置阶段；平均每天排放量：填筑阶段>放置阶段>压实阶段；整个A1合同2m路基施工过程中总排放量为459832kg。(7)利用大气估算软件，计算了点源、计算了线源和面源模式排放的浓度分布，结果表明：随着距离增长，点源和面源排放均先上升到最大值再减小到稳定值，线源排放模式总体呈现由大到小的分布规律。①点源(以单个土料装载为例)：在短距离内显著增大，在距离10m处浓度达到最大值3．991mg／m3，然后随距离增加到200m，快速降低至相对平稳状态0．2mg／m3左右。②线源(以己筑路基的道路风蚀扬尘为例)：离线源越近，污染浓度越大，最大浓度值线源处为0．030552mg／m3，浓度随距离变化较快，污染范围在1000m左右。③面源(以取土场为例)：浓度先随着距离增大，在179m处达到最大浓度值8．217mg／m3，而后随距离增长而下降至平稳值，但是下降趋势相对缓慢，在900—1000m处降至1mg／m3左右，预计1000m后浓度将继续缓慢降低，污染范围较大。7．2创新点本文提出了一套研究道路路基工程各施工阶段扬尘污染排放的方法，主要创新点如下：(1)以“单元操作”排放因子法为基础，结合路基施工各阶段各种排放源扬尘排放特征，确定了路基施工过程中各操作单元扬尘排放因子的计算方法；(2)根据路基施工过程中扬尘颗粒物的主要排放来源和特点，总结了各阶段扬尘排放量估算方法，并根据大气扩散理论，确立各类扬尘排放源相应的扩散模型。 山东大学硕士学位论文7．3展望本文研究了道路路基施工过程中的扬尘排放，确定了一系列与施工过程相适应的排放因子和排放量计算方法。在接下来的工作中，还需要从以下几方面继续开展研究：(1)通过改变气象、环境、路基结构等参数值，研究各参数对路基施工扬尘扩散的影响；(2)进一步细致研究不同施工机械和施工工艺造成的扬尘污染排放状况，并继续研究道路工程其它施工阶段的扬尘污染排放特点与模式；(3)通过大量研究，制定与道路工程施工各操作单元相适应的扬尘排放控制标准。65 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