郊区风蚀起尘及迁移量估量

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本文作者：陈莉1韩婷婷2李涛2姬亚芹3白志鹏3王斌4作者单位：1.天津师范大学城市与环境科学学院2.南开大学信息技术科学学院3.南开大学环境科学与工程学院4.天津市环境监测中心

由裸土风蚀而注入大气的风蚀尘已经成为空气颗粒物的主要来源之一［1～5］，在中国北方城市，开放源的分担率已达40%～80%，裸土风蚀尘是开放源类之一［6，7］．研究表明城市空气的PM10浓度变化与上风向的沙尘关系密切［8～10］．天津处于半湿润半干旱地区，春季(干)旱(多)风同期形成了地表风蚀的气象条件，又恰逢天津郊区(春季)量大面广的季节性裸露农田、河滩地和裸露盐碱地形成了风蚀的地表条件，这是造成天津地表风蚀严重的主要因素．天津市2002年大气颗粒物来源解析(CMB法)结果表明，土壤尘的分担率全年平均达到103.53μg•m－3(39%)，居各排放源类之首［11］．可见地表风蚀起尘是造成城市空气颗粒物污染超标的主要因素之一．

天津颗粒物水平相对较高的状况与由暴露地表造成的整体环境背景颗粒物水平较高有直接关系［12～14］．因此，要进一步降低颗粒物质量浓度，必须有效降低作为背景颗粒物重要来源的地表风蚀型开放源．土壤风蚀的发生及发展依赖于侵蚀因子(气候)与可蚀性因子(地形、土壤特性、植物或作物等)之间的相互作用．在研究土壤风蚀及其防治方面，主要考虑的是人为能够改变的因素，并利用有些因素的有利性与可控性，使土壤风蚀降低到最小程度［15～25］．

风蚀预报系统(WEPS)是美国农业部组织多学科科学家开发研究的一个连续的以过程为基础的模型，WEPS引入子模型的概念，以模块的形式组成，7个子模型分别为侵蚀、气象、作物生长、分解、土壤、水文、耕作子模型［26，27］．美国本土位于北温带，介于北纬25°～49°之间，大部分地区属温带和亚热带，气候和降水比较适宜由于幅员辽阔，地形复杂，并受不同气流的影响，各地的气候差别很大．天津处于相同纬度带，气候条件接近．WEPS在美国全国进行了广泛的应用，美国农业部将美国全区域划分为71个单元，分别对每个单元建立了管理文件数据库(作物，轮作年限及对作物的具体操作等)．除此以外，该模型也在德国等地进行了应用［21］．这些都为WEPS模型在天津的应用提供借鉴．

本研究基于WEPS模型定量估算天津近郊不同土地利用类型、不同土壤质地的表层土壤在当地气象条件下形成的地表风蚀尘对城市空气颗粒物的影响，为确定大气颗粒物污染源重要性和采取优控措施提供理论依据．本研究是该模型首次在中国应用．从学科的角度，本研究关注于风蚀型开放源尘的起尘量和对受体的贡献值;从管理的角度，现有研究缺少地表风蚀引起的排放量的定量估算方法，因而本研究为总量控制、节能减排以及开放源的治理工作提供定量依据．

1研究区概况

天津地处华北平原东北部，东临渤海，北依燕山，西靠首都北京．天津市位于北纬38°34''''～40°15''''之间，东经116°43''''～118°194''''之间．天津市域面积11760.26km2，疆域周长约1290.8km，海岸线长153km，陆界长1137.48km．天津位于中纬度亚欧大陆东岸，面对太平洋，季风环流影响显著，冬季受蒙古冷高气压控制，盛行偏北风;夏季受西太洋副热带高气压左右，多偏南风．天津气候属暖温带半湿润大陆季风型气候，有明显由陆到海的过渡特点:四季明显，长短不一;降水不多，分配不均;季风显著，日照较足．年平均气温12.3℃．7月最热，月平均气温可达26℃;1月最冷，月平均气温为－4℃．年平均降水量为550～680mm，夏季降水量约占全年降水量的80%．本研究将市内六区(河东、河西、河北、和平、南开、红桥)划为中心城区，其它区县(北辰、西青、津南、东丽、蓟县、静海、塘沽、汉沽、大港、宝坻、宁河、武清)划为郊区．

2研究方法及数据处理

2.1研究方法

本研究利用WEPS模型对天津郊区土壤风蚀开放源起尘量进行估算，并计算其对中心城区的影响．WEPS是一个以过程为模拟基础、以日为模拟时间步长的模型，可以模拟天气、田间条件及土壤侵蚀状况等［28］．WEPS为模块化结构设计:由1个用户界面、1个主程序、1个科学模型(由7个子模型组成)和4个数据库组成．该模型根据指定时间内的地表粗糙度(定向粗糙度及随机粗糙度)、平铺生物量和直秆生物量、土壤团聚体粒径分布、结皮及岩石覆盖状况、结皮表面松散可蚀性物质状况及土壤表面湿度判断地块是否会发生风蚀．如果10m高处日最大风速达到8m•s－1、积雪厚度＜20mm时，需要每小时数次评价地表状况以确定是否会发生风蚀．侵蚀子模型模拟以下内容:①根据地表空气动力学粗糙度计算摩阻流速;②计算静态临界摩阻流速;③计算每个栅格点的土壤流失量或沉积量;④及时更新土壤表面变量，以反映由于风蚀而造成的土壤表面状态的变化．

2.2数据处理

采用2009年7月天津TM遥感影像(分辨率15m)进行土地利用类型分类，分别包括耕地(水田、旱地)、林地(有林地、灌木林、疏林地、其它林地)、草地(高覆盖度、中覆盖度、低覆盖度)、水域(河渠、湖泊、水库坑塘、滩涂、河漫滩)、城乡、工矿、居民用地(城镇用地、农村居民点、其它建设用地)、未利用土地(盐碱地、沼泽地、裸土地)，根据天津市GIS显示的土地利用类型的分布和土壤类型的集中程度，将整个天津市郊区划分为11080个网格，每个网格的边长为1km，见图1．筛选得到起尘的地块总数为7778块．天津主要土壤类型包括:潮土、湿潮土、盐化潮土、褐土、潮褐土、褐土性土、石灰性褐土、棕壤性土、石质土、沼泽土、草甸沼泽土、盐化沼泽土、滨海盐土、砂姜黑土(见图2)．

2.3数据库本地化

(1)编制*．win文件

风文件的扩展名为“win”(如:wind_gen．win)．该文件包括模拟日各小时的风速(m•s－1)和该日的平均风向(从正北方向开始顺时针转动得出的角度)．

(2)编制*．cli文件

输入文件的内容包括降水量(mm)、降水历时(h)、最大降雨历时(降雨历时%)、最大雨强(mm•h－1)、最高最低气温(℃)、太阳辐射(ly•d－1)以及露点温度(℃)．该输入文件中还有WEPS运行所需的月平均最高最低气温的历史记录．

(3)编制*．ifc文件

土壤文件的默认扩展名为“ifc”．该文件中含有模拟运行开始时的初始土壤条件．土壤子模型模拟的就是这些条件在每日的天气、管理和侵蚀影响下所发生的变化，即使是一些看起来应该是固定的参数也会随着外界条件的变化而发生变化，比如土壤粒径分布会随着耕作中土层的混合而发生变化．土壤输入文件的内容包括土层分类学顺序，土层数量和厚度(mm)，土壤粒径分布详细情况(%)，干湿容重(mg•m－3)，团聚体稳定性［ln(J•m－2)］，密度(mg•m－3)，粒径分布(%)，结皮属性(变化情况)，随机和定向(田垄)粗糙度，土壤水分特征参数(变化情况)，干燥反射率(%)，有机质含量(%)，pH值，CaCO3含量(%)以及阳离子交换量［meq•(100g)－1］．

(4)编制*．man文件

首先利用RUSLE2(2006年1月13日的1.26.6.4版本)将Skel文件转化成mgt文件，然后在DB编辑器中根据模板选择作物(crop)和操作(operation)，并在ManagementCropRotationEditorforWEPS(MCREW)中按照耕作活动的时间编制管理文件．

3结果与分析

3.1各区县单位地块起尘量

根据WEPS软件计算得出天津市2009年各区单位地块起尘量见表1．2009年，津南区单位地块风蚀土壤毛损失(4.78×103t•hm－2)、平均总土壤损失(1.04×104t•hm－2)、(蠕移质+跃移质)平均损失量(1.84×103t•hm－2)、悬移质平均损失量(8.59×103t•hm－2)及PM10平均损失量(6.42×102t•hm－2)均为最大，其次为武清．蠕移或跃移的土壤粒径为0.1～0.2mm，悬浮的土壤粒径为＜0.1mm，PM10的粒径＜0.01mm．其中，蓟县起尘量低与其地表状况和气象条件有关，蓟县林地面积很大，有很强的防风固沙作用，绿地面积占蓟县总面积的21.5%．同时天津最大的水库(于桥水库)也位于蓟县境内，水域面积占蓟县总面积的5.93%．统计＞8m•s－1的蓟县风频，全年只有1次，这也正是蓟县区起尘量最小的主要原因．2009年，大港出现＞8m•s－1风速的风频为10次，静海为11次，所以这2个区也出现了较低的起尘量值．2009年，津南区出现＞8m•s－1风速的风频为157次，西青为101次，所以这2个区出现了较高的起尘量值．

3.2各区县起尘量

根据WEPS软件计算得出天津市2009年各区起尘量见表2．2009年，武清风蚀土壤毛损失(2.51×106t)、平均总土壤损失(3.83×106t)、(蠕移质+跃移质)平均损失量(6.49×105t)、悬移质平均损失量(3.18×106t)、PM10平均损失量(2.28×105t)均为最大，其次为津南和西青．

3.3各区县指向中心城区起尘量

根据WEPS软件计算得出天津市2009年各区指向中心城区通过单位地块边界起尘量见表3．2009年，武清指向中心城区通过单位地块边界起尘量和总起尘量均为最大，PM10的量在2009年达到1.25×105t．可见，从全年来看，武清对中心城区输送尘的量较之其它区县为大．各区县PM10损失量及到达中心城区PM10损失量比例，见图3，其中中心城区北方向的比例大于南方向．大港、汉沽及津南三区指向中心城区的起尘量为0．WEPS模型的起尘风速阈值为8m•s－1，将该三区的气象站中＞8m•s－1的小时风频进行统计，将＞8m•s－1的小时风频与行政区进行叠加，见图4，大港位于天津市中心城区的东南方向，＞8m•s－1的小时风多出现在西北和东向，而大港只有吹偏东南风才能吹向中心城区;汉沽位于天津市中心城区的东向，＞8m•s－1的小时风多出现在西北方向，而汉沽只有吹偏东风才能吹向中心城区;津南位于天津市中心城区的东南方向，＞8m•s－1的小时风多出现在西北方向，而津南只有吹偏东南风才能影响中心城区．所以，该三区不具备指向中心城区的起尘条件．

3.4各方向指向中心城区起尘量

根据WEPS软件计算得出天津市2009年各方向指向中心城区通过单位地块边界起尘量及总起尘量见表4．2009年，通过单位地块边界的起尘量来自西方向的最大(蠕移+跃移量:2.18×102t•km－1，悬浮量:1.03×103t•km－1，PM10:7.43×101t•km－1)，而总起尘量来自北方向的最大(蠕移+跃移量:2.60×105t，悬浮量:1.40×106t，PM10:9.68×104t)．表4中S方向上包含的区县有西青、津南、静海、大港和塘沽，而这5个区县提供中心城区来自S方向的尘．统计该5个区县2009年风速＞8m•s－1的S风向的频率为0，所以S方向对中心城区的贡献量为0．

3.5与箱模型模拟结果比较

基于箱模型和源解析结果估算土壤风沙尘起尘量:Q=ρ［槡AS+0.031536(Vd+WrR)S］(10)式中，Q为城区内相应于某源类的质量浓度贡献值的排放量，104t•a－1;ρ为城区PM10的贡献值，mg•m－3;S为城区面积，km2;Vd为颗粒物干沉降速率，cm•s－1;Wr为颗粒物清洗比，无量纲;R为城区年均降水量，mm•a－1;A为总量控制系数．箱模型中选取的参数值如下:土壤风沙尘对PM10的贡献值ρ为0．104mg•m－3;中心城区面积S为300km2;PM10的年均干沉降速率为0．44cm•s－1;颗粒物清洗比Wr为1．9×10－3;年均降水量R为591.1mm•a－1;总量控制系数A，按照《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》中的计算方法，天津市A值范围为4.2×104～5.6×104km2•a－1，本研究中A值取值为5×104km2•a－1．据此计算得出天津中心城区土壤风沙尘PM10的贡献量为1.04×105t•a－1，而WEPS模拟2009年郊区土壤风蚀起尘引起的PM10损失量进入中心城区部分为2.03×105t，说明WEPS模型和箱模型的模拟结果有一定的差距．本研究结果是基于天津市2002年PM10源解析的结果，而WEPS模型模拟的是2009年的结果，这是造成一定误差的原因;同时WEPS模型没有考虑远距离颗粒物的输送，只是天津市郊区土壤风蚀开放源对中心城区空气质量影响的估算．

4讨论

风洞实验的风速为距地面约20cm的近地面风速，而WEPS模型中的输入风速为10m高的气象站风速，二者关系在WEPS模型中进行了换算［30］，见公式(11)．据此，8m•s－1的10m高的气象站风速相当于4.57m•s－1的近地面风速．(公式略)因为只有当距地表10m高的风速＞8m•s－1的时候，WEPS模型的侵蚀子模型才会启动，因此这个启动风速阈值直接影响最后的模拟结果，而不同的土壤机械组成以及不同的植被覆盖情况都会影响到风蚀的风速阈值，因此今后应结合本地区的实际地表情况开展风洞实验，更准确地确定风速阈值，以提高模拟精度．在土壤文件本地化的过程中，最终确定5种土壤文件，而更为破碎的栅格土壤类型则被忽略．在管理文件本地化的过程中，最终确定16种管理文件而更为破碎的栅格土壤类型则被忽略．今后可更为精细的制作不同类型的土壤文件和管理文件，改善模拟结果的精度．

5结论

(1)由悬移运动产生的起尘量大于蠕移和跃移运动，也就是大部分起尘的封颗粒粒径＜0.1mm，而悬移质损失量中PM10占7.2%，该部分颗粒物是影响质量和人体健康的重要因素．

(2)2009年，天津郊区自北向南进入中心城区的PM10损失量呈下降趋势，其中大港、汉沽、津南三区由于气象条件(主要是风向)的影响，虽有PM10损失，但却并不进入中心城区，对该区空气质量影响不大．

(3)2009年，通过单位地块边界的起尘量来自西方向的最大，而总起尘量来自北方向的最大，这说明虽然位于中心城区西方向的平均单位地块起尘量较大，位于中心城区北方向的起尘地块总量大于其他方向，也就是起尘面积更大．