河北省土壤扬尘源PM2.5排放量估算

郭 祥，冯海波，陆雅静

(1. 河北工业大学经济管理学院，天津 300400；2. 河北省环境科学研究院，河北石家庄 050000)

河北省土壤扬尘源PM2.5排放量估算

郭 祥1，冯海波2，陆雅静2

(1. 河北工业大学经济管理学院，天津 300400；2. 河北省环境科学研究院，河北石家庄 050000)

为了解河北省扬尘类细颗粒物污染的总体状况，以2015年为基准年，通过卫星遥感影像解译方法获取土壤扬尘活动水平数据，采用排放因子模型估算河北省土壤扬尘细颗粒物的排放量。卫星解译结果显示，河北省土壤扬尘源主要包括农田、荒地和裸露山体3类，其中土壤扬尘源总面积为77 627 km2。计算结果表明土壤扬尘源的PM2.5排放量为39 699 t，其中农田扬尘33 866 t，荒地扬尘1 567 t，裸露山体扬尘4 266 t。因此，农田是河北省土壤扬尘排放的主要来源，占总排放量的85.3%，重点排放区域分布在河北省南部的邯郸、邢台等地，以及西北部的张家口等地。研究结果可为河北省土壤扬尘污染策略的制订提供依据。

大气环境；土壤扬尘；排放系数；排放量；空间分布

2013年以来，灰霾天气频发成为困扰京津冀区域的主要环保难题，河北省大气污染的首要污染物仍是细颗粒物[1]。根据中国多个城市的细颗粒物源解析结果[2-5]：北京市扬尘源贡献了14.3%，天津市贡献了30%，石家庄市贡献了22.5%，承德市的贡献更是高达46.5%。扬尘对大气颗粒物排放贡献显著，是区域大气颗粒物的主要来源之一。相比其他颗粒物排放源，扬尘具有减排潜力较大、控制技术简单、治理成本低以及改善效果显著等优点，应作为目前ΡΜ2.5污染防治工作的重点[6]。

土壤扬尘是一类非常复杂的混合源，主要指直接来源于裸露地面的微小颗粒物在风场的作用下扩散进入空中的部分，扩散方式有滚动、跃迁和悬浮3种形式[7]。它既是大气细颗粒物的产生源，也是大气细颗粒物的受体，对城市空气质量和人体健康有重要影响，因此扬尘的排放特征研究受到普遍关注，对扬尘污染的治理也迫在眉睫[8]。康苏花等[9]采集石家庄市不同梯度的颗粒物样品，研究碳组分与梯度的变化关系，结果显示道路扬尘是石家庄市颗粒物碳组分的主要来源之一。张涛等[10]通过对石家庄市道路扬尘进行采样分析得到石家庄市道路扬尘中细颗粒物主要来源为燃煤排放。目前的研究多集中于工业源和移动源等领域的细颗粒物污染，扬尘污染“底数不清”的现状严重阻碍了扬尘污染防治工作的开展，而且扬尘源具有源强不确定、随机排放和类型多样等特点[11]，进一步增添了扬尘污染的监管难度。同时，扬尘源与其他污染源排放清单一起构成区域空气质量模型的基础性输入文件，是协助制订合理有效的控制方案和达标规划、大气环境质量预报预警的重要基础数据。因此，本文以河北省为研究区域，以2015年为基准年，通过卫星遥感影像解译方法获取土壤扬尘活动水平数据，参考《扬尘源颗粒物排放清单编制技术指南(试行)》中土壤扬尘计算方法，估算河北省土壤扬尘细颗粒物排放量，确定河北省土壤扬尘源的重点排放区域，从而为河北省土壤扬尘污染控制策略的制订提供依据。

1 研究方法

1.1研究区域概况

河北省位于华北地区东部，环抱首都北京，东与天津市毗连并紧傍渤海，东南部、南部衔山东、河南两省，西倚太行山与山西省为邻，西北部与内蒙古自治区交界，东北部与辽宁省接壤。河北省地势西北高、东南低，由西北向东南倾斜。地貌复杂多样，高原、山地、丘陵、盆地、平原类型齐全，有坝上高原、燕山和太行山山地、河北平原三大地貌单元，呈现出典型的半环状阶梯形地貌特征[12]。

1.2计算方法

本研究以2015年为基准年，根据土壤扬尘的产生机理，在国内外相关研究的基础上，参考《扬尘源颗粒物排放清单编制技术指南(试行)》建立土壤扬尘排放量计算模型[13-15]：

Wsi=Esi×As，

(1)

Esi=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)

模型中：Wsi为土壤扬尘中PMi(空气动力学直径在0～iμm间的颗粒物，下同)的总排放量，t/a；Esi为土壤扬尘源PMi的排放系数，t·(m2·a)-1；As为土壤扬尘源面积，m2；η为扬尘污染控制措施的去除效率(涉及多种措施的取其最大值)，%；Di为PMi的起尘因子，t·(104·m2·a)-1；C为气候因子，表征气象因素对土壤扬尘的影响；Ki为PMi在土壤扬尘中的百分含量；Iwe为土壤风蚀指数(根据土质类型查表，可知农田的土壤风蚀指数为28.67，荒地为28.67，裸露山体为46)，t·(104·m2·a)-1；f为地面粗糙因子，模型中取值0.5；L为无屏蔽宽度因子(当无屏蔽宽度 ≤300 m时，L=0.7，当300 m<无屏蔽宽度<600 m时，L= 0.85，当无屏蔽宽度 ≥ 600 m时，L=1.0)；V为植被覆盖因子，取值1；u为年平均风速，m/s；PE为桑氏威特降水-蒸发指数[16]；P为年降水量，mm；Ta为年平均温度，℃。

1.3活动水平数据获取

土壤扬尘活动水平数据一般采用实地调查或遥感图片进行获取[17]。本研究根据遥感解译的结果获取土壤扬尘源的活动水平，包括土地利用类型(农田、荒地、裸露山体等)以及各类型土地面积；各种污染控制措施的去除效率原则上通过实验观测获得，在不具备实验条件的情况下可参考国内同类研究。本文借鉴北京环境科学研究院的实验成果；结合文献调研估算植被覆盖因子、地面粗糙因子和无屏蔽宽度因子、颗粒物粒度分布等；气象数据通过当地的气象部门获取。

2 结果与讨论

2.1河北省土壤扬尘面积

河北省主要包括保定、沧州、承德、邯郸、衡水、廊坊、秦皇岛、石家庄、唐山、邢台和张家口共计11个地级市。通过遥感图片获取土壤扬尘的空间面积和类型，对数据进行聚类分析、过滤分析和去除分析之后得到：河北省土壤扬尘源总面积77 627 km2，其中荒地面积895 km2，裸露山体面积1 552 km2，农田面积75 180 km2，见表1。

表1 土壤扬尘活动水平数据

2.2河北省土壤扬尘排放系数

农田、裸地、废弃矿山的扬尘排放因子根据年降水量、年平均温度、年平均风速、土壤风蚀指数、地面粗糙因子、无屏蔽宽度因子、植被覆盖因子、扬尘控制效率等参数计算获得，降水量、平均温度和平均风速等取自气象部门，其他参数通过文献调研或者采用清单编制指南推荐的数值[18-19]。主要计算参数及结果见表2和表3。

表2 各地级市气象因子参数

Tab.2 Climatic factors in different prefectures

城市年平均风速/(m·s-1)年降水量/mm年平均温度/℃气候因子(×103)保定市2．1535．213．00．995沧州市2．4608．413．91．270承德市1．7548．49．50．326邯郸市2．1456．014．91．670衡水市1．8480．014．20．886廊坊市1．9642．013．40．535秦皇岛市1．8591．611．00．405石家庄市1．7534．014．60．628唐山市2．1518．412．20．968邢台市3．4481．214．46．070张家口市2．8522．09．11．520

表3 各地级市不同土质类型的扬尘排放系数

2.3河北省土壤扬尘排放总量及分布特征

采用上述土壤扬尘的活动水平数据以及与排放因子相关的参数，结合土壤扬尘排放量计算模型，可以估算得到2015年河北省土壤扬尘ΡΜ2.5的排放总量为39 699 t，其中农田扬尘、荒地扬尘和裸露山体扬尘的排放量分别是33 866，1 567和4 266 t，分别占总排放量的85.3%，3.9%和10.8%。通过对已建立的排放清单的分析可以得到污染物排放的部门分担率和地区分布特征，结合研究区域的自然地理特征和气象条件能够找出需要重点控制的高污染地区(见表4)。

表4 各地级市土壤扬尘排放量

由表4可见，土壤扬尘主要排放地区是邯郸、张家口、邢台和沧州等地，分别占土壤扬尘总排放量的18.7%，17.1%，16.6%和12.1%。土壤扬尘排放量与土壤面积和气候条件有关，张家口等地土地风化严重加上植被覆盖率低，土壤扬尘污染显著；沧州处于临海地区，容易受渤海季风影响；邢台、邯郸等地毗邻太行山脉，人口密集，耕地利用率较高，加上地形条件不利于污染物扩散，这也是促使该地区污染物增加的原因。

使用 ArcGIS 软件将河北省2015年土壤扬尘细颗粒物排放情况细化分配到3 km×3 km网格中，形成土壤扬尘PM2.5空间分布图，见图1。土壤扬尘排放清单的统计分辨率最低到区县一级，分配规则根据清单结果按照各区县的排放量，各区县内部按照土地面积进行平均分配。土壤扬尘清单分配结果见图1，可以看出，河北省有3处污染排放集中区域。张家口地区虽然土壤扬尘PM2.5排放总量较高，但是单位面积排放强度低于河北省南部地区，如邢台、邯郸等地。因此，河北省土壤扬尘的控制应集中在西北和东南区域，并重点控制河北省东南部的土壤扬尘污染。

图1 河北省土壤扬尘ΡΜ2.5空间分布图 Fig.1 Spatial distribution of ΡΜ2.5 emissions from soil source of Hebei Province

2.4不确定性分析

排放清单的不确定性有很多来源，例如污染源分类及定义的完整性、监控数据自身的误差、排放因子和活动水平数据的不确定性，以及建立过程中的随机误差[20-22]。清单结果的不确定性主要取决于研究者对计算模型和数据质控等信息的掌握情况，可通过对计算模型以及数据来源的分析了解清单结果的可靠性。借鉴前人的研究结果，对河北省土壤扬尘排放清单进行不确定性分析可以得到。

1)计算模型的完整性。本清单的排放量计算模型在参考《扬尘源颗粒物排放清单编制技术指南(试行)》的基础上建立的，计算模型可靠性较高。

2)活动水平数据的不确定性。模型是所用的活动水平数据主要来自卫星解译、统计年鉴和政府部门公布的信息，数据来源可靠性相对较高，但城市之间统计口径的差异容易造成最后结果的不确定性。

3)关键参数本地化匹配程度。排放清单的建立过程中除了相应的活动水平数据之外，还需要获取大量的参数值。降水量、平均温度和平均风速等气象数据来自河北省气象部门，不确定性较小；在排放系数的计算中由于受实验条件和人力资源的限制无法完全做到本地化测量，对于缺失的参数选用其他相似研究的推荐值势必会对清单结果的不确定性产生一定影响。

4)研究结果缺乏横向比较。京津冀地区的扬尘类颗粒物排放清单研究一般都聚焦于北京和天津等地区中心城市，以河北省为研究区域的扬尘排放清单目前很少，加上河北省独特的重污染环境，缺少相同空间尺度的较为全面的清单结果校验评估。

需要注意的是，考虑到研究者知识储备及实践经验的不足，无法确保考虑到所有可能的影响因素，因此研究结果的不确定性有被低估的可能。

3 结 语

本文参考《扬尘源颗粒物排放清单编制技术指南(试行)》中的土壤扬尘计算模型，对参数进行本地化修正。然后以2015年为基准年，估算得到河北省土壤扬尘ΡΜ2.5的排放量，并分析其空间分布特征。主要结果及建议如下。

1)河北省土壤扬尘源主要归类为农田、荒地和裸露山体，经计算可得2015年土壤扬尘中ΡΜ2.5的排放量为39 699 t，其中农田扬尘33 866 t，荒地扬尘1 567 t，裸露山体扬尘4 266 t。土壤扬尘排放中农田是其主要来源，占总排放量的85.3%。土壤扬尘重点排放区域集中在河北省南部，即邯郸、邢台等地，建议重点控制该地区的土壤扬尘污染，采取退耕还林、植被覆盖等措施增加裸地绿化率。此外，河北省西北部(如张家口等地)由于土地沙化等原因扬尘污染也比较严重，需要加强土壤扬尘监管治理工作。

2)根据前文对计算结论的分析，下一步研究应重点关注排放系数的本地化修正，建议采取实地检测和模型模拟等方法来优化排放系数的代表性，提高清单结果的可靠性。另外还应提高获取数据的分辨率，以期更好地应用于空气质量模型，为河北省扬尘污染控制提供技术支持。

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Estimation of emissions of PM2.5from soil dust in Hebei Province

GUO Xiang1, FENG Haibo2, LU Yajing2

(1. School of Economics and Management, Hebei University of Technology, Tianjin 300400, China; 2. Hebei Provincial Academy of Environmental Sciences, Shijiazhuang, Hebei 050000, China)

In order to understand the general situation of dust particulate matter pollution in Hebei Province, the data of soil dust activity are obtained by satellite remote sensing image interpretation method based on 2015, and the emission factor model is used to estimate the emission of dust and fine particulate matter in Hebei Province. The results of satellite interpretation show that the source of soil dust in Hebei Province includes three types of farmland, wasteland and bare mountain, among which the total area of soil dust source is 77 627 km2. The calculation result shows the PM2.5emission of soil dust source is 39 699 t, among which farmland dust is 33 866 t, wasteland dust is 1 567 t, and bare mountain dust is 4 266 t. The farmland is the main source of soil dust emission in Hebei Province, accounting for 85.3% of the total discharge. The focus of the discharge area is distributed in Handan, Xingtai and other places in the southern part and Zhangjiakou in the Northwest of Hebei Province. The research may provide reference in making policy against soil dust pollution in Hebei Province.

atmospheric environment; soil dust; emission coefficient; emission inventory; spatial distribution

1008-1534(2017)06-0477-06

X513

A

10.7535/hbgykj.2017yx06015

2017-08-24;

2017-10-17；责任编辑：王海云

国家科技支撑计划课题(2014BAC23B0203)；环保部公益项目(201409007)；河北省科技计划项目(17273707D)

郭 祥(1990—)，男，河南安阳人，硕士研究生，主要从事环境管理与可持续发展方面的研究。

冯海波教授。E-mail:vonhb@sina.com

郭 祥，冯海波，陆雅静.河北省土壤扬尘源PM2.5排放量估算[J].河北工业科技,2017,34(6):477-482.

GUO Xiang, FENG Haibo, LU Yajing.Estimation of emissions of PM2.5from soil dust in Hebei Province[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2017,34(6):477-482.