烟花爆竹禁燃对春节期间东北地区空气质量影响评估

2018-09-04曹馨元何月欣陈卫卫张世春赵红梅张学磊

中国环境监测 2018年4期

曹馨元，何月欣,3，陈卫卫，张世春，赵红梅，张学磊

1.中国科学院东北地理与农业生态研究所湿地生态与环境重点实验室，吉林长春 130102 2.中国科学院大学，北京 100049 3.中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室，北京 100029

春节期间燃放烟花爆竹是中国传统的风俗习惯。然而，燃放烟花爆竹短时间能够向大气中排放大量污染物，不仅对空气质量造成影响，还将危害人体健康[1-3]。目前，中国对于燃放烟花爆竹造成严重空气污染的研究较多，主要包括污染物成分、影响因素以及危害作用等几个方面。研究表明，烟花爆竹燃放所释放的主要污染物成分是颗粒污染物(PM2.5、PM10)和气体污染物(SO2、NO2、CO等)，还有部分有机物及重金属，燃放过程中污染物的浓度值短时内大幅上升，通常会对空气质量造成极大影响[4-6]。烟花燃放过程中，除降低空气质量外，还将产生严重的噪声污染，同时可能造成眼部、脸部烧伤或呼吸系统、心血管疾病[7-8]。同时，通过常规污染物资料的分析表明，除烟花燃放量、烟花种类外，气象条件也是影响烟花爆竹污染的重要因素[9]。

2015年以来，东北地区关于禁限放及禁售卖烟花爆竹的政策日渐严格，但烟花燃放作为重要的文化传统在特定的场合下仍将长期存在，因此评估烟花爆竹燃放对污染物的贡献对于空气污染预报和大气污染控制具有重要意义。洪也等[10]分析了沈阳城区春节期间大量燃放烟花爆竹造成的大气污染状况，发现春节期间空气中污染物浓度明显升高，同时大气PM2.5中Ba、Sr、K等标识元素浓度也非常高。但是，目前对于禁限放政策实施后东北地区春节期间空气质量改善状况的研究较少。笔者基于2015—2017年春节期间(中国农历腊月二十九至正月初二)空气质量数据，结合气象因子，分析了东北地区多个监测点常规污染物浓度的时间变化规律和空间分布特征，对烟花爆竹禁限放政策的区域性作用进行了评估，旨在为东北地区烟花爆竹燃放政策的完善及春节期间空气污染控制提供参考，并为环境管理部门科学决策提供数据支持。

1 实验部分

1.1 研究区域

东北地区地理坐标为120～135°E、38～56°N，包括辽宁省、吉林省、黑龙江省以及内蒙古自治区四盟市(呼伦贝尔市、通辽市、赤峰市和兴安盟)，地处华北平原以北、内蒙古高原东部，总面积为147.33万km2；属温带湿润、半湿润大陆性季风气候，四季分明，夏季温热多雨，全年降水较少，主要集中在7、8月份；冬季寒冷漫长，最低温度达到-12～-19 ℃，冬季供暖期长达4～6个月，以煤炭作为主要取暖源。

1.2 数据来源和处理

1.2.1 地面数据

研究数据来源于全国空气质量历史数据库网站(http://beijingair.sinaapp.com/#messy)，其数据源为中国环境监测总站的全国城市空气质量实时发布平台。研究所分析的数据为2015—2017年春节期间东北地区179个点位(图1)的空气质量指数(AQI)和各常规污染物(PM2.5、PM10、CO、NO2、SO2、O3)质量浓度的逐时监测数据，这些点位包括区域背景、城镇、郊区、居住区、交通干道等不同的环境类型，所有点位全部经过GPS定位[11]。研究主要分析各常规污染物小时平均浓度和日平均浓度，主要研究时段为2015年2月17—20日，2016年2月6—9日以及2017年1月26—29日，即农历腊月二十九至正月初二。其中，2015年2月18日、2016年2月7日和2017年1月27日为除夕。

图1 东北地区监测点位分布Fig.1 Distribution of the observation sites

1.2.2 气象数据

研究通过中国气象数据网(http://data.cma.cn/site/index.html)和Weather Underground网站(http://simplifiedchinese.wunderground.com)获得东北地区2015—2017年春节期间温度、湿度、气压以及风速等气象资料[12]。

1.2.3 统计分析

研究采用函数绘图软件Origin 9.0对东北地区11个重要城市AQI值、常规大气污染物小时浓度值及气象数据进行了相关分析，利用空间分析软件ArcGIS 10.0克里格插值法对典型大气污染物(PM2.5、SO2)日均浓度值进行空间分析。克里格插值法是根据待插值点与临近实测高程点的空间位置，对待插值点的空间分布进行线性最优、无偏内插估计的一种方法[13]。克里格插值应用十分广泛，其插值的准确性通常取决于插值点的分布及选取范围内插值点的个数[14]。

2 结果与讨论

2.1 空气质量总体情况

2015—2017年春节期间(腊月二十九至正月初二)，长春、沈阳和哈尔滨3个省会城市的AQI均值变化趋势见图2，2017年较2015年分别下降了63.9%、51.2%和75.39%，空气质量由重度污染转为轻度污染。而其他8个城市AQI值变化并无一致性。2014年以来，中国各地陆续开展了烟花爆竹燃放的整治工作，东北地区40个地市中长春、沈阳和哈尔滨3个省会城市规定最为严格，而其他城市没有明确的禁放规定，因此空气质量改善并不明显。

图2 2015—2017年春节期间东北地区空气质量AQI对比Fig.2 Comparison of air quality index between cities in Northeast China during the Spring Festival from 2015 to 2017

同时，选取长春、沈阳、哈尔滨、赤峰4个东北最具代表性城市的常规污染物质量浓度均值(腊月二十九至正月初二)进一步分析空间变化规律。除赤峰外，其他3个城市颗粒物质量浓度均呈下降趋势，下降比例最高达到76%，气体污染物浓度值并无明显变化趋势，说明颗粒物浓度直接受到燃放烟花爆竹的影响，而其他污染物可能同时受到燃煤、机动车等其他污染源的影响(表1)。

表1 春节期间典型城市常规污染物浓度值Table 1 Concentrations of atmospheric pollutants during the Spring Festival in typical cities

2015年是长春市出台最严禁放令的第一年，明确规定了四环路内禁放烟花爆竹，因此长春市污染物浓度较其他城市相比降低了1.5～2.5倍。2016、2017年颗粒物浓度也因愈发严格的处罚措施而降低。哈尔滨和沈阳在2015—2017年规定除夕全天可燃放，其余时间限时燃放，与2015年相比，2017年PM2.5、PM10质量浓度分别降低0.45、0.37倍和4.23、0.81倍。由此可见，禁止燃放烟花爆竹对东北地区省会城市空气质量有较大改善。赤峰市自2014年起规定主城区内除夕和正月初一可不限时燃放烟花爆竹，赤峰市颗粒物浓度平均值与其他3个城市相比较高，同时，2017年与2016年相比有一个较为明显的上升趋势，说明大气中污染物的浓度不仅取决于污染源的排放，还有可能受到气象条件的影响。

2.2 污染物浓度小时变化趋势

对2015—2017年春节期间(2015年2月17—20日、2016年2月6—9日、2017年1月26—29日)逐时空气质量数据的统计分析结果见图3。

图3 2015—2017年春节期间长春、沈阳、哈尔滨市污染物浓度与气象要素变化Fig.3 Variation of air pollutant concentrations and meteorological conditions during Spring Festival in 2015-2017 (Changchun, Shenyang, Harbin)

2015年长春、沈阳、哈尔滨燃放烟花爆竹的时段较为集中， PM10浓度值从除夕夜18：00左右开始上升，新年凌晨时分燃放强度达到峰值。因此，初一05：00—06：00(部分城市在09：00左右)PM10浓度出现峰值，最高值分别为318、311、583 μg/m3；PM2.5浓度值变化与PM10基本一致，最高值分别达到268、245、482 μg/m3。高峰仅持续1～2 h后下降，于初二凌晨02：00左右有所回升，达到一个较小峰值。与2015年同期相比，2016、2017年3个城市污染物浓度均有不同程度的降低，空气质量均变为轻度污染。

SO2、CO与颗粒物浓度变化基本一致，除夕18：00开始上升，初一04：00—07：00达到峰值，随后下降，11：00左右再次达到一个小高峰。同时，SO2浓度值也随着颗粒物浓度值的变化逐年递减，同时段最高值仅为98 μg/m3。CO浓度值变化幅度也相对较大，最高增幅达到84.9%(哈尔滨,2015年)[15]。NO2浓度也有小幅度的增加，最高值约为燃放前的2.5～3.0倍。SO2、NO2浓度的增加，分别由烟花爆竹中硫磺和硝酸钾点燃后发生化学反应所致。而SO2由硫磺与氧气反应直接生成，NO2却由硝酸钾至少经3步反应获得，因此SO2的污染较NO2污染发生略早。另外，O3与其他污染物浓度的变化呈现负相关关系,这是因为产生O3的光化学过程需要消耗NO2、NO、CO等气体，因此会呈现此消彼长的现象[16]。

随着禁燃政策的逐渐完善和严格，空气质量的改善效果亦愈加明显。然而，长春市政策最为严格，污染物浓度最高值却超过了沈阳市，表明气象条件也是污染物浓度的主要影响因素。研究表明[5,10]，当地面风速稳定在3.0 m/s时，气象条件较稳定，不利于污染物扩散；同时，由于颗粒物在遇到较为潮湿的空气后，会由于吸附作用进行凝聚和增大，逐渐沉降到低层大气中并产生重污染，因此，较高的湿度同样不利于污染物的扩散；另外，由于冬季温度较低，冷空气活动频繁，地面气压上升，风速变大较有利于污染物扩散，反之则不利[17-18]。由图3可知，与相同峰值时段长春市气象条件相比，沈阳市的风速较高而湿度较低，相对较有利于污染物扩散。哈尔滨市污染物浓度最高，可能受到不利于扩散的气象条件、禁燃政策以及售卖烟花质量等多重影响。

2.3 城区与城郊PM2.5浓度对比

2015—2017年春节，长春、沈阳、哈尔滨3个城市的城区、城郊监测点PM2.5平均值(除夕20：00至初一08：00平均值)远大于对照监测点值(图4)，同时2015—2017年春节的PM2.5日均浓度值整体呈下降趋势。由于禁燃政策的实施，2015年长春市城区内禁止燃放烟花爆竹，因此城郊PM2.5浓度比城区内高27.9 μg/m3。而沈阳、哈尔滨允许主城区内燃放烟花爆竹，因此人口密集的市区较人口稀疏的郊区颗粒物浓度值更高。2016、2017年3个城市城区与城郊监测点间PM2.5浓度值差异减小，其一是由于春节期间大部分工厂停产、机动车数量减少，城市主要污染源的贡献整体下降[19]，其二是因为禁燃政策执行力度越来越严格，烟花爆竹售卖和燃放量减少[20]。

图4 2015—2017年春节期间长春、沈阳、哈尔滨城区和城郊及对照点位PM2.5浓度对比Fig.4 Comparision of daily mean PM2.5 concentrations between urban, suburban and backgound area during the Spring Festival in 2015-2017 (Changchun, Shenyang, Harbin)

2.4 污染物浓度空间变化

与2015年春节相比，2016、2017年污染物浓度总体呈明显下降趋势，见图5。2015年，东北地区南部污染较重，重污染区中心主要集中在以哈尔滨、长春、沈阳、赤峰为主的城市周围，重污染区域广、程度重。2016年污染物浓度显著下降，PM2.5仅在哈尔滨、赤峰、通化、白山附近形成小范围的高值污染区，SO2则主要在哈尔滨、长春、沈阳、赤峰等地形成高值区，虽然整个东北南部地区大面积PM2.5、SO2高浓度区依然存在，但浓度值已明显下降。直至2017年小范围浓度高值区依然存在，但整体情况较好，南部高浓度区面积缩小，仅在主要城市附近形成，高值区浓度值明显降低。

图5 春节期间东北地区PM2.5、SO2浓度空间分布Fig.5 The distribution of PM2.5 and SO2 concentrations during the Spring Festival

因东北地域条件特殊，在春节期间正是冬季燃煤取暖期，燃煤产生的PM2.5、SO2是首要污染源[21]，在对烟花燃放的研究中，成为不可忽视的背景干扰值。为更准确地表现东北地区污染状况，排除燃煤等其他污染源的排放干扰，将2015—2017年除夕与农历二十九(农历二十九晚20：00至三十08：00污染物浓度均值、三十晚20：00至初一早08：00污染物浓度均值)PM2.5和SO2浓度均值的差值进行空间插值(图6)。

2015—2017年农历二十八、二十九、三十3 d气象因素无剧烈变化(图3)，东北地区未出现大范围降水现象，因而研究认为利用差值结果并不会受到气象因素影响。从东北地区179个监测点除夕与农历二十九的PM2.5浓度差值空间分布来看，2015年以哈尔滨、长春、沈阳为中心的城市群PM2.5差值较大，烟花爆竹燃放量大造成主要城市污染物排放量增加，2016年以后禁燃政策力度加大，污染情况明显好转，除个别地区外除夕污染物浓度水平为70～100 μg/m2；赤峰所处位置接近京津冀区域，在气象条件下受其影响较大；SO2浓度空间分布演变与PM2.5分布基本一致。从各监测点位来看，2015年人口居住比较集中的地区受燃放影响明显，主要污染区域集中在省会城市周围形成城市污染群，然而在2016年后污染高值区转而向小城市发展，在省会城市附近反而形成污染物浓度值低谷。整体来看，春节期间燃放烟花爆竹对整个东北地区的空气质量影响呈下降趋势，但在周边小城市中禁燃政策的执行对空气质量的改善效果并没有哈尔滨、长春、沈阳等主要城市明显。