CN106840986A - 一种研究土壤颗粒物排放的模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种研究土壤颗粒物排放的模拟装置，包括风机、模拟装置主体，模拟装置主体一端为进风端，模拟装置主体的进风端设置有导风板，模拟装置主体的进风端通过导风管与风机连接，模拟装置主体内的顶部设置有降雨管和光照管，模拟装置主体内的底部设置有样品槽，样品槽内设置有搅拌器，样品槽的底部设置有槽底漏水孔，模拟装置主体的两端的分别设置有上风向空气颗粒物采样器和下风向空气颗粒物采样器，本发明还公开了一种研究土壤颗粒物排放的方法。本发明可以同时模拟不同土壤类型、风速、翻耕强度、降雨强度、光照强度多个实验因素影响下的农业用地颗粒物排放。

Description

一种研究土壤颗粒物排放的模拟装置及方法

技术领域

本发明涉及颗粒物排放领域，尤其涉及一种研究土壤颗粒物排放的模拟装置，还涉及一种研究土壤颗粒物排放的方法，适用于模拟研究旱地耕作过程PM2.5、PM10排放的机制和排放量的估算。

背景技术

大气气溶胶对区域雾霾和气候变化的影响是当前的研究热点，而土壤气溶胶是大气气溶胶的主要成分之一，土壤气溶胶在大气颗粒物PM10中所占的质量浓度一般为5％-20％,在某些区域或者特定的气候条件下可能会更高。

我国地域辽阔，耕地分布广泛。在北方地区，由于气候干燥、全年平均风速较大，土壤风蚀严重，而在南方地区，由于全年降雨较多，雨水的淋溶作用使得土壤中有机质下移，土壤表层风化严重。因此，土壤风蚀是土壤气溶胶中颗粒物的重要来源。除了常年存在的土壤风蚀，农田耕地虽然只有短短的几天到几周，但是颗粒物的排放却可能是风蚀的数倍，也是土壤气溶胶的重要来源之一。研究不同地表土壤风蚀、农业耕作等与颗粒物排放之间的关系对大气颗粒物研究具有重要意义。

发明内容

提供一种研究土壤颗粒物排放的模拟装置，还提供了一种研究土壤颗粒物排放的方法。装置结构简单，控制灵活方便，可以同时模拟单一或多个因素影响下土壤颗粒物的排放。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种研究土壤颗粒物排放的模拟装置，包括风机，还包括模拟装置主体，模拟装置主体一端为进风端，模拟装置主体的进风端设置有导风板，模拟装置主体的进风端通过导风管与风机连接，模拟装置主体内的顶部设置有降雨管和光照管，模拟装置主体内的底部设置有样品槽，样品槽内设置有搅拌器，样品槽的底部设置有槽底漏水孔，模拟装置主体的底部设置有滤水池，模拟装置主体底部设置有与滤水池连通的底部漏水孔，滤水池上设置有排水管，模拟装置主体的两端的分别设置有上风向空气颗粒物采样器和下风向空气颗粒物采样器。

如上所述的导风板包括从上往下依次设置的若干个导风叶片，导风叶片与风向调节阀连接。

如上所述的降雨管与水泵连接。

一种研究土壤颗粒物排放的模拟装置，还包括分别与风机、水泵、光照管、搅拌器连接的控制箱。

如上所述的模拟装置主体、风机、控制箱均设置在移动支架上。

如上所述的模拟装置主体的侧部设置有操作孔。

一种研究土壤颗粒物排放的方法，包括以下步骤：

步骤1、将样品放置于样品槽中，通过控制箱控制搅拌器搅拌速度为0～100r/min；

步骤2、通过控制箱控制导风板出风风速，导风板出风风速的范围为0～3m/s，调节风向调节阀设定导风板的出风风向，出风风向与垂直方向的角度为0～180°；通过控制箱控制降雨管的降雨量和降雨时间；通过控制箱控制光照管光照强度和时间；

步骤3、待模拟装置主体中风场稳定，通过上风向空气颗粒物采样器和下风向空气颗粒物采样器采集颗粒物气体；

步骤4、计算颗粒物排放量M。

如上所述的步骤4包括以下步骤：

步骤4.1、由下式确定排放系数EF_i：

式中:ω1-采样前上风向空气颗粒物采样器中空白滤膜的质量，由十万分之一天平称量获得；ω2-采样后上风向空气颗粒物采样器中滤膜的质量，由十万分之一天平称量获得；ω3-采样前下风向空气颗粒物采样器中空白滤膜的质量，由十万分之一天平称量获得；ω4-采样后下风向空气颗粒物采样器中滤膜的质量，由十万分之一天平称量获得；EF_i-排放系数；S-样品槽的上表面面积；T-采样时间。

步骤4.2、计算颗粒物排放量M：

将步骤4.1获得的排放系数EF_i和实际耕地面积S₀的相乘获得颗粒物排放量M。

本发明与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：

1、可以同时模拟不同土壤类型、风速、翻耕强度、降雨强度、光照强度多个实验因素影响下的农业用地颗粒物排放，与现有的只可以模拟单一实验因素的装置相比，适用范围更加广泛，模拟实验更加符合实际；

2、通过控制箱集中控制的方式使得装置操作更加简单方便，尤其是与现有的通过测量模拟装置主体中心湿度、压力和温度计算风速的方法相比，本发明通过控制箱调节风机风量，通过模拟装置主体侧部操作孔用风速仪测量风速的方法更加简便。且方便确定模拟装置主体中的风速廓线，避免了模拟装置中压力传感器、温度传感器等设备对模拟装置主体中风场的影响；

3、通过采集不同实验因素影响下的颗粒物排放量，可以估算某个城市或者区域内由于农业活动引起的PM_2.5和PM₁₀的排放量。

附图说明

图1是本发明的正视图；

图2是本发明的左视图；

图3是本发明的后视图；

图4是本发明的俯视图；

图5是图4中的A-A剖面图；

图6(a)是风速对土壤(粒径≤2mm)排放PM₁₀、PM_2.5的影响；

图6(b)是风速对土壤(粒径≥2mm)排放PM₁₀、PM_2.5的影响。

图中，1-风机；2-风向调节阀；3-下风向空气颗粒物采样器；4-上风向空气颗粒物采样器；5-控制箱；6-移动支架；7-连接风机法兰盘；8-操作孔；9-排水管；10-水泵；11-导风板；12-降雨管；13-光照管；14-搅拌器；15-样品槽；16-滤水池；17-导风管；18-模拟装置主体；19-导风叶片。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案进一步详细说明：

实施例1：

如图1～5所示，一种研究土壤颗粒物排放的模拟装置，包括风机1，还包括模拟装置主体18，模拟装置主体18一端为进风端，模拟装置主体18的进风端设置有导风板11，模拟装置主体18的进风端通过导风管17与风机连接，模拟装置主体18内的顶部设置有降雨管12和光照管13，模拟装置主体18内的底部设置有样品槽15，样品槽15内设置有搅拌器14，样品槽15的底部设置有槽底漏水孔，模拟装置主体18的底部设置有滤水池16，模拟装置主体18底部设置有与滤水池16连通的底部漏水孔，滤水池16上设置有排水管9，模拟装置主体18的两端的分别设置有上风向空气颗粒物采样器4和下风向空气颗粒物采样器3。

导风板11包括从上往下依次设置的若干个导风叶片19，导风叶片19与风向调节阀2连接。

降雨管12与水泵10连接。

一种研究土壤颗粒物排放的模拟装置，还包括分别与风机1、水泵10、光照管13、搅拌器14连接的控制箱5。

模拟装置主体18、风机1、控制箱5均设置在移动支架6上。

模拟装置主体18的侧部设置有操作孔8。

实施例2：

利用实施例1所述的研究土壤颗粒物排放的模拟装置进行研究土壤颗粒物排放的方法，包括以下步骤：

步骤1、将样品放置于样品槽15中，经搅拌器14搅拌以模拟农业用地翻耕过程，搅拌器14搅拌速度可以通过控制箱5在0～100r/min范围内连续调节，以模拟不同类型的翻耕活动。

步骤2、在确定搅拌速度后，通过控制箱5控制模拟装置主体18的进风端的导风板11出风风速实现0～3m/s连续可调节。调节风向调节阀2可改变导风板11出风风向，实现出风风向与垂直方向0～180°连续调节；通过控制箱5控制降雨管12的降雨量，可实现不同强度的降雨，且可通过控制箱5设置降雨时间；通过控制箱5控制光照管13光照强度和时间。

步骤3、确定搅拌速度、导风板11出风风速、导风板11出风风向、降雨强度、降雨时间、光照强度和光照强度后，待模拟装置主体18中风场稳定，通过上风向空气颗粒物采样器4和下风向空气颗粒物采样器3采集翻耕前后含颗粒物气体。

步骤4、计算颗粒物排放量。

如上所述的步骤4包含以下步骤：

步骤4.1、确定排放系数EF_i

排放系数EF_i为单位时间单位农田面积上颗粒物排放量，由下式确定：

式中:ω1-采样前上风向空气颗粒物采样器4中空白滤膜的质量，由十万分之一天平称量获得；ω2-采样后上风向空气颗粒物采样器4中滤膜的质量，由十万分之一天平称量获得；ω3-采样前下风向空气颗粒物采样器3中空白滤膜的质量，由十万分之一天平称量获得；ω4-采样后下风向空气颗粒物采样器3中滤膜的质量，由十万分之一天平称量获得；EF_i-排放系数；S-样品槽的上表面面积；T-采样时间。

步骤4.2、计算颗粒物排放量M：

排放系数EF_i和实际耕地面积S₀的乘积即为颗粒物排放量M。颗粒物排放量M通过下式确定：

M＝S₀×EF_i

式中：S₀—实际耕地面积；M—颗粒物排放量；EF_i—排放系数(当前试验条件下)。

实施例3：

利用实施例1所述的研究土壤颗粒物排放的模拟装置进行研究土壤颗粒物排放的方法，包括以下步骤：

步骤1、将样品放置于样品槽15中，经搅拌器14搅拌以模拟农业用地翻耕过程，搅拌器14搅拌速度为0r/min。

步骤2、通过控制箱5控制模拟装置主体18的进风端的导风板11出风风速分别为0m/s、0.5m/s、1.0m/s、1.5m/s、2.0m/s、2.5m/s、3.0m/s。调节风向调节阀2可改变导风板11出风风向，实现出风风向平行于样品槽15；

通过控制箱5控制降雨管12的降雨量和降雨时间均为0；

通过控制箱5控制光照管13光照强度和时间均为0。

步骤3、待模拟装置主体18中风场稳定，通过上风向空气颗粒物采样器4和下风向空气颗粒物采样器3采集翻耕前后含颗粒物气体。

步骤4、计算颗粒物排放量。

如上所述的步骤4包含以下步骤：

步骤4.1、确定排放系数EF_i

排放系数EF_i为单位时间单位农田面积上颗粒物排放量，由下式确定：

式中:ω1-采样前上风向空气颗粒物采样器4中空白滤膜的质量，由十万分之一天平称量获得；ω2-采样后上风向空气颗粒物采样器4中滤膜的质量，由十万分之一天平称量获得；ω3-采样前下风向空气颗粒物采样器3中空白滤膜的质量，由十万分之一天平称量获得；ω4-采样后下风向空气颗粒物采样器3中滤膜的质量，由十万分之一天平称量获得；EF_i-排放系数；S-样品槽的横截面面积；T-采样时间。

步骤4.2、计算颗粒物排放量M

排放系数EF_i和实际耕地面积S₀的乘积即为颗粒物排放量M。颗粒物排放量M通过下式确定：

M＝S₀×EF_i

式中：S₀—实际耕地面积；M—颗粒物排放量；EF_i—排放系数(当前试验条件下)。

上风向空气颗粒物采样器4和下风向空气颗粒物采样器3为PM₁₀空气颗粒物采样器，既可以测量PM₁₀空气颗粒物排放量，上风向空气颗粒物采样器4和下风向空气颗粒物采样器3为PM_2.5空气颗粒物采样器，既可以测量PM_2.5空气颗粒物排放量。

本说明书中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种研究土壤颗粒物排放的模拟装置，包括风机(1)，其特征在于，还包括模拟装置主体(18)，模拟装置主体(18)一端为进风端，模拟装置主体(18)的进风端设置有导风板(11)，模拟装置主体(18)的进风端通过导风管(17)与风机连接，模拟装置主体(18)内的顶部设置有降雨管(12)和光照管(13)，模拟装置主体(18)内的底部设置有样品槽(15)，样品槽(15)内设置有搅拌器(14)，样品槽(15)的底部设置有槽底漏水孔，模拟装置主体(18)的底部设置有滤水池(16)，模拟装置主体(18)底部设置有与滤水池(16)连通的底部漏水孔，滤水池(16)上设置有排水管(9)，模拟装置主体(18)的两端的分别设置有上风向空气颗粒物采样器(4)和下风向空气颗粒物采样器(3)。

2.根据权利要求1所述的一种研究土壤颗粒物排放的模拟装置，其特征在于，所述的导风板(11)包括从上往下依次设置的若干个导风叶片(19)，导风叶片(19)与风向调节阀(2)连接。

3.根据权利要求2所述的一种研究土壤颗粒物排放的模拟装置，其特征在于，所述的降雨管(12)与水泵(10)连接。

4.根据权利要求3所述的一种研究土壤颗粒物排放的模拟装置，其特征在于，还包括分别与风机(1)、水泵(10)、光照管(13)、搅拌器(14)连接的控制箱(5)。

5.根据权利要求4所述的一种研究土壤颗粒物排放的模拟装置，其特征在于，所述的模拟装置主体(18)、风机(1)、控制箱(5)均设置在移动支架(6)上。

6.根据权利要求1所述的一种研究土壤颗粒物排放的模拟装置，其特征在于，所述的模拟装置主体(18)的侧部设置有操作孔(8)。

7.一种利用权利要求4所述装置进行研究土壤颗粒物排放的方法，包括以下步骤：

步骤1、将样品放置于样品槽(15)中，通过控制箱(5)控制搅拌器(14)搅拌速度为0～100r/min；

步骤2、通过控制箱(5)控制导风板(11)出风风速，导风板(11)出风风速的范围为0～3m/s，调节风向调节阀(2)设定导风板(11)的出风风向，出风风向与垂直方向的角度为0～180°；通过控制箱(5)控制降雨管(12)的降雨量和降雨时间；通过控制箱(5)控制光照管(13)光照强度和时间；

步骤3、待模拟装置主体(18)中风场稳定，通过上风向空气颗粒物采样器(4)和下风向空气颗粒物采样器(3)采集颗粒物气体；

步骤4、计算颗粒物排放量M。

8.根据权利要求7所述的一种研究土壤颗粒物排放的方法，其特征在于，所述的步骤4包括以下步骤：

步骤4.1、由下式确定排放系数EF_i：

${\mathrm{EF}}_i=\frac{({\mathrm{\ω}}_4-{\mathrm{\ω}}_3)-({\mathrm{\ω}}_2-{\mathrm{\ω}}_1)}{S\·T}$

式中:ω1-采样前上风向空气颗粒物采样器(4)中空白滤膜的质量，由十万分之一天平称量获得；ω2-采样后上风向空气颗粒物采样器(4)中滤膜的质量，由十万分之一天平称量获得；ω3-采样前下风向空气颗粒物采样器(3)中空白滤膜的质量，由十万分之一天平称量获得；ω4-采样后下风向空气颗粒物采样器(3)中滤膜的质量，由十万分之一天平称量获得；EF_i-排放系数；S-样品槽的上表面面积；T-采样时间。

步骤4.2、计算颗粒物排放量M：

将步骤4.1获得的排放系数EF_i和实际耕地面积S₀的相乘获得颗粒物排放量M。