北方地鐵車廂內(nèi)細(xì)顆粒物濃度的實(shí)測研究

呂闖 裴斐 吳金順 常利 王野馳

摘 要：當(dāng)前地鐵內(nèi)細(xì)顆粒物對健康的影響日益受到公眾的重視。相較于其他位置，地鐵車廂相對封閉，乘客停留時(shí)間長，人群密度大且流動(dòng)性強(qiáng)，其中細(xì)顆粒物的濃度控制十分重要。要解決車廂細(xì)顆粒物的濃度控制問題，首先必須掌握地鐵車廂細(xì)顆粒物分布及變化規(guī)律。但目前這方面的研究很少，尤其缺乏與列車運(yùn)行特性相結(jié)合的研究。本文通過實(shí)地測試發(fā)現(xiàn)，室外環(huán)境為優(yōu)時(shí)，車廂內(nèi)細(xì)顆粒物濃度高于室外，室外嚴(yán)重污染時(shí)，車廂內(nèi)低于室外；其內(nèi)部不同位置濃度不同，但都呈現(xiàn)出周期性變化；不同線路車廂規(guī)律不同。本文的研究將為車廂內(nèi)細(xì)顆粒物濃度分布積累基本數(shù)據(jù)，明確其分布規(guī)律及擴(kuò)散特性，為地鐵車廂中細(xì)顆粒物的預(yù)測及控制提供理論依據(jù)和支撐。

關(guān)鍵詞：車廂；細(xì)顆粒物；空間分布；動(dòng)態(tài)變化

中圖分類號(hào)：X513 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）15-0007-02

0 引言

近年來，國內(nèi)霧霾天氣屢見不鮮，有些霧霾嚴(yán)重的城市竟出現(xiàn)霧霾天氣超過200天的記錄[1]，以細(xì)顆粒物為代表的大氣灰霾污染是我國當(dāng)前影響人民身體健康的最突出的環(huán)境問題之一。細(xì)顆粒物指空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于2.5微米的顆粒物，它能夠透過肺部肺泡直接進(jìn)入血液，由于其表面積大，大多數(shù)攜帶有毒有害物質(zhì)，對人體健康更具有危害性。流行病學(xué)研究表明，人體發(fā)病率以及死亡率與顆粒物的質(zhì)量濃度存在正相關(guān)性[2]，人體低濃度的長期暴露和高濃度的短期暴露都會(huì)產(chǎn)生不利的健康效應(yīng)[3]。目前，國內(nèi)對細(xì)顆粒物的研究主要集中在地面和一般公共場所，而地鐵作為近年迅速發(fā)展的交通工具，其內(nèi)部特別是車廂的空氣品質(zhì)正逐漸引起人們的關(guān)注。

地鐵是一個(gè)特殊的地下建筑，按照環(huán)控系統(tǒng)可分為三個(gè)區(qū)域：公共區(qū)、工作區(qū)、車廂。當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者對地鐵內(nèi)細(xì)顆粒物的研究主要集中在公共區(qū)，對其中的顆粒物的運(yùn)動(dòng)特性及分布規(guī)律進(jìn)行研究。然而，相關(guān)研究表明，乘客3/4的時(shí)間在列車上度過，在站廳和站臺(tái)等公共區(qū)停留的平均時(shí)間不會(huì)超過10min[4][5]，而在早晚高峰時(shí)間，車廂中人群密度大，人流密集，內(nèi)部空間極度擁擠，人體長期處于空氣不流通或流通不暢的環(huán)境內(nèi)，過高的細(xì)顆粒物濃度嚴(yán)重影響人們的身心健康。另一方面，地鐵內(nèi)細(xì)顆粒物部分來自隧道，由于地鐵列車在運(yùn)行和制動(dòng)過程中都存在鋼鐵的機(jī)械磨損，而鋼鐵中常含有大量的鐵元素和其它微量合金元素（如錳、鉻和鎳等），這就使得隧道中的細(xì)顆粒物富含大量金屬元素，這些金屬元素進(jìn)入車廂，對車廂內(nèi)乘客身體健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[6]。因此，現(xiàn)階段充分了解車廂空氣質(zhì)量，對地鐵車廂細(xì)顆粒物濃度分布進(jìn)行研究十分必要。綜合國內(nèi)外的研究得知，目前地鐵細(xì)顆粒物研究大多聚焦站臺(tái)、站廳，只針對車廂的很少。目前針對車廂的研究主要通過實(shí)測，研究方法基本與地鐵其他位置類似，研究內(nèi)容主要有車廂內(nèi)細(xì)顆粒物濃度分布、產(chǎn)生源及影響因素、控制策略等。通過分析發(fā)現(xiàn)，目前的研究缺乏大量實(shí)測數(shù)據(jù)，測試時(shí)未能體現(xiàn)細(xì)顆粒物隨列車運(yùn)行的動(dòng)態(tài)變化，本文在充分了解車廂內(nèi)部結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的前提下，使用適合車廂的測試手段和研究方法，明確車廂內(nèi)細(xì)顆粒物污染狀況，對地鐵車廂中細(xì)顆粒物的控制提供科學(xué)依據(jù)。

1 測試方案

1.1 測試地點(diǎn)及時(shí)間

本文選取北方地鐵典型線路車廂進(jìn)行實(shí)測及數(shù)據(jù)分析，選取的線路站臺(tái)形式為島式，站臺(tái)與隧道的連接形式包括屏蔽門、全高安全門、半高安全門。由于地鐵車廂為狹長空間，單一測點(diǎn)不足以反應(yīng)車廂內(nèi)細(xì)顆粒物情況，在車廂中車頭、中部、車尾處布置三個(gè)測點(diǎn)，同時(shí)測量站臺(tái)屏蔽門處及室外細(xì)顆粒物濃度，測點(diǎn)距地面1.5米。

測試時(shí)間主要安排在工作日（周一至周五）的平峰期期間，測試時(shí)段在下午的一點(diǎn)半至四點(diǎn)半左右，每個(gè)測點(diǎn)的時(shí)長為30到60分鐘。

1.2 測試儀器

測試所使用的顆粒物濃度測量儀主要為美國的TSI8532可吸入顆粒粉塵分析儀，該儀器用90°光散射的方法能夠?qū)崟r(shí)顯示PM10、PM4、PM2.5和PM1可吸入顆粒物濃度，它的量程為0.001-150mg/m3，精度為±0.1%，采樣時(shí)間間隔的設(shè)定范圍是1-60秒。

2 測試結(jié)果和分析

2.1 車廂細(xì)顆粒物空間分布

選取1號(hào)線（半高安全門）、8號(hào)線（屏蔽門）、14號(hào)線（全高安全門）車廂進(jìn)行測試，同時(shí)對比室外細(xì)顆粒物濃度，測試時(shí)室外濃度為1月10日5.6μg/m3（1#和14#）與37.2μg/m3（8#），3月13日280.88μg/m3，圖1、圖2為測試結(jié)果。

可以發(fā)現(xiàn)，對于單個(gè)車廂來說，室外細(xì)顆粒物濃度較低時(shí)，總體規(guī)律為細(xì)顆粒物濃度：車頭>車尾>室外；室外細(xì)顆粒物濃度較高時(shí)，車內(nèi)細(xì)顆粒物濃度小于室外。這一方面表明車廂相對封閉，內(nèi)部細(xì)顆粒物濃度較為穩(wěn)定，另一方面說明車站內(nèi)可能是有源的。

不同線路細(xì)顆粒物濃度對比表明，站臺(tái)安裝屏蔽門的線路，車廂中細(xì)顆粒物濃度較高，原因可能是屏蔽門很大程度上削弱了活塞風(fēng)作用，在室外環(huán)境較好時(shí)，隧道內(nèi)的細(xì)顆粒物不能通過活塞風(fēng)排除而長期積累。而1號(hào)線細(xì)顆粒物濃度較高可能是由于其運(yùn)行時(shí)間較長，細(xì)顆粒物在隧道中長期積累所致。

2.2 車廂PM2.5濃度動(dòng)態(tài)變化

選取車廂內(nèi)同一位置的測點(diǎn)，對不同線路車廂運(yùn)行過程中細(xì)顆粒物濃度變化情況進(jìn)行對比，測試時(shí)間30到60分鐘不等，測試時(shí)室外濃度為5.6μg/m3，結(jié)果如圖3所示。

從圖3（a）可以看出，室外空氣質(zhì)量為優(yōu)的情況下，車廂內(nèi)細(xì)顆粒物濃度普遍較高，1號(hào)線、8號(hào)線、14號(hào)線該位置測點(diǎn)細(xì)顆粒物濃度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為96.73±48.16μg/m3、110.76±8.53μg/m3、36.61±6.33μg/m3，不同線路車廂細(xì)顆粒物平均濃度較高，但均高于同時(shí)期室外細(xì)顆粒物濃度。

觀察發(fā)現(xiàn)，車廂內(nèi)部細(xì)顆粒物濃度變化規(guī)律與站臺(tái)門類型有一定關(guān)系，14號(hào)線與8號(hào)線車廂細(xì)顆粒物濃度的標(biāo)準(zhǔn)差分別為6.33μg/m3與8.53μg/m3，表明屏蔽門系統(tǒng)和全高安全門系統(tǒng)線路的車廂內(nèi)部細(xì)顆粒物濃度較為穩(wěn)定，而1號(hào)線（半高安全門）車廂內(nèi)部細(xì)顆粒物濃度變化較大。原因可能是屏蔽門的屏蔽作用使得隧道內(nèi)部環(huán)境更加穩(wěn)定，活塞風(fēng)的周期性運(yùn)動(dòng)使得隧道內(nèi)濃度較為平均。

圖3（b）表現(xiàn)了不同線路車廂細(xì)顆粒物濃度局部變化情況，可以發(fā)現(xiàn)，列車運(yùn)行時(shí)內(nèi)部細(xì)顆粒物濃度呈現(xiàn)周期性波動(dòng)，波動(dòng)時(shí)間與列車運(yùn)行狀態(tài)對應(yīng)：列車加速時(shí)，濃度上升；列車到站后，濃度小幅下降。而不同線路波動(dòng)情況不同，波動(dòng)幅度：安全門系統(tǒng)>屏蔽門系統(tǒng)，波動(dòng)周期：1號(hào)線>8號(hào)線>14號(hào)線，即有屏蔽門的車站車廂內(nèi)濃度較為穩(wěn)定。

3 結(jié)語

本文對北方某城市地鐵車廂細(xì)顆粒物濃度進(jìn)行了實(shí)測研究，測試選取了該城市包括屏蔽門、全高安全門、半高安全門線路的列車，測試內(nèi)容包括列車內(nèi)不同位置測點(diǎn)細(xì)顆粒物濃度，同時(shí)期室外及站臺(tái)濃度，通過對相關(guān)數(shù)據(jù)的整理分析得出以下結(jié)論：

（1）室外空氣質(zhì)量為優(yōu)時(shí)，車廂內(nèi)部細(xì)顆粒物濃度分布規(guī)律為：車頭>車尾>室外，室外嚴(yán)重污染時(shí)，車廂內(nèi)部細(xì)顆粒物濃度小于室外。不同線路細(xì)顆粒物濃度不同，濃度分布規(guī)律為：屏蔽門線路>非屏蔽門線路。

（2）車廂內(nèi)部細(xì)顆粒物濃度變化規(guī)律與站臺(tái)門類型有一定關(guān)系，屏蔽門系統(tǒng)和全高安全門系統(tǒng)線路的車廂內(nèi)部細(xì)顆粒物濃度較為穩(wěn)定，而半高安全門線路車廂內(nèi)部細(xì)顆顆粒物濃度變化較大。

（3）車廂內(nèi)細(xì)顆粒物濃度隨列車進(jìn)站出站呈現(xiàn)周期性波動(dòng)，不同線路波動(dòng)情況不同，總體規(guī)律為：波動(dòng)幅度：安全門系統(tǒng)>屏蔽門系統(tǒng)，波動(dòng)周期：1號(hào)線>8號(hào)線>14號(hào)線，即有屏蔽門的車站車廂內(nèi)濃度較為穩(wěn)定。

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