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本文作者：陳莉1韓婷婷2李濤2姬亞芹3白志鵬3王斌4作者單位：1.天津師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院2.南開(kāi)大學(xué)信息技術(shù)科學(xué)學(xué)院3.南開(kāi)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院4.天津市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心

由裸土風(fēng)蝕而注入大氣的風(fēng)蝕塵已經(jīng)成為空氣顆粒物的主要來(lái)源之一［1～5］，在中國(guó)北方城市，開(kāi)放源的分擔(dān)率已達(dá)40%～80%，裸土風(fēng)蝕塵是開(kāi)放源類之一［6，7］．研究表明城市空氣的PM10濃度變化與上風(fēng)向的沙塵關(guān)系密切［8～10］．天津處于半濕潤(rùn)半干旱地區(qū)，春季(干)旱(多)風(fēng)同期形成了地表風(fēng)蝕的氣象條件，又恰逢天津郊區(qū)(春季)量大面廣的季節(jié)性裸露農(nóng)田、河灘地和裸露鹽堿地形成了風(fēng)蝕的地表?xiàng)l件，這是造成天津地表風(fēng)蝕嚴(yán)重的主要因素．天津市2002年大氣顆粒物來(lái)源解析(CMB法)結(jié)果表明，土壤塵的分擔(dān)率全年平均達(dá)到103.53μg•m－3(39%)，居各排放源類之首［11］．可見(jiàn)地表風(fēng)蝕起塵是造成城市空氣顆粒物污染超標(biāo)的主要因素之一．

天津顆粒物水平相對(duì)較高的狀況與由暴露地表造成的整體環(huán)境背景顆粒物水平較高有直接關(guān)系［12～14］．因此，要進(jìn)一步降低顆粒物質(zhì)量濃度，必須有效降低作為背景顆粒物重要來(lái)源的地表風(fēng)蝕型開(kāi)放源．土壤風(fēng)蝕的發(fā)生及發(fā)展依賴于侵蝕因子(氣候)與可蝕性因子(地形、土壤特性、植物或作物等)之間的相互作用．在研究土壤風(fēng)蝕及其防治方面，主要考慮的是人為能夠改變的因素，并利用有些因素的有利性與可控性，使土壤風(fēng)蝕降低到最小程度［15～25］．

風(fēng)蝕預(yù)報(bào)系統(tǒng)(WEPS)是美國(guó)農(nóng)業(yè)部組織多學(xué)科科學(xué)家開(kāi)發(fā)研究的一個(gè)連續(xù)的以過(guò)程為基礎(chǔ)的模型，WEPS引入子模型的概念，以模塊的形式組成，7個(gè)子模型分別為侵蝕、氣象、作物生長(zhǎng)、分解、土壤、水文、耕作子模型［26，27］．美國(guó)本土位于北溫帶，介于北緯25°～49°之間，大部分地區(qū)屬溫帶和亞熱帶，氣候和降水比較適宜由于幅員遼闊，地形復(fù)雜，并受不同氣流的影響，各地的氣候差別很大．天津處于相同緯度帶，氣候條件接近．WEPS在美國(guó)全國(guó)進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用，美國(guó)農(nóng)業(yè)部將美國(guó)全區(qū)域劃分為71個(gè)單元，分別對(duì)每個(gè)單元建立了管理文件數(shù)據(jù)庫(kù)(作物，輪作年限及對(duì)作物的具體操作等)．除此以外，該模型也在德國(guó)等地進(jìn)行了應(yīng)用［21］．這些都為WEPS模型在天津的應(yīng)用提供借鑒．

本研究基于WEPS模型定量估算天津近郊不同土地利用類型、不同土壤質(zhì)地的表層土壤在當(dāng)?shù)貧庀髼l件下形成的地表風(fēng)蝕塵對(duì)城市空氣顆粒物的影響，為確定大氣顆粒物污染源重要性和采取優(yōu)控措施提供理論依據(jù)．本研究是該模型首次在中國(guó)應(yīng)用．從學(xué)科的角度，本研究關(guān)注于風(fēng)蝕型開(kāi)放源塵的起塵量和對(duì)受體的貢獻(xiàn)值;從管理的角度，現(xiàn)有研究缺少地表風(fēng)蝕引起的排放量的定量估算方法，因而本研究為總量控制、節(jié)能減排以及開(kāi)放源的治理工作提供定量依據(jù)．

1研究區(qū)概況

天津地處華北平原東北部，東臨渤海，北依燕山，西靠首都北京．天津市位于北緯38°34''''～40°15''''之間，東經(jīng)116°43''''～118°194''''之間．天津市域面積11760.26km2，疆域周長(zhǎng)約1290.8km，海岸線長(zhǎng)153km，陸界長(zhǎng)1137.48km．天津位于中緯度亞歐大陸東岸，面對(duì)太平洋，季風(fēng)環(huán)流影響顯著，冬季受蒙古冷高氣壓控制，盛行偏北風(fēng);夏季受西太洋副熱帶高氣壓左右，多偏南風(fēng)．天津氣候?qū)倥瘻貛О霛駶?rùn)大陸季風(fēng)型氣候，有明顯由陸到海的過(guò)渡特點(diǎn):四季明顯，長(zhǎng)短不一;降水不多，分配不均;季風(fēng)顯著，日照較足．年平均氣溫12.3℃．7月最熱，月平均氣溫可達(dá)26℃;1月最冷，月平均氣溫為－4℃．年平均降水量為550～680mm，夏季降水量約占全年降水量的80%．本研究將市內(nèi)六區(qū)(河?xùn)|、河西、河北、和平、南開(kāi)、紅橋)劃為中心城區(qū)，其它區(qū)縣(北辰、西青、津南、東麗、薊縣、靜海、塘沽、漢沽、大港、寶坻、寧河、武清)劃為郊區(qū)．

2研究方法及數(shù)據(jù)處理

2.1研究方法

本研究利用WEPS模型對(duì)天津郊區(qū)土壤風(fēng)蝕開(kāi)放源起塵量進(jìn)行估算，并計(jì)算其對(duì)中心城區(qū)的影響．WEPS是一個(gè)以過(guò)程為模擬基礎(chǔ)、以日為模擬時(shí)間步長(zhǎng)的模型，可以模擬天氣、田間條件及土壤侵蝕狀況等［28］．WEPS為模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):由1個(gè)用戶界面、1個(gè)主程序、1個(gè)科學(xué)模型(由7個(gè)子模型組成)和4個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)組成．該模型根據(jù)指定時(shí)間內(nèi)的地表粗糙度(定向粗糙度及隨機(jī)粗糙度)、平鋪生物量和直稈生物量、土壤團(tuán)聚體粒徑分布、結(jié)皮及巖石覆蓋狀況、結(jié)皮表面松散可蝕性物質(zhì)狀況及土壤表面濕度判斷地塊是否會(huì)發(fā)生風(fēng)蝕．如果10m高處日最大風(fēng)速達(dá)到8m•s－1、積雪厚度＜20mm時(shí)，需要每小時(shí)數(shù)次評(píng)價(jià)地表狀況以確定是否會(huì)發(fā)生風(fēng)蝕．侵蝕子模型模擬以下內(nèi)容:①根據(jù)地表空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度計(jì)算摩阻流速;②計(jì)算靜態(tài)臨界摩阻流速;③計(jì)算每個(gè)柵格點(diǎn)的土壤流失量或沉積量;④及時(shí)更新土壤表面變量，以反映由于風(fēng)蝕而造成的土壤表面狀態(tài)的變化．

2.2數(shù)據(jù)處理

采用2009年7月天津TM遙感影像(分辨率15m)進(jìn)行土地利用類型分類，分別包括耕地(水田、旱地)、林地(有林地、灌木林、疏林地、其它林地)、草地(高覆蓋度、中覆蓋度、低覆蓋度)、水域(河渠、湖泊、水庫(kù)坑塘、灘涂、河漫灘)、城鄉(xiāng)、工礦、居民用地(城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)、其它建設(shè)用地)、未利用土地(鹽堿地、沼澤地、裸土地)，根據(jù)天津市GIS顯示的土地利用類型的分布和土壤類型的集中程度，將整個(gè)天津市郊區(qū)劃分為11080個(gè)網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格的邊長(zhǎng)為1km，見(jiàn)圖1．篩選得到起塵的地塊總數(shù)為7778塊．天津主要土壤類型包括:潮土、濕潮土、鹽化潮土、褐土、潮褐土、褐土性土、石灰性褐土、棕壤性土、石質(zhì)土、沼澤土、草甸沼澤土、鹽化沼澤土、濱海鹽土、砂姜黑土(見(jiàn)圖2)．

2.3數(shù)據(jù)庫(kù)本地化

(1)編制*．win文件

風(fēng)文件的擴(kuò)展名為“win”(如:wind_gen．win)．該文件包括模擬日各小時(shí)的風(fēng)速(m•s－1)和該日的平均風(fēng)向(從正北方向開(kāi)始順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)得出的角度)．

(2)編制*．cli文件

輸入文件的內(nèi)容包括降水量(mm)、降水歷時(shí)(h)、最大降雨歷時(shí)(降雨歷時(shí)%)、最大雨強(qiáng)(mm•h－1)、最高最低氣溫(℃)、太陽(yáng)輻射(ly•d－1)以及露點(diǎn)溫度(℃)．該輸入文件中還有WEPS運(yùn)行所需的月平均最高最低氣溫的歷史記錄．

(3)編制*．ifc文件

土壤文件的默認(rèn)擴(kuò)展名為“ifc”．該文件中含有模擬運(yùn)行開(kāi)始時(shí)的初始土壤條件．土壤子模型模擬的就是這些條件在每日的天氣、管理和侵蝕影響下所發(fā)生的變化，即使是一些看起來(lái)應(yīng)該是固定的參數(shù)也會(huì)隨著外界條件的變化而發(fā)生變化，比如土壤粒徑分布會(huì)隨著耕作中土層的混合而發(fā)生變化．土壤輸入文件的內(nèi)容包括土層分類學(xué)順序，土層數(shù)量和厚度(mm)，土壤粒徑分布詳細(xì)情況(%)，干濕容重(mg•m－3)，團(tuán)聚體穩(wěn)定性［ln(J•m－2)］，密度(mg•m－3)，粒徑分布(%)，結(jié)皮屬性(變化情況)，隨機(jī)和定向(田壟)粗糙度，土壤水分特征參數(shù)(變化情況)，干燥反射率(%)，有機(jī)質(zhì)含量(%)，pH值，CaCO3含量(%)以及陽(yáng)離子交換量［meq•(100g)－1］．

(4)編制*．man文件

首先利用RUSLE2(2006年1月13日的1.26.6.4版本)將Skel文件轉(zhuǎn)化成mgt文件，然后在DB編輯器中根據(jù)模板選擇作物(crop)和操作(operation)，并在ManagementCropRotationEditorforWEPS(MCREW)中按照耕作活動(dòng)的時(shí)間編制管理文件．

3結(jié)果與分析

3.1各區(qū)縣單位地塊起塵量

根據(jù)WEPS軟件計(jì)算得出天津市2009年各區(qū)單位地塊起塵量見(jiàn)表1．2009年，津南區(qū)單位地塊風(fēng)蝕土壤毛損失(4.78×103t•hm－2)、平均總土壤損失(1.04×104t•hm－2)、(蠕移質(zhì)+躍移質(zhì))平均損失量(1.84×103t•hm－2)、懸移質(zhì)平均損失量(8.59×103t•hm－2)及PM10平均損失量(6.42×102t•hm－2)均為最大，其次為武清．蠕移或躍移的土壤粒徑為0.1～0.2mm，懸浮的土壤粒徑為＜0.1mm，PM10的粒徑＜0.01mm．其中，薊縣起塵量低與其地表狀況和氣象條件有關(guān)，薊縣林地面積很大，有很強(qiáng)的防風(fēng)固沙作用，綠地面積占薊縣總面積的21.5%．同時(shí)天津最大的水庫(kù)(于橋水庫(kù))也位于薊縣境內(nèi)，水域面積占薊縣總面積的5.93%．統(tǒng)計(jì)＞8m•s－1的薊縣風(fēng)頻，全年只有1次，這也正是薊縣區(qū)起塵量最小的主要原因．2009年，大港出現(xiàn)＞8m•s－1風(fēng)速的風(fēng)頻為10次，靜海為11次，所以這2個(gè)區(qū)也出現(xiàn)了較低的起塵量值．2009年，津南區(qū)出現(xiàn)＞8m•s－1風(fēng)速的風(fēng)頻為157次，西青為101次，所以這2個(gè)區(qū)出現(xiàn)了較高的起塵量值．

3.2各區(qū)縣起塵量

根據(jù)WEPS軟件計(jì)算得出天津市2009年各區(qū)起塵量見(jiàn)表2．2009年，武清風(fēng)蝕土壤毛損失(2.51×106t)、平均總土壤損失(3.83×106t)、(蠕移質(zhì)+躍移質(zhì))平均損失量(6.49×105t)、懸移質(zhì)平均損失量(3.18×106t)、PM10平均損失量(2.28×105t)均為最大，其次為津南和西青．

3.3各區(qū)縣指向中心城區(qū)起塵量

根據(jù)WEPS軟件計(jì)算得出天津市2009年各區(qū)指向中心城區(qū)通過(guò)單位地塊邊界起塵量見(jiàn)表3．2009年，武清指向中心城區(qū)通過(guò)單位地塊邊界起塵量和總起塵量均為最大，PM10的量在2009年達(dá)到1.25×105t．可見(jiàn)，從全年來(lái)看，武清對(duì)中心城區(qū)輸送塵的量較之其它區(qū)縣為大．各區(qū)縣PM10損失量及到達(dá)中心城區(qū)PM10損失量比例，見(jiàn)圖3，其中中心城區(qū)北方向的比例大于南方向．大港、漢沽及津南三區(qū)指向中心城區(qū)的起塵量為0．WEPS模型的起塵風(fēng)速閾值為8m•s－1，將該三區(qū)的氣象站中＞8m•s－1的小時(shí)風(fēng)頻進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將＞8m•s－1的小時(shí)風(fēng)頻與行政區(qū)進(jìn)行疊加，見(jiàn)圖4，大港位于天津市中心城區(qū)的東南方向，＞8m•s－1的小時(shí)風(fēng)多出現(xiàn)在西北和東向，而大港只有吹偏東南風(fēng)才能吹向中心城區(qū);漢沽位于天津市中心城區(qū)的東向，＞8m•s－1的小時(shí)風(fēng)多出現(xiàn)在西北方向，而漢沽只有吹偏東風(fēng)才能吹向中心城區(qū);津南位于天津市中心城區(qū)的東南方向，＞8m•s－1的小時(shí)風(fēng)多出現(xiàn)在西北方向，而津南只有吹偏東南風(fēng)才能影響中心城區(qū)．所以，該三區(qū)不具備指向中心城區(qū)的起塵條件．

3.4各方向指向中心城區(qū)起塵量

根據(jù)WEPS軟件計(jì)算得出天津市2009年各方向指向中心城區(qū)通過(guò)單位地塊邊界起塵量及總起塵量見(jiàn)表4．2009年，通過(guò)單位地塊邊界的起塵量來(lái)自西方向的最大(蠕移+躍移量:2.18×102t•km－1，懸浮量:1.03×103t•km－1，PM10:7.43×101t•km－1)，而總起塵量來(lái)自北方向的最大(蠕移+躍移量:2.60×105t，懸浮量:1.40×106t，PM10:9.68×104t)．表4中S方向上包含的區(qū)縣有西青、津南、靜海、大港和塘沽，而這5個(gè)區(qū)縣提供中心城區(qū)來(lái)自S方向的塵．統(tǒng)計(jì)該5個(gè)區(qū)縣2009年風(fēng)速＞8m•s－1的S風(fēng)向的頻率為0，所以S方向?qū)χ行某菂^(qū)的貢獻(xiàn)量為0．

3.5與箱模型模擬結(jié)果比較

基于箱模型和源解析結(jié)果估算土壤風(fēng)沙塵起塵量:Q=ρ［槡AS+0.031536(Vd+WrR)S］(10)式中，Q為城區(qū)內(nèi)相應(yīng)于某源類的質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)值的排放量，104t•a－1;ρ為城區(qū)PM10的貢獻(xiàn)值，mg•m－3;S為城區(qū)面積，km2;Vd為顆粒物干沉降速率，cm•s－1;Wr為顆粒物清洗比，無(wú)量綱;R為城區(qū)年均降水量，mm•a－1;A為總量控制系數(shù)．箱模型中選取的參數(shù)值如下:土壤風(fēng)沙塵對(duì)PM10的貢獻(xiàn)值ρ為0．104mg•m－3;中心城區(qū)面積S為300km2;PM10的年均干沉降速率為0．44cm•s－1;顆粒物清洗比Wr為1．9×10－3;年均降水量R為591.1mm•a－1;總量控制系數(shù)A，按照《制定地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法》中的計(jì)算方法，天津市A值范圍為4.2×104～5.6×104km2•a－1，本研究中A值取值為5×104km2•a－1．據(jù)此計(jì)算得出天津中心城區(qū)土壤風(fēng)沙塵PM10的貢獻(xiàn)量為1.04×105t•a－1，而WEPS模擬2009年郊區(qū)土壤風(fēng)蝕起塵引起的PM10損失量進(jìn)入中心城區(qū)部分為2.03×105t，說(shuō)明WEPS模型和箱模型的模擬結(jié)果有一定的差距．本研究結(jié)果是基于天津市2002年P(guān)M10源解析的結(jié)果，而WEPS模型模擬的是2009年的結(jié)果，這是造成一定誤差的原因;同時(shí)WEPS模型沒(méi)有考慮遠(yuǎn)距離顆粒物的輸送，只是天津市郊區(qū)土壤風(fēng)蝕開(kāi)放源對(duì)中心城區(qū)空氣質(zhì)量影響的估算．

4討論

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的風(fēng)速為距地面約20cm的近地面風(fēng)速，而WEPS模型中的輸入風(fēng)速為10m高的氣象站風(fēng)速，二者關(guān)系在WEPS模型中進(jìn)行了換算［30］，見(jiàn)公式(11)．據(jù)此，8m•s－1的10m高的氣象站風(fēng)速相當(dāng)于4.57m•s－1的近地面風(fēng)速．(公式略)因?yàn)橹挥挟?dāng)距地表10m高的風(fēng)速＞8m•s－1的時(shí)候，WEPS模型的侵蝕子模型才會(huì)啟動(dòng)，因此這個(gè)啟動(dòng)風(fēng)速閾值直接影響最后的模擬結(jié)果，而不同的土壤機(jī)械組成以及不同的植被覆蓋情況都會(huì)影響到風(fēng)蝕的風(fēng)速閾值，因此今后應(yīng)結(jié)合本地區(qū)的實(shí)際地表情況開(kāi)展風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，更準(zhǔn)確地確定風(fēng)速閾值，以提高模擬精度．在土壤文件本地化的過(guò)程中，最終確定5種土壤文件，而更為破碎的柵格土壤類型則被忽略．在管理文件本地化的過(guò)程中，最終確定16種管理文件而更為破碎的柵格土壤類型則被忽略．今后可更為精細(xì)的制作不同類型的土壤文件和管理文件，改善模擬結(jié)果的精度．

5結(jié)論

(1)由懸移運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的起塵量大于蠕移和躍移運(yùn)動(dòng)，也就是大部分起塵的封顆粒粒徑＜0.1mm，而懸移質(zhì)損失量中PM10占7.2%，該部分顆粒物是影響質(zhì)量和人體健康的重要因素．

(2)2009年，天津郊區(qū)自北向南進(jìn)入中心城區(qū)的PM10損失量呈下降趨勢(shì)，其中大港、漢沽、津南三區(qū)由于氣象條件(主要是風(fēng)向)的影響，雖有PM10損失，但卻并不進(jìn)入中心城區(qū)，對(duì)該區(qū)空氣質(zhì)量影響不大．

(3)2009年，通過(guò)單位地塊邊界的起塵量來(lái)自西方向的最大，而總起塵量來(lái)自北方向的最大，這說(shuō)明雖然位于中心城區(qū)西方向的平均單位地塊起塵量較大，位于中心城區(qū)北方向的起塵地塊總量大于其他方向，也就是起塵面積更大．