本發(fā)明涉及一種間接測(cè)定植物表面PM2.5的干沉降速率的方法，屬于植物表面物理性質(zhì)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：在空氣污染日趨嚴(yán)重的今天，越來越多的關(guān)注聚焦在大氣污染問題上。大氣中直徑小于或等于2.5微米的細(xì)顆粒污染物，簡(jiǎn)稱為PM2.5，因其傳播距離遠(yuǎn)，對(duì)人體健康影響大，已成為大氣污染防控的首要目標(biāo)。測(cè)定PM2.5在植物葉片上的干沉降速率，為霧霾治理和污染防控提供科學(xué)依據(jù)，已經(jīng)迫在眉睫。研究表明，干沉降(drydeposition)是植被凈化大氣顆粒物的主要機(jī)制。植物的滯塵能力可以用單位面積植物葉片上PM2.5的干沉降通量(F)來表示：F(μg/m2/hr)＝Vd×C式(1)式中Vd為干沉降條件下植物葉片吸滯PM2.5的速率(m/hr)，隨植物種類及環(huán)境因素的不同而不同；C為當(dāng)?shù)卮髿庵蠵M2.5本底濃度(μg/m3)。經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的大量檢索后發(fā)現(xiàn)，目前測(cè)定植物干沉降速率Vd的主要方法有洗脫法和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)法。但是洗脫法僅僅適合不溶性的粗顆粒，同時(shí)由于稱量量非常微小，稱量中容易產(chǎn)生累計(jì)誤差，不適用于細(xì)小的PM2.5顆粒物干沉降速率的測(cè)量；而風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)法用NaCl或KNO3為示蹤物模擬大氣中的顆粒物，其粒徑約在0.8μm，不能代表大氣中PM2.5的真實(shí)粒徑，且實(shí)驗(yàn)成本很高，實(shí)驗(yàn)條件要求較為苛刻，操作難度較大。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種間接式測(cè)定植物表面PM2.5的干沉降速率的方法。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：本發(fā)明提供了一種間接測(cè)定植物表面PM2.5的干沉降速率的方法，其包括如下步驟：S1：制備PM2.5模擬顆粒物；S2：確定測(cè)定過程中煙霧箱內(nèi)PM2.5的濃度范圍和測(cè)定時(shí)長；S3：確定所述濃度范圍和測(cè)定時(shí)長內(nèi)煙霧箱體中PM2.5的濃度隨時(shí)間的指數(shù)衰減變化規(guī)律，并建立數(shù)學(xué)模型確定衰減速率常數(shù)j；S4：確定所述濃度范圍和測(cè)定時(shí)長內(nèi)含有葉片的煙霧箱箱體中PM2.5的濃度隨時(shí)間的指數(shù)衰減變化規(guī)律，并建立數(shù)學(xué)模型確定衰減速率常數(shù)k；S5：根據(jù)獲得的兩個(gè)衰減速率常數(shù)j、k的數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出所測(cè)試葉片樣品對(duì)PM2.5的干沉降速率Vd計(jì)算公式，如式I所示，其中V為煙霧箱箱體容積，LA為測(cè)試葉片樣品葉面積；作為優(yōu)選方案，所述PM2.5模擬顆粒物為平均粒徑為2.5μm的金剛石微粉。作為優(yōu)選方案，步驟S2中驗(yàn)室模擬用PM2.5顆粒物的濃度范圍為20～400μg/m3，測(cè)定時(shí)長為1000秒。作為優(yōu)選方案，步驟S3具體包括如下操作：用純凈氮?dú)鉀_洗煙霧箱箱體內(nèi)壁，當(dāng)箱體內(nèi)的PM2.5濃度下降到10μg/m3以下并穩(wěn)定時(shí)，用洗耳球吹入PM2.5模擬顆粒物，使箱體內(nèi)PM2.5濃度達(dá)到400μg/m3。此時(shí)利用Grimm32通道粒徑譜儀，每6秒測(cè)定并記錄1次箱體內(nèi)PM2.5的濃度，測(cè)定時(shí)長為1000秒。測(cè)定之后利用matlab軟件將箱體內(nèi)PM2.5濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律擬合為指數(shù)衰減模型C(t)＝C0·exp(-j·t)，其中C(t)為在t時(shí)刻PM2.5的濃度，C0是PM2.5的起始濃度，j為衰減速率常數(shù)，通過擬合計(jì)算而得到。作為優(yōu)選方案，步驟S4具體包括如下操作：將剛采下的葉片用流動(dòng)水沖洗三遍并自然晾干后，懸掛于煙霧箱箱體內(nèi)的掛鉤上，蓋上箱蓋，用純凈氮?dú)鉀_洗箱體內(nèi)壁，當(dāng)箱體內(nèi)的PM2.5濃度下降到10μg/m3以下并穩(wěn)定時(shí)，用洗耳球吹入PM2.5模擬顆粒物，使箱體內(nèi)PM2.5濃度達(dá)到400μg/m3。此時(shí)利用Grimm32通道粒徑譜儀，每6秒測(cè)定并記錄1次箱體內(nèi)PM2.5的濃度，測(cè)定時(shí)長為1000秒。測(cè)定之后利用matlab軟件將箱體內(nèi)PM2.5濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律擬合為指數(shù)衰減模型C(t)＝C0·exp(-k·t)，其中C(t)為在t時(shí)刻PM2.5的濃度，C0是PM2.5的起始濃度，k為衰減速率常數(shù)，通過擬合計(jì)算而得到。作為優(yōu)選方案，所述煙霧箱包括：不銹鋼外殼、密閉罐體、變速風(fēng)扇、溫控探頭、環(huán)形空氣沖洗管路、空氣進(jìn)氣口、罐體頂蓋、密封固定螺栓、預(yù)留檢測(cè)口、操作面板、配電箱、內(nèi)外壓力平衡裝置、真空泵，密閉罐體位于不銹鋼外殼內(nèi)，變速風(fēng)扇、環(huán)形空氣沖洗管路從下至上依次位于密閉罐體內(nèi)，空氣進(jìn)氣口、罐體頂蓋、操作面板都固定在不銹鋼外殼的頂端上，預(yù)留檢測(cè)口位于罐體頂蓋上，罐體頂蓋和不銹鋼外殼之間通過密封固定螺栓固定，真空泵位于不銹鋼外殼內(nèi)且位于密閉罐體的側(cè)面。具體可參見專利ZL201510093611.X。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：與傳統(tǒng)測(cè)定法相比，本發(fā)明通過觀測(cè)數(shù)據(jù)擬合得到的公式進(jìn)行計(jì)算，可極大減小系統(tǒng)誤差，提高測(cè)定的精確度，并且實(shí)驗(yàn)成本低，實(shí)驗(yàn)耗時(shí)少，操作更加簡(jiǎn)便易行。附圖說明通過閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：圖1為實(shí)施例中符合要求的金剛石微粉不同粒徑顆粒的個(gè)數(shù)及濃度分布圖；圖2為實(shí)施例中空白煙霧箱內(nèi)空氣PM2.5濃度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)圖；圖3為實(shí)施例中不同初始濃度下煙霧箱內(nèi)PM2.5濃度的自然對(duì)數(shù)值隨時(shí)間的變化圖(各回歸方法中的截距即初始濃度)；圖4為濃度在400～20μg/m3范圍內(nèi)煙霧箱內(nèi)PM2.5濃度的自然對(duì)數(shù)值隨時(shí)間的變化圖；圖5為濃度在400～20μg/m3范圍內(nèi)，時(shí)間控制在1000s內(nèi)的箱體內(nèi)PM2.5濃度的自然對(duì)數(shù)值隨時(shí)間的變化圖；圖6為煙霧箱內(nèi)PM2.5濃度的指數(shù)衰減函數(shù)圖；圖7為新獲得系數(shù)代替原擬合方程系數(shù)構(gòu)成的新直線方程(各回歸方法中的截距即初始濃度)；圖8為實(shí)施例中試樣和空白對(duì)照的PM2.5濃度的指數(shù)衰減函數(shù)圖；圖9帶有無患子葉片的煙霧箱內(nèi)PM2.5濃度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)和擬合函數(shù)圖；圖10不同時(shí)間間隔對(duì)應(yīng)的無患子葉片PM2.5沉降速率圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。實(shí)施例1本實(shí)施例涉及一種間接測(cè)定植物表面PM2.5的干沉降速率的方法，其包括如下步驟：1、實(shí)驗(yàn)室模擬用PM2.5顆粒物的制備為確保實(shí)驗(yàn)室模擬用PM2.5顆粒物粒徑符合試驗(yàn)要求，我們依次對(duì)購買不同粒徑的金剛石微粉做預(yù)實(shí)驗(yàn)，通過Grimm1109粒徑譜儀的測(cè)定，得到符合試驗(yàn)要求的金剛石微粉。如圖1所示，備選用金剛石微粒的質(zhì)量濃度主要集中分布在顆粒直徑2.5μm處，符合試驗(yàn)要求。2、實(shí)驗(yàn)室模擬用PM2.5顆粒物的濃度范圍的確定及實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間的確定2.1實(shí)驗(yàn)室模擬用PM2.5顆粒物的濃度范圍的確定煙霧箱體內(nèi)部的表面積為一固定值，根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理得知，在有風(fēng)扇攪動(dòng)情況下，密閉容器內(nèi)的顆粒物的濃度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)符合指數(shù)衰減類型。為了確定PM2.5顆粒物的濃度取值范圍，制備12組不同濃度的金剛石微粒(69～1212μg/m3，空氣中常見的濃度取值)，并記錄了對(duì)應(yīng)的PM2.5顆粒物濃度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，經(jīng)過線性擬合發(fā)現(xiàn)，其趨勢(shì)均符合指數(shù)衰減類型(如圖2)，為方便進(jìn)一步研究，現(xiàn)將各組PM2.5濃度值取自然對(duì)數(shù)，對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像分析處理，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，每一組經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，其新構(gòu)成的圖像接近于直線，對(duì)每一組的圖像進(jìn)行擬合，可得到相應(yīng)的擬合直線?，F(xiàn)將各組直線按照其與y軸的截距從大到小進(jìn)行排列，如表1所示。表1不同濃度下的回歸方程和相應(yīng)的R2值在不同的濃度下，擬合所得方程的系數(shù)在-0.0010153～-0.0007972之間浮動(dòng)，雖然該12個(gè)系數(shù)數(shù)值相對(duì)集中，但最大值與最小值之間仍相差了20％左右，不利于對(duì)缸體的適宜參數(shù)的確定，故需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的篩選。根據(jù)圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)縱坐標(biāo)大于或接近于6(對(duì)應(yīng)PM2.5濃度約為400μg/m3)時(shí)，其數(shù)據(jù)點(diǎn)大部分偏離了回歸方程，而位于其上方；當(dāng)縱坐標(biāo)位于6和5(對(duì)應(yīng)PM2.5濃度約為150μg/m3)之間時(shí)，雖有若干點(diǎn)偏離回歸方程而位居其上，但其個(gè)數(shù)只占總體個(gè)數(shù)較小的部分；當(dāng)縱坐標(biāo)小于3(對(duì)應(yīng)PM2.5濃度約為20μg/m3)時(shí)，數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的波動(dòng)明顯，離散程度較大。對(duì)于經(jīng)過篩選后的各組濃度點(diǎn)進(jìn)行重新擬合，按照其與y軸的截距從大到小進(jìn)行排列，如表三所示。新擬合所得方程的系數(shù)在-0.0011117～-0.0008368之間浮動(dòng)，這12個(gè)新系數(shù)數(shù)值比之前的數(shù)值更為集中，但最大值與最小值之間仍相差了20％左右。另外，對(duì)原初始濃度大于400μg/m3的三組數(shù)據(jù)擬合所得方程的系數(shù)分別為-0.0010161、-0.0008591和-0.0008368，相互之間比較離散，且原初始濃度為1212μg/m3和596μg/m3較為遠(yuǎn)離400μg/m3這個(gè)濃度，在數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理時(shí)可能有很大的影響，因此將其篩除。其余數(shù)據(jù)需要通過控制時(shí)間的手段以求得到更好的試驗(yàn)效果。表2濃度在400～20μg/m3范圍內(nèi)的回歸方程和相應(yīng)的R2值2.2實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間的確定持續(xù)時(shí)間的確定首先考慮之前確定的濃度降低至20μg/m3所需的時(shí)間，一般控制在600～3000s之內(nèi)較為適宜，但是根據(jù)圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)間超過1200s之后，各數(shù)據(jù)點(diǎn)之間雖然比濃度低于20μg/m3時(shí)出現(xiàn)的離散情況要好，但都或多或少出現(xiàn)了一定程度的離散現(xiàn)象，為了不影響數(shù)據(jù)的精確度和準(zhǔn)確性，現(xiàn)只選取各組數(shù)據(jù)的前1000s，對(duì)篩選后的各組數(shù)據(jù)我們進(jìn)行回歸方程的擬合，如圖4所示。對(duì)于經(jīng)過第二次篩選后的各組濃度點(diǎn)進(jìn)行重新擬合，按照其與y軸的截距從大到小進(jìn)行排列，如表3所示。新擬合所得方程的系數(shù)在-0.0012857～-0.0009677之間浮動(dòng)，這10個(gè)新系數(shù)數(shù)值比之前的數(shù)值更為集中，雖然最大值與最小值之間仍相差了20％左右，但是其余8個(gè)系數(shù)明顯集中。3、煙霧箱內(nèi)PM2.5濃度隨時(shí)間衰減規(guī)律確定對(duì)于煙霧箱內(nèi)PM2.5的濃度隨時(shí)間的衰減規(guī)律確定，參考表3所擬合得到的回歸方程，去除異常的最大值和最小值，對(duì)其余系數(shù)求平均值，可得到新的系數(shù)j＝-0.0010618。根據(jù)新獲得系數(shù)，還原得到該煙霧箱內(nèi)PM2.5濃度的指數(shù)衰減函數(shù)，如圖6所示。依據(jù)每組的不同初始濃度，將新得到的系數(shù)替換原來擬合的直線的系數(shù)，得到圖7。表3濃度在400～20μg/m3范圍內(nèi)，時(shí)間控制在1000s內(nèi)的回歸方程和相應(yīng)的R2值4、含有待測(cè)葉片的煙霧箱內(nèi)PM2.5濃度隨時(shí)間衰減規(guī)律確定(以無患子為例)按照步驟S4所述，將無患子葉片經(jīng)處理后置于煙霧箱進(jìn)行測(cè)定，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，將得到的若干數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合，得到如圖8所示。5、所測(cè)葉片對(duì)PM2.5的干沉降速率Vd的推導(dǎo)(以無患子為例)5.1間接法測(cè)定葉片滯塵量公式的推導(dǎo)：取任意在測(cè)定范圍內(nèi)的t時(shí)刻，則t時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的含有試樣的氣溶膠氣候箱缸體內(nèi)部PM2.5濃度為：z(t)=C0×ekt式中，C0為初始濃度，k為帶有無患子樣品的煙霧箱內(nèi)PM2.5濃度的衰減速率常數(shù)。則經(jīng)過Δt時(shí)間后，含有試樣的氣溶膠氣候箱缸體內(nèi)部PM2.5濃度為：z(t+Δt)=C0×ek(t+Δt)為了使空白對(duì)照的氣溶膠氣候箱缸體內(nèi)部PM2.5濃度與z(t)的濃度相同，則需令y(t′)＝z(t)，可得：t′=kt/j式中，j為空白對(duì)照的煙霧箱內(nèi)PM2.5濃度的衰減速率常數(shù)。則經(jīng)過Δt時(shí)間后，空白對(duì)照的氣溶膠氣候箱缸體內(nèi)部PM2.5濃度為：y(t′+Δt)＝C0×ej(t+Δt)＝c0×ekt+j·Δt根據(jù)沉降速率的計(jì)算公式可以得到如下等式：Vd(t)=y(t′+Δt)-z(t+Δt)z(t)·Δt·VLA=C0×ekt+j·Δt-C0×ek(t+Δt)C0×ekt·Δt·VLA=(ej·Δt-ek·Δt)·VLA·Δt]]>式中，LA為測(cè)試樹種的葉面積，V為煙霧箱的體積。5.2葉片滯塵量公式中的時(shí)間間隔Δt的確定根據(jù)上述推導(dǎo)可知：式中，系數(shù)j只與對(duì)于煙霧箱內(nèi)部的性質(zhì)和表面積有關(guān)系，而且由于每組實(shí)驗(yàn)中特定測(cè)試樹種的葉片及葉面積LA都已經(jīng)確定，所以系數(shù)k的數(shù)值也是確定的，煙霧箱的體積V也為一固定值，所以影響沉降速率結(jié)果大小取決于測(cè)試時(shí)間間隔。我們將測(cè)試無患子所得數(shù)據(jù)和空白氣溶膠氣候箱測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可以得到圖9，通過計(jì)算可知k＝-0.0015861，系數(shù)j＝-0.0010618，用葉面積儀可測(cè)得所用無患子葉面積為791.2541cm2，煙霧箱體積為0.4m3。將以上各系數(shù)帶入式1中。對(duì)于時(shí)間間隔，分別取1000s、100s、10s、1s、0.1s、0.01s、0.001s、0.0001s，計(jì)算得到的干沉降速率Vd的數(shù)值，如圖10所示。由圖可知，當(dāng)時(shí)間間隔在1000～10s區(qū)段內(nèi)時(shí)，沉降速率的數(shù)值隨時(shí)間間隔的縮小而增大，當(dāng)時(shí)間間隔在10～0.0001s區(qū)段內(nèi)，沉降速率的數(shù)值變化基本穩(wěn)定不變。表4不同時(shí)間間隔對(duì)應(yīng)的無患子葉片PM2.5沉降速率由表4可以發(fā)現(xiàn)，時(shí)間間隔越大，導(dǎo)致沉降速率的數(shù)值越偏小，但當(dāng)時(shí)間間隔小于10s時(shí)，沉降速率數(shù)值基本保持恒定。同時(shí)考慮到數(shù)值的精準(zhǔn)性和實(shí)際操作的可行性，可以將時(shí)間間隔控制在1～10s范圍內(nèi)。本實(shí)驗(yàn)建議時(shí)間間隔可取為1s，則Vd計(jì)算公式則可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。當(dāng)前第1頁1 2 3