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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.天津師范大學城市與環(huán)境科學學院2.南開大學信息技術(shù)科學學院3.南開大學環(huán)境科學與工程學院4.天津市環(huán)境監(jiān)測中心

由裸土風蝕而注入大氣的風蝕塵已經(jīng)成為空氣顆粒物的主要來源之一［1～5］，在中國北方城市，開放源的分擔率已達40%～80%，裸土風蝕塵是開放源類之一［6，7］．研究表明城市空氣的PM10濃度變化與上風向的沙塵關(guān)系密切［8～10］．天津處于半濕潤半干旱地區(qū)，春季(干)旱(多)風同期形成了地表風蝕的氣象條件，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蝕的地表條件，這是造成天津地表風蝕嚴重的主要因素．天津市2002年大氣顆粒物來源解析(CMB法)結(jié)果表明，土壤塵的分擔率全年平均達到103.53μg•m－3(39%)，居各排放源類之首［11］．可見地表風蝕起塵是造成城市空氣顆粒物污染超標的主要因素之一．

天津顆粒物水平相對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源的地表風蝕型開放源．土壤風蝕的發(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，使土壤風蝕降低到最小程度［15～25］．

風蝕預報系統(tǒng)(WEPS)是美國農(nóng)業(yè)部組織多學科科學家開發(fā)研究的一個連續(xù)的以過程為基礎(chǔ)的模型，WEPS引入子模型的概念，以模塊的形式組成，7個子模型分別為侵蝕、氣象、作物生長、分解、土壤、水文、耕作子模型［26，27］．美國本土位于北溫帶，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在美國全國進行了廣泛的應用，美國農(nóng)業(yè)部將美國全區(qū)域劃分為71個單元，分別對每個單元建立了管理文件數(shù)據(jù)庫(作物，輪作年限及對作物的具體操作等)．除此以外，該模型也在德國等地進行了應用［21］．這些都為WEPS模型在天津的應用提供借鑒．

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?shù)貧庀髼l件下形成的地表風蝕塵對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應用．從學科的角度，本研究關(guān)注于風蝕型開放源塵的起塵量和對受體的貢獻值;從管理的角度，現(xiàn)有研究缺少地表風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，疆域周長約1290.8km，海岸線長153km，陸界長1137.48km．天津位于中緯度亞歐大陸東岸，面對太平洋，季風環(huán)流影響顯著，冬季受蒙古冷高氣壓控制，盛行偏北風;夏季受西太洋副熱帶高氣壓左右，多偏南風．天津氣候?qū)倥瘻貛О霛駶櫞箨懠撅L型氣候，有明顯由陸到海的過渡特點:四季明顯，長短不一;降水不多，分配不均;季風顯著，日照較足．年平均氣溫12.3℃．7月最熱，月平均氣溫可達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)(河東、河西、河北、和平、南開、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模型對天津郊區(qū)土壤風蝕開放源起塵量進行估算，并計算其對中心城區(qū)的影響．WEPS是一個以過程為模擬基礎(chǔ)、以日為模擬時間步長的模型，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)設計:由1個用戶界面、1個主程序、1個科學模型(由7個子模型組成)和4個數(shù)據(jù)庫組成．該模型根據(jù)指定時間內(nèi)的地表粗糙度(定向粗糙度及隨機粗糙度)、平鋪生物量和直稈生物量、土壤團聚體粒徑分布、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發(fā)生風蝕．如果10m高處日最大風速達到8m•s－1、積雪厚度＜20mm時，需要每小時數(shù)次評價地表狀況以確定是否會發(fā)生風蝕．侵蝕子模型模擬以下內(nèi)容:①根據(jù)地表空氣動力學粗糙度計算摩阻流速;②計算靜態(tài)臨界摩阻流速;③計算每個柵格點的土壤流失量或沉積量;④及時更新土壤表面變量，以反映由于風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、其它建設用地)、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，將整個天津市郊區(qū)劃分為11080個網(wǎng)格，每個網(wǎng)格的邊長為1km，見圖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(見圖2)．

2.3數(shù)據(jù)庫本地化

(1)編制*．win文件

風文件的擴展名為“win”(如:wind_gen．win)．該文件包括模擬日各小時的風速(m•s－1)和該日的平均風向(從正北方向開始順時針轉(zhuǎn)動得出的角度)．

(2)編制*．cli文件

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

(3)編制*．ifc文件

土壤文件的默認擴展名為“ifc”．該文件中含有模擬運行開始時的初始土壤條件．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，即使是一些看起來應該是固定的參數(shù)也會隨著外界條件的變化而發(fā)生變化，比如土壤粒徑分布會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)容包括土層分類學順序，土層數(shù)量和厚度(mm)，土壤粒徑分布詳細情況(%)，干濕容重(mg•m－3)，團聚體穩(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(%)，有機質(zhì)含量(%)，pH值，CaCO3含量(%)以及陽離子交換量［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)中按照耕作活動的時間編制管理文件．

3結(jié)果與分析

3.1各區(qū)縣單位地塊起塵量

根據(jù)WEPS軟件計算得出天津市2009年各區(qū)單位地塊起塵量見表1．2009年，津南區(qū)單位地塊風蝕土壤毛損失(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，有很強的防風固沙作用，綠地面積占薊縣總面積的21.5%．同時天津最大的水庫(于橋水庫)也位于薊縣境內(nèi)，水域面積占薊縣總面積的5.93%．統(tǒng)計＞8m•s－1的薊縣風頻，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風速的風頻為10次，靜海為11次，所以這2個區(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風速的風頻為157次，西青為101次，所以這2個區(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軟件計算得出天津市2009年各區(qū)起塵量見表2．2009年，武清風蝕土壤毛損失(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軟件計算得出天津市2009年各區(qū)指向中心城區(qū)通過單位地塊邊界起塵量見表3．2009年，武清指向中心城區(qū)通過單位地塊邊界起塵量和總起塵量均為最大，PM10的量在2009年達到1.25×105t．可見，從全年來看，武清對中心城區(qū)輸送塵的量較之其它區(qū)縣為大．各區(qū)縣PM10損失量及到達中心城區(qū)PM10損失量比例，見圖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模型的起塵風速閾值為8m•s－1，將該三區(qū)的氣象站中＞8m•s－1的小時風頻進行統(tǒng)計，將＞8m•s－1的小時風頻與行政區(qū)進行疊加，見圖4，大港位于天津市中心城區(qū)的東南方向，＞8m•s－1的小時風多出現(xiàn)在西北和東向，而大港只有吹偏東南風才能吹向中心城區(qū);漢沽位于天津市中心城區(qū)的東向，＞8m•s－1的小時風多出現(xiàn)在西北方向，而漢沽只有吹偏東風才能吹向中心城區(qū);津南位于天津市中心城區(qū)的東南方向，＞8m•s－1的小時風多出現(xiàn)在西北方向，而津南只有吹偏東南風才能影響中心城區(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軟件計算得出天津市2009年各方向指向中心城區(qū)通過單位地塊邊界起塵量及總起塵量見表4．2009年，通過單位地塊邊界的起塵量來自西方向的最大(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個區(qū)縣提供中心城區(qū)來自S方向的塵．統(tǒng)計該5個區(qū)縣2009年風速＞8m•s－1的S風向的頻率為0，所以S方向?qū)χ行某菂^(qū)的貢獻量為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)相應于某源類的質(zhì)量濃度貢獻值的排放量，104t•a－1;ρ為城區(qū)PM10的貢獻值，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:土壤風沙塵對PM10的貢獻值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準的技術(shù)方法》中的計算方法，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)此計算得出天津中心城區(qū)土壤風沙塵PM10的貢獻量為1.04×105t•a－1，而WEPS模擬2009年郊區(qū)土壤風蝕起塵引起的PM10損失量進入中心城區(qū)部分為2.03×105t，說明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WEPS模型沒有考慮遠距離顆粒物的輸送，只是天津市郊區(qū)土壤風蝕開放源對中心城區(qū)空氣質(zhì)量影響的估算．

4討論

風洞實驗的風速為距地面約20cm的近地面風速，而WEPS模型中的輸入風速為10m高的氣象站風速，二者關(guān)系在WEPS模型中進行了換算［30］，見公式(11)．據(jù)此，8m•s－1的10m高的氣象站風速相當于4.57m•s－1的近地面風速．(公式略)因為只有當距地表10m高的風速＞8m•s－1的時候，WEPS模型的侵蝕子模型才會啟動，因此這個啟動風速閾值直接影響最后的模擬結(jié)果，而不同的土壤機械組成以及不同的植被覆蓋情況都會影響到風蝕的風速閾值，因此今后應結(jié)合本地區(qū)的實際地表情況開展風洞實驗，更準確地確定風速閾值，以提高模擬精度．在土壤文件本地化的過程中，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)由懸移運動產(chǎn)生的起塵量大于蠕移和躍移運動，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)自北向南進入中心城區(qū)的PM10損失量呈下降趨勢，其中大港、漢沽、津南三區(qū)由于氣象條件(主要是風向)的影響，雖有PM10損失，但卻并不進入中心城區(qū)，對該區(qū)空氣質(zhì)量影響不大．

(3)2009年，通過單位地塊邊界的起塵量來自西方向的最大，而總起塵量來自北方向的最大，這說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．