胡伟成，袁紫婷，陈华鹏，刘 伟，邢浩然，王永祥，金峻炎，孙世龙
（1. 华东交通大学交通运输工程学院，江西 南昌 330013；
2. 南昌交通学院土木建筑学院，江西 南昌 330100；
3. 华东交通大学土木建筑学院，江西 南昌 330013；
4. 华东交通大学智能交通基础设施研究所，江西 南昌 330013）
场地平整、基础工程、结构工程及建筑物料运输等建筑施工过程产生的扬尘颗粒是大气污染物的主要来源之一，其对大气中PM10（可吸入颗粒物，粒径小于10 μm）和PM2.5（细颗粒物，粒径小于2.5 μm）的颗粒物浓度贡献率分别可达到38.9%和37.7%[1]。这些扬尘颗粒物不仅会对植被和周围环境造成严重的影响， 而且会引发人体的各类呼吸系统疾病，严重危害人类的身体健康[2]。
国内外学者从多个角度分析研究了施工扬尘空间扩散特性及危害，包括扬尘化学元素特征[3]、扬尘排放特征[4]和扬尘控制措施[5]等。
田刚等[6]通过对北京市某大型建筑工地进行现场实测得到了132组相关数据，以此探讨了建筑工地内的PM10排放率随风速的变化规律，发现施工扬尘排放强度随风速增大而增加。
刘嘉明等[7]探究了西安市夜间土方工程施工的扬尘排放特征，发现土方施工过程产生的扬尘浓度与风速呈负相关。
侯亚峰等[8]通过分析北京市土方施工过程产生的扬尘浓度后发现，不同粒径颗粒物浓度均与风速呈负相关。
随着计算机水平的提高，数值模拟技术在扬尘空间扩散研究上的应用越来越广[9-10]。
邓济通等[11]利用计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD） 模拟技术研究了不同围挡高度对土方施工过程产生的扬尘污染情况，结果表明，2.2 m 围挡高度围成的施工工地对外界环境造成的扬尘污染影响最小，且风速越大围挡防止施工扬尘向外界空间扩散的效果越差。
阮顺领等[12]针对施工扬尘的空间扩散进行数值模拟分析，发现扬尘浓度随风速增大而逐渐减小。
单晓宇等[13]利用Fluent 软件模拟不同来流风速和围挡离工地距离下的施工扬尘空间扩散，发现围挡后方扬尘浓度随风速增大而减小，围挡离工地较远时更有利于抑制扬尘扩散，且围挡离工地10 m 时，3.3 m/s 风速下的扬尘浓度达到最高。
然而，现有施工扬尘空间扩散数值模拟相关研究考虑的来流大多为均匀流，且扬尘颗粒粒径单一，数值模拟结果未与工地实测数据进行对比验证，结论的科学性与合理性仍有待研究。
本研究以北京市某实际工地数据为基础[14]，来流风速采用指数律风剖面形式[15]，利用CFD 技术模拟工地附近施工扬尘污染的空间分布与扩散，并与工地实测扬尘浓度数据进行对比验证；
对比分析了6 种围挡高度和6 种指数律剖面来流风速下的施工扬尘空间扩散特性，为施工扬尘污染管理控制措施的制定提供有力保障。
1.1 CFD 模拟理论基础
在施工扬尘污染扩散的CFD 模拟中， 需要准确模拟空气介质的流动以及空气与扬尘颗粒之间的相互作用。
空气为连续流体介质，扬尘颗粒为固体介质，可采用离散相对二者进行模拟。
CFD 模拟中，由于空气流速较慢，通常假设空气为不可压缩流体[15]。本文采用标准k-ε 湍流模型求解流场分布，相关控制方程如下
式中：t 为时间，s；
xi为3 个坐标分量，m；
ui为3 个速度分量，m/s；
P 为压强，Pa；
k 为湍动能，m2/s2；
ε 为湍动能耗散率，m2/s3；
ρ 为空气密度，kg/m3；
v 为空气运动黏度，m2/s；
，τij=2vτSij-2/3kδij为雷诺应力，m2/s2；
vτ=Cμ，为湍流运动黏度，m2/s；
Sij=0.5)，为平均速度梯度，s-1；
Cμ，C1ε，C2ε，δk和δε为模型参数，分别为0.09，1.44，1.92，1.0 和1.3。
根据式（1）～式（5）可求解整个流场的风速、压强、湍动能和湍动能耗散率分布，通过指定扬尘颗粒的密度、直径、初始位置和初始速度，即可计算扬尘颗粒的受力状态， 从而通过反复迭代预测每个扬尘颗粒的运动轨迹， 最终求得整个区域的扬尘颗粒位置和浓度分布。
由于扬尘颗粒之间的相互碰撞会造成一定的耗散， 且扬尘颗粒会反过来对流场产生一定的影响；
本文采用随机轨道模型[16]与双向耦合算法[17]，充分考虑空气与扬尘颗粒的相互作用。
1.2 CFD 模拟入口边界条件
《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）中规定了A、B、C、D 共4 类标准地貌， 这4 类标准地貌中的风速沿高度变化的剖面均满足指数律分布形式，在CFD 模拟中必须考虑指数律风剖面形式。本文定义CFD 模拟的入口边界条件[18－19]如下
式中：U（z），Iu（z），k（z）和（z）分别为地面高度z 处的平均风速，湍流强度，湍动能和湍动能耗散率；
zr为参考高度；
Ur为参考高度处的平均风速；
α 为风剖面指数，与地貌类别有关，4 类标准地貌的取值分别为0.12，0.15，0.22 和0.30；
I10为10 m 高 度处湍 流强度，与地貌类别有关，4 类标准地貌取值分别为0.12，0.14，0.23 和0.39。
1.3 工程案例概况
以北京市国家游泳中心建筑工地为例[14]，该工地施工期间为2004 年5 月至2005 年5 月。
在施工期间， 距离工地围挡0～105 m 的水平位置布置8 个测点，测点的水平间隔为15 m，测点离地高度为3 m，测量每个测点位置在每个月份的施工扬尘浓度。
该工地顺风向长度为95 m，围挡高度为2 m。为验证施工扬尘空间扩散CFD 模拟结果的准确性与可靠性，选取施工阶段达到中期且施工扬尘浓度最高的的2004 年11 月的工地监测扬尘浓度数据进行对比验证， 重现整个区域的施工扬尘颗粒空间分布与扩散过程。
本文选取该工地扬尘监测数据用于CFD 模拟对比验证的原因在于其扬尘监测数据比较可靠，且工地的相关参数相对比较明确，模拟难度较低。
1.4 施工扬尘污染评估指标
施工扬尘污染的常用评估指标包括扬尘浓度、扬尘排放率以及扬尘逃逸比等。
扬尘浓度能够直观表示施工扬尘的污染情况，在评估扬尘污染程度时应用最为广泛[20]。然而，扬尘浓度无法考虑风速对扬尘颗粒的迁移作用而导致的污染加剧效应。
与之相比，扬尘排放率是单位时间通过单位面积的扬尘质量，等于扬尘浓度乘以风速[6]，是综合考虑扬尘浓度和风速迁移作用的评估指标。
在对比施工扬尘对人体造成危害的严重程度时， 多数研究仅考虑1.5 m呼吸高度处的扬尘浓度或扬尘排放率大小。
然而每个个体的呼吸高度存在显著差异，特别是成人与小孩，成人的平均呼吸高度为1.5 m 左右，小孩则只有0.5 m 左右。仅用1.5 m 呼吸高度处的扬尘污染参数作为评估指标的方法不够全面。
本文考虑人体的呼吸高度范围约为0.5～1.5 m，提出该高度范围内的平均扬尘排放率如式（10），作为评估施工扬尘对人体危害的指标。
式中：Rm为0.5 m～1.5 m 呼吸高度范围内的平均扬尘排放率，μg/（m2／s）；
R（z）为高度z 处的扬尘排放率，μg/（m2/s）；
C（z）为高度z 处的扬尘浓度，μg/m3；
U（z）为高度z 处的平均风速。
为评估施工扬尘对外界环境的污染强度，可采用扬尘逃逸比进行对比分析。
扬尘逃逸比是指逃离工地的扬尘颗粒数与工地释放的扬尘颗粒数之比，如式（11）。
逃逸比越大，表示施工扬尘对外界环境的影响越大[11]。
式中：Rescape为扬尘逃逸比；
Nemission为释放扬尘数目；
Nescape为逃离工地扬尘数目。
2.1 工程案例气象风速数据分析
由中国气象数据网下载得到施工工地附近的气象风速观测数据（http://data.sheshiyuanyi.com/WeatherData/），选定离目标工地最近的北京市海淀区气象站，该气象站的站台编号为54511，气象观测点距离地面高度为31.3 m。
工地施工期横跨2004年和2005 年，统计分析该气象站2004 年1 月1 日至2005 年12 月31 日这段时期内的日平均风速和日极大风速，绘制风频分布和风速累计分布函数如图1。
图1 日均风速的风频与累计分布函数Fig.1 Wind frequency and cumulative distribution function of diurnal mean wind velocity
由图可知，该工地所处地理位置的日平均风速所在区间最大可能为1.5～2.0 m/s 和2.0～2.5 m/s，发生概率为27%和20%，日极大风速所在区间最大可能为4～5 m/s 和3～4 m/s， 发生概率为21%和20%。整体而言，其日平均风速最大可能在2 m/s 左右，日极大风速最大可能在4 m/s 左右。
为对比研究来流风速对施工扬尘空间分布与扩散特性的影响， 针对日平均风速和日极大风速，选择累计分布函数的50%，80%和95%分位点，作为CFD 模拟的来流风速。
目标工地中，日平均风速的3 个分位点对应风速分别为2，3 m/s 和4 m/s，日极大风速的3 个分位点对应风速分别为5，7 m/s 和9 m/s；
因此，本文对比的来流风速总计6 个，包括2，3，4，5，7 m/s 和9 m/s。注意，此处描述的来流风速为气象观测点距离地面高度31.3 m 处的平均风速，即式中的参考高度zr=31.3 m，参考高度处平均风速Ur为来流风速，CFD 模拟时入口风速按照式的指数律剖面给定。
在对比分析之前，需要先验证CFD 模拟结果的准确性与可靠性。
本文以目标工地2004 年11 月的扬尘浓度监测数据[14]为对比对象，进行施工扬尘空间扩散的CFD 模拟。
根据统计，该工地2004 年11月的月平均风速为2.2 m/s，风力等级为2 级。
根据该工地所处地理位置， 确定其为标准B 类地貌，可确定式（6）～式（9）的入口边界条件相关参数为：α=0.15，I10=0.14，zr=31.3 m，Ur=2.2 m/s。
2.2 数值建模
利用商用软件Ansys 14.5 的流体力学模块Fluent 进行CFD 模拟，根据工地特点建立如图2 的二维简化数值模型[21－22]。
图2 CFD 模拟计算域与局部网格示意Fig.2 Schematic diagram of calculation domain and local grid of CFD simulation
根据工地的实际情况，确定施工区域的长度为95 m。
为避免入口来流和出口边界对模拟结果的影响，在施工工地前后分别设置15 m 和950 m 的过渡段和尾流发展段， 其中尾流发展段的长度为施工区域长度的10 倍。
计算域的高度通常需大于障碍物的10 倍，本文取为该围挡高度的20 倍，即为40 m。因此，整个计算域大小为1 060 m × 40 m，其中1 060 m 为顺风向（x）长度，40 m 为竖向（z）高度。为准确模拟围挡附近的复杂流动现象， 针对围挡附近进行网格加密。在x 方向，将过渡段、施工段和尾流段分别划分为15，100 个和90 个网格， 共计205个；
在z 方向，将地面至围挡高度和围挡高度至顶部划分为40 个和48 个网格，共计88 个。
因此，整个计算域的网格数量总计为18 040 个。本文采用的网格下近壁面无量纲网格尺度为42，满足[30，100]范围内要求，可以达到预期模拟精度。
2.3 边界条件与参数设置
本次模拟在四核英特尔酷睿i7-4790K 处理器上进行，CFD 模拟的相关参数设置如表1[13，23]。
模拟设定收敛准则为10-6， 同时监测出口处3 m 高度处的平均风速，当出口风速变化不大时表明模拟基本趋于稳定。经测定，模拟在10 000 步后趋于稳定，统计稳定后10 000 步的平均风速和扬尘浓度数据用于分析研究。
表1 CFD 模拟参数设置Tab.1 Parameter settings of the CFD simulations
2.4 CFD 模拟结果验证
为验证施工扬尘空间扩散CFD 模拟结果的准确性与可靠性，将CFD 模拟得到的扬尘浓度数据与工地实测扬尘浓度数据进行对比。
提取距离围挡水平长度0～120 m，地面高度3 m 位置的CFD 模拟扬尘浓度数据，绘制扬尘浓度沿水平方向扩散的模拟结果与实测数据对比图， 如图3。
由图3 可以看出，CFD 模拟结果与实测数据吻合较好，二者的均方根误差RMSE 仅为17.08 μg/m3，决定系数R2为0.949 3。因此，该施工扬尘CFD 模拟的结果较为可靠，为不同围挡高度和来流风速下施工扬尘空间扩散CFD模拟提供了可靠有力支撑。
图3 CFD 模拟扬尘浓度水平扩散结果验证Fig.3 Verification of CFD results with horizontal dust concentration diffusion
《建筑施工安全检查标准》（JGJ 59-2011）规定一般路段的工地必须设置封闭围挡，且围挡高度不得低于1.8 m， 而通常围挡高度最高不超过3 m，因此， 本文选取1.8，2.0，2.2，2.5，2.8，3.0 m 共6 种围挡高度进行施工扬尘空间扩散特性对比研究。
来流风速取第2.1 节中的6 个风速， 即2，3，4，5，7 m/s和9 m/s，与围挡高度共构成36 组工况。
采用CFD模拟技术对比分析不同围挡高度和来流风速对施工扬尘空间扩散特性的影响。
3.1 围挡高度的影响
3.1.1 扬尘浓度水平向分布
由于日平均风速发生频率最高为2 m/s， 对比该风速下不同围挡高度的扬尘浓度空间分布。
图4为6 种围挡高度下1.5 m 呼吸高度扬尘浓度沿水平方向的扩散结果。
可以看出，围挡高度为1.8，2.5 m和3.0 m 时，离围挡水平距离20 m 处的扬尘浓度分别 为172，154 μg/m3和136 μg/m3， 最 大 差 异 为26.5%。
表明围挡高度越高，则围挡对扬尘扩散的阻挡效应越强，导致扬尘浓度越低。
但围挡影响扬尘浓度的水平范围有限，不同围挡高度下在距离围挡水平长度60 m 左右基本趋于一致。
图4 不同围挡高度下1.5 m 呼吸高度处扬尘浓度水平扩散结果-来流风速2 m/sFig.4 Horizontal dispersion results of dust concentration at 1.5 m breathing height under different fence heightswhen incoming wind velocity is 2 m/s
3.1.2 扬尘浓度竖向分布
根据刘伟等[24]的分析结果可知，施工扬尘达到中度污染的最远距离为42 m， 超过42 m 可视为轻度污染区域，该结论对于本文不同围挡高度的影响分析同样适用。
本文取距离围挡水平长度42 m 位置处的扬尘浓度进行对比分析，研究不同围挡高度下扬尘浓度沿竖向的扩散特性，如图5。
可以看出，在呼吸高度0.5～1.5 m 范围内，6 种围挡高度的扬尘浓度分别在79～82，73～78，75～80，70～77，67～72 μg/m3和64～71 μg/m3区间内。1.8 m 和3.0 m 围挡高度导致的扬尘浓度最大差异约为23.1%。
若按照扬尘浓度从高到低排序，则为围挡1.8 m＞2.2 m＞2.0 m＞2.5 m＞2.8 m＞3.0 m。
整体而言，围挡高度越高，呼吸高度范围内的扬尘浓度越低，扬尘污染越弱。
图5 不同围挡高度下离围挡水平长度42 m 处扬尘浓度竖向扩散结果-来流风速2 m/sFig.5 Vertical dispersion results of dust concentration at 42 m from the fence under different fence heightswhen incoming wind velocity is 2 m/s
3.1.3 平均扬尘排放率
为综合考虑扬尘颗粒随风迁移作用及对人体造成的危害，绘制不同围挡高度和来流风速下离围挡水平距离42 m 处的0.5～1.5 m 呼吸高度内的平均扬尘排放率，如图6。
可以看出，来流风速为2，3，4，7 m/s 和9 m/s 时，3.0 m 围挡高度的平均扬尘排放率Rm分别为7.7，10.0，5.9，5.0 μg/（m2/s） 和5.0 μg/（m2/s）， 在6 种围挡高度中平均扬尘排放率均为最低， 比1.8 m 围挡高度的平均扬尘排放率分别低51.2%、12.6%、15.0%、21.9%和19.5%。
来流风速为5 m/s 时，2.8 m 围挡高度的平均扬尘排放率最低，为5.3 μg/（m2/s），而3.0 m 围挡高度平均扬尘排放率为5.8 μg/（m2/s），比1.8 m 围挡高度的平均扬尘排放率低8.9%。整体而言，在相同风速下，3.0 m 围挡高度的平均扬尘排放率最低，对人体造成危害最轻。
图6 不同围挡高度和来流风速下离围挡42 m 的平均扬尘排放率Fig.6 Average dust emission rate at 42 m from the fence under different fence heights and incoming wind velocities
根据以上分析可知，1.8，2.0，2.2，2.5，2.8 m 和3.0 m 这6 种围挡高度中，3.0 m 围挡高度的扬尘浓度和平均扬尘排放率整体最低，即对于阻挡施工扬尘空间扩散的效果最佳， 对人体造成的危害最轻，这也与围挡越高阻挡效果越好的认识基本一致。
3.2 来流风速的影响
根据图7 可以看出，当围挡高度低于2.6 m 时，来流风速越大， 距离围挡42 m 处的平均扬尘排放率越低， 对人体危害越小；
当围挡高度高于2.6 m时， 距离围挡42 m 处的平均扬尘排放率随来流风速的增加先增大后减小， 在来流风速为3 m/s 时达到最大，即对人体危害最大。对于3.0 m 围挡高度而言，来流风速为3 m/s 平均扬尘排放率最高，其次为来流风速2 m/s，二者相差28.6%；
不同来流风速导致的平均扬尘排放率最大相差99.0%。
为有效考虑施工扬尘对外界环境的影响，绘制不同围挡高度和来流风速下的扬尘逃逸比，如图7。可以看出，2 m/s 来流风速时，6 种围挡高度的扬尘逃逸比最大差异为1.2%；
3，4，5，7 m/s 和9 m/s 来流风速时，6 种围挡高度的扬尘逃逸比最大差异分别为0.6%，0.9%，0.6%，0.4%和0.6%。
由此可见，相同来流风速时， 围挡高度对扬尘逃逸比的影响较小，均小于1.2%；
因此，计算指定来流风速的6 种围挡高度的扬尘逃逸比的平均值，作为该来流风速扬尘逃逸比的代表值，用于分析来流风速对逃逸比的影响。2，3，4，5，7 m/s 和9 m/s 这6 种来流风速的平均扬尘逃逸比分别为10.6%，11.3%，12.5%，13.2%，4.5%和4.9%。可以发现，当来流风速在2～5 m/s 内，扬尘逃逸比随风速的增加而增大， 在5 m/s 时达到最大；
当风速超过5 m/s，扬尘逃逸比突然减小，之后保持不变。
这是因为风速较小时，风速越大，扬尘颗粒受到的迁移作用越强， 逃出工地的颗粒越多；
但当风速达到一定程度时，大部分扬尘颗粒在逃离工地之前，会被围挡阻挡并捕捉，逃离的颗粒反而会大幅减小。
整体而言，来流风速在2～5 m/s 时，施工扬尘对外界环境的危害会随风速的增加而加剧，并在来流风速5 m/s 时达到最强。
图7 不同围挡高度和来流风速下的扬尘逃逸比Fig.7 Dust fugitive ratios under different fence heights and incoming wind velocities
1） 将施工扬尘空间扩散的CFD 模拟结果与工地实测扬尘浓度数据进行对比，发现二者的扬尘浓度RMSE 误差仅为17.08 μg/m3。R2指标为0.949 3，表明二者的结果基本一致，验证了施工扬尘空间扩散CFD 模拟结果的准确性与可靠性。
2） 对比1.8，2.0，2.2，2.5，2.8 m 和3.0 m 共6 种围挡高度下施工扬尘空间扩散特性，发现相同风速下3.0 m 围挡高度的扬尘浓度和平均扬尘排放率整体最低， 表明3.0 m 围挡高度时能最有效阻挡施工扬尘空间扩散，对人体危害最低。
3） 对比2，3，4，5，7 m/s 和9 m/s 这6 种来流风速下施工扬尘空间扩散特性， 发现当围挡高度为3.0 m 时， 来流风速为3 m/s 的平均扬尘排放率最高，对人体危害最高，其次为来流风速2 m/s；
来流风速在2～5 m/s 内， 施工扬尘逃逸比随风速增加而增大，并在5 m/s 时达到最大，即对外界环境危害最高。
4） 本研究是针对北京市某施工工地而言，其结论可作为其它工地扬尘污染控制措施制定的依据，对于特定的工地需针对具体情况进行施工扬尘现场实测或CFD 模拟，帮助进行决策。
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