2023年銀川都市圈春節(jié)期間煙花爆竹燃放對細顆粒物（PM2.5）的影響探析

＊陳瑤 張滿 張玉龍 張衛(wèi)紅 田林鋒

（1.寧夏回族自治區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心 寧夏 750021 2.宇星科技發(fā)展（深圳）有限公司 廣東 518000）

1.數據來源

（1）2023年春節(jié)期間：1月21日（除夕）—1月27日（初六）；集中燃放時段：1月21日17時—1月22日12時；非集中燃放時段指春節(jié)期間除集中燃放時段以外的其他時段。

（2）以銀川都市圈（銀川市、石嘴山市、吳忠市）為重點區(qū)域，選取其國控、區(qū)控環(huán)境空氣自動監(jiān)測站，顆粒物組分自動監(jiān)測站點位數據。其中，國控環(huán)境空氣自動監(jiān)測站點基本位于市級城市主城區(qū)，區(qū)控環(huán)境空氣自動監(jiān)測站點基本位于縣級城市市區(qū)。銀川市超級站及顆粒物組分及光化學成分監(jiān)測網石嘴山站、吳忠站均配備在線離子色譜儀、OC/EC在線監(jiān)測儀、重金屬監(jiān)測儀。國控、區(qū)控環(huán)境空氣自動監(jiān)測站點嚴格按照《環(huán)境空氣質量自動監(jiān)測技術規(guī)范》（HJ/T 193—2005）和《環(huán)境空氣質量監(jiān)測點位布設技術規(guī)范（試行）》（HJ 664—2013）等相關技術規(guī)定要求布設運行。顆粒物組分自動監(jiān)測站嚴格參照中國環(huán)境監(jiān)測總站2021年11月21日發(fā)布的總站氣字〔2021〕558號文件《環(huán)境空氣顆粒物有機碳、元素碳連續(xù)自動監(jiān)測技術規(guī)定等3項技術規(guī)定》和2021年7月2日發(fā)布的總站氣字〔2021〕356號文件《大氣顆粒物組分自動監(jiān)測數據審核技術指南（試行）》執(zhí)行。

（3）監(jiān)測項目：PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO、水溶性離子、OC/EC、重金屬元素等。

2.評價與數據分析方法

(1)PM2.5/CO比值評估煙花爆竹燃對顆粒物（PM2.5）的質量濃度貢獻

因煙花爆竹燃放期間CO濃度變化較小，而PM2.5濃度變化明顯，將CO作為參考標準污染物質量濃度，利用PM2.5/CO比值分析煙花爆竹燃放產生的PM2.5對PM2.5總量的貢獻[1]。

式中，P（PM2.5）為非集中燃放時段PM2.5平均質量濃度；P（CO）為非集中燃放時段CO平均質量濃度；N（CO）為集中燃放時段CO平均質量濃度；N（PM2.5）為集中燃放時段PM2.5平均質量濃度；M（PM2.5）為煙花爆竹集中燃放時段煙花爆竹燃放對PM2.5貢獻量；Γ為煙花爆竹集中燃放時段煙花爆竹燃放對PM2.5貢獻率。

(2)SOR和NOR評價顆粒物二次轉化程度

PM2.5中硝酸鹽、硫酸鹽、銨鹽主要由氣態(tài)SO2、NO2及NH3等一次前體物通過復雜的氣象或液相反應生成[2]。硫酸根氧化率（SOR）和硝酸根氧化率（NOR）的比值[3]常用來反應顆粒物二次轉化能力的高低，用于評估煙花爆竹燃放時段內顆粒物二次轉化的速率。

3.結果與討論

(1)春節(jié)期間PM2.5質量狀況

2023年春節(jié)期間，銀川都市圈PM2.5平均質量濃度為39.2μg/m3，較2022年春節(jié)期間增長12.4μg/m3。集中燃放時段PM2.5平均質量濃度為82.6μg/m3，較2022年集中燃放時段增長29μg/m3。非集中燃放時段為32.7μg/m3（見圖1）。

圖1 2023年春節(jié)期間銀川都市圈集中燃放時段PM2.5質量濃度對比（單位：μg/m3）

(2)煙花爆竹燃放時期PM2.5濃度特征

ρ(PM2.5)/ρ(PM10)表示PM2.5質量濃度在PM10質量濃度中的占比，煙花爆竹集中燃放時段銀川都市圈ρ(PM2.5)/ρ(PM10)為52.6%，劉姣姣等[4]對2018年重慶市主城區(qū)集中燃放期間PM2.5的平均貢獻率為60%，與本研究結果較為一致，PM2.5污染特征明顯。

集中燃放時段ρ(PM2.5)/ρ(PM10)比值均大于非集中燃放時段（表1），銀川市、石嘴山市、吳忠市集中燃放期PM2.5濃度峰值分別為非集中燃放時段的3.8倍、2.2倍、1.5倍，說明煙花爆竹的集中燃放對PM2.5的影響更顯著，集中燃放時段PM2.5質量濃度存在明顯突增現象。

表1 銀川都市圈春節(jié)期間ρ(PM2.5)/ρ(PM10)比值

(3)銀川都市圈春節(jié)煙花爆竹集中燃放時段PM2.5化學組分特征

PM2.5的化學組分較為復雜[5]，將所測定的化學組分劃為[6]：有機物OM、硝酸鹽、硫酸鹽、銨鹽、元素碳EC、氯鹽、地殼元素GM和微量元素。硝酸鹽、硫酸鹽、銨鹽、元素碳EC和氯鹽為直接測定的質量濃度值；有機物OM選取1.6作為OC的轉化系數；地殼元素GM以構成地殼最主要的化合物的相應元素得到，GM=1.63[Ca2+]+2.42[Fe]+1.94[Ti]；微量元素為除地殼元素以外的其他元素的總和，計算得到春節(jié)期間與集中燃放時段PM2.5各化學組分百分比（表2）。

表2 2023年春節(jié)期間與集中燃放時段PM2.5各化學組分百分比

表3 煙花爆竹燃放期間水溶性離子質量濃度水平單位：μg/m3

集中燃放時段銀川都市圈PM2.5峰值時，其微量元素、硫酸鹽和氯鹽化學組分之和占比分別為89%、92%、83%。說明煙花爆竹燃放污染物中一次排放與二次生成占比較高。

①水溶性離子特征

集中燃放時期水溶性離子平均質量濃度銀川市＞石嘴山市＞吳忠市。集中燃放時段SO2、NO2和二次無機氣溶膠SNA（NO3-+NH4++SO42-）明顯高于春節(jié)期間，說明控制硝酸鹽、硫酸鹽和銨鹽的前體物排放有利于降低煙花爆竹集中燃放時段PM2.5質量濃度。

ρ(SO42-)/ρ(K+)的比值質量濃度可以反映主要來自于煙花爆竹燃放還是生物質燃燒[7]。經計算，三市煙花爆竹集中燃放時段ρ(SO42-)/ρ(K+)≤1（表4），均低于Shen等[8]研究的煙花爆竹燃放比值3.3。

表4 銀川市、石嘴山市、吳忠市ρ(SO42-)/ρ(K+)的比值質量濃度

有研究指出煙花爆竹的氧化劑[9]（KClO3、KClO4、K2CrO7），是Cl-、K+的主要來源。銀川市煙花爆竹集中燃放時段NO3-、SO42-、NH4+、Cl-、K+、Na+、Mg2+、Ca2+離子質量濃度（表5）分別為非集中燃放時段的1.6倍、5.3倍、1.4倍、23.7倍、57.1倍、3.7倍、12.7倍、1.5倍；石嘴山市分別為2.0倍、3.5倍、0.9倍、11.1倍、23.9倍、2.1倍、9.9倍、1.7倍；吳忠市分別為1.4倍、2.5倍、1.2倍、6.7倍、23.7倍、1.4倍、6.1倍、1.0倍。與非集中時段相比，SO42-、Cl-、K+、Mg2+離子質量濃度明顯突增，NH4+、Ca2+離子質量濃度變化不明顯。

表5 銀川都市圈集中燃放時段水溶性離子平均質量濃度單位：μg/m3

銀川都市圈煙花爆竹集中燃放時段SOR、NOR見表6。

表6 銀川都市圈煙花爆竹集中燃放時段SOR、NOR

有研究表明，SOR和NOR的值越大，二次轉化的程度就越高[10]。表6說明集中燃放時段銀川都市圈均有短時SO42-由二次反應生成，銀川市二次反應相對明顯，銀川都市圈NO3-二次反應生成均不明顯。

②OC/EC特征

OC主要來源于各類污染源直接排放的一次有機碳（POC）和各種源排放的揮發(fā)性有機物在大氣中經過光化學反應生成的二次有機碳（SOC）[11]。EC是一種穩(wěn)定的不易分解的高聚合混合物，通常被認為是一次污染的示蹤物質[12]，兩者是識別PM2.5來源的重要參數[13-14]。

A.OC/EC質量濃度特征

有研究表明，OC/EC可以用來表征PM2.5中碳元素的排放來源及轉化的特性[15-16]。通常認為當PM2.5中OC/EC的值超過2就有顯著二次有機碳的生成[17]。銀川市OC/EC數據缺失量較大，僅對石嘴山市、吳忠市OC/EC數據進行分析（表7）。

表7 石嘴山和吳忠集中燃放時期和非燃放期間OC/EC質量濃度水平（單位：μg/m3）

B.OC/EC來源分析

OC和EC之間的相關性經常被用來初步判斷二者來源是否相似[18]，OC和EC之間的相關系數越高，則說明OC和EC來自同一污染源的可能性就越大，而相關性較差可能由于OC和EC來源的差別較大，或因長距離輸送和SOC的形成導致碳組分來源較為復雜（表8）。

表8 石嘴山和吳忠集中燃放時期和非燃放期間OCEC的相關系數R2

表8說明石嘴山市非集中燃放時段較集中燃放時段的OCEC來源更為一致，吳忠市集中燃放時段較非集中燃放時段OCEC的來源更為一致。

③重金屬特征

銀川市、石嘴山市和吳忠市集中燃放時段無機元素百分比分別為非集中燃放時段的1.9倍、1.9倍和2.4倍。集中燃放時期鉀元素百分比銀川市（92.4%）＞石嘴山市（88.92%）＞吳忠市（74.21%），與三市PM2.5組分中水溶性離子平均質量濃度變化規(guī)律一致。

(4)煙花爆竹燃放對重點區(qū)域PM2.5的貢獻

因煙花爆竹燃放期間CO質量濃度受煙花爆竹燃放的影響較小，將CO質量濃度視為參考標準污染物質量濃度，利用公式（1）評估分析銀川都市圈煙花爆竹燃放產生的PM2.5對PM2.5總量的貢獻。利用公式（2）評估分析三地市煙花爆竹集中燃放時段產生的PM2.5的貢獻率（表9）。

表9 銀川都市圈煙花爆竹集中燃放貢獻量及貢獻率

經測算，銀川都市圈集中燃放時段煙花爆竹PM2.5貢獻量在41～50μg/m3之間，貢獻率在39.6%～79.3%之間。將三市市區(qū)和其所轄縣（市）區(qū)集中燃放時段煙花爆竹PM2.5貢獻量進行比較可得（圖2）：賀蘭縣＞銀川市城區(qū)＞靈武市＞永寧縣；石嘴山市城區(qū)＞平羅縣；同心縣＞紅寺堡區(qū)＞吳忠市區(qū)＞青銅峽市＞鹽池縣。

圖2 銀川都市圈集中燃放時段煙花爆竹PM2.5貢獻量（單位：μg/m3）

4.結論

（1）2023年春節(jié)期間，銀川都市圈PM2.5平均質量濃度為39.2μg/m3，集中燃放時段PM2.5平均質量濃度為82.6μg/m3。煙花爆竹集中燃放時段呈現明顯PM2.5污染特征。

（2）集中燃放時段ρ(PM2.5)/ρ(PM10)比值均大于非集中燃放時段，表明集中燃放時段PM2.5污染程度高于非集中燃放時段。集中燃放時段的PM2.5污染對人體和其他生物危害更大[19]。

（3）銀川都市圈集中燃放時段SO42-、Cl-、K+、Mg2+離子濃度明顯突增，OC/EC來源較為一致，且SOR表征集中燃放時段均有SO42-由二次反應生成。說明煙花爆竹集中燃放時段PM2.5的直接排放疊加區(qū)域二次生成為該時段環(huán)境空氣質量急劇惡化的主要因素。

（4）銀川都市圈煙花爆竹集中燃放時段，煙花爆竹PM2.5貢獻量在41～50μg/m3之間，貢獻率在39.6%～79.3%之間。市（縣）區(qū)排放貢獻量差異較大，為有效降低春節(jié)期間煙花爆竹的集中燃放，仍需因地制宜，按區(qū)域制定嚴格管控措施。