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2019年，北京市细颗粒物(PM2.5)年均质量浓度为42 μg·m−3，比2013年下降53.3%[1]。继2014年北京市首次发布PM2.5源解析结果之后，2018年再次发布PM2.5源解析结果。相比2013年，2017年扬尘源和移动源的贡献率都有所上升。其中，扬尘源对本地源的贡献率由14.3%上升至16.0%[2]。扬尘源是北京市当前及未来一段时间必须重点关注和治理的大气污染源，城市扬尘仍有很大可控空间[3]。扬尘源污染治理是当前大气污染治理最薄弱的环节。2019年，北京市针对施工、道路、裸地等扬尘源，制定了《北京市扬尘管控工作意见》。其中，针对裸地风蚀扬尘提出了绿化、覆盖防尘网、喷洒风蚀扬尘抑尘剂等覆盖措施。
防尘网是目前裸地风蚀扬尘治理最常用的措施。北京市利用卫星遥感监测裸地及覆盖面积变化时，裸地苫盖防尘网的情况是评价裸地是否裸露的重要依据。此外，防尘网常被列为裸地风蚀扬尘治理措施之一[4]，也常与安全网和防风抑尘网相混淆。安全网的定义为用来防止人、物坠落，或用来避免、减轻坠落及物击伤害的网具[5]。安全网也可以防止建筑结构和装修施工扬尘排放。防风抑尘网的定义为利用空气动力学原理，按照实施现场环境风洞实验结果加工成一定几何形状、开孔率和不同孔形组合挡风抑尘墙，使流通的空气(强风)从外通过墙体时，在墙体内侧形成上、下干扰的气流，以达到外侧强风、内侧弱风、外侧小风、内侧无风的效果，从而防止粉尘飞扬的网[6]。防尘网的定义为：以网状材料制作，防止粉尘逸散的设施[7]。目前我国尚无防尘网相关标准。本研究中，将防尘网定义为“覆盖在易扬尘物料或裸地表面、防止风蚀扬尘的网具”。
扬尘源排放特征[8-11]、成分谱[12]、排放清单[13-16]和控制措施[17-19]等研究在我国越来越被重视，但针对防尘网的研究尚无报道，远不及防风抑尘网的研究程度[18-19]。防尘网的使用存在以下几个问题：缺乏防尘网风蚀扬尘控制效率测试方法及数据，无法准确估算扬尘排放清单；防尘网覆盖不完整、未压严压实的情况比较普遍，扬尘治理“最后1 m”的问题有待解决；网目密度是影响防尘网控制效率的主要参数[20]，施工单位为控制成本，通常选择网目密度低的防尘网；防尘网材质多为聚乙烯或医疗废物再生料，防尘网生产过程会产生污染，且防尘网覆盖裸地之后较难回收。LU等[21]就指出我国利用防尘网治理雾霾是无效的，且可能造成土壤污染。
防尘网风蚀扬尘控制效率指覆盖防尘网之后相对覆盖前裸地的风蚀扬尘排放潜势或排放因子的下降率。风蚀扬尘排放因子研究方法有AP-42文件的经验公式法[22]和现场实测法。AP-42经验公式源自前人风洞测试结果，物料的阈值摩擦风速是其中的关键参数，但是，裸地覆盖防尘网之后无法收集表面物料，进而无法确定覆盖防尘网之后的阈值摩擦风速和控制效率，故只能现场实测控制效率。可借鉴的测试方法及其特点有：1)采用移动式风洞[23]或实验室风洞[24]测试风蚀扬尘，但是这2种风洞都存在体积大、操作复杂、试验投入高等缺点；2)采用上下风向法对大面积裸地进行PM2.5浓度监测[25-26]，该方法需要在待测裸地的上下风向分别布置1台和3台PM2.5采样器，并在试验场地放置1台气象仪，这需要等待适合试验的气象条件，而且试验成本较高；3)使用风扇或鼓风机对裸地进行水平甚至垂直吹蚀产生风蚀扬尘[27]，虽然试验成本低，但是无法模拟自然风，尤其垂直吹蚀会严重低估防尘网的控制效率。
便携式风洞(potable in-situ wind erosion laboratory, PI-SWERL)能够根据实际需要模拟17.2 m·s−1风速(相当于8级风)及以下不同等级的风剪切力[28]。PI-SWERL适用于测试采取控制措施前后的平坦裸地风蚀扬尘排放特征[29]。便携和高效的PI-SWERL可帮助试验人员在短时间内完成大量风蚀扬尘排放试验，进而通过多次重复试验来弥补PI-SWERL试验面积小、试验结果代表性不强的缺点。本研究将研究采用PI-SWERL测试防尘网风蚀扬尘控制效率的方法，比对测试防尘网和水对风蚀扬尘PM2.5的控制效率，分析网目密度和极大风速对防尘网控制效率的影响，为防尘网使用和扬尘排放清单估算提供参考。
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对不同网目密度防尘网的风蚀扬尘PM2.5控制效率进行测试，并与洒水48 h之后(自然晾干)的控制效率进行比较。网目密度是影响防尘网控制效率的主要参数，即每平方分米防尘网中所有网孔的数量[5]。图1为本研究测试的不同网目密度的防尘网，网目密度分别为1 600目(左上)、800目(左下)、650目(右上)和100目(右下)。
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图2是采用PI-SWERL测试防尘网抑尘效率的工作场景。将带海绵垫的风洞腔体轻放于待测土壤表面，避免破坏土壤表面的结皮层；通过控制系统设置并控制风洞的旋转环转动，从而形成不同强度的风剪切力，扰动风洞腔体内待测土壤，释放颗粒物；风洞腔体内的细颗粒物浓度使用DustTrak8530粉尘仪逐秒测试记录，量化土壤表面风蚀扬尘PM2.5排放能力[30]。
在使用PI-SWERL进行风蚀扬尘排放潜势测试时，首先需要确定试验现场土壤可以承受的PI-SWERL最大转速；然后按照阶梯模式设置不同转速模拟风速进行测试。本研究设置了6个转速梯度[29-31]，转速与风速之间存在对应关系：转速1 000、2 000、3 000、4 000、5 000和6 000 r·min−1对应摩擦风速分别为0.24、0.39、0.55、0.69、0.82和0.91 m·s−1，对应10 m高度处自然风速分别为4.5、7.4、10.4、13.1、15.5和17.2 m·s−1。仪器可设置的最高转速为6 000 r·min−1，相当于8级风。已知北京市全年每日极大风速≥17.2 m·s−1(6 000 r·min−1)的天数仅占全年的0.4%，仪器能模拟的最大风速与之相匹配[30]，可采用PI-SWERL评价防尘网在北方城市土壤风蚀扬尘的控制效果。
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根据寒区旱区科学数据中心提供的中国土壤数据集(V1.1)(http://westdc.westgis.ac.cn/)获得北京市土壤类型分布[32-33]，确定试验现场裸地为壤质砂土。平整场地表层2.5 cm的土壤用于测试。使用PI-SWERL测试场地内通过梅花布点法选取的点位，评估PM2.5排放潜势的均匀性。场地平整后放置正方形试验框(边长为1.2 m，高为0.2 m)(如图2所示)。避免试验框外土壤风蚀扬尘污染待测区域，试验框内的待测区域被称为试验区。
在试验区覆盖不同网目密度的防尘网，用试验框压紧防尘网的边缘。使用手动加压喷壶将自来水按照2 L·m−2的喷洒量均匀喷洒在试验区，在自然条件下晾晒48 h。每个试验区内随机选取3个互不重叠的位置进行测试求平均值。整个风蚀扬尘测试周期为1 000 s，其中风蚀开始前会采用洁净空气对设备进行持续150 s的风洞腔体冲洗，以此保证前1次测试造成的风洞内残留颗粒物不会对下一次测试造成影响[29-30]。
1.1. 防尘网
1.2. PI-SWERL测试系统
1.3. 试验方法
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试验现场风蚀扬尘PM2.5累积排放潜势的范围是(2 708.4~4 023.5) mg·m−2(见图3)，平均值为(3 390.5±538.46) mg·m−2，相对标准偏差为±15.9%。根据数据，可认为试验现场平整，扬尘特性均匀，测试结果具有可比性。PI-SWERL模拟的自然风速≥13.1 m·s−1(极大风速，对应转速≥4 000 r·min−1)的天数约占北京市全年总天数的5.9%，但其对应累积排放潜势占总排放潜势的98.2%。并且，从自然风速为13.1 m·s−1开始，累积排放潜势上升趋势明显。因此，本研究仅讨论PI-SWERL转速≥4 000 r·min−1时防尘网控制效率的变化。
图4为不同网目密度(100~1 600目)防尘网对风蚀扬尘PM2.5排放的影响。在整个风蚀过程中，即8级风速(17.2 m·s−1)下，不同网目密度防尘网对风蚀扬尘PM2.5累积排放潜势的控制效率分别为14.2% (100目)、54.2% (650目)、71.2% (800目)和93.4% (1 600目)，网目密度对防尘网的控制效率有明显影响。对17.2 m·s−1风速下防尘网的控制效率(y)与网目密度(x)数据进行回归分析(见图5)，发现二者之间呈对数关系，回归方程如式(1)所示。
式中：y为17.2 m·s−1风速下防尘网的控制效率，x为防尘网的网目密度，可决系数R2=0.96。
根据回归方程计算得到防尘网的风蚀扬尘PM2.5控制效率为0时，防尘网网目密度为65目；控制效率为100%时，网目密度为2 240目。小于65目的防尘网不但没有任何抑尘作用，而且还会因其不易回收而污染土壤。
图6是不同网目密度防尘网控制风蚀扬尘的费效比关系图。费效比指投入费用和产出效益(减排)的比值，费效比越大越不经济。为便于分析，本研究对不同网目密度防尘网的单价及费效比都做了归一化处理。经调研，网目密度为100、650、800、2 000目的4种防尘网归一化单价关系约为0.13∶0.20∶0.44∶0.64∶1.00，归一化费效比关系为0.87∶0.36∶0.60∶0.66∶1.00。由图6可知，100目防尘网费效比不好，加上其控制效率非常低，所以100目防尘网不能采用。650~2 000目的防尘网费效比与网目密度呈正相关。650目防尘网费效比最好，但是其控制效率低，所以650目防尘网不宜采用；800目与1 600目防尘网的费效比相近，但是1 600目防尘网的控制效率比800目防尘网高22.2%；虽然2 000目防尘网的控制效率比1 600目防尘网高3.4%，但是其费效比远不如800目和1 600目防尘网。因此，1 600目防尘网控制风蚀扬尘具有较好的费效比。《进一步加强塑料污染治理的意见(发改环资〔2020〕80号)》[34]对我国建立健全塑料制品长效管理机制指明了方向，但是并未涉及防尘网，建议全面审视防尘网在扬尘污染防治领域的正反面作用，研究将防尘网纳入我国塑料污染治理范畴的必要性和可行性。
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图5是不同防尘网和水对风蚀扬尘PM2.5控制效率的比较。按照2 L·m−2喷洒自来水且自然晾干48 h之后，在8级风速(17.2 m·s−1)下水的控制效率仅为72.4%，与800目防尘网的控制效率(71.2%)接近，不同网目密度防尘网的控制效率相对喷洒水的效率分别提高了21.0% (1 600目)和降低了1.2% (800目)、18.2% (650目)、58.2% (100目)。实际上，在使用防尘网控制风蚀扬尘时，经常出现裸地覆盖不完整或未压实的情况，风很容易吹起防尘网产生粉尘排放。
表1是不同风速下防尘网和水的PM2.5控制效率，在转速由4 000 r·min−1增大至6 000 r·min−1过程中，800目、1 600目的防尘网和水都具有较高的控制效率，且控制效率随转速(风速)增大而增大。当风速在13.1~17.2 m·s−1增大时，1 600目防尘网的控制效率随极大风速增大而增大，在转速为4 000、5 000、6 000 r·min−1时的控制效率分别为71.3%、88.3%和93.4%，1 600目防尘网与水的控制效率差值分别为9.5%、14.2%和21.0%，也随极大风速增大而增大。如果能够解决防尘网的次生污染问题，防尘网相对洒水是一种有效的风蚀扬尘防治措施。目前而言，使用质量过关、费效比好的防尘网控制风蚀扬尘，建立健全防尘网使用-回收机制，减少不必要的防尘网使用，是减少防尘网污染的途径之一。
2.1. 网目密度与控制效率的关系
2.2. 防尘网和水的抑尘效率比较
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1) 防尘网风蚀扬尘PM2.5控制效率随网目密度增大而增大，也随风速增大而增大。1 600目防尘网的控制效率为93.4%。该密度的防尘网控制风蚀扬尘具有较好的费效比。
2) 800目防尘网控制效率与洒水48 h之后的效率(72.4%)接近。1 600目防尘网与水的控制效率差值随风速增大而增大。防尘网相对洒水是一种有效的风蚀扬尘防治措施。
3) 建议在不同土壤类型裸地开展防尘网的控制效率及抑尘有效期测试，并研发环境友好型材质的防尘网；此外，建议探讨将防尘网纳入我国塑料污染治理范畴的必要性和可行性。
