2015—2020年春节期间燃放烟花爆竹对京津冀空气质量的影响

闫文蕊，朱兆洲，李绪威，张紫静

（1.天津师范大学水资源与水环境重点实验室，天津300387；2.天津师范大学地理与环境科学学院，天津300387）

国内外重要节日和重要事件发生时均有燃放烟花爆竹的传统和习惯，这一习俗在我国春节期间表现得尤为突出.烟花爆竹中含有大量的硫磺、木炭、硝酸钾和有机物等，短时间内集中燃放会释放大量的污染物，造成严重的空气污染，对人体健康产生严重危害.我国学者在烟花爆竹对空气质量影响方面开展了大量的研究工作.王占山等[1]对春节期间北京市的空气质量进行监测，研究发现，由于烟花爆竹的燃放，PM2.5、PM10和SO2质量浓度显著增加.程念亮等[2]通过定量计算发现2015年春节期间北京市区烟花爆竹排放PM2.5总量高达2.13×105kg.张小玲等[3]发现2006年春节期间北京近郊区PM2.5质量浓度最高可达该月平均值的6倍，燃放高峰期PM10平均质量浓度超过400 μg/m3.郝天依等[4]分析了天津市春节期间常规污染物质量浓度的变化规律，发现在2016年和2017年初一0：00至1：00时间段，PM10、PM2.5、SO2和NO2质量浓度分别比非燃放期同时段增加了305、178、80和7 μg/m3.操晚等[5]和马小会等[6]通过分析天津和北京春节期间的空气状况，证明烟花爆竹禁放和限放政策的实施使PM2.5质量浓度在烟花燃放密集期存在明显的空间差异.

2015年至今，京津冀地区逐步对烟花爆竹的燃放进行了严格管控.虽然已有学者对京津冀地区春节期间的空气质量展开研究，但针对烟花爆竹禁、限放政策对空气质量的影响尚缺少相关分析.因此，本研究根据京津冀地区2015—2020年春节期间空气中常规污染物数据，对春节期间该地区污染物的总体分布状况、逐小时污染物质量浓度的变化特征以及烟花爆竹对污染物的贡献等进行分析，旨在为我国烟花爆竹燃放政策的制定以及春节期间空气污染的控制提供科学参考.

1 数据与方法

1.1 数据来源

京津冀地区位于113°27′E~119°50′E，36°05′N~42°40′N，北部为燕山山脉，南部为华北平原，西接太行山，东临渤海湾.京津冀地区是中国的政治和文化中心，也是中国北方经济的重要核心区.本研究中京津冀地区包含北京和天津2个直辖市以及河北的11个地级市（石家庄市、唐山市、沧州市、秦皇岛市、保定市、张家口市、邯郸市、承德市、衡水市、廊坊市和邢台市）.空气质量数据来源于该地区的83个城市国控空气自动监测站，具体监测点的位置如图1所示.本研究主要收集了2015—2020年春节期间PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO和O3共6种主要大气污染物的质量浓度数据.本研究中春节期间特指除夕至正月初六这一时间段，共计7 d.

图1 京津冀地区空气质量监测点的分布情况Fig.1 Distribution of air quality monitoring sites in BTH

1.2 研究方法

监测数据按照《环境空气颗粒物（PM10和PM2.5）连续自动监测系统运行和质控技术规范》（HJ 817-2018）[7]和《环境空气气态污染物（SO2、NO2、O3、CO）连续自动监测系统运行和质控技术规范》（HJ 818-2018）[8]要求进行.测量PM2.5和PM10主要采用微量动荡天平法和β射线法；CO主要采用气体滤波相关红外吸收法和非分散红外吸收法；NO2主要采用化学发光法和差分吸收光谱分析法；SO2主要采用紫外荧光法和差分吸收光谱分析法；O3主要采用紫外光度法和差分吸收光谱分析法.

数据处理主要利用ArcGIS10.2，采用自然邻域法对京津冀地区空气质量的地域分布特征进行分析；运用相对比值法和线性回归法定量计算燃放烟花爆竹对大气污染物的贡献和排放量.

2 结果与分析

2.1 春节期间空气质量总体情况

2015—2020 年春节期间京津冀地区整体空气质量特征如表1所示，表1中空气质量数据为春节期间（7 d）的平均值，质量浓度比为除夕18：00至初一12：00大气中PM2.5和PM10浓度与前一天相同时间段PM2.5和PM10浓度之比.

表1 2015—2020年春节期间京津冀地区污染物质量浓度特征Tab.1 Mass concentration characteristics of pollutants in BTH during the Spring Festival from 2015 to 2020

由表1可以看出，除2019年外，其他年份空气质量均为轻度污染或中度污染，首要污染物均为PM2.5，其日平均质量浓度分别为103、95、99、115和119 μg/m3，超过《环境空气质量标准》（GB 3095—2012）[9]二级浓度限值37%、28%、32%、53%和58%.同时，该区域PM10日平均质量浓度在2015年和2018年达到178μg/m3和154μg/m3，分别超过国家标准二级限值18%和2%.而SO2、NO2、CO和O3这4种污染物的日平均质量浓度均未超过国家标准的二级限值.2019年春节中后期（初三至初五），京津冀地区受来自北方的较强冷空气影响，出现大风降温天气，保定、张家口和承德地区风力达到4~6级，对空气中污染物起到非常好的稀释作用，因此2019年春节期间的空气质量明显好于其他年份.

此外，由于烟花爆竹的燃放时间主要集中在除夕18：00至初一9：00，本研究对京津冀地区此时间段与前一天相同时段（非集中燃放期）PM2.5和PM10的质量浓度进行对比.由表1可以看出，实施烟花爆竹禁、限放政策后，PM2.5和PM10的质量浓度比在2019年和2020年显著下降，尤其是2020年PM2.5和PM10的质量浓度比下降至1.18和1.17，说明整个京津冀地区实施禁、限放政策后，烟花爆竹源对空气的污染得到了非常有效的控制.2015—2020年春节期间京津冀地区主要污染物PM2.5和PM10日平均质量浓度（7 d均值）的分布情况如图2所示.

图2 2015—2020年春节期间京津冀地区PM2.5和PM10质量浓度的空间分布情况Fig.2 Spatial distribution of PM2.5 and PM10 mass concentrations in BTH during the Spring Festival from 2015 to 2020

由图2可以看出，京津冀地区北部的张家口、承德和秦皇岛空气质量等级为良，首要污染物为PM2.5，质量浓度为42~65 μg/m3；中部的北京、天津、唐山、廊坊和沧州空气质量等级为轻度污染，首要污染物和超标污染物均为PM2.5，质量浓度为83~104 μg/m3；南部区域的保定、石家庄、衡水、邢台和邯郸为中度污染，PM2.5和PM10均超过国家标准二级限值，二者的质量浓度分别为117~149 μg/m3和176~207 μg/m3.保定的污染最为严重，PM2.5和PM10的质量浓度在京津冀地区最高，分别为149 μg/m3和207 μg/m3.综合以上分析可知，PM2.5和PM10质量浓度总体呈现由北向南逐渐升高的趋势.

2.2 2015年和2020年污染物浓度的对比

自2015年起，天津外环以内的区域率先实施了烟花爆竹的禁放政策；2017—2018年，京津冀地区除张家口外所有城市中心区域开始实施烟花爆竹禁放政策；2019—2020年，天津全境、北京六环内和副中心城区以及河北所有地级市的主城区及部分县城中心区域均实施了禁放政策.图3为2015年和2020年春节燃放高峰期（初一1：00时）PM2.5、PM10和SO2这3种污染物的质量浓度分布特征图.

图3 2015年和2020年春节燃放高峰期3种污染物质量浓度的空间分布Fig.3 Spatial distribution of three pollutant mass concentrations during the Spring Festival discharge peak in 2015 and 2020

2015年，京津冀地区PM2.5、PM10和SO2在春节1：00的质量浓度分别为169、256和158 μg/m3；2020年，3种污染物的质量浓度为116、142和21 μg/m3，分别下降了31%、45%和87%.从地区分布来看，除了位于太行山—燕山地区的保定、张家口和承德外，其他平原地区城市的PM2.5、PM10和SO2质量浓度值均有不同程度的降低.其中，天津、秦皇岛、北京、廊坊和邢台PM2.5质量浓度降低了58%~91%，降幅均超过50%；唐山、邯郸、衡水、沧州和石家庄PM2.5质量浓度降低了15%~44%，降幅均超过10%；但保定、张家口和承德PM2.5质量浓度分别增加了304%、24%和35%.造成这3个地区PM2.5质量浓度增加的主要因素有2个：一是2015年春节受来自西北方向的弱冷空气影响，保定、承德和张家口大气扩散条件相对较好[10]，而弱冷空气受太行山—燕山的阻断作用未对其他地区的污染物扩散产生显著影响；二是截至2020年，保定、张家口和承德3个城市仍仅对主城区实施烟花爆竹禁放政策，面积和人口更多的城市郊区和县城的农村地区均未实施烟花爆竹的禁放政策，使得城郊及县城农村烟花爆竹燃放产生的污染物迁移至市中心区域，导致市中心区域空气也受到污染.与2015年相比，2020年天津、秦皇岛、北京、唐山、衡水和邢台等地区PM10质量浓度降低了52%~96%，降幅均超过50%；承德、邯郸、沧州、石家庄和张家口等地区PM10质量浓度降低了9%~45%；保定的PM10质量浓度增加了252%，达到542 μg/m3，空气质量等级达到严重污染.与2015年相比，2020年整个京津冀地区SO2质量浓度降低非常显著，其中天津、北京、邢台、石家庄、廊坊和唐山SO2质量浓度降幅均在90%以上；张家口、承德、沧州、衡水和秦皇岛SO2质量浓度降幅为67%~85%；保定SO2质量浓度降幅为45%.除保定外，其他地区SO2质量浓度均低于150 μg/m3，空气质量指数级别为一级（优）.

与2015年相比，2020年实施烟花爆竹全区域禁放的天津市空气质量改善最为明显，禁放后PM2.5、PM10和SO2质量浓度分别降低了91%、96%和98%，空气质量等级由严重污染变为优.京津冀地区除天津为全区域禁放烟花爆竹外，其他城市均实施了部分区域禁放和限放政策，这些城市中北京空气质量等级由严重污染变为轻度污染，石家庄空气质量等级由重度污染变为中度污染，唐山和衡水空气质量等级由重度污染变为轻度污染，廊坊、秦皇岛和邢台空气质量等级由重度污染变为良，邯郸和沧州空气质量等级由轻度污染变为良.位于山区的保定空气质量等级由中度污染变为严重污染，承德由轻度污染变为中度污染，张家口空气质量等级保持为良.由此可知，位于太行山—燕山以东的平原地区城市在实施了烟花爆竹禁放和限放政策后，空气质量等级均有不同程度的提高，且全面禁燃的效果要明显好于部分禁放和限放.但在静稳天气条件下，山区城市空气扩散条件相对较差，即使在部分区域实施了烟花爆竹禁放政策，空气质量仍未得到明显改善.

2.3 除夕前后污染物浓度的逐小时变化特征

中国烟花爆竹燃放最为集中的时间为除夕至初一.图4为2015—2020年除夕和初一6种污染物的逐小时6年平均质量浓度变化情况.

图4 除夕和初一污染物的逐小时平均质量浓度Fig.4 Hourly average mass concentration of pollutants on lunar New Year′s Eve and Lunar New Year′s Day

由图4可以看出，PM2.5、PM10和SO2的变化趋势受烟花爆竹集中燃放的影响较为显著，且呈现阶梯式增长模式.3种污染物的质量浓度第1次快速升高由除夕18：00开始至21：00结束，质量浓度分别从56、102和31 μg/m3增加到159、225和62μg/m3，增加了103、123和31μg/m3.3种污染物质量浓度在21：00至24：00相对稳定，说明这一时间段烟花爆竹燃放相对较少.初一0：00至1：00，PM2.5、PM10和SO2的质量浓度第2次快速升高，质量浓度分别从166、228和73 μg/m3增加至231、302和111 μg/m3，增加了65、74和38 μg/m3.值得注意的是SO2为烟花爆竹产生的一次污染物[11-12]，初一1：00后随着大气的扩散作用，其质量浓度开始逐渐降低.而PM2.5和PM10的来源不仅包括烟花爆竹燃放的直接排放，还包括烟花爆竹燃放产生的有机物、SO42-、K+和NO3-等形成的二次污染[13-14]，因此PM2.5和PM10峰值出现得相对滞后，出现在初一2：00，质量浓度 分 别 为235 μg/m3和324 μg/m3.与 除 夕18：00 PM2.5、PM10和SO2的质量浓度相比，三者的峰值浓度分别增加了3.18、2.19和2.55倍，为国家二级标准的3.14、2.16和0.74倍.随着大气扩散的作用，污染物质量浓度在初一6：00左右降低至一个波谷，分别为181、243和64 μg/m3.但初一6：00后，3种污染物的质量浓度再次快速升高，在初一9：00达到峰值，浓度分别为210、296和88 μg/m3.除夕18：00至21：00、初一0：00至1：00和6：00至9：00这3个烟花爆竹集中燃放期，PM2.5质量浓度的增加速率分别为34、65和10 μg/（m3·h）；PM10质量浓度的增加速率分别为41、74和17 μg/（m3·h）；SO2质量浓度的增加速率分别为10、3和8 μg/（m3·h）.对比这3个时段污染物质量浓度的变化特征可知，由于烟花爆竹的集中燃放，除夕18：00至21：00污染物质量浓度增长最多，初一0：00至1：00污染物质量浓度增加的最快.

此外，由图4可以看出，CO、NO2和O3质量浓度在除夕（24 h）和初一（24 h）的逐小时变化趋势基本相同，且污染物的逐小时质量浓度值均未超过空气质量指数一级质量浓度限值.这是因为NO2质量浓度主要受到汽车尾气的影响[15]；O3质量浓度的变化主要与太阳辐射有关，呈现出白天高夜间低的变化趋势[16]；而CO主要与工业生产中燃料的不完全燃烧和汽车尾气排放有关[17].因此，烟花爆竹的燃放对NO2、O3和CO质量浓度的影响不大，这与前人的研究结果相同.

2.4 燃放烟花爆竹对PM2.5和PM10的贡献量和排放量

由于烟花爆竹的燃放对CO质量浓度影响不明显，且在非燃放时段PM2.5、PM10和CO质量浓度呈现出较高的相关性[18-19]，本研究中非集中燃放时段PM2.5和PM10与CO质量浓度的相关系数分别为0.92和0.87（P＜0.1），因此，本研究使用CO作为参考标准污染物，应用相对比值和逐小时回归的方法估算燃放烟花爆竹对PM2.5和PM10的贡献[20]：

式（1）中：GsX为烟花爆竹燃放对污染物（PM2.5和PM10）的小时质量浓度贡献量：CsX为燃放期污染物（PM2.5和PM10）逐小时实测质量浓度值，CsCO为燃放期CO逐小时实测质量浓度值，（CnX/CnCO）为非燃放期污染物（PM2.5和PM10）质量浓度与CO质量浓度的比值.

基于式（1），得到2015—2020年除夕12：00至初二6：00京津冀地区燃放烟花爆竹对空气中PM2.5和PM10的贡献作用，结果如图5所示.初二6：00至初六24：00，京津冀地区PM2.5和PM10的理论质量浓度值与实际质量浓度值非常接近，该时间段内燃放烟花爆竹对PM2.5和PM10质量浓度的贡献量可以忽略不计.

图5 除夕至初二京津冀地区燃放烟花爆竹对PM2.5和PM10的贡献Fig.5 Contributions of burning fireworks to PM2.5 and PM10 in BTH from New Year′s Eve to the 2nd day of Lunar New Year

由图5可以看出，从除夕15：00开始至初二6：00结束，燃放烟花爆竹对空气中PM2.5的贡献作用持续长达39 h；从除夕18：00开始至初二1：00结束，燃放烟花爆竹对空气中PM10的贡献作用持续31 h.其中，初一2：00左右烟花爆竹对空气质量的影响最大，对PM2.5和PM10贡献的质量浓度分别为134 μg/m3和167 μg/m3，贡献率高达57%和52%.

为估算除夕至初一京津冀地区燃放烟花爆竹产生的PM2.5和PM10的总排放量，本研究利用文献[2]的方法对其进行估算，

式（2）中：Ms为t1至t2时刻燃放烟花爆竹引起的大气颗粒物排放量；Mt1为t1时刻近地面处大气颗粒物的浓度；Mt2为t2时刻近地面处大气颗粒物的浓度.

设鞭炮对污染物的贡献量随高度的升高呈负指数规律递减，则高度z处的颗粒物浓度为

假设烟花爆竹对空气污染的最大高度为300 m，且CsXz在水平方向上分布均匀，则对京津冀地区每个城市烟花爆竹排放量Mi为

式（4）中：S为京津冀地区各城市的国土面积；t1和t2分别为燃放烟花爆竹的起始时间和结束时间；燃放时间分别为除夕18：00至21：00、初一0：00至2：00和6：00至9：00这3个时间段；D为污染物的小时扩散率，由于燃放烟花爆竹会增加大气颗粒物的质量浓度，造成大气扩散作用减弱，因此，在计算排放量时需要对减少的颗粒物数量进行补偿.本研究中D值可根据初一2：00至4：00颗粒物质量浓度下降的幅度与初一2：00颗粒物质量浓度的比值进行粗略估算，PM2.5和PM10的D值分别为9%和10%.

整个京津冀地区燃放烟花爆竹引起的大气颗粒物排放总量Mtotal由北京、天津和河北11个地级市每个城市的排放量相加得到，

根据式（5）计算得到2015—2020年春节期间燃放烟花爆竹各时间段京津冀地区燃放烟花爆竹引起的PM2.5和PM10排放量，结果如图6所示.

图6 2015—2020年春节期间京津冀地区燃放烟花爆竹产生的PM2.5和PM10排放量Fig.6 Emissions of PM2.5 and PM10 from burning fireworks in BTH during the Spring Festival from 2015 to 2020

由图6可以看出，2015—2020年京津冀地区由燃放烟花爆竹引起的PM2.5排放量分别为2.83×106、5.17×106、5.64×106、3.94×106、2.75×106和1.55×106kg；PM10的排放量分别为3.51×106、6.67×106、4.63×106、3.16×106、4.10×106和1.68×106kg.2017年PM2.5的排放量为近年最高，随后排放量逐渐减少，2020年由烟花爆竹引起的PM2.5排放量比2017年下降了72%.烟花爆竹引起的PM10排放量从2016年起逐年降低（2019年除外），2020年由烟花爆竹引起的PM10排放量比2016年下降了73%.这说明在京津冀地区实施烟花爆竹禁放政策对春节期间PM2.5和PM10质量浓度的降低起到了关键作用.

3 结论

本研究利用自然邻域法、相对比值法和线性模拟法对2015—2020年春节期间京津冀地区大气中PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO和O3等污染物的质量浓度进行系统分析，得到以下主要结论：

（1）2015—2020年（除2019年外）春节期间京津冀地区整体空气质量呈现轻度污染和中度污染，主要污染物为PM2.5，其质量浓度分别超过国家标准二级限值37%、28%、32%、53%和58%.京津冀地区PM2.5和PM10的分布呈现从北向南浓度逐渐增高的趋势；河北南部的空气质量受烟花爆竹影响最为严重，达到中度污染级别.

（2）禁放政策广泛实施后，平原地区城市的空气质量显著提高，其中以全面禁放的天津市提升效果最为明显.位于太行山—燕山地区的保定、张家口和承德虽然在部分主区域实施了禁放政策，但空气质量提升效果并不明显.

（3）除夕和初一PM2.5和PM10质量浓度呈阶梯式增长，第一阶段为除夕18：00至21：00，第二阶段为初一0：00至1：00.此外，初一6：00至9：00燃放烟花爆竹对PM2.5和PM10质量浓度的升高也有一定贡献.在这3个阶段的增长中，除夕18：00至21：00颗粒物质量浓度增长最多；初一0：00至1：00颗粒物质量浓度增加最快.燃放烟花爆竹对SO2具有较为明显的影响，但未超过国家标准二级限值.燃放烟花爆竹对大气中CO、NO2和O3质量浓度的影响不明显.

（4）燃放烟花爆竹对PM10和PM2.5的影响长达30~40 h，初一2：00左右燃放烟花爆竹对PM2.5和PM10贡献率最高，高达57%和52%.2015—2020年，除夕和初一京津冀地区PM2.5和PM10的平均排放量分别为3.64×106kg和3.96×106kg.禁放后PM2.5和PM10的排放量显著减少，比高峰期时分别下降72%（2017年）和73%（2016年）.