张家界城市主要污染气体“周末效应”和“假日效应”研究

管 睿，郑凯莉，黄 毅*

（ 1．吉首大学 数学与统计学院 吉首 416000；2．吉首大学 旅游与管理工程学院 张家界 427000 ）

0．引言

大气污染已经严重危害到人类的生存和发展。我国作为发展中国家，随着经济发展和城市化进程的加快，城市空气质量日益恶化，黄淮海地区、长江三角洲、四川盆地和珠江三角洲形成了中国四大灰霾区[1]。城市空气污染问题不仅影响大气能见度[2-3]，对人类的身体健康也有极大危害[4-5]，同时还会影响旅游产业发展[6]。

随着旅游产业的快速发展，其带来的负面环境影响也逐渐被人们重视。人类旅游活动的影响与空气质量是一种交互式关系[7]，二者存在高度的相关性。一方面，空气质量的好坏会影响人们旅行目的地选择[8]，如果某景区或城市空气质量恶化，相应的旅游接待量的增长会有所减缓[9]；另一方面，旅游休闲活动又会给大气环境带来种种影响，影响空气质量[10-12]。人类活动导致污染物浓度呈现出一定的周期性变化，比如“周末效应”[13]。而重要节假日期间的旅游休假活动，也会改变人们短期内生产、生活和出行方式，尤其是对旅游城市的影响更为显著，其对空气质量的影响称为“假日效应”。旅游者外出旅游是为了享受优美的环境，彻底放松心情。越来越多的实践证明，生态环境的破坏使得曾经著名的旅游胜地吸引力不断下降，而那些自然环境保持良好，生态破坏较小的旅游地越来越受到游客的青睐。了解城市空气污染物的时间变化规律，特别是生态旅游城市，是科学有效地制订相关防治保护措施的前提，可有效地支持相关部门采取分时段的污染物排放控制措施，是确保城市可持续发展的重中之重。目前，关于污染物时间变化规律的研究多集中在大城市[14-17]。而对于一些小城市，尤其是生态旅游城市的空气污染物随时间变化规律的研究较少[18-20]。

张家界作为生态旅游重点城市，伴随旅游业的快速发展，与之相应的环境，尤其是城市空气质量问题是其将要面对的主要问题。由于人们生活水平和消费观念的改变，周末和节假日，大量游客短时涌入到张家界旅行观光，在较小的空间上集聚，不仅造成当地交通拥堵，增加当地人们的社会生产活动，还给当地环境产生严重的负面影响，不利于旅游业的可持续发展。因此，针对张家界市节假日旅游人数短暂增多，本文拟通过分析张家界市空气质量监测站点连续监测污染数据，对污染物在工作日、周末、节假日的浓度变化特征进行对比分析，研究人类的生产生活方式及生活规律对污染物浓度和空气质量的影响，为旅游城市大气环境保护与防治提供参考。

1．数据来源与处理

1．1．数据来源

为了研究张家界市大气环境污染物浓度变化规律存在什么样的特征，是否存在“周末效应”，“假日效应”等现象。选取张家界市主要大气污染物CO、SO2、NO2、O3、PM10和 PM2.5的小时数据（2016年1月1日～12月31日），每种污染物数据长度为8784个。污染物浓度数据来源于中国环境监测总站全国城市空气质量实时发布平台，空气质量标准采用2016年在全国全面实施的《环境空气质量标准》（GB3095-2012）。对于部分缺失数据，采用前后同时刻污染物浓度的加权平均值。

1．2．数据处理

主要采用对比分析的方法，利用双休日制度将污染物浓度划分为工作日（周一到周五）和周末（周六和周日）两类，对2016年张家界市的CO、SO2、NO2、O3、PM10和PM2.5浓度数据进行整理，分析了张家界市工作日和周末污染物浓度的日变化特征。另外，国庆假期最长经过与周末进行调休，会有长达7天的假期。因此，本研究选取国庆长假的PM10、PM2.5和CO为研究对象，将时间段2016年9月24～30日作为假日前，10月1～7日作为假日期间，10月8～14日作为假期后，进行对比分析。。

2．结果与分析

2．1．周末效应

经整理和数据质量控制后，CO、SO2、NO2、O3、PM10和PM2.5在工作日和周末的平均浓度日变化特征如图1所示。CO、NO2、PM10和PM2.5的日变化曲线呈现双峰型结构，周末浓度明显低于工作日浓度的周末效应；而SO2和O3的日变化曲线表现为单峰型，周末浓度略高于工作日的周末效应。

图1中PM10与PM2.5浓度曲线波动基本一致，表现出先上升，后下降再上升再下降的双峰特征。峰值分别出现在11:00和22:00，工作日浓度较高于周末浓度，PM10在18:00后，最高浓度达到92.71 ug/m3。同时周末浓度要略高于工作日浓度，这可能与近两年张家界市大力发展基础建设（武陵山大道修建、高铁建设、棚改项目等），周末相关建设活动产生的扬尘增多有关。工作日由于每天早上8、9点是上班交通高峰期，同时由于太阳辐射的增强，大气中复杂的光化学反应加剧，PM10与PM2.5浓度开始上升，到11点左右达到一个峰值（PM10：84.95 ug/m3，PM2.5：51.68 ug/m3）均超过国家一级标准。下午时段PM10与PM2.5浓度一般较低，因为此时是一天中扩散条件最好的时段。晚上，PM10与PM2.5浓度较容易出现高值，主要是由于晚高峰时期尾气排放导致污染物浓度持续上升；另外，随着太阳辐射减弱，边界层高度降低，容易形成逆温层，且风速在23:00左右时达到最低[21]，使得颗粒物在近地面持续累积，导致空气中的PM10与PM2.5污染物不能有效地扩散，PM10与PM2.5浓度在23:00左右出现最大值。之后由于人类活动及污染源减少，PM10与PM2.5浓度开始下降。

SO2是痕量气体的一种，是全球硫循环中的重要成分，大气中SO2浓度过高，其本身或通过化学反应参与生成的细粒子会危害人类身体健康。SO2浓度变化呈单峰型（图2），工作日浓度（7.28 ug/m3）与周末浓度（7.24 ug/m3）相差不大。凌晨大气边界层高度低且稳定，大气中前一天积的SO2浓度较高，在日出后，随着大气边界层的不断发展，SO2气体随着大气整体逐渐向垂直方向混合扩散，原本近地面的SO2本应该得到稀释，但由于早高峰机动车尾气排放的增加，使得近地面SO2浓度迅速上升，在9:00左右达到最大值（工作日：9.29 ug/m3，非工作日：9.25 ug/m3）。随后由于太阳辐射的增强，大气中的各种反应物增多，同时伴随剧烈复杂的光化学反应，不断消耗SO2，导致地面浓度迅速下降。在18点左右，由于晚高峰的到来，SO2有很小幅度的上升。而20:00以后，由于污染源的减少，SO2持续减少，但由于光化学反应弱化，其减少速度很慢。

图1 2016年张家界市PM10与PM2.5浓度日变化曲线Fig.1 Diurnal variation of PM2.5and PM10in Zhangjiajie,2016

从全年的变化来看，CO的日变化浓度呈双峰型（图2），分别在9:00出现第1个峰值（工作日：1.82 mg/m3，非工作日：1.66 mg/m3），在 20:00～22:00之间出现第2个峰值（工作日：1.71 mg/m3，非工作日：1.72 mg/m3）。第1个峰值明显高于第2个峰值，这主要是因为机动车尾气排放对CO浓度的影响很大，早上上班高峰期交通流量大于晚上交通流量。NO2浓度的日变化与CO变化曲线类似，2016年张家界市NO2浓度呈双峰型分布。早上的峰值与交通早高峰（7:00～10:00）比较一致，夜间的峰值可能与夜间NO和O3反应生成NO2、而NO2光解反应停滞而逐渐积累有关[22]。另外，周末NO2浓度比工作日偏低（工作日：21.64 ug/m3，非工作日：20.89 ug/m3），表现出“反周末效应”，有关文献表明这与人类在周末和工作日的作息安排差异密切相关，同时特殊的气象条件也可能有一定的影响[23]。

O3的“周末效应”是Cleveland等[24]在1974年提出的，即周末的一些O3前体物（VOCs、CO和NOx）浓度水平降低，但O3浓度值却明显增加的现象。O3日分布呈现倒U型的特征（图2），且白天浓度明显高于夜间，周末浓度略高于工作日浓度，二者具有共同的波动特征。张家界作为世界性自然景观旅游城市，植被覆盖率高达90%以上，而植物在生理过程中向大气释放大量活性很强的挥发性有机物（VOC），其在一定光照条件下可通过光化学反应生成O3。在夜间由于受较弱光照、较低温度影响VOC生产O3的化学反应较弱，同时NO不断地消耗O3，导致00:00～8:00期间O3浓度较低。9:00开始受太阳辐射影响，O3浓度缓慢上升，午后太阳辐射最强，大量植物释放的VOC在二次光化学反应作用下于16:00左右生成O3，浓度达到最大值，之后随着太阳辐射强度的减弱又继续降低。另外，张家界市2016年周末峰值O3浓度比工作日峰值浓度高2.29%，峰值出现时刻无明显差异。可见，张家界市存在O3“周末效应”。

图2 2016年张家界市SO2、CO、NO2与O3浓度日变化曲线Fig.2 Diurnal variation of SO2,CO,NO2and O3in Zhangjiajie,2016

2．2．假日效应

2016年国庆期间，张家界市各景点共接待游客213.92万人次，同比增长32.75%，旅游收入14.07亿元。全市接待游客景点增多，周边景区接待量陡增，导致交通运力增加，公路客运游客高达61.9万人，且以自驾游为主，国庆期间共接待自驾游14.44万台次。国庆期间旅游活动显著增加，大气污染物质量变化如图3所示。国庆期间PM10与PM2.5日均浓度趋势基本一致，且浓度波动幅度较大。10月1日PM10、PM2.5浓度有所上升，PM10在10月6日达到最大值，为101.08 ug/m3，PM2.5在10月7日达到最大值64.51 ug/m3，接近国家二级标准。国庆假期期间，PM10和PM2.5在10月2日和10月7日出现浓度“双峰”。CO日均浓度呈缓慢增长趋势，峰值在10月7日出现，为1.28 mg/m3，这主要与节假日期间车流量大，机动车行驶速度慢，怠速时间增长，尾气排放量增加有关。

国庆假期前，受特殊气象条件影响，PM10（84.51 ug/m3）、PM2.5（57.84 ug/m3）和 CO（1.67 mg/m3）的浓度值均高于国庆期间，分别高出国庆期间平均浓度7.93%、20.79%和50.91%。国庆假期期间，由于旅游活动增加，污染物排放增多，PM10、PM2.5和CO均有上升趋势。国庆后，CO浓度继续上升，但PM10与PM2.5有所下降，分别下降了9.96%、7.76%。

国庆假期期间，PM10浓度进行日变化如图4所示。凌晨到4:00，PM10浓度不断下降。从4:00开始，PM10浓度逐渐增加。尤其在9:00～10:00期间，市区到景区的交通运力不足，导致大量机动车辆怠速前进，PM10通过尾气排放到空气中，在正午达到最大值（101.57 ug/m3）。随后由于大量游客进入景区，车流量相对减少，尾气排放减少，及植被对颗粒物的吸附作用，从而使得PM10浓度迅速下降，直到17:00达到最低值（60.71 ug/m3）。随后PM10浓度再上升，而在20:00-23:00间，PM10浓度继续保持上升的趋势。这可能与旅游结束后，游客返城，运行机动车辆增多，及夜间餐饮、娱乐休闲活动增加有关。

图3 2016年张家界市国庆假期前后PM10、PM2.5与CO浓度曲线Fig.3 The variation of PM10,PM2.5,and CO before and after national holiday in Zhangjiajie,2016

3．结论

（1）2016年张家界市大气6种主要污染物（CO、SO2、NO2、O3、PM10和 PM2.5）均表现出明显的周末效应，其中O3周末浓度高于工作日浓度，SO2周末浓度与工作日浓度相差不大，其他污染物工作日浓度均高于周末浓度。

（2）国庆假期期间，PM10、PM2.5和 CO的日均浓度均有增长趋势。

（3）假期期间PM10浓度日变化曲线呈双峰型，第一个峰值出现在正午左右，之后PM10浓度不断下降。随后PM10浓度再次上升。

图4 2016年张家界市国庆期间PM10浓度日变化曲线Fig.4 Diurnal variation of PM10during the national holiday in Zhangjiajie,2016

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