2023年银川都市圈春节期间烟花爆竹燃放对细颗粒物（PM2.5）的影响探析

2023-10-19陈瑶张满张玉龙张卫红田林锋

当代化工研究 2023年18期

＊陈瑶张满张玉龙张卫红田林锋

（1.宁夏回族自治区生态环境监测中心宁夏 750021 2.宇星科技发展（深圳）有限公司广东 518000）

1.数据来源

（1）2023年春节期间：1月21日（除夕）—1月27日（初六）；集中燃放时段：1月21日17时—1月22日12时；非集中燃放时段指春节期间除集中燃放时段以外的其他时段。

（2）以银川都市圈（银川市、石嘴山市、吴忠市）为重点区域，选取其国控、区控环境空气自动监测站，颗粒物组分自动监测站点位数据。其中，国控环境空气自动监测站点基本位于市级城市主城区，区控环境空气自动监测站点基本位于县级城市市区。银川市超级站及颗粒物组分及光化学成分监测网石嘴山站、吴忠站均配备在线离子色谱仪、OC/EC在线监测仪、重金属监测仪。国控、区控环境空气自动监测站点严格按照《环境空气质量自动监测技术规范》（HJ/T 193—2005）和《环境空气质量监测点位布设技术规范（试行）》（HJ 664—2013）等相关技术规定要求布设运行。颗粒物组分自动监测站严格参照中国环境监测总站2021年11月21日发布的总站气字〔2021〕558号文件《环境空气颗粒物有机碳、元素碳连续自动监测技术规定等3项技术规定》和2021年7月2日发布的总站气字〔2021〕356号文件《大气颗粒物组分自动监测数据审核技术指南（试行）》执行。

（3）监测项目：PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO、水溶性离子、OC/EC、重金属元素等。

2.评价与数据分析方法

(1)PM2.5/CO比值评估烟花爆竹燃对颗粒物（PM2.5）的质量浓度贡献

因烟花爆竹燃放期间CO浓度变化较小，而PM2.5浓度变化明显，将CO作为参考标准污染物质量浓度，利用PM2.5/CO比值分析烟花爆竹燃放产生的PM2.5对PM2.5总量的贡献[1]。

式中，P（PM2.5）为非集中燃放时段PM2.5平均质量浓度；P（CO）为非集中燃放时段CO平均质量浓度；N（CO）为集中燃放时段CO平均质量浓度；N（PM2.5）为集中燃放时段PM2.5平均质量浓度；M（PM2.5）为烟花爆竹集中燃放时段烟花爆竹燃放对PM2.5贡献量；Γ为烟花爆竹集中燃放时段烟花爆竹燃放对PM2.5贡献率。

(2)SOR和NOR评价颗粒物二次转化程度

PM2.5中硝酸盐、硫酸盐、铵盐主要由气态SO2、NO2及NH3等一次前体物通过复杂的气象或液相反应生成[2]。硫酸根氧化率（SOR）和硝酸根氧化率（NOR）的比值[3]常用来反应颗粒物二次转化能力的高低，用于评估烟花爆竹燃放时段内颗粒物二次转化的速率。

3.结果与讨论

(1)春节期间PM2.5质量状况

2023年春节期间，银川都市圈PM2.5平均质量浓度为39.2μg/m³，较2022年春节期间增长12.4μg/m³。集中燃放时段PM2.5平均质量浓度为82.6μg/m³，较2022年集中燃放时段增长29μg/m³。非集中燃放时段为32.7μg/m³（见图1）。

图1 2023年春节期间银川都市圈集中燃放时段PM2.5质量浓度对比（单位：μg/m³）

(2)烟花爆竹燃放时期PM2.5浓度特征

ρ(PM2.5)/ρ(PM10)表示PM2.5质量浓度在PM10质量浓度中的占比，烟花爆竹集中燃放时段银川都市圈ρ(PM2.5)/ρ(PM10)为52.6%，刘姣姣等[4]对2018年重庆市主城区集中燃放期间PM2.5的平均贡献率为60%，与本研究结果较为一致，PM2.5污染特征明显。

集中燃放时段ρ(PM2.5)/ρ(PM10)比值均大于非集中燃放时段（表1），银川市、石嘴山市、吴忠市集中燃放期PM2.5浓度峰值分别为非集中燃放时段的3.8倍、2.2倍、1.5倍，说明烟花爆竹的集中燃放对PM2.5的影响更显著，集中燃放时段PM2.5质量浓度存在明显突增现象。

表1 银川都市圈春节期间ρ(PM2.5)/ρ(PM10)比值

(3)银川都市圈春节烟花爆竹集中燃放时段PM2.5化学组分特征

PM2.5的化学组分较为复杂[5]，将所测定的化学组分划为[6]：有机物OM、硝酸盐、硫酸盐、铵盐、元素碳EC、氯盐、地壳元素GM和微量元素。硝酸盐、硫酸盐、铵盐、元素碳EC和氯盐为直接测定的质量浓度值；有机物OM选取1.6作为OC的转化系数；地壳元素GM以构成地壳最主要的化合物的相应元素得到，GM=1.63[Ca2+]+2.42[Fe]+1.94[Ti]；微量元素为除地壳元素以外的其他元素的总和，计算得到春节期间与集中燃放时段PM2.5各化学组分百分比（表2）。

表2 2023年春节期间与集中燃放时段PM2.5各化学组分百分比

表3 烟花爆竹燃放期间水溶性离子质量浓度水平单位：μg/m³

集中燃放时段银川都市圈PM2.5峰值时，其微量元素、硫酸盐和氯盐化学组分之和占比分别为89%、92%、83%。说明烟花爆竹燃放污染物中一次排放与二次生成占比较高。

①水溶性离子特征

集中燃放时期水溶性离子平均质量浓度银川市＞石嘴山市＞吴忠市。集中燃放时段SO2、NO2和二次无机气溶胶SNA（NO3-+NH4++SO42-）明显高于春节期间，说明控制硝酸盐、硫酸盐和铵盐的前体物排放有利于降低烟花爆竹集中燃放时段PM2.5质量浓度。

ρ(SO42-)/ρ(K+)的比值质量浓度可以反映主要来自于烟花爆竹燃放还是生物质燃烧[7]。经计算，三市烟花爆竹集中燃放时段ρ(SO42-)/ρ(K+)≤1（表4），均低于Shen等[8]研究的烟花爆竹燃放比值3.3。

表4 银川市、石嘴山市、吴忠市ρ(SO42-)/ρ(K+)的比值质量浓度

有研究指出烟花爆竹的氧化剂[9]（KClO3、KClO4、K2CrO7），是Cl-、K+的主要来源。银川市烟花爆竹集中燃放时段NO3-、SO42-、NH4+、Cl-、K+、Na+、Mg2+、Ca2+离子质量浓度（表5）分别为非集中燃放时段的1.6倍、5.3倍、1.4倍、23.7倍、57.1倍、3.7倍、12.7倍、1.5倍；石嘴山市分别为2.0倍、3.5倍、0.9倍、11.1倍、23.9倍、2.1倍、9.9倍、1.7倍；吴忠市分别为1.4倍、2.5倍、1.2倍、6.7倍、23.7倍、1.4倍、6.1倍、1.0倍。与非集中时段相比，SO42-、Cl-、K+、Mg2+离子质量浓度明显突增，NH4+、Ca2+离子质量浓度变化不明显。

表5 银川都市圈集中燃放时段水溶性离子平均质量浓度单位：μg/m³

银川都市圈烟花爆竹集中燃放时段SOR、NOR见表6。

表6 银川都市圈烟花爆竹集中燃放时段SOR、NOR

有研究表明，SOR和NOR的值越大，二次转化的程度就越高[10]。表6说明集中燃放时段银川都市圈均有短时SO42-由二次反应生成，银川市二次反应相对明显，银川都市圈NO3-二次反应生成均不明显。

②OC/EC特征

OC主要来源于各类污染源直接排放的一次有机碳（POC）和各种源排放的挥发性有机物在大气中经过光化学反应生成的二次有机碳（SOC）[11]。EC是一种稳定的不易分解的高聚合混合物，通常被认为是一次污染的示踪物质[12]，两者是识别PM2.5来源的重要参数[13-14]。

A.OC/EC质量浓度特征

有研究表明，OC/EC可以用来表征PM2.5中碳元素的排放来源及转化的特性[15-16]。通常认为当PM2.5中OC/EC的值超过2就有显著二次有机碳的生成[17]。银川市OC/EC数据缺失量较大，仅对石嘴山市、吴忠市OC/EC数据进行分析（表7）。

表7 石嘴山和吴忠集中燃放时期和非燃放期间OC/EC质量浓度水平（单位：μg/m³）

B.OC/EC来源分析

OC和EC之间的相关性经常被用来初步判断二者来源是否相似[18]，OC和EC之间的相关系数越高，则说明OC和EC来自同一污染源的可能性就越大，而相关性较差可能由于OC和EC来源的差别较大，或因长距离输送和SOC的形成导致碳组分来源较为复杂（表8）。

表8 石嘴山和吴忠集中燃放时期和非燃放期间OCEC的相关系数R2

表8说明石嘴山市非集中燃放时段较集中燃放时段的OCEC来源更为一致，吴忠市集中燃放时段较非集中燃放时段OCEC的来源更为一致。

③重金属特征

银川市、石嘴山市和吴忠市集中燃放时段无机元素百分比分别为非集中燃放时段的1.9倍、1.9倍和2.4倍。集中燃放时期钾元素百分比银川市（92.4%）＞石嘴山市（88.92%）＞吴忠市（74.21%），与三市PM2.5组分中水溶性离子平均质量浓度变化规律一致。

(4)烟花爆竹燃放对重点区域PM2.5的贡献

因烟花爆竹燃放期间CO质量浓度受烟花爆竹燃放的影响较小，将CO质量浓度视为参考标准污染物质量浓度，利用公式（1）评估分析银川都市圈烟花爆竹燃放产生的PM2.5对PM2.5总量的贡献。利用公式（2）评估分析三地市烟花爆竹集中燃放时段产生的PM2.5的贡献率（表9）。

表9 银川都市圈烟花爆竹集中燃放贡献量及贡献率

经测算，银川都市圈集中燃放时段烟花爆竹PM2.5贡献量在41～50μg/m³之间，贡献率在39.6%～79.3%之间。将三市市区和其所辖县（市）区集中燃放时段烟花爆竹PM2.5贡献量进行比较可得（图2）：贺兰县＞银川市城区＞灵武市＞永宁县；石嘴山市城区＞平罗县；同心县＞红寺堡区＞吴忠市区＞青铜峡市＞盐池县。