烟花爆竹燃放对北京市空气质量的影响研究

2016-06-09王占山李云婷张大伟邱启鸿孙乃迪潘丽波

中国环境监测 2016年4期

关键词：良乡怀柔烟花爆竹

王占山,李云婷,孙峰,张大伟,邱启鸿,孙乃迪,潘丽波

1.北京市环境保护监测中心，北京 100048 2.中国环境科学研究院，环境基准与风险评估国家重点实验室，北京 100012

烟花爆竹燃放对北京市空气质量的影响研究

王占山1,李云婷1,孙峰1,张大伟1,邱启鸿1,孙乃迪1,潘丽波2

1.北京市环境保护监测中心，北京 100048 2.中国环境科学研究院，环境基准与风险评估国家重点实验室，北京 100012

烟花爆竹；空气质量；PM2.5；化学组分；春节；沙尘；北京

春节期间燃放烟花爆竹是我国的传统习俗，增加了喜庆气氛的同时也会在短时间内排放大量的大气污染物，对空气质量造成显著影响。烟花爆竹的主要成分是黑火药，含有硫磺、木炭粉、硝酸钾等，有的还含有氯酸钾；制作闪光雷、电光炮、烟花炮、彩色焰火时，还要加入镁粉、铁粉、铝粉、锑粉和无机盐。因此，烟花爆竹复杂的化学组成会造成燃放期间多种大气污染物浓度迅速增长[1-4]。

春节期间的除夕、“破五”和元宵节是烟花爆竹燃放最为集中的时段。本研究从气象条件、大气污染物浓度和PM2.5化学组分等方面对2015年这3个时段的空气质量进行分析，探讨烟花爆竹燃放对空气质量的影响，定量估算烟花爆竹燃放对PM2.5各化学组分的贡献率，以期为北京市大气污染防治提供科学依据。

1 实验部分

大气环境监测数据来自北京市空气质量自动监测网络，选择官园站(北京市城区)、良乡站(北京市南部郊区)、怀柔站(北京市北部郊区)和八达岭站(北京市西北部郊区)进行分析，其中八达岭站周围基本无居民区，远离烟花爆竹燃放区域。PM2.5化学组分分析仪和能见度仪安装在北京市环境保护监测中心楼顶，高度约为30 m，与官园站监测点的直线距离不到2 km。地面气象观测数据来自北京市观象台，各监测点位置如图1所示。

使用Thermo Fisher 1405F监测仪、Thermo Fisher 42C化学发光NO-NO2-NOx分析仪和Thermo Fisher 43i脉冲紫外荧光法分析仪分别对PM2.5、NO2和SO2进行监测。化学组分分析仪采用RT-4型有机碳元素碳分析仪和URG 9000S阴阳离子在线监测仪。能见度监测采用芬兰VAISALA公司生产的FD12型能见度仪。各监测仪器均有校准仪参照国家标准定期校准，保证监测数据的准确性和有效性。PM2.5、O3和NO2监测仪输出的5 min数据，根据每小时内5 min数据的算术平均值求得小时浓度；PM2.5化学组分在线监测仪输出的为小时数据，本研究中使用的均为小时数据。

图1 监测点位置

2 结果与讨论

2.1 烟花爆竹燃放对常规污染物浓度的影响

将春节期间的除夕、“破五”和元宵节中夜间烟花爆竹集中燃放的时段分别定义为S1(2015年2月18日12:00至2月19日12:00)、S2(2015年2月23日12:00至2月24日12:00)、S3(2015年3月5日12:00至3月6日12:00)，如图2所示，横坐标时间范围为2月17—25日和3月4—8日(以下简称为观测期间)。一般来说，当北京市主导风向为偏北风时，会带来上风向地区清洁的空气，认为扩散条件相对较有利；当北京市主导风向为偏南风时，容易带来上风向地区污染空气，认为扩散条件相对较不利；当风速较大、湿度较低时，有利于污染物的扩散，风速较弱、湿度较高时，则有利于污染物的积累和化学反应生成[9-11]。

图2 2月17—25日及3月4—8日的风速风向、相对湿度、能见度和各项污染物浓度

从扩散条件上来看，2月17日夜间至凌晨，北京市受较强的东北风控制，此时能见度较好，各项污染物浓度均处于较低水平，只有八达岭站的SO2浓度出现短时的峰值，可能是受到上风向的传输造成的。17日入夜至18日(除夕)凌晨，北京市主导风向转为西南风，同时湿度上升、能见度下降，各项污染物浓度均出现一个明显的峰值。

但18日凌晨至上午，北京市又转为较强的东北风控制，将之前积累的污染物清除至较低浓度，因此在18日夜间烟花爆竹集中燃放之前，污染物的起始浓度处于较低水平。S1时段，北京市始终受西南风和东南风控制，入夜后相对湿度持续上升，最高达到80%，属于不利的扩散条件；但在S1前期，北京市地面风速超过3 m/s，属于有利的扩散条件，因此整体来看S1中大气扩散条件属于一般偏不利的情况。烟花爆竹集中燃放开始后，能见度迅速下降，各污染物浓度明显上升。18日夜间18:00能见度为42.3 km，21:00已经降至7.5 km。良乡和官园CO在18日夜间21:00达到第一个峰值，下风向的怀柔CO在19日01:00时达到第一个峰值，且峰值浓度高于良乡和官园，表明烟花爆竹燃放对CO浓度有一定的影响，远离燃放区域的八达岭CO在19日02:00达到峰值，但峰值浓度明显低于其他站点(表1)。对SO2来说，各站点质量浓度在除18日的下午还处于5.0 μg/m3以下的低水平；19日01:00，良乡、官园和怀柔SO2质量浓度同时达到峰值，分别为148.5、142.7、313.8 μg/m3，分别是观测期间的5.6、4.8、16.0倍，表明烟花爆竹的燃放对SO2浓度具有显著影响。八达岭SO2浓度在夜间未出现峰值，直至19日10:00才达到峰值，质量浓度为74.2 μg/m3，远低于其他站点浓度，且出现时间明显滞后，表现出明显的受上风向传输影响的特征。对NO2来说，受偏不利扩散条件和烟花爆竹燃放的影响，各站点浓度在除夕夜间21:00积累至50～60 μg/m3并一直维持至S1时段结束，但NO2浓度并未在烟花爆竹集中燃放时段出现明显的高值。PM10和PM2.5的变化趋势一致，18日下午各站点的质量浓度还处于10.0 μg/m3以下，19日01:00，良乡PM10和PM2.5质量浓度分别达到851.5 μg/m3和730.5 μg/m3的峰值，官园PM10和PM2.5质量浓度分别达到428.4 μg/m3和343.4 μg/m3的峰值，02：00后，怀柔PM10和PM2.5浓度分别达到1 000 μg/m3和762.2 μg/m3的峰值，表明烟花爆竹的燃放对PM10和PM2.5有显著的影响。从表1也可以看出，S1中各站点烟花爆竹燃放时段的CO和NO2浓度峰值略高于观测期间的平均值，而SO2、PM10和PM2.5峰值浓度则明显高于观测期间平均值，其中良乡、官园和怀柔燃放时段PM2.5峰值浓度分别为观测期间平均值的5.2、3.1、7.1倍。

表1 各个阶段4个站点的各项污染物浓度

对S1时段的分析表明，烟花爆竹的燃放对PM10、PM2.5和SO2的影响最为显著，对CO和NO2也有一定的影响；怀柔同时还受上风向的传输影响，导致多项污染物的浓度峰值最高；远离燃放区的八达岭在烟花爆竹燃放时段的浓度峰值远低于其他站点，但受到偏不利气象条件和上风向传输的影响，各污染物浓度在S1时段也呈现积累的趋势。

S1时段后，19日中午至21日中午，北京市一直受弱偏南风控制，湿度保持在80%以上，扩散条件维持不利。在这期间能见度一直保持较低水平，PM2.5浓度也多维持在150 μg/m3以上，是一次持续性的重污染过程。21日下午，北京市受到一股较强冷空气的影响，伴随着5 m/s以上的西北风，能见度迅速提高，CO、NO2、PM2.5等污染物浓度迅速下降。但这股冷空气带来了外来沙尘的输送，怀柔和八达岭PM10质量浓度在21日夜间至22日凌晨连续6 h达到1 000 μg/m3，官园和良乡PM10质量浓度也超过500 μg/m3，是一次典型的外来沙尘入侵北京的过程。

S2时段前的强西北风将北京市及周边地区的污染物清除得较为干净；沙尘影响过后，北京市整体污染物浓度处于相对较低水平，只有CO和NO2等受本地机动车排放影响较明显的污染物出现过短时的峰值。整体来看，S2时段的起始浓度仍为较低水平，与S1类似。S2时段前期，北京市仍受较强西南风的控制，23日23:00时起主导风向转为弱东北风，湿度水平也与S1时段接近，所以S2时段整体扩散条件与S1时段相似。怀柔和官园各项污染物浓度在23日夜间22:00—23:00达到峰值，而下风向的良乡污染物浓度多在24日凌晨02:00—03:00达到峰值，同样表现出受传输影响的特征。S2时段中CO和NO2峰值浓度略高于S1时段，但SO2、PM10和PM2.5的峰值浓度远低于S1时段，表明S2时段中烟花爆竹的燃放量要低于S1时段。即使这样，良乡、官园和怀柔燃放期间的PM2.5峰值浓度也分别达到观测期间的1.7、3.1、2.4倍(表1)。

从3月4日中午开始，北京市主导风向转为西南风，湿度上升，伴随着能见度的下降和各项污染物浓度上升。S3时段开始时，污染物起始浓度要高于S1和S2时段，良乡、官园和怀柔PM2.5起始质量浓度均超过100 μg/m3。S3时段前期北京市同样受较强西南风控制，后期转为弱东北风，湿度水平和整体扩散条件与S1、S2时段均较相似。S3时段污染物浓度峰值多集中在20:00—22:00，与S1和S2时段相比有明显提前。从污染物来看，SO2、PM10和PM2.5受燃放的影响最为显著，良乡、官园、怀柔燃放时段SO2峰值浓度分别是观测期间的4.4、3.5、5.5倍；PM2.5峰值浓度分别是观测期间的2.5、1.8、2.6倍(表1)，是受到较高的起始浓度和烟花爆竹燃放共同影响的。S2、S3时段八达岭站污染物浓度峰值同样明显低于其他站点。

S3时段后，北京市持续受弱偏南风控制，扩散条件维持较不利，各项污染物在烟花爆竹燃放导致的较高浓度基础上进一步积累，出现一次重污染过程。这期间能见度保持较低水平，4个站点的PM2.5质量浓度多维持在200 μg/m3以上，直至3月8日下午，一股较强的冷空气入侵北京，伴随着3 m/s以上的东北风，污染物被迅速清除，能见度也达到较高水平。

2.2 烟花爆竹燃放对PM2.5化学组分浓度的影响

图3显示了观测期间监测中心七楼的PM2.5化学组分浓度变化。

图3 2015年2月17—25日以及3月4—8日监测中心点位PM2.5化学组分浓度

表2 各个阶段监测中心点位PM2.5化学组分质量浓度 μg/m3

表3 各时段中烟花爆竹燃放对大气污染物和PM2.5主要化学组分的平均贡献 %

注：气态污染物和颗粒物浓度为官园站监测数据。

3 结论

1)春节期间烟花爆竹集中燃放的3个时段，大气污染物扩散条件比较相似，均属于一般偏不利的情况。烟花爆竹的集中燃放会造成能见度的迅速下降和污染物浓度的迅速上升，其中对SO2、PM2.5和PM10的影响最为显著。S1时段除夕夜间良乡、官园和怀柔的SO2质量浓度峰值分别达到148.5、142.7、313.8 μg/m3，为观测期间平均值的5.6、4.8、16.0倍；PM2.5质量浓度峰值分别达到730.5、343.4、762.2 μg/m3，为观测期间平均值的5.2、3.1、7.1倍。

2)S1和S2时段，北京市受到一次较强的沙尘天气的影响，导致PM10浓度迅速升高，但清除了其他大气污染物浓度。S2和S3时段烟花爆竹燃放对空气质量的整体影响小于S1时段。S2时段良乡、官园和怀柔燃放期间的PM2.5峰值浓度分别达到观测期间的1.7、3.1、2.4倍；S3时段良乡、官园、怀柔燃放时段PM2.5峰值浓度分别达到观测期间的2.5、1.8、2.6倍。

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Study on the Effect of Burning of Fireworks on Air Quality in Beijing

WANG Zhanshan1, LI Yunting1, SUN Feng1, ZHANG Dawei1, QIU Qihong1, SUN Naidi1, PAN Libo2

1.Beijing Municipal Environmental Monitoring Center, Beijing 100048，China 2.State Key Lab of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China