不同地鐵環(huán)控系統(tǒng)顆粒物污染分布實測研究

谷雅秀, 王姣姣, 謝靜超, 劉加平, 潘　嵩, 王新如

(1.長安大學 建筑工程學院, 陜西 西安 710061; 2.長安大學 環(huán)境科學與工程學院, 陜西 西安 710054;3.北京工業(yè)大學 建筑工程學院, 北京 100022)

據(jù)中國空氣質量在線監(jiān)測分析平臺統(tǒng)計,北京市2015年的霧霾天數(shù)高達179天,占全年的49%,造成霧霾天氣的主要元兇是PM2.5(即空氣動力學直徑小于等于2.5 μm的顆粒物)。PM2.5的粒徑較小,可直接通過呼吸系統(tǒng)進入支氣管,甚至直達肺部,從而對人的身體健康產生極大的危害。目前,我國已對室外顆粒物濃度進行實時監(jiān)測,為人們的日常出行提供預警。隨著城市軌道交通技術的發(fā)展,地鐵已成為重要的交通方式,但地鐵處于半封閉的地下空間,其顆粒物污染情況也不容小視。文獻[1]表明,韓國首爾地鐵站臺PM2.5濃度范圍為77.7～158.2 μg/m3,遠遠高于美環(huán)署設置的PM2.5濃度評價標準。文獻[2]表明,赫爾辛基地鐵站內的PM2.5濃度是室外濃度的3～4倍,污染更為嚴重。文獻[3]表明,米蘭地鐵站臺PM10的濃度范圍是105～283 μg/m3,而室外環(huán)境的PM10的平均濃度是36 μg/m3,站臺濃度是室外濃度的3～8倍。除此之外,他們對顆粒物進行的元素分析表明;地鐵顆粒物的化學組成多為重金屬元素,如鐵、銅、鋅、鋇等。文獻[4-10]均對地鐵顆粒物的化學元素進行了分析,結果表明地鐵顆粒物含有眾多金屬元素,與室外顆粒物的元素組成不盡相同,其中鐵元素的含量更是遠遠高于室外。因此地鐵站內顆粒物的毒性更大,會對地鐵乘客以及乘務人員身體健康產生更大的危害。

現(xiàn)今,我國的專家學者也已對地鐵顆粒物進行了不少研究。文獻[11]表明,西安地鐵2號線的PM10并未超標,而PM2.5明顯超標,超標率范圍為29.5%～75.4%,細顆粒物是西安地鐵的主要污染物。文獻[12]調查了北京、廣州、上海三地的地鐵PM2.5濃度,發(fā)現(xiàn)大氣環(huán)境中的PM2.5濃度是決定地鐵站內濃度的主要因素,客流量對站內濃度并無顯著影響。文獻[13]對武漢地鐵空氣品質的調查表明,武漢地鐵站臺溫濕度狀況良好,CO的濃度較低,但是PM2.5、PM10超標嚴重,其中PM2.5超過國家標準5.5倍。然而這些研究都沒有進行系統(tǒng)間的對比。本文根據(jù)環(huán)控系統(tǒng)的不同,分別對各地鐵環(huán)控系統(tǒng)顆粒物濃度進行實測分析,歸納出各環(huán)控系統(tǒng)顆粒物污染分布規(guī)律。為今后地鐵系統(tǒng)空氣品質的改善提供幫助。

1　實驗部分

1.1　實測地點及時間

本次測試選取了北京地鐵6號線和8號線,其中地鐵6號線全線為全高安全門系統(tǒng),地鐵8號線除朱辛莊站外均為屏蔽門系統(tǒng),朱辛莊站則為地上高架式系統(tǒng)。全高安全門系統(tǒng)是指在地鐵和隧道之間設置上不封頂?shù)牟Ａ粔推帘伍T,當列車駛入時,站臺受到活塞風的極大影響。屏蔽門系統(tǒng)是指沿車站站臺邊緣設置可自動開啟的全封閉屏蔽門,將車站與隧道分隔開來。該系統(tǒng)使車站與區(qū)間成為相對獨立的區(qū)域,很少受到列車活塞風影響。地上高架系統(tǒng)則是地鐵軌道與外界大氣以及隧道相通,利用車站出入口及兩端洞口與室外空氣相通的條件,進行通風換氣,站臺受到室外環(huán)境的影響極大。室外PM2.5的測試位置位于6號線和8號線的交匯站(南鑼鼓巷站)室外,在所測試的范圍內各個位置的室外測點均位于主干路,因此空氣質量基本一致,所以可以選擇此室外點作為室外值代表。測試時期為2016年12月13日至2017年1月4日,測試時間段為每日的13:00—16:00,所有測試均在平峰期進行。

1.2　測試儀器

測試儀器是美國TSI公司生產的8532型手持式氣溶膠測試儀,使用光散射法用來監(jiān)測PM2.5和PM10。該儀器的測量范圍是1～150 000 μg/m3,測試結果精準,精度為±0.1%,操作簡單、便于攜帶,廣泛應用于現(xiàn)場環(huán)境評估、職業(yè)衛(wèi)生調查及室內空氣質量研究等領域。本次測試設定的計數(shù)時間為1秒1計數(shù)。

1.3　評價標準與數(shù)據(jù)分析

1) 本文根據(jù)《地鐵設計規(guī)范》GB50157—2013的有關規(guī)定,以國家標準《環(huán)境空氣質量標準》GB3095—2012作為地鐵站臺顆粒物的評價標準,其中PM2.5的日平均濃度應小于75 μg/m3,PM10的日平均濃度應小于150 μg/m3。

2) 實測數(shù)據(jù)用SPSS(Statistical Package for Social Science,即社會科學統(tǒng)計軟件)22.0進行分析。它提供先進成熟、操作簡便的統(tǒng)計方法幫助用戶進行科學研究和數(shù)據(jù)分析,廣泛應用于經濟管理、醫(yī)學衛(wèi)生、工程管理等專業(yè)。本文應用此軟件對不同地鐵環(huán)控系統(tǒng)站臺的PM2.5和室外空氣中的PM2.5的相關性以及地鐵站臺PM2.5和PM10的源進行分析。

3) 由于采取的儀器計數(shù)方式為1秒1計數(shù),最后得到的數(shù)據(jù)量過大,因此本文采用的數(shù)據(jù)均為測試數(shù)據(jù)的平均值,通過對數(shù)據(jù)平均值的比較進行歸納分析。

2　結果與討論

2.1　屏蔽門系統(tǒng)與安全門系統(tǒng)的比較

對地鐵6號線和8號線進行同時測試,連續(xù)測試一周。每條線路各選取人流量相當?shù)?個站點,對各個站點站臺的PM2.5進行實時監(jiān)測。采樣垂直高度1.5 m,對每個站臺的測試時長為10 min,之后對每條線路的所有測試站點取平均值,以此代表此條線路的最終值。測試的最終結果如圖1所示。

圖1　2016年北京地鐵全高安全門系統(tǒng)與屏蔽門系統(tǒng)站臺PM2.5濃度對比Fig.1　Comparison of PM2.5concentration between full-height exit system and platform screen door system in Beijing’s two subway lines in 2016

從圖1可以看出,無論室外天氣環(huán)境的好壞,全高安全門系統(tǒng)站臺的PM2.5濃度都遠遠高于屏蔽門系統(tǒng)。其中,全高安全門系統(tǒng)PM2.5濃度的最大值是415 μg/m3,最小值94 μg/m3,均高于GB3095—2012規(guī)定的日平均值75 μg/m3。而屏蔽門系統(tǒng)PM2.5濃度的最高值是395 μg/m3,最小值為42 μg/m3,最小值并未超過國標。由于兩條線路運營時長較為接近,選擇測試的各站點站臺的結構相同,對兩條線路同時進行測試,并且在測試時發(fā)現(xiàn)平峰期時上、下列車的客流量基本一致(每個站點每5 min上、下列車的人數(shù)約為60人)。除此之外,所選擇的兩條線路的測試范圍均位于主干路,所以本文排除這些干擾因素,主要分析由于環(huán)控系統(tǒng)的不同而造成測試結果差異的原因。6號線為全高安全門系統(tǒng),站臺環(huán)境深受列車活塞風的影響,隧道內積累的灰塵以及各種顆粒物會隨著活塞風進入站臺,積累在站臺,從而使站臺空氣質量下降。而8號線為屏蔽門系統(tǒng),隧道與站臺隔離,幾乎不受活塞風的影響,因此隧道內的顆粒物無法對站臺進行污染,所以屏蔽門系統(tǒng)PM2.5的濃度值遠低于全高安全門系統(tǒng)。因此加裝屏蔽門可能對降低站臺顆粒物濃度有所幫助。

圖1中另一個顯著的趨勢是,無論哪種環(huán)控系統(tǒng),當室外PM2.5濃度升高時,站臺內的濃度也會升高;當室外PM2.5濃度下降時,站臺內濃度也會下

降,站臺顆粒物濃度深受室外大氣環(huán)境的影響。而如圖1中12月22日和23日結果所示,當室外空氣質量為優(yōu)時,地鐵站臺的濃度反而會高于室外,其原因是由于地鐵站臺屬于地下半封閉結構,通風較差,當室外空氣質量由嚴重污染轉為優(yōu)時,積累在地鐵站內的顆粒物卻無法及時消除。當室外PM2.5濃度較低的空氣進入站內時會先流經站內空氣過濾器,將過濾器中積累的顆粒物也一起帶入站內,造成站內顆粒物濃度高于室外。這說明站臺內PM2.5不僅來源室外也可能源于地鐵內部。這一結果與文獻[12]的發(fā)現(xiàn)一致。因此需要采取有效的措施減少站內顆粒物污染。

2.2　不同環(huán)控系統(tǒng)地鐵站臺來車前后顆粒物濃度變化

為了排除客流量、運營年限、站臺結構等因素的影響,只研究環(huán)控系統(tǒng)對地鐵站臺顆粒物濃度的影響,對地鐵6號線東大橋站(全高安全門系統(tǒng))、8號線安華橋站(屏蔽門系統(tǒng))、朱辛莊站(地上高架系統(tǒng))站臺來車前后PM2.5以及PM10的濃度進行測試。各站臺的測點均距站臺車門邊緣0.5 m,垂直高度為1.5 m。列車駛入時(當車頭在列車行駛方向上距離測試儀器30 m時),監(jiān)測列車駛入時的站臺PM2.5和PM10濃度,各記錄30組數(shù)據(jù);待列車駛離后,對穩(wěn)定時數(shù)據(jù)進行測試,同樣記錄30組。最終對駛入時和駛離后的數(shù)據(jù)分別取平均值后進行比較。

從表1可以看出,全高安全門、屏蔽門、地上高架系統(tǒng)PM2.5的增長百分比依次為29%,22%,0%;PM10增長百分比依次為33%,28%,9%,增長百分比依次降低,即全高安全門系統(tǒng)>屏蔽門系統(tǒng)>地上高架系統(tǒng)。此結論與文獻[14-15]中的結論一致。全高安全門系統(tǒng)與地鐵隧道相通,來車時受到活塞風的影響,列車駛入時,隧道內的顆粒物隨活塞風一起進入站臺,因此站臺顆粒物濃度迅速上升,產生劇烈的變化。而屏蔽門系統(tǒng)雖與隧道隔離,但是由于縫隙的存在,當列車駛入站臺時,還是有小部分風會滲入站臺從而使站臺顆粒物濃度有所上升。然而由于滲入風量較小,因此變化率小于全高安全門系統(tǒng)。地上高架系統(tǒng)的站臺和隧道均與室外相通,空氣流動性好,顆粒物不易集聚,深受室外空氣環(huán)境變化的影響,因此不僅顆粒物濃度較低并且列車駛入前后也無明顯變化。所以,可以通過加裝屏蔽門或者更多的修建地上高架式站臺來改善地鐵站臺空氣品質。

表1　各環(huán)控系統(tǒng)PM2.5和PM10變化率Tab.1　Concentration change rate of PM2.5 and PM10 in each loop control system

2.3　屏蔽門系統(tǒng)與安全門系統(tǒng)列車開門時站臺濃度變化規(guī)律

南鑼鼓巷站為6號線和8號線換乘站,其中6號線南鑼鼓巷站臺為全高安全門系統(tǒng),8號線南鑼鼓巷站臺為屏蔽門系統(tǒng),對這兩個站臺的PM2.5濃度進行連續(xù)測試。測點布置如圖2所示,測試位置垂直方向距離站臺車門邊緣1 m,水平方向距列車車尾處隔離門20 m,豎直高度距離地面1.5 m。為保證列車至少進站5次,測試時長約為40 min,由于按秒計數(shù),數(shù)據(jù)量過多,因此以每分鐘為單位取均值進行分析比較。

圖2　測點布置圖Fig.2　Testing position in platform

圖3顯示的是在不同測試日對6號線和8號線南鑼鼓巷地鐵站臺PM2.5濃度進行連續(xù)監(jiān)測的結果。

圖3　地鐵6號線和8號線南鑼鼓巷站臺PM2.5濃度變化規(guī)律Fig.3　Changing regulation of PM2.5 concentration in line 6 and line 8 at Nanluoguxiang station

由于南鑼鼓巷站臺為平行式站臺,因此兩個站臺的深度一樣;并且其均為側式站臺,可以排除另一側列車到站開門對站臺PM2.5濃度的影響。所以,這兩個站臺只有環(huán)控系統(tǒng)的差異。圖中的綠色和藍色實心標記處均為列車駛入時車廂開門的時間點。從圖3可以看出,對于6號線南鑼鼓巷站臺,每次開門乘客下車,站臺PM2.5濃度都會有一個顯著的升高,達到一個峰值,規(guī)律變化明顯。對于8號線站臺來說,列車到站開門人員上下車,站臺濃度并無明顯的變化規(guī)律,其值有大有小,規(guī)律不明顯。

產生這樣結果的原因在于6號線為全高安全門系統(tǒng),隨著列車進站開門,不光乘客上下車走動產生二次懸浮顆粒物對站臺產生了污染,列車進站時的活塞風所帶入隧道內的顆粒物也會對站臺產生影響,因此在每一次開門時,站臺都會出現(xiàn)一個峰值。而8號線為屏蔽門系統(tǒng),只有人員上下車走動產生的二次懸浮顆粒物的影響,而二次懸浮顆粒物的影響甚微,因此并無明顯的變化規(guī)律。

2.4　相關性分析

圖4是8號線屏蔽門系統(tǒng)什剎海站臺PM2.5和PM10測點位置布置圖,4個測點距兩側車門距離相等,沿站臺前后等距均勻分布,豎直高度為1.5 m。同時進行測試,測試后對4個測點的數(shù)值取均值代表此站臺PM2.5和PM10的最終數(shù)值,然后進行線性回歸分析。應用SPSS22.0對站臺PM2.5和PM10的源以及站臺和室外PM2.5的關系進行相關性分析,結果如圖5和表2所示。圖5相關系數(shù)R2=0.995大于0接近1,說明站臺PM2.5和PM10有極強的正相關性,即隨著PM2.5濃度的增大,PM10的濃度也會增大。由此可知,站臺顆粒物有著相同的產生源。

圖4　站臺PM2.5和PM10測試位置布置圖Fig.4　Testing position of PM2.5 and PM10concentration in platform

表2中,由于R2只涉及了變差并未考慮自由度的影響,在樣本容量一定的情況下,增加X的個數(shù)必定會增加待估參數(shù),從而損失自由度。因此要對R2進行進一步修正,使回歸方程擬合更為準確。修正后的相關系數(shù)R2范圍為0.742～0.990,均接近1,說明不管站臺系統(tǒng)形式,站臺PM2.5與室外站臺PM2.5有著極強的相關性,站臺顆粒物極有可能源于室外街道。Aarnio等人[1]對地鐵站臺的監(jiān)測測試結果也表明,地鐵站臺顆粒物主要源于室外街道交通產生的顆粒物,此結果與相關性分析結果一致。

三個方程的顯著性結果分別為0.002、0.001、0.000 1,均小于0.005,說明回歸方程顯著性好,準確性較高。朱辛莊站(地上高架系統(tǒng))的相關系數(shù)R2是0.990,大于東大橋站(全高安全門系統(tǒng))(R2=0.742)和安華橋站(屏蔽門系統(tǒng))(R2=0.842),說明地上高架站臺更易受到室外環(huán)境的影響,此分析結果與本文的數(shù)據(jù)測試結果一致。

圖5　站臺PM2.5和PM10相關性回歸曲線Fig.5　Linear regression fitting curve of PM2.5 and PM10 concentration in platform

站臺回歸方程R2修正后R2顯著性東大橋站(全高安全門)Y=0．622X+91．0930．7740．7420．002安華橋站(屏蔽門)Y=0．600X+42．4440．8640．8420．001朱辛莊站(地上高架)Y=0．563X+14．0630．9910．9900．0001

3　結　論

1) 在冬季室外空氣嚴重污染時,全高安全門系統(tǒng)PM2.5濃度范圍為94～415 μg/m3,均超過國家標準,屏蔽門系統(tǒng)PM2.5濃度范圍為42～395 μg/m3,最小值并未超過標準。全高安全門系統(tǒng)濃度值整體高于屏蔽門系統(tǒng),因此加裝屏蔽門可減少站臺顆粒物濃度,提高站臺空氣品質。

2) 站臺顆粒物濃度會隨著室外環(huán)境的變化而變化,當室外大氣中的PM2.5濃度上升時,站臺內的濃度也會上升;當室外濃度下降時,站臺內濃度也會下降。當室外嚴重污染時,站外顆粒物濃度高于地鐵站內;而當室外空氣質量為優(yōu)時,地鐵站內濃度值反而高于室外。

3) 不同地鐵環(huán)控系統(tǒng)站臺來車前后顆粒物濃度變化不同。全高安全門、屏蔽門、地上高架系統(tǒng)PM2.5的增長百分比依次為29%、22%、0%;PM10增長百分比依次為33%、28%、9%,即全高安全門系統(tǒng)>屏蔽門系統(tǒng)>地上高架系統(tǒng)。

4) 當列車到站開門時,全高安全門系統(tǒng)站臺PM2.5濃度會達到一個峰值,這可能與全高安全門系統(tǒng)站臺更易受到隧道產生的顆粒物影響有關;而屏蔽門系統(tǒng)站臺并無此變化規(guī)律。

5) 相關性分析表明,站臺PM2.5和PM10有著強相關性(R2=0.995),說明站臺PM2.5和PM10有著共同的來源。不同環(huán)控系統(tǒng)站臺站內的PM2.5濃度和室外PM2.5濃度也有著強相關性。其中地上高架系統(tǒng)的相關系數(shù)最大(R2=0.990),說明地上高架系統(tǒng)更易受室外環(huán)境影響,與實測數(shù)據(jù)結果一致。

綜上所述,本文通過對北京地鐵站顆粒物濃度的實測分析發(fā)現(xiàn),地鐵站內顆粒物污染情況不容樂觀,這一情況應引起人們重視。同時,通過采取有效的措施來減少顆粒物對站臺環(huán)境的污染,如改變通風方式、加裝屏蔽門等。因此本文的研究對今后地鐵站顆粒物污染分布研究奠定了理論基礎,對地鐵站顆粒物污染防控具有現(xiàn)實意義。

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