張家界城市主要污染氣體“周末效應(yīng)”和“假日效應(yīng)”研究

管 睿，鄭凱莉，黃 毅*

（ 1．吉首大學 數(shù)學與統(tǒng)計學院 吉首 416000；2．吉首大學 旅游與管理工程學院 張家界 427000 ）

0．引言

大氣污染已經(jīng)嚴重危害到人類的生存和發(fā)展。我國作為發(fā)展中國家，隨著經(jīng)濟發(fā)展和城市化進程的加快，城市空氣質(zhì)量日益惡化，黃淮海地區(qū)、長江三角洲、四川盆地和珠江三角洲形成了中國四大灰霾區(qū)[1]。城市空氣污染問題不僅影響大氣能見度[2-3]，對人類的身體健康也有極大危害[4-5]，同時還會影響旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展[6]。

隨著旅游產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，其帶來的負面環(huán)境影響也逐漸被人們重視。人類旅游活動的影響與空氣質(zhì)量是一種交互式關(guān)系[7]，二者存在高度的相關(guān)性。一方面，空氣質(zhì)量的好壞會影響人們旅行目的地選擇[8]，如果某景區(qū)或城市空氣質(zhì)量惡化，相應(yīng)的旅游接待量的增長會有所減緩[9]；另一方面，旅游休閑活動又會給大氣環(huán)境帶來種種影響，影響空氣質(zhì)量[10-12]。人類活動導致污染物濃度呈現(xiàn)出一定的周期性變化，比如“周末效應(yīng)”[13]。而重要節(jié)假日期間的旅游休假活動，也會改變?nèi)藗兌唐趦?nèi)生產(chǎn)、生活和出行方式，尤其是對旅游城市的影響更為顯著，其對空氣質(zhì)量的影響稱為“假日效應(yīng)”。旅游者外出旅游是為了享受優(yōu)美的環(huán)境，徹底放松心情。越來越多的實踐證明，生態(tài)環(huán)境的破壞使得曾經(jīng)著名的旅游勝地吸引力不斷下降，而那些自然環(huán)境保持良好，生態(tài)破壞較小的旅游地越來越受到游客的青睞。了解城市空氣污染物的時間變化規(guī)律，特別是生態(tài)旅游城市，是科學有效地制訂相關(guān)防治保護措施的前提，可有效地支持相關(guān)部門采取分時段的污染物排放控制措施，是確保城市可持續(xù)發(fā)展的重中之重。目前，關(guān)于污染物時間變化規(guī)律的研究多集中在大城市[14-17]。而對于一些小城市，尤其是生態(tài)旅游城市的空氣污染物隨時間變化規(guī)律的研究較少[18-20]。

張家界作為生態(tài)旅游重點城市，伴隨旅游業(yè)的快速發(fā)展，與之相應(yīng)的環(huán)境，尤其是城市空氣質(zhì)量問題是其將要面對的主要問題。由于人們生活水平和消費觀念的改變，周末和節(jié)假日，大量游客短時涌入到張家界旅行觀光，在較小的空間上集聚，不僅造成當?shù)亟煌〒矶?，增加當?shù)厝藗兊纳鐣a(chǎn)活動，還給當?shù)丨h(huán)境產(chǎn)生嚴重的負面影響，不利于旅游業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，針對張家界市節(jié)假日旅游人數(shù)短暫增多，本文擬通過分析張家界市空氣質(zhì)量監(jiān)測站點連續(xù)監(jiān)測污染數(shù)據(jù)，對污染物在工作日、周末、節(jié)假日的濃度變化特征進行對比分析，研究人類的生產(chǎn)生活方式及生活規(guī)律對污染物濃度和空氣質(zhì)量的影響，為旅游城市大氣環(huán)境保護與防治提供參考。

1．數(shù)據(jù)來源與處理

1．1．數(shù)據(jù)來源

為了研究張家界市大氣環(huán)境污染物濃度變化規(guī)律存在什么樣的特征，是否存在“周末效應(yīng)”，“假日效應(yīng)”等現(xiàn)象。選取張家界市主要大氣污染物CO、SO2、NO2、O3、PM10和 PM2.5的小時數(shù)據(jù)（2016年1月1日～12月31日），每種污染物數(shù)據(jù)長度為8784個。污染物濃度數(shù)據(jù)來源于中國環(huán)境監(jiān)測總站全國城市空氣質(zhì)量實時發(fā)布平臺，空氣質(zhì)量標準采用2016年在全國全面實施的《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》（GB3095-2012）。對于部分缺失數(shù)據(jù)，采用前后同時刻污染物濃度的加權(quán)平均值。

1．2．數(shù)據(jù)處理

主要采用對比分析的方法，利用雙休日制度將污染物濃度劃分為工作日（周一到周五）和周末（周六和周日）兩類，對2016年張家界市的CO、SO2、NO2、O3、PM10和PM2.5濃度數(shù)據(jù)進行整理，分析了張家界市工作日和周末污染物濃度的日變化特征。另外，國慶假期最長經(jīng)過與周末進行調(diào)休，會有長達7天的假期。因此，本研究選取國慶長假的PM10、PM2.5和CO為研究對象，將時間段2016年9月24～30日作為假日前，10月1～7日作為假日期間，10月8～14日作為假期后，進行對比分析。。

2．結(jié)果與分析

2．1．周末效應(yīng)

經(jīng)整理和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制后，CO、SO2、NO2、O3、PM10和PM2.5在工作日和周末的平均濃度日變化特征如圖1所示。CO、NO2、PM10和PM2.5的日變化曲線呈現(xiàn)雙峰型結(jié)構(gòu)，周末濃度明顯低于工作日濃度的周末效應(yīng)；而SO2和O3的日變化曲線表現(xiàn)為單峰型，周末濃度略高于工作日的周末效應(yīng)。

圖1中PM10與PM2.5濃度曲線波動基本一致，表現(xiàn)出先上升，后下降再上升再下降的雙峰特征。峰值分別出現(xiàn)在11:00和22:00，工作日濃度較高于周末濃度，PM10在18:00后，最高濃度達到92.71 ug/m3。同時周末濃度要略高于工作日濃度，這可能與近兩年張家界市大力發(fā)展基礎(chǔ)建設(shè)（武陵山大道修建、高鐵建設(shè)、棚改項目等），周末相關(guān)建設(shè)活動產(chǎn)生的揚塵增多有關(guān)。工作日由于每天早上8、9點是上班交通高峰期，同時由于太陽輻射的增強，大氣中復雜的光化學反應(yīng)加劇，PM10與PM2.5濃度開始上升，到11點左右達到一個峰值（PM10：84.95 ug/m3，PM2.5：51.68 ug/m3）均超過國家一級標準。下午時段PM10與PM2.5濃度一般較低，因為此時是一天中擴散條件最好的時段。晚上，PM10與PM2.5濃度較容易出現(xiàn)高值，主要是由于晚高峰時期尾氣排放導致污染物濃度持續(xù)上升；另外，隨著太陽輻射減弱，邊界層高度降低，容易形成逆溫層，且風速在23:00左右時達到最低[21]，使得顆粒物在近地面持續(xù)累積，導致空氣中的PM10與PM2.5污染物不能有效地擴散，PM10與PM2.5濃度在23:00左右出現(xiàn)最大值。之后由于人類活動及污染源減少，PM10與PM2.5濃度開始下降。

SO2是痕量氣體的一種，是全球硫循環(huán)中的重要成分，大氣中SO2濃度過高，其本身或通過化學反應(yīng)參與生成的細粒子會危害人類身體健康。SO2濃度變化呈單峰型（圖2），工作日濃度（7.28 ug/m3）與周末濃度（7.24 ug/m3）相差不大。凌晨大氣邊界層高度低且穩(wěn)定，大氣中前一天積的SO2濃度較高，在日出后，隨著大氣邊界層的不斷發(fā)展，SO2氣體隨著大氣整體逐漸向垂直方向混合擴散，原本近地面的SO2本應(yīng)該得到稀釋，但由于早高峰機動車尾氣排放的增加，使得近地面SO2濃度迅速上升，在9:00左右達到最大值（工作日：9.29 ug/m3，非工作日：9.25 ug/m3）。隨后由于太陽輻射的增強，大氣中的各種反應(yīng)物增多，同時伴隨劇烈復雜的光化學反應(yīng)，不斷消耗SO2，導致地面濃度迅速下降。在18點左右，由于晚高峰的到來，SO2有很小幅度的上升。而20:00以后，由于污染源的減少，SO2持續(xù)減少，但由于光化學反應(yīng)弱化，其減少速度很慢。

圖1 2016年張家界市PM10與PM2.5濃度日變化曲線Fig.1 Diurnal variation of PM2.5and PM10in Zhangjiajie,2016

從全年的變化來看，CO的日變化濃度呈雙峰型（圖2），分別在9:00出現(xiàn)第1個峰值（工作日：1.82 mg/m3，非工作日：1.66 mg/m3），在 20:00～22:00之間出現(xiàn)第2個峰值（工作日：1.71 mg/m3，非工作日：1.72 mg/m3）。第1個峰值明顯高于第2個峰值，這主要是因為機動車尾氣排放對CO濃度的影響很大，早上上班高峰期交通流量大于晚上交通流量。NO2濃度的日變化與CO變化曲線類似，2016年張家界市NO2濃度呈雙峰型分布。早上的峰值與交通早高峰（7:00～10:00）比較一致，夜間的峰值可能與夜間NO和O3反應(yīng)生成NO2、而NO2光解反應(yīng)停滯而逐漸積累有關(guān)[22]。另外，周末NO2濃度比工作日偏低（工作日：21.64 ug/m3，非工作日：20.89 ug/m3），表現(xiàn)出“反周末效應(yīng)”，有關(guān)文獻表明這與人類在周末和工作日的作息安排差異密切相關(guān)，同時特殊的氣象條件也可能有一定的影響[23]。

O3的“周末效應(yīng)”是Cleveland等[24]在1974年提出的，即周末的一些O3前體物（VOCs、CO和NOx）濃度水平降低，但O3濃度值卻明顯增加的現(xiàn)象。O3日分布呈現(xiàn)倒U型的特征（圖2），且白天濃度明顯高于夜間，周末濃度略高于工作日濃度，二者具有共同的波動特征。張家界作為世界性自然景觀旅游城市，植被覆蓋率高達90%以上，而植物在生理過程中向大氣釋放大量活性很強的揮發(fā)性有機物（VOC），其在一定光照條件下可通過光化學反應(yīng)生成O3。在夜間由于受較弱光照、較低溫度影響VOC生產(chǎn)O3的化學反應(yīng)較弱，同時NO不斷地消耗O3，導致00:00～8:00期間O3濃度較低。9:00開始受太陽輻射影響，O3濃度緩慢上升，午后太陽輻射最強，大量植物釋放的VOC在二次光化學反應(yīng)作用下于16:00左右生成O3，濃度達到最大值，之后隨著太陽輻射強度的減弱又繼續(xù)降低。另外，張家界市2016年周末峰值O3濃度比工作日峰值濃度高2.29%，峰值出現(xiàn)時刻無明顯差異?？梢?，張家界市存在O3“周末效應(yīng)”。

圖2 2016年張家界市SO2、CO、NO2與O3濃度日變化曲線Fig.2 Diurnal variation of SO2,CO,NO2and O3in Zhangjiajie,2016

2．2．假日效應(yīng)

2016年國慶期間，張家界市各景點共接待游客213.92萬人次，同比增長32.75%，旅游收入14.07億元。全市接待游客景點增多，周邊景區(qū)接待量陡增，導致交通運力增加，公路客運游客高達61.9萬人，且以自駕游為主，國慶期間共接待自駕游14.44萬臺次。國慶期間旅游活動顯著增加，大氣污染物質(zhì)量變化如圖3所示。國慶期間PM10與PM2.5日均濃度趨勢基本一致，且濃度波動幅度較大。10月1日PM10、PM2.5濃度有所上升，PM10在10月6日達到最大值，為101.08 ug/m3，PM2.5在10月7日達到最大值64.51 ug/m3，接近國家二級標準。國慶假期期間，PM10和PM2.5在10月2日和10月7日出現(xiàn)濃度“雙峰”。CO日均濃度呈緩慢增長趨勢，峰值在10月7日出現(xiàn)，為1.28 mg/m3，這主要與節(jié)假日期間車流量大，機動車行駛速度慢，怠速時間增長，尾氣排放量增加有關(guān)。

國慶假期前，受特殊氣象條件影響，PM10（84.51 ug/m3）、PM2.5（57.84 ug/m3）和 CO（1.67 mg/m3）的濃度值均高于國慶期間，分別高出國慶期間平均濃度7.93%、20.79%和50.91%。國慶假期期間，由于旅游活動增加，污染物排放增多，PM10、PM2.5和CO均有上升趨勢。國慶后，CO濃度繼續(xù)上升，但PM10與PM2.5有所下降，分別下降了9.96%、7.76%。

國慶假期期間，PM10濃度進行日變化如圖4所示。凌晨到4:00，PM10濃度不斷下降。從4:00開始，PM10濃度逐漸增加。尤其在9:00～10:00期間，市區(qū)到景區(qū)的交通運力不足，導致大量機動車輛怠速前進，PM10通過尾氣排放到空氣中，在正午達到最大值（101.57 ug/m3）。隨后由于大量游客進入景區(qū)，車流量相對減少，尾氣排放減少，及植被對顆粒物的吸附作用，從而使得PM10濃度迅速下降，直到17:00達到最低值（60.71 ug/m3）。隨后PM10濃度再上升，而在20:00-23:00間，PM10濃度繼續(xù)保持上升的趨勢。這可能與旅游結(jié)束后，游客返城，運行機動車輛增多，及夜間餐飲、娛樂休閑活動增加有關(guān)。

圖3 2016年張家界市國慶假期前后PM10、PM2.5與CO濃度曲線Fig.3 The variation of PM10,PM2.5,and CO before and after national holiday in Zhangjiajie,2016

3．結(jié)論

（1）2016年張家界市大氣6種主要污染物（CO、SO2、NO2、O3、PM10和 PM2.5）均表現(xiàn)出明顯的周末效應(yīng)，其中O3周末濃度高于工作日濃度，SO2周末濃度與工作日濃度相差不大，其他污染物工作日濃度均高于周末濃度。

（2）國慶假期期間，PM10、PM2.5和 CO的日均濃度均有增長趨勢。

（3）假期期間PM10濃度日變化曲線呈雙峰型，第一個峰值出現(xiàn)在正午左右，之后PM10濃度不斷下降。隨后PM10濃度再次上升。

圖4 2016年張家界市國慶期間PM10濃度日變化曲線Fig.4 Diurnal variation of PM10during the national holiday in Zhangjiajie,2016

參考文獻：

[1]白志鵬，董海燕，蔡斌彬，等．灰霾與能見度研究進展[J]．過程工程學報，2006，6（2）：36-41．.

[2]祁妙，朱彬，潘晨，等．長江三角洲冬季一次低能見度過程的地區(qū)差異和氣象條件[J]．中國環(huán)境科學，2015，35（10）：2899-2907．

[3]王英，李令軍，李成才．北京大氣能見度和消光特性變化規(guī)律及影響因素[J]．中國環(huán)境科學，2015，35(5)：1310-1318．

[4]程玉婷，王格慧，孫濤，等．西安冬季非灰霾天與灰霾天PM2.5中水溶性有機氦污染特征比較[J]．環(huán)境科學，2014，35（7）：2468-2476．

[5]張小玲，夏祥鰲，車慧正，等．區(qū)域污染對本地區(qū)域氣溶膠光學特性及輻射強迫影響的地基和衛(wèi)星遙感觀測研究[J]．環(huán)境科學，2014，35（7）：2439-2448．

[6]SAJJAD F,NOREEN U,ZAMAN K..Change and air pollution jointly creating nightmare for tourism industry[J].Environmental Science and Pollution Research,2014,21(21):12403-12418.

[7]SCOTT D,LEMIEUX C.Weather and climate information for tourism[J].Procedia Environmental Sciences,2010,1(1):146-183.

[8]ZHANG A,ZHONG L,XU Y,et al.Tourists perception of haze pollution and the potential impacts on travel:reshaping the features of tourism seasonality in Beijing,China[J].Sustainability,2015,7(3):2397-2414.

[9]LAW R,CHEUNG C.Air quality in Hong Kong:a study of the perception of intemational visitors[J].Journal of Sustainable Tourism,2007,15(4):390-401.

[10]DE SAENZ M O,ROSSELLO J.Modeling tourism impacts on air pollution:the case study of PM10 in Mallorca[J].Tourism Management,2014,40(4):273-281.

[11]喬雪，肖維陽，唐亞，等．旅游和區(qū)域大氣污染對四川九寨溝氣溶膠的貢獻[J]．中國環(huán)境科學，2014，34（1）：14-21．

[12]黃毅，蒙迅，吳生虎，等．張家界市一次旅游高峰期前后PM2.5污染演化的動力特征分析[J]．南通大學學報：自然科學版，2015，14（1）：43-49．

[13]雷瑜，張小玲，唐宜西，等．北京城區(qū)PM2.5及主要污染氣體“周末效應(yīng)”和“假日效應(yīng)”研究[J]．環(huán)境科學學報，2015，35（5）：1520-1528．

[14]李令軍，王英，李金香，等．2000-2010北京大氣重污染研究[J]．中國環(huán)境科學，2012，32（1）：23-30．

[15]唐文苑，趙春生，耿福海，等．上海地區(qū)臭氧周末效應(yīng)研究[J]．中國科學：D輯，2009（1）：99-105．

[16]鄭曉霞，趙文吉，晏星，等．降雨過程后北京城區(qū)PM2.5日時空變化研究[J]．生態(tài)環(huán)境學報，2014，23（5）：797-805．

[17]昌晶亮，余洪，羅偉偉，等．長株潭城市群PM2.5污染的春節(jié)假日效應(yīng)[J]．生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學報，2016，32（5）：724-728．

[18]武智暉，樊文華，劉奮武，等．五臺山景區(qū)空氣質(zhì)量及時空變化特征分析[J]．環(huán)境污染與防治，2015，37（6）：63-68．

[19]張永江，鄧茂，李瑩瑩，等．典型生態(tài)旅游城市黔江區(qū)秋季大氣環(huán)境質(zhì)量特征研究[J]．貴州師范大學學報：自然科學版，2017，35（2）：22-26，37．

[20]馬云慧，諸平，周旗．吳山景區(qū)旅游環(huán)境空氣質(zhì)量的定量評價[J]．職業(yè)與健康，2015，31（1）：77-80．

[21]ZHAO X J,ZHANG X L,XU X F,et al.Seasonal and diurnal variations of ambient PM2.5concentration in urban and rural environments in Beijing[J].Atmospheric Environment,2009,43(18):2893-2900.

[22]SILLMAN S.The sensitivity of zone to nitrogen oxides and hydrocarbons in regional ozone episodes[J].Journal of Geophysical Research,1990,95(D2):1837-1851.

[23]TANG G,LI X,WANG Y,et al.Surface ozone trend details and interpretations in Beijing,2001-2006[J].Atmospheric Chemistry and physics,2009,9:8813-8823.

[24]CLEVEL-W S,GRAEDEL T E,KLEINER B,et al.Sunday and workday variations in photochemical air pollutants in New Jersey and New York[J].Science,1974,186(4168):1037-1038.