南寧市工地基礎(chǔ)施工揚(yáng)塵分布量化分析

郭翔翔，甘麟雄，丁　一,陳宗平

(廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 廣西南寧530004)

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南寧市工地基礎(chǔ)施工揚(yáng)塵分布量化分析

郭翔翔，甘麟雄，丁一,陳宗平

(廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 廣西南寧530004)

為量化分析在基礎(chǔ)施工階段工地內(nèi)的揚(yáng)塵分布情況，選取南寧市環(huán)境空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布系統(tǒng)公布數(shù)據(jù)作為對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量2015年10月到2016年1月間南寧某教學(xué)樓工地內(nèi)細(xì)顆粒物PM2.5和可吸入顆粒物PM10數(shù)值量。將測(cè)得數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化，減少數(shù)據(jù)變異性，使其接近正態(tài)分布，并選取置信度為95%的數(shù)據(jù)。對(duì)PM2.5及PM10排放量提取主成分表示排放強(qiáng)度。依據(jù)排放強(qiáng)度，將工地內(nèi)位置用系統(tǒng)聚類分成三類。結(jié)果顯示：①工地內(nèi)排放強(qiáng)度最大一類區(qū)域?yàn)殇摻罴庸づ铮诰驒C(jī)工作區(qū)，挖掘機(jī)破碎錘工作區(qū)，水泥攪拌區(qū)。利用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)對(duì)分類效果進(jìn)行檢驗(yàn)，得到分類效果良好。②排放強(qiáng)度最大一類區(qū)域PM10與PM2.5排放量呈極強(qiáng)正相關(guān)(R2=0.838)，即兩種污染物具有相同的污染源。③對(duì)排放強(qiáng)度與氣象因素進(jìn)行相關(guān)性分析，得到基坑周圍、工人生活區(qū)、道路邊、樁機(jī)和水泥車周圍排放強(qiáng)度和溫度呈顯著正相關(guān)和濕度呈顯著負(fù)相關(guān)，揚(yáng)塵主要來(lái)源于顆粒物擴(kuò)散。

施工；揚(yáng)塵；主成分分析；聚類算法

0　引　言

隨著城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)，大量建設(shè)項(xiàng)目的開展，施工作業(yè)對(duì)于大氣環(huán)境的影響愈發(fā)明顯。根據(jù)部分城市的顆粒物來(lái)源解析研究結(jié)果表明，施工揚(yáng)塵是造成城市顆粒物污染嚴(yán)重的重要因素[1-3]。施工揚(yáng)塵產(chǎn)生的揚(yáng)塵總量占城市總揚(yáng)塵量的32.1%[4],對(duì)總懸浮顆粒物(total suspended particulate，TSP)有重要貢獻(xiàn)，而大氣中過(guò)量的懸浮顆粒物會(huì)嚴(yán)重影響居民身體健康[5]。但是當(dāng)前國(guó)內(nèi)有關(guān)施工揚(yáng)塵的研究大多集中在工地整體揚(yáng)塵排放量的估算，而缺少對(duì)于工地內(nèi)部揚(yáng)塵分布的量化分析研究，因此難以確認(rèn)施工過(guò)程當(dāng)中污染最嚴(yán)重的位置。如何對(duì)揚(yáng)塵排放嚴(yán)重區(qū)域進(jìn)行針對(duì)性的處理，實(shí)現(xiàn)綠色施工，是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

對(duì)于現(xiàn)在的城鎮(zhèn)建筑工地，施工主要可以分成三個(gè)階段：基礎(chǔ)施工階段、主體結(jié)構(gòu)施工階段、裝飾施工階段，其中基礎(chǔ)施工階段揚(yáng)塵污染最為嚴(yán)重[6-7]。本文選取南寧西鄉(xiāng)塘區(qū)某教學(xué)樓工地，對(duì)于基礎(chǔ)施工階段工地PM2.5及PM10進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析工地內(nèi)部不同區(qū)域揚(yáng)塵排放強(qiáng)度，旨在找出工地顆粒物污染源，并得到污染物排放量的影響因素，為施工基礎(chǔ)階段降低揚(yáng)塵排放提供參考。

1　采樣與數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1采樣

測(cè)量顆粒物濃度儀器選用塞納威手持式PM2.5檢測(cè)器，型號(hào)CW-HAT200。儀器測(cè)量工作原理為光散射法，測(cè)量高度約為1.2 m，每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量時(shí)間為1 min。基礎(chǔ)施工階段，每周選取無(wú)雨的兩個(gè)整天，選取的每個(gè)測(cè)點(diǎn)每隔一個(gè)小時(shí)記錄一次讀數(shù)。數(shù)據(jù)包括：PM2.5濃度、PM10濃度、時(shí)間、溫度、相對(duì)濕度。選取南寧市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布系統(tǒng)發(fā)布的西鄉(xiāng)塘區(qū)測(cè)站測(cè)量得到的PM2.5以及PM10的每小時(shí)均值為背景值。根據(jù)灌注樁基礎(chǔ)施工工藝特點(diǎn)，將基礎(chǔ)施工分為兩階段進(jìn)行測(cè)量：土方施工階段(2015年10月初～2015年11月末)及樁基施工澆筑階段(2015年12月初～2016年1月初)。根據(jù)位置不同，在工地內(nèi)部選取十類測(cè)點(diǎn)，分別為工地圍墻外、道路邊、鋼筋加工棚、挖掘機(jī)工作區(qū)、炮機(jī)工作區(qū)、水泥砂漿攪拌區(qū)、基坑邊角點(diǎn)(共八個(gè)點(diǎn))、工人生活區(qū)、樁機(jī)工作區(qū)、水泥罐車周圍。具體位置如圖1所示：

1.入口; 2.道路邊; 3.工人生活區(qū); 4.水泥砂漿攪拌區(qū); 5.鋼筋加工棚; 6～13.基坑周圍

1.2數(shù)據(jù)預(yù)處理

利用spss22.0及Excel對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)獲得的PM2.5及PM10數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化，減小原始數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)變異性，使數(shù)據(jù)分布接近正態(tài)分布。取置信度95%的個(gè)案進(jìn)行分析，即排除數(shù)據(jù)當(dāng)中超出(μ-1.96σ，μ+1.96σ)的個(gè)案(μ與σ分別是正態(tài)分布的平均值及標(biāo)準(zhǔn)值)。再對(duì)原數(shù)據(jù)和對(duì)數(shù)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，檢驗(yàn)水準(zhǔn)a取為0.05[8]。對(duì)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換前后的兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析得到，在對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化后數(shù)據(jù)和原數(shù)據(jù)的Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.863和0.874，具有極強(qiáng)相關(guān)作用，即對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化過(guò)程合理。土方施工階段實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)322個(gè)，選取292個(gè)，數(shù)據(jù)有效率90.7%。樁基澆筑階段實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)120個(gè)，選取個(gè)案112個(gè)，數(shù)據(jù)有效率93%。對(duì)篩選以后的個(gè)案進(jìn)行統(tǒng)計(jì)描述如表1：

表1　個(gè)案選取情況與統(tǒng)計(jì)描述Tab.1　Data selection and statistical description

2　分析與解釋

2.1排放強(qiáng)度指標(biāo)

將實(shí)測(cè)得PM2.5及PM10值減去背景值對(duì)應(yīng)時(shí)間的值得到工地排放的PM2.5和PM10值。對(duì)PM2.5及PM10排放量進(jìn)行相關(guān)性分析。分析得到兩變量的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.825，即兩變量具有極強(qiáng)相關(guān)性?？梢酝ㄟ^(guò)主成分分析提取一個(gè)主成分來(lái)實(shí)現(xiàn)變量降維[9]，主成分分析得到的成分提取過(guò)程的指標(biāo)特征值和貢獻(xiàn)率見(jiàn)表2，因子載荷矩陣見(jiàn)表3。

表2　指標(biāo)特征值與貢獻(xiàn)率Tab.2　The index characteristic value and contribution

表3　因子載荷矩陣Tab.3　The availability of the load factor for the original indicators

由表2可以看到提取的第一個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率為91.259%，選取這一主成分來(lái)反映工地PM2.5及PM10 的排放強(qiáng)度，記作Z,則可以結(jié)合成分矩陣寫出排放強(qiáng)度Z的表達(dá)式為：

Z=0.707×ΔPM2.5+0.707×ΔPM10。

(1)

根據(jù)主成分表達(dá)式分別計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)個(gè)案的主成分?jǐn)?shù)值，計(jì)算各測(cè)點(diǎn)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區(qū)域分類

圖2　聚類分析譜系圖Fig.2　Cluster analysis graph

為了找出需要在施工過(guò)程當(dāng)中著重關(guān)注的揚(yáng)塵排放位置，并且了解不同位置揚(yáng)塵的來(lái)源與影響因素，于是將各位置依據(jù)排放強(qiáng)度進(jìn)行分類。選用SPSS自帶系統(tǒng)聚類方法對(duì)位置進(jìn)行分類。對(duì)排放強(qiáng)度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后，利用平方Euclidean 距離進(jìn)行分類，繪制出系統(tǒng)聚類譜系圖如圖2。

根據(jù)譜系圖顯示將十個(gè)位置分成三類：第一類為出工地圍墻外位置，主成分Z平均值為4.543，顯示此位置揚(yáng)塵量?jī)H略大于背景值。說(shuō)明工地圍墻對(duì)于揚(yáng)塵擴(kuò)散有良好的抑制效果。第二類包括基坑周圍、民工生活區(qū)、道路邊、樁機(jī)和水泥車周圍。第三類包括水泥砂漿攪拌區(qū)，炮機(jī)工作區(qū)，鉤機(jī)工作區(qū)，鋼筋加工棚。這幾個(gè)位置是揚(yáng)塵排放強(qiáng)度最高的位置，且是工地當(dāng)中施工強(qiáng)度最大的位置。

對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，得到三個(gè)類別之間的T檢驗(yàn)P值矩陣如表5。

表5　分類結(jié)果獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)Tab.5　Independent sample T test on the classification

根據(jù)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)P<0.05,可以看出將測(cè)點(diǎn)分為三類的分類效果良好。

2.3PM2.5及PM10排放相關(guān)性

對(duì)各個(gè)區(qū)域的PM10排放量和PM2.5排放量進(jìn)行線性擬合。第一類區(qū)域兩類顆粒物排放量之間擬合的R2為0.056，而線性擬合的R2在第二類區(qū)域中則是0.574,在排放強(qiáng)度最大的第三類區(qū)域兩者有良好線性關(guān)系。線性擬合可以得到方程：

圖3　PM10與PM2.5排放量線性擬合Fig.3　Linear fit of emissions of PM10 and PM2.5

(2)

擬合的置信度R2=0.838。

由擬合方程的R2可以看出，兩變量線性關(guān)系良好，說(shuō)明在第三類區(qū)域中PM2.5和M10排放具有相同的排放源。利用配對(duì)樣本T檢驗(yàn)對(duì)兩個(gè)排放量檢驗(yàn)得顯著性系數(shù)4.1-12<0.05，即工地基礎(chǔ)施工階段PM10的排放量顯著大于PM2.5的排放量。工地排放的顆粒物以粒徑大于10 μm的為主。

重慶、杭州、北京、武漢等地都有研究稱建筑水泥塵是大氣環(huán)境中顆粒物污染的重要影響因素[10-14]。而第三類區(qū)域中的水泥砂漿攪拌區(qū)和炮機(jī)破碎錘工作區(qū)域都會(huì)產(chǎn)生建筑水泥塵，實(shí)測(cè)揚(yáng)塵排放數(shù)值大。水泥砂漿攪拌區(qū)堆放大量袋裝干拌砂漿，在磚胎模砌筑階段加水混合，用于砌筑和抹灰?，F(xiàn)場(chǎng)需將袋裝干拌砂漿倒入攪拌機(jī)，且攪拌作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)疏于清理，地面水泥塵易受機(jī)械擾動(dòng)，所以砂漿攪拌區(qū)對(duì)周圍顆粒物濃度產(chǎn)生較大影響。鋼筋加工棚加工則進(jìn)行作業(yè)時(shí)在短時(shí)產(chǎn)生大量PM2.5及PM10排放，對(duì)加工棚下風(fēng)口揚(yáng)塵濃度產(chǎn)生巨大影響。在樁基施工階段，使用灌注樁工藝施工時(shí)需要大量的焊接作業(yè)，這一階段的焊接作業(yè)大幅度增大了工地?fù)P塵排放強(qiáng)度。對(duì)樁基施工階段和土方施工階段的排放強(qiáng)度進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，得到兩個(gè)類別之間雙尾顯著性系數(shù)0.025<0.05，即樁基施工排放顯著大于土方施工。

2.4排放強(qiáng)度與溫度濕度的相關(guān)性

基于系統(tǒng)聚類的分類結(jié)果，對(duì)每一類位置排放強(qiáng)度和溫度、濕度、進(jìn)行相關(guān)性分析。分析結(jié)果如表6所示。

表6　排放強(qiáng)度與氣象因素相關(guān)性Tab.6　Correlation of emissions intensity and meteorological factor

注：**表示相關(guān)性在0.01層上顯著(雙尾)。

根據(jù)相關(guān)性分析的結(jié)果可以看到只有第二類位置排放強(qiáng)度關(guān)于溫度和濕度相關(guān)性顯著。第二類區(qū)域在工地當(dāng)中所占面積最大，揚(yáng)塵排放強(qiáng)度與濕度成負(fù)相關(guān)，與溫度呈正相關(guān)。空氣中的相對(duì)濕度越大，則施工揚(yáng)塵顆粒易于水汽結(jié)合成較大的顆粒，將PM10轉(zhuǎn)化成為更大的顆粒，降低了可吸入顆粒物在空氣中的含量，同時(shí)降低了揚(yáng)塵擴(kuò)散能力，導(dǎo)致二類區(qū)域的排放強(qiáng)度指標(biāo)下降。如第二類當(dāng)中的水泥車周圍區(qū)域，雖然基礎(chǔ)施工階段混凝土大部分來(lái)源于商品混凝土，但是水泥車運(yùn)送的商品混凝土已經(jīng)充分?jǐn)嚢?，自由的微顆粒物少，且裝在相對(duì)封閉的罐體當(dāng)中，對(duì)周圍的顆粒物濃度影響較小。第二類區(qū)域的基坑周圍、工人生活區(qū)、道路邊、樁機(jī)和水泥車周圍排放主要來(lái)自顆粒物擴(kuò)散作用。

第三類區(qū)域作為施工揚(yáng)塵排放量最大的區(qū)域，排放強(qiáng)度主要受施工強(qiáng)度影響，排放的顆粒物主要來(lái)自自身。其對(duì)周邊區(qū)域的影響較大，受溫度和濕度的影響較小，所以排放強(qiáng)度與這兩個(gè)因素的相關(guān)性并不顯著。而圍墻外排放強(qiáng)度低，受到車輛運(yùn)行揚(yáng)塵等其他因素的影響較大，使得相關(guān)性有所下降。

3　討　論

對(duì)于施工工地?fù)P塵檢測(cè)來(lái)說(shuō)，測(cè)量數(shù)據(jù)波動(dòng)大，數(shù)據(jù)解釋性差，難以精準(zhǔn)測(cè)定具體位置的排放強(qiáng)度。如能夠選用更有效的數(shù)據(jù)降噪方法，并建立不同位置間的揚(yáng)塵排放之間影響關(guān)系的矩陣，可以通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能算法對(duì)各位置的揚(yáng)塵排放強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過(guò)溫濕度、位置、施工階段、背景排放量等參數(shù)針對(duì)污染最嚴(yán)重的位置進(jìn)行定位，并進(jìn)行處理。

利用本文所提供的方法，可以對(duì)不同施工工藝和材料對(duì)于顆粒物排放的影響程度進(jìn)行評(píng)估，如商品混凝土和現(xiàn)場(chǎng)攪拌混凝土，干拌砂漿和濕拌砂漿，木模版和新型材料模板等可以相互對(duì)比。同時(shí)為了減少施工階段的揚(yáng)塵污染，需要更多地關(guān)注工地內(nèi)部的揚(yáng)塵分布情況，才能在施工管理時(shí)做到有的放矢，實(shí)現(xiàn)綠色施工的目標(biāo)。

4　結(jié)　語(yǔ)

①工地內(nèi)排放強(qiáng)度最大一類區(qū)域?yàn)殇摻罴庸づ?，挖掘機(jī)工作區(qū)，炮機(jī)工作區(qū)，水泥攪拌區(qū)。利用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)對(duì)分類效果進(jìn)行檢驗(yàn)，得到分類效果良好。

②排放強(qiáng)度最大一類區(qū)域PM10與PM2.5排放量呈極強(qiáng)正相關(guān)(R2=0.838)，即兩種污染物具有相同的污染源。

③對(duì)排放強(qiáng)度與氣象因素作相關(guān)性分析，得到基坑周圍、工人生活區(qū)、道路邊、樁機(jī)和水泥車周圍排放強(qiáng)度和溫度呈顯著正相關(guān)和濕度顯著負(fù)相關(guān)，揚(yáng)塵主要來(lái)源顆粒物擴(kuò)散。

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(責(zé)任編輯唐漢民梁碧芬)

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

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51578163)；大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目(T3030098224)

陳宗平(1975—)，男，廣西玉林人，廣西大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師;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.南寧市工地基礎(chǔ)施工揚(yáng)塵分布量化分析[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，41(4)：1285-1290.