北京市平原區裸露地風蝕揚塵排放量

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

目前,北京市以可吸入顆粒物(PM10)、細顆粒物(PM2.5)為代表的區域性大氣環境問題依然嚴峻,危及人民群眾的身體健康[1-2].準確完整的大氣污染源排放清單為區域大氣污染治理工作提供了數據支撐和理論依據,是控制和改善區域環境空氣質量的重要基礎[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],郊區地表風蝕起塵對城區空氣質量影響巨大[7].據環保部門發布的大氣顆粒物源解析結果,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境質量.土壤風蝕是中國北方干旱與半干旱區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].顆粒物風蝕揚塵過程的主要影響因素包括氣候條件、土壤性質、地形和植被覆蓋等[13].北京雖屬半濕潤區,但在冬春季節植物休眠地表裸露,與干旱大風天氣同期,風蝕現象較為嚴重.

裸露面風蝕揚塵排放的常規測算以定點儀器監測和野外取樣分析為主,雖測量結果較為準確,但在空間上的可擴展性較差,難以全面展現北京市平原區裸露地的揚塵污染源狀況和分布特征,不利于大氣環境質量及其污染來源的宏觀分析.遙感技術能夠動態地反映研究區域內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系列遙感衛星影像為數據源,采用全自動裸土提取算法,高效準確地提取出北京平原區的裸土圖斑,以此結合氣候觀測資料和揚塵排放模型,開展了北京市平原區裸露地風蝕揚塵排放清單的編制工作,對裸露地風蝕揚塵排放量進行了估算,為北京市環境統計和污染檢測提供了一種新的技術手段,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.

1 裸露地提取

1.1 研究區域和數據源

本文的研究區域為北京市平原區(圖1),選用的數據源為美國航空航天局(NASA)發布的Landsat衛星遙感影像.為保證裸露地提取精度,研究區范圍內積雪和云霧覆蓋需少于15%.經篩選,合格的影像數據分布如表1所示.

1.2 構建增強型裸土指數

根據《揚塵源顆粒物排放清單編制技術指南(試行)》[15](簡稱《指南》),裸露地包括無植被覆蓋的農田、未硬化或未綠化的空地、干涸的河谷、裸露山體、灘涂等.本文研究區內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,較容易區分,而裸露地和建筑物存在“異物同譜”的現象,難以準確區分.

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

表1 Landsat系列遙感數據源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(EBSI)進行裸露地信息提取,其理論依據是裸地在裸土指數(BSI)[17]和修正歸一化水體指數(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分別為裸土指數和修正歸一化水體指數圖像經拉伸的灰度值.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 實現動態閾值分割

對遙感影像進行增強型裸土指數計算后,為實現裸露地信息的全自動提取,還需實現動態閾值分割方法.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,經試驗發現全局最佳閾值與EBSI和土壤調節植被指數SAVI)[22]近似滿足如下關系:

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OLI的4、5波段;L為土壤調節因子,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

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

式中:裸露地揚塵中PMi(空氣動力學粒徑在0～iμm間的顆粒物)的排放系數,t/(km2·a); Iwe為土壤風蝕指數,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,當無屏蔽寬度＜300m時,L＝0.7,當無屏蔽寬度為300～600m時,L＝0.85,當無屏蔽寬度≥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為年平均風速,m/s; Pe為桑氏威特( Thornthwaite )降水-蒸發指數; P為年降水量,mm; E*為年潛在蒸發量,mm;Ta為年平均溫度,℃.

2.2 確定模型參數

由式(6)～式(9)可知,計算揚塵排放系數的基礎參數為土壤風蝕指數Iwe,其定義為每公頃裸露土地每年潛在的風蝕揚塵的噸數,反映了土壤的可風蝕性.本文參考彭應登等[24]測得的北京市各區裸露農田的風蝕指數作為區域內的土壤風蝕指數參照值.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;模型內的氣候參數包括溫度、降水和風速,均采用中國氣象局公開的北京市15個氣象站點的氣候統計資料,數據獲取時間為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 年排放系數計算

由于各區域土質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速、降水和溫度代入式(7)～式(9),計算得到風蝕揚塵的氣候因子(C).然后將2.2節確定的模型參數代入式(6), 最終計算得到各區的裸露地風蝕揚塵排放系數(Qei).

3 結果與討論

3.1 裸露地面積的時間變化

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

因遙感數據源無法保證影像數據的均勻覆蓋,簡單年平均計算無法準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計算揚塵的PM10排放系數,結果如圖2.

據唐新明等[25]的研究,1989～2012年間,北京市生態用地的面積減少了443km2,與之相應的是建設用地面積增加了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展、城區擴張,自然裸露地如農田、草地被開發為建城區.而揚塵速率的年際變化波動較為明顯,裸露地揚塵源PM10排放系數的高值可達7～9t/(km2·a),最高值出現在1999～2003年間,恰與北京沙塵天氣頻發的時期相吻合.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揚塵源的揚塵排放系數有著較為顯著的影響.同時,我們也注意到,從2011年開始,PM10揚塵排放系數存在上升趨勢.

圖2 裸露地面積和PM10排放系數的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月的分類結果影像為例(圖3).北京市平原區裸露地分布廣泛,且裸露地主要集中在郊區和農村地區,首都核心區和功能拓展區裸露地分布較少.圖中分類結果未經濾波或掩膜處理.首都各功能區的裸露地面積分布如表4所示,2016年冬季北京市平原區裸露地面積近3600km2,約占全市總面積的21.86%、平原區面積的56.59%.裸露地主要分布在城市發展新區和生態涵養發展區,分別占60%和34%,其中,大興區和順義區的裸露地面積均超過550km2,通州區和延慶縣次之,門頭溝區、懷柔區和房山區分布著大面積的林地,所以裸露地面積較小.首都核心區僅存在零星的裸露地分布,且多為易受侵蝕的屋頂,城市功能拓展區的裸露地主要分布在五環路和六環路之間,包括建筑施工裸地、農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16個區的裸露地風蝕揚塵顆粒物排放量計算結果如表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關系.北京市裸露地風蝕揚塵在空間上分布不均勻,各區縣的風蝕程度和風蝕強度存在很大差異,其中大興區、通州區和延慶縣的土壤風蝕現象相對較為嚴重,大興區的裸露地風蝕揚塵排放量可達1913t/a,占全市總排放量的25%.分析認為大興區的土壤類型主要為砂土,土壤風蝕指數大,易發生風蝕,且大興區恰處于風廊帶,大風天氣頻發,故土壤的風蝕作用較強.

表4 北京市平原區各區裸露地揚塵排放量Table 4 Bare Soil Dust emissions over different districts in Beijing plain area

北京市各區縣的PM10排放系數范圍為(2.1±1.3) t/(km2·a),而聶磊等[26]研究獲得北京市郊區農田風蝕揚塵產生的PM10的平均排放因子為0.82t/(km2·a),與本文的研究結果相近.排放總量上,以PM10排放量為例,全市總排放量約為7600t/a,這一數字大于北京市平原區民用散煤燃燒[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]同樣采用土壤風蝕模型對鄭州市的裸露面風蝕揚塵進行研究,但其選擇了2013年4月和8月兩景衛星影像的裸露區域作為永久性裸露地面(未考慮季節性裸露的農田),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蝕作用的形成(溫度更高,降水量更少,風速更大),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(即核心區和功能拓展區)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,而本文相應的PM10排放量為506t/a,結果相近.葉芝祥等[31]采用監測儀器和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,結果為2.58×10-4t/(km2·a),比本文估算的排放因子大2個數量級.

據分析,受氣候因素影響,土壤風蝕作用的季節性差異顯著,所以采用年均氣候參數估算的揚塵排放量比起實驗觀測可能存在系統性的低估.

3.4 不確定性分析

在裸露地揚塵排放估算過程中,計算結果存在一定的不確定性,主要因為:

(1)受算法和衛星影像分辨率限制,裸露地提取結果存在一定的誤差,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)揚塵排放系數的計算過程中由于缺乏實測數據或驗證數據帶來的誤差.具體表現為PMi百分比含量采用的是推薦值,而非動力學粒徑譜儀的實測值.氣候因子計算采用的是氣象站點的數據,誤差相對較小,但缺乏空間連續性;而空間插值方法也會帶來不確定性.

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

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

3.5 季節、月份計算的揚塵排放量

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

結果顯示,分季節計算,北京市平原區裸露地揚塵源的PM10年排放量可達39294t,逐月計算的PM10年排放量可達55175t,均遠大于表5的結果7591.7t.這表明現有研究及模型可能忽視了裸露地揚塵源揚塵排放的季節變化,采用平均的年值氣候因子可能導致了揚塵排放量的系統性低估.

本文完成了北京市平原區裸露地風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.尤其是需要針對風蝕作用的季節性變化做進一步的詳細研究,并利用空氣質量模型分析土壤揚塵源對北京市大氣環境空氣質量的影響,以探索適合北京市實際情況的揚塵防治策略.

4 結論

4.1 北京市平原區的年均裸露地面積約為3587km2,不同季節存在較大差異,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,北京市平原區的裸露地面積減少了約600km2,據推測主要是因城市發展和城區擴張造成.

4.3 區域分布上,裸露地主要分布在城市發展新區和生態涵養發展區,分別占60%和34%,其中,大興區和順義區的裸露地面積均超過550km2,通州區和延慶縣次之,首都核心區僅存在零星的裸露地分布.

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

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

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