0 引 言
建筑垃圾的露天堆放或填埋，不仅占用土地资源，其中的有害物质扩散到大气中，或随着降水渗透到土壤及地下水中，对大气、土壤和地下水资源造成一定的污染。建筑垃圾的长期露天堆放也容易引起粉尘的无组织排放，增加空气中粉尘量，在适宜的温度湿度下，堆放过程中产生一系列化学反应，生成的有害气体和细菌等会对空气质量造成影响[1]。大气降尘是大气环境监测的重要指标之一，多指粒径在10 μm以上，依靠重力自然沉降在地面上的固体颗粒物。降尘很早就被作为工业粉尘及建筑扬尘大气污染的重要监测指标[2]。从空气动力学角度来讲，空气中的细颗粒物容易在气流的作用下向远距离传输扩散，而降尘作为粗颗粒物，极易沉降，扩散能力弱，容易造成近源污染，有明显的地域性，因此适合特定环境的大气污染监测。干湿沉降不仅是大气中污染物的主要去除途径之一，也是污染物进入土壤的主要途径[3]。大气降尘与总悬浮颗粒物(TSP)具有明显的正相关[4，5]，而多个研究表明，TSP、PM10和PM2.5之间也存在正相关[6-9]，因此降尘对环境空气质量具有重要指示作用。大气降尘可直接接触人体口、鼻等器官及皮肤表面，也可能对人体健康造成危害[10，11]。国内外已对建筑施工过程中空气颗粒物浓度和建筑扬尘的环境污染与健康风险进行了大量研究，其中建筑扬尘是重要的颗粒物污染开放源类之一，针对施工不同阶段的建筑扬尘排放量和排放强度有大量监测和经验模型[12-14]。施工过程是建筑垃圾产生的主要阶段，扬尘可直接影响能见度，是国内外学者的重点关注对象。而建筑垃圾产生后的处理过程，如常见的异地堆放和填埋等，易被忽视，但该过程具有持续时间长的特点，并且对环境有潜在影响。以降尘作为指标探讨建筑垃圾对空气质量影响有重要意义，降尘监测也是经济而有效的颗粒物浓度评估方法。本研究以降尘作为监测指标，通过在建筑垃圾堆放场周围布点，探究建筑垃圾堆放过程对周边空气环境颗粒物浓度的影响。
1 建筑垃圾概况
20世纪90年代以来，城市化和工业化快速发展的同时也带来了大量的建设副产物，建筑垃圾已经成为城市固体垃圾的重要组成部分。北京市定位为国家中心城市、超大城市，大量的城镇建设、市政交通建设产生了数量惊人的建筑垃圾。根据《北京统计年鉴》1978—2017年房屋建筑施工及竣工面积数据(2007年及以前，数据不包含农村农户房屋施工和竣工面积)，40多年来北京市竣工总面积超过89924.56万m2，每万平方米建筑面积可产生500～600 t建筑垃圾[15]。国际上对建筑垃圾早有关注，建筑垃圾是指建设、拆迁、装修等过程产生的垃圾，而为了更好地处置成分复杂的建筑垃圾，各个国家都对建筑垃圾有详细的分类标准。最早对建筑垃圾进行资源化处置的德国将其分为5种类别：拆建废物、道路施工废物、土壤和砾石、石膏基建筑垃圾和建筑建设垃圾[16]。欧盟对建设拆迁废物进行了具体的编码，分别对应8类[17]。日本将建筑垃圾称为建设副产物，类别分层设置更详尽多样，包含建设废弃物和再生资源两大主体部分，共4种类别21个种类[18]。美国将建筑垃圾称为“Construction and Demolition(C&D) Waste”(建造和拆除废物)，按安全类别分为惰性或非危险废物、危险废物及含有危险成分的废物三大类[19]。英国根据材料类型直接将建筑垃圾细分为混凝土、砖瓦、金属、木材和其他类别[20]。我国的建筑垃圾分类没有较成熟的体系，分类标准一般遵照《城市建筑垃圾和工程渣土管理规定(修订稿)》，按照来源将建筑垃圾分为土地开挖、道路开挖、旧建筑物拆除、建筑施工和建材生产垃圾5类。2017年《〈中华人民共和国固体废弃物污染环境防治法〉实施情况的报告》指出，我国固体废物产生量大、积存量多，其中建筑垃圾年产达到约18亿t。我国经济仍处于持续稳步发展中，建设工程量仍然巨大，交通、能源、水利、城市基础设施等建设继续加快，农村的城镇化也在稳步推进，老旧小区综合整治及农村危房改造等项目也在实施过程中。根据国家统计局数据显示，近10年来，我国建筑业房屋施工面积总体呈上升趋势，2018年达到1408920.41万m2，建筑垃圾生产潜力巨大。我国建筑垃圾已经占城市垃圾总量的30%～40%，在产量大的情况下，建筑垃圾资源化利用水平仍然较低，处置方法以填埋和堆放为主[21，22]。在建筑垃圾堆放普遍的情况下，探究建筑垃圾堆放场的建筑垃圾类型及其对大气环境的影响具有重要意义。
2 布点与采样
2.1 研究区背景
北京位于华北平原北部，春季多风沙，空气湿度较低，3—5月是尘暴主发期，容易造成颗粒物的逸散。所选取研究区建筑垃圾堆放场位于北京市房山区，堆放的建筑垃圾主要为渣土、碎石块、砖瓦碎块、混凝土块等。此处建筑垃圾堆堆放时间较长，已有数年历史，细颗粒物能通过风蚀作用扩散更远距离，粗颗粒物对近距离周围空气影响较大。建筑垃圾堆放场规模约为5.85万m2,其内部有一个建筑垃圾主堆和若干个小堆体，均覆盖防尘网，主堆位于西南部，高约20 m。
2.2 采样点位置和样品采集
研究区建筑垃圾堆放场附近地形平坦开阔，分布少量道路及村庄，污染源较集中，风向多变但平均风速较小，主风向突出。因此采样点以建筑垃圾堆放场为中心，按放射式布点法布设，共设38个监测点位。布设原则为距离中心越近，采样点越密集，最远的采样点距建筑垃圾堆放场约2.5 km。从中心向8个方位放射式布点，使各个风向都能进行有效监测。样品采集时间主要集中在2019年4月，采集时长为(30±2) d。
大气降尘样品采用湿法进行收集，加入60 mL乙二醇，200 mL蒸馏水作为收集液，采样期间持续观察，根据天气和实际采集情况添加蒸馏水以持续保持湿润。湿法采样可以避免二次起尘并抑制微生物及藻类的生长[23，24]。采样装置为玻璃材质的圆筒形降尘缸，底部平整且内壁光滑，内径为(14±0.17) cm，高30 cm，置于电线杆或树干上，距地面约2 m。建筑垃圾堆放场北侧有监测点降尘缸被人为损坏，采样点缺失，共收回36个样品(位置见图1)。样品采集完成后，用塑料薄膜覆盖取回。
图1 房山区大气降尘采样点分布示意
Figure 1 Sampling points distribution diagram of dust fall in Fangshan
2.3 降尘测定
降尘的测定采用GB/T 15265—94《环境空气 降尘的测定 重量法》，用镊子将收集液中的树枝、叶、昆虫等异物全部去除，借助淀帚把缸壁吸附的尘全部转移到收集液中，将收集液蒸发并烘干，这期间所有接触到收集液的器皿，都用蒸馏水冲洗干净以减少损失。空蒸发皿和瓷坩埚等均预先在烘箱内105 ℃烘干，置于干燥器内冷却，用万分之一电子天平称量至恒重(2次重量之差<0.4 mg)。样品在蒸发至干后，按上述方法同样称量至恒重。为去除乙二醇的影响，设置乙二醇水溶液空白样品，同样步骤进行称重计算。结果用降尘量表示，为每平方千米1个月(30 d)内从大气中沉降的颗粒物的质量，单位为t/(km2·30 d)。由于布点主要考虑建筑垃圾堆对大气降尘的影响，重点考虑建筑垃圾的位置和距离的关系，较少考虑其他下垫面因素，但从图1可明显看出，个别采样点存在其他污染源(道路、村庄)，因此出现部分明显异常值，剔除明显异常值之后，有效样品为27个。
3 结果与分析
3.1 降尘量数值节点
根据各点位监测数据显示，不同位置监测点的降尘量变化较大(表1)，距离建筑垃圾堆较近的点，其降尘量监测数值普遍较高，而距离建筑垃圾堆较远的点，除受其他污染源影响点位外，降尘数值普遍较近点位偏低。在以建筑垃圾堆放场为中心的降尘监测点中，降尘量最大值产生在与建筑垃圾堆放场距离≤150 m范围内的监测点中，为104.54 t/(km2·30 d)，此范围内5个监测点的降尘量平均值为75.09 t/(km2·30 d)；降尘量最小值的监测点位于建筑垃圾堆2000 m范围外，为12.56 t/(km2·30 d)，2000 m范围外的5个点位降尘量平均值为22.56 t/(km2·30 d)，降尘量数据变化相差悬殊，根据研究区下垫面条件，建筑垃圾堆应该是影响降尘量变化的因素之一。降尘量和距离有明显关系，随着距离变远，降尘量下降，推测建筑垃圾堆引起的降尘以大颗粒物为主，搬运距离较短，因此随着距离增大而减少。
表1 采样点距离与数值关系
Table 1 The numerical relationship between the distance of sampling points and monitoring values
采样点编号距建筑垃圾堆距离/m数值范围/[t/(km2·30 d)]平均值/[t/(km2·30 d)]1～5<15050.8～104.5475.096～15150～50017.36～62.6732.5316～21500～100014.02～28.1421.2722～271000～250012.56～31.9022.75
整体看来，距离建筑垃圾堆放场>500 m的监测点，降尘量数值有波动但变化不明显；距离建筑垃圾堆≤500 m的监测点位之间降尘量数值差异较大，除距离因素外，风向和下垫面均有一定的影响。受条件限制，在距离建筑垃圾堆放场150～500 m内存在偏低值的采样监测点，由于降尘缸多挂在树干上，可能受到一定的树枝遮蔽作用，导致降尘的沉降受阻碍，未能全部收集。进一步计算分析，距离建筑垃圾堆<500 m的监测点，平均降尘量为46.72 t/(km2·30 d)，低于距离范围在150 m内监测点的平均降尘量；距离建筑垃圾堆≥500 m的所有监测点，平均降尘量为22.01 t/(km2·30 d)；与距离建筑垃圾堆2000 m范围外监测点的平均降尘量数值大致相同。建筑垃圾堆引起的降尘大部分为难以扩散的大颗粒物，主要集中在150 m范围内，部分可达到500 m范围，而距离建筑垃圾堆500 m外不同距离范围内的降尘量相近，建筑垃圾堆是否有影响需要进一步对比分析。
根据北京市环境监测中心数据显示，北京市4月平均降尘量为9.9 t/(km2·30 d)，研究区同期降尘量远高于此平均值。其中，建筑垃圾堆放场150 m范围内的降尘量平均值超过北京市同期降尘量平均值的7倍，150～500 m范围内降尘量平均值约为北京市同期降尘量平均值的3倍，>500 m范围的降尘量平均值也达到北京市同期降尘量平均值2倍的水平。考虑到北京市不同地区降尘量可能存在差异，提取房山区各降尘监测点的数据进行对比，房山区监测点分别位于房山区府前广场、良乡、东风、燕山、京西南边界和昊远隆基桥东，每个地区各2个点位，其4月降尘量平均值为9.34 t/(km2·30 d)，低于北京市整体降尘量平均值，所有12个房山地区的监测点位最高值也仅为12 t/(km2·30 d)，因此排除区域大范围的污染因素。本研究区所有监测点中，最低值也高于背景值，建筑垃圾堆放场对研究区大气降尘具有较大的贡献。
3.2 降尘量空间分布特征
空间插值是根据已知的有限点集或分区数据，建立插值函数, 并将采样点集或分区范围内任意地理空间坐标代入函数，推求任意点或分区数据的某种属性值的方法。本实验应用ArcGIS软件作为数据分析工具，选取反距离权重(IDW)插值法和样条函数(Spline)插值法基于实测数据对区域降尘量进行空间插值并对比验证。Spline插值法可在空间插值过程中通过实测样点准确地拟合出连续光滑的表面；IDW插值法是1种基于相近相似原理的加权评价局部插值法，插值点的特征值受最近已知点的特征值的影响最大, 影响系数与距离成反比，2种插值结果如图2所示。建筑垃圾堆放场周围降尘量有向东北方向扩散的趋势。结合采样期间该地区地面逐时最大风速风向数据(原始数据来源于国家气象信息中心)，制作风频玫瑰图如图3所示，该时期主导风向为南风及西南偏南风。以建筑垃圾堆放场为中心，降尘量的扩散趋势与风向一致，建筑垃圾堆放场是研究区降尘的主要来源。
图2 降尘量空间插值结果
Figure 2 Interpolation results of dust fall
图3 房山区采样期间风频图
Figure 3 Wind frequency diagram during sampling in Fangshan
27个采样点降尘量与离建筑垃圾堆放场距离的关系如图4所示。随着监测点与建筑垃圾堆距离增大，降尘量总体呈下降趋势。
降尘总量； ——距离。
图4 不同采样点降尘总量与距建筑垃圾堆距离的关系
Figure 4 Dust fall amount and distance from construction waste dump
通过进一步分析发现，监测点的降尘量与离建筑垃圾堆的距离之间存在非线性相关关系，分别在距离值接近150，500 m时出现明显变化。距离≤150 m时，降尘总量数值普遍偏高，随着距离增加，在150～500 m时，降尘量明显下降，距离≥500 m后降尘量变化趋于平缓，如图5所示。这与上文分析的平均值变化一致，<500 m时不同距离范围内降尘量平均值不同，受垃圾堆影响显著。150 m内平均值最高，150～500 m平均值略下降，距离>500 m后，不同距离范围内的降尘量平均值大致相同，且小于距离建筑垃圾堆近的点位(≤500 m)平均值。对27个样本数据进行Spearman相关系数分析，降尘量和距离呈现显著性(P<0.01)，相关系数值为-0.615，两者之间存在明显的负相关。
图5 降尘总量与距建筑垃圾堆距离的关系
Figure 5 Correlation between the dust fall amount and the distance from the construction waste dump
3.3 降尘量空间变化趋势
以监测点距离建筑垃圾堆500 m为界限，研究不同范围内降尘总量和距离关系，如图6所示。可知：当监测点与建筑垃圾堆的距离<500 m时，降尘量随距离增加而减小，呈明显负相关，P<0.01,R=-0.669。Spearsman相关分析显示，在显著性明显(P<0.01)的情况下，两者相关系数的绝对值>0.7。当监测点与建筑垃圾堆之间的距离≥500 m时，随着距离增加，降尘量波动趋于平均值，较为平稳。对两者进行Spearsman相关性分析，在显著性水平较小的情况下，相关系数约为0.2，两者无明显相关性。因此，研究区建筑垃圾堆对降尘的影响主要集中在半径500 m的范围内，超出范围后，建筑垃圾堆对降尘的影响显著下降。但区域总体降尘量较房山区同期月平均降尘量仍然偏高，建筑垃圾堆对半径2.5 km范围内的降尘依然有影响，影响效果较为平均，不再随距离有明显变化。
图6 降尘总量与距建筑垃圾堆距离的关系
Figure 6 Correlation between the dust fall amount and the distance from the construction waste dump
4 结 论
建筑垃圾的大量集中堆放不仅占用土地资源，还会对建筑垃圾堆放场周围的环境有影响，空气中的颗粒物明显增多。其主要结论为：
1)建筑垃圾的堆放对环境空气中的降尘有显著影响，降尘量以建筑垃圾堆为中心呈现辐射递减趋势。堆放场附近降尘量较高，最大值可达到104.54 t/(km2·30 d)。
2)距离建筑垃圾堆越近，降尘量越大，距离≤150 m时，降尘量最高；距离在150～500 m时，降尘量下降明显，但数值仍然偏高；距离超过500 m后降尘量数值不再有明显变化，趋于平稳，最小值为12.56 t/(km2·30 d)。总体来看，降尘量与距离呈现负相关关系，且在距离<500 m时相关性显著。
3)研究区建筑垃圾堆半径500 m区域内的降尘量数值远超于半径2.5 km区域内的平均值。从区域整体看，降尘量平均值也高于同期房山区降尘量月平均值，建筑垃圾堆放场是主要的降尘贡献源。
4)降尘变化受主导风向影响。4月研究区域盛行南风及西南偏南风，建筑垃圾堆放场下风向降尘量较其他方向高，降尘扩散趋势明显与主导风向一致，因此降尘大部分来源于建筑垃圾堆放场。
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