2016-2020年春节烟花爆竹燃放对绵阳市环境空气质量的影响

杜 娟 宋鹏程 霍婷婷

(1. 西南科技大学城市学院 四川绵阳 621010； 2. 四川省绵阳生态环境监测中心站 四川绵阳 621010；3. 西南科技大学环境与资源学院 四川绵阳 621010)

春节属于我国的传统节日，按照风俗习惯节日期间民众会燃放烟花爆竹。烟花爆竹中含有硫磺、木炭粉、硝酸钾(或氯酸钾)等物质[1]，短时间集中燃放会产生大量二氧化硫、一氧化碳和颗粒物，造成环境空气质量迅速恶化。另外，烟花制作过程中加入了无机盐及镁粉等，燃放产生的颗粒物中含有大量金属[2]、黑碳[3]和水溶性离子[4]等，能通过呼吸道进入人体肺部，危害身体健康。

近年来，许多学者进行了烟花爆竹燃放对环境空气质量影响的研究。杨志文等[1]研究发现天津市2015年春节期间烟花爆竹集中燃放对PM1，PM2.5，PM10和SO2的影响最为显著，燃放高峰期PM2.5浓度达到428 μg/m3，PM10的浓度达到714 μg/m3。罗银萍等[5]发现烟花爆竹燃放对PM2.5浓度影响最为显著，对NO2浓度影响较小，禁燃对燃放高峰期PM2.5浓度有明显削峰作用。杨峰等[6]研究发现，虽然春节期间气象因素对南京市污染物扩散具有较大影响，但禁燃烟花爆竹对PM2.5浓度的降低起决定性作用。另外，当气象扩散条件较好时[7]，烟花爆竹对环境空气质量影响较小；气象条件不利但政府管控措施到位时，烟花燃放的影响也能得到较好控制。显然，烟花爆竹禁燃和政府管控是减少污染的必要措施。

绵阳市地处四川盆地西北部，常年日照多、降雨充沛，相对湿度偏高，秋冬季大气层稳定，静稳天气频发，春节期间烟花爆竹集中燃放极易形成污染过程。本文基于2016-2020年春节期间环境空气质量监测小时浓度、日均浓度及空气质量指数(AQI)，分析绵阳市空气质量变化特征及烟花爆竹燃放对环境空气质量的影响，为后期精准化管控和生态文明建设提供依据。

1 数据来源及评价

绵阳市现有4个国控考核评价站点，分别为三水厂站(104.728 7°E，31.507 5°N)、市人大站(104.756 3°E，31.453 5°N)、高新区自来水公司站(104.669 7° E，31.466 8° N)和富乐山站(104.777 8° E，31.474 1° N)。2016-2020年绵阳市环境空气监测数据来源于中国环境监测总站(http://www.cnemc.cn/sssj/)空气质量发布APP数据(版本为Version 4.2.2)，其中，SO2， NO2，CO和O3为大气温度298.15 K、大气压力101.325 kPa下的质量浓度，颗粒物为监测时大气温度和压力下的质量浓度。气象数据来源于后知气象(http://hz.zc12369.com/home/meteorologicalData/dataDetails/)历史数据。春节一般为除夕至正月初三，为了更准确地说明烟花爆竹燃放对环境空气质量的影响过程，本文将研究时段扩大为除夕前一天至正月初四，包括2016年2月6日01时至12日00时，2017年1月26日01时至2月1日00时，2018年2月14日01时至20日00时，2019年2月3日01时至9日00时，2020年1月23日01时至29日00时。

空气质量指数(AQI)分为0～50，优；51～100，良；101～150，轻度污染；151～200，中度污染；201～300，重度污染；>300，严重污染，共计6个等级，AQI计算详见《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ 633—2012)。

2 结果与讨论

2.1 本地及周边城市环境空气质量变化特征

图1为2016-2020年绵阳市春节前后AQI和PM2.5日均浓度变化图。由于春节期间大部分工业、企业和建筑工地均停工，污染源排放较正常工况下降明显，而春节前后绵阳市环境空气质量指数(AQI)和PM2.5表现为先增加后下降的趋势，正月初一环境空气质量最差。2016年、2018年和2019年正月初一均为重度污染，AQI分别为228，226和212，自贡市[8]2016年、2017年正月初一也为严重污染，2018年、2019年均为重度污染。主要原因是除夕夜民众会进行烟花爆竹集中燃放，而燃放过程会产生大量的污染物，特别是PM2.5，若气象扩散条件不利或污染物超过环境容量，会使环境空气质量明显变差。

图1 2016-2020年绵阳市春节前后AQI和PM2.5日浓度变化Fig.1 Changes of AQI and PM2.5 daily concentrations before and after the Spring Festival in Mianyang from 2016 to 2020

尽管2017年四川省出现区域性污染过程，气象扩散条件不利，但绵阳市开始实施烟花爆竹管控，PM2.5和AQI整体增长较为缓慢，同时正月初一气象条件开始改善，绵阳仅为中度污染。2018年春节前后四川省也出现区域性污染过程，污染物扩散较为困难，在燃放烟花爆竹的影响下，正月初一PM2.5较除夕增长较为明显。2019年未出现区域性污染过程，绵阳市除夕PM2.5日均浓度仅为60 μg/m3，而正月初一骤变为160 μg/m3，正月初二又下降至77 μg/m3，说明2019年春节烟花爆竹燃放对PM2.5影响较明显。

为了更准确地说明春节期间燃放烟花爆竹对环境空气质量的影响，对成都、德阳、广元和遂宁等周边城市春节前后AQI和PM2.5变化情况进行了对比分析。由图2可知，2016年、2018年和2019年春节前后各周边城市的PM2.5和AQI变化趋势明显一致，在各地正常污染源排放减少、气象条件无异常突变的情况下，除夕夜烟花爆竹的集中燃放是空气质量变差的主要原因，正月初一PM2.5和AQI均表现为最高值。2016年广元市仅正月初一为中度污染，其余各天均为良，遂宁市为重度污染。2018年四川省内成都、德阳、绵阳等城市均受区域性污染影响，气象扩散条件较差，广元市虽未受到区域性污染影响，但受烟花爆竹燃放影响，正月初一为中度污染(AQI为158)，其余多天均为良。2017年四川省也出现区域性污染过程，春节前污染较为严重，而正月初一气象条件开始改善，污染过程开始减弱，所以周边城市烟花爆竹集中燃放的影响并未特别明显地显现。2020年春节前气象扩散条件相对较差，部分城市呈连续污染过程，春节时受冷空气影响，气象扩散条件改善，同时受新型冠状病毒肺炎疫情影响，工业企业、交通源、居民活动水平均下降明显，周边城市环境空气质量均为良，除德阳正月初一受到少量烟花爆竹燃放影响外，其余城市影响较小。

图2 2016-2020年绵阳周边城市春节前后AQI变化情况Fig.2 AQI changes before and after the Spring Festival in surrounding cities from 2016 to 2020

2.2 烟花爆竹燃放对气态污染物影响分析

图3为2016-2020年除夕前一天至初四SO2，NO2，CO和O3的小时浓度变化图。由于烟花爆竹中含有硫磺，烟花爆竹燃放后SO2浓度增长较为明显。2016-2019年SO2从除夕夜20∶00时开始增长，正月初一01∶00时达到峰值，峰值浓度分别为53，31，14，22 μg/m3，峰值浓度出现时间与烟花爆竹集中燃放时间较为吻合，说明烟花爆竹燃放对SO2影响较明显。天津市[9]2016-2017年春节期间烟花爆竹燃放后SO2的小时浓度峰值出现在除夕0∶00时，峰值浓度为412，103 μg/m3。东北地区[10]2015-2017年除夕夜SO2从18∶00时开始上升，正月初一04∶00-07∶00达到峰值，随后下降。2020年绵阳市SO2在02∶00时出现浓度峰值，仅为7 μg/m3，由于绵阳市SO2年均浓度偏小(2019年的年均浓度仅为5 μg/m3)，说明绵阳市2020年春节期间烟花爆竹燃放量少。

图3 2016-2020年春节前后气态污染物小时浓度Fig.3 Hourly concentrations of SO2, NO2, CO and O3 before and after the Spring Festival from 2016 to 2020

CO性质比较稳定，主要来源于燃烧过程，CO从除夕夜20∶00时开始迅速增长，与颗粒物浓度增长趋势完全吻合。2016年CO增长尤为明显，在正月初一01∶00时出现浓度峰值(3.2 mg/m3)，2019年在正月初一02∶00时达到峰值浓度(1.5 mg/m3)，由于该时段机动车尾气排放较小，CO浓度变化与烟花爆竹集中燃放时间吻合性较好。哈尔滨市[11]2016年春节烟花爆竹燃放期CO质量浓度也呈现先升高再降低的变化趋势，初一01∶00时达到最高值，浓度为3.2 mg/m3。2018年和2020年除夕夜CO增长不明显，峰值浓度均较低。显然，当烟花爆竹燃放量较大时对CO浓度影响较明显，而烟花爆竹燃放量较少时，CO增长不明显。

2016-2020年NO2均在除夕夜21∶00-23∶00时出现小时浓度峰值，而烟花爆竹集中燃放在除夕夜0∶00时左右，时间吻合性较差。近地面O3主要是前体物二次转化生成，同时与光辐射强度、温度等密切相关，O3相对高值主要集中在14∶00-16∶00时，夜间温度偏低，臭氧二次转化生成极少，而烟花爆竹集中燃放期间O3并未出现明显升高现象，说明烟花爆竹燃放对NO2和O3生成影响较少。

2.3 烟花爆竹燃放对颗粒物影响及管控效果分析

2.3.1 烟花爆竹燃放对颗粒物浓度影响分析

图4为2016-2020年春节前后颗粒物小时浓度变化图。由图4可知，春节期间颗粒物浓度变化趋势基本一致，均呈“锯齿形”波动，烟花爆竹燃放开始于除夕19∶00时或20∶00时，集中燃放于0∶00时。2016年绵阳市未实施烟花爆竹管控，除夕夜20∶00时颗粒物开始呈现快速增加，增长速率较快，初一03∶00时PM2.5和PM10同时达到浓度峰值，分别为367，417 μg/m3，PM2.5/PM10占比达到 0.88。

图4 2016-2020年春节前后颗粒物小时浓度Fig.4 Hourly concentrations of particulate matter before and after the Spring Festival from 2016 to 2020

2017年绵阳市在二环以内实施烟花爆竹禁燃和管控，虽然四川省出现区域性污染，扩散条件整体不利，但烟花爆竹禁燃后，颗粒物峰值浓度较2016年明显下降，烟花爆竹禁燃和管控起到了较好的削峰作用。2019年除夕22∶00-05∶00时呈静风天气，污染物扩散条件较差，除夕夜22∶00时出现轻度污染，PM2.5浓度仅为89 μg/m3，0∶00时呈重度污染，初一05∶00时PM2.5和PM10同时达到浓度峰值，分别为230，274 μg/m3。哈尔滨[11]2016年春节期间PM10在除夕夜23∶00 时也出现迅速增长，01∶00 时达到最大值(623 μg/m3)，合肥市[12]春节期间除夕夜0∶00时至初二10∶00时颗粒物处于高值，2016年、2017年春节期间PM2.5小时峰值浓度分别为445，257 μg/m3。

2020年绵阳市扩大了禁燃区域(表1)，同时受新型冠状病毒肺炎疫情影响，居民活动水平和交通运输源排放整体减弱。另外，除夕夜公安、城管、环保和社区政府等均加大了巡查和管控，初一02∶00时才出现轻度污染，无重度及以上污染，PM2.5，PM10峰值浓度仅为139，121 μg/m3(表2)，PM2.5质量浓度的小时浓度峰值较2016年和2019年分别减少67.0%和54.7%。江苏省[13]大部分城市2018年实行烟花爆竹禁燃后全省PM2.5，PM10浓度均值较2017年分别下降31.64%和28.36%。2018年春节期间京津冀及周边[14]烟花禁限放措施起到了显著的污染削峰作用，但与城区相比，周边郊县PM2.5浓度显著高于城区，城区监测点位受到郊县等周边地区烟花燃放的传输影响显著。显然，扩大烟花爆竹禁燃区域和加大春节期间烟花爆竹燃放管控能够有效减轻环境空气质量污染。为了使整体减排效果更加明显，需要继续扩大烟花爆竹禁燃区域，加强管控和巡查，同时周边区县及农村也需协同管控，以减轻周边区域对城区的污染输送。

表1 2016-2020年绵阳市烟花爆竹禁燃范围Table 1 Scope of fireworks prohibited in Mianyang City from 2016 to 2020

2.3.2 烟花爆竹燃放时颗粒物污染过程分析

2016-2019年除夕至正月初一污染时段超标污染物均为PM2.5，说明烟花爆竹燃放过程产生的主要污染物为PM2.5，将整个污染过程颗粒物浓度的增长速率定义为：

式中：PVPM为烟花爆竹燃放过程期间的颗粒物峰值浓度，μg/m3；initPM为污染过程起始时刻的颗粒物浓度，μg/m3；t为从污染过程起始时刻至出现峰值浓度时的时长，h；ΔPM为颗粒物浓度的增长速率，μg/(m3·h)。2016-2020年PM2.5的污染过程起始时间分别为除夕夜20∶00时、19∶00时、20∶00时、22∶00时和正月初一01∶00时，PM10的污染过程起始时间分别为除夕22∶00时、20∶00时、23∶00时、00∶00时，2020年PM10未出现污染过程。由表2可知，2016年和2019年PM2.5的峰值浓度偏高，同时PM2.5和PM10颗粒物增长速率明显高于其他年份，2016年出现重度及以上污染14 h，但是严重污染7 h。2019年出现重度及以上污染13 h，但是出现严重污染4 h，说明2016年和2019年居民烟花爆竹燃放量较大。

表2 2016-2020年春节期间烟花爆竹燃放污染过程统计Table 2 Statistics on the pollution process of fireworks and firecrackers in the Spring Festival from 2016 to 2020

2.4 气象条件对污染物扩散影响分析

污染物浓度变化除了受污染源排放影响外，气象条件也是重要因素。结合污染物浓度变化分析，烟花爆竹燃放主要影响除夕夜至正月初一，故对2016-2020年除夕14∶00时至初一14∶00时的气温、气压、相对湿度、风速和能见度等进行统计分析，如图5所示。由图5可知，2016-2020年该时段气象条件较为相似，温度均表现为先减少后增加的趋势，初一08∶00时达到最低值，2016年、2018年和2019年变化更加明显。相对湿度均表现为先增加后减少的趋势，初一08∶00时达到最大值。选择2016-2020年除夕14∶00-20∶00时为未燃放烟花爆竹阶段，除夕20∶00至正月初一14∶00时为烟花爆竹燃放影响阶段，2016-2020年未燃放烟花爆竹阶段平均气温为9.3～15.6 ℃，明显高于烟花爆竹燃放影响阶段(平均气温7.0～9.7 ℃)，而相对湿度均值(38%～53%)却低于烟花爆竹燃放影响阶段(60%～74%)，同时除夕14∶00时至初一14∶00时风速相对较小，大气压强变化不明显，无降雨清除作用，该气象条件不利于污染物扩散，当除夕夜烟花爆竹开始燃放后(约20∶00时)，大气能见度和温度不断降低，相对湿度不断增加，尤其是20∶00-08∶00时，高相对湿度有助于颗粒物进行吸湿性增长和二次转化生成[5]，使得颗粒物增加，加重了大气污染过程。

图5 2016-2020年除夕至初一绵阳市主要气象条件Fig.5 Meteorological conditions in Mianyang City from New Year’s Eve to New Year’s Day from 2016 to 2020

2.5 烟花爆竹燃放对PM2.5 浓度的贡献分析

由于CO相对稳定，参照文献[5-7]，假设研究过程中除烟花爆竹燃放外其余污染源排放相对稳定，选取受烟花爆竹影响较小的CO作为参考污染物浓度，采用污染物相对比值法定量分析烟花爆竹燃放对PM2.5的贡献量。

Mf=M-C×(Maver/Caver)

Mc=Mf/M×100%

式中：Mf为烟花爆竹集中燃放期对PM2.5的小时浓度贡献量，μg/m3；M为烟花集中燃放期的PM2.5的小时浓度值；Maver为非烟花爆竹集中燃放期PM2.5浓度平均值，μg/m3；C为烟花集中燃放时期的CO的小时浓度值，μg/m3；Caver为非烟花集中燃放时期的CO浓度平均值，mg/m3；Mc为烟花集中燃放期对PM2.5的贡献率，%。本研究烟花爆竹集中燃放期选除夕19∶00时至正月初一15∶00时，非烟花爆竹集中燃放期选用除夕前6 d。

结合计算结果(表3)，2016年绵阳市还未实行烟花爆竹禁燃，19∶00时烟花爆竹燃放已对PM2.5浓度有贡献，随着时间的增加，贡献量呈不断增加趋势，对PM2.5的贡献率也增加，在0∶00时集中燃放后对PM2.5小时浓度贡献尤为明显，正月初一04∶00时以后贡献量开始降低。2017-2020年烟花爆竹禁燃和管控后在0∶00时集中燃放后才对PM2.5浓度开始有贡献。2016-2020年烟花爆竹燃放期对PM2.5平均贡献量12～122 μg/m3，贡献率16.2%～58.7%，2016年和2019年烟花爆竹燃放对PM2.5贡献值尤为明显，2020年贡献值最小。

表3 春节期间烟花燃放对PM2.5 浓度的贡献值Table 3 Contributions of fireworks to PM2.5 concentration during the Spring Festival(to be continued)

续表3 春节期间烟花燃放对PM2.5 浓度的贡献值Table 3 Contributions of fireworks to PM2.5 concentration during the Spring Festival(continued)

3 结论

(1)春节期间烟花爆竹燃放导致绵阳市环境空气中污染物浓度短时间内迅速升高，集中燃放对SO2、颗粒物影响尤为明显，但对NO2和O3影响较少，烟花爆竹燃放主要影响除夕至正月初一，超标污染物为PM2.5。

(2)结合春节期间颗粒物浓度变化特征、颗粒物增长率和烟花爆竹燃放对PM2.5贡献值综合分析，2016-2020年烟花爆竹燃放期对PM2.5平均贡献量12～122 μg/m3，贡献率16.2%～58.7%，2016年和2019年烟花爆竹燃放对PM2.5平均贡献量尤为明显，2020年对PM2.5平均贡献量最小。

(3)2017-2019年绵阳市仅在城区二环内进行烟花爆竹禁燃，2020年扩大禁燃区域，同时强化了烟花爆竹管控和夜间巡检，整体管控效果较好，无重度及以上污染出现，建议今后继续扩大烟花爆竹禁燃区域，加强烟花爆竹管控，减轻空气污染。