鄭州市裸露地面風蝕揚塵排放清單研究*

徐媛倩 姜 楠 燕啟社 張瑞芹# 陳良富 李莘莘

(1.鄭州大學化學與分子工程學院，河南 鄭州 450001；2.中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所，遙感科學國家重點實驗室，北京 100101)

根據(jù)中國環(huán)境保護部發(fā)布的74個城市空氣質量狀況，鄭州市2013年、2014年均位列空氣質量相對較差的前十名城市名單中。2013年鄭州市環(huán)境空氣質量優(yōu)良天數(shù)為127 d，僅占總天數(shù)的34.79%，嚴重污染天數(shù)16 d，重度污染天數(shù)56 d，PM2.5年均值為102 μg/m3。根據(jù)鄭州市PM2.5源解析結果，鄭州市PM2.5主要污染源為煤炭燃燒、機動車污染和揚塵污染3大類，其中揚塵污染對大氣環(huán)境PM2.5的貢獻率為26%[1]。PM10受揚塵污染影響更大，根據(jù)BI等[2]的研究，濟南、烏魯木齊、太原、天津、安陽、銀川等6個城市的城市揚塵對大氣環(huán)境PM10的貢獻率分別為30%、30%、32%、34%、37%、59%。

建立揚塵污染源排放清單是區(qū)域制霾必不可少的工作內容之一，揚塵污染源清單不僅為地方揚塵控制提供科學依據(jù)，而且為區(qū)域空氣質量評估提供數(shù)據(jù)支撐[3-4]。揚塵污染源排放清單包括土壤揚塵排放清單、道路揚塵排放清單、建筑揚塵排放清單和堆場揚塵排放清單4個部分[5-7]。土壤揚塵是指直接來源于裸露地面的揚塵[8]，裸露地面起塵機制主要有滾動、躍遷和懸浮3種形式，起塵過程既受風場的動力學影響，也受顆粒物粒徑影響[9]。土壤揚塵對城市揚塵污染具有相當高的貢獻，由于其起動風速小，傳輸距離遠，一定程度上加劇了大氣顆粒物污染[10-11]；方小珍等[12]對寧波市城市揚塵源解析進行研究，結果表明土壤揚塵對城市揚塵的貢獻率為34.9%，是貢獻率最大的揚塵源。

土壤揚塵包括裸露地面風蝕揚塵和農耕地揚塵兩類，其中裸露地面風蝕揚塵對土壤揚塵的貢獻率為88%，是主要的土壤揚塵貢獻源[13]871，故本研究以裸露地面風蝕揚塵為研究對象，以2013年為基準年，參照環(huán)境保護部發(fā)布的《揚塵源顆粒物排放清單編制技術指南(試行)》(以下簡稱《指南》)和文獻[14]、[15]的研究成果，結合遙感信息，利用排放系數(shù)法開展鄭州市裸露地面風蝕揚塵排放清單的首次編制工作，估算裸露地面風蝕揚塵的排放量，并基于地理信息系統(tǒng)(GIS)對顆粒物排放量進行空間分布[16]，研究裸露地面風蝕揚塵的分布特征，為鄭州市揚塵污染控制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

將鄭州市7個地區(qū)(鞏義、滎陽、登封、市區(qū)、中牟、新鄭、新密)劃分成n個1 km×1 km的網格，利用式(1)計算裸露地面風蝕揚塵的年排放量。

由式(1)可知，裸露地面風蝕揚塵年排放量的估算需要裸露地面面積和排放系數(shù)兩個參數(shù)，其中裸露地面的面積根據(jù)環(huán)境一號衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和Google Earth提供的衛(wèi)星影像獲取，風蝕揚塵的排放系數(shù)通過計算得到。

1.1 裸露地面面積的獲取

本研究將環(huán)境一號衛(wèi)星影遙感像作為控制影像，采用目視識別為主，機助分類為輔的方法，勾繪裸露地面界線，繪制鄭州市裸露地面的分布圖[17]，得到裸露地面分布、面積等信息，具體方法如下：由于風蝕揚塵排放具有明顯的季節(jié)性差異，本研究選取質量較好的環(huán)境一號衛(wèi)星遙感影像，以4月代表春季地表土地利用類型，8月代表夏季地表土地利用類型，用ENVI軟件對其進行波段合成，得到研究區(qū)域真彩圖(見圖1)。由圖1可見，鄭州市8月與4月的植被覆蓋情況稍有差異，但部分區(qū)域兩個月份都是裸露地面，本研究將兩個季節(jié)都為裸露地面的區(qū)域認定為永久性裸露地面，并對其產生的風蝕揚塵進行研究。對衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行波段計算，得到歸一化植被指數(shù)(NDVI)分布情況，為計算方便，將NDVI計算結果放大1 000倍，使NDVI的取值在-200～700(見圖2)，根據(jù)NDVI取值初步判定土地利用類型。當NDVI取值為負時，表示地面覆蓋為云、水、雪等，NDVI取值為0時表示地面有巖石或裸土等存在，當NDVI取值為正時，表示地面有不同程度的植被覆蓋，NDVI取值在兩個季節(jié)均為0～150時可認定為永久性揚塵源[13]880。通過對真彩圖進行非監(jiān)督分類，得到進一步的土地利用類型分類，在ArcGIS軟件中以真彩圖為控制影像，以真彩圖信息為主，結合NDVI取值和非監(jiān)督分類結果對4月和8月均存在的裸露地面進行勾繪，并參照Google Earth中的高分辨率衛(wèi)星影像對勾繪結果進行調整，得到穩(wěn)定存在的裸露地面分布數(shù)據(jù)，再在ArcGIS軟件中對裸露地面分布圖層和1 km×1 km 網格圖層進行處理，最終得到每個網格中裸露地面的面積，以便做后續(xù)的空間分配。經分析，鄭州市裸露地面主要分布在北部、西部，北部為黃河灘涂，西部為嵩山地區(qū)裸露山體，其他區(qū)域的裸露地面主要是中東部建筑施工、土方開挖等形成的空地。

圖1 鄭州市真彩圖Fig.1 True color map of Zhengzhou

圖2 鄭州市NDVI取值分布Fig.2 NDVI distribution of Zhengzhou

1.2 排放系數(shù)計算

本研究針對風蝕揚塵中3種顆粒物(PM2.5、PM10、總懸浮顆粒物(TSP))在3種類型裸露地面(灘涂、裸露山體、空地)的排放系數(shù)進行計算，計算公式如下：

E=D×C×(1-η)×100

(2)

式中：E為裸露地面風蝕揚塵中顆粒物的排放系數(shù)，t/(km2·a)；D為顆粒物的起塵因子，t/(hm2·a)；C為氣候因子；η為污染控制技術對風蝕揚塵的去除率。

起塵因子、氣候因子計算的經驗公式分別見式(3)、式(4)：

D=K×Iwe××L×V

(3)

C=0.504×u3/PE2

(4)

式中：K為顆粒物在風蝕揚塵中的比例；Iwe為土壤風蝕指數(shù)，t/(hm2·a)；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為桑氏威特降水指數(shù)(蒸發(fā)指數(shù))，PE計算的經驗公式如下：

PE=100×(p/E*)

(5)

E*=(0.594 9+(0.118 9×Ta))×365

(6)

式中：p為年降水量，mm；E*為年潛在蒸發(fā)量，mm；Ta為年平均溫度，℃。

由式(2)可知，排放系數(shù)的決定因素是起塵因子、氣候因子和污染控制技術對風蝕揚塵的去除率，由于本研究中只考慮裸露地面的風蝕揚塵排放量，設裸露地面污染控制技術對風蝕揚塵的去除率為0，此時風蝕揚塵的排放系數(shù)僅取決于起塵因子和氣候因子兩個因素。

起塵因子的計算需要顆粒物在風蝕揚塵中的比例、土壤風蝕指數(shù)、地面粗糙因子、無屏蔽寬度因子和植被覆蓋因子5個參數(shù)。其中，顆粒物在風蝕揚塵中的比例和地面粗糙因子采用《指南》推薦值；植被覆蓋因子指實際裸露地面面積與總計算面積的比值，本研究以勾繪出的裸露地面面積為總計算面積，考慮到勾繪出的裸露地面上有少量植物存在，故將植被覆蓋因子取值為0.9；無屏蔽寬度因子指沒有明顯阻擋物的最大范圍，當無屏蔽寬度<300 m時，L=0.70，當無屏蔽寬度在300～600 m時，L=0.85，當無屏蔽寬度≥600 m時，L=1.00。參考文獻[18]、[19]并結合實地調查，認為黃河灘涂土質為砂土，山體土質為黏壤土，空地土質為壤質砂土，根據(jù)《指南》推薦方法計算3種顆粒物在不同裸露地面的土壤風蝕指數(shù)。起塵因子各計算參數(shù)的取值見表1。

氣候因子計算需要年平均溫度、年降水量和年平均風速3個參數(shù)，根據(jù)鄭州市7個地區(qū)2013年的氣象自動站觀測數(shù)據(jù)，得到各地區(qū)的氣象因子計算參數(shù)，具體見表2。

2 結果與討論

2.1 裸露地面的分布及面積

鄭州市主要土地利用類型為水體、自然綠地、農用地、城鎮(zhèn)建筑用地和交通用地等，其中鄭州市北邊邊界線以南為黃河，是水體的主要分布區(qū)域，自然綠地主要分布在西部嵩山地區(qū)，農用地主要分布在鄭州市中部和東部的非城鎮(zhèn)地區(qū)[20]。圖3為本研究勾繪出的鄭州市裸露地面分布情況。利用ArcGIS軟件對圖3中裸露地面的面積進行計算，得到鄭州市裸露地面面積約208 km2，占鄭州市總面積的2.8%。

表1 起塵因子計算參數(shù)

表2 7個地區(qū)2013年氣象參數(shù)

圖3 鄭州市裸露地面分布Fig.3 Distributing of barrens in Zhengzhou

2.2 排放系數(shù)

排放系數(shù)由起塵因子和氣候因子共同決定，反映了單位面積裸露地面的起塵能力。由于土質類型的差異，不同類型裸露地面的起塵因子存在一定的差別。各類型裸露地面的起塵因子計算結果如圖4所示。從圖4可以看出，3種類型裸露地面的起塵因子排序為灘涂>空地>裸露山體。

鄭州市7個地區(qū)的氣候因子計算結果見圖5。

圖4 不同裸露地面的起塵因子Fig.4 Particulate emission factor of barrens with different prefecture

從圖5可以看出，7個地區(qū)中新鄭的氣候因子最大，市區(qū)次之，新密氣候因子最小。氣候因子對顆粒物排放系數(shù)的影響主要來源于年平均風速，這是因為風速越大揚起的顆粒物越多，粒徑范圍越廣，當風速為2.0～3.5 m/s時，粒徑在60 μm以下的顆粒物可被揚起；當風速為1.0～2.0 m/s時，粒徑在20 μm以下的顆粒物可被揚起。

圖5 鄭州市7個地區(qū)的氣候因子Fig.5 Climate factor of 7 district in Zhengzhou

利用氣候因子和起塵因子計算鄭州市各地區(qū)不同類型裸露地面的顆粒物排放系數(shù)，結果見圖6。鄭州市裸露地面風蝕揚塵中PM2.5、PM10、TSP的排放系數(shù)計算結果見圖7。

圖6 鄭州市不同地區(qū)裸露地面的排放系數(shù)Fig.6 Emission factor of barrens with different prefecture in different districts of Zhengzhou

由圖6可見，鄭州市各地區(qū)顆粒物排放系數(shù)存在較大差異，3種裸露地面類型下均為新鄭、市區(qū)的顆粒物排放系數(shù)最大，登封次之，滎陽、新密相對最小。由圖7可見，鄭州市裸露地面風蝕揚塵中PM2.5、PM10、TSP的排放系數(shù)分別為(3.36±2.24)、(20.16±13.44)、(67.21±44.81) t/(km2·a)，與2002年江小珂等[21]對北京市的研究結果相近(風蝕揚塵中PM2.5、PM10排放系數(shù)分別為3.31、22.7 t/(km2·a))，說明我國北方城市在城市發(fā)展過程中存在著水平相當?shù)穆懵兜孛骘L蝕揚塵顆粒物污染問題。

圖7 3種顆粒物的排放系數(shù)Fig.7 Emission factor of 3 types particulate matters

2.3 顆粒物排放特征

鄭州市7個地區(qū)的裸露地面風蝕揚塵顆粒物排放量計算結果見圖8。由圖8可見，7個地區(qū)顆粒物排放量存在較大差異，具體表現(xiàn)為市區(qū)>中牟>登封>鞏義>滎陽>新鄭>新密。經計算，2013年鄭州市裸露地面風蝕揚塵源PM2.5、PM10、TSP排放量分別為597、3 581、11 937 t。

圖8 鄭州市7個地區(qū)風蝕揚塵中顆粒物的排放量Fig.8 Emission load of particulate matters from wind erosion dust in 7 district of Zhengzhou

以1 km×1 km的網格為研究單位，通過對上述各階段研究成果進行總結分析，得到鄭州市裸露地面風蝕揚塵源顆粒物排放量的空間分布，結果見圖9。鑒于TSP分布情況與PM2.5、PM10總體相似，且PM2.5、PM10為顆粒物研究的重點，本研究僅列出鄭州市PM2.5、PM10的排放量分布情況。

從圖9可以看出，鄭州市裸露地面PM2.5和PM10的高排區(qū)主要集中在研究區(qū)北部邊緣(黃河流域的灘涂區(qū)域)、鞏義和登封兩市的山地區(qū)域及市區(qū)北部和中牟東北部地區(qū)。鞏義和登封兩地的裸露地面以裸露山體為主，該區(qū)域植被稀疏，海拔較高，易受自然風的影響而起塵。控制該區(qū)域的風蝕揚塵起塵量，需從山體綠化做起，減少裸露山體的面積；市區(qū)和中牟裸露地面PM2.5、PM10的高排區(qū)主要分布在市區(qū)北邊的黃河灘涂區(qū)域，該區(qū)域地表開闊、土質疏松、植被稀疏，易受自然風的影響而起塵?？刂圃搮^(qū)域的風蝕揚塵起塵量，要對黃河灘涂區(qū)域進行加固和綠化，以減少灘涂裸露地面的暴露；其他地區(qū)裸露地面PM2.5、PM10的排放除分布在灘涂、裸露山體區(qū)域外，還分布在空地區(qū)域，該區(qū)域土質疏松，地表無植被防護，自然風吹后易起塵。對于建筑施工造成的人為空地，建筑工地及土方開挖過程應著重加強防塵措施，減少施工過程中裸露地面的暴露；對于自然形成的空地，應加大監(jiān)管和綠化力度，盡量避免自然空地的形成。

圖9 2013年鄭州市裸露地面PM2.5、PM10排放量分布Fig.9 Distributing characteristic of PM2.5，PM10 from barrens in Zhengzhou,2013

2.4 不確定性分析

在顆粒物排放量估算過程中，排放因子、活動水平等因素給計算結果帶來一定不確定性。具體涉及的不確定性因素主要來自以下兩個方面：(1)在目視識別裸露地面獲取污染源活動水平過程中，人為識別存在一定的誤差，衛(wèi)星影像分辨率的限制進一步增大了目視識別的誤差；(2)排放因子計算過程中由于缺少實測數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)來自間接推估造成的誤差，具體表現(xiàn)在起塵因子計算過程中的誤差和氣候因子空間分布的誤差。起塵因子計算過程中顆粒物在風蝕揚塵中的比例采用《指南》推薦值，土壤風蝕指數(shù)為文獻中的推估數(shù)值，上述參數(shù)的不確定性在一定程度上影響排放系數(shù)的計算結果。氣候因子計算采用鄭州市7個地區(qū)自動氣象站數(shù)據(jù)，誤差相對較小，但是在空間分配時一個行政地區(qū)采用一個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)，無空間連續(xù)性，這對排放量計算結果和空間分配都會造成一定的誤差。

3 結論與建議

(1) 鄭州市2013年裸露地面風蝕揚塵源PM2.5、PM10、TSP排放系數(shù)分別為(3.36±2.24)、(20.16±13.44)、(67.21±44.81) t/(km2·a)；PM2.5、PM10、TSP年排放量分別為597、3 581、11 937 t；裸露地面風蝕揚塵源顆粒物的排放主要分布在鄭州市北部黃河灘涂，西部嵩山裸露山體、中東部建筑施工、土方開挖等形成的空地，減少鄭州市風蝕揚塵起塵量的主要措施是加大綠化和管控力度。

(2) 鄭州市對大氣污染源清單的研究工作剛剛起步，本研究僅完成了鄭州市裸露地面風蝕揚塵源顆粒物排放清單的初步編制工作，土壤揚塵源顆粒物排放清單的編制工作還需進一步加強，尤其是需針對其季節(jié)性變化做詳細研究，并利用空氣質量模型分析土壤揚塵源對鄭州市大氣環(huán)境空氣質量的影響，以探索適合鄭州市實際情況的揚塵防治策略。

(致謝：本研究是在中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所,遙感科學國家重點實驗室各位老師和同學的幫助下完成，在此表示感謝！)

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