春节期间烟花爆竹燃放对哈尔滨市区空气质量的影响

陈 威，邢延峰，孟庆庆，王鹏杰

黑龙江省环境监测中心站，黑龙江 哈尔滨 150056

春节期间，我国大多数家庭都会选择以燃放烟花爆竹的方式来欢庆传统节日，然而集中燃放烟花爆竹不仅易引发火灾，造成生命财产损失，还易带来空气质量下降的环境污染问题[1-3]，从而危害广大市民的身体健康[4-7]。随着人们环保意识的不断提高，广大人民群众越来越关注烟花爆竹燃放造成的空气污染问题。

爆竹的主要成分是黑火药 (硝酸钾、硫磺粉、木炭粉)，有的还含有氯酸钾。制作烟花时，还要加入无机盐及镁粉等，从而使其呈现出不同的颜色[8-10]。大量燃放烟花爆竹会在短时间内释放大量的一氧化碳、颗粒物、重金属以及有毒有机物等，导致空气质量在短时间内迅速恶化[11-15]。

近年来，针对烟花爆竹燃放对各主要城市空气质量影响的研究越来越多，其中针对杭州[1]、天津[12]、成都[13]、珠三角地区[15]、北京[14,16]、西安[17]以及苏州[18]等地的研究结果均表明，烟花爆竹的集中燃放对市区大气中PM10及PM2.5浓度影响较大，多数地区颗粒物浓度会在短时间内成倍增加；同时部分地区结果显示，大量燃放烟花爆竹对大气中SO2浓度影响较大[13]，但对O3和NO2浓度影响较小[15]。

目前，针对东北地区春节期间空气质量观测研究较少，尤其是极寒天气下燃放烟花爆竹对春节期间空气质量的影响研究更为缺乏。本文对黑龙江省哈尔滨市区2016年春节期间颗粒物浓度(PM2.5和PM10)、气态污染物浓度(SO2、NOx、CO和O3)以及化学组分进行分析，为黑龙江省“十三五”期间大气污染防治工作提供基础数据，为黑龙江省生态文明建设及哈尔滨市创建文明城市提供参考。

1 实验部分

1.1 监测点位与时间

本研究选取4个监测点位，分别为省监测站(126°41′56″E， 45°46′7″N)、松北商大(126°33′40″E，45°49′1″N)、动力和平路(126°38′46″E，45°43′33″N)和省农科院(126°37′14″E，45°41′3″N)，依次位于哈尔滨市道外区、松北区、香坊区和南岗区。监测点位附近均无工业污染源，周边居民区环绕，连续监测期间发现监测点位周围居民有燃放烟花爆竹的情况。因此，通过4个监测点位得到的颗粒物浓度的观测数据可以清晰地判别烟花爆竹燃放对哈尔滨市区空气质量的影响。同时对4个监测点位中的省监测站进行了激光雷达观测和颗粒物化学组分、成分分类以及气态污染物浓度与颗粒物浓度相关性等研究，进一步明确烟花爆竹燃放对哈尔滨市区空气质量的造成影响的原因。

考虑到春节期间除夕烟花爆竹燃放最为集中，因此监测时间为2016年2月7日(除夕)17：00至2016年2月9日(初二)17：00[16]，昼夜连续监测，同时记录采样时的天气状况(温度、相对湿度、风速等)。

1.2 主要监测仪器

在线单颗粒气溶胶质谱仪 SPAMS 0525(中国广州)；颗粒物监测仪5014i(美国)；3D可视激光雷达EV-Lidar-CAM(中国北京)，移动空气质量监测车等。

1.3 质量控制

各监测仪器均用校准仪参照《环境空气质量自动监测技术规范》(HJ/T 193—2005)定期校准，保证监测数据的有效性和准确性。本研究中使用的监测数据均为小时数据。

2 结果与讨论

2.1 监测期间污染时段

连续监测期间出现1个重度污染时段，为2月7日(除夕)17：00至8日(初一)06：00，与除夕夜烟花爆竹集中燃放时间高度吻合，该时段定义为燃放期；而2月8日(初一)17：00至9日(初二)06：00同一时段内空气质量良好，烟花爆竹燃放显著降低，该时段定义为非燃放期。

2.2 监测期间气象条件

燃放期以西风为主，7日22：00至8日02：00风速大于1 m/s，7日17：00—21：00和8日03：00—06：00风速小于1 m/s，整个污染过程平均风速为0.83 m/s，风速低。温度为-10.9～-6 ℃，湿度为59.9%～74.4%。非燃放期以东风为主，平均风速为1.38 m/s，风速低。温度为-14.6～-9.4 ℃，湿度为63.7%～68.3%。

监测期间哈尔滨市区天气总体平稳，无明显冷空气影响，无强降雨、强降雪等重大灾害性天气，平均风速较低，且冬季凌晨地面热量易向高空辐射，使近地面气温下降，而上层大气温度下降较慢，从而出现逆温层，整体大气条件不利于污染物扩散。

2.3 颗粒物浓度分析结果

2.3.1 燃放期与非燃放期PM2.5质量浓度对比

2016年哈尔滨市区春节期间烟花爆竹燃放期与非燃放期PM2.5质量浓度对比图(见图1)。由图1可知，哈尔滨市区4个监测点位燃放期PM2.5的质量浓度均显著高于非燃放期，在同一时段内，平均高2.51倍。4个监测点位燃放期PM2.5浓度呈现出先升高再降低的变化趋势，在8日00：00—01：00 PM2.5达到最高值，质量浓度分别为285、340、362、255 μg/m3，随后逐渐降低，哈尔滨市区春节期间，烟花爆竹的燃放主要集中在除夕夜至大年初一凌晨，烟花爆竹的集中燃放过程通过PM2.5的变化趋势很好的体现。4个监测点位非燃放期PM2.5质量浓度变化均不显著。

2.3.2 燃放期与非燃放期PM10质量浓度对比

2016年哈尔滨市区春节期间烟花爆竹的燃放期与非燃放期PM10质量浓度对比图见图2。由图2可知，燃放期PM10的质量浓度与PM2.5相似，均明显高于非燃放期，且在同一时段内，平均高1.64倍。4个监测点位燃放期PM10浓度同样均呈现出先升高再降低的变化趋势，且均在7日23：00起出现急速增长，在8日01：00 PM10达到最高值，质量浓度分别为546、603、623、488 μg/m3，随后逐渐降低，变化趋势与PM2.5相同。非燃放期PM10质量浓度变化均不显著。

图1 4个监测点位PM2.5浓度变化趋势对比图Fig.1 Variation trend of PM2.5 concentration in four monitoring sites duringthe period of discharge and non discharge

图2 4个监测点位PM10浓度变化趋势对比图Fig.2 Variation trend of PM10 concentration in four monitoring sites duringthe period of discharge and non discharge

由图3可知，4个监测点位燃放期PM2.5与PM10质量浓度比值(PM2.5/PM10)的平均值分别为0.75、0.78、0.79、0.75，说明PM2.5在此次污染过程中起主要作用，但研究过程中发现，在PM2.5、PM10质量浓度达到峰值时(2月8日01：00)，PM2.5/PM10却降至最小值，说明在燃放期污染加剧的过程中，PM10浓度增加的速度更快；而当污染逐渐降低时，PM10浓度降低的速度更快，所以PM2.5/PM10逐渐升高，该结果与赵伟等[15,19]研究结果一致。

图3 燃放期PM2.5/PM10随时间变化图Fig.3 The ratio of PM2.5/PM10 with time during the discharge period

总体来说，烟花爆竹的燃放对PM2.5和PM10

的质量浓度都具有较大贡献，会在很大程度上影响哈尔滨市区的空气质量。集中燃放会在很短时间内造成局地颗粒物浓度急剧上升，但PM2.5和PM10质量浓度在燃放烟花的后一天呈现出明显的下降趋势，说明燃放烟花爆竹对PM2.5和PM10的影响具有一定的时效性。

2.4 激光雷达分析结果

激光雷达的监测数据显示，从2月7日17：00至2月8日00：00，污染主要是由本地大气气溶胶颗粒积累导致，同时受不利扩散气流影响，致使污染加剧。污染初期边界层高度相对较低，随后呈上升状态，污染边界层逐渐升高，主要受烟花高空燃放影响；但同时段消光系数却逐渐变大(图4)，主要受气象条件影响，风速较低，水平扩散较慢。同时退偏比数值升高(见图5)，说明此时段大气中以污染物为主，且激光雷达的监测数据的变化趋势与颗粒物浓度变化结果相一致。2月8日17：00至2月9日19：00，整体污染边界层较高，消光系数显示从2月8日13：00后近地面气溶胶颗粒上行趋势明显，近地面消光系数减至0.3以下，此时空气中气溶胶浓度逐渐降低，同时该时段退偏比数据显示，除8日20：00退偏比短暂升高，其余时段均较低。

图4 监测期间消光系数的变化趋势Fig.4 Variation trend of extinction coefficient during monitoring

图5 监测期间退偏比的变化趋势Fig.5 Variation trend of depolarization ratio during monitoring period

2.5 气态污染物分析结果

在研究过程中发现，监测期间CO的变化趋势与颗粒物变化趋势相同。由图6可知，燃放期CO的浓度明显高于非燃放期，且在同一时段内，平均高0.77倍。燃放期CO质量浓度同样呈现出先升高再降低的变化趋势，在8日01：00达到最高值，为3.25 mg/m3，随后逐渐降低。非燃放期CO浓度整体呈升高趋势，但变化不显著。O3、NO和NO2燃放期的平均浓度分别为非燃放期的0.81、0.94、1.14倍，2个时期内浓度差别不大，说明燃放烟花爆竹对大气中O3、NO和NO2浓度影响不大，该结果与杨志文等研究结果一致[12]。

图6 监测期间CO浓度变化趋势Fig.6 Variation trend of CO concentration during monitoring period

由图7可知，在集中燃放期2月7日21：00至2月8日02：00，随着PM2.5浓度的变化，CO也随之呈正相关变化，并且趋势基本一致，相关系数(r)高达0.970 2；而整个燃放期相关系数也达到0.891 1，从侧面阐明烟花爆竹的燃放对颗粒物的贡献。

图7 燃放期PM2.5与CO关系图Fig.7 Relationship between PM2.5 and CO during discharge period

2.6 化学组分浓度分析结果

2.7 颗粒物成分分类分析结果

利用自适应共振神经网络分类方法(Art-2a)对燃放期与非燃放期颗粒物进行分类，由图8和图9可以看出，2个时期大气颗粒物主要成分以有机碳为主，占比均在40%以上。燃放期与非燃放期相比富钾颗粒和左旋葡聚糖占比均明显降低，而长链元素碳、混合碳、有机碳和元素碳占比均有所升高，其中混合碳上升幅度最大，这也充分证明烟花爆竹燃放是导致春节期间PM2.5升高的重要污染来源。

图8 燃放期颗粒物成分分类Fig.8 The classification of the particulatematter in the discharge period

图9 非燃放期颗粒物成分分类Fig.9 The classification of the particulate matter in the non-discharge period

3 结论

1)烟花爆竹的集中燃放会在短时间内造成严重的大气污染，在除夕夜间4个监测点位均出现重污染时段，PM2.5和PM10浓度迅速升高，甚至成倍增加，最高值分别达到362 μg/m3和623 μg/m3。

2)烟花爆竹的燃放对不同大气污染物的影响存在较明显的差别，其中，对颗粒物的影响最为显著，对CO的浓度也有较明显影响，而对O3和NOx等影响则相对较小。

3)烟花爆竹的燃放会对颗粒物化学组分造成明显的影响，受影响最大的是Mg2+和Cl-，且在燃放期有机碳、元素碳、混合碳占比升高。

4)随着烟花爆竹的燃烧量大幅降低，经过几个小时的扩散衰减之后，其产生的颗粒物污染在次日的中午基本消失，说明烟花爆竹的燃放对PM2.5和PM10的影响具有一定的时效性。

5)造成春节期间重污染天气的主要原因除集中燃放烟花爆竹之外，长时间地面静风和逆温层的存在也是导致本地污染物累积和霾的产生重要原因。

针对烟花爆竹的集中燃放对哈尔滨市城区空气质量造成的严重影响，提出几点对策与建议：利用公共媒体资源，进一步加大燃放烟花爆竹对安全和环境影响的宣传力度，使人们自觉减少燃放烟花爆竹的数量；改变传统的烟花爆竹制作工艺，大力提倡和支持研制安全环保型的替代产品，从源头上减轻烟花爆竹燃放对环境空气质量的影响；加大行政监管力度，采取适当的禁放措施。