哈尔滨市土壤扬尘排放清单及其时空分布*

李莉莉 王 琨# 刘 帆 齐 虹 王维业 姜珺秋

(1.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150090； 2.哈尔滨工业大学环境学院，黑龙江 哈尔滨 150090)

为促进扬尘源颗粒物排放清单编制工作的开展，原环境保护部于2014年发布了《扬尘源颗粒物排放清单编制技术指南(试行)》(以下简称《指南》)，扬尘源清单能为扬尘污染防治的环境决策和未来趋势分析提供依据[1-2]。土壤扬尘包括多种土地利用类型裸露地面的风蚀排放，是大气颗粒物来源之一。在中国14个城市中，扬尘对冬、夏季PM2.5的贡献分别为12%～34%、17%～32%[3]。由于土壤扬尘起动风速较小，但传输距离远，加剧了大气颗粒物污染[4]。中国北方风力侵蚀是一个严重的环境问题[5]，特别是在干旱和半干旱地区。根据黑龙江省2016年发布的最新颗粒物源解析结果，开放扬尘源(土壤风沙尘、道路尘、建筑尘、施工扬尘等)对哈尔滨市PM10的贡献达14.5%。由于颗粒物污染治理的需求，哈尔滨市扬尘源排放清单编制工作亟需开展，以指导相关政策的制定。

《指南》自颁布以来，在中国东北寒冷地区鲜有应用，该地区的低温导致其扬尘排放不同于其他城市。《指南》涉及的气候因子为年均值，在计算过程中未考虑扬尘的季节差异，会导致计算结果与实际情况存在偏差[6]。因此，本研究依据《指南》推荐的排放系数法自下而上构建基于区县的哈尔滨市2016年土壤扬尘排放清单；确定估算土壤扬尘月排放量的方法，研究其时空分布特征，有助于政府对特定地区、特定时间段的重点土壤扬尘源采取治理措施。

1 数据与方法

1.1 研究区域与对象

以哈尔滨市18个区县为研究区域(125°42′E～130°10′E、44°4′N～46°40′N，见图1(a))，下辖9个市辖区、7个县和代管2个县级市，面积约5.3万km2。土地利用类型(来源于中国科学院资源环境科学数据中心http://www.resdc.cn/)见图1(b)。

1.2 排放清单的建立

土壤扬尘的PM2.5、PM10、总悬浮颗粒物(TSP)排放清单主要计算公式如下：

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为土壤扬尘中颗粒物年排放量，t/a；Ei为颗粒物排放系数，t/(m2·a)；A为土壤面积，m2；Di为起尘因子，t/(hm2·a)；C为气候因子；η为某种污染控制措施下对扬尘的控制效率，%；ki为颗粒物在土壤扬尘中质量占比；Iwe为土壤风蚀指数，t/(hm2·a)；f为地面粗糙因子；L为无屏蔽宽度因子；V为植被覆盖因子；u为年平均风速，m/s；PE为桑氏威特降水-蒸发指数，用于描述气候干旱程度；p为年降水量，mm；Ta为年平均温度，℃。

式(5)中0.594 9+0.118 9×Ta为年潜在蒸发量，可推算当平均温度低于-5 ℃时，PE出现负值。哈尔滨市常年气温较低，月份计算时易出现负值。依据PE的物理意义，当PE为负值时，按零处理，即认为长达数月的积雪覆盖能阻止土壤扬尘。

哈尔滨市无干涸河谷，因此本次计算涵盖《指南》土壤扬尘的二级分类中农田、荒地、裸露山体、滩涂、未硬化或未绿化空地共5种类型。根据图1(b)，应用ArcGIS统计获得各土地利用类型的土壤面积。哈尔滨市旱地占该市耕地面积的80%，因此将旱地作为农田，中覆盖度和低覆盖度草地作为荒地，裸岩石砾地作为裸露山体，滩地和沼泽地作为滩涂，疏林地、其他林地和盐碱地等记入未硬化或未绿化空地，统计结果见表1。

表1 哈尔滨市土壤扬尘源各土地利用类型的土壤面积

ki、Iwe、f和L的选用需进行调研。采用野外速测法在10个土壤采样点位(见图1(a))确定土壤质地，调研得农田土壤为黏土，荒地及未绿化土壤表层为粉砂质黏土，进而选用《指南》中Iwe、f和L推荐值，具体见表2。夏秋季的控尘措施表现为植被覆盖，冬季为积雪覆盖，根据不同地区的控制扬尘的措施和植被覆盖情况，η和V在调研基础上选用相应的《指南》推荐值。

表2 相关计算参数

图1 哈尔滨市行政区划及土地利用类型Fig.1 Administrative divisions and land use types of Harbin

1.3 时空分配方法

1.3.1 时间分配

由于哈尔滨市具有明显的四季变化特征，只计算土壤扬尘年排放量不能反映时间分布特征。本研究以气候因子为时间分配因子。气候因子是以1年为基础计算气候的影响，若用于计算月气候因子，在平均气温和平均风速的月均值和年均值相差不大时，由于月降水量小于年降水量，根据式(4)和式(5)计算得到的月排放系数大于年排放系数，进而导致计算出的土壤扬尘月排放量大于年排放量，这与实际情况不符。因此，加州空气资源委员会采用了“月作为一年”的方法，即首先依据气候数据计算年和月气候因子，由年气候因子得到扬尘年排放量，再乘以月气候因子计算得出扬尘月排放量，最后相加核算扬尘年排放量。该方法在应用时有明显的气象波动特征，在阴凉潮湿且无风的情况下气候因子偏小，在炎热干燥和多风的状况下则偏大[7]，会避免在计算扬尘月排放量时极端值的出现。本研究搜集了涵盖各行政区的13个气象自动站监测数据，包含Ta、p和u，通过式(4)得到不同地区的月和年气候因子，进而计算扬尘年排放量，再乘以月气候因子计算得出扬尘月排放量。

1.3.2 空间分配

将土地利用类型作为空间分配因子，基于Lambert投影对哈尔滨市2016年土壤扬尘排放清单进行1 km×1 km的空间分配，分配流程见图2。

图2 空间分配流程Fig.2 Spatial allocation process

2 结果与讨论

2.1 哈尔滨市2016年土壤扬尘排放清单

2.1.1 排放系数

相同地区不同月份之间和不同地区相同月份之间的月气候因子差异可达百倍。双城区月气候因子最突出，4月的月气候因子最高，高达3(见图3)，与双城区居全市首位的年平均风速(4.5 m/s)和居全市末位的年降水量(仅513 mm)密不可分。

注：由于哈尔滨市1、2、11、12月的月平均温度不高于-10 ℃，PE为负值，因此按照零处理。

以农田为例，利用每个地区的月气候因子和起尘因子计算排放系数，结果见图4。哈尔滨市18个地区农田扬尘排放系数存在一定差异，其中双城区农田土壤扬尘中PM2.5、PM10、TSP排放系数最大，分别为0.33×10-9、6.38×10-9、47.49×10-9t/(m2·a)。进一步和其他城市排放系数进行对比，郑州市土壤扬尘中PM2.5、PM10、TSP排放系数均值分别为3.36×10-6、20.16×10-6、67.21×10-6t/(m2·a)[8]，北京市风蚀扬尘中PM2.5、PM10排放系数分别为3.31×10-6、22.7×10-6t/(m2·a)[9]。哈尔滨市农田土壤扬尘排放系数均低于北京市和郑州市，主要原因包括：(1)因为北京市和郑州市计算针对的是土壤扬尘，图4为农田土壤扬尘。研究表明，同等面积下裸露土壤的扬尘排放是农田的20倍[10]118。(2)哈尔滨市具有独特的气候特征，年平均温度约5 ℃，得到的气候因子约是郑州市和北京市等城市的1/1 000。(3)哈尔滨市的耕作制度为一年一耕[11]，长期的作物和积雪覆盖降低了排放系数。

图4 哈尔滨市18个地区农田土壤扬尘排放系数Fig.4 Annual emission coefficient of soil dust from farmland in 18 districts of Harbin

2.1.2 土壤扬尘排放清单

2016年，哈尔滨市各土地利用类型、各地区的土壤扬尘颗粒物年排放量分别见表3和表4。哈尔滨市土壤扬尘PM2.5、PM10和TSP年排放量分别为2.59、52.10、406.93 t，其中农田土壤扬尘PM2.5、PM10和TSP年排放量分别占91%、87%和83%，主要是农田面积较其他土地利用类型高出了2～3个数量级。哈尔滨市各地区扬尘颗粒物年排放量存在差异，其中双城区最突出，PM2.5、PM10和TSP年排放量分别占77%、76%、75%，与该地区较高的农田面积和大风干燥的气候条件相吻合。

表3 哈尔滨市各土地利用类型的土壤 扬尘颗粒物年排放量

表4 哈尔滨市各地区的土壤扬尘颗粒物年排放量

2.1.3 哈尔滨市土壤扬尘源排放清单的不确定性分析

哈尔滨市土壤扬尘排放清单的不确定性源于各计算参数，主要包括：(1)土壤面积,土壤面积主要为ArcGIS提取，提取结果与哈尔滨市统计年鉴的用地数据进行了比对，相对误差较小；(2)排放系数,起尘因子计算所需要的参数ki、Iwe、f、L、V和η都是实地采样调研之后根据《指南》进行选取，均具有一定的不确定性，气候因子的计算基于13个气象站自动监测数据，进而造成了排放清单的不确定性。哈尔滨市土壤扬尘颗粒物年排放量低于其他城市(见表5)，主要原因为：(1)土壤扬尘颗粒物年排放量与该地区的面积、经济水平和管理措施等多种因素相关；(2)计算与实际误差约100%～300%[14]；(3)哈尔滨市常年积雪和作物覆盖对农田的起尘具有极大的抑制作用。由于基准年的不同，可推断本研究的土壤扬尘排放清单是合理的。

表5 哈尔滨市土壤扬尘与其他城市对比

在条件允许的情况下应进行扬尘排放参数的本地化测试，进一步降低清单的不确定性，如北京市环境保护科学研究院在北京实测的PM10的ki为0.62[15]。对于参数的选取没有严格的推荐值，重要的是符合本地区扬尘的实际排放情况。

2.2 哈尔滨市土壤扬尘的时间分布特征

哈尔滨市1、2、11、12月按照零处理，数月的积雪覆盖能阻止土壤表层起尘，极大降低了扬尘排放，这一点与其他城市的排放特征不同。4月土壤扬尘PM2.5、PM10和TSP排放量最高，分别为2.02、40.53、314.67 t(见图5)，此变化特征与4月干燥多风的气候条件较符合。5、6月又下降到一个低值，主要是由于植被覆盖率有所增加。研究表明，扬尘主要来源于植被覆盖率低于20%的地区[10]126。同时，5、6月的降水量之和为全年的47%，降水可直接抑制土壤表层起尘，尽可能减少裸土面积、提高植被覆盖率是降低土壤扬尘排放量的重要措施。

图5 哈尔滨市土壤扬尘排放月变化Fig.5 Monthly variation of soil dust emission in Harbin

2.3 哈尔滨市土壤扬尘的空间分布特征

由图6可见，土壤扬尘PM2.5主要集中在哈尔滨市西部和西北部；PM10和TSP空间分布较类似，主要集中在哈尔滨市西部、西北部和东北部，主要为农田面积较大的地区，包括双城区、巴彦县和依兰县等。

图6 哈尔滨市土壤扬尘网格化空间分配Fig.6 Grid spatial distribution of soil dust in Harbin

3 结 论

(1) 依据《指南》推荐的排放系数法自下而上构建了基于区县的哈尔滨市2016年土壤扬尘排放清单，哈尔滨市土壤扬尘PM2.5、PM10和TSP年排放量分别为2.59、52.10、406.93 t。农田是土壤扬尘最大的排放源，其PM2.5、PM10和TSP年排放量分别占全市的91%、87%和83%。双城区是排放最大的地区，PM2.5、PM10和TSP年排放量分别占全市的77%、76%、75%。通过与其他研究对比推断该研究的排放清单是合理的，土壤扬尘年排放量推算月排放量时可采用加州空气资源委员会推荐的“月作为一年”的方法。

(2) 由时空分布可知，4月是土壤扬尘排放较大的时间段，与该时段风速较大且植被覆盖率较低有关。土壤扬尘主要集中在哈尔滨市西部、西北部和东北部。