2018, Vol. 64
文章信息
- 黄宇, 虎彩娇, 成海容, 王祖武
- HUANG Yu, HU Caijiao, CHENG Hairong, WANG Zuwu
- 武汉市扬尘源颗粒物排放清单及空间分布特征
- Emission Inventory and Spatial Distribution Characteristics of Particulate Matters from Dust Source in Wuhan, China
- 武汉大学学报(理学版), 2018, 64(4): 354-362
- Journal of Wuhan University(Natural Science Edition), 2018, 64(4): 354-362
- http://dx.doi.org/10.14188/j.1671-8836.2018.04.011
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文章历史
- 收稿日期：2018-03-05
引用本文
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2. 武汉大学 资源与环境科学学院，湖北 武汉 430072
2. School of Resource and Environmental Sciences, Wuhan University, Wuhan 430072, Hubei, China
排放源清单是根据排放因子和活动水平对某一地区某一种或几种污染物排放源的排放量进行估算得到，它对于科学研究、政策制定具有重要价值[1].目前，灰霾污染已成为影响我国城市环境空气质量的主要因素[2, 3].扬尘是一类非常复杂的混合源，它同时是颗粒物的来源和受体.扬尘通常指在自然力或人力作用下，地表松散颗粒物质进入到环境空气中形成的一定粒径范围的空气颗粒物，主要分为施工扬尘、道路扬尘、土壤扬尘和堆场扬尘[4].随着我国城市化发展及机动车保有量的增加，由施工、交通运输等所引起的扬尘已日益成为城市大气颗粒物污染的主要来源.大气环境质量模拟的准确性直接影响大气污染控制相关政策制订的合理性.因此，建立精确的扬尘源排放清单，对于了解区域内的大气污染状况和完成环境质量模拟具有重要意义[5, 6].
武汉大学学报(理学版)第64卷第4期黄宇等：武汉市扬尘源颗粒物排放清单及空间分布特征武汉市作为华中地区的中心城市、重要的交通枢纽，在经济迅速发展的同时，其大气污染状况日益严重[7, 8].在特殊气象条件下，大气中的污染物会通过远距离输送造成区域空气污染问题[9].根据2013年开展的《武汉市大气污染成因与控制对策研究》项目中颗粒物源解析结果可知，扬尘源在可吸入颗粒物(PM10)中贡献率为25%(最主要的来源)，在细颗粒物(PM2.5)中贡献率为9%(主要污染源之一).因此，建立武汉市扬尘源颗粒物排放清单，不仅能够促进武汉市人民生活改善、经济发展及社会和谐，对于研究武汉市乃至华中地区的空气污染状况也具有重要意义.
本研究采用遥感监测、航片判读和实地抽样验证相结合的方法获取污染源面积等基本信息，借助能够在较短时间内处理大量数据的空间地理信息系统(ArcGIS)[10]，利用《扬尘源颗粒物排放清单编制技术指南》[11](简称《指南》)提供的排放因子模型对武汉市各类扬尘源进行分析，得到武汉市施工扬尘源、道路扬尘源、土壤扬尘源和堆场扬尘源总悬浮颗粒物(TSP)、PM10和PM2.5的排放系数、排放强度和排放量，以及扬尘源颗粒物排放的空间分布特征.
1 材料与方法 1.1 数据来源本研究通过将Bigemap下载器获取的2016年武汉市高清遥感影像进行拼接、融合、矫正等处理，同时根据行政区域分布(图 1)，对拼接好的遥感影像进行裁剪，确定武汉市遥感影像图并作为各类扬尘源矢量化底图，如图 2所示.
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| 图 1 武汉市行政区域分布 Figure 1 Distribution of administrative region in Wuhan |
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| 图 2 武汉市遥感影像 Figure 2 Remote sensing image of Wuhan |
在矢量化过程中，利用ArcGIS软件分别建立武汉市各类扬尘清单项目的空间数据库和属性数据库[12].利用遥感技术，根据遥感影像中不同地物在图 2上呈现的不同颜色、形状等特征对武汉市各行政区的工地、铺装道路、土壤和堆场的类型、地理位置、面积、数量等进行遥感解译及判读，并添加面积、经纬度等属性值，建立武汉市各类扬尘空间数据库.然后参照Google地图进行核对，针对不能确定的扬尘源进行现场调查核实，并校验识别结果以提高精度和准确性.
1.2 数据分析方法 1.2.1 施工扬尘市政基础设施建设、设备安装工程及建筑物建造与拆迁等施工场所在施工过程中产生的扬尘称为施工扬尘[13].根据武汉市施工工地调研资料及不同施工工地扬尘排放量、排放系数和粒径差别，将施工工地分为建筑和道路施工工地.根据《指南》[11]，施工扬尘源中颗粒物排放量及排放系数的计算公式具体如下
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(1) |
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式中：WC, i(t·a-1)为施工扬尘源中PMi的总排放量；AC(m2)为施工区域面积；T(月)为施工月份数；EC, i(kg·(m2·月)-1)为整个施工工地PMi的平均排放系数；η(%)为污染控制技术对扬尘的去除效率.
1.2.2 道路扬尘道路积尘在一定动力条件作用(风力、人群活动等)下进入环境空气中形成的扬尘称为道路扬尘.本研究以武汉市铺装道路扬尘为研究对象，通过大量的实测和统计数据，计算武汉市各行政区快速路、主干道、次干道和支路四种道路扬尘TSP、PM10和PM2.5的排放系数、排放强度及排放量.根据《指南》提供的道路扬尘排放系数计算方法[11]，道路扬尘源中颗粒物排放量及排放系数的计算公式具体如下：
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(3) |
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(4) |
式中：ER, i(g· (km·辆)-1)为道路扬尘源中颗粒物PMi的平均排放系数；ki(g·km-1)为产生的扬尘中PMi的粒度乘数(参照《指南》推荐值[11]：kTSP=3.23 g·km-1，kPM10=0.62 g·km-1，kPM2.5=0.15 g·km-1)；sL(g·m-2)为路面尘负荷；m(t)为道路上行驶机动车的平均车重；WR, i(t·a-1)为道路扬尘源中颗粒物PMi的总排放量；LR(km)为道路长度；NR(辆·a-1)为一定时期内车辆在该段道路上的平均车流量；nR(d)为不起尘天数.
1.2.3 土壤扬尘直接来源于裸露地面(如农田、干涸的河谷、未硬化的空地等)的颗粒物在自然力或人力的作用下形成的扬尘称为土壤扬尘.土壤扬尘源排放系数(起尘速率)受土壤表层的颗粒物粒径分布、地面粗糙度、植被覆盖率、周围屏蔽条件以及气象条件等因素的影响，根据《指南》[11]，土壤扬尘源颗粒物排放量及排放系数的计算公式为：
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(5) |
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(6) |
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(7) |
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(8) |
式中：WS，i(t·a-1)为土壤扬尘中PMi的总排放量；AS(m2)为土壤扬尘源的面积；ES，i(t· (m2·a)-1)为土壤扬尘源的PMi排放系数；D(t· (104 m2·a)-1)为PMi的起尘因子；C为气候因子，表征气象因素对土壤扬尘的影响；W(%)为PMi在土壤扬尘中的百分含量(推荐值：TSP 1，PM10 0.30，PM2.5 0.05)；Iwe为土壤风蚀指数；f为对地面粗糙因子，反映风与地表之间的摩擦力大小；L为无屏蔽宽度因子，显示研究区域的开阔程度；V为植被覆盖因子，反映了地表覆盖情况；u(m·s-1)为年平均风速；PE为桑氏威特降水-蒸发指数，计算公式如下：
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(9) |
式中：p(mm)为年降水量；Ta(℃)为年平均温度.
1.2.4 堆场扬尘各种工业料堆、建筑料堆、建筑渣土及垃圾等由于堆积、装卸、输送等操作以及采石、采矿等场所活动和风蚀作用中产生的扬尘称为堆场扬尘[11].武汉市的堆料主要有大型矿渣堆、沙料堆、煤场(包括干石)、垃圾场、灰渣等.根据《指南》[11]，堆场扬尘源颗粒物的排放量是堆积存放期间风蚀扬尘和装卸、运输引起的作业扬尘的和.
1) 风蚀扬尘估算
风蚀扬尘主要是堆料表面遭受风扰动后引起的颗粒物排放.根据《指南》[11]，堆场风蚀扬尘排放系数的计算公式为：
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(10) |
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(11) |
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(12) |
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(13) |
式中：WW，i(t·a-1)为堆场扬尘中PMi的总排放量；EW，i(kg· m-2)为堆场风蚀扬尘的PMi排放系数；AY(m2)为堆场扬尘源的面积；k为产生的扬尘中PMi的粒度乘数；n为料堆的扰动频率；Pj(g·m-2)为第j次扰动中观测的最大风速的风蚀潜势，风蚀潜势函数Pj是非线性的，对于每一次侵蚀事件要分别处理；U*(m·s-1)为摩擦风速，计算方法见式(14)；Ut*(m· s-1)为阈值摩擦风速.
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(14) |
式中：U(Z)(m·s-1)为地面风速；Z(m)为地面风速检测高度；Z0(m)为料堆表面粗糙度，即风速谱图中风速为0的高度.
2) 作业扬尘估算
作业扬尘主要由向储料堆添料、堆储区域内的传输装备活动和装载堆料等活动引起的颗粒物排放.根据《指南》[11]，堆场作业扬尘排放系数的计算公式为：
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(15) |
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(16) |
式中：WH, i(t·a-1)为堆场扬尘中PMi的总排放量；EH, i(kg·t-1)为堆场作业扬尘的PMi排放系数；GY, i(t)为第i次装卸过程的物料装卸量；k为产生的扬尘中PMi的粒度乘数；U(m·s-1)为年平均风速；M(%)为堆料含水率.
2 结果与讨论 2.1 施工扬尘在对典型施工工地及不确定工地进行现场核实后，补充修正其矢量化结果后得到了武汉市施工工地识别结果.矢量化过程中，现场确认和修改等工作完成后，最终识别统计2016年武汉市施工工地总面积为86.9 km2，其中，建筑和道路施工工地面积分别为18.1 km2和68.8 km2.利用ArcGIS软件对矢量化的图斑进行面积及数量统计，得到武汉市施工工地分布，见图 3.
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| 图 3 武汉市施工工地分布 Figure 3 Construction site distribution in Wuhan |
2016年武汉市施工扬尘源颗粒物的年总排放量如表 1所示.佟小宁等[14]依据排放因子法得到2010年南京市建筑扬尘TSP、PM10和PM2.5的总排放量分别为2.53×104，1.40×104和0.95×104 t·a-1；薛亦峰等[15]计算得到2015年北京市建筑扬尘TSP、PM10和PM2.5的总排放量分别为14.41×104、7.06×104和1.47×104 t·a-1；杨杨[16]计算得到2012年珠江三角洲建筑施工扬尘PM10总排放量为：广州1.06×104 t·a-1，深圳1.30×104 t·a-1.相比较而言，2016年武汉市建筑施工扬尘排放量较低，TSP、PM10和PM2.5的总排放量分别为95 832.9 t·a-1，46 958.1 t·a-1和9 583.3 t·a-1.其中，道路施工扬尘占总排放量的79%左右，是建筑施工扬尘所占比例的3.8倍，表明道路施工扬尘源是武汉市施工扬尘的主要来源.
| 施工扬 尘源 |
施工面积 /km2 |
TSP/ t·a-1 |
PM10/ t·a-1 |
PM2.5/ t·a-1 |
| 建筑施工 | 18.1 | 19 930.0 | 9 765.7 | 1 993.0 |
| 道路施工 | 68.8 | 75 902.9 | 37 192.4 | 7 590.3 |
| 合计 | 86.9 | 95 832.9 | 46 958.1 | 9 583.3 |
由武汉市3 km×3 km网格的施工扬尘源TSP，PM10，PM2.5年总排放量的空间分布图(图 4)可知，施工扬尘排放在地域上以江岸、江汉、汉阳、武昌等主城区为中心污染带.此外，江夏、东西湖及蔡甸与主城区交界的区域，施工扬尘排放强度也较高，而新洲、黄陂等距离主城区较远的区域网格化排放强度较小.
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| 图 4 2016年武汉市施工扬尘源TSP，PM10和PM2.5年总排放量的空间分布图(3 km×3 km) Figure 4 Spatial distributions of TSP, PM10 and PM2.5 emission from construction dust sources of Wuhan in 2016 (3 km×3 km) |
由2016年武汉市道路扬尘源TSP、PM10和PM2.5的年总排放量(表 2)可知，主干道扬尘排放量最大，次干道和快速路次之，支路扬尘排放量最小.樊守彬等[17]依据美国环保局(US EPA)公布的方法计算得到北京2012年道路扬尘PM2.5年总排放量为13 565 t·a-1；王社扣等[13]估算南京2010年铺装道路扬尘PM10和PM2.5年排放量分别为67 270 t·a-1和16 030 t·a-1，均高于本研究中2016年武汉市道路扬尘PM10和PM2.5的年总排放量.
| t·a-1 | |||
| 道路类型 | TSP | PM10 | PM2.5 |
| 快速路 | 32 368.5 | 8 223.3 | 2 387.4 |
| 主干道 | 64 447.1 | 16 372.9 | 4 753.4 |
| 次干道 | 47 024.7 | 11 946.7 | 3 468.4 |
| 支路 | 13 091.0 | 3 325.8 | 965.6 |
| 合计 | 156 931.3 | 39 868.7 | 11 574.8 |
武汉市道路扬尘源颗粒物TSP、PM10及PM2.5的年总排放量之间呈现相似的空间分布特征(图 5)，江岸、江汉、硚口、汉阳、武昌等主城区由于道路密集排放强度较大；江夏、蔡甸等远城区则排放强度较小.远城区中的新洲、黄陂等远郊道路扬尘排放强度相对较高，经过实地调研可知，这与该区域施工工地及出入货车产生的二次扬尘有很大关系.
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| 图 5 2016年武汉市道路扬尘源TSP，PM10和PM2.5年总排放量的空间分布图(3 km×3 km) Figure 5 Spatial distributions of TSP, PM10 and PM2.5 emission from road dust sources of Wuhan in 2016 (3 km×3 km) |
利用遥感技术的遥感影像判读解译方法统计武汉市不同类型土地的面积，结合《指南》中土壤扬尘的排放量计算公式[11]，得到2016年武汉市土壤扬尘源TSP、PM10、PM2.5的年总排放量(表 3).王社扣等[13]计算得到2010年南京市土壤PM10和PM2.5排放量分别为261 t·a-1和43 t·a-1，相比较而言，武汉市2016年土壤扬尘排放污染较小.武汉市土壤扬尘源颗粒物的排放量中，农田扬尘源颗粒物的排放量最大，其TSP，PM10和PM2.5年总排放量均占各土地类型总排放量的75%以上.裸露土地、草地和农田TSP排放量均占各土地类型总排放量的90%以上，可知，TSP是土壤扬尘源排放的主要颗粒物.
| t·a-1 | |||
| 土地类型 | TSP | PM10 | PM2.5 |
| 草地 | 10.1 | 0.9 | 0.03 |
| 农田 | 292.0 | 26.3 | 0.7 |
| 裸露土地 | 81.2 | 7.3 | 0.2 |
| 合计 | 383.3 | 34.5 | 0.9 |
由2016年武汉市土壤扬尘源TSP、PM10及PM2.5年总排放量的空间分布图(图 6)可知，黄陂、江夏、新洲等远城区的土壤扬尘的排放强度较大，武昌、江汉等主城区土壤扬尘的排放强度较小，表明武汉市土壤扬尘源颗粒物排放的主要来源在远城区，尤其是黄陂区、新洲区和江夏区.
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| 图 6 2016年武汉市土壤扬尘源TSP，PM10和PM2.5年总排放量的空间分布图(3 km×3 km) Figure 6 Spatial distributions of TSP, PM10 and PM2.5 emission from soil dust sources of Wuhan in 2016 (3 km×3 km) |
2016年武汉市堆场的风蚀扬尘和作业扬尘年总排放量如表 4，可知，2016年武汉市堆场扬尘源TSP、PM10和PM2.5的年总排放量分别为9 084.8、4 325.7和1 405.5 t·a-1.其中，风蚀扬尘源中TSP，PM10和PM2.5的年排放量在堆场扬尘总排放量中占比较小(分别为11.8%，12.4%和15.2%)，可知武汉市堆场扬尘的主要来源是作业过程产生的扬尘.
| t·a-1 | ||||||||
| 堆场 | TSP | PM10 | PM2.5 | |||||
| 风蚀扬尘 | 作业扬尘 | 风蚀扬尘 | 作业扬尘 | 风蚀扬尘 | 作业扬尘 | |||
| 煤堆 | 129.3 | 45.0 | 64.6 | 21.3 | 25.9 | 6.7 | ||
| 矿堆 | 469.8 | 4 235.0 | 234.9 | 2 003.0 | 94.0 | 629.5 | ||
| 沙堆 | 309.9 | 174.2 | 155.0 | 82.4 | 62.0 | 25.9 | ||
| 渣堆 | 160.3 | 3 561.3 | 80.1 | 1 684.4 | 32.1 | 529.4 | ||
| 合计 | 1 069.3 | 8 015.5 | 534.6 | 3 791.1 | 214.0 | 1 191.5 | ||
由武汉市堆场扬尘源TSP、PM10和PM2.5年总排放量的空间分布图(图 7)可知，青山、汉阳、洪山各区及长江沿岸堆场扬尘的排放强度较大，其余各区的排放强度较小.根据实地调查可知，青山区的堆场主要包括武钢的工业料堆、工业港堆场、烧结厂原料场和青山外贸港堆场等，主要类型为矿粉、煤炭；汉阳区的堆场主要是沿江分布的沙堆；洪山区的堆场主要是大量的矿堆；江夏区的堆场则主要是沙堆和矿堆.此外，长江沿岸的码头堆场也堆放不少矿渣、沙堆等，导致其堆场扬尘排放量偏高.
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| 图 7 2016年武汉市堆场扬尘源TSP，PM10和PM2.5年总排放量的空间分布图(3 km×3 km) Figure 7 Spatial distributions of TSP, PM10 and PM2.5 emission from yard dust sources of Wuhan in 2016 (3 km×3 km) |
2016年武汉市各类扬尘源TSP、PM10和PM2.5年总排放量及其分别在扬尘源TSP、PM10和PM2.5年总排放量中占比如表 5所示，可知，道路扬尘源和施工扬尘源是武汉市扬尘源TSP、PM10和PM2.5排放最主要的来源.
| 扬尘类型 | TSP | PM10 | PM2.5 | |||||
| 年总排放量/ t·a-1 | 占比/% | 年总排放量/ t·a-1 | 占比/% | 年总排放量/ t·a-1 | 占比/% | |||
| 施工扬尘 | 95 832.9 | 36.55 | 46 958.1 | 51.50 | 9 583.3 | 42.47 | ||
| 道路扬尘 | 156 931.3 | 59.84 | 39 868.7 | 43.72 | 11 574.8 | 51.30 | ||
| 土壤扬尘 | 383.3 | 0.15 | 34.5 | 0.04 | 0.9 | 0.004 | ||
| 堆场扬尘 | 9 084.8 | 3.46 | 4 325.7 | 4.74 | 1 405.5 | 6.23 | ||
| 合计 | 262 232.3 | 91 187.0 | 22 564.5 | |||||
武汉市扬尘源颗粒物总排放量的空间分布图如图 8所示，可知，扬尘源TSP、PM10、PM2.5排放在地域上形成以江汉、江岸、硚口、武昌等主城区以及洪山与江夏交界区域为中心污染带；而新洲、黄陂和蔡甸等远城区的排放强度较小.
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| 图 8 2016年武汉市扬尘源TSP，PM10和PM2.5年总排放量的空间分布图(3 km×3 km) Figure 8 Spatial distributions of TSP, PM10 and PM2.5 emission from dust sources of Wuhan in 2016 (3 km×3 km) |
因此，扬尘源颗粒物重点防控区域主要是江汉、江岸、硚口、武昌各主城区以及洪山区与江夏区交界、汉阳区与蔡甸区交界、硚口区与东西湖区交界等区域.这是由于主城区交通路网密集、施工工地面积比重大、人口密集以及社会经济活动活跃所致.远城区如江夏、蔡甸、东西湖等行政区，目前正处在城市化快速发展时期，人口密度也在逐渐增大，其扬尘源排放对城市及人群健康的影响也应引起足够的重视.
3 结论本研究运用环保部《扬尘源颗粒物排放清单编制技术指南》推荐的计算方法估算2016年武汉市扬尘源颗粒物的年总排放量，并利用ArcGIS软件考察了该年度武汉市扬尘源TSP，PM10和PM2.5年总排放量的3 km×3 km网格空间分布，建立了武汉市施工扬尘源、道路扬尘源、土壤扬尘源和堆场扬尘源TSP、PM10和PM2.5排放清单.得到结论如下：
1) 武汉市扬尘源TSP年总排放量为262 232.3 t·a-1，PM10年总排放量为91 187.0 t·a-1，PM2.5年总排放量为22 564.5 t·a-1.
2) 道路扬尘源和施工扬尘源是武汉市扬尘源TSP、PM10和PM2.5排放最主要的来源，在武汉市扬尘源TSP的年总排放量中占比分别为59.84%和36.55%，在PM10的年总排放量中占比分别为43.72%和51.50%，在PM2.5年总排放量中占比分别为51.30%和42.47%；
3) 扬尘源TSP，PM10和PM2.5排放在地域上以江汉、江岸、硚口、武昌等主城区以及洪山区与江夏区交界区域为中心污染带，新洲区，黄陂区和蔡甸区等远城区的排放强度较小；
本研究中得到的各源类颗粒物的排放强度及不同行政区域扬尘源污染程度结果，可望为相关管理部门制定科学、有效的防治措施提供理论依据.
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