春節(jié)期間煙花爆竹燃放對PM2.5化學組分的影響

趙志剛， 張信成， 何秋生*

(1.呂梁市環(huán)境科學研究所，山西 呂梁 033000；2.太原科技大學環(huán)境科學與工程學院，山西 太原 030024)

大氣PM2.5污染引起的灰霾問題不僅對公民身體健康有不利影響，還會對生態(tài)系統(tǒng)和氣候變化造成破壞[1]。春節(jié)是中華民族的傳統(tǒng)節(jié)日，人們通常以燃放煙花爆竹慶祝這一節(jié)日，肖致美[2]等發(fā)現(xiàn)天津市2020年春節(jié)重污染期間PM2.5的質(zhì)量濃度達219 μg/m3，主要是由于本地排放、污染傳輸和不利的氣象條件導致的；張仲平[3]等發(fā)現(xiàn)在春節(jié)期間煙花爆竹對PM2.5的貢獻較大。

太原盆地是山西的人口集中區(qū)和煤化工集中區(qū)，特殊的地形導致污染物易累積，與此同時，春節(jié)期間煙花爆竹的燃放易導致短時重污染發(fā)生，引起了廣泛關注[4]。本研究目標城市位于太原盆地南端，產(chǎn)業(yè)結構以焦化為主，是太原盆地污染區(qū)的典型代表。本研究選取該市2021年春節(jié)期間PM2.5及其組分數(shù)據(jù)，研究煙花爆竹燃放對PM2.5的影響，以期為城市PM2.5污染治理和精細化管理提供科學支撐。

1 材料與方法

1.1 采樣點位及監(jiān)測時段

本研究采樣點位于太原盆地南端某市，距地面約30 m，附近主要以居民住宅區(qū)為主，人流密集且車流量較大。觀測期為2021年2月8日至2021年2月15日，其中，2月11日為除夕，2月12日為春節(jié)。本研究選取2月8日至2月10日為春節(jié)前，2月11日至2月12日為春節(jié)期間，2月13日至2月15日為春節(jié)后。

1.2 采樣設備

2 結果與討論

2.1 PM2.5及其化學組分特征

第228頁圖1為整個采樣期間PM2.5濃度小時變化圖，PM2.5日均質(zhì)量濃度范圍為11.83 μg/m3～168.75 μg/m3，平均質(zhì)量濃度為105.22 μg/m3，高于國家空氣質(zhì)量PM2.5質(zhì)量濃度限值(75 μg/m3)。春節(jié)前PM2.5質(zhì)量濃度為116.19 μg/m3，春節(jié)期間為136.57 μg/m3，春節(jié)后為73.28 μg/m3，春節(jié)期間PM2.5質(zhì)量濃度明顯高于春節(jié)前和春節(jié)后，可能是由于春節(jié)期間受煙花爆竹等本地排放和不利的氣象條件導致的。

采樣期間無機元素 Pb、Al、Si、As、Ca、K、Cr、Cd、Zn、Cu、Fe、Mn質(zhì)量濃度分別為129.01、2 581.30、1 849.44、13.06、768.04、1 929.14、6.41、3.39、145.48、34.96、655.29、49.09 ng/m3，其中,Al、Si、Ca、K元素濃度較高，為主導元素。K元素是煙花爆竹燃放的指示物[2]，春節(jié)期間K元素突升，小時濃度最高可達11 138.70 ng/m3，圖1顯示在11日的21時至12日23時，K的濃度明顯高于其他時段，可知除夕和春節(jié)這兩天煙花爆竹燃放較為明顯。

圖1(b)顯示OC、EC和PM2.5變化趨勢一致，表1描述了春節(jié)前中后OC、EC的濃度變化，可以發(fā)現(xiàn)，春節(jié)期間的OC和EC濃度明顯高于春節(jié)前和春節(jié)后，可知春節(jié)期間的排放仍較大。OC/EC可以用來反映有機物的二次轉(zhuǎn)化情況，采樣期間兩者比值均大于2，表明采樣期間二次轉(zhuǎn)化明顯。

圖1 采樣期間PM2.5及其化學組分濃度、氣參數(shù)時間序列圖

2.2 煙花爆竹導致的PM2.5排放特征

本研究捕捉到除夕夜到大年初一共有4次煙花爆竹燃放時間，第一次是除夕夜(19:00～23:00)，年夜飯期間燃放的煙花爆竹；第二次是大年初一(00：00～02:00)，該時段為跨年時段，燃放煙花爆竹較為集中；第三次是05:00～08:00，該時段在中國北方有點旺火的習俗，伴隨有煙花爆竹的燃放；第四次是10:00～13:00，為迎財神的時間。在這4個時間段PM2.5濃度出現(xiàn)升高的趨勢，前兩次風速較大，有利于擴散，而后兩次風速變小，同時受到前兩次排放累積的影響，PM2.5濃度到達研究期間最大小時濃度(306 μg/m3)。

從圖1中可以看出，大年初一(2021-02-12)OC、EC濃度均達到峰值，說明煙花爆竹的燃放導致其濃度升高。Feng等[4]的研究表明K、Fe、Al、Cl-是煙花爆竹的指示物質(zhì)，而大年初一這幾種物質(zhì)的濃度均比較高，尤其是K元素，該日是研究期間的5.50倍，其他3種組分分別是研究期間平均濃度的1.20、1.33和3.16倍。2021年受禁止燃放煙花爆竹政策的影響，峰值不明顯，而第四次峰值最高主要是污染物累積的結果。

2.3 特征雷達圖分析

第229頁圖2為11月16日至12日18時PM2.5及風速小時變化圖。為了判斷該區(qū)域的污染來源，使用特征雷達圖來表現(xiàn)大氣污染在時間序列上發(fā)生的變化，本研究將五項污染物(SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10)歸一化處理，繪制特征雷達圖，具體繪制方法參考段菁春等[5]的研究，特征雷達圖包括4根呈五邊形的線，線條1呈正五邊形，為污染物特征標準值，為無量綱數(shù)，數(shù)值為1；線條2呈不特定的五邊形，為一定時期污染物特征上限值，為無量綱數(shù)，數(shù)值大于1(Maxj)；線條3呈不特定的五邊形，為一定時期污染物特征下限值，為無量綱數(shù)，數(shù)值小于1(Minj)；線條4呈不特定的五邊形，為特定時間或站點污染物特征值(CVij)。

圖2 11日16時至12日18時PM2.5及風速小時變化圖

圖3為采樣期間特征雷達圖，2月8日特征雷達圖呈現(xiàn)出偏機動車型(NO2和CO的特征值較大，且NO2的特征值接近標準上限)，隨后9日到10日低風高濕的氣象條件下二次轉(zhuǎn)化明顯，因此這兩日的特征雷達圖為二次型(PM2.5的特征值較高)，之后11日到12日(分別為：除夕、大年初一)為明顯的偏煙花型，SO2和PM2.5的特征值較大，12日PM2.5的特征值超過標準上限，表明該日煙花的影響最強，13日CO的特征值接近上限，表明煙花影響減弱，其他源如燃煤源的影響增強。2月14日特征雷達圖屬于偏二次型，PM2.5的特征值超過標準上限，同時PM10的特征值同樣超過標準上限，結合圖1發(fā)現(xiàn)，該日風速增大，揚塵對PM10的貢獻加強，因此該日部分時段呈揚塵型。之后受風速影響，擴散條件變好，空氣質(zhì)量好轉(zhuǎn)，此時CO的特征值超過標準上限，主要是該地以煤炭為主要能源，導致CO的背景濃度比較高，各污染物濃度低的水平下，CO的占比反而比較大。

圖3 2021年2月8日00:00至15日23:00的特征雷達圖

3 結論