哈爾濱市土壤揚塵排放清單及其時空分布*

李莉莉 王 琨# 劉 帆 齊 虹 王維業 姜珺秋

(1.哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150090； 2.哈爾濱工業大學環境學院，黑龍江 哈爾濱 150090)

為促進揚塵源顆粒物排放清單編制工作的開展，原環境保護部于2014年發布了《揚塵源顆粒物排放清單編制技術指南(試行)》(以下簡稱《指南》)，揚塵源清單能為揚塵污染防治的環境決策和未來趨勢分析提供依據[1-2]。土壤揚塵包括多種土地利用類型裸露地面的風蝕排放，是大氣顆粒物來源之一。在中國14個城市中，揚塵對冬、夏季PM2.5的貢獻分別為12%～34%、17%～32%[3]。由于土壤揚塵起動風速較小，但傳輸距離遠，加劇了大氣顆粒物污染[4]。中國北方風力侵蝕是一個嚴重的環境問題[5]，特別是在干旱和半干旱地區。根據黑龍江省2016年發布的最新顆粒物源解析結果，開放揚塵源(土壤風沙塵、道路塵、建筑塵、施工揚塵等)對哈爾濱市PM10的貢獻達14.5%。由于顆粒物污染治理的需求，哈爾濱市揚塵源排放清單編制工作亟需開展，以指導相關政策的制定。

《指南》自頒布以來，在中國東北寒冷地區鮮有應用，該地區的低溫導致其揚塵排放不同于其他城市。《指南》涉及的氣候因子為年均值，在計算過程中未考慮揚塵的季節差異，會導致計算結果與實際情況存在偏差[6]。因此，本研究依據《指南》推薦的排放系數法自下而上構建基于區縣的哈爾濱市2016年土壤揚塵排放清單；確定估算土壤揚塵月排放量的方法，研究其時空分布特征，有助于政府對特定地區、特定時間段的重點土壤揚塵源采取治理措施。

1 數據與方法

1.1 研究區域與對象

以哈爾濱市18個區縣為研究區域(125°42′E～130°10′E、44°4′N～46°40′N，見圖1(a))，下轄9個市轄區、7個縣和代管2個縣級市，面積約5.3萬km2。土地利用類型(來源于中國科學院資源環境科學數據中心http://www.resdc.cn/)見圖1(b)。

1.2 排放清單的建立

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

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為土壤揚塵中顆粒物年排放量，t/a；Ei為顆粒物排放系數，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揚塵的控制效率，%；ki為顆粒物在土壤揚塵中質量占比；Iwe為土壤風蝕指數，t/(hm2·a)；f為地面粗糙因子；L為無屏蔽寬度因子；V為植被覆蓋因子；u為年平均風速，m/s；PE為桑氏威特降水-蒸發指數，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為年潛在蒸發量，可推算當平均溫度低于-5 ℃時，PE出現負值。哈爾濱市常年氣溫較低，月份計算時易出現負值。依據PE的物理意義，當PE為負值時，按零處理，即認為長達數月的積雪覆蓋能阻止土壤揚塵。

哈爾濱市無干涸河谷，因此本次計算涵蓋《指南》土壤揚塵的二級分類中農田、荒地、裸露山體、灘涂、未硬化或未綠化空地共5種類型。根據圖1(b)，應用ArcGIS統計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，統計結果見表1。

表1 哈爾濱市土壤揚塵源各土地利用類型的土壤面積

ki、Iwe、f和L的選用需進行調研。采用野外速測法在10個土壤采樣點位(見圖1(a))確定土壤質地，調研得農田土壤為黏土，荒地及未綠化土壤表層為粉砂質黏土，進而選用《指南》中Iwe、f和L推薦值，具體見表2。夏秋季的控塵措施表現為植被覆蓋，冬季為積雪覆蓋，根據不同地區的控制揚塵的措施和植被覆蓋情況，η和V在調研基礎上選用相應的《指南》推薦值。

表2 相關計算參數

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

1.3 時空分配方法

1.3.1 時間分配

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

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投影對哈爾濱市2016年土壤揚塵排放清單進行1 km×1 km的空間分配，分配流程見圖2。

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

2 結果與討論

2.1 哈爾濱市2016年土壤揚塵排放清單

2.1.1 排放系數

相同地區不同月份之間和不同地區相同月份之間的月氣候因子差異可達百倍。雙城區月氣候因子最突出，4月的月氣候因子最高，高達3(見圖3)，與雙城區居全市首位的年平均風速(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為負值，因此按照零處理。

以農田為例，利用每個地區的月氣候因子和起塵因子計算排放系數，結果見圖4。哈爾濱市18個地區農田揚塵排放系數存在一定差異，其中雙城區農田土壤揚塵中PM2.5、PM10、TSP排放系數最大，分別為0.33×10-9、6.38×10-9、47.49×10-9t/(m2·a)。進一步和其他城市排放系數進行對比，鄭州市土壤揚塵中PM2.5、PM10、TSP排放系數均值分別為3.36×10-6、20.16×10-6、67.21×10-6t/(m2·a)[8]，北京市風蝕揚塵中PM2.5、PM10排放系數分別為3.31×10-6、22.7×10-6t/(m2·a)[9]。哈爾濱市農田土壤揚塵排放系數均低于北京市和鄭州市，主要原因包括：(1)因為北京市和鄭州市計算針對的是土壤揚塵，圖4為農田土壤揚塵。研究表明，同等面積下裸露土壤的揚塵排放是農田的20倍[10]118。(2)哈爾濱市具有獨特的氣候特征，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]，長期的作物和積雪覆蓋降低了排放系數。

圖4 哈爾濱市18個地區農田土壤揚塵排放系數Fig.4 Annual emission coefficient of soil dust from farmland in 18 districts of Harbin

2.1.2 土壤揚塵排放清單

2016年，哈爾濱市各土地利用類型、各地區的土壤揚塵顆粒物年排放量分別見表3和表4。哈爾濱市土壤揚塵PM2.5、PM10和TSP年排放量分別為2.59、52.10、406.93 t，其中農田土壤揚塵PM2.5、PM10和TSP年排放量分別占91%、87%和83%，主要是農田面積較其他土地利用類型高出了2～3個數量級。哈爾濱市各地區揚塵顆粒物年排放量存在差異，其中雙城區最突出，PM2.5、PM10和TSP年排放量分別占77%、76%、75%，與該地區較高的農田面積和大風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 揚塵顆粒物年排放量

表4 哈爾濱市各地區的土壤揚塵顆粒物年排放量

2.1.3 哈爾濱市土壤揚塵源排放清單的不確定性分析

哈爾濱市土壤揚塵排放清單的不確定性源于各計算參數，主要包括：(1)土壤面積,土壤面積主要為ArcGIS提取，提取結果與哈爾濱市統計年鑒的用地數據進行了比對，相對誤差較小；(2)排放系數,起塵因子計算所需要的參數ki、Iwe、f、L、V和η都是實地采樣調研之后根據《指南》進行選取，均具有一定的不確定性，氣候因子的計算基于13個氣象站自動監測數據，進而造成了排放清單的不確定性。哈爾濱市土壤揚塵顆粒物年排放量低于其他城市(見表5)，主要原因為：(1)土壤揚塵顆粒物年排放量與該地區的面積、經濟水平和管理措施等多種因素相關；(2)計算與實際誤差約100%～300%[14]；(3)哈爾濱市常年積雪和作物覆蓋對農田的起塵具有極大的抑制作用。由于基準年的不同，可推斷本研究的土壤揚塵排放清單是合理的。

表5 哈爾濱市土壤揚塵與其他城市對比

在條件允許的情況下應進行揚塵排放參數的本地化測試，進一步降低清單的不確定性，如北京市環境保護科學研究院在北京實測的PM10的ki為0.62[15]。對于參數的選取沒有嚴格的推薦值，重要的是符合本地區揚塵的實際排放情況。

2.2 哈爾濱市土壤揚塵的時間分布特征

哈爾濱市1、2、11、12月按照零處理，數月的積雪覆蓋能阻止土壤表層起塵，極大降低了揚塵排放，這一點與其他城市的排放特征不同。4月土壤揚塵PM2.5、PM10和TSP排放量最高，分別為2.02、40.53、314.67 t(見圖5)，此變化特征與4月干燥多風的氣候條件較符合。5、6月又下降到一個低值，主要是由于植被覆蓋率有所增加。研究表明，揚塵主要來源于植被覆蓋率低于20%的地區[10]126。同時，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塵排放量的重要措施。

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

2.3 哈爾濱市土壤揚塵的空間分布特征

由圖6可見，土壤揚塵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，主要為農田面積較大的地區，包括雙城區、巴彥縣和依蘭縣等。

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

3 結 論

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

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