建筑工地扬尘(不同粒径颗粒物的总称)属于典型的无组织排放源，是城市大气颗粒物的主要来源之一。上海市每年在建工地数约7 000个。据2017年排放清单统计，上海市建筑工地扬尘排放量，以总悬浮颗粒物(TSP)计约为24.43万t^[1]。不同的施工类型、施工阶段、施工规模、作业方式、气候、地质条件、扬尘控制措施等对于建筑工地扬尘的排放浓度及排放量均有一定影响^[2]。扬尘监测是量化扬尘排放量和制定扬尘控制措施的关键。目前国内主要采用监测降尘量的方式来监测施工扬尘排放，使用圆柱形玻璃集尘缸采集30 d，然后对降尘进行烘干，称重^[3]。降尘量监测方法周期长、误差大、能耗大。传感器法也可监测颗粒物，一般用于室内。传感器受湿度影响大，误差较大，使用寿命也较短。也有采用设置摄像头的方式进行扬尘监控，但只能监控施工行为，无量化数据。

光散射法具有灵敏度高(0.001 μm)、时间分辨率低(1 min)的特点^[4]，现针对建筑工地扬尘污染管理的需求，在国外成熟的手持式光散射颗粒物监测仪的基础上，对采样系统、自动除湿系统、远程自动校零和自动校标系统、仪器运行参数上传系统、气象参数传感器、录音和录像设备等进行了集成，实现了户外连续自动监测功能。建筑工地光散射法颗粒物在线监测仪(以下简称“在线监测仪”)具备自动除湿和远程校准功能，不需要站房，适用于高温、高湿和高颗粒物浓度的环境。同时具备预警联动(设定浓度启动雾炮)和超标启动摄像，并向系统平台发送超标信息等功能。与传统的中流量颗粒物采样器采样+实验室称重测量的方法相比，该方法能够显著提高监测效率，实现自动化监测。与微量振荡天平法和ß射线法相比，该方法精度稍低但提高了时间分辨率，节约了成本。通过大量的试验和1年的试点应用，确定仪器的关键性能指标，并研究制定了监测技术规范。

1 光散射法原理和系统组成

当光照射在空气中悬浮的粒子上时，产生光散射。在光学系统和颗粒物性质一定的条件下，散射光强度与颗粒物计数相关，通过测量散射光强度，获得颗粒物计数，经过转换求得颗粒物质量浓度。光散射法原理见图 1。光散射法颗粒物在线监测系统由颗粒物在线监测仪、气象参数传感器、视频监控仪、数据采集仪等单元组成。

光散射系数除了受气溶胶浓度影响，还受气溶胶本身性质的影响，包括颗粒物的形状、粒径分布、密度及光学特性。因此需要调整转换系数(K值)。采用光散射法与重量法在同一工地进行同步监测，K值的计算公式见式(1)。

$ K=\rho / R $

(1)

式中：ρ——重量法测得的颗粒物质量浓度，mg/m³；R——气溶胶光度计测得的光散射系数，即单位时间内颗粒物的计数值，个/min。

通常需要选择多个工地计算K值，得出某个城市适用的K值。K值可在仪器内部设定，然后直接输出ρ值。

2 在线监测仪的适用性研究 2.1 光散射法与重量法比对监测 2.1.1 技术规范

比对监测依据《粉尘浓度测量仪检定规程》(JJG 846—2015)^[5]和《环境空气颗粒物PM_2.5手工监测方法(重量法)技术规范》(HJ 656—2013)^[6]开展。

2.1.2 设备及耗材

设备：LD-5CN光散射法颗粒物监测仪(日本柴田公司)；TH-150CⅢ中流量颗粒物采样器(武汉天虹公司)；2030中流量颗粒物采样器(青岛崂应公司)，采样前均经过流量校准，流量偏差＜± 5%，采样时间为4 h；TEOM RP1400颗粒物监测仪(美国赛默飞公司)；BS210S分析天平(德国赛多利斯公司，精度万分之一)。

耗材：第1、2阶段比对测试使用Whatman1851-090石英滤膜(英国沃特曼公司)，第3阶段比对测试使用标配醋酸纤维滤纸(青岛崂应公司，直径80 mm)。每批次滤膜称重时均称量标准滤膜，且称重结果与原始质量差值＜± 0.5 mg^[6]。

2.1.3 方案设计

为评估在线监测仪的精密度、准确度及相对误差，于2011年8—9月在上海市徐汇路边站分3个阶段开展比对测试。

第1阶段：根据《JJG 846—2015》，用标准粒子发生器进行检定，在合格的20台仪器中选取2台(1号机和2号机)，用其在徐汇路边站进行平行测试。

第2阶段：采用2台在线监测仪(1号机和2号机)、2台2030中流量颗粒物采样器(以下简称“中流量采样器”)与1台TEOM RP1400颗粒物监测仪(以下简称“PM₁₀监测仪”)在徐汇路边站进行平行测试。

第3阶段：采用1台在线监测仪(14号机)与2台中流量采样器在徐汇某建筑工地进行平行测试。

2.2 比对测试结果分析 2.2.1 第1阶段比对测试结果

第1阶段共获得270对有效颗粒物小时浓度数据，2台在线监测仪结果比对见图 2，线性拟合结果见图 3。由图 2可见，2台仪器的小时浓度测量结果一致性较好。由图 3可见，线性拟合结果的斜率为0.998 8，截距为-0.003 3，决定系数(R²)达0.991 8。

2.2.2 第2阶段比对测试结果

第2阶段共获得14对有效颗粒物浓度数据，不同仪器的监测结果比对见图 4。由图 4可见，2台在线监测仪、2台中流量采样器与PM₁₀监测仪的监测结果一致性较好。经检验，在0.01的显著性水平下，5组数据之间均呈显著相关关系，在线监测仪与中流量采样器监测结果均值的R²达0.785，与PM₁₀监测仪监测结果均值的R²达0.834。

2.2.3 第3阶段比对测试结果

在第2阶段的比对测试时发现光散射法会低估颗粒物浓度，因此对在线监测仪的K值进行了校准。第3阶段共获得21对有效颗粒物浓度数据。在线监测仪(14号机)与中流量采样器监测结果比对见图 5，线性拟合结果见图 6。由图 5可见，2种方法测定结果的一致性较好，中流量采样器监测结果均值为0.269 mg/m³，在线监测仪监测结果均值为0.283 mg/m³，相对误差为-4.8%。由图 6可见，线性拟合结果的斜率为0.762，截距为0.053 7，R²达0.710 3。经检验，在0.01的显著性水平下，2组数据之间呈显著相关关系。

3 光散射技术应用于在线监测的关键技术问题 3.1 自动除湿装置

国外光散射技术主要用于车间及室内环境的监测。本研究将光散射技术用于建筑工地、混凝土搅拌站、干散货码头堆场、道路等室外扬尘的在线监测，因此需要对原有设备进行适用性改造。由于光散射技术测量的是散射光的强度，它受湿度的影响显著，在高湿度的情况下，测量结果会产生显著的正偏差，从而导致测量结果与实际浓度有较大偏离，因此需要在设备中增加湿度控制单元。综合比较加热除湿、干燥剂除湿和过滤膜除湿等方式，选择了加热除湿的方式控制进样气体的湿度。在各种环境湿度下，分别通过50，60，70和80 ℃这4个不同加热温度的试验，70 ℃的除湿效果最佳，颗粒物损失量最小，因此选择70 ℃作为加热除湿温度。具体做法是增加采样气体的湿度传感器，在高湿度的条件下自动启动加热除湿功能，湿度控制到可接受的水平时停止加热，从而降低湿度对监测结果的干扰。

除了加热除湿，还可以采用湿度修正的方式去除湿度对监测结果的影响。该方式需要进行大量的现场试验，建立湿度修正的计算模型，由于湿度影响并不是线性的，在不同的湿度范围内，需要有不同的湿度修正模型。此外，不同的颗粒物类型和仪器内部结构，均会影响湿度修正模型的效果。因此最终采用了加热除湿的方式解决湿度干扰问题。

3.2 自动校准装置

市场上成熟的光散射颗粒物监测仪仅具备手动校准功能，而在线监测仪需要具备远程自动校准功能。解决方案是增加1个电磁阀，用于校准过程中的气路切换，将进气口封闭，进行内循环及过滤，从而完成仪器的自动校零。此外增加1个机械手臂，推进并旋转校准按钮，从而实现远程自动校准。

4 监测技术规范的研究与制定

为扬尘在线监控系统的推广应用，开展了监测技术规范的研究与编制工作。在全市34个试点点位进行为期1年的试点工作，对技术规范中各项技术要求和参数条件进行优化试验，包括仪器性能指标，点位的位置、数量、高度和代表性等试验。

4.1 仪器性能指标

监测技术规范中规定了在线监测仪的各项技术指标，见表 1。

4.2 点位设置与数量试验

为了研究建筑施工监测点位设置方法，论证点位设置合理性，在徐汇区某建筑工地(占地面积＜10 000 m²)，选择东南(3号点位)、东北(2号点位)、西北(1号点位)及西南(4号点位)4个方位分别安装4台在线监测仪，见图 7。连续监测55 d，每个时刻的质量浓度平均值见图 8。

由图 8可见，1号点位监测结果最高，原因是该点位为工地土方车过磅处。不同风向监测结果分布见图 9。由图 9可见，1，2和3号点位为上海市主导风向(东南风)的下风向，4号点位为上海市主导风向的上风向。1，2和3号点位受工地影响明显，4号点位受工地影响较小。因此监测点位设置在主导风向的下风向较为适宜。

该工地不同方位的监测结果相关性较好，其中1号和2号点位通过0.05显著性水平下的一致性检验。因此，测点数量可优化。

选择3个占地面积＞10 000 m²的典型工地进行监测分析，分别为黄浦某金融服务中心、长宁莱福士和杨浦某街坊综合项目。采用移动式光散射颗粒物监测仪，在每个工地选择东、南、西、北、中5个方位各设1个测点进行连续监测，统计颗粒物分钟质量浓度，并记录气象参数。3个典型工地点位设置示意见图 10(a)—(c)。

3个典型工地监测数据统计分布箱形图见图 11(a)—(c)，监测数据时间序列见图 12(a)—(c)。由图 10—12可见，(1)主导风向的下风向受施工影响较大，扬尘浓度相对较高，适宜设点；(2)土方车出入口由于车辆进出造成扬尘浓度相对较高，适宜设点；(3)虽然理论上监测点位设置在工地内部最能反映工地施工的影响，但监测点位会影响施工，不适宜设点；(4)占地面积＜10 000 m²，形状规则的工地，设置1个测点即可满足点位代表性，占地面积＞10 000 m²，形状不规则的工地，宜设置2个监测点。

4.3 点位设置高度试验

于2014年7月，在某建筑工地分别选择1.5，3，5和10 m这4个不同高度，研究不同高度的颗粒物小时浓度水平，见图 13。由图 13可见，4个不同高度颗粒物浓度变化趋势基本一致。其中1.5 m高度处颗粒物质量浓度相对最高，10 m高度处颗粒物质量浓度相对最低，3和5 m高度处颗粒物质量浓度居中，分别为0.35和0.37 mg/m³，差异基本可以忽略不计。因此将设点高度设定为3 m ± 0.5 m。

根据以上研究，2015年12月上海市生态环境局发布了《上海市建筑施工颗粒物与噪声在线监测技术规范(试行)》。规定了建筑施工颗粒物和噪声在线监控系统的软(硬)件配置，系统组成，技术性能要求，监测点位设置与设备安装，数据采集、存储、传输与处理，信息监控平台，系统运行维护与管理，监测系统验收交付等技术要求^[7]。

5 建筑工地扬尘在线监测预警与执法应用

2016年上海市发布了《建筑施工颗粒物控制标准》(DB 31/964—2016)^[8]。2017年2月，上海市生态环境局与上海市住房城乡建设管理委、上海市交通委联合发布了《上海市扬尘在线监测数据执法应用规定(试行)》。自2017年3月15日起，建筑工地、混凝土搅拌站、码头堆场的扬尘在线监测数据可作为扬尘超标处罚的直接证据。扬尘单位将扬尘在线监测数据与喷淋、雾炮等设施联动，将内部预警值设定在80%标准值(0.8 mg/m³)，从而在较高浓度时自动启动喷淋、雾炮等设施，以降低扬尘污染浓度水平，在节能的同时改善环境空气质量^[8]。

6 结语

采用光散射颗粒物监测技术，通过采样系统、自动除湿装置、自动校准装置的研发设计和改造，建成了一套应用于建筑工地的扬尘在线监测系统。时间分辨率为1 min，量程为0.01 ~30.00 mg/m³，可实现自动除湿和自动远程校准功能。与标准重量法比对，该仪器平行性≤±7%，平均相对误差≤±20%，最大相对误差≤±25%，相关系数≥0.8。仪器稳定性好，不需要建设站房，运行维护简单，可实现对建筑工地、混凝土搅拌站、干散货码头堆场等无组织源的扬尘污染浓度水平和变化趋势监测。通过为期1年的试点工作，同步编制了《上海市建筑施工颗粒物与噪声在线监测技术规范(试行)》，以期为全国其他城市开展相关监测工作及扬尘污染管理提供技术支持。