煙花爆竹燃放對(duì)北京市空氣質(zhì)量的影響研究

王占山,李云婷,孫 峰,張大偉,邱啟鴻,孫乃迪,潘麗波

1.北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心，北京 100048 2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

煙花爆竹燃放對(duì)北京市空氣質(zhì)量的影響研究

王占山1,李云婷1,孫 峰1,張大偉1,邱啟鴻1,孫乃迪1,潘麗波2

1.北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心，北京 100048 2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

煙花爆竹；空氣質(zhì)量；PM2.5；化學(xué)組分；春節(jié)；沙塵；北京

春節(jié)期間燃放煙花爆竹是我國(guó)的傳統(tǒng)習(xí)俗，增加了喜慶氣氛的同時(shí)也會(huì)在短時(shí)間內(nèi)排放大量的大氣污染物，對(duì)空氣質(zhì)量造成顯著影響。煙花爆竹的主要成分是黑火藥，含有硫磺、木炭粉、硝酸鉀等，有的還含有氯酸鉀；制作閃光雷、電光炮、煙花炮、彩色焰火時(shí)，還要加入鎂粉、鐵粉、鋁粉、銻粉和無(wú)機(jī)鹽。因此，煙花爆竹復(fù)雜的化學(xué)組成會(huì)造成燃放期間多種大氣污染物濃度迅速增長(zhǎng)[1-4]。

春節(jié)期間的除夕、“破五”和元宵節(jié)是煙花爆竹燃放最為集中的時(shí)段。本研究從氣象條件、大氣污染物濃度和PM2.5化學(xué)組分等方面對(duì)2015年這3個(gè)時(shí)段的空氣質(zhì)量進(jìn)行分析，探討煙花爆竹燃放對(duì)空氣質(zhì)量的影響，定量估算煙花爆竹燃放對(duì)PM2.5各化學(xué)組分的貢獻(xiàn)率，以期為北京市大氣污染防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自北京市空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，選擇官園站(北京市城區(qū))、良鄉(xiāng)站(北京市南部郊區(qū))、懷柔站(北京市北部郊區(qū))和八達(dá)嶺站(北京市西北部郊區(qū))進(jìn)行分析，其中八達(dá)嶺站周?chē)緹o(wú)居民區(qū)，遠(yuǎn)離煙花爆竹燃放區(qū)域。PM2.5化學(xué)組分分析儀和能見(jiàn)度儀安裝在北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心樓頂，高度約為30 m，與官園站監(jiān)測(cè)點(diǎn)的直線距離不到2 km。地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自北京市觀象臺(tái)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示。

使用Thermo Fisher 1405F監(jiān)測(cè)儀、Thermo Fisher 42C化學(xué)發(fā)光NO-NO2-NOx分析儀和Thermo Fisher 43i脈沖紫外熒光法分析儀分別對(duì)PM2.5、NO2和SO2進(jìn)行監(jiān)測(cè)。化學(xué)組分分析儀采用RT-4型有機(jī)碳元素碳分析儀和URG 9000S陰陽(yáng)離子在線監(jiān)測(cè)儀。能見(jiàn)度監(jiān)測(cè)采用芬蘭VAISALA公司生產(chǎn)的FD12型能見(jiàn)度儀。各監(jiān)測(cè)儀器均有校準(zhǔn)儀參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)定期校準(zhǔn)，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性。PM2.5、O3和NO2監(jiān)測(cè)儀輸出的5 min數(shù)據(jù)，根據(jù)每小時(shí)內(nèi)5 min數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值求得小時(shí)濃度；PM2.5化學(xué)組分在線監(jiān)測(cè)儀輸出的為小時(shí)數(shù)據(jù)，本研究中使用的均為小時(shí)數(shù)據(jù)。

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

2 結(jié)果與討論

2.1 煙花爆竹燃放對(duì)常規(guī)污染物濃度的影響

將春節(jié)期間的除夕、“破五”和元宵節(jié)中夜間煙花爆竹集中燃放的時(shí)段分別定義為S1(2015年2月18日12:00至2月19日12:00)、S2(2015年2月23日12:00至2月24日12:00)、S3(2015年3月5日12:00至3月6日12:00)，如圖2所示，橫坐標(biāo)時(shí)間范圍為2月17—25日和3月4—8日(以下簡(jiǎn)稱為觀測(cè)期間)。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)北京市主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠憋L(fēng)時(shí)，會(huì)帶來(lái)上風(fēng)向地區(qū)清潔的空氣，認(rèn)為擴(kuò)散條件相對(duì)較有利；當(dāng)北京市主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠巷L(fēng)時(shí)，容易帶來(lái)上風(fēng)向地區(qū)污染空氣，認(rèn)為擴(kuò)散條件相對(duì)較不利；當(dāng)風(fēng)速較大、濕度較低時(shí)，有利于污染物的擴(kuò)散，風(fēng)速較弱、濕度較高時(shí)，則有利于污染物的積累和化學(xué)反應(yīng)生成[9-11]。

圖2 2月17—25日及3月4—8日的風(fēng)速風(fēng)向、相對(duì)濕度、能見(jiàn)度和各項(xiàng)污染物濃度

從擴(kuò)散條件上來(lái)看，2月17日夜間至凌晨，北京市受較強(qiáng)的東北風(fēng)控制，此時(shí)能見(jiàn)度較好，各項(xiàng)污染物濃度均處于較低水平，只有八達(dá)嶺站的SO2濃度出現(xiàn)短時(shí)的峰值，可能是受到上風(fēng)向的傳輸造成的。17日入夜至18日(除夕)凌晨，北京市主導(dǎo)風(fēng)向轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，同時(shí)濕度上升、能見(jiàn)度下降，各項(xiàng)污染物濃度均出現(xiàn)一個(gè)明顯的峰值。

但18日凌晨至上午，北京市又轉(zhuǎn)為較強(qiáng)的東北風(fēng)控制，將之前積累的污染物清除至較低濃度，因此在18日夜間煙花爆竹集中燃放之前，污染物的起始濃度處于較低水平。S1時(shí)段，北京市始終受西南風(fēng)和東南風(fēng)控制，入夜后相對(duì)濕度持續(xù)上升，最高達(dá)到80%，屬于不利的擴(kuò)散條件；但在S1前期，北京市地面風(fēng)速超過(guò)3 m/s，屬于有利的擴(kuò)散條件，因此整體來(lái)看S1中大氣擴(kuò)散條件屬于一般偏不利的情況。煙花爆竹集中燃放開(kāi)始后，能見(jiàn)度迅速下降，各污染物濃度明顯上升。18日夜間18:00能見(jiàn)度為42.3 km，21:00已經(jīng)降至7.5 km。良鄉(xiāng)和官園CO在18日夜間21:00達(dá)到第一個(gè)峰值，下風(fēng)向的懷柔CO在19日01:00時(shí)達(dá)到第一個(gè)峰值，且峰值濃度高于良鄉(xiāng)和官園，表明煙花爆竹燃放對(duì)CO濃度有一定的影響，遠(yuǎn)離燃放區(qū)域的八達(dá)嶺CO在19日02:00達(dá)到峰值，但峰值濃度明顯低于其他站點(diǎn)(表1)。對(duì)SO2來(lái)說(shuō)，各站點(diǎn)質(zhì)量濃度在除18日的下午還處于5.0 μg/m3以下的低水平；19日01:00，良鄉(xiāng)、官園和懷柔SO2質(zhì)量濃度同時(shí)達(dá)到峰值，分別為148.5、142.7、313.8 μg/m3，分別是觀測(cè)期間的5.6、4.8、16.0倍，表明煙花爆竹的燃放對(duì)SO2濃度具有顯著影響。八達(dá)嶺SO2濃度在夜間未出現(xiàn)峰值，直至19日10:00才達(dá)到峰值，質(zhì)量濃度為74.2 μg/m3，遠(yuǎn)低于其他站點(diǎn)濃度，且出現(xiàn)時(shí)間明顯滯后，表現(xiàn)出明顯的受上風(fēng)向傳輸影響的特征。對(duì)NO2來(lái)說(shuō)，受偏不利擴(kuò)散條件和煙花爆竹燃放的影響，各站點(diǎn)濃度在除夕夜間21:00積累至50～60 μg/m3并一直維持至S1時(shí)段結(jié)束，但NO2濃度并未在煙花爆竹集中燃放時(shí)段出現(xiàn)明顯的高值。PM10和PM2.5的變化趨勢(shì)一致，18日下午各站點(diǎn)的質(zhì)量濃度還處于10.0 μg/m3以下，19日01:00，良鄉(xiāng)PM10和PM2.5質(zhì)量濃度分別達(dá)到851.5 μg/m3和730.5 μg/m3的峰值，官園PM10和PM2.5質(zhì)量濃度分別達(dá)到428.4 μg/m3和343.4 μg/m3的峰值，02：00后，懷柔PM10和PM2.5濃度分別達(dá)到1 000 μg/m3和762.2 μg/m3的峰值，表明煙花爆竹的燃放對(duì)PM10和PM2.5有顯著的影響。從表1也可以看出，S1中各站點(diǎn)煙花爆竹燃放時(shí)段的CO和NO2濃度峰值略高于觀測(cè)期間的平均值，而SO2、PM10和PM2.5峰值濃度則明顯高于觀測(cè)期間平均值，其中良鄉(xiāng)、官園和懷柔燃放時(shí)段PM2.5峰值濃度分別為觀測(cè)期間平均值的5.2、3.1、7.1倍。

表1 各個(gè)階段4個(gè)站點(diǎn)的各項(xiàng)污染物濃度

對(duì)S1時(shí)段的分析表明，煙花爆竹的燃放對(duì)PM10、PM2.5和SO2的影響最為顯著，對(duì)CO和NO2也有一定的影響；懷柔同時(shí)還受上風(fēng)向的傳輸影響，導(dǎo)致多項(xiàng)污染物的濃度峰值最高；遠(yuǎn)離燃放區(qū)的八達(dá)嶺在煙花爆竹燃放時(shí)段的濃度峰值遠(yuǎn)低于其他站點(diǎn)，但受到偏不利氣象條件和上風(fēng)向傳輸?shù)挠绊懀魑廴疚餄舛仍赟1時(shí)段也呈現(xiàn)積累的趨勢(shì)。

S1時(shí)段后，19日中午至21日中午，北京市一直受弱偏南風(fēng)控制，濕度保持在80%以上，擴(kuò)散條件維持不利。在這期間能見(jiàn)度一直保持較低水平，PM2.5濃度也多維持在150 μg/m3以上，是一次持續(xù)性的重污染過(guò)程。21日下午，北京市受到一股較強(qiáng)冷空氣的影響，伴隨著5 m/s以上的西北風(fēng)，能見(jiàn)度迅速提高，CO、NO2、PM2.5等污染物濃度迅速下降。但這股冷空氣帶來(lái)了外來(lái)沙塵的輸送，懷柔和八達(dá)嶺PM10質(zhì)量濃度在21日夜間至22日凌晨連續(xù)6 h達(dá)到1 000 μg/m3，官園和良鄉(xiāng)PM10質(zhì)量濃度也超過(guò)500 μg/m3，是一次典型的外來(lái)沙塵入侵北京的過(guò)程。

S2時(shí)段前的強(qiáng)西北風(fēng)將北京市及周邊地區(qū)的污染物清除得較為干凈；沙塵影響過(guò)后，北京市整體污染物濃度處于相對(duì)較低水平，只有CO和NO2等受本地機(jī)動(dòng)車(chē)排放影響較明顯的污染物出現(xiàn)過(guò)短時(shí)的峰值。整體來(lái)看，S2時(shí)段的起始濃度仍為較低水平，與S1類(lèi)似。S2時(shí)段前期，北京市仍受較強(qiáng)西南風(fēng)的控制，23日23:00時(shí)起主導(dǎo)風(fēng)向轉(zhuǎn)為弱東北風(fēng)，濕度水平也與S1時(shí)段接近，所以S2時(shí)段整體擴(kuò)散條件與S1時(shí)段相似。懷柔和官園各項(xiàng)污染物濃度在23日夜間22:00—23:00達(dá)到峰值，而下風(fēng)向的良鄉(xiāng)污染物濃度多在24日凌晨02:00—03:00達(dá)到峰值，同樣表現(xiàn)出受傳輸影響的特征。S2時(shí)段中CO和NO2峰值濃度略高于S1時(shí)段，但SO2、PM10和PM2.5的峰值濃度遠(yuǎn)低于S1時(shí)段，表明S2時(shí)段中煙花爆竹的燃放量要低于S1時(shí)段。即使這樣，良鄉(xiāng)、官園和懷柔燃放期間的PM2.5峰值濃度也分別達(dá)到觀測(cè)期間的1.7、3.1、2.4倍(表1)。

從3月4日中午開(kāi)始，北京市主導(dǎo)風(fēng)向轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，濕度上升，伴隨著能見(jiàn)度的下降和各項(xiàng)污染物濃度上升。S3時(shí)段開(kāi)始時(shí)，污染物起始濃度要高于S1和S2時(shí)段，良鄉(xiāng)、官園和懷柔PM2.5起始質(zhì)量濃度均超過(guò)100 μg/m3。S3時(shí)段前期北京市同樣受較強(qiáng)西南風(fēng)控制，后期轉(zhuǎn)為弱東北風(fēng)，濕度水平和整體擴(kuò)散條件與S1、S2時(shí)段均較相似。S3時(shí)段污染物濃度峰值多集中在20:00—22:00，與S1和S2時(shí)段相比有明顯提前。從污染物來(lái)看，SO2、PM10和PM2.5受燃放的影響最為顯著，良鄉(xiāng)、官園、懷柔燃放時(shí)段SO2峰值濃度分別是觀測(cè)期間的4.4、3.5、5.5倍；PM2.5峰值濃度分別是觀測(cè)期間的2.5、1.8、2.6倍(表1)，是受到較高的起始濃度和煙花爆竹燃放共同影響的。S2、S3時(shí)段八達(dá)嶺站污染物濃度峰值同樣明顯低于其他站點(diǎn)。

S3時(shí)段后，北京市持續(xù)受弱偏南風(fēng)控制，擴(kuò)散條件維持較不利，各項(xiàng)污染物在煙花爆竹燃放導(dǎo)致的較高濃度基礎(chǔ)上進(jìn)一步積累，出現(xiàn)一次重污染過(guò)程。這期間能見(jiàn)度保持較低水平，4個(gè)站點(diǎn)的PM2.5質(zhì)量濃度多維持在200 μg/m3以上，直至3月8日下午，一股較強(qiáng)的冷空氣入侵北京，伴隨著3 m/s以上的東北風(fēng)，污染物被迅速清除，能見(jiàn)度也達(dá)到較高水平。

2.2 煙花爆竹燃放對(duì)PM2.5化學(xué)組分濃度的影響

圖3顯示了觀測(cè)期間監(jiān)測(cè)中心七樓的PM2.5化學(xué)組分濃度變化。

圖3 2015年2月17—25日以及3月4—8日監(jiān)測(cè)中心點(diǎn)位PM2.5化學(xué)組分濃度

表2 各個(gè)階段監(jiān)測(cè)中心點(diǎn)位PM2.5化學(xué)組分質(zhì)量濃度 μg/m3

表3 各時(shí)段中煙花爆竹燃放對(duì)大氣污染物和PM2.5主要化學(xué)組分的平均貢獻(xiàn) %

注：氣態(tài)污染物和顆粒物濃度為官園站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

1)春節(jié)期間煙花爆竹集中燃放的3個(gè)時(shí)段，大氣污染物擴(kuò)散條件比較相似，均屬于一般偏不利的情況。煙花爆竹的集中燃放會(huì)造成能見(jiàn)度的迅速下降和污染物濃度的迅速上升，其中對(duì)SO2、PM2.5和PM10的影響最為顯著。S1時(shí)段除夕夜間良鄉(xiāng)、官園和懷柔的SO2質(zhì)量濃度峰值分別達(dá)到148.5、142.7、313.8 μg/m3，為觀測(cè)期間平均值的5.6、4.8、16.0倍；PM2.5質(zhì)量濃度峰值分別達(dá)到730.5、343.4、762.2 μg/m3，為觀測(cè)期間平均值的5.2、3.1、7.1倍。

2)S1和S2時(shí)段，北京市受到一次較強(qiáng)的沙塵天氣的影響，導(dǎo)致PM10濃度迅速升高，但清除了其他大氣污染物濃度。S2和S3時(shí)段煙花爆竹燃放對(duì)空氣質(zhì)量的整體影響小于S1時(shí)段。S2時(shí)段良鄉(xiāng)、官園和懷柔燃放期間的PM2.5峰值濃度分別達(dá)到觀測(cè)期間的1.7、3.1、2.4倍；S3時(shí)段良鄉(xiāng)、官園、懷柔燃放時(shí)段PM2.5峰值濃度分別達(dá)到觀測(cè)期間的2.5、1.8、2.6倍。

[1] 鄒強(qiáng),姚玉剛.春節(jié)煙花爆竹燃放期間蘇州市區(qū)PM2.5組分特征分析[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè),2014,30(4):100-106.

[2] 何延軍,石愛(ài)軍,孟甜,等.燃放煙花爆竹對(duì)聲環(huán)境評(píng)價(jià)的影響[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè),2012,28(3):79-83.

[3] 王占山,張大偉,李云婷,等. 2014年春節(jié)期間北京市空氣質(zhì)量分析[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2015(2):371-378.

[4] 沈建東,焦荔,何曦,等.杭州城區(qū)春節(jié)PM2.5中水溶性離子在線觀測(cè)[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè),2014,30(2):151-157.

[5] 徐敬,丁國(guó)安,顏鵬,等. 燃放煙花爆竹對(duì)北京城區(qū)氣溶膠細(xì)粒子的影響[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2006(5):79-82.

[6] WANG Y, ZHUANG G, XU C, et al. The air pollution caused by the burning of fireworks during the lantern festival in Beijing [J]. Atmospheric Environment, 2007, 41(2): 417-431.

[7] 洪也,馬雁軍,韓文霞,等. 沈陽(yáng)市冬季大氣顆粒物元素濃度及富集因子的粒徑分布[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2011(11): 2 336-2 346.

[8] 李杏茹,郭雪清,劉欣然,等. 2007年春節(jié)期間北京大氣顆粒物中多環(huán)芳烴的污染特征[J]. 環(huán)境科學(xué),2008(8): 2 099-2 104.

[9] 廖曉農(nóng),張小玲,王迎春,等. 北京地區(qū)冬夏季持續(xù)性霧-霾發(fā)生的環(huán)境氣象條件對(duì)比分析[J]. 環(huán)境科學(xué),2014(6): 2 031-2 044.

[10] 羅娜娜,趙文吉,晏星,等. 交通與氣象因子對(duì)不同粒徑大氣顆粒物的影響機(jī)制研究[J]. 環(huán)境科學(xué),2013(10): 3 741-3 748.

[11] 丁國(guó)安,陳尊裕,高志球,等. 北京城區(qū)低層大氣PM10和PM2.5垂直結(jié)構(gòu)及其動(dòng)力特征[J]. 中國(guó)科學(xué)(D輯):地球科學(xué),2005(增刊1):31-44.

[12] 趙晨曦,王云琦,王玉杰,等. 北京地區(qū)冬春PM2.5和PM10污染水平時(shí)空分布及其與氣象條件的關(guān)系[J]. 環(huán)境科學(xué),2014(2):418-427.

[13] 鄭永杰,劉佳,田景芝,等.齊齊哈爾市春季大氣中PM2.5的污染特征分析[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè),2014,30(4):76-81.

[14] ZHANG W, CAPPS S L, HU Y, et al. Development of the high-order decoupled direct method in three dimensions for particulate matter: enabling advanced sensitivity analysis in air quality models [J]. Geoscientific Model Development, 2012, 5(2): 355-368.

[15] 王占山,李云婷,陳添,等. 2013年北京市PM2.5的時(shí)空分布[J]. 地理學(xué)報(bào),2015(1):110-120.

[16] 王哲,王自發(fā),鄭海濤. 一種評(píng)估煙花爆竹燃放對(duì)大氣PM2.5影響的新方法[J]. 中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè),2014,30(3):31-36.

Study on the Effect of Burning of Fireworks on Air Quality in Beijing

WANG Zhanshan1, LI Yunting1, SUN Feng1, ZHANG Dawei1, QIU Qihong1, SUN Naidi1, PAN Libo2

1.Beijing Municipal Environmental Monitoring Center, Beijing 100048，China 2.State Key Lab of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

Fireworks; air quality; PM2.5; chemical compositions; Spring Festival; dust; Beijing

2015-04-24;

2015-05-18

北京市科技計(jì)劃課題(Z131100005613046)；環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201409005)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2014BAC23B03)

王占山(1987-)，男，山東濰坊人，碩士，工程師。

張大偉

X823

A

1002-6002(2016)04- 0015- 07

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.04.03