春節期間煙花爆竹燃放對PM2.5化學組分的影響

趙志剛， 張信成， 何秋生*

(1.呂梁市環境科學研究所，山西 呂梁 033000；2.太原科技大學環境科學與工程學院，山西 太原 030024)

大氣PM2.5污染引起的灰霾問題不僅對公民身體健康有不利影響，還會對生態系統和氣候變化造成破壞[1]。春節是中華民族的傳統節日，人們通常以燃放煙花爆竹慶祝這一節日，肖致美[2]等發現天津市2020年春節重污染期間PM2.5的質量濃度達219 μg/m3，主要是由于本地排放、污染傳輸和不利的氣象條件導致的；張仲平[3]等發現在春節期間煙花爆竹對PM2.5的貢獻較大。

太原盆地是山西的人口集中區和煤化工集中區，特殊的地形導致污染物易累積，與此同時，春節期間煙花爆竹的燃放易導致短時重污染發生，引起了廣泛關注[4]。本研究目標城市位于太原盆地南端，產業結構以焦化為主，是太原盆地污染區的典型代表。本研究選取該市2021年春節期間PM2.5及其組分數據，研究煙花爆竹燃放對PM2.5的影響，以期為城市PM2.5污染治理和精細化管理提供科學支撐。

1 材料與方法

1.1 采樣點位及監測時段

本研究采樣點位于太原盆地南端某市，距地面約30 m，附近主要以居民住宅區為主，人流密集且車流量較大。觀測期為2021年2月8日至2021年2月15日，其中，2月11日為除夕，2月12日為春節。本研究選取2月8日至2月10日為春節前，2月11日至2月12日為春節期間，2月13日至2月15日為春節后。

1.2 采樣設備

2 結果與討論

2.1 PM2.5及其化學組分特征

第228頁圖1為整個采樣期間PM2.5濃度小時變化圖，PM2.5日均質量濃度范圍為11.83 μg/m3～168.75 μg/m3，平均質量濃度為105.22 μg/m3，高于國家空氣質量PM2.5質量濃度限值(75 μg/m3)。春節前PM2.5質量濃度為116.19 μg/m3，春節期間為136.57 μg/m3，春節后為73.28 μg/m3，春節期間PM2.5質量濃度明顯高于春節前和春節后，可能是由于春節期間受煙花爆竹等本地排放和不利的氣象條件導致的。

采樣期間無機元素 Pb、Al、Si、As、Ca、K、Cr、Cd、Zn、Cu、Fe、Mn質量濃度分別為129.01、2 581.30、1 849.44、13.06、768.04、1 929.14、6.41、3.39、145.48、34.96、655.29、49.09 ng/m3，其中,Al、Si、Ca、K元素濃度較高，為主導元素。K元素是煙花爆竹燃放的指示物[2]，春節期間K元素突升，小時濃度最高可達11 138.70 ng/m3，圖1顯示在11日的21時至12日23時，K的濃度明顯高于其他時段，可知除夕和春節這兩天煙花爆竹燃放較為明顯。

圖1(b)顯示OC、EC和PM2.5變化趨勢一致，表1描述了春節前中后OC、EC的濃度變化，可以發現，春節期間的OC和EC濃度明顯高于春節前和春節后，可知春節期間的排放仍較大。OC/EC可以用來反映有機物的二次轉化情況，采樣期間兩者比值均大于2，表明采樣期間二次轉化明顯。

圖1 采樣期間PM2.5及其化學組分濃度、氣參數時間序列圖

2.2 煙花爆竹導致的PM2.5排放特征

本研究捕捉到除夕夜到大年初一共有4次煙花爆竹燃放時間，第一次是除夕夜(19:00～23:00)，年夜飯期間燃放的煙花爆竹；第二次是大年初一(00：00～02:00)，該時段為跨年時段，燃放煙花爆竹較為集中；第三次是05:00～08:00，該時段在中國北方有點旺火的習俗，伴隨有煙花爆竹的燃放；第四次是10:00～13:00，為迎財神的時間。在這4個時間段PM2.5濃度出現升高的趨勢，前兩次風速較大，有利于擴散，而后兩次風速變小，同時受到前兩次排放累積的影響，PM2.5濃度到達研究期間最大小時濃度(306 μg/m3)。

從圖1中可以看出，大年初一(2021-02-12)OC、EC濃度均達到峰值，說明煙花爆竹的燃放導致其濃度升高。Feng等[4]的研究表明K、Fe、Al、Cl-是煙花爆竹的指示物質，而大年初一這幾種物質的濃度均比較高，尤其是K元素，該日是研究期間的5.50倍，其他3種組分分別是研究期間平均濃度的1.20、1.33和3.16倍。2021年受禁止燃放煙花爆竹政策的影響，峰值不明顯，而第四次峰值最高主要是污染物累積的結果。

2.3 特征雷達圖分析

第229頁圖2為11月16日至12日18時PM2.5及風速小時變化圖。為了判斷該區域的污染來源，使用特征雷達圖來表現大氣污染在時間序列上發生的變化，本研究將五項污染物(SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10)歸一化處理，繪制特征雷達圖，具體繪制方法參考段菁春等[5]的研究，特征雷達圖包括4根呈五邊形的線，線條1呈正五邊形，為污染物特征標準值，為無量綱數，數值為1；線條2呈不特定的五邊形，為一定時期污染物特征上限值，為無量綱數，數值大于1(Maxj)；線條3呈不特定的五邊形，為一定時期污染物特征下限值，為無量綱數，數值小于1(Minj)；線條4呈不特定的五邊形，為特定時間或站點污染物特征值(CVij)。

圖2 11日16時至12日18時PM2.5及風速小時變化圖

圖3為采樣期間特征雷達圖，2月8日特征雷達圖呈現出偏機動車型(NO2和CO的特征值較大，且NO2的特征值接近標準上限)，隨后9日到10日低風高濕的氣象條件下二次轉化明顯，因此這兩日的特征雷達圖為二次型(PM2.5的特征值較高)，之后11日到12日(分別為：除夕、大年初一)為明顯的偏煙花型，SO2和PM2.5的特征值較大，12日PM2.5的特征值超過標準上限，表明該日煙花的影響最強，13日CO的特征值接近上限，表明煙花影響減弱，其他源如燃煤源的影響增強。2月14日特征雷達圖屬于偏二次型，PM2.5的特征值超過標準上限，同時PM10的特征值同樣超過標準上限，結合圖1發現，該日風速增大，揚塵對PM10的貢獻加強，因此該日部分時段呈揚塵型。之后受風速影響，擴散條件變好，空氣質量好轉，此時CO的特征值超過標準上限，主要是該地以煤炭為主要能源，導致CO的背景濃度比較高，各污染物濃度低的水平下，CO的占比反而比較大。

圖3 2021年2月8日00:00至15日23:00的特征雷達圖

3 結論