北京地鐵站臺PM2.5實(shí)測及分析

程根銀，劉一帆，潘 嵩，賀仰琪

(1. 華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201；2. 北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，北京 100124)

0 引言

隨著綠色交通和可持續(xù)發(fā)展需求的增長，地鐵行業(yè)得到快速發(fā)展。地鐵系統(tǒng)已成為公共交通的重要組成部分。以我國首都北京為例，根據(jù)中國城市軌道交通協(xié)會發(fā)布的《2018年中國城市軌道交通年度統(tǒng)計(jì)分析報(bào)告》，截至2018年底，北京地鐵線路長度為617 km，共計(jì)20條線路。平均車速37.7 km/h,客運(yùn)人數(shù)達(dá)到384162.9萬人次。地鐵站作為大型半開放公共地下建筑，具有人員流動性大、空氣流通性差的特點(diǎn)。隨著地鐵的普及，地鐵站內(nèi)的空氣品質(zhì)也越發(fā)受到公眾的關(guān)注。

在2014年程剛、臧建彬等[1]對北京、上海、廣州三座城市地鐵線路的不同區(qū)域進(jìn)行了實(shí)測。發(fā)現(xiàn)PM2.5在站臺、站廳及車廂各處分布規(guī)律不同，且其分布規(guī)律還受到天氣因素的影響。樊莉等[2]通過對北京地鐵的PM2.5實(shí)測，發(fā)現(xiàn)車站內(nèi)的PM2.5分布受列車進(jìn)出站的活塞風(fēng)影響較大。趙敬德等[3]對上海和南京地鐵站進(jìn)行PM2.5實(shí)測分析，發(fā)現(xiàn)不同環(huán)控系統(tǒng)的站內(nèi)PM2.5濃度值不同。王新如等[4]在對北京地鐵站內(nèi)顆粒物實(shí)測后發(fā)現(xiàn)，站內(nèi)乘客數(shù)量及站內(nèi)溫度、濕度對于PM2.5濃度的影響小于受室外環(huán)境變化的影響。

國內(nèi)外學(xué)者通過實(shí)測地鐵站內(nèi)的PM2.5濃度值發(fā)現(xiàn)，會影響PM2.5濃度的因素，可分為四種：外部因素，內(nèi)部因素，人為因素和運(yùn)營因素[5]。外部因素包括季節(jié)，外部天氣(包括溫濕度、季節(jié)性因素等)，戶外交通。內(nèi)部因素包括地鐵深度，站內(nèi)結(jié)構(gòu)，制動系統(tǒng)，通風(fēng)系統(tǒng)等。人為因素是客流量及測量時間。列車頻率和活塞效應(yīng)由列車引起被看作是運(yùn)營因素。運(yùn)營因素又包括服務(wù)時間，列車頻率和活塞效應(yīng)等影響因素。以上各個因素的變動均可能對站內(nèi)PM2.5的濃度產(chǎn)生影響，影響過程并非為單個因素的直接作用，為更好分析影響較大因素。本文從站臺現(xiàn)有PM2.5來源出發(fā)，實(shí)測相連區(qū)域PM2.5濃度值，根據(jù)不同工況下，相連區(qū)域?qū)崪y值的變化，分析站臺PM2.5濃度值的影響因素。

除了影響PM2.5濃度外，各個影響因素還同樣影響著濃度的分布。鑒于站臺是乘客滯留時間最長的地方，本文對站臺及其直接連通區(qū)域的PM2.5濃度分布及影響因素進(jìn)行分析，尋找作用于站臺PM2.5濃度值的因素，為更好的了解站臺PM2.5分布，改善地鐵站內(nèi)的空氣品質(zhì)提供參考依據(jù)。

1 實(shí)測方案

本次實(shí)測主要選取北京地鐵非換乘站北工大西門站、安華橋站、永安里站、十里堡站，以及雙換乘站十里河站10號線站臺進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。其中，永安里站位于地鐵1號線，1號線全線采用半高安全門；安華橋站位于地鐵8號線，地鐵8號線采用屏蔽門系統(tǒng)隔絕隧道與站臺；十里堡站位于6號線上，站臺與隧道間采用全高安全門隔開，這與10號線十里河站臺的屏蔽系統(tǒng)相同。

將站臺直接連通的區(qū)域分為兩部分，一部分是通過屏蔽門進(jìn)行分隔的隧道區(qū)域，另一部分是站臺連通外界必經(jīng)的站廳部分。鑒于屏蔽門的隔絕作用，隧道區(qū)域的實(shí)測數(shù)據(jù)可用屏蔽門前的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行替代。站廳處較為空曠，PM2.5不易累積。站廳在站內(nèi)外氣體流動上只起到連通的作用，站廳處進(jìn)入空氣可進(jìn)一步簡化為地鐵站出口處室外空氣。實(shí)測數(shù)據(jù)采集位置包括站臺中央、屏蔽門處、車站進(jìn)出站口處。

將屏蔽門前與室外進(jìn)出站口處簡化看作站臺的直接連接區(qū)域，站臺PM2.5的濃度受到直接連接區(qū)域的影響。屏蔽門處的PM2.5濃度值反應(yīng)了經(jīng)過屏蔽作用后的隧道值，不同屏蔽門的屏蔽效果不同，屏蔽門類型成為重要影響因素。實(shí)測不同類型屏蔽門對站臺的影響是本文實(shí)測分析內(nèi)容之一。進(jìn)出站口處的PM2.5值是離地鐵最近的室外值，室外大氣是連通的整體，實(shí)測室外PM2.5在不同等級時，分析站臺PM2.5的濃度分布及變化。除了受到相鄰區(qū)域的空氣流動影響外，站臺處PM2.5濃度現(xiàn)有值還可能和其原始積累值有關(guān)，通過實(shí)測連續(xù)日期的站臺，對站臺積累情況進(jìn)行分析。

實(shí)測使用美國TSI8532可吸入顆粒粉塵分析儀，該儀器性能參數(shù)表如表1所示。該儀器采用光散射原理，通過更換測試頭，實(shí)現(xiàn)測試PM10、PM4、PM2.5或PM1顆粒物濃度，操作前先進(jìn)行調(diào)零，減小零點(diǎn)漂移,零點(diǎn)穩(wěn)定度可持續(xù)24h。該儀器通過VGA彩色觸摸屏，可分別顯示PM10、PM2.5、PM1氣溶膠濃度。用戶可設(shè)置采樣時間間隔，間隔范圍在1 s～1 h。儀器可儲存60000個數(shù)據(jù)點(diǎn)。

表1 性能參數(shù)表

2 實(shí)測數(shù)據(jù)及分析

2.1 室外PM2.5濃度影響

參考中國空氣質(zhì)量在線監(jiān)測分析平臺數(shù)據(jù)，將室外PM2.5濃度進(jìn)行分類，選取室外不同工況進(jìn)行實(shí)測，實(shí)測工況表2如下。

鑒于非換乘站的地鐵站構(gòu)造簡單，客流量少，為保證實(shí)測PM2.5值受到的干擾因素少，數(shù)據(jù)波動幅度小，在室外空氣品質(zhì)分別為優(yōu)、良、輕度污染時，選取非換乘站安華橋站實(shí)測結(jié)果，分析室外空氣品質(zhì)對于站臺內(nèi)PM2.5濃度值的影響。實(shí)測安華橋站站臺與車站出入口處室外PM2.5濃度數(shù)據(jù)如圖1所示。

表2 實(shí)測工況表

圖1 安華橋站實(shí)測數(shù)據(jù)圖

從圖中可看出室外PM2.5濃度值并非持續(xù)高于站內(nèi)，當(dāng)室外空氣品質(zhì)較好時(空氣質(zhì)量類別為優(yōu)、良)，站臺內(nèi)的PM2.5濃度高于室外，站內(nèi)的空氣品質(zhì)較差。但當(dāng)室外的空氣品質(zhì)達(dá)到污染級別時，站內(nèi)的PM2.5濃度值低于室外，并會隨著室外濃度升高。

北京地鐵網(wǎng)縱橫交錯的，雙換乘站也漸漸普遍，在分析站臺PM2.5濃度相關(guān)問題上，非換乘站的實(shí)測雖然可以減少實(shí)測結(jié)果的波動情況，但并不具有普適性。當(dāng)室外PM2.5污染嚴(yán)重時，偶然的干擾因素不能影響實(shí)測結(jié)果的真實(shí)性。在分析室外污染等級在中度污染以上時，選取雙換乘站十里河站10號線站臺作為實(shí)測站臺，數(shù)據(jù)采集結(jié)果如下圖2所示。

圖2 十里河站實(shí)測數(shù)據(jù)圖

結(jié)合圖1、圖2，隨著室外PM.5污染濃度的持續(xù)升高，站臺內(nèi)PM2.5 濃度值也在提升，站臺內(nèi)PM2.5濃度值始終低于室外濃度值，說明地鐵站對室外PM2.5 具有一定屏蔽作用，當(dāng)室外污染較為嚴(yán)重時，站內(nèi)空氣品質(zhì)相對優(yōu)于室外。比較中度污染、重度污染和嚴(yán)重污染下的站臺PM2.5濃度值，可看出地鐵站雖然具有屏蔽作用，但在室外PM2.5濃度較高時，站內(nèi)空氣仍會受到較大影響，甚至隨室外PM2.5污染狀況，達(dá)到嚴(yán)重污染等級。地鐵作為半開放建筑，空氣具有連通性，站臺的屏蔽作用只是相對的，并不能達(dá)到絕對的阻隔。

2.2 隧道PM2.5濃度影響

在地鐵站臺與列車運(yùn)行隧道之間，屏蔽門起到隔檔作用。鐵軌處PM2.5通過屏蔽門隔擋后，部分進(jìn)入乘客候車站臺。不同類型的屏蔽門屏蔽效果具有差異，站臺受到隧道處PM2.5的影響也不盡相同，目前主要使用的屏蔽門有全高安全門、半高安全門、屏蔽門三類。分析站臺受到隧道處PM2.5的影響，可看作在不同類型的屏蔽門屏蔽作用發(fā)生后，分析站臺內(nèi)PM2.5的濃度及分布變化。

實(shí)測選取具有不同類型屏蔽門的永安里站(半高安全門)、安華橋站(屏蔽門)、十里堡站(全高安全門)，在下午2點(diǎn)到5點(diǎn)(地鐵客流平峰時段)進(jìn)行實(shí)測。站臺是否受到隧道PM2.5的影響，轉(zhuǎn)化為站臺是否受到距離隧道最近的屏蔽門前的PM2.5的影響，同時采集站臺處PM2.5濃度值和屏蔽門前PM2.5濃度值，并對各個站屏蔽門前數(shù)據(jù)與站臺數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，得到下表3。

表3 站臺與屏蔽門相關(guān)性分析

采用SPSS對同步采集的站臺與屏蔽門處數(shù)據(jù)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，相關(guān)性系數(shù)越接近1，則說明相關(guān)性越大，雙尾顯著性證明相關(guān)性的可信度較高。結(jié)合表格可以看出站臺處PM2.5濃度值與屏蔽門處濃度值具有明顯相關(guān)性。

站臺受到不同類型屏蔽門的影響，作用效果反映在站臺PM2.5值的變化規(guī)律上。站臺PM2.5值又與屏蔽門處同步數(shù)值具有相關(guān)性。結(jié)合上節(jié)內(nèi)容，為避免室外環(huán)境不同對分析結(jié)果造成干擾，在室外PM2.5濃度值相同時，連續(xù)采集不同類型的屏蔽門前PM2.5濃度值，如圖3所示，分析不同類型屏蔽門的站臺PM2.5濃度值變化。

圖3 屏蔽門實(shí)測數(shù)據(jù)圖

從圖3中看出三個車站的波動頻率具有一定差異但都存在峰值點(diǎn)。從列車進(jìn)站到車廂門打開，

屏蔽門前的PM2.5濃度值急速加大，峰值最高點(diǎn)處為列車停止時，地鐵進(jìn)站剎車過程，鐵軌與車輪間摩擦產(chǎn)生PM2.5。當(dāng)列車再次啟動，屏蔽門前PM2.5濃度值減小，當(dāng)列車駛出站臺邊緣，屏蔽門前PM2.5濃度值平穩(wěn)上升，達(dá)到站臺處濃度值相近后，隨站臺數(shù)值變化進(jìn)行波動。

列車進(jìn)出站，屏蔽門前PM2.5值周期性的波動，不同的波動頻率與列車進(jìn)站頻率有關(guān)。對比圖3中三條折線，在室外PM2.5濃度相同(99 μg/m3)時，十里堡站的站臺PM2.5濃度多數(shù)時間高于100 μg/m3,說明十里堡處原有站臺PM2.5濃度高于100 μg/m3；永安里站在100 μg/m3左右浮動，說明永安里站實(shí)測實(shí)時濃度與站外濃度差異較??；安華橋濃度則一直低于室外濃度，并且波動幅度較小。對比三條折線波動幅度，波動幅度最大為十里堡站數(shù)據(jù)線，在列車進(jìn)站后，由于活塞風(fēng)效應(yīng)，站臺內(nèi)的細(xì)顆粒物被新進(jìn)的風(fēng)量所稀釋，PM2.5濃度進(jìn)行降低。安華橋站與永安里站站臺與其室外PM2.5濃度值差異不大，數(shù)據(jù)線波動不大。安華橋站選用屏蔽門，可看出安裝屏蔽門可將隧道對站臺的影響降到最低。

2.3 站臺PM2.5濃度積累值影響

通過以上兩節(jié)論述，地鐵站臺處PM2.5的來源因素為室外來源和隧道產(chǎn)生，統(tǒng)計(jì)實(shí)測結(jié)果，選取部分代表性數(shù)據(jù)歸納為下表4。

表4 實(shí)測結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

表格中的數(shù)據(jù)顯示，在室外環(huán)境較好時，站臺內(nèi)的PM2.5濃度值高于室外，說明站臺的濃度值受到隧道處PM2.5影響；在室外空氣品質(zhì)較差時，站臺PM2.5濃度值也隨著室外濃度值提升。表4中第8、10、11三組數(shù)據(jù)中，存在隧道濃度、室外濃度均低于站臺濃度的情況，這說明實(shí)測時站臺PM2.5濃度值不光來自于同時刻的室外帶入以及隧道產(chǎn)生，還可能存在站臺原有前期的積累量。將實(shí)測前一天的站臺PM2.5濃度值作為站內(nèi)原有值，對實(shí)測當(dāng)天數(shù)據(jù)與前一天實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，相關(guān)性系數(shù)為0.031,遠(yuǎn)小于1，說明不具有明顯相關(guān)性。

表5 實(shí)測連續(xù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

續(xù)表

觀察數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表5，當(dāng)室外環(huán)境連續(xù)兩天PM2.5濃度值變化較大，站臺濃度存在大變動，室外PM2.5濃度的變動作為干擾因素影響了站臺是否存在積累值的判斷，因此選取連續(xù)兩天室外環(huán)境變動不大的情況，重新進(jìn)行相關(guān)性分析，分析表格如下表6。

表6 站臺連續(xù)數(shù)據(jù)相關(guān)性分析表

當(dāng)室外PM2.5連續(xù)兩天處在不同污染等級時，站臺連續(xù)兩天PM2.5濃度值不具有相關(guān)性；當(dāng)室外PM2.5連續(xù)兩天處在相同污染等級時，站臺連續(xù)兩天的數(shù)據(jù)具有相關(guān)性，說明站臺濃度值受到實(shí)測當(dāng)天室外PM2.5值的影響大于受到站臺積累量的影響。

3 結(jié)論

(1) 通過對北京地鐵站站臺及其直接相連區(qū)域的PM2.5濃度實(shí)測，發(fā)現(xiàn)對影響PM2.5濃度的直接影響源為隧道處產(chǎn)生PM2.5和室外PM2.5。

(2) 站臺PM2.5濃度分布受室外環(huán)境影響。當(dāng)室外PM2.5濃度低時，站臺內(nèi)的PM2.5濃度值高于室外；當(dāng)室外空氣中PM2.5含量達(dá)到污染時，站內(nèi)的PM2.5濃度含量低于站外，并隨著站外值的升高而增長。

(3) 隧道處產(chǎn)生的PM2.5，經(jīng)過不同類型屏蔽門的屏蔽作用，對站臺處PM2.5值產(chǎn)生不同的影響。屏蔽效果最好的隔離門是屏蔽門。

(4) 地鐵站臺PM2.5存在累積量，站臺濃度值受到實(shí)測當(dāng)天室外PM2.5值的影響大于受到站臺積累量的影響。