北京市平原區(qū)裸露地風(fēng)蝕揚塵排放量

劉奧博,吳其重,陳雅婷,趙天成,程 曉 (北京師范大學(xué)全球變化與地球系統(tǒng)科學(xué)研究院,北京 100048)

目前,北京市以可吸入顆粒物(PM10)、細(xì)顆粒物(PM2.5)為代表的區(qū)域性大氣環(huán)境問題依然嚴(yán)峻,危及人民群眾的身體健康[1-2].準(zhǔn)確完整的大氣污染源排放清單為區(qū)域大氣污染治理工作提供了數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù),是控制和改善區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量的重要基礎(chǔ)[3-5].研究表明,揚塵排放是我國北方城市大氣顆粒物中最主要的貢獻源之一[6],郊區(qū)地表風(fēng)蝕起塵對城區(qū)空氣質(zhì)量影響巨大[7].據(jù)環(huán)保部門發(fā)布的大氣顆粒物源解析結(jié)果,北京市、天津市、石家莊市的PM2.5來源中,揚塵源占本地排放的比例分別為14.3%、30%、22.5%,對PM10的貢獻可高達40%[8-10].

典型的揚塵污染源包括交通揚塵、料堆揚塵、施工揚塵和裸露面揚塵等[11].裸露面揚塵是揚塵排放的重要一類,是自然裸露地面受風(fēng)侵蝕排放的顆粒物,極端過程如沙塵暴,可以顯著影響大氣環(huán)境質(zhì)量.土壤風(fēng)蝕是中國北方干旱與半干旱區(qū)土地退化或荒漠化的主要過程之一,也是空氣中懸浮顆粒物的主要貢獻源[12].顆粒物風(fēng)蝕揚塵過程的主要影響因素包括氣候條件、土壤性質(zhì)、地形和植被覆蓋等[13].北京雖屬半濕潤區(qū),但在冬春季節(jié)植物休眠地表裸露,與干旱大風(fēng)天氣同期,風(fēng)蝕現(xiàn)象較為嚴(yán)重.

裸露面風(fēng)蝕揚塵排放的常規(guī)測算以定點儀器監(jiān)測和野外取樣分析為主,雖測量結(jié)果較為準(zhǔn)確,但在空間上的可擴展性較差,難以全面展現(xiàn)北京市平原區(qū)裸露地的揚塵污染源狀況和分布特征,不利于大氣環(huán)境質(zhì)量及其污染來源的宏觀分析.遙感技術(shù)能夠動態(tài)地反映研究區(qū)域內(nèi)土地覆蓋的變化過程,因而被廣泛用于揚塵源的識別[14].故本研究以NASA的Landsat系列遙感衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源,采用全自動裸土提取算法,高效準(zhǔn)確地提取出北京平原區(qū)的裸土圖斑,以此結(jié)合氣候觀測資料和揚塵排放模型,開展了北京市平原區(qū)裸露地風(fēng)蝕揚塵排放清單的編制工作,對裸露地風(fēng)蝕揚塵排放量進行了估算,為北京市環(huán)境統(tǒng)計和污染檢測提供了一種新的技術(shù)手段,并為揚塵污染控制的政策制定提供了輔助信息和理論依據(jù).

1 裸露地提取

1.1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)源

本文的研究區(qū)域為北京市平原區(qū)(圖1),選用的數(shù)據(jù)源為美國航空航天局(NASA)發(fā)布的Landsat衛(wèi)星遙感影像.為保證裸露地提取精度,研究區(qū)范圍內(nèi)積雪和云霧覆蓋需少于15%.經(jīng)篩選,合格的影像數(shù)據(jù)分布如表1所示.

1.2 構(gòu)建增強型裸土指數(shù)

根據(jù)《揚塵源顆粒物排放清單編制技術(shù)指南(試行)》[15](簡稱《指南》),裸露地包括無植被覆蓋的農(nóng)田、未硬化或未綠化的空地、干涸的河谷、裸露山體、灘涂等.本文研究區(qū)內(nèi)主要的地表覆蓋物類型為水體、植被、建筑物和裸露地.其中,水體和植被光譜特征明顯,較容易區(qū)分,而裸露地和建筑物存在“異物同譜”的現(xiàn)象,難以準(zhǔn)確區(qū)分.

圖1 研究區(qū)域北京市平原Fig.1 The study domain Beijing plain area

表1 Landsat系列遙感數(shù)據(jù)源Table 1 Landsat remote sensing data series

本文借用吳志杰等[16]提出的增強型裸土指數(shù)(EBSI)進行裸露地信息提取,其理論依據(jù)是裸地在裸土指數(shù)(BSI)[17]和修正歸一化水體指數(shù)(MNDWI)[18]圖像上的亮度反差最大,通過差值可以最大程度地增強裸露地信息.其模型表達式為:

式中: BSI和MNDWI分別為裸土指數(shù)和修正歸一化水體指數(shù)圖像經(jīng)拉伸的灰度值.BSI和MNDWI的計算公式為:

式中: TM1～5分別代表TM/ETM+影像的1～5波段,對應(yīng)Landsat8OLI陸地成像儀的2～6波段.在EBSI影像上,水體和植被的亮度值小于0,建筑用地的亮度值小于裸露地且接近于0.1.

1.3 實現(xiàn)動態(tài)閾值分割

對遙感影像進行增強型裸土指數(shù)計算后,為實現(xiàn)裸露地信息的全自動提取,還需實現(xiàn)動態(tài)閾值分割方法.在EBSI特征影像上,裸露地和建筑物、植被和水體的亮度值相近,在直方圖上表征為典型的雙峰分布,而常用的動態(tài)閾值分割算法如迭代法[19]、最大類間方差法[20]和直方圖凹面分析法[21]確定的分割閾值都位于雙峰間的谷底,不適用于裸露地提取.受植被覆蓋影響,冬春季EBSI影像均值小于夏季,需要進行一定的修正,經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)全局最佳閾值與EBSI和土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)SAVI)[22]近似滿足如下關(guān)系:

式中: MeanEBSI和MeanSAVI分別為EBSI和SAVI影像的均值,β為比例因子,取0.2.

式中: TM3、TM4分別代表TM/ETM+影像的3、4波段,對應(yīng)OLI的4、5波段;L為土壤調(diào)節(jié)因子,取0.5時可將土壤亮度差異減到最小.

1.4 分類精度評定

表2 遙感方法裸露地提取精度驗證Table 2 Validation of remote sensing method of bare soil extraction

對EBSI影像進行二值分割(裸露地和非裸露地)后,采用隨機抽樣方式選擇5期影像共1000個驗證像元,目視解譯的參照影像為同時期的TM4(R)、3(G)、2(B)假彩色合成圖像.總分類精度可達88.9%,Kappa系數(shù)為0.77(表2).

2 揚塵排放計算

2.1 揚塵排放模型

本研究針對風(fēng)蝕揚塵產(chǎn)生的可吸入顆粒物(PM10)和細(xì)顆粒物(PM2.5)在不同區(qū)域或不同時期內(nèi)的排放系數(shù)進行計算.本文采用《指南》推薦的風(fēng)蝕方程[15,23],其計算公式如下:

式中:裸露地?fù)P塵中PMi(空氣動力學(xué)粒徑在0～iμm間的顆粒物)的排放系數(shù),t/(km2·a); Iwe為土壤風(fēng)蝕指數(shù),t/(hm2·a); ki為PMi在土壤揚塵中的百分含量; f為地面粗糙因子,對于光滑地面取值為1,粗糙地面為0.5; L為無屏障寬度因子,指沒有明顯阻擋物的最大范圍,當(dāng)無屏蔽寬度＜300m時,L＝0.7,當(dāng)無屏蔽寬度為300～600m時,L＝0.85,當(dāng)無屏蔽寬度≥600m時,L=1.0; V為植被覆蓋因子,是指裸露土壤面積占總計算面積的比例,地面完全裸露時為1; C為氣候因子,表征氣候因素對土壤揚塵的影響; u為年平均風(fēng)速,m/s; Pe為桑氏威特( Thornthwaite )降水-蒸發(fā)指數(shù); P為年降水量,mm; E*為年潛在蒸發(fā)量,mm;Ta為年平均溫度,℃.

2.2 確定模型參數(shù)

由式(6)～式(9)可知,計算揚塵排放系數(shù)的基礎(chǔ)參數(shù)為土壤風(fēng)蝕指數(shù)Iwe,其定義為每公頃裸露土地每年潛在的風(fēng)蝕揚塵的噸數(shù),反映了土壤的可風(fēng)蝕性.本文參考彭應(yīng)登等[24]測得的北京市各區(qū)裸露農(nóng)田的風(fēng)蝕指數(shù)作為區(qū)域內(nèi)的土壤風(fēng)蝕指數(shù)參照值.百分含量ki采用推薦值,PM10為0.3,PM2.5為0.05;地面粗糙因子f取0.5,無屏障寬度因子L取1,植被覆蓋因子V取0.9;模型內(nèi)的氣候參數(shù)包括溫度、降水和風(fēng)速,均采用中國氣象局公開的北京市15個氣象站點的氣候統(tǒng)計資料,數(shù)據(jù)獲取時間為1980～2010年,站點分布如表3所示.

表3 北京市氣象站點分布Table 3 Distribution of meteorological stations in Beijing

2.3 年排放系數(shù)計算

由于各區(qū)域土質(zhì)類型和氣候因子的不同,自然裸露地面的起塵能力有所差異,反映為揚塵排放潛力的強弱.故將各氣象站點觀測的年均風(fēng)速、降水和溫度代入式(7)～式(9),計算得到風(fēng)蝕揚塵的氣候因子(C).然后將2.2節(jié)確定的模型參數(shù)代入式(6), 最終計算得到各區(qū)的裸露地風(fēng)蝕揚塵排放系數(shù)(Qei).

3 結(jié)果與討論

3.1 裸露地面積的時間變化

北京市平原區(qū)主要的土地利用類型為城鎮(zhèn)建筑用地、水體、農(nóng)用地和自然綠地等.在城區(qū),裸露地主要為建筑施工裸地,而在郊區(qū)和廣大農(nóng)村地區(qū),裸露地主要為未利用的空地和作物收獲后的裸露農(nóng)田.據(jù)北京市統(tǒng)計年鑒,北京市農(nóng)田面積在3000km2以上,故裸露地面積存在顯著的季節(jié)變化.1～3月裸露地面積最大,可高達4500km2;夏季草地和農(nóng)田被植被覆蓋時,裸地面積最小,8月平均裸地面積僅為500km2.

因遙感數(shù)據(jù)源無法保證影像數(shù)據(jù)的均勻覆蓋,簡單年平均計算無法準(zhǔn)確表示裸露地面積的年際變化.故本文采用滑動平均的方法,計算裸露地面積的5a滑動平均值,并同樣處理氣候參數(shù)計算揚塵的PM10排放系數(shù),結(jié)果如圖2.

據(jù)唐新明等[25]的研究,1989～2012年間,北京市生態(tài)用地的面積減少了443km2,與之相應(yīng)的是建設(shè)用地面積增加了437km2.而本研究中1987～2016年間裸露地面積共減少了約600km2(圖2),故推測裸露地面積減小的主因是城市發(fā)展、城區(qū)擴張,自然裸露地如農(nóng)田、草地被開發(fā)為建城區(qū).而揚塵速率的年際變化波動較為明顯,裸露地?fù)P塵源PM10排放系數(shù)的高值可達7～9t/(km2·a),最高值出現(xiàn)在1999～2003年間,恰與北京沙塵天氣頻發(fā)的時期相吻合.這是由于沙塵暴和揚塵在起沙機制方面具有相似之處,且沙塵暴之后常伴有沙塵附著在裸露地表面,受擾動后極易形成二次揚塵,推測沙塵天氣對裸露地?fù)P塵源的揚塵排放系數(shù)有著較為顯著的影響.同時,我們也注意到,從2011年開始,PM10揚塵排放系數(shù)存在上升趨勢.

圖2 裸露地面積和PM10排放系數(shù)的5a滑動平均變化Fig.2 Annual variations of bare soil area and PM10 emission factor by 5-years Moving Average

3.2 裸露地的空間分布

以2016年12月的分類結(jié)果影像為例(圖3).北京市平原區(qū)裸露地分布廣泛,且裸露地主要集中在郊區(qū)和農(nóng)村地區(qū),首都核心區(qū)和功能拓展區(qū)裸露地分布較少.圖中分類結(jié)果未經(jīng)濾波或掩膜處理.首都各功能區(qū)的裸露地面積分布如表4所示,2016年冬季北京市平原區(qū)裸露地面積近3600km2,約占全市總面積的21.86%、平原區(qū)面積的56.59%.裸露地主要分布在城市發(fā)展新區(qū)和生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū),分別占60%和34%,其中,大興區(qū)和順義區(qū)的裸露地面積均超過550km2,通州區(qū)和延慶縣次之,門頭溝區(qū)、懷柔區(qū)和房山區(qū)分布著大面積的林地,所以裸露地面積較小.首都核心區(qū)僅存在零星的裸露地分布,且多為易受侵蝕的屋頂,城市功能拓展區(qū)的裸露地主要分布在五環(huán)路和六環(huán)路之間,包括建筑施工裸地、農(nóng)用地和未利用的空地.

圖3 2016年12月裸露地分布Fig.3 Spatial distribution of bare soil in December 2016

3.3 顆粒物排放特征

北京市四大功能區(qū)16個區(qū)的裸露地風(fēng)蝕揚塵顆粒物排放量計算結(jié)果如表4所示.因為不同粒徑顆粒物排放量在模型中的差異僅反映為百分比含量值,故PM10與PM2.5的排放量存在著對應(yīng)關(guān)系.北京市裸露地風(fēng)蝕揚塵在空間上分布不均勻,各區(qū)縣的風(fēng)蝕程度和風(fēng)蝕強度存在很大差異,其中大興區(qū)、通州區(qū)和延慶縣的土壤風(fēng)蝕現(xiàn)象相對較為嚴(yán)重,大興區(qū)的裸露地風(fēng)蝕揚塵排放量可達1913t/a,占全市總排放量的25%.分析認(rèn)為大興區(qū)的土壤類型主要為砂土,土壤風(fēng)蝕指數(shù)大,易發(fā)生風(fēng)蝕,且大興區(qū)恰處于風(fēng)廊帶,大風(fēng)天氣頻發(fā),故土壤的風(fēng)蝕作用較強.

表4 北京市平原區(qū)各區(qū)裸露地?fù)P塵排放量Table 4 Bare Soil Dust emissions over different districts in Beijing plain area

北京市各區(qū)縣的PM10排放系數(shù)范圍為(2.1±1.3) t/(km2·a),而聶磊等[26]研究獲得北京市郊區(qū)農(nóng)田風(fēng)蝕揚塵產(chǎn)生的PM10的平均排放因子為0.82t/(km2·a),與本文的研究結(jié)果相近.排放總量上,以PM10排放量為例,全市總排放量約為7600t/a,這一數(shù)字大于北京市平原區(qū)民用散煤燃燒[27]顆粒物的貢獻,但小于北京市建筑施工裸地的揚塵排放量[28]和交通揚塵量[29].

徐媛倩等[5]同樣采用土壤風(fēng)蝕模型對鄭州市的裸露面風(fēng)蝕揚塵進行研究,但其選擇了2013年4月和8月兩景衛(wèi)星影像的裸露區(qū)域作為永久性裸露地面(未考慮季節(jié)性裸露的農(nóng)田),故提取的裸露地面積僅為208km2.但因為鄭州市的氣候因素相較于北京更易于土壤風(fēng)蝕作用的形成(溫度更高,降水量更少,風(fēng)速更大),所以其估算的PM10年排放量可達3581t/a.王瑋等[30]對北京市中心城區(qū)(即核心區(qū)和功能拓展區(qū))的裸露面揚塵排放進行研究,估算得到的PM10排放量為420.7t/a,而本文相應(yīng)的PM10排放量為506t/a,結(jié)果相近.葉芝祥等[31]采用監(jiān)測儀器和FDM模型對成都市某處未施工裸地在2014年4月～5月的PM10排放因子進行測算,結(jié)果為2.58×10-4t/(km2·a),比本文估算的排放因子大2個數(shù)量級.

據(jù)分析,受氣候因素影響,土壤風(fēng)蝕作用的季節(jié)性差異顯著,所以采用年均氣候參數(shù)估算的揚塵排放量比起實驗觀測可能存在系統(tǒng)性的低估.

3.4 不確定性分析

在裸露地?fù)P塵排放估算過程中,計算結(jié)果存在一定的不確定性,主要因為:

(1)受算法和衛(wèi)星影像分辨率限制,裸露地提取結(jié)果存在一定的誤差,且被識別為裸露地的像元中可能含有植被或建筑物信息,模型中植被覆蓋因子取值有待評估.

(2)揚塵排放系數(shù)的計算過程中由于缺乏實測數(shù)據(jù)或驗證數(shù)據(jù)帶來的誤差.具體表現(xiàn)為PMi百分比含量采用的是推薦值,而非動力學(xué)粒徑譜儀的實測值.氣候因子計算采用的是氣象站點的數(shù)據(jù),誤差相對較小,但缺乏空間連續(xù)性;而空間插值方法也會帶來不確定性.

(3)土壤風(fēng)蝕指數(shù)Iwe的測定僅限于一時一地,其測量值可能隨時間、季節(jié)變化,對揚塵排放估算結(jié)果造成較大影響.

(4)模型本身也存在一定的待改進空間.因為受氣候條件,如風(fēng)速和降水的影響,風(fēng)蝕作用主要發(fā)生在冬春季[12],而模型中采用的氣候參數(shù)均為年均值,弱化了自然過程原本顯著的季節(jié)變化,這將導(dǎo)致裸露地?fù)P塵源PM10、PM2.5排放量的低估.

3.5 季節(jié)、月份計算的揚塵排放量

針對模型中氣候參數(shù)采用年均值將導(dǎo)致顆粒物排放低估的問題,本研究進一步對風(fēng)蝕模型進行改進:①采用月均值和季度均值取代式(7)～(9)中相應(yīng)的年均值;②修訂式(9)中的時間項,用對應(yīng)的天數(shù)替代;③考慮到冬季低溫導(dǎo)致E*趨近于0,故對(9)的Ta項進行截斷處理,設(shè)置最小溫度閾值為-2℃;④采用2010～2016年各區(qū)縣裸露地面積分布的平均值,乘以對應(yīng)逐月、季度的揚塵排放系數(shù)并累計,最終計算得到各月、各季度的裸露地?fù)P塵源PM10排放量.

結(jié)果顯示,分季節(jié)計算,北京市平原區(qū)裸露地?fù)P塵源的PM10年排放量可達39294t,逐月計算的PM10年排放量可達55175t,均遠(yuǎn)大于表5的結(jié)果7591.7t.這表明現(xiàn)有研究及模型可能忽視了裸露地?fù)P塵源揚塵排放的季節(jié)變化,采用平均的年值氣候因子可能導(dǎo)致了揚塵排放量的系統(tǒng)性低估.

本文完成了北京市平原區(qū)裸露地風(fēng)蝕揚塵源顆粒物排放清單的初步編制工作,但土壤揚塵源顆粒物排放清單的編制工作還需進一步加強.尤其是需要針對風(fēng)蝕作用的季節(jié)性變化做進一步的詳細(xì)研究,并利用空氣質(zhì)量模型分析土壤揚塵源對北京市大氣環(huán)境空氣質(zhì)量的影響,以探索適合北京市實際情況的揚塵防治策略.

4 結(jié)論

4.1 北京市平原區(qū)的年均裸露地面積約為3587km2,不同季節(jié)存在較大差異,1～3月裸露地面積最大,約為4500km2,8月裸露地面積最小,約為500k

4.2 1987～2016年間,北京市平原區(qū)的裸露地面積減少了約600km2,據(jù)推測主要是因城市發(fā)展和城區(qū)擴張造成.

4.3 區(qū)域分布上,裸露地主要分布在城市發(fā)展新區(qū)和生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū),分別占60%和34%,其中,大興區(qū)和順義區(qū)的裸露地面積均超過550km2,通州區(qū)和延慶縣次之,首都核心區(qū)僅存在零星的裸露地分布.

4.4 以氣候因子的年均值計算,北京市平原區(qū)的土壤揚塵PM10排放量為7591t/a,PM2.5排放量為1265t/a.

4.5 對風(fēng)蝕模型進行改進,分別用逐月和季度氣候參數(shù)進行計算,PM10排放量分別為55175t和39294t.這一結(jié)果表明,采用平均的年值氣候因子可能導(dǎo)致了揚塵排放量的系統(tǒng)性低估.土壤風(fēng)蝕揚塵對大氣顆粒物的貢獻可能大于預(yù)期.

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