2015年春節期間天津煙花爆竹燃放對空氣質量的影響

楊志文,吳 琳,元 潔,李鳳華,袁 遠,毛洪鈞*(.南開大學環境科學與工程學院,天津 30007；.天津市環境監測中心,天津 3009)

2015年春節期間天津煙花爆竹燃放對空氣質量的影響

楊志文1,吳 琳1,元 潔2,李鳳華1,袁 遠1,毛洪鈞1*(1.南開大學環境科學與工程學院,天津 300071；2.天津市環境監測中心,天津 300191)

為了解2015年春節期間煙花爆竹燃放對天津市空氣質量的影響,在天津市環境監測中心利用在線監測儀器對環境空氣中的氣態污染物濃度(SO2、O3、NO、NO2等)、顆粒物濃度(PM1.0、PM2.5、PM10等)、顆粒物水溶性離子、有機碳(OC)和元素碳(EC)進行連續觀測.通過煙花爆竹燃放時段和正常時段的對比,分析并探討煙花爆竹燃放對各污染物排放特征的影響.結果表明,煙花爆竹集中燃放對 PM1.0、PM2.5、PM10和SO2的影響最為顯著,燃放高峰期(初一0:00),其濃度分別為284.00,428.00,714.00,283.14μg/m3,且燃放期間,其平均值分別比非燃放期增加了2.99、2.54、2.07和3.27倍;煙花爆竹燃放對PM2.5中水溶性離子K+、Mg2+、Cl-、SO42-、Na+和NO2-影響最大,燃放高峰期,6種離子在PM2.5中比例達35.28%.另外,PM2.5中OC、EC濃度也在燃放高峰期出現明顯的峰值(分別為: 15.68、2.96μg/m3),分別為前一小時平均濃度的2.00和1.37倍.

春節；煙花爆竹；空氣質量；顆粒物；化學組分

春節期間,天津市煙花爆竹集中燃放,短時間內排放大量污染物,對空氣質量造成顯著的負面影響,且人口及車流量均大幅減少,工業生產、建筑施工等活動水平大幅下降,本地污染源排放量大幅降低,由此煙花爆竹燃放導致的環境問題也頗為顯著.

國內外的相關研究表明[1-6]:煙花爆竹大量燃放能產生大量可吸入顆粒物、SO2、NO2及 O3等等.而且燃放煙花產生的氣溶膠粒子含有的重金屬、二次污染物和黑炭等多種污染物質較正常情況下含量要高,如:通過對北京市元宵節期間氣溶膠化學成分的分析表明,煙花爆竹燃放階段Ba、K、Mg等一次成分含量及SO24-和NO3-等二次成分含量比正常情況下高出 5倍以上[7]; Dutcher等[8]對室內燃放煙花研究發現產生的顆粒物中有機物和黑碳的含量較平時要增加.此外,煙花爆竹燃放會使大氣能見度顯著下降[9].另外Dyke等[10]、Fleischer等[11]研究認為燃放煙花會產生致癌的多氯代二苯并二英(PCDDs)和多氯代二苯并呋喃(PCDFs)等有毒物質.

目前,針對天津市春節期間空氣質量在線觀測的研究較少,特別是春節期間煙花爆竹燃放對空氣質量的影響研究較為缺乏.本研究對2015年春節期間天津市氣態污染物濃度、顆粒物濃度、PM2.5化學組分進行分析,并量化估算煙花爆竹燃放排放對 PM2.5中水溶性離子組分的貢獻率,為天津市春節期間空氣質量控制提供基礎數據.

1 材料與方法

1.1 觀測地點及時間

觀測點位于天津市南開區天津市環境監測中心超級站(39°05′49″N,117°09′04″E),距地面約22m.觀測點周圍以商業活動和住宅區為主,附近有主干道、次干道各1條.其中,主干道位于該樓北邊 160m,次干道位于該樓南邊 85m.觀測時間為2015年2月1～28日.

1.2 觀測儀器及質控

采用 3臺基于微量振蕩天平法(TEOM)的Thermo Fisher 1405F系列監測儀對PM1.0、PM2.5及 PM10分別進行監測.分析采用Thermo Fisher 42C 化學發光NO-NO2-NOx分析儀監測NOx濃度,最低檢測限為0.05×10-9,零漂小于0.025×10-9/ 24h,跨漂為±1%/24h.采用Thermo Fisher 49C紫外光度法分析儀監測 O3,分析儀最低檢測限為1×10-9,精度為 1×10-9,零漂為 0.4%/24h,跨漂為±1%/24h,±2%/7d.采用Thermo Fisher 43i脈沖紫外熒光法分析儀監測 SO2濃度,最低檢測限為0.5×10-9,精度為1×10-9,零漂小于1×10-9/24h,跨漂為±0.5%/24h.采用 URG9000S陰陽離子在線監測儀對PM2.5中水溶性離子Na+、Mg2+、Ca2+、K+、NH4+、Cl-、SO42- 、NO3- 等進行在線監測.采用Sunset Laboratory的半連續OC/EC分析儀對PM2.5中OC和EC濃度進行監測,另外,從監測站獲取觀測時間內分辨率為1h的氣壓、氣溫、相對濕度、風向、平均風速等氣象要素.為保證監測數據的有效性和準確性,各監測儀器均參照國家標準定期校準.

1.3 分析方法

除夕夜是煙花爆竹燃放比較集中的時段,且春節期間煙花爆竹允許燃放時段為每日 06:00～22:00,除夕當晚可以延長至次日02:00,因此,選擇2月18日(除夕)07:00～2月19日06:00這一時間段進行分析,將該時段定義為除夕日,2月份的其他時段定義為非除夕日,本研究中將非除夕中每天的同一小時時段內的污染物濃度數據求算術平均值,將除夕日氣態污染物及顆粒物小時濃度與非除夕日平均小時濃度進行對比,探討煙花爆竹燃放對氣態污染物及顆粒物的定性影響.氣態污染物于除夕日 21:00開始有明顯的變化,為了定量探討煙花爆竹燃放對氣態污染物濃度、顆粒物濃度和 PM2.5化學組分特征的影響,比較煙花爆竹燃放期(2月18日21:00～2月19日02:00)與非燃放期(2月17日21:00～2月18日02:00)各污染物濃度及 PM2.5化學組分含量的不同.此外,大氣污染物在空氣中的濃度主要受2個因素影響:污染源排放和氣象擴散條件,因此,本研究期間空氣中污染物濃度的變化反映的是特定氣象條件下煙花爆竹燃放對空氣質量的影響.

2 結果與討論

2.1 氣象因素變化

除夕日各氣象因素小時平均值如圖 1所示,從圖中可以看出,除溫度(AT)逐漸下降,除夕日夜間(煙花爆竹集中燃放時段)相對濕度(RH)、風速(WS)、風向(WD)及氣壓(AP)等氣象因素相對穩定.2月18日21:00～2月19日02:00間,氣壓為(1029.05±0.50)hPa,氣溫為(1.78±0.51)℃,相對濕度為(44.88±1.83)%,風速為(1.78±0.51)m/s,風向為穩定的東南方.由于風速的穩定,煙花爆竹集中燃放期間,污染物濃度變化受大氣對流運動影響小,主要與煙花爆竹燃放相關.

圖1 除夕日氣象因素變化Fig.1 Variation of meteorological parameters on Chinese New Year’s Day

2.2 對SO2、O3和NOx的影響

煙花爆竹的主要成分是硫磺、木炭粉、硝酸鉀、氯酸鉀,鎂粉、鐵粉、鋁粉和無機鹽等[12].煙花中含有的非金屬燃料(如:炭、硫磺以及紅磷)燃燒時能產生大量的污染氣體:SO2、NO、NO2等.圖2為除夕日與非除夕日氣態污染物小時平均濃度變化,由圖可知,受冬季凌晨逆溫層的影響及局地污染源排放等因素的影響,除夕日 SO2、NO和NO2等氣態污染物的濃度在早晨8:00左右有一個峰值,這與劉立中等[13]研究結果一致;達到峰值后,由于人類活動的下降以及氣溫逐漸回升,逆溫層逐漸消退,大氣擴散能力加強,污染物濃度開始下降.然而,O3卻在中午12:00左右達到峰值,這主要與中午太陽輻射最強有關.另外,SO2大部分時間內的小時濃度值均大于 2月份平均值,這可能與春節期間燃煤較多有關;O3大部分時間內的小時濃度值均大于 2月份平均值,NO、NO2大部分時間內的小時濃度值均低于2月份平均值,這主要與春節期間機動車流量減少致使 NO、NO2排放減少,從而使得因NOx(NO+NO2)濃度較高時,O3能被NO還原[14-15]的量減少等因素相關.其中,2月 19日 00:00左右,SO2、NO2均出現了明顯的峰值(分別為:283.14μg/m3,59.96μg/m3)、NO出現較明顯的峰值(3.75μg/m3),而 O3則出現了明顯的谷值(27.64μg/m3),這是在2月份的平均曲線中沒有出現的,主要是受到除夕夜煙花爆竹燃放的影響.與非燃放期相比,煙花爆竹燃放期SO2、O3、NO、NO2濃度分別增加了3.27、-0.16、0.9、0.13倍,故煙花爆竹的燃放對 SO2濃度影響最為明顯,對NO、NO2和O3濃度影響相對較小.

圖2 除夕日及非除夕日SO2、O3、NO及NO2小時平均濃度變化Fig.2 Variation of hourly average concentrations of SO2, O3, NO and NO2on Chinese New Year’s Day and normal days

在煙花燃放高峰期00:00左右,O3濃度下降,沒有出現濃度上升的現象,這與王紅磊等[16]、Nishanth等[17]和Attri等[6]研究結果不同,與喬利平[18]、何松潔等[19]的觀測結果一致.雖然除夕夜O2能被煙花爆竹燃放時產生大量波長在 240nm以下的亮光解離為O,然后通過O與O2的作用產生O3[20],但是當NOx(NO+NO2)濃度較高時,O3在NO的作用下生成NO2和O2[14-15],故有可能導致O3的生成速率小于消耗速率,從而導致煙花爆竹燃放高峰期O3濃度下降.

2.3 對PM1.0、PM2.5、PM10的影響

由圖3可見,2月19日0:00煙花爆竹燃放高峰期,PM1.0、PM2.5和 PM10的濃度都快速上升,出現的峰值最為明顯,分別為: 284.00μg/m3、428.00μg/m3和 714.00μg/m3.另外, PM1.0、PM2.5和 PM10的除夕日 24h小時平均濃度分別為:82.38μg/m3、122.58μg/m3及146.00μg/ m3,其中,PM10未超過 150.00μg/m3的國家二級標準水平,PM2.5超過了75.00μg/m3的國家二級標準水平.由于煙花爆竹燃放的減少,PM1.0、PM2.5和 PM10的濃度迅速減少達到背景值.但由圖 3可以看出,PM10降到背景值的時間最短,PM1.0和 PM2.5的時間相對較長,這有可能與大顆粒較小顆粒在空中停留時間短等因素有關[21].

圖3 除夕日及非除夕日 (a)PM1.0、(b)PM2.5和(c)PM10小時平均濃度變化Fig.3 Variation of hourly average concentrations of (a)PM1.0, (b)PM2.5and (c)PM10on Chinese New Year’s Day and normal days

可以看出,煙花爆竹燃放對 PM1.0、PM2.5和PM10等顆粒物濃度有明顯的影響,能造成短時間內的高濃度現象.將煙花爆竹燃放期與非燃放期顆粒物平均濃度對比,可以發現 PM1.0、PM2.5和PM10分別增長了2.99、2.54及2.07倍,其中,以PM1.0的增幅最大,PM10的增幅最小,這與王紅磊

[16]的研究結果一致,煙花爆竹燃放對小粒徑氣溶膠質量濃度的影響最大,可能是煙花爆竹首先影響亞微米氣溶膠質量濃度,然后通過氣溶膠顆粒的積聚作用逐漸使大粒子質量濃度增加;也可能是因為煙花爆竹燃放同時產生亞微米和大粒子氣溶膠,只是亞微米氣溶膠質量濃度增幅大于大粒子量濃度增幅.

表1 不同城市除夕夜煙花爆竹顆粒物峰值濃度Table 1 The peak values of particulate matter concentrations caused by fireworks during New Year’s Eve in different cities

表1為國內各城市除夕夜煙花爆竹燃放高峰期顆粒物峰值濃度,由該表可以看出,在煙花燃放高峰期,PM2.5最高濃度超過800.00μg/m3,PM10最高濃度超過1000.00μg/m3.同時,不同地區測得的結果不同,同一地區不同時間測得的結果也會不同,這可能與煙花爆竹燃放量及燃放時氣象因素有關.

2.4 對PM2.5水溶性離子的影響

煙花爆竹含有多種化學成分,因此,燃放過程會對 PM2.5化學組分造成明顯的影響.為便于比較,將離子成分以質量濃度3.00μg/m3為界分為2組.圖4為除夕日PM2.5中各離子濃度變化曲線圖.由圖可見,在煙花燃放高峰期2月19日0:00左右,Cl-、K+、SO42-、Mg2+、NO2-、Na+都出現了明顯峰值,這6種離子的峰值濃度和在PM2.5中占的比例達 35.38%,其中,K+峰值濃度最高為65.10μg/m3.2月19日0:00,各離子濃度由大到小依次為:K+、Cl-、SO42-、NH4+、NO3-、Mg2+、Na+、F-、NO2-、Ca2+.同期監測的F-并未出現同樣明顯的上升趨勢.

圖5為煙花爆竹燃放期與非燃放期PM2.5中無機離子平均濃度.可以看出,K+濃度上升最大且上升幅度也最大(燃放期濃度為非燃放期的20.58倍),這是因為鉀鹽是煙花中的主要成分.煙花中,作為氧化劑的鉀鹽主要以硝酸鹽、氯酸鹽高氯酸鹽的形式存在,其化學反應式分別為: 2KNO3=2KNO2+O2,2KClO3=2KCl+3O2,以及KClO4= KCl+2O2.從圖5可以看出,Cl-的濃度上升濃度及幅度遠大于NO2-,表明煙花成分中氧化劑主要為氯酸鹽和高氯酸鹽.

對除夕日中K+與各離子進行Spearman相關性分析發現,K+與 Mg2+、Cl-的相關系數(ρ為0.92、0.85)大于與F-、NO2-、NO3-及SO42-的相關系數(ρ分別為:0.78、0.71、0.65及0.46),此外,K+與 Na+及 Ca2+無明顯相關性,與 NH4+呈負相關(-0.63),表明 Cl-及 Mg2+大部分是來自于煙花,而SO42-、NO2-、NO3-、F-、NH4+、Na+及Ca2+則受其他源影響較大,如:道路塵(Ca2+)、化石燃料燃燒(Ca2+,Na+).另外,Cl-與Mg2+的相關系數ρ為0.73,表明煙花中鎂鹽主要以氯鹽的形式存在.

圖4 除夕日PM2.5水溶性離子小時平均濃度Fig.4 Hourly average concentrations of water-soluble ions in PM2.5on Chinese New Year’s Day

圖5 燃放期與非燃放期PM2.5中水溶性離子平均濃度Fig.5 The average concentrations of the water-soluble ions in PM2.5during the discharge and non-discharge period of fireworks

采用污染物相對比值法對顆粒物來源進行分析.當污染源較穩定時,某污染物濃度相對于參考標準污染物濃度的比值穩定;當污染源變化時,比值會發生明顯變化.Wang等[7]、王占山等[22]曾根據煙花爆竹燃放期間和非煙花爆竹燃放期間PM2.5組分中不同離子之間的比例來量化估算煙花爆竹燃放對各組分的影響,本研究采用類似的方法進行估算,如下式所示.

式中:由于 F-受煙花爆竹燃放的影響較小,故可將F-視為標準污染物,用F表示除夕日F-小時平均濃度,μg/m3;X為除夕日離子組分實際小時平均濃度,μg/m3;( )non firework

X F?為非除夕日中離子組分與F-小時平均濃度比值;η為除夕日離子組分中受煙花爆竹燃放影響的比值.可推算出K+、Cl-、SO42-、Mg2+、Na+和 NO2-濃度中由煙花爆竹燃放產生的分別約占到92.30%、78.74%、58.39%、93.33%、54.63%和46.67%,這與王占山[22]所得結果不同,可能與煙花爆竹成分不同有關.

表2 不同城市除夕夜PM2.5中離子峰值濃度Table 2 The peak values of the concentrations of the water-soluble ions in PM2.5during New Year’s Eve in different cities

表2為不同城市除夕夜PM2.5中離子峰值濃度,由此可見,各地區觀測結果不同,這主要與各地煙花成分及煙花爆竹燃放量不同有關;另外,不分城市地區,K+質量濃度始終最大,與圖5所得結果一致.

2.5 對PM2.5中OC、EC的影響

大氣中的 EC、OC都可來自于直接排放源,OC還可來自于低蒸氣壓下化學反應形成的揮發性有機物.圖6為除夕日PM2.5中OC、EC小時濃度及OC/EC值,由該圖可以看出,OC煙花燃放高峰期0:00左右,OC、EC小時濃度出現明顯的峰值(分別為:15.68μg/m3、2.96μg/m3),且分別是前一小時濃度的 2.00、1.37倍,另外,與非燃放期間相比,燃放期間OC、EC分別增加了0.17、0.04倍,這都說明煙花爆竹燃放對OC的影響大于EC.其中,廠家為了使爆竹響度增加,在爆竹中添加了蔗糖等物質,這可能是 OC濃度升高的主要原因[27].另外,OC/EC值 0:00左右達到全天最大值(5.28),這與田英澤等[28]研究結果相符.同時,從圖 6中也可以發現, OC在7:00和9:00的峰值濃度比燃放高峰期0:00還大,這可能與7:00時濕度較大及氣壓較低(圖 1)等因素有關,此時通過化學反應產生的OC仍然較多;而關于9:00,隨著濕度的降低、氣壓的升高,OC本應減少,但此時處于交通高峰期, OC、EC排放源增加,導致二者濃度增加,且OC增加的濃度大于減少的濃度,故使得OC濃度又大于煙花燃放高峰期的濃度.圖 7為除夕日 OC、EC小時濃度占相應時刻 PM2.5百分比,由圖可知,OC與EC占PM2.5比例相對較低,表明煙花爆竹燃放對PM2.5中碳元素組分的影響貢獻相對較小.煙花燃放高峰期,OC、EC占PM2.5比例最低,與該時期其他組分的含量大幅上升有關.

圖6 除夕日PM2.5中 OC、EC小時平均濃度及OC/EC比值Fig.6 Hourly average concentrations of OC, EC and the ratio of OC/EC in PM2.5on Chinese New Year’s Day

圖7 除夕日OC、EC占PM2.5百分比Fig.7 The percentage contributions of OC and EC in PM2.5on Chinese New Year’s Day

3 結論

3.1 春節期間,由于煙花爆竹的集中燃放,使得除夕夜(2月19日0:00)成為空氣污染高峰時段,其中,SO2、NO、NO2濃度明顯上升、O3濃度明顯降低;與非燃放期相比,煙花爆竹燃放期SO2、NO、NO2和 O3的質量濃度分別增加了 3.27、0.90、0.13和-0.16倍.

3.2 煙花爆竹燃放高峰時段(2月 19日0:00),PM1.0、PM2.5和PM10的小時平均質量濃度達到最大值,分別為284.00、428.00和714.00μg/ m3.燃放期與非燃放期相比,PM1.0、PM2.5和PM10的質量濃度分別增加了2.99、2.54及2.07倍.

3.3 春節煙花爆竹燃放高峰期,PM2.5中水溶性離子受到明顯影響,受影響最大的是K+、Cl-、SO42-、Mg2+、Na+和NO2-等,這6種離子在PM2.5濃度中占的比例為35.38%,其中,K+濃度最高(65.10μg/m3),且推算得出,除夕日,這6種離子濃度中由煙花爆竹燃放產生的依次約占到92.30%、78.74%、58.39%、93.33%、54.63%和46.67%.

3.4 煙花爆竹燃放對 PM2.5中碳元素組分的影響貢獻相對較小,OC與EC占PM2.5比例相對較低.煙花燃放高峰期(2月19日0:00),OC、EC小時濃度出現明顯的峰值(分別為:15.68、2.96μg/ m3),分別為前一小時平均濃度的 2.00、1.37倍,但此時OC、EC占PM2.5比例最低,OC/EC值達除夕日最大(5.28).

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Effect of fireworks on the air quality during the Spring Festival of 2015 in Tianjin City.

YANG Zhi-wen1, WU Lin1, YUAN Jie2, LI Feng-hua1, YUAN Yuan1, MAO Hong-jun1*
(1.Department of Environmental Science and Engineering, NanKai University, Tianjin 300071, China；2.Tianjin Environment Monitoring Centre, Tianjin 300191, China). China Environmental Science, 2017,37(1)：69～75

In order to investigate the impacts of fireworks on air quality in Tianjin city, ambient concentrations of gaseous pollutants (SO2, O3, NO, NO2), particulate matters (PM1.0, PM2.5, PM10) and fractions (water-soluble ions, organic carbon, elemental carbon) were monitored online at the station of Tianjin Environment Monitoring Centre, during the Spring Festival in 2015. The ambient concentrations of gaseous pollutants, particulate matter, and chemical species of PM2.5were compared between the fireworks and non-fireworks periods. The concentrations of PM1.0, PM2.5, PM10and SO2were heavily affected by fireworks, the concentrations of which were 284.00μg/m3、428.00μg/m3、714.00μg/m3and 283.14μg/m3respectively during the heavy-firework period, and among the setting off period, the mean concentrations of which were increased by 2.99、2.54、2.07 and 3.27 times higher than non-discharge periods. Fireworks had great influence on the water soluble ionic in PM2.5, especially on the potassium, chloride, sulfate, magnesium, nitrite and sodium ions, which accounted for 35.28% of the PM2.5mass concentration during the peak period. At that time, the concentrations of OC and EC were 15.68μg/m3and 2.96μg/m3respectively, which were 2.0 and 1.4 times of the mean concentration of the previous hour.

the Spring Festival；fireworks；air quality；particulate matter；chemical characteristics

X831

A

1000-6923(2017)01-0069-07

楊志文(1989-),男,湖南婁底人,南開大學博士研究生,主要從事大氣污染防治研究.

2016-05-10

國家科技支撐計劃(2014BAC23B02);科技部科技基礎性工作專項(2013FY112700-02)

* 責任作者, 教授, hongjun_mao@hotmail.com