河北省土壤揚塵源PM2.5排放量估算

郭 祥，馮海波，陸雅靜

(1. 河北工業(yè)大學經濟管理學院，天津 300400；2. 河北省環(huán)境科學研究院，河北石家莊 050000)

河北省土壤揚塵源PM2.5排放量估算

郭 祥1，馮海波2，陸雅靜2

(1. 河北工業(yè)大學經濟管理學院，天津 300400；2. 河北省環(huán)境科學研究院，河北石家莊 050000)

為了解河北省揚塵類細顆粒物污染的總體狀況，以2015年為基準年，通過衛(wèi)星遙感影像解譯方法獲取土壤揚塵活動水平數據，采用排放因子模型估算河北省土壤揚塵細顆粒物的排放量。衛(wèi)星解譯結果顯示，河北省土壤揚塵源主要包括農田、荒地和裸露山體3類，其中土壤揚塵源總面積為77 627 km2。計算結果表明土壤揚塵源的PM2.5排放量為39 699 t，其中農田揚塵33 866 t，荒地揚塵1 567 t，裸露山體揚塵4 266 t。因此，農田是河北省土壤揚塵排放的主要來源，占總排放量的85.3%，重點排放區(qū)域分布在河北省南部的邯鄲、邢臺等地，以及西北部的張家口等地。研究結果可為河北省土壤揚塵污染策略的制訂提供依據。

大氣環(huán)境；土壤揚塵；排放系數；排放量；空間分布

2013年以來，灰霾天氣頻發(fā)成為困擾京津冀區(qū)域的主要環(huán)保難題，河北省大氣污染的首要污染物仍是細顆粒物[1]。根據中國多個城市的細顆粒物源解析結果[2-5]：北京市揚塵源貢獻了14.3%，天津市貢獻了30%，石家莊市貢獻了22.5%，承德市的貢獻更是高達46.5%。揚塵對大氣顆粒物排放貢獻顯著，是區(qū)域大氣顆粒物的主要來源之一。相比其他顆粒物排放源，揚塵具有減排潛力較大、控制技術簡單、治理成本低以及改善效果顯著等優(yōu)點，應作為目前ΡΜ2.5污染防治工作的重點[6]。

土壤揚塵是一類非常復雜的混合源，主要指直接來源于裸露地面的微小顆粒物在風場的作用下擴散進入空中的部分，擴散方式有滾動、躍遷和懸浮3種形式[7]。它既是大氣細顆粒物的產生源，也是大氣細顆粒物的受體，對城市空氣質量和人體健康有重要影響，因此揚塵的排放特征研究受到普遍關注，對揚塵污染的治理也迫在眉睫[8]?？堤K花等[9]采集石家莊市不同梯度的顆粒物樣品，研究碳組分與梯度的變化關系，結果顯示道路揚塵是石家莊市顆粒物碳組分的主要來源之一。張濤等[10]通過對石家莊市道路揚塵進行采樣分析得到石家莊市道路揚塵中細顆粒物主要來源為燃煤排放。目前的研究多集中于工業(yè)源和移動源等領域的細顆粒物污染，揚塵污染“底數不清”的現狀嚴重阻礙了揚塵污染防治工作的開展，而且揚塵源具有源強不確定、隨機排放和類型多樣等特點[11]，進一步增添了揚塵污染的監(jiān)管難度。同時，揚塵源與其他污染源排放清單一起構成區(qū)域空氣質量模型的基礎性輸入文件，是協助制訂合理有效的控制方案和達標規(guī)劃、大氣環(huán)境質量預報預警的重要基礎數據。因此，本文以河北省為研究區(qū)域，以2015年為基準年，通過衛(wèi)星遙感影像解譯方法獲取土壤揚塵活動水平數據，參考《揚塵源顆粒物排放清單編制技術指南(試行)》中土壤揚塵計算方法，估算河北省土壤揚塵細顆粒物排放量，確定河北省土壤揚塵源的重點排放區(qū)域，從而為河北省土壤揚塵污染控制策略的制訂提供依據。

1 研究方法

1.1研究區(qū)域概況

河北省位于華北地區(qū)東部，環(huán)抱首都北京，東與天津市毗連并緊傍渤海，東南部、南部銜山東、河南兩省，西倚太行山與山西省為鄰，西北部與內蒙古自治區(qū)交界，東北部與遼寧省接壤。河北省地勢西北高、東南低，由西北向東南傾斜。地貌復雜多樣，高原、山地、丘陵、盆地、平原類型齊全，有壩上高原、燕山和太行山山地、河北平原三大地貌單元，呈現出典型的半環(huán)狀階梯形地貌特征[12]。

1.2計算方法

本研究以2015年為基準年，根據土壤揚塵的產生機理，在國內外相關研究的基礎上，參考《揚塵源顆粒物排放清單編制技術指南(試行)》建立土壤揚塵排放量計算模型[13-15]：

Wsi=Esi×As，

(1)

Esi=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)

模型中：Wsi為土壤揚塵中PMi(空氣動力學直徑在0～iμm間的顆粒物，下同)的總排放量，t/a；Esi為土壤揚塵源PMi的排放系數，t·(m2·a)-1；As為土壤揚塵源面積，m2；η為揚塵污染控制措施的去除效率(涉及多種措施的取其最大值)，%；Di為PMi的起塵因子，t·(104·m2·a)-1；C為氣候因子，表征氣象因素對土壤揚塵的影響；Ki為PMi在土壤揚塵中的百分含量；Iwe為土壤風蝕指數(根據土質類型查表，可知農田的土壤風蝕指數為28.67，荒地為28.67，裸露山體為46)，t·(104·m2·a)-1；f為地面粗糙因子，模型中取值0.5；L為無屏蔽寬度因子(當無屏蔽寬度 ≤300 m時，L=0.7，當300 m<無屏蔽寬度<600 m時，L= 0.85，當無屏蔽寬度 ≥ 600 m時，L=1.0)；V為植被覆蓋因子，取值1；u為年平均風速，m/s；PE為桑氏威特降水-蒸發(fā)指數[16]；P為年降水量，mm；Ta為年平均溫度，℃。

1.3活動水平數據獲取

土壤揚塵活動水平數據一般采用實地調查或遙感圖片進行獲取[17]。本研究根據遙感解譯的結果獲取土壤揚塵源的活動水平，包括土地利用類型(農田、荒地、裸露山體等)以及各類型土地面積；各種污染控制措施的去除效率原則上通過實驗觀測獲得，在不具備實驗條件的情況下可參考國內同類研究。本文借鑒北京環(huán)境科學研究院的實驗成果；結合文獻調研估算植被覆蓋因子、地面粗糙因子和無屏蔽寬度因子、顆粒物粒度分布等；氣象數據通過當地的氣象部門獲取。

2 結果與討論

2.1河北省土壤揚塵面積

河北省主要包括保定、滄州、承德、邯鄲、衡水、廊坊、秦皇島、石家莊、唐山、邢臺和張家口共計11個地級市。通過遙感圖片獲取土壤揚塵的空間面積和類型，對數據進行聚類分析、過濾分析和去除分析之后得到：河北省土壤揚塵源總面積77 627 km2，其中荒地面積895 km2，裸露山體面積1 552 km2，農田面積75 180 km2，見表1。

表1 土壤揚塵活動水平數據

2.2河北省土壤揚塵排放系數

農田、裸地、廢棄礦山的揚塵排放因子根據年降水量、年平均溫度、年平均風速、土壤風蝕指數、地面粗糙因子、無屏蔽寬度因子、植被覆蓋因子、揚塵控制效率等參數計算獲得，降水量、平均溫度和平均風速等取自氣象部門，其他參數通過文獻調研或者采用清單編制指南推薦的數值[18-19]。主要計算參數及結果見表2和表3。

表2 各地級市氣象因子參數

Tab.2 Climatic factors in different prefectures

城市年平均風速/(m·s-1)年降水量/mm年平均溫度/℃氣候因子(×103)保定市2．1535．213．00．995滄州市2．4608．413．91．270承德市1．7548．49．50．326邯鄲市2．1456．014．91．670衡水市1．8480．014．20．886廊坊市1．9642．013．40．535秦皇島市1．8591．611．00．405石家莊市1．7534．014．60．628唐山市2．1518．412．20．968邢臺市3．4481．214．46．070張家口市2．8522．09．11．520

表3 各地級市不同土質類型的揚塵排放系數

2.3河北省土壤揚塵排放總量及分布特征

采用上述土壤揚塵的活動水平數據以及與排放因子相關的參數，結合土壤揚塵排放量計算模型，可以估算得到2015年河北省土壤揚塵ΡΜ2.5的排放總量為39 699 t，其中農田揚塵、荒地揚塵和裸露山體揚塵的排放量分別是33 866，1 567和4 266 t，分別占總排放量的85.3%，3.9%和10.8%。通過對已建立的排放清單的分析可以得到污染物排放的部門分擔率和地區(qū)分布特征，結合研究區(qū)域的自然地理特征和氣象條件能夠找出需要重點控制的高污染地區(qū)(見表4)。

表4 各地級市土壤揚塵排放量

由表4可見，土壤揚塵主要排放地區(qū)是邯鄲、張家口、邢臺和滄州等地，分別占土壤揚塵總排放量的18.7%，17.1%，16.6%和12.1%。土壤揚塵排放量與土壤面積和氣候條件有關，張家口等地土地風化嚴重加上植被覆蓋率低，土壤揚塵污染顯著；滄州處于臨海地區(qū)，容易受渤海季風影響；邢臺、邯鄲等地毗鄰太行山脈，人口密集，耕地利用率較高，加上地形條件不利于污染物擴散，這也是促使該地區(qū)污染物增加的原因。

使用 ArcGIS 軟件將河北省2015年土壤揚塵細顆粒物排放情況細化分配到3 km×3 km網格中，形成土壤揚塵PM2.5空間分布圖，見圖1。土壤揚塵排放清單的統(tǒng)計分辨率最低到區(qū)縣一級，分配規(guī)則根據清單結果按照各區(qū)縣的排放量，各區(qū)縣內部按照土地面積進行平均分配。土壤揚塵清單分配結果見圖1，可以看出，河北省有3處污染排放集中區(qū)域。張家口地區(qū)雖然土壤揚塵PM2.5排放總量較高，但是單位面積排放強度低于河北省南部地區(qū)，如邢臺、邯鄲等地。因此，河北省土壤揚塵的控制應集中在西北和東南區(qū)域，并重點控制河北省東南部的土壤揚塵污染。

圖1 河北省土壤揚塵ΡΜ2.5空間分布圖 Fig.1 Spatial distribution of ΡΜ2.5 emissions from soil source of Hebei Province

2.4不確定性分析

排放清單的不確定性有很多來源，例如污染源分類及定義的完整性、監(jiān)控數據自身的誤差、排放因子和活動水平數據的不確定性，以及建立過程中的隨機誤差[20-22]。清單結果的不確定性主要取決于研究者對計算模型和數據質控等信息的掌握情況，可通過對計算模型以及數據來源的分析了解清單結果的可靠性。借鑒前人的研究結果，對河北省土壤揚塵排放清單進行不確定性分析可以得到。

1)計算模型的完整性。本清單的排放量計算模型在參考《揚塵源顆粒物排放清單編制技術指南(試行)》的基礎上建立的，計算模型可靠性較高。

2)活動水平數據的不確定性。模型是所用的活動水平數據主要來自衛(wèi)星解譯、統(tǒng)計年鑒和政府部門公布的信息，數據來源可靠性相對較高，但城市之間統(tǒng)計口徑的差異容易造成最后結果的不確定性。

3)關鍵參數本地化匹配程度。排放清單的建立過程中除了相應的活動水平數據之外，還需要獲取大量的參數值。降水量、平均溫度和平均風速等氣象數據來自河北省氣象部門，不確定性較小；在排放系數的計算中由于受實驗條件和人力資源的限制無法完全做到本地化測量，對于缺失的參數選用其他相似研究的推薦值勢必會對清單結果的不確定性產生一定影響。

4)研究結果缺乏橫向比較。京津冀地區(qū)的揚塵類顆粒物排放清單研究一般都聚焦于北京和天津等地區(qū)中心城市，以河北省為研究區(qū)域的揚塵排放清單目前很少，加上河北省獨特的重污染環(huán)境，缺少相同空間尺度的較為全面的清單結果校驗評估。

需要注意的是，考慮到研究者知識儲備及實踐經驗的不足，無法確?？紤]到所有可能的影響因素，因此研究結果的不確定性有被低估的可能。

3 結 語

本文參考《揚塵源顆粒物排放清單編制技術指南(試行)》中的土壤揚塵計算模型，對參數進行本地化修正。然后以2015年為基準年，估算得到河北省土壤揚塵ΡΜ2.5的排放量，并分析其空間分布特征。主要結果及建議如下。

1)河北省土壤揚塵源主要歸類為農田、荒地和裸露山體，經計算可得2015年土壤揚塵中ΡΜ2.5的排放量為39 699 t，其中農田揚塵33 866 t，荒地揚塵1 567 t，裸露山體揚塵4 266 t。土壤揚塵排放中農田是其主要來源，占總排放量的85.3%。土壤揚塵重點排放區(qū)域集中在河北省南部，即邯鄲、邢臺等地，建議重點控制該地區(qū)的土壤揚塵污染，采取退耕還林、植被覆蓋等措施增加裸地綠化率。此外，河北省西北部(如張家口等地)由于土地沙化等原因揚塵污染也比較嚴重，需要加強土壤揚塵監(jiān)管治理工作。

2)根據前文對計算結論的分析，下一步研究應重點關注排放系數的本地化修正，建議采取實地檢測和模型模擬等方法來優(yōu)化排放系數的代表性，提高清單結果的可靠性。另外還應提高獲取數據的分辨率，以期更好地應用于空氣質量模型，為河北省揚塵污染控制提供技術支持。

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Estimation of emissions of PM2.5from soil dust in Hebei Province

GUO Xiang1, FENG Haibo2, LU Yajing2

(1. School of Economics and Management, Hebei University of Technology, Tianjin 300400, China; 2. Hebei Provincial Academy of Environmental Sciences, Shijiazhuang, Hebei 050000, China)

In order to understand the general situation of dust particulate matter pollution in Hebei Province, the data of soil dust activity are obtained by satellite remote sensing image interpretation method based on 2015, and the emission factor model is used to estimate the emission of dust and fine particulate matter in Hebei Province. The results of satellite interpretation show that the source of soil dust in Hebei Province includes three types of farmland, wasteland and bare mountain, among which the total area of soil dust source is 77 627 km2. The calculation result shows the PM2.5emission of soil dust source is 39 699 t, among which farmland dust is 33 866 t, wasteland dust is 1 567 t, and bare mountain dust is 4 266 t. The farmland is the main source of soil dust emission in Hebei Province, accounting for 85.3% of the total discharge. The focus of the discharge area is distributed in Handan, Xingtai and other places in the southern part and Zhangjiakou in the Northwest of Hebei Province. The research may provide reference in making policy against soil dust pollution in Hebei Province.

atmospheric environment; soil dust; emission coefficient; emission inventory; spatial distribution

1008-1534(2017)06-0477-06

X513

A

10.7535/hbgykj.2017yx06015

2017-08-24;

2017-10-17；責任編輯：王海云

國家科技支撐計劃課題(2014BAC23B0203)；環(huán)保部公益項目(201409007)；河北省科技計劃項目(17273707D)

郭 祥(1990—)，男，河南安陽人，碩士研究生，主要從事環(huán)境管理與可持續(xù)發(fā)展方面的研究。

馮海波教授。E-mail:vonhb@sina.com

郭 祥，馮海波，陸雅靜.河北省土壤揚塵源PM2.5排放量估算[J].河北工業(yè)科技,2017,34(6):477-482.

GUO Xiang, FENG Haibo, LU Yajing.Estimation of emissions of PM2.5from soil dust in Hebei Province[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2017,34(6):477-482.