土木工程视角的减霾措施

马宏望 梁超锋 赵江霞 田 原 梁意博

(绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴312000)

工业革命以来大量化石燃料的使用导致环境破坏日益严重.环境污染事件给人们的生产和生活产生危害.空气污染就是国家工业化进程中所面临的问题之一，如1943年美国洛杉矶光化学烟雾事件，1952年英国伦敦烟雾事件，1961年日本四日市哮喘病事件和2013年12月中国中东部地区的严重雾霾灾害事件.据统计中国雾霾灾害期间儿童呼吸道发病感染率明显提升.赵红梅[1]研究表明：人在严重雾霾天活动，等于处在不停吸烟的状态.有统计显示，长期PM2.5污染暴露，每立方米增加10 μg，心脑血管引起的死亡风险增加76%[2].图1表明中国约五分之四的城市空气质量为一级超标(大于35 μg/m3).因此，雾霾威胁着人们身体健康，且我国多数城市雾霾频发.

图1 2015年338个地级以上城市PM2.5不同浓度区间城市比例[3]

雾霾是一种雾和霾的混合物，是特殊气候条件与人类生产、生活活动相互作用的结果[4].大气中空气动力学当量直径小于或等于2.5μm的颗粒物就是通常人们说的PM2.5，也是评价雾霾污染严重程度的指标.按颗粒物来源可划分为自然源和人为源[5]，这两类来源中产生的PM2.5，在无风环境下积聚会逐渐破坏大气“稳态”，积聚在空气中的粒子气溶胶可以散射和吸收太阳辐射，导致大气能见度下降[6]；尤其是人类活动产生的人为源对雾霾的形成起了决定性作用[7].此外作为人为源之一的扬尘污染对环境空气颗粒物有着重要贡献.研究表明，包括土壤扬尘、道路扬尘、施工扬尘和堆场扬尘等在内的城市扬尘对环境空气PM2.5的贡献平均在20%～30%[8]；土木工程中产生的细小颗粒污染物、气态污染物与汽车尾气、工业排放、废物焚烧所产生的污染物是产生PM2.5的四大元凶.2010年中国大气污染物排放量显示土木领域的具体排放需求(28.21%的二氧化硫，29.84%的氮氧化物，34.74%的烟尘，39.62%的粉尘)最大[9].据统计，三四线城市因工业欠发达导致土木工程引起的污染占到形成雾霾因素的30%～40%[10].土木工程在不合理的规划设计、材料生产、建造施工、维护与改造、拆除等全生命周期各个环节都将产生一定空气污染物，其中材料生产和建造施工环节污染最严重.工程施工引起的扬尘污染占PM2.5来源的15.8%[11]；而北京、上海等一线城市，施工扬尘对大气悬浮颗粒物(PM2.5)的贡献率高达20%～35%.水泥搅拌是施工扬尘产生的直接来源.对现阶段我国市场预测分析表明，混凝土市场已实现了30亿立方米的突破，需要掺和9亿吨水泥，若采用现场搅拌(按3%的破包率估计)，近4 000万吨水泥将成为扬尘[12].故减少施工扬尘对防治我国雾霾灾害有重大的作用.

本文将从土木工程视角分析减霾措施.以工程规划和设计角度论述如何减少雾霾来源和大气中PM2.5含量，以工程施工角度阐明如何控制施工过程产生的极细小颗粒物，最后以工程材料视角介绍吸霾材料的重要性和变废为宝理念所创造的经济价值.

1 工程规划与设计角度防治雾霾

1.1 城市绿化有效治霾

绿色植物可有效净化空气，1 hm2树林一年可吸收各种灰尘300～900 kg，绿地减尘率为37.1%～60.0%，绿化街道的空气含尘率比裸露地区低56.7%，草地上空粉尘量是裸露地面的1/6-1/3[13].据此提出3种防治雾霾方法.(1)城市外围建设绿化带，起到清洁城市空气的作用.如伦敦绿化圈——首都伦敦外围的一块法定绿带区.(2)园林绿化方面，重视生态园林，打造“花园城市”[14].如对建筑房屋的屋顶及墙壁进行绿化设计.起到防暑降温、美化环境、吸收雾霾、降低碳排放的作用.研究表明：对建筑物面积约5 000的外墙应用“植生墙”的绿幕设计，初步估算可减少CO2排放量达66.32%[15].(3)对所在城市的地理气候进行分析，针对不同城市的地理气候条件，选择种植对PM2.5吸附能力强、易生长的植物.实验研究表明大叶黄杨、小叶黄杨和矮紫杉这类北京市典型绿化灌木树种中的常绿树种对PM2.5具有较强的吸附能力[16].综上可知，科学的绿化方法对城市治霾有事半功倍的效果.

1.2 城市水系建设治霾

近百年来，资源过度消耗，导致温室效应、臭氧空洞及厄尔尼诺现象等一系列灾害.全球气候反常，部分区域降雨减少使空气中气溶胶湿沉降频率显著降低.近50年全国的降水天数比过去减少了10%，导致气溶胶的湿沉降(即通过降雪、降雨等形式减少大气中细小颗粒物含量)减弱，更多的气溶胶物质留在了大气环境中，为雾霾的发生创造条件[13].而城市水系建设有助于城区降雨.南水北调工程的河北段，在总渠道的两侧各建宽50 m的生态防护林带，为河道两旁城区制造了数以百万计的氧离子和水离子，最大程度上降低风尘及吸收有害气体，起到洁净空气的作用.

1.3 “风径”工程规划驱霾

“日本PM2.5浓度升高，源于中国”这一说法在网络上普遍传播.林之光[11]认为：雾霾只发生在小风或无风天气，大陆霾不可能远渡日本.据媒体报道，2013年杭州市规划局和环保局等正规划杭州城市风道，引钱塘江上的风，把城市发展产生的大气污染物加速输送出去，被称为“风径”工程.该工程采取的“水平输送”方法借鉴于德国.在上世纪五六十年代德国慕尼黑城市是著名的工业重镇，煤炭、钢铁、化学、呆板制造等行业高速生长，让该区雾霾不停残虐，在政府法令和全民积极的配合下实施了一项驱霾工程.考虑到慕尼黑城市坐落于高大的阿尔卑斯山北坡一条南北向河谷的前提条件下，此地形能提供固定的南北风向，利用气流通道变窄流速增加的狭管效应，慕尼黑城市的驱霾成效显著.而杭州的偏北风(频率29%)和偏南风(21%)较多，且偏东风和偏西风频率相加也高达18%，故一旦出现垂直于“风径”的风向，风径两边大楼会成为“风障”，再加上无风天气的概率，该风径驱霾作用将有所局限[11].因此，城市规划必须考虑各方面因素以权衡利弊.

2 工程施工角度减霾

快速建设阶段的中国面临着工地扬尘和土建材料运输过程中产生的道路扬尘问题.而建造、装饰、拆除、废物处理等过程能产生高度集成的颗粒和气态空气污染物[17].据统计北京约6%的PM2.5源于扬尘[18].社会舆论压力迫使承包商提高环境绩效，尤其在烟尘排放方面，目前的施工管理中有很多防治扬尘的措施[18].笔者将从建筑期裸露土地、土方开挖、渣土运输、装配式建筑、建筑装饰装修施工、旧房屋拆除、建筑废物处理等七方面阐述抑制扬尘的措施.

2.1 建筑期裸露土地

建筑规划用地要三通一平，这对生态环境不利.原本植被茂密的区域会被整平为方便交通运输和从事建筑活动的土地.而在干旱贫瘠地区，大气污染的一个主要来源是暂时性颗粒物(FPM)，这是一种土壤风蚀的常见产物.因干旱地区的气象和低植被覆盖度，使大气污染易受风吹颗粒的影响[19].故对建筑期裸露黄土采用可重复利用的人工塑料草坪覆盖，或采用天然草坪覆盖并做好养护工作，可减少FPM的产生.

2.2 土方开挖

工地土方开挖时期，车辆进出及挖掘施工会产生施工扬尘.不合理堆放的土方会阻碍工地交通还可能引起扬尘，影响视野进而引发安全事故.故要求施工企业对土方处理应选择合适天气集中堆放，长期存放的土方要采取覆盖、绿化等措施.临时存放的土方在多风干燥的天气采取洒水降尘等措施，并需要人员对其进行管理.施工现场开挖土方时注意防尘，如遇特级以上大风天气，则停止作业[20].

2.3 渣土运输

土方回填以后，多余渣土运出工地.而渣土的装载、运输、倾倒易产生扬尘.为此渣土倒运要求对车斗加盖密封.无密闭车斗的情况，要求物料、渣土、建筑废物的装载高度不超过车辆槽帮高度，并用苫布遮盖车斗[20].苫布边缘至少遮住槽帮上沿以下15 cm，以保证渣土、物料、废物等不露出和遗撒；施工场地内的道路要硬化处理，减少运输车在场地内运输时带起的道路扬尘；建筑工地出入口设置自动洗车设备，车辆进出时，须对车辆的4个轮胎、车厢、后挡板等部位进行清洗[20]，减少附着在车身上的泥土在车辆行驶过程中掀起粉尘.

2.4 装配式建造

装配式建筑(PC建筑)是一种用可重复使用的模具浇铸混凝土构件，然后在受控环境中硬化，运到施工现场并将其吊装到位、拼装成型的建筑.这类建筑的工期是传统模式的1/3-1/4[21].工期越短，施工扬尘总量越少.

同时，装配式建筑还有其他优势.制造装配式建筑的构件用的是可循环使用的钢模板，以及工业化构件具有较高的良品率和材料利用率，并且整个预制过程易于控制扬尘的产生.另外装配式建筑的预制构件较现场施工过程省去了混凝土的泵送和养护，这将减少湿作业次数，减少噪音和夜间施工的光污染、扬尘的产生.建造速度的提升还能减少建筑废弃物的产生量.此外灵活的结构形式方便住宅内部空间的再次改造，以便延长使用寿命，进一步减少二次废弃物和扬尘的产生[22].

2.5 建筑装饰装修施工

建筑在装饰装修期，人员移动和装修材料的现场加工都会产生扬尘.从施工安全和施工人员的健康角度出发，建筑装饰装修施工过程中应对施工区域进行封闭隔离，建筑主体在装饰装修施工时应从建筑物底层外围开始搭设防尘密目网进行封闭，高度高于施工作业面1.2 m以上[20].新建住宅采用统一的精装修，便于扬尘控制的同时，可较大程度地减少装潢废物，从而减少建筑扬尘.

2.6 工程拆除

新城市建设中对建筑不合理的拆除将产生大量粉尘.一般建筑在拆除期间要洒水降尘，并应在一定时间内将建筑废物清理完毕.拆除过程中严禁从高处丢落建筑废物，以防溅起地上尘土.清除建筑物楼层废弃物应采用集装密闭的方式进行，清扫场地和楼层则用湿法作业清理[20].拆除前制定详细的施工方案，针对不同类型的场地、拆除建筑结构等，选用合适的拆除办法[23].针对如高层建筑这样特别坚固的钢筋混凝土结构的拆除，一般选用控制爆破法.炸药爆炸时将伴随产生声响、震动和烟尘，这是其主要缺点.因此，在控制爆破拆除过程中需要制定完善合理的设计方案以及必要的安全防护措施，起到降低声响和震动强度、阻挡碎块飞溅的作用[24].选择无风天气，可降低扬尘给附近居民带来的影响.

2.7 建筑废物处理

工程建设、工程拆除及装饰装潢将产生建筑废弃物，废弃物若得不到规范处理，会形成扬尘，污染空气.因此，施工现场除了设置专门的废弃物回收站，还应及时清理和合理处置建筑废弃物.因条件限制不能及时清理的废物废料，需存放在建设工地的临时密闭性废物堆放场地或废物箱.严禁露天焚烧有毒建筑废料和未处理的建筑废物.同时施工现场按施工要求采用封闭围挡，围档上要标记安全提示标语，沿场地四周连续设置，既保证施工安全，又防止建筑扬尘飘散.

3 工程材料生产及创新角度防治雾霾

3.1 吸霾新材料

对于我国目前因工业化、城镇化而引发的雾霾问题，英、美、德等国在工业发展期也遭受过.尽管这些国家的空气污染问题随着工业化发展趋于饱和，国民环保意识的增强，已逐步退出这些国家的历史舞台，但为我国在治理雾霾问题上留下了宝贵的经验与技术.如在净霾材料的研发方面，可将建筑与吸霾材料结合组成一个巨大的“空气净化器”.意大利的水泥集团Italcementi已研发了一种可以吸霾并分解霾的水泥，这种水泥在光作用下可以把空气中的有害物质转化分解成无害的惰性盐，然后随雨水冲走，达到清洁建筑并且净化空气的目的[25].美国铝业公司设计了一种名为“Reynobond with Ecoclean”的建筑镶板，它既能自我清洁，又能分解建筑外墙表面附近的雾霾、尘土、柴油烟雾等污染物，从而清洁周围的空气[26].这种镶板经济效益好，价格只比普通镶板贵4%～5%，但依靠这种镶板能自我清洁的优点，建筑的养护费用可以节省50%[26].墨西哥就于2013年建造了一座由二氧化钛涂层覆盖的“吸霾”外墙建筑——冈桑雷斯医院，它每天消除的污染量约等于一千辆汽车排放的污染量.吸霾材料宽阔的经济应用前景也吸引了一批国内企业积极研发相关产品.浙江开尔新材料股份有限公司研发的自清洁型珐琅板已经逐步应用于建筑的装饰工程中.珐琅板的净霾机理与净霾水泥相差无几，不过其环保效能却十分强大.据悉，200 m2此类新型材料相当于14棵成年白杨树的空气净化效能[27].富思特净霾自涂层也是一种外墙罩光涂料，此款材料不仅会吸霾而且在防治光化学烟雾方面也具有不错的成效.因此，新型吸霾材料的研发将有助于拓展建筑物的功能，在环境绿化、减少雾霾方面做出贡献.

3.2 更新建材制造技术以节能减排

我国水泥、钢铁行业是高污染、高投入、高能耗的行业.用以炼钢和制造水泥的煤炭则是大气污染物产生的主要来源之一.因此，更新生产技术，淘汰落后产能尤为重要.2014年1月起实施的《水泥工业大气污染物排放标准(GB 4915-2013)》要求企业促进水泥工业生产工艺和污染治理技术的进步.该标准编制组对全国水泥生产企业的污染排放与控制情况进行了抽样调查，共获得160个有效水泥窑颗粒物排放数据，与上一次的抽样调查对比发现，窑尾颗粒物排放浓度显著降低，平均排放浓度从100.90 mg/m3下降到27.40 mg/m3，布袋除尘器的除尘效果要优于静电除尘器，平均排放浓度约低5 mg/m3左右.而且调查结果显示窑尾采用布袋除尘器的普及率显著增加[28].有研究表明一个年产100万吨钢的企业，仅在炼钢、炼铁、烧结这3个工艺过程中，每年产生约10万吨粉尘[29].高炉炼铁工艺作为钢铁行业关键工艺，其PM2.5贡献率很大.高炉矿槽粉尘主要来自高炉原料转运加料和渣沟等环节，包括原始原料和熟矿原料转运和投料过程中产生的扬尘[30].就以重工业为主的河北省而言，其发达的第二产业导致全省燃煤量巨大.燃煤产生的大气污染物对PM2.5的“贡献”极大.为此河北省政府计划全省钢铁产能削减10万吨，淘汰10万千瓦以下的常规燃煤机组，并且实现技术改革.到2015年，新建和改造燃煤机组，完成钢铁烧结机脱硫治理、拆除旁路；燃煤电厂、水泥行业完成脱销治理；水泥、钢铁行业完成除尘升级改造治理；石化行业完成有机废气综合治理[11].此外对于钢铁厂、水泥厂煤炭燃料脱硫脱硝后产生的粉煤灰及时洒水清洗，以防风吹形成PM2.5的二次污染.李水清教授称[11]：目前的燃煤电厂中装设电除尘器对PM2.5的脱除效率在95%左右.如果这一技术加以改良并应用于像钢铁、水泥这类以煤炭为主要生产燃料的工业中，将基本实现“源头减排”的目标.因此，随着科技发展和技术革命，建材制造业也正在摆脱高污染、高能耗的现状，朝节约资源，保护环境的目标前进.

3.3 砂石开采的除尘及废物利用技术

砂、石作为混凝土骨料的主要成分，在开采和加工过程中产生的扬尘也是大气的污染源之一.因为开采条件和成本问题，厂家往往对废弃的采石场不再进行后续的环境绿化恢复，导致采石对当地生态环境造成了严重的破坏并且留下一系列安全隐患.采石场发生滑坡、沙化等灾害就是因为采石后未能做好绿化工作及防滑坡措施.故要求厂家和地方政府在提高经济效益的同时，注意采石粉尘对员工健康的危害，做好防尘措施，而且还要做好采石作业后的绿化工作及采石废弃物的有易化处理.例如巢湖市宏光矿业有限公司为解决每年采石过程中产生的大量粉矿和粉尘，在石料加工厂附近投资建设了一条年产2亿块以石粉、矿粉为主要原料的免烧砖生产线，现年增收入3 000多万元[31].湖州鹿山坞矿业有限公司建造封闭式加工厂房6 000 m2，配置吸尘设备及粉尘储存罐，回收的粉尘又被用作生产新型墙体材料的原料，整个过程变废为宝，变害为利，一举多得，既减少粉尘排放，保护环境，又提高了矿源的利用率[32].

4 结语

针对近年来发生的雾霾事件，结合土木工程领域的实际状况，阐述了合理的规划措施，从城市规划布局、施工管理以及高新技术研发等方面探讨了防治雾霾的方法和未来工程建设的趋势：1)城市规划布局影响着一个城市十年乃至百年的经济产业发展，对城市文明建设和居民幸福度产生巨大的作用，良好的城市规划是建设绿色城市的前提；2)施工工地是城市灰霾的源头之一，会对施工工人健康和城市形象产生危害，加强施工管理，提高施工工人的安全意识，可以提升企业形象，减少灰霾来源，取得经济和企业品牌效益；3)高新技术的研发将进一步从根源上消除雾霾，减少资源浪费，消除工业废弃物对环境的危害，是可持续发展的必然需求.

随着中国城市化进程加速，产业转型，人们的环保意识的逐渐增强，雾霾问题将一步步得到控制.同时，高新技术和设计理念的不断创新，功能多样、绿色环保、装配建造的城市建筑将会越来越多.土木工程行业正成为净霾产业链中重要的一环，为我国经济和科技发展做出贡献.除此之外，不断吸收借鉴国外的治霾经验，反思错误教训，并且结合我国自身的国情，有利于制定出一套合理有效的治霾方案.