城市水土保持措施对PM 2.5质量浓度的作用

余新晓,程正霖,孙丰宾

(北京林业大学水土保持学院,100083,北京)

PM2.5是直径小于2.5μm的颗粒物,又被称为细颗粒物。大风会把城市街道和工地上的尘土扬起,因城市生产建设项目形成的裸露地表面积较大,增加了PM2.5的来源。城市水土保持措施主要有工程措施、植物措施、临时防护措施3大类。城市水土保持措施在保障主体工程安全运营的基础上,可有效控制项目区水土流失的发生,从而减少大风季节空气中扬尘的增加,做到雨季不冲刷裸露地面、风季不扬尘,从而可起到控制空气中PM2.5质量浓度的作用。

1 PM 2.5的危害与来源

1)危害。PM2.5会导致很多的危害,如由于PM2.5直径小,不容易被鼻腔和呼吸道阻挡,很容易直接进入人体肺部的支气管,进而进入肺泡,从而严重影响肺部的气体交换[1-2],并且PM2.5表面黏附的重金属物质和有害的有机物质黏附在肺泡上会进入血液参与血液循环,进而进入心肺系统和其他人体组织结构从而造成损害[3-5]。由于颗粒物越小越容易积聚有害物质,所以,在所有空气颗粒物中,PM2.5的危害最大。国内外开展的大量流行病学研究结果显示,人类部分疾病的发病率、致死率与PM2.5等可吸入颗粒物的质量浓度关系密切,最为明显的危害是引起人类呼吸系统疾病和心肺功能疾病[6]。美国环保局(EPA)研究结果表明,人类的总死亡率以及心肺功能疾病死亡率与空气中PM2.5的质量浓度呈现出正相关趋势,研究数据显示,城市PM2.5质量浓度增加18.6μg/m3时,疾病死亡发生的危险度上升26%[7]。 J.Schwartz[8]和 J.Dejmek等[9]发现,当大气中PM2.5质量浓度增加10μg/m3时,被研究对象的总死亡率由2.1%上升到3.75%,并发现暴露时间的延长会使心脏病、肺炎等疾病死亡率上升。

2)来源。PM2.5来源主要有2种,即各种活动直接排放出的一次粒子以及由气态前体污染物通过大气化学反应而生成的二次粒子。PM2.5中的一次粒子主要来源于化石燃料燃烧(如石油和煤炭),但在一些地区某些工业生产过程也能产生大量的一次PM2.5。一次粒子的源还包括道路场尘、采矿、建筑施工和农田耕作等过程。

大量的城市建设项目中会产生大量裸露的地表,在大风天气下会产生大量的扬尘,扬尘中的颗粒物粒径小于2.5μm的部分就是空气PM2.5中扬尘来源的污染物。

有研究[10]显示,空气污染中15%左右的PM2.5的来源是城市扬尘,如图1所示,减小了城市扬尘也就减小了大约15%的PM2.5的颗粒物质量浓度。

图1 PM2.5来源分析Fig.1 Source of PM2.5

城市扬尘是城市空气颗粒物非常重要的颗粒污染物。扬尘在城市风的影响下严重地影响了城市的空气质量,并且严重损害了城市居民的健康。大部分研究中的扬尘是一种混合尘源,是城市地表的松散部位在自然或人为因素作用下,重新悬浮起来进入到空气中形成的空气颗粒物,具体指泥地裸露以及在高楼大厦建设施工、道路与管线改道、拆迁过程、建筑垃圾运输、建筑垃圾堆放产生的扬尘。扬尘颗粒可大可小,分布在几微米到几百微米广大范围内[11]。

2 城市水土保持措施对PM 2.5的作用

城市水土保持措施主要包括2方面内容:一是城市基础设施建设过程中的水土保持工程与临时措施,主要是利用水土保持工程和临时措施防止地面裸露,减少风沙侵袭;二是水土保持植物措施,可滞留PM2.5和降低其危害[12-13]。

2.1 水土保持工程措施与临时措施

水土保持工程措施是指生产建设项目中常用的拦挡、护坡等措施,在保障主体工程安全运营的基础上,可有效控制项目区水土流失的发生,从而遏制区域生态环境的恶化,减少大风季节空气中扬尘的增加。

水土保持临时措施是指生产建设项目施工期间渣土运输过程中的车辆苫盖、施工场地临时堆土堆料的纤维网等覆盖或者临时撒播草种绿化、施工场地定期洒水、施工出入口的洗车槽和沉砂池等措施。这些措施都是为了降低施工扬尘的,以上措施设置是否到位,都可能影响空气中PM2.5的质量浓度,尤其是遇大风日时设置临时措施对减少空气中PM2.5质量浓度显得尤为重要[14-16]。

对覆盖防风抑尘网、喷水加湿除尘还有苫盖抑尘等一系列措施集成研究技术的研究结果表明,集成技术抑尘率达85%,有利于抑制露天煤炭存放和城市建筑垃圾存放的扬尘产生[17]。

2.2 水土保持植物措施

水土保持植物措施利用植树种草等生物措施维持、改良和保护自然环境中利于人类居住的条件。在城市中,水土保持植物措施具有保持土壤功能和结构、防风固沙功能和净化空气的功能。通过研究发现,林草具有产生滞留PM2.5和降低其危害的独特功能,是治理PM2.5的非常重要的措施之一。表1示出植物可能对于空气中颗粒物的去除功能[18-19]。

表1 植物对于空气中颗粒物的去除功能Tab.1 Plants removal effectiveness to PM2.5___________

森林对削减大气颗粒物、改善空气质量具有明显作用,城市森林植被覆盖率越大,对颗粒物的阻滞吸附能力也就越强。D.Fowler等[20]研究结果表明,乔木植被对大气颗粒物的滞留作用比陆地上其他下垫面效果都要好。

叶表面微形态结构不仅影响着叶片的滞尘量,也影响着颗粒物在叶面的附着牢固程度。例如:侧柏和圆柏叶表面具有密集脊状突起的沟槽,可牢固藏纳大量颗粒物;油松叶表面光滑,颗粒物容量较低,且附着不牢固,易被降雨和大风带走[21]。针叶树叶表面结构也对其滞尘能力有较大影响:叶表面平滑,细胞与气孔排列整齐的树种滞尘量较小;叶表皮较粗糙,细胞与气孔排列不规则的树种滞尘量较大;沙松(Abies holophylla Maxim)、冷杉(Abies fabri(Mast.)Craib)和东北红豆杉(Taxus cuspidata S.et Z.)等的叶断面形状呈四棱形,叶片扁、平,滞尘量最大[22]。叶片表面不同微形态结构越密集,深浅差别越大,越有利于滞留大气颗粒物,这些微形态结构滞留大气颗粒物的能力由高到低的顺序依次是绒毛、沟槽、叶脉+小室、小室、条状突起[21,23]。

针叶树比阔叶树有更小的叶子和更复杂的枝干,能够滞留更多的大气颗粒物。K.P.Beckett等[24]、P.H.Freer-Smith等[25]通过风洞模拟实验证明,针叶树对颗粒物的沉积速率和捕获效率均大于阔叶树,针叶树具有更强的滞留颗粒物的能力。刘霞等[26]对青岛市城阳区主要绿化树种滞尘能力的研究也证明了这一观点。几种针叶树种的滞尘能力由强到弱的顺序为云杉、杜松、圆柏、油松[27]。几种阔叶树种滞尘量由大到小的顺序为悬铃木、紫叶李、紫薇、连翘、火棘[28]。

不同类型植物滞尘能力不同,就单位叶面积来说,滞尘能力大小排序为草本植物＞灌木植物＞乔木植物＞藤本植物;但就植物个体而言,常表现为乔木植物＞灌木植物＞草本植物。树木较其他土地覆盖类型有更大的表面积,树木冠层提供了比树木本身所占面积大2～10倍的叶面积[29]。

森林的治污防霾作用是有限但可恢复的。合理地配置植物栽培模式,并在不同功能区布设有针对性的高滞尘树种,就可以让森林改善大气环境质量的作用最大化。

3 结束语

与发达国家城市化进程一样,我国城市化进程同样具有高排放污染物的特征。城市人口的人均能源消费大约是农村人口的3～4倍,城市化进程中必然会推动大规模城市基础设施和住房建设,在生产建设过程中,会产生大量的尘埃,因而带来的严重的空气质量问题;所以,城市水土保持措施显得尤为重要,也可以作为减少PM2.5中扬尘的一种重要途径。

城市水土保持临时措施的实施,有利于减少空气中PM2.5等颗粒物的质量浓度。生产建设项目施工期间可以实行的临时措施都可以通过降低施工扬尘从而降低空气中PM2.5的质量浓度,尤其是遇到大风天气时,设置临时措施对减少空气中PM2.5质量浓度显得尤为重要。城市水土保持植物措施的实施,利用绿色植被的特点,比如植被叶片对于PM2.5颗粒物的黏附能力,使空气中的部分PM2.5颗粒物黏附在叶面上,通过降雨降雪等降落到地面上,通过雨水冲刷后进入下水道等地方。同时,绿色植物存在的地方湿度大,也有利于空气中PM2.5颗粒物的沉降。