2021年春节期间陕西省烟花爆竹燃放对PM2.5的影响

吕 婧，刘旗龙，高 飞，曹 磊，沈振兴，李毅辉，陈 浩，张 淳，关建玲

1.陕西省环境监测中心站，陕西 西安 710054 2.西安交通大学，陕西 西安 710049

随着2012年《陕西省烟花爆竹燃放安全管理规定》的颁布和实施，陕西省烟花爆竹禁燃限燃工作逐步推进，然而春节期间空气质量短时快速恶化现象仍未得到彻底改善。近年来，诸多学者针对陕西省烟花爆竹燃放对空气质量的影响开展了相关研究。徐衡等[1]对2014年春节期间宝鸡市PM2.5浓度进行了分析，发现春节期间的PM2.5浓度显著高于春节前和春节后，分别是两者的1.30倍和1.86倍，并于初一凌晨02：00达到峰值。周变红等[2]对2018年春节期间宝鸡市的大气颗粒物粒径分布特征进行了分析，发现烟花爆竹集中燃放期间，粒径为>0.25～1.00、>1.00～2.50、>2.50～10.00 μm的颗粒物的数浓度分别比非烟花爆竹燃放期间高2.4、1.5、1.6倍。曹夏[3]对2018年春节期间宝鸡市黑碳变化特征进行了分析，发现烟花爆竹燃放期间的黑碳小时平均浓度是非烟花爆竹燃放期间的1.9倍。黄少妮等[4]对2017年春节期间西安市环境空气质量指数6参数和气象条件进行了分析，发现除夕夜间大量燃放烟花爆竹会导致PM10和PM2.5质量浓度短时骤增，气象条件对空气质量有明显影响。王雯燕等[5]结合大气环流形式和地面层结条件,分析了2014年春节烟花爆竹燃放对西安市空气质量的影响，发现地面低压、接地逆温等不利气象条件是空气质量转差的原因之一。上述研究对陕西省烟花爆竹燃放的大气环境影响的分析范围仅局限于个别城市或站点，研究内容主要停留在对站点空气质量突变情况、粒径特征和气象条件等的分析上。而京津冀等其他地区相关研究的研究内容更为全面，对微量元素、有机碳、元素碳、水溶性离子、单颗粒化学组分和光化学特性等方面均有研究，研究范围也从站点、城市扩展至区域[6]。

2021年春节期间，为应对PM2.5等污染物浓度突增导致空气质量快速恶化的问题，陕西省各级政府进一步加大烟花爆竹燃放管控力度，积极部署落实烟花爆竹燃放管控工作，然而空气质量快速恶化现象仍未得到明显改善。为明确空气质量变差的原因，本文通过分析2021年春节烟花爆竹集中燃放时段陕西省主要城市的PM2.5浓度特征，西安市的PM2.5组分特征，烟花爆竹燃放对各主要城市城区和郊县PM2.5的贡献量和贡献率，各主要城市城区与郊县的PM2.5浓度空间离散系数，明确烟花爆竹集中燃放时段的PM2.5浓度恶化情况、污染来源、烟花爆竹燃放贡献率及郊县对城区PM2.5浓度的影响，以期为陕西省春节期间大气污染防治工作提供技术支撑。

1 数据来源及研究方法

1.1 数据来源

选取陕西省10个设区城市(包括西安市、宝鸡市、咸阳市、铜川市、渭南市、延安市、榆林市、汉中市、安康市和商洛市)作为研究对象。PM2.5浓度数据来源于陕西省环境空气质量监测联网管理平台(城区使用国控站点数据，郊县使用省控站点数据)，西安市PM2.5组分监测数据(包括水溶性阴、阳离子，元素碳，有机碳，金属离子等)来源于陕西省大气综合实验室。分析时段包括2021年2月11日12：00—18：00(除夕下午，非烟花爆竹集中燃放时段)和2021年2月11日19：00—12日14：00(除夕夜间至初一下午，烟花爆竹集中燃放时段)。

1.2 监测站点、主要仪器及质控措施

陕西省大气环境监测网由177个省控环境空气质量监测站、55个国控环境空气质量监测站和1个大气超级监测站组成。其中，国控和省控空气质量监测站配备的仪器主要为空气质量指数常规六参数监测仪，大气超级站配备的颗粒物组分监测仪器主要包括在线离子色谱监测仪、OC/EC在线监测仪、重金属监测仪等，详见表1。

表1 监测仪器信息统计表Table 1 Statistics of monitoring instrument information

陕西省国控和省控站点均按照《环境空气质量监测点位布设技术规范(试行)》(HJ 664—2013)的要求布设，站点内所有PM2.5监测设备的安装验收和日常运维工作均按照《环境空气颗粒物(PM10和PM2.5)连续自动监测系统安装和验收技术规范》(HJ 655—2013)和《环境空气颗粒物(PM10和PM2.5)连续自动监测系统运行和质控技术规范》(HJ 817—2018)的要求开展。

1.3 数据分析方法

1.3.1 烟花爆竹燃放对PM2.5的贡献量和贡献率

烟花爆竹燃放期间，为尽可能地排除气象因素的影响，选取较为稳定的CO作为大气扩散条件变化的参考指标[6-10]，计算方法见公式(1)和公式(2)：

Ma=M-Maver×(C/Caver)

(1)

Mc=Ma/M×100%

(2)

式中：Ma为在烟花爆竹集中燃放时段，烟花爆竹燃放对PM2.5的贡献量，μg/m3；M为烟花爆竹集中燃放时段的PM2.5浓度，μg/m3；Maver为非烟花爆竹集中燃放时段的PM2.5浓度平均值，μg/m3；C为烟花爆竹集中燃放时段的CO浓度，mg/m3；Caver为非烟花爆竹集中燃放时段的CO浓度平均值，mg/m3；Mc为在烟花爆竹集中燃放时段，烟花爆竹燃放对PM2.5的贡献率，%。该方法假设非烟花爆竹集中燃放时段不存在烟花爆竹燃放现象且未发生显著的污染气团传输现象，同时假设18：00之后开始燃放烟花爆竹。

1.3.2 空间离散系数

空间离散系数可以表征不同区域之间的差异性[11]，其取值范围为0～1，越趋于0表明差异越小，计算方法见公式(3)：

关键词能简明扼要概括文章的主题，通过分析关键词可以全面了解某一领域的研究过程和特点，把握研究热点和发展趋势。通过分析关键词间的轻疏关系，进而了解某一主题的研究侧重点。通过对关键词的出现频率进行分析，发现关键词出现频次依次为：白花前胡、白花前胡甲素、高效液相色谱法、前胡、化学成分、紫花前胡、白花前胡乙素、伞形科、白花前胡丙素、HPLC、含量测定、白花前胡甲醇提取物、脑缺血再灌注、质量标准、药动学、血管活性、总香豆素、药理作用、提取工艺、种子、香豆素、正交试验、挥发油等。

(3)

式中：f代表地级市；h代表地级市所辖县(市、区)；CODfh为f市h县(市、区)的离散系数；xi为污染物i的浓度值，μg/m3；n为进行比较的总数据量。

2 结果与讨论

2.1 陕西省春节烟花爆竹集中燃放时段PM2.5浓度特征

陕西位于我国西北内陆，北部为黄土高原，南部为秦巴山地，中部为关中平原。受地形、气候、经济发展差异的影响，三大区域冬季污染状况不尽相同，在烟花爆竹燃放前期的PM2.5浓度也差异较大。同时，由于烟花爆竹燃放管控力度的差异，三大区域受烟花爆竹燃放影响后的PM2.5浓度也表现出不同的特点(表2)。

表2 陕西各市烟花爆竹集中燃放时段和前期非集中燃放时段PM2.5情况统计Table 2 Statistics of PM2.5 in centralized discharge period and earlystage of fireworks and firecrackers in Shaanxi cities μg/m3

2.1.1 关中地区

关中地区北有黄土高原、南有秦岭、西有陇山，三者围绕该地形成了天然的“口袋”，加上独特的盆地地形，导致该地易出现风速较小、静风频率较高的天然不利扩散条件[12-14]。同时，关中地区生产总值和人口总量都占陕西全省的三分之二以上，区域产业结构整体偏重，大型石化、煤化、发电企业众多，导致污染物排放量居高不下[15]。2月11日18：00，关中5市(西安市、宝鸡市、咸阳市、铜川市和渭南市)PM2.5小时浓度平均值为158 μg/m3，达到了重度污染水平。在烟花爆竹集中燃放时段，关中地区PM2.5峰值浓度的平均值为350 μg/m3，比2月11日18：00的PM2.5小时浓度增加了192 μg/m3，存在明显的突增现象。各市PM2.5峰值浓度(表2)在168～582 μg/m3之间。除铜川外，绝大多数城市PM2.5峰值出现的时间均在12日上午。关中大部分地区国控站点所在城区的烟花爆竹燃放管控措施落实较好，本地污染物排放量较小，但后续受到周边郊县烟花爆竹燃放污染物传输的影响，其PM2.5峰值出现的时间存在一定的滞后性。其中，咸阳市污染情况最重，集中燃放时段的PM2.5平均浓度为435 μg/m3，PM2.5小时峰值浓度达到了582 μg/m3，严重污染水平持续了11 h。

关中地区受污染物排放量大，以及不利于扩散的地形条件和高湿静稳气象条件等的影响，在烟花爆竹集中燃放时段呈现出PM2.5污染级别高、增幅大、高值持续时间长和峰值出现时间滞后的特征。

2.1.2 陕北地区

陕北地区位置偏北，地势开阔，受冷空气影响频次较高，扩散条件较好[15]。2月11日18：00，陕北2市(榆林市和延安市)PM2.5小时浓度均值为26 μg/m3，达到优等级。在烟花爆竹集中燃放时段，陕北地区PM2.5峰值浓度的平均值为111 μg/m3，达到轻度污染水平，比2月11日18：00的PM2.5小时浓度增加了85 μg/m3，也出现了突增现象。各市PM2.5小时峰值浓度(表2)在82～140 μg/m3之间，峰值的出现时间均在12日凌晨，推测可能是受到了集中燃放的直接影响。其中，延安市在集中燃放时段的污染最重，PM2.5平均浓度为82 μg/m3，PM2.5小时峰值浓度达到了140 μg/m3，中度污染水平持续了5 h。

陕北地区受较利于扩散的地形和气象条件等的影响，在烟花爆竹集中燃放期呈现出污染级别低、PM2.5增幅小和峰值出现时间早的特征。

2.1.3 陕南地区

陕南地区工业化水平较低，污染物排放量较小，但区域内多数城市处于盆地之中，扩散条件较差[16]。2月11日18：00，陕南3市(汉中市、安康市和商洛市)PM2.5小时浓度均值为74 μg/m3，达到良等级。在烟花爆竹集中燃放时段，PM2.5峰值浓度的平均值为342 μg/m3，达到轻度污染水平，比2月11日18：00的PM2.5小时浓度增加了268 μg/m3。各市PM2.5峰值浓度(表2)在194～418 μg/m3之间，峰值的出现时间在11日夜间和12日凌晨，推测可能是受到了集中燃放的直接影响。其中，汉中市在烟花爆竹集中燃放时段的污染最重，PM2.5平均浓度为293 μg/m3，PM2.5小时峰值浓度达到了415 μg/m3，严重污染水平持续了11 h。

陕南地区受不利于扩散的地形条件及高湿静稳气象条件等的影响，在烟花爆竹集中燃放时段呈现出PM2.5污染级别高、增幅大和峰值出现时间早的特征。

2.2 西安市春节烟花爆竹集中燃放时段PM2.5组分特征

2.2.1 水溶性离子特征

2.2.2 金属离子特征

为了达到闪光的效果，烟花爆竹中还会加入Al、Mg等金属粉末及钡盐、锶盐、铜盐等无机盐类[20]。2021年春节烟花爆竹集中燃放时段，西安市PM2.5中的烟花爆竹燃放指示性金属离子Al3+、Cu2+、Si2+、Ba2+的浓度分别为2.91、0.23、0.27、0.86 μg/m3，较非集中燃放时段分别增加了2.91、0.23、0.26、0.83 μg/m3，增幅明显(图2)。这一分析结果进一步验证了该时段西安市PM2.5浓度突增是受到了烟花爆竹燃放的影响。

图1 西安市烟花爆竹集中燃放时段和前期非集中燃放时段PM2.5中水溶性离子浓度占比Fig.1 Proportion of PM2.5 water soluble ion concentrationin centralized discharge period and early stage offireworks and firecrackers in Xi’an

2.3 烟花爆竹燃放对陕西省主要城市PM2.5的贡献

由于烟花爆竹燃放期间的CO浓度受烟花爆竹燃放的影响较小，而PM2.5浓度变化明显，因此，可将CO作为参考污染物，利用公式(1)和公式(2)计算出该时间段烟花爆竹燃放对陕西省10个主要城市城区PM2.5的贡献。

通过对烟花爆竹燃放对陕西省10个主要城市城区PM2.5的贡献进行分析(表3)，发现烟花爆竹燃放对陕西省10个主要城市城区PM2.5的贡献率在29%～167%之间，其中，对陕南地区3个城市的贡献率最大，对陕北和关中地区各城市的贡献率基本相当；烟花爆竹燃放对陕西省10个主要城市城区PM2.5的贡献量在25～190 μg/m3之间，其中，对陕南地区汉中市(190 μg/m3)、安康市(92 μg/m3)和关中地区咸阳市(182 μg/m3)3个城市的贡献量最大。对陕南3个城市的贡献率和贡献量均较高，可能与该地区城区烟花爆竹燃放管控力度不够和盆地地形所致的扩散条件较差有关。

表3 烟花爆竹燃放对陕西省各主要城市城区PM2.5的贡献量和贡献率Table 3 Statistics of contribution amount and contribution rate of fireworks andfirecrackers to PM2.5 in cities of Shaanxi Province

烟花爆竹燃放对陕西省10个主要城市城区和郊区PM2.5的贡献率的小时变化趋势(图3)显示，在大部分城市，烟花爆竹燃放对城区PM2.5的贡献率低于郊县，同时对郊县的贡献率正值的出现时间也早于城区。这说明各城市城区所采取的禁放措施效果明显，但城区PM2.5浓度依然受到郊县烟花爆竹燃放污染传输的影响。

图2 西安市烟花爆竹集中燃放时段和前期非集中燃放时段PM2.5中金属离子浓度占比Fig.2 Proportion of metal ion concentration in PM2.5 in centralizeddischarge period and early stage of fireworks and firecrackers in Xi’an

图3 烟花爆竹燃放对陕西省各主要城市城区与郊县PM2.5贡献率的小时变化趋势Fig.3 Hourly variation trend of contribution rate of fireworks to PM2.5 inurban areas and suburban counties of Shaanxi Province

2.4 郊县烟花爆竹燃放对城区空气质量的影响

2021年春节期间，陕西省辖区内各级政府虽颁布并严格落实了禁燃限燃措施，但受周边烟花爆竹非禁放区污染物扩散传输的影响，各城市城区仍出现了污染物浓度突增现象。利用公式(3)计算2021年烟花爆竹集中燃放时段陕西省10个主要城市的城区与郊县PM2.5浓度的空间离散系数(图4)，进而明确郊县烟花爆竹燃放与城区空气质量的联系。城区与郊县的离散系数越小，说明该郊县对城区的影响越大。

图4 陕西各市城区与郊县PM2.5浓度的空间离散系数Fig.4 Spatial dispersion coefficient of PM2.5 concentration in citiesand suburban counties in Shaanxi Province

图4显示：2021年春节烟花爆竹集中燃放时段，西安市的经开区和阎良区对其城区PM2.5浓度的影响较大；宝鸡市的高新区、陈仓区和眉县对其城区PM2.5浓度的影响较大；咸阳市的泾阳县和兴平市对其城区PM2.5浓度的影响较大；铜川市的耀州区对其城区PM2.5浓度的影响较大；渭南市的华州区、华阴市对其城区PM2.5浓度的影响较大；延安市的延长县、延川县、洛川县和吴起县对其城区PM2.5浓度的影响较大；汉中市的镇巴县对其城区PM2.5浓度的影响较大；安康市的白河县和平利县对其城区PM2.5浓度的影响较大；商洛市的丹凤县对其城区PM2.5浓度的影响较大；榆林市城区受周边郊县的影响较小，可能与其开阔的地形条件有关。

3 结论

1)分析2021年春节烟花爆竹集中燃放时段陕西省PM2.5浓度特征发现，关中和陕南地区PM2.5平均浓度分别为350 μg/m3和342 μg/m3，均达到了严重污染水平，较前期非集中燃放时段分别增加了192 μg/m3和268 μg/m3，个别城市的污染高值持续时间达11 h。陕北地区PM2.5平均浓度为111 μg/m3，达到中度污染水平，较前期非集中燃放时段增加了85 μg/m3，明显低于关中和陕南地区，且高值持续时间也相对较短。陕北和陕南地区PM2.5小时峰值出现在2月12日(初一)凌晨前后，关中地区PM2.5小时峰值的出现时间则明显滞后。

3)分析2021年春节烟花爆竹燃放对陕西省各主要城市城区PM2.5的贡献率和贡献量发现，烟花爆竹燃放对城区PM2.5的贡献率在29%～167%之间，贡献量在25～190 μg/m3之间。烟花爆竹燃放对陕南地区主要城市城区PM2.5的贡献率和贡献量明显高于关中和陕北地区，这可能与当地烟花爆竹燃放管控力度不够且扩散条件不利有关。烟花爆竹燃放对各主要城市郊县PM2.5的贡献率正值的出现时间早于城区，且小时贡献率略高于城区，这可能与城区管控措施严格且落实相对较好有关。通过分析2021年春节烟花爆竹集中燃放时段PM2.5的空间离散系数，发现除榆林市外，陕西省各主要城市的城区均受到了相关郊县烟花爆竹燃放的影响。综上，为有效控制春节期间烟花爆竹燃放对空气质量的影响，需制定并严格落实区域化的禁燃禁放措施。