杜 娟 宋鵬程 霍婷婷

(1. 西南科技大學(xué)城市學(xué)院 四川綿陽 621010； 2. 四川省綿陽生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站 四川綿陽 621010；3. 西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院 四川綿陽 621010)

春節(jié)屬于我國的傳統(tǒng)節(jié)日，按照風(fēng)俗習(xí)慣節(jié)日期間民眾會燃放煙花爆竹。煙花爆竹中含有硫磺、木炭粉、硝酸鉀(或氯酸鉀)等物質(zhì)[1]，短時間集中燃放會產(chǎn)生大量二氧化硫、一氧化碳和顆粒物，造成環(huán)境空氣質(zhì)量迅速惡化。另外，煙花制作過程中加入了無機(jī)鹽及鎂粉等，燃放產(chǎn)生的顆粒物中含有大量金屬[2]、黑碳[3]和水溶性離子[4]等，能通過呼吸道進(jìn)入人體肺部，危害身體健康。

近年來，許多學(xué)者進(jìn)行了煙花爆竹燃放對環(huán)境空氣質(zhì)量影響的研究。楊志文等[1]研究發(fā)現(xiàn)天津市2015年春節(jié)期間煙花爆竹集中燃放對PM1，PM2.5，PM10和SO2的影響最為顯著，燃放高峰期PM2.5濃度達(dá)到428 μg/m3，PM10的濃度達(dá)到714 μg/m3。羅銀萍等[5]發(fā)現(xiàn)煙花爆竹燃放對PM2.5濃度影響最為顯著，對NO2濃度影響較小，禁燃對燃放高峰期PM2.5濃度有明顯削峰作用。楊峰等[6]研究發(fā)現(xiàn)，雖然春節(jié)期間氣象因素對南京市污染物擴(kuò)散具有較大影響，但禁燃煙花爆竹對PM2.5濃度的降低起決定性作用。另外，當(dāng)氣象擴(kuò)散條件較好時[7]，煙花爆竹對環(huán)境空氣質(zhì)量影響較??；氣象條件不利但政府管控措施到位時，煙花燃放的影響也能得到較好控制。顯然，煙花爆竹禁燃和政府管控是減少污染的必要措施。

綿陽市地處四川盆地西北部，常年日照多、降雨充沛，相對濕度偏高，秋冬季大氣層穩(wěn)定，靜穩(wěn)天氣頻發(fā)，春節(jié)期間煙花爆竹集中燃放極易形成污染過程。本文基于2016-2020年春節(jié)期間環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測小時濃度、日均濃度及空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)，分析綿陽市空氣質(zhì)量變化特征及煙花爆竹燃放對環(huán)境空氣質(zhì)量的影響，為后期精準(zhǔn)化管控和生態(tài)文明建設(shè)提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源及評價(jià)

綿陽市現(xiàn)有4個國控考核評價(jià)站點(diǎn)，分別為三水廠站(104.728 7°E，31.507 5°N)、市人大站(104.756 3°E，31.453 5°N)、高新區(qū)自來水公司站(104.669 7° E，31.466 8° N)和富樂山站(104.777 8° E，31.474 1° N)。2016-2020年綿陽市環(huán)境空氣監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于中國環(huán)境監(jiān)測總站(http://www.cnemc.cn/sssj/)空氣質(zhì)量發(fā)布APP數(shù)據(jù)(版本為Version 4.2.2)，其中，SO2， NO2，CO和O3為大氣溫度298.15 K、大氣壓力101.325 kPa下的質(zhì)量濃度，顆粒物為監(jiān)測時大氣溫度和壓力下的質(zhì)量濃度。氣象數(shù)據(jù)來源于后知?dú)庀?http://hz.zc12369.com/home/meteorologicalData/dataDetails/)歷史數(shù)據(jù)。春節(jié)一般為除夕至正月初三，為了更準(zhǔn)確地說明煙花爆竹燃放對環(huán)境空氣質(zhì)量的影響過程，本文將研究時段擴(kuò)大為除夕前一天至正月初四，包括2016年2月6日01時至12日00時，2017年1月26日01時至2月1日00時，2018年2月14日01時至20日00時，2019年2月3日01時至9日00時，2020年1月23日01時至29日00時。

空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)分為0～50，優(yōu)；51～100，良；101～150，輕度污染；151～200，中度污染；201～300，重度污染；>300，嚴(yán)重污染，共計(jì)6個等級，AQI計(jì)算詳見《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ 633—2012)。

2 結(jié)果與討論

2.1 本地及周邊城市環(huán)境空氣質(zhì)量變化特征

圖1為2016-2020年綿陽市春節(jié)前后AQI和PM2.5日均濃度變化圖。由于春節(jié)期間大部分工業(yè)、企業(yè)和建筑工地均停工，污染源排放較正常工況下降明顯，而春節(jié)前后綿陽市環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)和PM2.5表現(xiàn)為先增加后下降的趨勢，正月初一環(huán)境空氣質(zhì)量最差。2016年、2018年和2019年正月初一均為重度污染，AQI分別為228，226和212，自貢市[8]2016年、2017年正月初一也為嚴(yán)重污染，2018年、2019年均為重度污染。主要原因是除夕夜民眾會進(jìn)行煙花爆竹集中燃放，而燃放過程會產(chǎn)生大量的污染物，特別是PM2.5，若氣象擴(kuò)散條件不利或污染物超過環(huán)境容量，會使環(huán)境空氣質(zhì)量明顯變差。

圖1 2016-2020年綿陽市春節(jié)前后AQI和PM2.5日濃度變化Fig.1 Changes of AQI and PM2.5 daily concentrations before and after the Spring Festival in Mianyang from 2016 to 2020

盡管2017年四川省出現(xiàn)區(qū)域性污染過程，氣象擴(kuò)散條件不利，但綿陽市開始實(shí)施煙花爆竹管控，PM2.5和AQI整體增長較為緩慢，同時正月初一氣象條件開始改善，綿陽僅為中度污染。2018年春節(jié)前后四川省也出現(xiàn)區(qū)域性污染過程，污染物擴(kuò)散較為困難，在燃放煙花爆竹的影響下，正月初一PM2.5較除夕增長較為明顯。2019年未出現(xiàn)區(qū)域性污染過程，綿陽市除夕PM2.5日均濃度僅為60 μg/m3，而正月初一驟變?yōu)?60 μg/m3，正月初二又下降至77 μg/m3，說明2019年春節(jié)煙花爆竹燃放對PM2.5影響較明顯。

為了更準(zhǔn)確地說明春節(jié)期間燃放煙花爆竹對環(huán)境空氣質(zhì)量的影響，對成都、德陽、廣元和遂寧等周邊城市春節(jié)前后AQI和PM2.5變化情況進(jìn)行了對比分析。由圖2可知，2016年、2018年和2019年春節(jié)前后各周邊城市的PM2.5和AQI變化趨勢明顯一致，在各地正常污染源排放減少、氣象條件無異常突變的情況下，除夕夜煙花爆竹的集中燃放是空氣質(zhì)量變差的主要原因，正月初一PM2.5和AQI均表現(xiàn)為最高值。2016年廣元市僅正月初一為中度污染，其余各天均為良，遂寧市為重度污染。2018年四川省內(nèi)成都、德陽、綿陽等城市均受區(qū)域性污染影響，氣象擴(kuò)散條件較差，廣元市雖未受到區(qū)域性污染影響，但受煙花爆竹燃放影響，正月初一為中度污染(AQI為158)，其余多天均為良。2017年四川省也出現(xiàn)區(qū)域性污染過程，春節(jié)前污染較為嚴(yán)重，而正月初一氣象條件開始改善，污染過程開始減弱，所以周邊城市煙花爆竹集中燃放的影響并未特別明顯地顯現(xiàn)。2020年春節(jié)前氣象擴(kuò)散條件相對較差，部分城市呈連續(xù)污染過程，春節(jié)時受冷空氣影響，氣象擴(kuò)散條件改善，同時受新型冠狀病毒肺炎疫情影響，工業(yè)企業(yè)、交通源、居民活動水平均下降明顯，周邊城市環(huán)境空氣質(zhì)量均為良，除德陽正月初一受到少量煙花爆竹燃放影響外，其余城市影響較小。

圖2 2016-2020年綿陽周邊城市春節(jié)前后AQI變化情況Fig.2 AQI changes before and after the Spring Festival in surrounding cities from 2016 to 2020

2.2 煙花爆竹燃放對氣態(tài)污染物影響分析

圖3為2016-2020年除夕前一天至初四SO2，NO2，CO和O3的小時濃度變化圖。由于煙花爆竹中含有硫磺，煙花爆竹燃放后SO2濃度增長較為明顯。2016-2019年SO2從除夕夜20∶00時開始增長，正月初一01∶00時達(dá)到峰值，峰值濃度分別為53，31，14，22 μg/m3，峰值濃度出現(xiàn)時間與煙花爆竹集中燃放時間較為吻合，說明煙花爆竹燃放對SO2影響較明顯。天津市[9]2016-2017年春節(jié)期間煙花爆竹燃放后SO2的小時濃度峰值出現(xiàn)在除夕0∶00時，峰值濃度為412，103 μg/m3。東北地區(qū)[10]2015-2017年除夕夜SO2從18∶00時開始上升，正月初一04∶00-07∶00達(dá)到峰值，隨后下降。2020年綿陽市SO2在02∶00時出現(xiàn)濃度峰值，僅為7 μg/m3，由于綿陽市SO2年均濃度偏小(2019年的年均濃度僅為5 μg/m3)，說明綿陽市2020年春節(jié)期間煙花爆竹燃放量少。

圖3 2016-2020年春節(jié)前后氣態(tài)污染物小時濃度Fig.3 Hourly concentrations of SO2, NO2, CO and O3 before and after the Spring Festival from 2016 to 2020

CO性質(zhì)比較穩(wěn)定，主要來源于燃燒過程，CO從除夕夜20∶00時開始迅速增長，與顆粒物濃度增長趨勢完全吻合。2016年CO增長尤為明顯，在正月初一01∶00時出現(xiàn)濃度峰值(3.2 mg/m3)，2019年在正月初一02∶00時達(dá)到峰值濃度(1.5 mg/m3)，由于該時段機(jī)動車尾氣排放較小，CO濃度變化與煙花爆竹集中燃放時間吻合性較好。哈爾濱市[11]2016年春節(jié)煙花爆竹燃放期CO質(zhì)量濃度也呈現(xiàn)先升高再降低的變化趨勢，初一01∶00時達(dá)到最高值，濃度為3.2 mg/m3。2018年和2020年除夕夜CO增長不明顯，峰值濃度均較低。顯然，當(dāng)煙花爆竹燃放量較大時對CO濃度影響較明顯，而煙花爆竹燃放量較少時，CO增長不明顯。

2016-2020年NO2均在除夕夜21∶00-23∶00時出現(xiàn)小時濃度峰值，而煙花爆竹集中燃放在除夕夜0∶00時左右，時間吻合性較差。近地面O3主要是前體物二次轉(zhuǎn)化生成，同時與光輻射強(qiáng)度、溫度等密切相關(guān)，O3相對高值主要集中在14∶00-16∶00時，夜間溫度偏低，臭氧二次轉(zhuǎn)化生成極少，而煙花爆竹集中燃放期間O3并未出現(xiàn)明顯升高現(xiàn)象，說明煙花爆竹燃放對NO2和O3生成影響較少。

2.3 煙花爆竹燃放對顆粒物影響及管控效果分析

2.3.1 煙花爆竹燃放對顆粒物濃度影響分析

圖4為2016-2020年春節(jié)前后顆粒物小時濃度變化圖。由圖4可知，春節(jié)期間顆粒物濃度變化趨勢基本一致，均呈“鋸齒形”波動，煙花爆竹燃放開始于除夕19∶00時或20∶00時，集中燃放于0∶00時。2016年綿陽市未實(shí)施煙花爆竹管控，除夕夜20∶00時顆粒物開始呈現(xiàn)快速增加，增長速率較快，初一03∶00時PM2.5和PM10同時達(dá)到濃度峰值，分別為367，417 μg/m3，PM2.5/PM10占比達(dá)到 0.88。

圖4 2016-2020年春節(jié)前后顆粒物小時濃度Fig.4 Hourly concentrations of particulate matter before and after the Spring Festival from 2016 to 2020

2017年綿陽市在二環(huán)以內(nèi)實(shí)施煙花爆竹禁燃和管控，雖然四川省出現(xiàn)區(qū)域性污染，擴(kuò)散條件整體不利，但煙花爆竹禁燃后，顆粒物峰值濃度較2016年明顯下降，煙花爆竹禁燃和管控起到了較好的削峰作用。2019年除夕22∶00-05∶00時呈靜風(fēng)天氣，污染物擴(kuò)散條件較差，除夕夜22∶00時出現(xiàn)輕度污染，PM2.5濃度僅為89 μg/m3，0∶00時呈重度污染，初一05∶00時PM2.5和PM10同時達(dá)到濃度峰值，分別為230，274 μg/m3。哈爾濱[11]2016年春節(jié)期間PM10在除夕夜23∶00 時也出現(xiàn)迅速增長，01∶00 時達(dá)到最大值(623 μg/m3)，合肥市[12]春節(jié)期間除夕夜0∶00時至初二10∶00時顆粒物處于高值，2016年、2017年春節(jié)期間PM2.5小時峰值濃度分別為445，257 μg/m3。

2020年綿陽市擴(kuò)大了禁燃區(qū)域(表1)，同時受新型冠狀病毒肺炎疫情影響，居民活動水平和交通運(yùn)輸源排放整體減弱。另外，除夕夜公安、城管、環(huán)保和社區(qū)政府等均加大了巡查和管控，初一02∶00時才出現(xiàn)輕度污染，無重度及以上污染，PM2.5，PM10峰值濃度僅為139，121 μg/m3(表2)，PM2.5質(zhì)量濃度的小時濃度峰值較2016年和2019年分別減少67.0%和54.7%。江蘇省[13]大部分城市2018年實(shí)行煙花爆竹禁燃后全省PM2.5，PM10濃度均值較2017年分別下降31.64%和28.36%。2018年春節(jié)期間京津冀及周邊[14]煙花禁限放措施起到了顯著的污染削峰作用，但與城區(qū)相比，周邊郊縣PM2.5濃度顯著高于城區(qū)，城區(qū)監(jiān)測點(diǎn)位受到郊縣等周邊地區(qū)煙花燃放的傳輸影響顯著。顯然，擴(kuò)大煙花爆竹禁燃區(qū)域和加大春節(jié)期間煙花爆竹燃放管控能夠有效減輕環(huán)境空氣質(zhì)量污染。為了使整體減排效果更加明顯，需要繼續(xù)擴(kuò)大煙花爆竹禁燃區(qū)域，加強(qiáng)管控和巡查，同時周邊區(qū)縣及農(nóng)村也需協(xié)同管控，以減輕周邊區(qū)域?qū)Τ菂^(qū)的污染輸送。

表1 2016-2020年綿陽市煙花爆竹禁燃范圍Table 1 Scope of fireworks prohibited in Mianyang City from 2016 to 2020

2.3.2 煙花爆竹燃放時顆粒物污染過程分析

2016-2019年除夕至正月初一污染時段超標(biāo)污染物均為PM2.5，說明煙花爆竹燃放過程產(chǎn)生的主要污染物為PM2.5，將整個污染過程顆粒物濃度的增長速率定義為：

式中：PVPM為煙花爆竹燃放過程期間的顆粒物峰值濃度，μg/m3；initPM為污染過程起始時刻的顆粒物濃度，μg/m3；t為從污染過程起始時刻至出現(xiàn)峰值濃度時的時長，h；ΔPM為顆粒物濃度的增長速率，μg/(m3·h)。2016-2020年P(guān)M2.5的污染過程起始時間分別為除夕夜20∶00時、19∶00時、20∶00時、22∶00時和正月初一01∶00時，PM10的污染過程起始時間分別為除夕22∶00時、20∶00時、23∶00時、00∶00時，2020年P(guān)M10未出現(xiàn)污染過程。由表2可知，2016年和2019年P(guān)M2.5的峰值濃度偏高，同時PM2.5和PM10顆粒物增長速率明顯高于其他年份，2016年出現(xiàn)重度及以上污染14 h，但是嚴(yán)重污染7 h。2019年出現(xiàn)重度及以上污染13 h，但是出現(xiàn)嚴(yán)重污染4 h，說明2016年和2019年居民煙花爆竹燃放量較大。

表2 2016-2020年春節(jié)期間煙花爆竹燃放污染過程統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics on the pollution process of fireworks and firecrackers in the Spring Festival from 2016 to 2020

2.4 氣象條件對污染物擴(kuò)散影響分析

污染物濃度變化除了受污染源排放影響外，氣象條件也是重要因素。結(jié)合污染物濃度變化分析，煙花爆竹燃放主要影響除夕夜至正月初一，故對2016-2020年除夕14∶00時至初一14∶00時的氣溫、氣壓、相對濕度、風(fēng)速和能見度等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖5所示。由圖5可知，2016-2020年該時段氣象條件較為相似，溫度均表現(xiàn)為先減少后增加的趨勢，初一08∶00時達(dá)到最低值，2016年、2018年和2019年變化更加明顯。相對濕度均表現(xiàn)為先增加后減少的趨勢，初一08∶00時達(dá)到最大值。選擇2016-2020年除夕14∶00-20∶00時為未燃放煙花爆竹階段，除夕20∶00至正月初一14∶00時為煙花爆竹燃放影響階段，2016-2020年未燃放煙花爆竹階段平均氣溫為9.3～15.6 ℃，明顯高于煙花爆竹燃放影響階段(平均氣溫7.0～9.7 ℃)，而相對濕度均值(38%～53%)卻低于煙花爆竹燃放影響階段(60%～74%)，同時除夕14∶00時至初一14∶00時風(fēng)速相對較小，大氣壓強(qiáng)變化不明顯，無降雨清除作用，該氣象條件不利于污染物擴(kuò)散，當(dāng)除夕夜煙花爆竹開始燃放后(約20∶00時)，大氣能見度和溫度不斷降低，相對濕度不斷增加，尤其是20∶00-08∶00時，高相對濕度有助于顆粒物進(jìn)行吸濕性增長和二次轉(zhuǎn)化生成[5]，使得顆粒物增加，加重了大氣污染過程。

圖5 2016-2020年除夕至初一綿陽市主要?dú)庀髼l件Fig.5 Meteorological conditions in Mianyang City from New Year’s Eve to New Year’s Day from 2016 to 2020

2.5 煙花爆竹燃放對PM2.5 濃度的貢獻(xiàn)分析

由于CO相對穩(wěn)定，參照文獻(xiàn)[5-7]，假設(shè)研究過程中除煙花爆竹燃放外其余污染源排放相對穩(wěn)定，選取受煙花爆竹影響較小的CO作為參考污染物濃度，采用污染物相對比值法定量分析煙花爆竹燃放對PM2.5的貢獻(xiàn)量。

Mf=M-C×(Maver/Caver)

Mc=Mf/M×100%

式中：Mf為煙花爆竹集中燃放期對PM2.5的小時濃度貢獻(xiàn)量，μg/m3；M為煙花集中燃放期的PM2.5的小時濃度值；Maver為非煙花爆竹集中燃放期PM2.5濃度平均值，μg/m3；C為煙花集中燃放時期的CO的小時濃度值，μg/m3；Caver為非煙花集中燃放時期的CO濃度平均值，mg/m3；Mc為煙花集中燃放期對PM2.5的貢獻(xiàn)率，%。本研究煙花爆竹集中燃放期選除夕19∶00時至正月初一15∶00時，非煙花爆竹集中燃放期選用除夕前6 d。

結(jié)合計(jì)算結(jié)果(表3)，2016年綿陽市還未實(shí)行煙花爆竹禁燃，19∶00時煙花爆竹燃放已對PM2.5濃度有貢獻(xiàn)，隨著時間的增加，貢獻(xiàn)量呈不斷增加趨勢，對PM2.5的貢獻(xiàn)率也增加，在0∶00時集中燃放后對PM2.5小時濃度貢獻(xiàn)尤為明顯，正月初一04∶00時以后貢獻(xiàn)量開始降低。2017-2020年煙花爆竹禁燃和管控后在0∶00時集中燃放后才對PM2.5濃度開始有貢獻(xiàn)。2016-2020年煙花爆竹燃放期對PM2.5平均貢獻(xiàn)量12～122 μg/m3，貢獻(xiàn)率16.2%～58.7%，2016年和2019年煙花爆竹燃放對PM2.5貢獻(xiàn)值尤為明顯，2020年貢獻(xiàn)值最小。

表3 春節(jié)期間煙花燃放對PM2.5 濃度的貢獻(xiàn)值Table 3 Contributions of fireworks to PM2.5 concentration during the Spring Festival(to be continued)

續(xù)表3 春節(jié)期間煙花燃放對PM2.5 濃度的貢獻(xiàn)值Table 3 Contributions of fireworks to PM2.5 concentration during the Spring Festival(continued)

3 結(jié)論

(1)春節(jié)期間煙花爆竹燃放導(dǎo)致綿陽市環(huán)境空氣中污染物濃度短時間內(nèi)迅速升高，集中燃放對SO2、顆粒物影響尤為明顯，但對NO2和O3影響較少，煙花爆竹燃放主要影響除夕至正月初一，超標(biāo)污染物為PM2.5。

(2)結(jié)合春節(jié)期間顆粒物濃度變化特征、顆粒物增長率和煙花爆竹燃放對PM2.5貢獻(xiàn)值綜合分析，2016-2020年煙花爆竹燃放期對PM2.5平均貢獻(xiàn)量12～122 μg/m3，貢獻(xiàn)率16.2%～58.7%，2016年和2019年煙花爆竹燃放對PM2.5平均貢獻(xiàn)量尤為明顯，2020年對PM2.5平均貢獻(xiàn)量最小。

(3)2017-2019年綿陽市僅在城區(qū)二環(huán)內(nèi)進(jìn)行煙花爆竹禁燃，2020年擴(kuò)大禁燃區(qū)域，同時強(qiáng)化了煙花爆竹管控和夜間巡檢，整體管控效果較好，無重度及以上污染出現(xiàn)，建議今后繼續(xù)擴(kuò)大煙花爆竹禁燃區(qū)域，加強(qiáng)煙花爆竹管控，減輕空氣污染。