2015～2019年春节期间烟花燃放对长沙空气质量的影响分析

周国治,唐岳晖,潘海婷

(湖南省环境监测中心站，长沙 410019)

烟花爆竹是湖南省的传统优势和特色产业。湖南省是烟花爆竹的发源地，也是全球烟花爆竹的最大生产基地，境内有著名的浏阳花炮。同时湖南也是烟花爆竹的消费大省，每到逢年过节，尤其是春节期间，均会燃放大量的烟花爆竹，增加过节气氛的同时，由于烟花爆竹燃放释放了大量的二氧化硫、颗粒物等有毒有害物质[1～3]，导致空气质量在短时间内迅速恶化[4～6]，带来了严峻的大气环境问题[7～10]。潘本锋[11]等发现春节期间集中燃放烟花爆竹对我国城市环境空气质量造成了严重影响，大部分城市在集中燃放日出现空气质量超标现象。为了加强烟花爆竹燃放安全管理，保障公共安全和人民群众生命财产安全，消除火灾隐患，改善环境质量，2017年12月长沙市人民政府发布《关于长沙市中心城区禁止和限制燃放烟花爆竹的通告》，要求2018年1月1日起正式施行。

春节期间环境质量与一般时期稍有不同，一方面从春节前夕开始，城市人口及车流量均大幅减少，工业生产、建筑施工等活动水平下降，周边地区污染源排放量也有所降低，区域污染排放和积累大幅减弱；另一方面，除夕及初一等时段，烟花爆竹集中燃放，短时间内排放大量的污染物，对空气质量又会造成显著的负面影响。常规污染源排放量减少和烟花爆竹污染排放量增加相互叠加，是影响春节期间空气质量的重要特征因素[12]。

近年来，针对烟花燃放对城市空气质量影响的研究越来越多，李令军[13]等发现烟花燃放对不同大气污染物影响存在明显差别，PM10响应最明显，SO2等气态污染物也形成明显的燃放浓度峰值，CO则没有明显响应，烟花燃放导致的细颗粒排放远远高于粗颗粒。潘本锋[11]等发现集中燃放烟花爆竹对颗粒物小时浓度值和日均值的贡献明显，燃放烟花爆竹可以导致空气中PM10、PM2. 5、SO2、NO2、CO 等污染物浓度上升，其中受燃放影响比较明显的是PM10、PM2. 5，而O3浓度变化与烟花爆竹燃放没有直接关系；张小玲[14]等发现北京市除夕大量燃放烟花爆竹导致颗粒物浓度在短时内快速上升，但对SO2和NO2浓度的影响不明显。金军[15]等发现春节期间特别是除夕夜大量烟花的集中燃放导致了大气颗粒物浓度的急剧升高，主要以细粒子为主。赵伟[12]等发现珠三角地区的烟花燃放行为对PM10、PM2. 5和SO2浓度的短期影响极大，造成除夕夜间污染物浓度的迅速升高，甚至成倍增加；烟花燃放对CO、O3、NO2没有明显的影响；Wang[16]等的研究表明北京烟花燃放造成PM2.5和PM10的浓度可以达到平时的4～6倍。

湖南作为烟花爆竹的发源地及最大生产基地，对春节期间空气质量尤其是烟花燃放大气环境影响的研究较少，本研究利用长沙市多个国控点空气自动监测站的污染物监测数据，分析春节期间长沙市地空气质量情况，详细探讨了除夕夜间烟花燃放对大气环境的影响，以期为长沙市的大气污染防治工作提供支撑。

1 材料与方法

长沙作为湖南的省会城市，研究所用数据来自于中国环境监测总站的全国城市空气质量监测网发布的数据。空气质量实时发布的数据中长沙市共有9个环境空气评价点，分布在城区各个位置，其中芙蓉区有2个，岳麓区有2个，高开区、经开区、天心区、开福区和雨花区各有1个，可以充分代表长沙市环境空气质量情况。

研究中监测点内均是采用Thermo Fisher 24h连续监测设备(美国)进行监测，可准确可靠地测量污染物的质量浓度，监测数据实时上传至中国环境监测总站。仪器的规格、维护、标定及数据处理质控方法均按照中国环境监测总站要求执行。

研究所用同期的地面相对湿度、降水量、风速和风向等常规气象观测数据来自长沙县莲华镇的基本气象观测站，是长沙市的代表观测站，监测数据实时传输至中国气象局。

2 结果与讨论

2.1 气象条件分析

区域的大气环境质量主要受污染物排放量和大气扩散能力的影响，在排放量变化不大的情况下，气象条件对空气质量起主导作用， 反之，在气象条件稳定的情况下，污染物排放量的大幅变化则是影响空气质量的主要原因[4,17]。2015～2019年春节前后主要气象条件见表1，每日风力、风向、相对湿度、降水量等气象参数情况见图1。

表1 2015～2019年春节前后长沙市主要气象条件统计Tab.1 main meteorological conditions in Changsha during the Spring Festival 2015～2019

图1 2015～2019年春节前后长沙市主要气象条件Fig.1 Main meteorological conditions in Changsha during the Spring Festival of 2015-2019

由图1可知，近5年春节期间，长沙均以西北风为主，其中2015年及2019年除夕、初一期间风力较大，且有明显降水，2015年除夕、初一降水量达6.9mm和14.4mm，2019年初一降水达13.6mm，大气扩散条件较好，对大气污染物有很好的扩散作用及湿清除作用。反之，2016～2018年无明显降水，空气扩散条件稍弱，尤其是2018年相对风力较小，而湿度较大，会有一定的吸湿增长情况出现[18]，扩散条件最为不利。

2.2 烟花燃放对气态污染物的影响

2.2.1 对气态污染物日数据的影响

为研究烟花燃放对污染物日数据的影响，我们截取了春节前后近半个月的污染物日均数据进行跟踪研究，具体时间是腊月二十五～正月初九，因为这段时间内部分工地、工厂均已经停工，人员已经放假出城，而正月初八、初九开始，大批人员返城，工地和工厂陆续开工，影响污染排放的因素相对较少，污染排放源主要就是烟花燃放[19]。2015～2019年春节前后气态污染物日均浓度变化情况见图2。

图2 2015～2019年长沙春节前后气态污染物日均浓度变化情况Fig.2 Daily average of gaseous pollutants in Changsha during the Spring Festival of 2015-2019

由图2可知，2015、2018及2019年春节前后及春节期间，SO2浓度都比较平稳，烟花燃放未对SO2日均造成明显影响，但2016、2017年春节期间，SO2日均浓度急剧上升，分析认为烟花燃放在部分条件下会对SO2造成较大影响。

2015～2019年连续5年春节前后及春节期间NO2日均浓度均未出现明显波动，说明烟花燃放对NO2浓度影响较小。在考察时段内，NO2两头高，中间低，分析认为由于中间时段长沙城人员相对较少，NO2污染排放减少明显。

O3的规律并不明显，但是在除夕及春节期间，O3浓度并无明显变化，烟花燃放对O3的影响也较小。

CO浓度最为稳定，春节前后及春节期间CO日均浓度未出现明显波动，说明烟花燃放对CO浓度影响更小，这与其他学者研究结果一致[12～14,20]。

2.2.1 对气态污染物小时数据的影响

为进一步探查烟花燃放对气态污染物浓度的影响，避免非烟花燃放时段的干扰，重点对对除夕、初一各小时数据进行分析研究。春节中国传统烟花燃放集中时间主要是除夕日19∶00至大年初一12∶00，初一0时一般为烟花爆竹燃放的高峰。大年三十下午CO、SO2和NO2气态污染物的浓度一直维持较低水平(图3)，入夜以后，受到大气边界层高度降低、大气层结变稳定及局地污染源排放等因素的影响[21]，污染物会表现出浓度上升的日变化规律，O3也受辐射等因素影响呈现出白天高、夜间低的单峰形态。但2016、2017年SO2浓度在初一凌晨1、2时浓度骤然升高，达其他时间的数十倍；2016、2017 NO2也在凌晨出现上升，但上升幅度明显小于SO2,分析认为烟花燃放在某些特定条件下还是会对NO2产生部分影响。

CO及臭氧大部分情况下均未随烟花燃放出现峰值，表现出来的仅仅是日常变化规律，分析认为烟花爆竹燃放对此两项污染物影响最小。

图3 2015～2019年长沙除夕、初一气态污染物小时浓度变化情况Fig.3 hourly concentration changes of gaseous pollutants on the New Year's Eve and the first day of 2015-2019

2.3 烟花爆竹集中燃放对颗粒物的影响

2.3.1 对颗粒物日数据的影响

图4为2015～2019年长沙春节前后颗粒物日均浓度变化情况。2015～2019年连续5年PM2.5及PM10在初一均出现了峰值。其中2017年PM2.5峰值最高，达263μg/m3，是除夕的2.39倍，是腊月二十九的3.87倍， PM10峰值也是2017年最高，达338μg/m3，是除夕的2.21倍，是腊月二十九的4.28倍，受烟花燃放影响十分明显。

新限燃政策落实前的2015～2017年3年里，2017年春节期间峰值最高，且持续时间最长。结合图1分析其气象原因可以看出，对比2016年，2017年峰值区间段内长沙主要以西北风为主，在此风力条件下，长沙极易受到上游城市的污染传输，且此时空气湿度也大于2016年同时期，上游传输的污染及本地排放的污染极易吸湿增长。

对比2015年，长沙2017年除夕、初一污染物浓度高峰区间段内无明显降水，污染物浓度增高明显。

新限燃政策落实后，同样在北风及无雨的条件下，2018年PM2.5日均浓度峰值相对于2017年下降了56.4%，PM10日均浓度峰值下降了61.6%。在都有降水的条件下，由于2019年降水时间及降水量远远小于2015年，故除夕、初一污染高峰期空气质量改善并不明显。

由于管控到位，2018及2019年颗粒物日均浓度最大值及高峰区持续时间均有极大改善。比较2018及2019年，2018年新限燃政策刚出台，各部门执行到位，几乎全城禁燃，2018年春节基本成为近年最安静的春节，使得过节气氛少了一些，所以2019年长沙禁燃区域主要在二环线以内，且除夕及初一不属于禁燃时间，增加年味的同时，污染高峰值有所反弹，但依然远远低于此前两年。高峰持续时间也大大缩短。

图4 2015～2019年长沙春节前后颗粒物日均浓度变化情况Fig.4 daily average concentration changes of particulate matter during the Spring Festival of 2015-2019

2.3.2 对颗粒物小时数据的影响

2015～2019年除夕、初一颗粒物小时浓度变化情况见图5。2015～2019年初一凌晨左右，PM2.5及PM10均有一个浓度峰值，且这个浓度峰值均是在凌晨1点左右有一个急剧升高过程，相比前一个小时，2015～2019年初一凌晨1点PM2.5分别升高76μg/m3、200μg/m3、162μg/m3、37μg/m3、54μg/m3，PM10分别升高217μg/m3、361μg/m3、332μg/m3、115μg/m3、79μg/m3，烟花燃放影响对PM10、PM2.5的影响均十分明显。尤其是2017年，PM2.5最高升至532μg/m3，PM10最高升高758μg/m3，出现“暴表情况”。

图5 2015～2019年长沙除夕、初一颗粒物小时浓度变化情况Fig.5 hourly concentration changes of the first day of the New Year's Eve and the first day of 2015-2019

对比各年的情况，2016、2017年烟花燃放最为明显，而2015、2018、2019情况稍好。分析原因认为2015年主要是由于气象原因的影响，2018、2019则是政府大力管控的影响。此前分析可知，2015春节期间，除夕及初一均出现明显降水，由于降水带来的湿沉降清除作用，烟花燃放带来的颗粒物污染得到了一定程度的控制，2015年春节期间颗粒物的日均峰值相对来说不算太高；2018年《关于长沙市中心城区禁止和限制燃放烟花爆竹的通告》正式实施，所以2018年春节期间堪称最近几年烟花燃放管控最严的一年，经过有效的管控措施，污染的高峰区域也得到了有效的控制；2019年政策向人性化方向略有调整，但伴随着初一的大风及降水影响，污染高峰区依然得到控制。

2. 4 对PM10和PM2.5浓度值的贡献量分析

根据上述分析可知，CO更为稳定，受烟花燃放影响更小。为尽量排除气象因素的影响，因此选取CO作为春节燃放烟花期间大气扩散条件变化的参考指标[21-22]，对比分析2015年至2019年春节期间烟花燃放影响。计算公式：

Mf=M-Maver×(C/Caver)

Mc=Mf/M×100%

式中：Mf为烟花集中燃放时期对PM2.5和PM10的贡献量，μg/m3；M为烟花集中燃放时期的PM2.5、PM10的浓度值；Maver为非烟花集中燃放时期PM2.5、PM10浓度平均值，μg/m3；C为烟花集中燃放时期的CO的浓度值，mg/m3；Caver为非烟花集中燃放时期的CO浓度平均值，mg/m3；Mc为烟花集中燃放期对PM2.5、PM10的贡献率，%。

2.4.1 对日浓度的贡献量分析

以腊月29的日均浓度当作未受烟花影响的污染物浓度，除夕及初一中选择日均浓度较大值当作烟花集中燃放期的日均浓度最大值，代入上述公式中进行计算，可以得出表2中烟花燃放对颗粒物日均浓度值贡献量测算结果。

表2 日均浓度值贡献量测算结果Tab.2 The measurement results of the average daily concentration contribution

由表2可知，烟花燃放对PM2.5日均浓度的贡献率在31.7%～73.7%之间，对PM10的贡献率在1%～69.7%之间。

2017年燃放期日均浓度峰值PM2.5、PM10分别为263μg/m3、338μg/m3，烟花燃放的贡献量分别达193μg/m3、236μg/m3，贡献率达73.7%、69.7%，均是近5年的最大值。

2015年受除夕、初一连续两天的降水影响，燃放其污染物浓度快速经过湿沉降清除，所以峰值相对不高，说明在有利的气息扩散条件下，烟花燃放的影响能得到有效降低，尤其是对PM10的影响。

2018及2019年，得益于政府强有力的控燃措施，烟花燃放的影响也得到了较好的控制。

2.4.2 对小时浓度的贡献量分析

根据相关文献及一般生活习俗，本文假定烟花集中燃放时期为除夕日19∶00～大年初一12∶00，非烟花集中燃放时期为除夕日12∶00～18∶00。将相关数据代入上述公式计算，得到表3中春节期间烟花燃放对颗粒物小时浓度值贡献量测算结果。

表3 小时浓度值贡献量测算结果Tab.3 The measurement results of hourly concentration value contribution

由表3可知，2015～2019年春节期间燃放期PM2.5、PM10小时浓度峰值最大值分别达532μg/m3及758μg/m3，两个污染物均已经“暴表”，贡献量最大值分别为373μg/m3及576μg/m3，贡献率最大值分别为84.3%及81.3%，充分说明烟花燃放对大气污染的影响程度。

2015年虽然除夕、初一连续两天降水，对PM2.5及PM10日数据贡献量较小，但是烟花燃气期污染物小时浓度依然不可小觑，PM2.5及PM10小时浓度峰值分别达256μg/m3及394μg/m3，贡献率达52%及59.6%，说明湿沉降需要一段时间的过程，在烟花集中燃放期间湿沉降不足以抵消烟花燃放带来的影响，需要更加猛烈的降水或者人工管制才能起到削峰作用。

2018年得益于近年来最严的烟花燃放管控，PM2.5及PM10小时浓度峰值均较低，烟花燃放贡献率也较低。

2019年管控措施虽然稍有人性化的微小调整，但是得益于政府管控及初一降水双方面的影响，污染物浓度峰值也较低，尤其是PM10为近5年最低，烟花燃放对PM10的贡献也为近5年最低，分析认为降水或许对PM10的湿清除作用更为明显。

3 结 论

3.1 2015年及2019年除夕、初一期间大气扩散条件较好，2016～2018年空气扩散条件稍弱，尤其是2018年扩散条件最为不利。

3.2 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PM2.5、PM10的影响最为显著，对SO2的浓度也有较明显的影响，而对CO、O3、和NO2的影响则相对较小。

3.3 2015年受气象条件影响，除夕、初一PM2.5、PM10浓度峰值相对不高，烟花燃放的影响较小；2016、2017年燃放烟花燃放的影响较为严重；2018及2019年，得益于政府强有力的控燃措施，烟花燃放的影响得到了较好的控制。

3.4 在无降水及北方条件下，长沙的污染物浓度最大值及污染高峰持续时间远远大于有降水或刮南风的气象条件下的情况。

3.5 污染大力管控情况下，空气质量会有明显好转。

3.6 近5年烟花燃放对日均浓度的贡献率PM2.5为31.7%～73.7%之间， PM10为1%～69.7%之间；对小时浓度的贡献率PM2.5为42.2%～84.3%，PM10为34.9%～81.3%之间。