孟慶虎，李乃穩(wěn)，孫海龍，李廣輝

(1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 610065；2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065；3.四川沃爾宜環(huán)?？萍加邢薰?，成都 610065)

前 言

在大風(fēng)等不利天氣條件作用下，土壤表面的顆粒物進(jìn)入大氣環(huán)境中，對(duì)環(huán)境空氣和居民健康造成不利影響[1]。因此，控制土壤揚(yáng)塵排放對(duì)提升城市環(huán)境大氣質(zhì)量具有重要意義。實(shí)踐中，主要采取設(shè)置外圍擋風(fēng)墻[2]、防風(fēng)抑塵網(wǎng)[3]等措施，以降低風(fēng)速，減少湍流，從而達(dá)到抑塵的目的，這種方法雖然能夠長期抑塵，但材料成本較高。有研究表明，植被覆蓋對(duì)土壤遭受風(fēng)力侵蝕具有顯著的抑制作用[4]，植物生長會(huì)使土壤揚(yáng)塵排放潛能快速降低[5-6]，但是，由于植物生長具有周期性，在植物種子萌發(fā)期不能有效抑制土壤揚(yáng)塵的排放。聚丙烯酰胺(PAM)是一種線型水溶性高分子聚合物，它的酰胺基可與許多物質(zhì)親和、吸附形成氫鍵[7]，具有很強(qiáng)的粘聚作用和保水作用[8～14]。聚丙烯酰胺通過降低了土樣的水分蒸發(fā)速度,抑制土壤蒸發(fā)的作用提高了土壤的保水性[15]。聚丙烯酰胺在減少土壤侵蝕的同時(shí)，可有效改善土壤結(jié)構(gòu)，使土壤大團(tuán)聚體數(shù)目增加， 使土壤總孔隙度和毛管孔隙度上升，降低土壤容重，最終使土壤顆粒和孔隙結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定[16]。本研究使用的聚丙烯酰胺通過增加土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成，同時(shí)還具有一定的保水性能，可以在初期實(shí)現(xiàn)抑塵，后期通過植物的萌發(fā)覆蓋進(jìn)行抑塵，從而達(dá)到長效抑塵的目的。本研究主要針對(duì)土壤揚(yáng)塵，探討不同濃度聚丙烯酰胺與植物作用對(duì)土壤揚(yáng)塵排放的影響，確定最優(yōu)的聚丙烯酰胺濃度，為土壤揚(yáng)塵排放控制提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

彭州市地處四川盆地亞熱帶濕潤氣候區(qū)的盆地北部區(qū)，氣候溫和，雨量充沛，四季分明，無霜期長，日照偏少，高溫期與多雨期同季。災(zāi)害性天氣主要表現(xiàn)為干旱、暴雨、秋綿雨、低溫冷害、大風(fēng)和冰雹。受緯度和地形地勢影響，彭州市境內(nèi)氣溫由東南向西北逐漸降低，日照逐漸遞減，無霜期逐漸縮短，降水量逐漸增多，平壩、丘陵、低山區(qū)、高山區(qū)的氣候差異明顯。年平均氣溫為15.9 ℃，最熱的7月均氣溫為25.1 ℃，最冷的1月均氣溫為5.3 ℃。全市多年平均降水量為867 mm，降水季節(jié)分配不均，多集中在七、八、九月份，夏季降水的強(qiáng)度大，秋季綿雨多。歷年平均日照時(shí)數(shù)為1 131.0 h。

1.2 試驗(yàn)材料與工藝

聚丙烯酰胺，市場購置，水溶后噴灑在土壤表面，控制各試驗(yàn)處理的用水量一致。植物種子選用的是高羊茅，是四川省常見的禾本科植物，其適應(yīng)性強(qiáng)，抗逆性突出，耐踐踏和抗病力強(qiáng)，且夏季不休眠，是適宜廣泛推廣和使用的草種。

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)彭州天氣特點(diǎn)，試驗(yàn)于2018年9月在四川彭州市開展，采用附近農(nóng)田邊裸露土壤進(jìn)行人工模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)過程將土壤過2cm篩后混合均勻，在平地上鋪設(shè)成20cm厚度的土壤層，控制容重在1.3g/cm3左右，含水量在15%左右，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)20m2。

試驗(yàn)設(shè)置了不同的聚丙烯酰胺的用量試驗(yàn)(分別為5g/m2，10g/m2，15g/m2，20g/m2，25g/m2)。每個(gè)試驗(yàn)3個(gè)重復(fù)，另設(shè)置無聚丙烯酰胺播種(用水量與不同聚丙烯酰胺試驗(yàn)用量相同)、裸土噴水(用水量與不同聚丙烯酰胺試驗(yàn)用量相同)、裸土未噴水對(duì)照組，種子用量為15 g/m2(表1)。各土壤場地與該季節(jié)常見風(fēng)向垂直排列，間隔5m，為了避免相互間的干擾，各小區(qū)間用高4m的隔板分隔。試驗(yàn)后期不進(jìn)行水分管理。

采用Dusttrak設(shè)備測試揚(yáng)塵排放的PM10和PM2.5濃度，同時(shí)測試溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象參數(shù)以及視頻監(jiān)控。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)布置4個(gè)，數(shù)據(jù)采用平均值。本研究的評(píng)估時(shí)間為3個(gè)月，試驗(yàn)期間平均風(fēng)速為2～4 m/s。

植被覆蓋度測試?yán)脭?shù)碼相機(jī)作為傳感器捕捉光通過植被層的情況，利用計(jì)算機(jī)圖像處理軟件進(jìn)行處理，據(jù)此計(jì)算植被的覆蓋度。此方法經(jīng)濟(jì)適用，測量效率較高，測量精度較好。

表1 實(shí)驗(yàn)分組Tab.1 Experimental grouping (g/m2)

2 結(jié)果與分析

2.1 施工完4h后結(jié)果

施工4 h后，此時(shí)土壤含水量均在43%左右，濕潤土壤的起塵量均較低，故此時(shí)PM2.5、PM10的排放濃度均處于較低的水平。由圖1可知，PM2.5和PM10排放濃度最低都出現(xiàn)在第5組，其值分別為14 μg/m3·h和47 μg/m3·h，這是因?yàn)榇藭r(shí)聚丙烯酰胺的保水性，聚丙烯酰胺濃度越高，土壤濕潤性越好，故第5組PM2.5和PM10排放濃度最低。PM2.5和PM10排放濃度最高都出現(xiàn)在第8組(CK3)，其值分別為107 μg/m3·h和672 μg/m3·h，這是因?yàn)榈?組(CK3)未噴水，土壤含水量較低，而最初期PM2.5和PM10的排放濃度主要是由土壤含水量決定，故第8組PM2.5和PM10排放濃度最高。

圖1 覆蓋4小時(shí)后PM10、PM2.5濃度Fig.1 PM10 and PM2.5 concentrations after covering 4 hours

由圖1可知，PM2.5和PM10的排放濃度隨著聚丙烯酰胺的濃度的增加而緩慢減小，這是由于此時(shí)時(shí)間較短，聚丙烯酰胺未完全發(fā)揮其作用，故PM2.5和PM10的排放濃度變化不大。通過對(duì)比第6組和第7組(CK2)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)無聚丙烯酰胺的時(shí)候，是否播種對(duì)PM2.5和PM10的排放濃度影響不大。通過對(duì)比第4組和第5組實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在施工完成4h后，聚丙烯酰胺濃度由20 g/m2上升到25 g/m2時(shí)，對(duì)PM2.5和PM10的排放濃度影響不大。通過對(duì)比第7組(CK2)和第8組(CK3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在施工完成初期，土壤含水量對(duì)PM2.5和PM10的排放濃度起主要影響。

2.2 施工完成后7天的結(jié)果

由表2可知，由于聚丙烯酰胺的保水性，故使用聚丙烯酰胺的分組比未使用聚丙烯酰胺的分組土壤含水量高。由于前期聚丙烯酰胺濃度的不同，所以施工七天后各組的土壤含水量也有所不同，聚丙烯酰胺濃度較高的組，其土壤含水量也較高，故其PM2.5和PM10的排放濃度也較低。另外，聚丙烯酰胺還能有效改善土壤結(jié)構(gòu)，使土壤大團(tuán)聚體數(shù)目增加，使土壤總孔隙度和毛管孔隙度上升，降低土壤容重，最終使土壤顆粒和孔隙結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，從而降低PM2.5和PM10的排放濃度。

表2 施工完7天后各組的土壤含水量Tab.2 Soil moisture content of each group 7 days after construction

由圖2可知，雖然此時(shí)聚丙烯酰胺充分發(fā)揮作用，但施工7天時(shí)較施工4h相比，土壤含水量平均下降了35.8%，PM2.5和PM10的排放濃度總體有了明顯的提高，PM2.5、PM10排放濃度較之前分別平均上升了186%、269%，這說明此時(shí)土壤含水量是影響PM2.5和PM10排放濃度的主要因素。由對(duì)照組CK1可知，在聚丙烯酰胺的作用下，PM2.5和PM10的平均排放濃度分別下降了52%、69%，這說明聚丙烯酰胺能有效抑制土壤揚(yáng)塵排放。由圖2 可知，PM2.5和PM10的排放濃度隨聚丙烯酰胺濃度升高而下降的趨勢較4h增大，說明在此時(shí)聚丙烯酰胺發(fā)揮的作用更加有效。通過對(duì)比第4組和第5組實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在施工完成7天時(shí)，在聚丙烯酰胺濃度由20 g/m2上升到25 g/m2時(shí)，對(duì)土壤含水量影響很小，對(duì)PM2.5和PM10的排放濃度影響也不大。

圖2 施工7天后各組的PM10、PM2.5濃度Fig.2 PM10 and PM2.5 concentrations in each group after 7 days of construction

2.3 施工完成后1個(gè)月的結(jié)果

由表3可知，由于聚丙烯酰胺的保水性和對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的改良，故使用聚丙烯酰胺的分組比未使用聚丙烯酰胺的分組植被覆蓋度高。由于前期聚丙烯酰胺濃度的不同，所以施工1個(gè)月后各組的植被覆蓋率也有所不同，聚丙烯酰胺濃度較高的組，其植被覆蓋率也較高，故其PM2.5和PM10的排放濃度也較低。

表3 施工一個(gè)月后各組的植被覆蓋度Tab.3 The vegetation coverage of each group one month after construction

由圖3可知，在聚丙烯酰胺的條件下播種，植被覆蓋度較CK1平均上升了42.3%，PM2.5、PM10排放濃度較CK1分別平均下降了32.9%、37.1%，較施工完7天時(shí)，聚丙烯酰胺作用效果減弱。但此時(shí)PM2.5和PM10的排放濃度較施工完7天時(shí)降低，這說明此時(shí)主要由植被覆蓋度起作用。通過對(duì)比第4組和第5組實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在施工完成1個(gè)月時(shí)，在聚丙烯酰胺濃度由20 g/m2上升到25 g/m2時(shí)，對(duì)植被覆蓋度的影響很小，對(duì)PM2.5和PM10的排放濃度影響也可忽略不計(jì)。

圖3 施工1個(gè)月后各組的PM10、PM2.5濃度Fig.3 PM10 and PM2.5 concentrations in each group after 1 month of construction

2.4 不同時(shí)期PM2.5和PM10的濃度對(duì)比

根據(jù)圖4可知，當(dāng)聚丙烯酰胺濃度處于20 g/m2到25 g/m2時(shí)，此時(shí)PM2.5和PM10的濃度在施工完成7天和1個(gè)月時(shí)都處于一個(gè)較低的濃度水平。對(duì)比CK1組(第6組)可知，當(dāng)聚丙烯酰胺濃度處于20 g/m2到25 g/m2時(shí)，在施工完成7天時(shí)，PM2.5濃度較CK1組平均下降了63.4 %，PM10濃度較CK1組平均下降了77.9 %。在施工完成1個(gè)月時(shí)，PM2.5濃度較CK1組平均下降了43.8 %，PM10濃度較CK1組平均下降了56.3 %，說明聚丙烯酰胺濃度處于20 g/m2到25 g/m2時(shí)，對(duì)抑制揚(yáng)塵濃度效果顯著。由圖4可知，當(dāng)聚丙烯酰胺濃度處于20 g/m2到25 g/m2時(shí)，在施工7天時(shí)，土壤含水量處于一個(gè)較好的水平，施工1個(gè)月時(shí)，植被覆蓋度較高，并且PM2.5和PM10排放濃度在兩個(gè)時(shí)期都處于一個(gè)較低的水平，故在20 g/m2到25 g/m2時(shí)是聚丙烯酰胺的最佳濃度。

圖4 不同時(shí)期PM2.5和PM10的濃度對(duì)比Fig.4 Comparison of PM2.5 and PM10 concentrations in different periods

3 結(jié) 論

本文以城市土壤揚(yáng)塵為研究對(duì)象，通過現(xiàn)場試驗(yàn)、實(shí)地監(jiān)測等方法對(duì)揚(yáng)塵特征進(jìn)行了研究，初步提出了相應(yīng)的策略與方法，主要研究結(jié)論如下。

3.1 聚丙烯酰胺與植被覆蓋聯(lián)合作用比單純植被覆蓋更有利于降低PM2.5和PM10的濃度。在聚丙烯酰胺和植被覆蓋同時(shí)作用條件下，PM2.5和PM10濃度較僅由植被覆蓋作用時(shí)，有了明顯的下降，PM2.5濃度較之前平均下降了32.9%，PM10濃度較之前相比平均下降了37.1%。

3.2 聚丙烯酰胺主要影響前期的土壤揚(yáng)塵抑制效果，植被覆蓋度主要影響后期的抑塵效果。

3.3 聚丙烯酰胺濃度在20 g/m2到25 g/m2時(shí)，整體抑塵效果最好。施工7天時(shí)，PM2.5和PM10濃度平均下降了63.4%和77.9%，在施工1個(gè)月時(shí)，PM2.5和PM10濃度平均下降了和43.8%和56.3%，其在施工7天和1個(gè)月都達(dá)到了較好的效果。