煙花爆竹禁燃對春節(jié)期間東北地區(qū)空氣質(zhì)量影響評估

曹馨元，何月欣,3，陳衛(wèi)衛(wèi)，張世春，趙紅梅，張學磊

1.中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所濕地生態(tài)與環(huán)境重點實驗室，吉林 長春 130102 2.中國科學院大學，北京 100049 3.中國科學院大氣物理研究所大氣邊界層物理和大氣化學國家重點實驗室，北京 100029

春節(jié)期間燃放煙花爆竹是中國傳統(tǒng)的風俗習慣。然而，燃放煙花爆竹短時間能夠向大氣中排放大量污染物，不僅對空氣質(zhì)量造成影響，還將危害人體健康[1-3]。目前，中國對于燃放煙花爆竹造成嚴重空氣污染的研究較多，主要包括污染物成分、影響因素以及危害作用等幾個方面。研究表明，煙花爆竹燃放所釋放的主要污染物成分是顆粒污染物(PM2.5、PM10)和氣體污染物(SO2、NO2、CO等)，還有部分有機物及重金屬，燃放過程中污染物的濃度值短時內(nèi)大幅上升，通常會對空氣質(zhì)量造成極大影響[4-6]。煙花燃放過程中，除降低空氣質(zhì)量外，還將產(chǎn)生嚴重的噪聲污染，同時可能造成眼部、臉部燒傷或呼吸系統(tǒng)、心血管疾病[7-8]。同時，通過常規(guī)污染物資料的分析表明，除煙花燃放量、煙花種類外，氣象條件也是影響煙花爆竹污染的重要因素[9]。

2015年以來，東北地區(qū)關(guān)于禁限放及禁售賣煙花爆竹的政策日漸嚴格，但煙花燃放作為重要的文化傳統(tǒng)在特定的場合下仍將長期存在，因此評估煙花爆竹燃放對污染物的貢獻對于空氣污染預報和大氣污染控制具有重要意義。洪也等[10]分析了沈陽城區(qū)春節(jié)期間大量燃放煙花爆竹造成的大氣污染狀況，發(fā)現(xiàn)春節(jié)期間空氣中污染物濃度明顯升高，同時大氣PM2.5中Ba、Sr、K等標識元素濃度也非常高。但是，目前對于禁限放政策實施后東北地區(qū)春節(jié)期間空氣質(zhì)量改善狀況的研究較少。筆者基于2015—2017年春節(jié)期間(中國農(nóng)歷臘月二十九至正月初二)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，結(jié)合氣象因子，分析了東北地區(qū)多個監(jiān)測點常規(guī)污染物濃度的時間變化規(guī)律和空間分布特征，對煙花爆竹禁限放政策的區(qū)域性作用進行了評估，旨在為東北地區(qū)煙花爆竹燃放政策的完善及春節(jié)期間空氣污染控制提供參考，并為環(huán)境管理部門科學決策提供數(shù)據(jù)支持。

1 實驗部分

1.1 研究區(qū)域

東北地區(qū)地理坐標為120～135°E、38～56°N，包括遼寧省、吉林省、黑龍江省以及內(nèi)蒙古自治區(qū)四盟市(呼倫貝爾市、通遼市、赤峰市和興安盟)，地處華北平原以北、內(nèi)蒙古高原東部，總面積為147.33萬km2；屬溫帶濕潤、半濕潤大陸性季風氣候，四季分明，夏季溫熱多雨，全年降水較少，主要集中在7、8月份；冬季寒冷漫長，最低溫度達到-12～-19 ℃，冬季供暖期長達4～6個月，以煤炭作為主要取暖源。

1.2 數(shù)據(jù)來源和處理

1.2.1 地面數(shù)據(jù)

研究數(shù)據(jù)來源于全國空氣質(zhì)量歷史數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站(http://beijingair.sinaapp.com/#messy)，其數(shù)據(jù)源為中國環(huán)境監(jiān)測總站的全國城市空氣質(zhì)量實時發(fā)布平臺。研究所分析的數(shù)據(jù)為2015—2017年春節(jié)期間東北地區(qū)179個點位(圖1)的空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)和各常規(guī)污染物(PM2.5、PM10、CO、NO2、SO2、O3)質(zhì)量濃度的逐時監(jiān)測數(shù)據(jù)，這些點位包括區(qū)域背景、城鎮(zhèn)、郊區(qū)、居住區(qū)、交通干道等不同的環(huán)境類型，所有點位全部經(jīng)過GPS定位[11]。研究主要分析各常規(guī)污染物小時平均濃度和日平均濃度，主要研究時段為2015年2月17—20日，2016年2月6—9日以及2017年1月26—29日，即農(nóng)歷臘月二十九至正月初二。其中，2015年2月18日、2016年2月7日和2017年1月27日為除夕。

圖1 東北地區(qū)監(jiān)測點位分布Fig.1 Distribution of the observation sites

1.2.2 氣象數(shù)據(jù)

研究通過中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/site/index.html)和Weather Underground網(wǎng)站(http://simplifiedchinese.wunderground.com)獲得東北地區(qū)2015—2017年春節(jié)期間溫度、濕度、氣壓以及風速等氣象資料[12]。

1.2.3 統(tǒng)計分析

研究采用函數(shù)繪圖軟件Origin 9.0對東北地區(qū)11個重要城市AQI值、常規(guī)大氣污染物小時濃度值及氣象數(shù)據(jù)進行了相關(guān)分析，利用空間分析軟件ArcGIS 10.0克里格插值法對典型大氣污染物(PM2.5、SO2)日均濃度值進行空間分析。克里格插值法是根據(jù)待插值點與臨近實測高程點的空間位置，對待插值點的空間分布進行線性最優(yōu)、無偏內(nèi)插估計的一種方法[13]。克里格插值應用十分廣泛，其插值的準確性通常取決于插值點的分布及選取范圍內(nèi)插值點的個數(shù)[14]。

2 結(jié)果與討論

2.1 空氣質(zhì)量總體情況

2015—2017年春節(jié)期間(臘月二十九至正月初二)，長春、沈陽和哈爾濱3個省會城市的AQI均值變化趨勢見圖2，2017年較2015年分別下降了63.9%、51.2%和75.39%，空氣質(zhì)量由重度污染轉(zhuǎn)為輕度污染。而其他8個城市AQI值變化并無一致性。2014年以來，中國各地陸續(xù)開展了煙花爆竹燃放的整治工作，東北地區(qū)40個地市中長春、沈陽和哈爾濱3個省會城市規(guī)定最為嚴格，而其他城市沒有明確的禁放規(guī)定，因此空氣質(zhì)量改善并不明顯。

圖2 2015—2017年春節(jié)期間東北地區(qū)空氣質(zhì)量AQI對比Fig.2 Comparison of air quality index between cities in Northeast China during the Spring Festival from 2015 to 2017

同時，選取長春、沈陽、哈爾濱、赤峰4個東北最具代表性城市的常規(guī)污染物質(zhì)量濃度均值(臘月二十九至正月初二)進一步分析空間變化規(guī)律。除赤峰外，其他3個城市顆粒物質(zhì)量濃度均呈下降趨勢，下降比例最高達到76%，氣體污染物濃度值并無明顯變化趨勢，說明顆粒物濃度直接受到燃放煙花爆竹的影響，而其他污染物可能同時受到燃煤、機動車等其他污染源的影響(表1)。

表1 春節(jié)期間典型城市常規(guī)污染物濃度值Table 1 Concentrations of atmospheric pollutants during the Spring Festival in typical cities

2015年是長春市出臺最嚴禁放令的第一年，明確規(guī)定了四環(huán)路內(nèi)禁放煙花爆竹，因此長春市污染物濃度較其他城市相比降低了1.5～2.5倍。2016、2017年顆粒物濃度也因愈發(fā)嚴格的處罰措施而降低。哈爾濱和沈陽在2015—2017年規(guī)定除夕全天可燃放，其余時間限時燃放，與2015年相比，2017年P(guān)M2.5、PM10質(zhì)量濃度分別降低0.45、0.37倍和4.23、0.81倍。由此可見，禁止燃放煙花爆竹對東北地區(qū)省會城市空氣質(zhì)量有較大改善。赤峰市自2014年起規(guī)定主城區(qū)內(nèi)除夕和正月初一可不限時燃放煙花爆竹，赤峰市顆粒物濃度平均值與其他3個城市相比較高，同時，2017年與2016年相比有一個較為明顯的上升趨勢，說明大氣中污染物的濃度不僅取決于污染源的排放，還有可能受到氣象條件的影響。

2.2 污染物濃度小時變化趨勢

對2015—2017年春節(jié)期間(2015年2月17—20日、2016年2月6—9日、2017年1月26—29日)逐時空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析結(jié)果見圖3。

圖3 2015—2017年春節(jié)期間長春、沈陽、哈爾濱市污染物濃度與氣象要素變化Fig.3 Variation of air pollutant concentrations and meteorological conditions during Spring Festival in 2015-2017 (Changchun, Shenyang, Harbin)

2015年長春、沈陽、哈爾濱燃放煙花爆竹的時段較為集中， PM10濃度值從除夕夜18：00左右開始上升，新年凌晨時分燃放強度達到峰值。因此，初一05：00—06：00(部分城市在09：00左右)PM10濃度出現(xiàn)峰值，最高值分別為318、311、583 μg/m3；PM2.5濃度值變化與PM10基本一致，最高值分別達到268、245、482 μg/m3。高峰僅持續(xù)1～2 h后下降，于初二凌晨02：00左右有所回升，達到一個較小峰值。與2015年同期相比，2016、2017年3個城市污染物濃度均有不同程度的降低，空氣質(zhì)量均變?yōu)檩p度污染。

SO2、CO與顆粒物濃度變化基本一致，除夕18：00開始上升，初一04：00—07：00達到峰值，隨后下降，11：00左右再次達到一個小高峰。同時，SO2濃度值也隨著顆粒物濃度值的變化逐年遞減，同時段最高值僅為98 μg/m3。CO濃度值變化幅度也相對較大，最高增幅達到84.9%(哈爾濱,2015年)[15]。NO2濃度也有小幅度的增加，最高值約為燃放前的2.5～3.0倍。SO2、NO2濃度的增加，分別由煙花爆竹中硫磺和硝酸鉀點燃后發(fā)生化學反應所致。而SO2由硫磺與氧氣反應直接生成，NO2卻由硝酸鉀至少經(jīng)3步反應獲得，因此SO2的污染較NO2污染發(fā)生略早。另外，O3與其他污染物濃度的變化呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系,這是因為產(chǎn)生O3的光化學過程需要消耗NO2、NO、CO等氣體，因此會呈現(xiàn)此消彼長的現(xiàn)象[16]。

隨著禁燃政策的逐漸完善和嚴格，空氣質(zhì)量的改善效果亦愈加明顯。然而，長春市政策最為嚴格，污染物濃度最高值卻超過了沈陽市，表明氣象條件也是污染物濃度的主要影響因素。研究表明[5,10]，當?shù)孛骘L速穩(wěn)定在3.0 m/s時，氣象條件較穩(wěn)定，不利于污染物擴散；同時，由于顆粒物在遇到較為潮濕的空氣后，會由于吸附作用進行凝聚和增大，逐漸沉降到低層大氣中并產(chǎn)生重污染，因此，較高的濕度同樣不利于污染物的擴散；另外，由于冬季溫度較低，冷空氣活動頻繁，地面氣壓上升，風速變大較有利于污染物擴散，反之則不利[17-18]。由圖3可知，與相同峰值時段長春市氣象條件相比，沈陽市的風速較高而濕度較低，相對較有利于污染物擴散。哈爾濱市污染物濃度最高，可能受到不利于擴散的氣象條件、禁燃政策以及售賣煙花質(zhì)量等多重影響。

2.3 城區(qū)與城郊PM2.5濃度對比

2015—2017年春節(jié)，長春、沈陽、哈爾濱3個城市的城區(qū)、城郊監(jiān)測點PM2.5平均值(除夕20：00至初一08：00平均值)遠大于對照監(jiān)測點值(圖4)，同時2015—2017年春節(jié)的PM2.5日均濃度值整體呈下降趨勢。由于禁燃政策的實施，2015年長春市城區(qū)內(nèi)禁止燃放煙花爆竹，因此城郊PM2.5濃度比城區(qū)內(nèi)高27.9 μg/m3。而沈陽、哈爾濱允許主城區(qū)內(nèi)燃放煙花爆竹，因此人口密集的市區(qū)較人口稀疏的郊區(qū)顆粒物濃度值更高。2016、2017年3個城市城區(qū)與城郊監(jiān)測點間PM2.5濃度值差異減小，其一是由于春節(jié)期間大部分工廠停產(chǎn)、機動車數(shù)量減少，城市主要污染源的貢獻整體下降[19]，其二是因為禁燃政策執(zhí)行力度越來越嚴格，煙花爆竹售賣和燃放量減少[20]。

圖4 2015—2017年春節(jié)期間長春、沈陽、哈爾濱城區(qū)和城郊及對照點位PM2.5濃度對比Fig.4 Comparision of daily mean PM2.5 concentrations between urban, suburban and backgound area during the Spring Festival in 2015-2017 (Changchun, Shenyang, Harbin)

2.4 污染物濃度空間變化

與2015年春節(jié)相比，2016、2017年污染物濃度總體呈明顯下降趨勢，見圖5。2015年，東北地區(qū)南部污染較重，重污染區(qū)中心主要集中在以哈爾濱、長春、沈陽、赤峰為主的城市周圍，重污染區(qū)域廣、程度重。2016年污染物濃度顯著下降，PM2.5僅在哈爾濱、赤峰、通化、白山附近形成小范圍的高值污染區(qū)，SO2則主要在哈爾濱、長春、沈陽、赤峰等地形成高值區(qū)，雖然整個東北南部地區(qū)大面積PM2.5、SO2高濃度區(qū)依然存在，但濃度值已明顯下降。直至2017年小范圍濃度高值區(qū)依然存在，但整體情況較好，南部高濃度區(qū)面積縮小，僅在主要城市附近形成，高值區(qū)濃度值明顯降低。

圖5 春節(jié)期間東北地區(qū)PM2.5、SO2濃度空間分布Fig.5 The distribution of PM2.5 and SO2 concentrations during the Spring Festival

因東北地域條件特殊，在春節(jié)期間正是冬季燃煤取暖期，燃煤產(chǎn)生的PM2.5、SO2是首要污染源[21]，在對煙花燃放的研究中，成為不可忽視的背景干擾值。為更準確地表現(xiàn)東北地區(qū)污染狀況，排除燃煤等其他污染源的排放干擾，將2015—2017年除夕與農(nóng)歷二十九(農(nóng)歷二十九晚20：00至三十08：00污染物濃度均值、三十晚20：00至初一早08：00污染物濃度均值)PM2.5和SO2濃度均值的差值進行空間插值(圖6)。

2015—2017年農(nóng)歷二十八、二十九、三十3 d氣象因素無劇烈變化(圖3)，東北地區(qū)未出現(xiàn)大范圍降水現(xiàn)象，因而研究認為利用差值結(jié)果并不會受到氣象因素影響。從東北地區(qū)179個監(jiān)測點除夕與農(nóng)歷二十九的PM2.5濃度差值空間分布來看，2015年以哈爾濱、長春、沈陽為中心的城市群PM2.5差值較大，煙花爆竹燃放量大造成主要城市污染物排放量增加，2016年以后禁燃政策力度加大，污染情況明顯好轉(zhuǎn)，除個別地區(qū)外除夕污染物濃度水平為70～100 μg/m2；赤峰所處位置接近京津冀區(qū)域，在氣象條件下受其影響較大；SO2濃度空間分布演變與PM2.5分布基本一致。從各監(jiān)測點位來看，2015年人口居住比較集中的地區(qū)受燃放影響明顯，主要污染區(qū)域集中在省會城市周圍形成城市污染群，然而在2016年后污染高值區(qū)轉(zhuǎn)而向小城市發(fā)展，在省會城市附近反而形成污染物濃度值低谷。整體來看，春節(jié)期間燃放煙花爆竹對整個東北地區(qū)的空氣質(zhì)量影響呈下降趨勢，但在周邊小城市中禁燃政策的執(zhí)行對空氣質(zhì)量的改善效果并沒有哈爾濱、長春、沈陽等主要城市明顯。

圖6 春節(jié)期間PM2.5、SO2濃度差值空間分布Fig.6 The distribution of the difference between the PM2.5 and SO2 concentrations during the Spring Festival

3 結(jié)論

1)煙花爆竹的禁限放政策對東北地區(qū)空氣質(zhì)量的改善有明顯的年際變化影響。長春、沈陽和哈爾濱3個城市的禁燃政策較其他城市更為明確、嚴格，與2015年相比，2017年污染物濃度下降比例高達76%，而通遼、阜新等城市空氣質(zhì)量并沒有明顯改善。

2)春節(jié)期間燃放煙花爆竹對顆粒污染物濃度的貢獻高于對氣體污染物SO2、NO2和CO濃度的貢獻。煙花爆竹對污染物的貢獻除受到燃放種類、數(shù)量等因素影響外，還受到氣象條件影響。相同時段內(nèi)，若風速較高而濕度較低，則較有利于污染物擴散。

3)從區(qū)域尺度來看，春節(jié)期間禁燃政策的成效趨于明顯和穩(wěn)定，煙花爆竹燃放對東北地區(qū)空氣質(zhì)量的影響呈明顯下降趨勢，除夕顆粒污染物濃度水平為70～100 μg/m2，但在周邊小城市中禁燃政策對空氣質(zhì)量的改善效果并沒有哈爾濱、長春和沈陽等主要城市明顯。