城市水土保持措施對PM 2.5質(zhì)量濃度的作用

余新曉,程正霖,孫豐賓

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,100083,北京)

PM2.5是直徑小于2.5μm的顆粒物,又被稱為細顆粒物。大風(fēng)會把城市街道和工地上的塵土揚起,因城市生產(chǎn)建設(shè)項目形成的裸露地表面積較大,增加了PM2.5的來源。城市水土保持措施主要有工程措施、植物措施、臨時防護措施3大類。城市水土保持措施在保障主體工程安全運營的基礎(chǔ)上,可有效控制項目區(qū)水土流失的發(fā)生,從而減少大風(fēng)季節(jié)空氣中揚塵的增加,做到雨季不沖刷裸露地面、風(fēng)季不揚塵,從而可起到控制空氣中PM2.5質(zhì)量濃度的作用。

1 PM 2.5的危害與來源

1)危害。PM2.5會導(dǎo)致很多的危害,如由于PM2.5直徑小,不容易被鼻腔和呼吸道阻擋,很容易直接進入人體肺部的支氣管,進而進入肺泡,從而嚴重影響肺部的氣體交換[1-2],并且PM2.5表面黏附的重金屬物質(zhì)和有害的有機物質(zhì)黏附在肺泡上會進入血液參與血液循環(huán),進而進入心肺系統(tǒng)和其他人體組織結(jié)構(gòu)從而造成損害[3-5]。由于顆粒物越小越容易積聚有害物質(zhì),所以,在所有空氣顆粒物中,PM2.5的危害最大。國內(nèi)外開展的大量流行病學(xué)研究結(jié)果顯示,人類部分疾病的發(fā)病率、致死率與PM2.5等可吸入顆粒物的質(zhì)量濃度關(guān)系密切,最為明顯的危害是引起人類呼吸系統(tǒng)疾病和心肺功能疾病[6]。美國環(huán)保局(EPA)研究結(jié)果表明,人類的總死亡率以及心肺功能疾病死亡率與空氣中PM2.5的質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出正相關(guān)趨勢,研究數(shù)據(jù)顯示,城市PM2.5質(zhì)量濃度增加18.6μg/m3時,疾病死亡發(fā)生的危險度上升26%[7]。 J.Schwartz[8]和 J.Dejmek等[9]發(fā)現(xiàn),當(dāng)大氣中PM2.5質(zhì)量濃度增加10μg/m3時,被研究對象的總死亡率由2.1%上升到3.75%,并發(fā)現(xiàn)暴露時間的延長會使心臟病、肺炎等疾病死亡率上升。

2)來源。PM2.5來源主要有2種,即各種活動直接排放出的一次粒子以及由氣態(tài)前體污染物通過大氣化學(xué)反應(yīng)而生成的二次粒子。PM2.5中的一次粒子主要來源于化石燃料燃燒(如石油和煤炭),但在一些地區(qū)某些工業(yè)生產(chǎn)過程也能產(chǎn)生大量的一次PM2.5。一次粒子的源還包括道路場塵、采礦、建筑施工和農(nóng)田耕作等過程。

大量的城市建設(shè)項目中會產(chǎn)生大量裸露的地表,在大風(fēng)天氣下會產(chǎn)生大量的揚塵,揚塵中的顆粒物粒徑小于2.5μm的部分就是空氣PM2.5中揚塵來源的污染物。

有研究[10]顯示,空氣污染中15%左右的PM2.5的來源是城市揚塵,如圖1所示,減小了城市揚塵也就減小了大約15%的PM2.5的顆粒物質(zhì)量濃度。

圖1 PM2.5來源分析Fig.1 Source of PM2.5

城市揚塵是城市空氣顆粒物非常重要的顆粒污染物。揚塵在城市風(fēng)的影響下嚴重地影響了城市的空氣質(zhì)量,并且嚴重損害了城市居民的健康。大部分研究中的揚塵是一種混合塵源,是城市地表的松散部位在自然或人為因素作用下,重新懸浮起來進入到空氣中形成的空氣顆粒物,具體指泥地裸露以及在高樓大廈建設(shè)施工、道路與管線改道、拆遷過程、建筑垃圾運輸、建筑垃圾堆放產(chǎn)生的揚塵。揚塵顆?？纱罂尚?分布在幾微米到幾百微米廣大范圍內(nèi)[11]。

2 城市水土保持措施對PM 2.5的作用

城市水土保持措施主要包括2方面內(nèi)容:一是城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過程中的水土保持工程與臨時措施,主要是利用水土保持工程和臨時措施防止地面裸露,減少風(fēng)沙侵襲;二是水土保持植物措施,可滯留PM2.5和降低其危害[12-13]。

2.1 水土保持工程措施與臨時措施

水土保持工程措施是指生產(chǎn)建設(shè)項目中常用的攔擋、護坡等措施,在保障主體工程安全運營的基礎(chǔ)上,可有效控制項目區(qū)水土流失的發(fā)生,從而遏制區(qū)域生態(tài)環(huán)境的惡化,減少大風(fēng)季節(jié)空氣中揚塵的增加。

水土保持臨時措施是指生產(chǎn)建設(shè)項目施工期間渣土運輸過程中的車輛苫蓋、施工場地臨時堆土堆料的纖維網(wǎng)等覆蓋或者臨時撒播草種綠化、施工場地定期灑水、施工出入口的洗車槽和沉砂池等措施。這些措施都是為了降低施工揚塵的,以上措施設(shè)置是否到位,都可能影響空氣中PM2.5的質(zhì)量濃度,尤其是遇大風(fēng)日時設(shè)置臨時措施對減少空氣中PM2.5質(zhì)量濃度顯得尤為重要[14-16]。

對覆蓋防風(fēng)抑塵網(wǎng)、噴水加濕除塵還有苫蓋抑塵等一系列措施集成研究技術(shù)的研究結(jié)果表明,集成技術(shù)抑塵率達85%,有利于抑制露天煤炭存放和城市建筑垃圾存放的揚塵產(chǎn)生[17]。

2.2 水土保持植物措施

水土保持植物措施利用植樹種草等生物措施維持、改良和保護自然環(huán)境中利于人類居住的條件。在城市中,水土保持植物措施具有保持土壤功能和結(jié)構(gòu)、防風(fēng)固沙功能和凈化空氣的功能。通過研究發(fā)現(xiàn),林草具有產(chǎn)生滯留PM2.5和降低其危害的獨特功能,是治理PM2.5的非常重要的措施之一。表1示出植物可能對于空氣中顆粒物的去除功能[18-19]。

表1 植物對于空氣中顆粒物的去除功能Tab.1 Plants removal effectiveness to PM2.5___________

森林對削減大氣顆粒物、改善空氣質(zhì)量具有明顯作用,城市森林植被覆蓋率越大,對顆粒物的阻滯吸附能力也就越強。D.Fowler等[20]研究結(jié)果表明,喬木植被對大氣顆粒物的滯留作用比陸地上其他下墊面效果都要好。

葉表面微形態(tài)結(jié)構(gòu)不僅影響著葉片的滯塵量,也影響著顆粒物在葉面的附著牢固程度。例如:側(cè)柏和圓柏葉表面具有密集脊?fàn)钔黄鸬臏喜?可牢固藏納大量顆粒物;油松葉表面光滑,顆粒物容量較低,且附著不牢固,易被降雨和大風(fēng)帶走[21]。針葉樹葉表面結(jié)構(gòu)也對其滯塵能力有較大影響:葉表面平滑,細胞與氣孔排列整齊的樹種滯塵量較小;葉表皮較粗糙,細胞與氣孔排列不規(guī)則的樹種滯塵量較大;沙松(Abies holophylla Maxim)、冷杉(Abies fabri(Mast.)Craib)和東北紅豆杉(Taxus cuspidata S.et Z.)等的葉斷面形狀呈四棱形,葉片扁、平,滯塵量最大[22]。葉片表面不同微形態(tài)結(jié)構(gòu)越密集,深淺差別越大,越有利于滯留大氣顆粒物,這些微形態(tài)結(jié)構(gòu)滯留大氣顆粒物的能力由高到低的順序依次是絨毛、溝槽、葉脈+小室、小室、條狀突起[21,23]。

針葉樹比闊葉樹有更小的葉子和更復(fù)雜的枝干,能夠滯留更多的大氣顆粒物。K.P.Beckett等[24]、P.H.Freer-Smith等[25]通過風(fēng)洞模擬實驗證明,針葉樹對顆粒物的沉積速率和捕獲效率均大于闊葉樹,針葉樹具有更強的滯留顆粒物的能力。劉霞等[26]對青島市城陽區(qū)主要綠化樹種滯塵能力的研究也證明了這一觀點。幾種針葉樹種的滯塵能力由強到弱的順序為云杉、杜松、圓柏、油松[27]。幾種闊葉樹種滯塵量由大到小的順序為懸鈴木、紫葉李、紫薇、連翹、火棘[28]。

不同類型植物滯塵能力不同,就單位葉面積來說,滯塵能力大小排序為草本植物＞灌木植物＞喬木植物＞藤本植物;但就植物個體而言,常表現(xiàn)為喬木植物＞灌木植物＞草本植物。樹木較其他土地覆蓋類型有更大的表面積,樹木冠層提供了比樹木本身所占面積大2～10倍的葉面積[29]。

森林的治污防霾作用是有限但可恢復(fù)的。合理地配置植物栽培模式,并在不同功能區(qū)布設(shè)有針對性的高滯塵樹種,就可以讓森林改善大氣環(huán)境質(zhì)量的作用最大化。

3 結(jié)束語

與發(fā)達國家城市化進程一樣,我國城市化進程同樣具有高排放污染物的特征。城市人口的人均能源消費大約是農(nóng)村人口的3～4倍,城市化進程中必然會推動大規(guī)模城市基礎(chǔ)設(shè)施和住房建設(shè),在生產(chǎn)建設(shè)過程中,會產(chǎn)生大量的塵埃,因而帶來的嚴重的空氣質(zhì)量問題;所以,城市水土保持措施顯得尤為重要,也可以作為減少PM2.5中揚塵的一種重要途徑。

城市水土保持臨時措施的實施,有利于減少空氣中PM2.5等顆粒物的質(zhì)量濃度。生產(chǎn)建設(shè)項目施工期間可以實行的臨時措施都可以通過降低施工揚塵從而降低空氣中PM2.5的質(zhì)量濃度,尤其是遇到大風(fēng)天氣時,設(shè)置臨時措施對減少空氣中PM2.5質(zhì)量濃度顯得尤為重要。城市水土保持植物措施的實施,利用綠色植被的特點,比如植被葉片對于PM2.5顆粒物的黏附能力,使空氣中的部分PM2.5顆粒物黏附在葉面上,通過降雨降雪等降落到地面上,通過雨水沖刷后進入下水道等地方。同時,綠色植物存在的地方濕度大,也有利于空氣中PM2.5顆粒物的沉降。