北京市通州区秋季典型工地出口道路尘负荷排放特征

王海斌，樊守彬，韩力慧，李婷婷，曲松，崔浩然，刘俊芳

1.北京工业大学环境与能源工程学院

2.北京市环境保护科学研究院

3.国家城市环境污染控制工程技术研究中心

大气固体微粒，特别是PM10和PM2.5(空气动力学当量直径分别小于等于10 和2.5 µm 的颗粒物)是城市空气的主要污染物之一，这些微粒能够在大气中长时间悬浮和进行远距离传输，使之成为城市空气污染的突出问题[1-2]。研究表明，2015—2019 年京津冀地区PM10和PM2.5浓度下降了30%～33%[3]，但在道路附近，其浓度是居民区的2～3 倍[4]，城市道路扬尘已被确定为城市大气颗粒物的主要来源[5]。城市建设活动会产生大量的颗粒物并最初沉积在施工工地（场站）周围的路面上，一小部分因为人为活动和自然因素的影响重新悬浮到大气中，造成工地（场站）附近的空气污染，危害人类健康[6]。

国外学者[7-8]对于道路尘负荷的研究相对较早。Venkatram 等[9-13]采用AP-42 模型对拉斯维加斯、加利福尼亚、哥伦比亚、新德里、克拉科夫的相关街道进行道路扬尘检测；Singh 等[14]研究表明，印度德里城市道路尘负荷再悬浮引起的道路扬尘排放量是汽车尾气排放的6 倍；Pachon 等[15]研究表明，道路特征、车辆状况以及气象等都能影响道路扬尘的排放量；Pant 等[16]则指出，施工工地排放的扬尘中60%为车辆运输行驶过程夹带尘土进入道路，增加路道尘负荷所导致的。国内樊守彬等[17-26]对北京市、珠三角、东北三省和西安市道路扬尘进行相关研究，并建立了自下而上的道路扬尘排放清单；田刚等[27]研究表明，北京市施工工地出口道路交通扬尘排放因子是正常道路的2～10 倍；黄玉虎等[28]研究表明，北京市混凝土搅拌站附近道路尘负荷是乡道的17 倍。近年来，扬尘虽然得到一定程度的控制，但大多数城市扬尘对PM2.5浓度的贡献率仍为15%～25%。北京市生态环境局的PM2.5来源解析结果表明，扬尘源在北京市本地PM2.5来源的占比由2013 的14.3%升至2017 年的16%，是现阶段第二大PM2.5本地污染源，其中移动源在扬尘源中的占比更是高达45%，施工场所出口道路扬尘是道路扬尘的重要组成部分[29]。

近年来，全国建设工程规模呈现持续增长态势[30]，通州区从2017 年成为北京城市副中心以来，建筑施工面积迅速增加，且施工场所出口道路扬尘作为环境空气颗粒物污染的重要来源，进一步增加了大气污染治理的难度。目前，对不同类型工地（场站）出口道路扬尘的研究较为鲜见。笔者基于快速走航监测系统，对北京市通州区300 个工地（包含交通工地，25.3%；园林绿化工地，5.3%；水务工地，5.7%；房建工地，58.7%；拆迁工地，2.0%；建筑垃圾消纳场，2.0%；混凝土搅拌站，1.0%）出口道路及137 条常规道路进行3 个月的持续监测，并调查相关道路的车流量信息，研究不同类型工地（场站）出口道路扬尘排放特征，以期为北京市不同类型工地（场站）出口道路的精细化管控提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 移动采样法

本研究基于快速检测法进行采样，快速检测法是指采用车载颗粒物检测仪来获取不同类型工地（场站）出口道路以及常规道路尘负荷的方法。采样设备包括帕杰罗采样车1 辆、DustTrak8530 颗粒物在线检测仪2 台（美国TSI 公司）、GPS 仪1 台（美国Garmin 公司）。DustTrak8530 颗粒物检测仪分别安装在帕杰罗采样车的车轮右后胎和车顶，它基于气溶胶微粒的体积与光散射强度成比例的原理，再经过严格的标定程序获得颗粒物的质量浓度。使用前用流量计进行流量标定和调零。采样时，通过车轮胎扬起的道路颗粒物浓度和车顶的背景颗粒物浓度之差计算道路尘负荷，时间分辨率为1 s。GPS仪同时记录车速和位置坐标，其分辨率也为1 s。与AP-42 法相比，该方法采样更具安全性、准确性和快捷性。于2020 年9—11 月对通州区300 个工地出口道路以及137 条常规道路进行尘负荷监测，并选取13 个出口道路类型相似的非破损铺装道路的不同类型的典型工地以及建筑材料生产或建筑垃圾消纳等场所（如混凝土搅拌站和建筑垃圾消纳场，以下简称场站）进行出口道路尘负荷分析，其大部分工地主要分布在北京市通州区城区位置，场站多分布在郊区（图1）。

图1 北京市通州区典型工地（场站）分布Fig.1 Typical construction sites (stations) distribution in Tongzhou District,Beijing

1.2 排放因子计算

采用AP-42 排放因子模型计算北京市通州区道路扬尘排放因子，该方法是美国国家环境保护局(US EPA)公布的计算铺装道路交通扬尘排放因子的方法[31]，估算模型如下：

式中：E为道路扬尘排放因子，g/(km·辆)；k为粒度修正系数，PM10和PM2.5分别取0.62 和0.15；sL 为道路尘负荷，g/m2；W为机动车质量平均值，t；P为基准年内降水量大于0.254 mm 的天数，本研究为50 d；N为基准年，本研究取1 a；Wi为第i种车辆的平均质量，t；ai为第i种车辆占总车辆数的比例，%。笔者对日均车流量中不同道路上各类车辆的构成比例进行调查，然后对不同品牌客车和货车空载和满载时的质量进行调查分析，得到不同类型车辆的单车质量：大客车，10 t；小客车，1.1 t；大货车，16 t；中货车，6 t；小货车，2.5 t；拖挂车，22 t；拖拉机，3.5 t。

1.3 排放强度计算

以实际典型工地（场站）出口道路交通流信息数据库为基础，整合其对应道路扬尘排放因子、车流量和路网信息，应用ArcGIS 软件的空间分析和数据统计功能，计算得到研究区域的道路扬尘排放量，公式如下：

式中：Q为研究区域道路扬尘排放量，kg/d；L为道路长度，km；V为日均车流量，辆/d；j为第j条道路。

2 结果与讨论

2.1 典型工地（场站）出口道路尘负荷特征

为探究不同类型工地（场站）出口道路尘负荷特征，对通州区300 个工地（场站）出口道路及137 条常规道路进行持续3 个月的尘负荷监测，不同类型工地（场站）出口2 个方向100 m 道路尘负荷均值如图2 所示。从图2 可以看出，工地（场站）出口道路尘负荷明显高于常规道路，且道路尘负荷均值为搅拌站＞消纳场＞拆迁工地＞房建工地＞水务工地＞园林绿化工地＞交通工地。选取的13 个不同类型的出口道路类型相似且非破损铺装道路的典型工地（场站），其对应出口道路左右100 m 距离尘负荷均值见表1。从表1 可以看出，混凝土搅拌站、建筑垃圾消纳场和拆迁工地出口2 个方向100 m 道路尘负荷均值较大，是北京市通州区常规道路监测均值（0.59 g/m2）的5.9～21.1 倍；园林绿化工地次之，是通州区常规道路监测均值的4.3～4.5 倍；房建工地、交通工地和水务工地相对较小，是通州区常规道路监测均值的1.3～4.5 倍。相同工地类型的不同工地出口道路之间也有一定的差异，这可能与相同工地类型的不同工地所处的施工阶段以及工地出口的特征和管控力度差异有关，如同为拆迁工地的9 号工地出口道路尘负荷为10 号工地的3.1 倍。原因是在施工规模上，9 号工地施工面积为2.4 万m2，10 号工地为1.7 万m2，更大的施工面积意味着更大的扬尘排放量；在工地施工扬尘管控力度上，9 号和10 号工地施工现场固体废物均苫盖，但9 号工地有雾炮设施2 台，而10 号工地有雾炮设施3 台，且施工洒水频次更高；在出口道路类型上，9 号工地为支路，10 号工地为主干道，在道路维护及清扫力度上9 号工地小于10 号工地。

图2 不同类型工地（场站）出口道路尘负荷特征Fig.2 Characteristics of road silt loading at exits of different types of construction sites (stations)

表1 典型工地（场站）出口2 个方向100 m 尘负荷特征Table 1 Silt loading characteristics of 100 m in two directions at the exit of typical construction sites (stations)g/m2

不同类型工地（场站）出口道路尘负荷随距出口距离的变化如图3 所示。从图3 可以看出，所有工地均呈现单峰型似正态分布，大部分工地（场站）虽然在出口位置峰值较高，但距离工地（场站）左右400 m之外，其道路尘负荷明显下降，甚至达到常规道路均值的水平。房建工地的单峰锐利，在工地出口左右200 m 外，其道路尘负荷便趋于常规的道路均值；交通工地、水务工地和园林工地因其排放源的特点为线源或超大面源，因此随着距出口距离的增加，会出现多个无规律的次峰；拆迁工地在施工过程中易产生大量扬尘，随后在重力作用下以降尘的形式扩散到更远的路面，因此拆迁工地单峰较房建工地更加敦宽；搅拌站和消纳场则容易出现单侧随机次峰，可能是因为运输车在其出口单侧往返的情况较多，造成出口道路单侧遗撒尘土较另一侧多。

图3 不同类型工地（场站）出口道路尘负荷随距离变化特征Fig.3 Variation characteristics of road silt loading with distance at exits of different types of construction sites (stations)

2.2 典型工地（场站）出口道路扬尘排放特征

2.2.1排放因子特征

道路扬尘排放因子能够反映道路扬尘排放污染程度，根据典型工地（场站）出口道路尘负荷随距出口距离变化特征，选取工地（场站）400 m 道路（左右出口各200 m）及距出口1 km 的道路（背景点），通过式(1)计算不同类型工地（场站）出口道路和背景点的PM10和PM2.5排放因子，结果见图4。从图4可以看出，不同类型工地（场站）出口道路对应的PM10排放因子均高于PM2.5，不同类型工地（场站）出口400 m 道路对应的PM10、PM2.5排放因子均高于对应道路背景值，是对应背景值的1.26～7.37 倍。不同类型工地（场站）之间其出口道路的PM10、PM2.5排放因子差异也较大，搅拌站、消纳场和拆迁工地的出口道路排放因子较高，原因可能是其出口道路尘负荷相对其他工地（场站）更高。其他工地（场站）的排放因子则相对较低，但同一类型工地（场站）的不同工地（场站）之间也有较为明显的差异，如3 号和4 号交通工地，5 号和6 号水务工地，7 号和8 号园林绿化工地。4 号工地出口道路的日均车流量是3 号工地的9.8 倍，5 号工地是6 号工地的3.8 倍，7 号工地是8 号工地的3.3 倍（图5），因此，在相同工地类型的情况下，其日均车流量越大，对应的道路扬尘排放因子越高，该结果与杨德容等[32]的研究结果类似。

图4 不同类型工地（场站）出口及背景点道路排放因子特征Fig.4 Characteristics of road emission factors at exits and background points of different construction sites (stations)

图5 典型工地（场站）出口道路日均车流量Fig.5 Average daily traffic flow at the exit road of typical construction sites (stations)

2.2.2排放强度特征

道路扬尘排放强度表示单位道路长度每天的道路扬尘排放量，由于排放因子只能反映行驶1 km 的单个机动车辆的道路扬尘排放，不同类型工地（场站）出口道路的交通量差异很大，因此道路扬尘排放水平不仅与排放因子有关，而且与交通流量有关。根据不同类型工地（场站）出口道路尘负荷变化特征，采用AP-42 道路扬尘排放因子及背景点排放因子，计算受工地（场站）影响的出口2 个方向各200 m道路扬尘排放量，以及受影响后的排放量相当于延长该条道路背景点的长度（l），其计算公式如下：

式中：Ea为工地（场站）出口2 个方向共400 m 道路交通扬尘平均排放因子，g/(km·辆)；Eb为对应道路排放因子背景值，g/(km·辆)；2a为受工地（场站）影响的道路长度，本研究取400 m。

根据不同类型工地（场站）出口2 个方向各200 m道路和其距出口1 km 背景道路尘负荷计算的PM10、PM2.5排放因子，采用式（4）计算各工地（场站）出口道路扬尘排放量及其对应排放量相当于背景点增加的道路长度，计算结果如表2 所示。从表2 可以看出，不同类型工地（场站）出口道路因为施工工地（场站）和交通车流量的影响使其对应出口道路扬尘PM10、PM2.5的排放量明显升高，约是其对应的背景点排放量的1.26～7.37 倍，相当于增加了背景道路长度的0.10～2.55 km，平均增加了1.16 km。

表2 不同类型工地（场站）出口及背景点道路扬尘排放特征Table 2 Road dust emission characteristics at exits and background points of different types of construction sites (stations)

2.3 工地（场站）出口道路扬尘排放空间特征

2.3.1工地（场站）尘负荷空间分布

基于道路尘负荷快速走航监测法，进一步探究北京市通州区300 个工地（场站）出口道路尘负荷空间分布特征，结果如图6 所示。从图6 可以看出，各工地（场站）出口道路尘负荷明显较通州区常规道路尘负荷均值（0.59 g/m2）高，梁珊等[33]对上海市施工工地扬尘研究表明，施工扬尘与工程施工规模和工地密度有关，结合图6，工地（场站）出口及周边道路尘负荷也与工地（场站）的分布密度相关[34]，但是工地（场站）出口及周边道路尘负荷的影响因素更加复杂，显然通州区中北部区域工地更密集。虽然其对应出口道路尘负荷较常规道路尘负荷明显升高，但是总体上却低于南部区域，其原因为：1）北部部分区域较为繁华，城市化程度更高，因此工地类型多以房建工地为主，而南部大部分为郊区，搅拌站和消纳场分布相对较多，结合表1 也说明不同工地（场站）类型出口道路尘负荷差异明显；2）北部城区道路清扫频率较南部郊区更高；3）北部城区较南部郊区各出口道路破损概率更低。

图6 工地（场站）及其出口和周边道路尘负荷分布特征Fig.6 Silt loading distribution characteristics at the exit and surrounding roads of the construction sites (stations)

2.3.2工地（场站）出口道路扬尘排放量空间分布

基于ArcGIS 10.5 软件，把各工地（场站）出口道路长度、日均车流量和道路扬尘排放因子代入式（3），计算各路段上的扬尘日排放量，然后对其进行空间分配，建立整个通州区域内300 个工地（场站）的网格（1 km×1 km）排放清单（图7）。从图7 可以看出，北部城区各工地（场站）出口道路扬尘日排放量稍低于南部郊区，这也归因于南部部分郊区道路尘负荷较大，但北部城区部分区域道路扬尘日均排放量处于相对较大值，可能是由于城区路网密集、车流量大等原因造成的。

图7 各工地（场站）出口道路PM10、PM2.5 排放量空间分布Fig.7 Spatial distribution of PM10 and PM2.5 emissions on exit roads of each construction site (station)

2.4 工地（场站）出口道路扬尘防治建议

施工工地（场站）出口道路由于渣土车遗撒、车轮带泥、施工现场扬尘扩散沉降等原因，尘负荷远高于常规道路。需要严格施工现场扬尘管控，加强工地（场站）门前三包管理，保证渣土车清洗后上路，加大渣土车、搅拌车遗撒和车轮带泥处罚力度，从源头削减道路积尘。

房建工地的一般施工周期为2～3 年，且在土方施工阶段对其出口道路尘负荷影响较大[35-36]，该阶段应重点管控。交通和水务工地施工期较短，通常会在1 年内完工，作业时常伴随土方工程，应注意封闭施工区域，采取适当的降尘措施，减少对周边道路及环境的影响。园林绿化工地施工期最短，多集中在扬尘污染较严重的春季，应注意封闭施工区域，采取适当的降尘措施，减少对周边道路及环境的影响。拆迁工地在拆除过程作业扬尘明显，拆除后可能长时间闲置，因此拆除过程应采取喷淋等湿式降尘措施，拆除后闲置阶段应采取苫盖或密闭等手段，防治扬尘污染。搅拌站和消纳场多为长期存在，且出口尘负荷较高，属于重污染路段，需要长期重点管控，增加清扫频次，及时洒水降尘。

工地（场站）对周边道路尘负荷有直接影响，随着距工地（场站）出口距离增加，尘负荷逐渐降低。应格外关注人员密集、车流量较大区域周边的施工工地（场站），加强监管，减少工地（场站）对周边区域的影响。

3 结论

（1）2020 年秋季北京市通州区不同类型工地（场站）出口2 个方向100 m 道路尘负荷均值排名为搅拌站＞消纳场＞拆迁工地＞房建工地＞水务工地＞园林绿化工地＞交通工地。常规道路尘负荷均为0.59 g/m2，各典型工地（场站）出口2 个方向100 m 尘负荷是常规道路的1.3～21.1 倍。

（2）典型工地（场站）出口道路尘负荷随距出口距离变化在不同的工地（场站）类型之间差异明显。搅拌站和消纳场因其出口尘负荷较大，影响的道路长度也更长；拆迁工地施工扬尘更大，对其出口道路影响距离也较远；园林绿化工地、交通工地和水务工地分别属于面源或线源污染，其出口道路尘负荷随距离变化可能会随机小路段升高；房建工地则对出口道路影响相对较小。

（3）通州区各典型工地（场站）出口2 个方向各200 m 道路的PM10和PM2.5排放因子是其背景点的1.26～7.37 倍，其对应的道路扬尘排放量相当于增加了背景点道路路长的0.1～2.55 km，平均增加了1.16 km。

（4）通州区300 个工地（场站）出口及周边道路尘负荷和PM10、PM2.5排放量空间分布表现为北低南高，工地密集的区域道路尘负荷也会相应的升高，车流量较大区域，道路扬尘排放量也会相应的提高。

（5）施工工地（场站）的类型、出口道路类型及车流量、施工周期、施工密度等均会影响其出口道路尘负荷，对具体的工地（场站）应采取本地化的精细化管理措施。