春節(jié)期間煙花爆竹燃放對哈爾濱市區(qū)空氣質(zhì)量的影響

陳 威，邢延峰，孟慶慶，王鵬杰

黑龍江省環(huán)境監(jiān)測中心站，黑龍江 哈爾濱 150056

春節(jié)期間，我國大多數(shù)家庭都會選擇以燃放煙花爆竹的方式來歡慶傳統(tǒng)節(jié)日，然而集中燃放煙花爆竹不僅易引發(fā)火災(zāi)，造成生命財產(chǎn)損失，還易帶來空氣質(zhì)量下降的環(huán)境污染問題[1-3]，從而危害廣大市民的身體健康[4-7]。隨著人們環(huán)保意識的不斷提高，廣大人民群眾越來越關(guān)注煙花爆竹燃放造成的空氣污染問題。

爆竹的主要成分是黑火藥 (硝酸鉀、硫磺粉、木炭粉)，有的還含有氯酸鉀。制作煙花時，還要加入無機鹽及鎂粉等，從而使其呈現(xiàn)出不同的顏色[8-10]。大量燃放煙花爆竹會在短時間內(nèi)釋放大量的一氧化碳、顆粒物、重金屬以及有毒有機物等，導(dǎo)致空氣質(zhì)量在短時間內(nèi)迅速惡化[11-15]。

近年來，針對煙花爆竹燃放對各主要城市空氣質(zhì)量影響的研究越來越多，其中針對杭州[1]、天津[12]、成都[13]、珠三角地區(qū)[15]、北京[14,16]、西安[17]以及蘇州[18]等地的研究結(jié)果均表明，煙花爆竹的集中燃放對市區(qū)大氣中PM10及PM2.5濃度影響較大，多數(shù)地區(qū)顆粒物濃度會在短時間內(nèi)成倍增加；同時部分地區(qū)結(jié)果顯示，大量燃放煙花爆竹對大氣中SO2濃度影響較大[13]，但對O3和NO2濃度影響較小[15]。

目前，針對東北地區(qū)春節(jié)期間空氣質(zhì)量觀測研究較少，尤其是極寒天氣下燃放煙花爆竹對春節(jié)期間空氣質(zhì)量的影響研究更為缺乏。本文對黑龍江省哈爾濱市區(qū)2016年春節(jié)期間顆粒物濃度(PM2.5和PM10)、氣態(tài)污染物濃度(SO2、NOx、CO和O3)以及化學(xué)組分進(jìn)行分析，為黑龍江省“十三五”期間大氣污染防治工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為黑龍江省生態(tài)文明建設(shè)及哈爾濱市創(chuàng)建文明城市提供參考。

1 實驗部分

1.1 監(jiān)測點位與時間

本研究選取4個監(jiān)測點位，分別為省監(jiān)測站(126°41′56″E， 45°46′7″N)、松北商大(126°33′40″E，45°49′1″N)、動力和平路(126°38′46″E，45°43′33″N)和省農(nóng)科院(126°37′14″E，45°41′3″N)，依次位于哈爾濱市道外區(qū)、松北區(qū)、香坊區(qū)和南崗區(qū)。監(jiān)測點位附近均無工業(yè)污染源，周邊居民區(qū)環(huán)繞，連續(xù)監(jiān)測期間發(fā)現(xiàn)監(jiān)測點位周圍居民有燃放煙花爆竹的情況。因此，通過4個監(jiān)測點位得到的顆粒物濃度的觀測數(shù)據(jù)可以清晰地判別煙花爆竹燃放對哈爾濱市區(qū)空氣質(zhì)量的影響。同時對4個監(jiān)測點位中的省監(jiān)測站進(jìn)行了激光雷達(dá)觀測和顆粒物化學(xué)組分、成分分類以及氣態(tài)污染物濃度與顆粒物濃度相關(guān)性等研究，進(jìn)一步明確煙花爆竹燃放對哈爾濱市區(qū)空氣質(zhì)量的造成影響的原因。

考慮到春節(jié)期間除夕煙花爆竹燃放最為集中，因此監(jiān)測時間為2016年2月7日(除夕)17：00至2016年2月9日(初二)17：00[16]，晝夜連續(xù)監(jiān)測，同時記錄采樣時的天氣狀況(溫度、相對濕度、風(fēng)速等)。

1.2 主要監(jiān)測儀器

在線單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀 SPAMS 0525(中國廣州)；顆粒物監(jiān)測儀5014i(美國)；3D可視激光雷達(dá)EV-Lidar-CAM(中國北京)，移動空氣質(zhì)量監(jiān)測車等。

1.3 質(zhì)量控制

各監(jiān)測儀器均用校準(zhǔn)儀參照《環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 193—2005)定期校準(zhǔn)，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性和準(zhǔn)確性。本研究中使用的監(jiān)測數(shù)據(jù)均為小時數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 監(jiān)測期間污染時段

連續(xù)監(jiān)測期間出現(xiàn)1個重度污染時段，為2月7日(除夕)17：00至8日(初一)06：00，與除夕夜煙花爆竹集中燃放時間高度吻合，該時段定義為燃放期；而2月8日(初一)17：00至9日(初二)06：00同一時段內(nèi)空氣質(zhì)量良好，煙花爆竹燃放顯著降低，該時段定義為非燃放期。

2.2 監(jiān)測期間氣象條件

燃放期以西風(fēng)為主，7日22：00至8日02：00風(fēng)速大于1 m/s，7日17：00—21：00和8日03：00—06：00風(fēng)速小于1 m/s，整個污染過程平均風(fēng)速為0.83 m/s，風(fēng)速低。溫度為-10.9～-6 ℃，濕度為59.9%～74.4%。非燃放期以東風(fēng)為主，平均風(fēng)速為1.38 m/s，風(fēng)速低。溫度為-14.6～-9.4 ℃，濕度為63.7%～68.3%。

監(jiān)測期間哈爾濱市區(qū)天氣總體平穩(wěn)，無明顯冷空氣影響，無強降雨、強降雪等重大災(zāi)害性天氣，平均風(fēng)速較低，且冬季凌晨地面熱量易向高空輻射，使近地面氣溫下降，而上層大氣溫度下降較慢，從而出現(xiàn)逆溫層，整體大氣條件不利于污染物擴散。

2.3 顆粒物濃度分析結(jié)果

2.3.1 燃放期與非燃放期PM2.5質(zhì)量濃度對比

2016年哈爾濱市區(qū)春節(jié)期間煙花爆竹燃放期與非燃放期PM2.5質(zhì)量濃度對比圖(見圖1)。由圖1可知，哈爾濱市區(qū)4個監(jiān)測點位燃放期PM2.5的質(zhì)量濃度均顯著高于非燃放期，在同一時段內(nèi)，平均高2.51倍。4個監(jiān)測點位燃放期PM2.5濃度呈現(xiàn)出先升高再降低的變化趨勢，在8日00：00—01：00 PM2.5達(dá)到最高值，質(zhì)量濃度分別為285、340、362、255 μg/m3，隨后逐漸降低，哈爾濱市區(qū)春節(jié)期間，煙花爆竹的燃放主要集中在除夕夜至大年初一凌晨，煙花爆竹的集中燃放過程通過PM2.5的變化趨勢很好的體現(xiàn)。4個監(jiān)測點位非燃放期PM2.5質(zhì)量濃度變化均不顯著。

2.3.2 燃放期與非燃放期PM10質(zhì)量濃度對比

2016年哈爾濱市區(qū)春節(jié)期間煙花爆竹的燃放期與非燃放期PM10質(zhì)量濃度對比圖見圖2。由圖2可知，燃放期PM10的質(zhì)量濃度與PM2.5相似，均明顯高于非燃放期，且在同一時段內(nèi)，平均高1.64倍。4個監(jiān)測點位燃放期PM10濃度同樣均呈現(xiàn)出先升高再降低的變化趨勢，且均在7日23：00起出現(xiàn)急速增長，在8日01：00 PM10達(dá)到最高值，質(zhì)量濃度分別為546、603、623、488 μg/m3，隨后逐漸降低，變化趨勢與PM2.5相同。非燃放期PM10質(zhì)量濃度變化均不顯著。

圖1 4個監(jiān)測點位PM2.5濃度變化趨勢對比圖Fig.1 Variation trend of PM2.5 concentration in four monitoring sites duringthe period of discharge and non discharge

圖2 4個監(jiān)測點位PM10濃度變化趨勢對比圖Fig.2 Variation trend of PM10 concentration in four monitoring sites duringthe period of discharge and non discharge

由圖3可知，4個監(jiān)測點位燃放期PM2.5與PM10質(zhì)量濃度比值(PM2.5/PM10)的平均值分別為0.75、0.78、0.79、0.75，說明PM2.5在此次污染過程中起主要作用，但研究過程中發(fā)現(xiàn)，在PM2.5、PM10質(zhì)量濃度達(dá)到峰值時(2月8日01：00)，PM2.5/PM10卻降至最小值，說明在燃放期污染加劇的過程中，PM10濃度增加的速度更快；而當(dāng)污染逐漸降低時，PM10濃度降低的速度更快，所以PM2.5/PM10逐漸升高，該結(jié)果與趙偉等[15,19]研究結(jié)果一致。

圖3 燃放期PM2.5/PM10隨時間變化圖Fig.3 The ratio of PM2.5/PM10 with time during the discharge period

總體來說，煙花爆竹的燃放對PM2.5和PM10

的質(zhì)量濃度都具有較大貢獻(xiàn)，會在很大程度上影響哈爾濱市區(qū)的空氣質(zhì)量。集中燃放會在很短時間內(nèi)造成局地顆粒物濃度急劇上升，但PM2.5和PM10質(zhì)量濃度在燃放煙花的后一天呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢，說明燃放煙花爆竹對PM2.5和PM10的影響具有一定的時效性。

2.4 激光雷達(dá)分析結(jié)果

激光雷達(dá)的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，從2月7日17：00至2月8日00：00，污染主要是由本地大氣氣溶膠顆粒積累導(dǎo)致，同時受不利擴散氣流影響，致使污染加劇。污染初期邊界層高度相對較低，隨后呈上升狀態(tài)，污染邊界層逐漸升高，主要受煙花高空燃放影響；但同時段消光系數(shù)卻逐漸變大(圖4)，主要受氣象條件影響，風(fēng)速較低，水平擴散較慢。同時退偏比數(shù)值升高(見圖5)，說明此時段大氣中以污染物為主，且激光雷達(dá)的監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化趨勢與顆粒物濃度變化結(jié)果相一致。2月8日17：00至2月9日19：00，整體污染邊界層較高，消光系數(shù)顯示從2月8日13：00后近地面氣溶膠顆粒上行趨勢明顯，近地面消光系數(shù)減至0.3以下，此時空氣中氣溶膠濃度逐漸降低，同時該時段退偏比數(shù)據(jù)顯示，除8日20：00退偏比短暫升高，其余時段均較低。

圖4 監(jiān)測期間消光系數(shù)的變化趨勢Fig.4 Variation trend of extinction coefficient during monitoring

圖5 監(jiān)測期間退偏比的變化趨勢Fig.5 Variation trend of depolarization ratio during monitoring period

2.5 氣態(tài)污染物分析結(jié)果

在研究過程中發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測期間CO的變化趨勢與顆粒物變化趨勢相同。由圖6可知，燃放期CO的濃度明顯高于非燃放期，且在同一時段內(nèi)，平均高0.77倍。燃放期CO質(zhì)量濃度同樣呈現(xiàn)出先升高再降低的變化趨勢，在8日01：00達(dá)到最高值，為3.25 mg/m3，隨后逐漸降低。非燃放期CO濃度整體呈升高趨勢，但變化不顯著。O3、NO和NO2燃放期的平均濃度分別為非燃放期的0.81、0.94、1.14倍，2個時期內(nèi)濃度差別不大，說明燃放煙花爆竹對大氣中O3、NO和NO2濃度影響不大，該結(jié)果與楊志文等研究結(jié)果一致[12]。

圖6 監(jiān)測期間CO濃度變化趨勢Fig.6 Variation trend of CO concentration during monitoring period

由圖7可知，在集中燃放期2月7日21：00至2月8日02：00，隨著PM2.5濃度的變化，CO也隨之呈正相關(guān)變化，并且趨勢基本一致，相關(guān)系數(shù)(r)高達(dá)0.970 2；而整個燃放期相關(guān)系數(shù)也達(dá)到0.891 1，從側(cè)面闡明煙花爆竹的燃放對顆粒物的貢獻(xiàn)。

圖7 燃放期PM2.5與CO關(guān)系圖Fig.7 Relationship between PM2.5 and CO during discharge period

2.6 化學(xué)組分濃度分析結(jié)果

2.7 顆粒物成分分類分析結(jié)果

利用自適應(yīng)共振神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類方法(Art-2a)對燃放期與非燃放期顆粒物進(jìn)行分類，由圖8和圖9可以看出，2個時期大氣顆粒物主要成分以有機碳為主，占比均在40%以上。燃放期與非燃放期相比富鉀顆粒和左旋葡聚糖占比均明顯降低，而長鏈元素碳、混合碳、有機碳和元素碳占比均有所升高，其中混合碳上升幅度最大，這也充分證明煙花爆竹燃放是導(dǎo)致春節(jié)期間PM2.5升高的重要污染來源。

圖8 燃放期顆粒物成分分類Fig.8 The classification of the particulatematter in the discharge period

圖9 非燃放期顆粒物成分分類Fig.9 The classification of the particulate matter in the non-discharge period

3 結(jié)論

1)煙花爆竹的集中燃放會在短時間內(nèi)造成嚴(yán)重的大氣污染，在除夕夜間4個監(jiān)測點位均出現(xiàn)重污染時段，PM2.5和PM10濃度迅速升高，甚至成倍增加，最高值分別達(dá)到362 μg/m3和623 μg/m3。

2)煙花爆竹的燃放對不同大氣污染物的影響存在較明顯的差別，其中，對顆粒物的影響最為顯著，對CO的濃度也有較明顯影響，而對O3和NOx等影響則相對較小。

3)煙花爆竹的燃放會對顆粒物化學(xué)組分造成明顯的影響，受影響最大的是Mg2+和Cl-，且在燃放期有機碳、元素碳、混合碳占比升高。

4)隨著煙花爆竹的燃燒量大幅降低，經(jīng)過幾個小時的擴散衰減之后，其產(chǎn)生的顆粒物污染在次日的中午基本消失，說明煙花爆竹的燃放對PM2.5和PM10的影響具有一定的時效性。

5)造成春節(jié)期間重污染天氣的主要原因除集中燃放煙花爆竹之外，長時間地面靜風(fēng)和逆溫層的存在也是導(dǎo)致本地污染物累積和霾的產(chǎn)生重要原因。

針對煙花爆竹的集中燃放對哈爾濱市城區(qū)空氣質(zhì)量造成的嚴(yán)重影響，提出幾點對策與建議：利用公共媒體資源，進(jìn)一步加大燃放煙花爆竹對安全和環(huán)境影響的宣傳力度，使人們自覺減少燃放煙花爆竹的數(shù)量；改變傳統(tǒng)的煙花爆竹制作工藝，大力提倡和支持研制安全環(huán)保型的替代產(chǎn)品，從源頭上減輕煙花爆竹燃放對環(huán)境空氣質(zhì)量的影響；加大行政監(jiān)管力度，采取適當(dāng)?shù)慕糯胧?/p>