李莉莉 王 琨# 劉 帆 齊 虹 王維業(yè) 姜珺秋

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150090； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090)

為促進(jìn)揚(yáng)塵源顆粒物排放清單編制工作的開(kāi)展，原環(huán)境保護(hù)部于2014年發(fā)布了《揚(yáng)塵源顆粒物排放清單編制技術(shù)指南(試行)》(以下簡(jiǎn)稱《指南》)，揚(yáng)塵源清單能為揚(yáng)塵污染防治的環(huán)境決策和未來(lái)趨勢(shì)分析提供依據(jù)[1-2]。土壤揚(yáng)塵包括多種土地利用類型裸露地面的風(fēng)蝕排放，是大氣顆粒物來(lái)源之一。在中國(guó)14個(gè)城市中，揚(yáng)塵對(duì)冬、夏季PM2.5的貢獻(xiàn)分別為12%～34%、17%～32%[3]。由于土壤揚(yáng)塵起動(dòng)風(fēng)速較小，但傳輸距離遠(yuǎn)，加劇了大氣顆粒物污染[4]。中國(guó)北方風(fēng)力侵蝕是一個(gè)嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題[5]，特別是在干旱和半干旱地區(qū)。根據(jù)黑龍江省2016年發(fā)布的最新顆粒物源解析結(jié)果，開(kāi)放揚(yáng)塵源(土壤風(fēng)沙塵、道路塵、建筑塵、施工揚(yáng)塵等)對(duì)哈爾濱市PM10的貢獻(xiàn)達(dá)14.5%。由于顆粒物污染治理的需求，哈爾濱市揚(yáng)塵源排放清單編制工作亟需開(kāi)展，以指導(dǎo)相關(guān)政策的制定。

《指南》自頒布以來(lái)，在中國(guó)東北寒冷地區(qū)鮮有應(yīng)用，該地區(qū)的低溫導(dǎo)致其揚(yáng)塵排放不同于其他城市。《指南》涉及的氣候因子為年均值，在計(jì)算過(guò)程中未考慮揚(yáng)塵的季節(jié)差異，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在偏差[6]。因此，本研究依據(jù)《指南》推薦的排放系數(shù)法自下而上構(gòu)建基于區(qū)縣的哈爾濱市2016年土壤揚(yáng)塵排放清單；確定估算土壤揚(yáng)塵月排放量的方法，研究其時(shí)空分布特征，有助于政府對(duì)特定地區(qū)、特定時(shí)間段的重點(diǎn)土壤揚(yáng)塵源采取治理措施。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域與對(duì)象

以哈爾濱市18個(gè)區(qū)縣為研究區(qū)域(125°42′E～130°10′E、44°4′N～46°40′N，見(jiàn)圖1(a))，下轄9個(gè)市轄區(qū)、7個(gè)縣和代管2個(gè)縣級(jí)市，面積約5.3萬(wàn)km2。土地利用類型(來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心http://www.resdc.cn/)見(jiàn)圖1(b)。

1.2 排放清單的建立

土壤揚(yáng)塵的PM2.5、PM10、總懸浮顆粒物(TSP)排放清單主要計(jì)算公式如下：

Wi=Ei×A

(1)

Ei=Di×C×(1-η)×10-4

(2)

Di=ki×Iwe×f×L×V

(3)

C=0.504×u3÷PE2

(4)

PE=1.099×p÷(0.594 9+0.118 9×Ta)

(5)

式中：Wi為土壤揚(yáng)塵中顆粒物年排放量，t/a；Ei為顆粒物排放系數(shù)，t/(m2·a)；A為土壤面積，m2；Di為起塵因子，t/(hm2·a)；C為氣候因子；η為某種污染控制措施下對(duì)揚(yáng)塵的控制效率，%；ki為顆粒物在土壤揚(yáng)塵中質(zhì)量占比；Iwe為土壤風(fēng)蝕指數(shù)，t/(hm2·a)；f為地面粗糙因子；L為無(wú)屏蔽寬度因子；V為植被覆蓋因子；u為年平均風(fēng)速，m/s；PE為桑氏威特降水-蒸發(fā)指數(shù)，用于描述氣候干旱程度；p為年降水量，mm；Ta為年平均溫度，℃。

式(5)中0.594 9+0.118 9×Ta為年潛在蒸發(fā)量，可推算當(dāng)平均溫度低于-5 ℃時(shí)，PE出現(xiàn)負(fù)值。哈爾濱市常年氣溫較低，月份計(jì)算時(shí)易出現(xiàn)負(fù)值。依據(jù)PE的物理意義，當(dāng)PE為負(fù)值時(shí)，按零處理，即認(rèn)為長(zhǎng)達(dá)數(shù)月的積雪覆蓋能阻止土壤揚(yáng)塵。

哈爾濱市無(wú)干涸河谷，因此本次計(jì)算涵蓋《指南》土壤揚(yáng)塵的二級(jí)分類中農(nóng)田、荒地、裸露山體、灘涂、未硬化或未綠化空地共5種類型。根據(jù)圖1(b)，應(yīng)用ArcGIS統(tǒng)計(jì)獲得各土地利用類型的土壤面積。哈爾濱市旱地占該市耕地面積的80%，因此將旱地作為農(nóng)田，中覆蓋度和低覆蓋度草地作為荒地，裸巖石礫地作為裸露山體，灘地和沼澤地作為灘涂，疏林地、其他林地和鹽堿地等記入未硬化或未綠化空地，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 哈爾濱市土壤揚(yáng)塵源各土地利用類型的土壤面積

ki、Iwe、f和L的選用需進(jìn)行調(diào)研。采用野外速測(cè)法在10個(gè)土壤采樣點(diǎn)位(見(jiàn)圖1(a))確定土壤質(zhì)地，調(diào)研得農(nóng)田土壤為黏土，荒地及未綠化土壤表層為粉砂質(zhì)黏土，進(jìn)而選用《指南》中Iwe、f和L推薦值，具體見(jiàn)表2。夏秋季的控塵措施表現(xiàn)為植被覆蓋，冬季為積雪覆蓋，根據(jù)不同地區(qū)的控制揚(yáng)塵的措施和植被覆蓋情況，η和V在調(diào)研基礎(chǔ)上選用相應(yīng)的《指南》推薦值。

表2 相關(guān)計(jì)算參數(shù)

圖1 哈爾濱市行政區(qū)劃及土地利用類型Fig.1 Administrative divisions and land use types of Harbin

1.3 時(shí)空分配方法

1.3.1 時(shí)間分配

由于哈爾濱市具有明顯的四季變化特征，只計(jì)算土壤揚(yáng)塵年排放量不能反映時(shí)間分布特征。本研究以氣候因子為時(shí)間分配因子。氣候因子是以1年為基礎(chǔ)計(jì)算氣候的影響，若用于計(jì)算月氣候因子，在平均氣溫和平均風(fēng)速的月均值和年均值相差不大時(shí)，由于月降水量小于年降水量，根據(jù)式(4)和式(5)計(jì)算得到的月排放系數(shù)大于年排放系數(shù)，進(jìn)而導(dǎo)致計(jì)算出的土壤揚(yáng)塵月排放量大于年排放量，這與實(shí)際情況不符。因此，加州空氣資源委員會(huì)采用了“月作為一年”的方法，即首先依據(jù)氣候數(shù)據(jù)計(jì)算年和月氣候因子，由年氣候因子得到揚(yáng)塵年排放量，再乘以月氣候因子計(jì)算得出揚(yáng)塵月排放量，最后相加核算揚(yáng)塵年排放量。該方法在應(yīng)用時(shí)有明顯的氣象波動(dòng)特征，在陰涼潮濕且無(wú)風(fēng)的情況下氣候因子偏小，在炎熱干燥和多風(fēng)的狀況下則偏大[7]，會(huì)避免在計(jì)算揚(yáng)塵月排放量時(shí)極端值的出現(xiàn)。本研究搜集了涵蓋各行政區(qū)的13個(gè)氣象自動(dòng)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包含Ta、p和u，通過(guò)式(4)得到不同地區(qū)的月和年氣候因子，進(jìn)而計(jì)算揚(yáng)塵年排放量，再乘以月氣候因子計(jì)算得出揚(yáng)塵月排放量。

1.3.2 空間分配

將土地利用類型作為空間分配因子，基于Lambert投影對(duì)哈爾濱市2016年土壤揚(yáng)塵排放清單進(jìn)行1 km×1 km的空間分配，分配流程見(jiàn)圖2。

圖2 空間分配流程Fig.2 Spatial allocation process

2 結(jié)果與討論

2.1 哈爾濱市2016年土壤揚(yáng)塵排放清單

2.1.1 排放系數(shù)

相同地區(qū)不同月份之間和不同地區(qū)相同月份之間的月氣候因子差異可達(dá)百倍。雙城區(qū)月氣候因子最突出，4月的月氣候因子最高，高達(dá)3(見(jiàn)圖3)，與雙城區(qū)居全市首位的年平均風(fēng)速(4.5 m/s)和居全市末位的年降水量(僅513 mm)密不可分。

注：由于哈爾濱市1、2、11、12月的月平均溫度不高于-10 ℃，PE為負(fù)值，因此按照零處理。

以農(nóng)田為例，利用每個(gè)地區(qū)的月氣候因子和起塵因子計(jì)算排放系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)圖4。哈爾濱市18個(gè)地區(qū)農(nóng)田揚(yáng)塵排放系數(shù)存在一定差異，其中雙城區(qū)農(nóng)田土壤揚(yáng)塵中PM2.5、PM10、TSP排放系數(shù)最大，分別為0.33×10-9、6.38×10-9、47.49×10-9t/(m2·a)。進(jìn)一步和其他城市排放系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，鄭州市土壤揚(yáng)塵中PM2.5、PM10、TSP排放系數(shù)均值分別為3.36×10-6、20.16×10-6、67.21×10-6t/(m2·a)[8]，北京市風(fēng)蝕揚(yáng)塵中PM2.5、PM10排放系數(shù)分別為3.31×10-6、22.7×10-6t/(m2·a)[9]。哈爾濱市農(nóng)田土壤揚(yáng)塵排放系數(shù)均低于北京市和鄭州市，主要原因包括：(1)因?yàn)楸本┦泻袜嵵菔杏?jì)算針對(duì)的是土壤揚(yáng)塵，圖4為農(nóng)田土壤揚(yáng)塵。研究表明，同等面積下裸露土壤的揚(yáng)塵排放是農(nóng)田的20倍[10]118。(2)哈爾濱市具有獨(dú)特的氣候特征，年平均溫度約5 ℃，得到的氣候因子約是鄭州市和北京市等城市的1/1 000。(3)哈爾濱市的耕作制度為一年一耕[11]，長(zhǎng)期的作物和積雪覆蓋降低了排放系數(shù)。

圖4 哈爾濱市18個(gè)地區(qū)農(nóng)田土壤揚(yáng)塵排放系數(shù)Fig.4 Annual emission coefficient of soil dust from farmland in 18 districts of Harbin

2.1.2 土壤揚(yáng)塵排放清單

2016年，哈爾濱市各土地利用類型、各地區(qū)的土壤揚(yáng)塵顆粒物年排放量分別見(jiàn)表3和表4。哈爾濱市土壤揚(yáng)塵PM2.5、PM10和TSP年排放量分別為2.59、52.10、406.93 t，其中農(nóng)田土壤揚(yáng)塵PM2.5、PM10和TSP年排放量分別占91%、87%和83%，主要是農(nóng)田面積較其他土地利用類型高出了2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。哈爾濱市各地區(qū)揚(yáng)塵顆粒物年排放量存在差異，其中雙城區(qū)最突出，PM2.5、PM10和TSP年排放量分別占77%、76%、75%，與該地區(qū)較高的農(nóng)田面積和大風(fēng)干燥的氣候條件相吻合。

表3 哈爾濱市各土地利用類型的土壤 揚(yáng)塵顆粒物年排放量

表4 哈爾濱市各地區(qū)的土壤揚(yáng)塵顆粒物年排放量

2.1.3 哈爾濱市土壤揚(yáng)塵源排放清單的不確定性分析

哈爾濱市土壤揚(yáng)塵排放清單的不確定性源于各計(jì)算參數(shù)，主要包括：(1)土壤面積,土壤面積主要為ArcGIS提取，提取結(jié)果與哈爾濱市統(tǒng)計(jì)年鑒的用地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)，相對(duì)誤差較??；(2)排放系數(shù),起塵因子計(jì)算所需要的參數(shù)ki、Iwe、f、L、V和η都是實(shí)地采樣調(diào)研之后根據(jù)《指南》進(jìn)行選取，均具有一定的不確定性，氣候因子的計(jì)算基于13個(gè)氣象站自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)而造成了排放清單的不確定性。哈爾濱市土壤揚(yáng)塵顆粒物年排放量低于其他城市(見(jiàn)表5)，主要原因?yàn)椋?1)土壤揚(yáng)塵顆粒物年排放量與該地區(qū)的面積、經(jīng)濟(jì)水平和管理措施等多種因素相關(guān)；(2)計(jì)算與實(shí)際誤差約100%～300%[14]；(3)哈爾濱市常年積雪和作物覆蓋對(duì)農(nóng)田的起塵具有極大的抑制作用。由于基準(zhǔn)年的不同，可推斷本研究的土壤揚(yáng)塵排放清單是合理的。

表5 哈爾濱市土壤揚(yáng)塵與其他城市對(duì)比

在條件允許的情況下應(yīng)進(jìn)行揚(yáng)塵排放參數(shù)的本地化測(cè)試，進(jìn)一步降低清單的不確定性，如北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院在北京實(shí)測(cè)的PM10的ki為0.62[15]。對(duì)于參數(shù)的選取沒(méi)有嚴(yán)格的推薦值，重要的是符合本地區(qū)揚(yáng)塵的實(shí)際排放情況。

2.2 哈爾濱市土壤揚(yáng)塵的時(shí)間分布特征

哈爾濱市1、2、11、12月按照零處理，數(shù)月的積雪覆蓋能阻止土壤表層起塵，極大降低了揚(yáng)塵排放，這一點(diǎn)與其他城市的排放特征不同。4月土壤揚(yáng)塵PM2.5、PM10和TSP排放量最高，分別為2.02、40.53、314.67 t(見(jiàn)圖5)，此變化特征與4月干燥多風(fēng)的氣候條件較符合。5、6月又下降到一個(gè)低值，主要是由于植被覆蓋率有所增加。研究表明，揚(yáng)塵主要來(lái)源于植被覆蓋率低于20%的地區(qū)[10]126。同時(shí)，5、6月的降水量之和為全年的47%，降水可直接抑制土壤表層起塵，盡可能減少裸土面積、提高植被覆蓋率是降低土壤揚(yáng)塵排放量的重要措施。

圖5 哈爾濱市土壤揚(yáng)塵排放月變化Fig.5 Monthly variation of soil dust emission in Harbin

2.3 哈爾濱市土壤揚(yáng)塵的空間分布特征

由圖6可見(jiàn)，土壤揚(yáng)塵PM2.5主要集中在哈爾濱市西部和西北部；PM10和TSP空間分布較類似，主要集中在哈爾濱市西部、西北部和東北部，主要為農(nóng)田面積較大的地區(qū)，包括雙城區(qū)、巴彥縣和依蘭縣等。

圖6 哈爾濱市土壤揚(yáng)塵網(wǎng)格化空間分配Fig.6 Grid spatial distribution of soil dust in Harbin

3 結(jié) 論

(1) 依據(jù)《指南》推薦的排放系數(shù)法自下而上構(gòu)建了基于區(qū)縣的哈爾濱市2016年土壤揚(yáng)塵排放清單，哈爾濱市土壤揚(yáng)塵PM2.5、PM10和TSP年排放量分別為2.59、52.10、406.93 t。農(nóng)田是土壤揚(yáng)塵最大的排放源，其PM2.5、PM10和TSP年排放量分別占全市的91%、87%和83%。雙城區(qū)是排放最大的地區(qū)，PM2.5、PM10和TSP年排放量分別占全市的77%、76%、75%。通過(guò)與其他研究對(duì)比推斷該研究的排放清單是合理的，土壤揚(yáng)塵年排放量推算月排放量時(shí)可采用加州空氣資源委員會(huì)推薦的“月作為一年”的方法。

(2) 由時(shí)空分布可知，4月是土壤揚(yáng)塵排放較大的時(shí)間段，與該時(shí)段風(fēng)速較大且植被覆蓋率較低有關(guān)。土壤揚(yáng)塵主要集中在哈爾濱市西部、西北部和東北部。