地下空間空氣質(zhì)量及外環(huán)境因素影響分析研究

邱澤正 龐麗萍 楊晨媛

（1.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所 武漢 430064；2.北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院 北京 100191）

0 引言

地面空間運(yùn)行的地鐵作為人們?nèi)粘３鲂袝r(shí)，最常用的一種交通工具，在緩解地面交通壓力方面，扮演了重要角色。乘客每天要在地鐵中花費(fèi)0.3-3小時(shí)，但是地鐵內(nèi)部環(huán)境相對(duì)封閉，通風(fēng)不暢，容易污染物聚集[1]。這些污染性氣體對(duì)人體都會(huì)產(chǎn)生一定的損害。因此，了解地鐵站內(nèi)部的空氣質(zhì)量變得非常有必要。

查詢大量參考文獻(xiàn)，對(duì)于地鐵內(nèi)部空氣質(zhì)量的研究比較片面，對(duì)于地鐵內(nèi)部整體環(huán)境的評(píng)估也較少。并且只是針對(duì)地鐵中的氣體環(huán)境進(jìn)行了單一的評(píng)價(jià)[2,3]。王剛等[4]通過(guò)評(píng)估地鐵車廂內(nèi)的CO2和顆粒物濃度，分析了乘客密度對(duì)于地鐵空氣質(zhì)量的影響。左甜甜[5]雖然評(píng)估的污染物參較多（CO 濃度、CO2濃度、甲醛濃度、TVOC 濃度、顆粒物濃度、氡濃度），但是對(duì)于地鐵內(nèi)部的空氣質(zhì)量沒(méi)有進(jìn)行整體概括分析。

而我們本次測(cè)試，不僅測(cè)試6 個(gè)地鐵站臺(tái)內(nèi)部了8 種氣體，而且對(duì)于地鐵內(nèi)部整體空氣質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)。相比較以往的研究，本文更加全面的描述地鐵內(nèi)部環(huán)境。

1 方法

1.1 測(cè)試站點(diǎn)基本信息

本次研究從2019.5.30 至2019.6.21 的夏季開(kāi)始進(jìn)行。對(duì)6 個(gè)地鐵站臺(tái)內(nèi)的8 種氣體（PM10、PM2.5、NH3、CH2O、CO、NO2、SO2、TVOCs）進(jìn)行陸續(xù)的實(shí)際測(cè)試。氣體環(huán)境因素的測(cè)試周期為早8:00 至晚22:00，每隔兩分鐘測(cè)量一次。列車頻率以及人流量是由地鐵公司提供得來(lái)的，每30min 測(cè)試一次。

每個(gè)地鐵站的測(cè)試地點(diǎn)都在在站臺(tái)中間，距離地面1.2 米。測(cè)試站點(diǎn)具體信息如表1所示，其中2019.6.15 為周六、2019.6.16 為周日，其余時(shí)間為工作日。由于大多數(shù)公司周六也要工作，因此周六為半工作日。在夏季，地鐵站內(nèi)部的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)。六個(gè)地鐵站內(nèi)部的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)皆采用“一次回風(fēng)系統(tǒng)”，即1/2 回風(fēng)與1/2 新風(fēng)混合后，進(jìn)入地鐵內(nèi)部。

表1 測(cè)試站點(diǎn)基本信息Table 1 Essential information of subway

自動(dòng)記錄了各自站臺(tái)的客流量數(shù)據(jù)和列車頻率（每隔半小時(shí)統(tǒng)計(jì)一次）。并從http://beijingair.sinaapp.com/獲得各站點(diǎn)的室外氣體環(huán)境（PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO）。

1.2 測(cè)試設(shè)備和精度

本次研究使用CPR-KA 空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)器對(duì)全屏蔽地鐵站臺(tái)內(nèi)氣體環(huán)境進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，測(cè)量?jī)x器設(shè)備的具體特點(diǎn)以及環(huán)境參數(shù)的測(cè)量范圍和精度如表2所示。

表2 各環(huán)境參數(shù)的測(cè)量范圍及精度Table 2 Measuring range and accuracy of each environmental parameter

1.3 分析方法

本項(xiàng)研究依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[6-9]，給定各氣體的最大濃度允許值，如表3所示。

表3 各環(huán)境參數(shù)期間的最大允許濃度Table 3 Maximum allowable concentration of environmental parameters

除此之外，本文采用SPSS Statistics 23.0 軟件（IBM,United States）分析了PM2.5、PM10、SO2、NO2和CO 濃度與客流量、室外氣體、列車頻率等的相關(guān)性，所有統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)均使用0.05 置信度。

2 結(jié)果和討論

2.1 地下空間質(zhì)量測(cè)試分析

由圖1可得：

圖1 地鐵列車頻率和客流量Fig.1 Frequency and passenger flow of subway trains

（1）S1-S4 地鐵站的列車頻率和客流量隨時(shí)間都有一定的變化。在測(cè)試時(shí)間段內(nèi)，列車頻率和客流量的高峰都在8:00-9:00 和18:00-19:00。四個(gè)地鐵站的列車頻率和客流量各不相同。

（2）S5 與S6 站臺(tái)客流量和列車頻率高峰在8:00-9:00 和18:00-19:00。S5-2 與S6-2 客流量想接近。S5 與S6 站臺(tái)的列車頻率在工作日和周六日相同，且工作日列車頻率高于周六日。

在本次現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究中，一共測(cè)試了六個(gè)車站，每個(gè)車站測(cè)試了8 種氣體（PM10、PM2.5、NH3、CH2O、CO、NO2、SO2、TVOCs），為了解每種氣體的來(lái)源及影響因素，S1-S4 站為工作日，圖2為在工作日期間不同站臺(tái)之間的氣體對(duì)比圖；S5-1、S6-2 為工作日，S5-1 為周六，S6-2 為周日，圖3為在工作日與周六周日站臺(tái)氣體濃度對(duì)比圖。

圖2 工作日期間S1、S2、S3 和S4 地鐵站臺(tái)地鐵環(huán)境參數(shù)（PM10、PM2.5、NH3、CH2O、CO、NO2、SO2、TVOCs）Fig.2 Environmental parameters(PM10、PM2.5、NH3、CH2O、CO、NO2、SO2、TVOCs)of subway platforms S1,S2,S3 and S4 during weekdays

圖3 在工作日、周六日期間S5 和S6 地鐵站臺(tái)環(huán)境參數(shù)（PM10、PM2.5、02、NH3、CH2O、CO、CO2、NO2、SO2、TVOCs）Fig.3 Environmental parameters(PM10、PM2.5、02、NH3、CH2O、CO、CO2、NO2、SO2、TVOCs)of S5 and S6 subway platform during weekdays and weekends

從圖2、圖3可得出如下結(jié)論：

（1）由于地鐵內(nèi)部有衛(wèi)生間，導(dǎo)致地鐵內(nèi)有一定的NH3影響乘客身體健康。圖2（a）、圖3（a）中測(cè)試的所有站臺(tái)的NH3濃度基本保持在17-18ppb 左右，在規(guī)定允許范圍內(nèi)[8]，且NH3濃度在時(shí)間和空間上都沒(méi)有變化。

（2）圖2（b）、圖3（b）中，S4（28-60ppb）的CH2O 濃度最高，低于規(guī)定[6]。圖3（b）中，同一車站，S6-2（工作日）高于S6-1（周日）的CH2O濃度，CH2O 受客流量的影響；S5-2 與S6-2 的客流量相同，而CH2O 濃度不同，可能是由于通風(fēng)條件不同造成的[10]。

（3）圖2（c）、圖3（c）中S3（103-111ppb）、S4（100-112ppb）的TVOCs 濃度最高，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)[8]?？土髁扛?，TVOCs 濃度高，說(shuō)明地鐵站內(nèi)的TVOCs 與空氣流通相關(guān)[11]。

（4）圖2（d）、圖3（d）中，S2（2.8-10.8ppb）、S3（2.6-15.2ppb）站臺(tái)的NO2濃度最高，在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)[8]。圖3（d），客流量高的站臺(tái)NO2濃度略高于客流量低的站臺(tái)；圖3（d），同一站臺(tái)，工作日時(shí)期NO2濃度高于周六日時(shí)期。

（5）圖2（e）、圖3（e）中，S4（1.6-4.4ppb）站臺(tái)的SO2濃度波動(dòng)范圍最大，濃度最高，低于規(guī)定值[8]。圖3（e），客流量高的站臺(tái)SO2濃度高于客流量低的站臺(tái)；圖3（e），在列車頻率高峰時(shí)刻，工作日與周六日的SO2濃度相差較大，其余時(shí)刻列車頻率相同時(shí)，SO2濃度變化不大。說(shuō)明人員流動(dòng)和列車頻率對(duì)SO2濃度有一定的影響。

（6）圖2（f）、圖3（f）中，S4（44-63ppb）的CO 濃度最高，在規(guī)定值范圍內(nèi)[6-8]。圖3（g），客流量高的站臺(tái)CO 濃度高于客流量低的站臺(tái)；圖3（f），工作日與周日的CO 濃度差比工作日與周六CO 濃度差大。說(shuō)明CO 受客流量的影響。S5-2與S6-2 客流量相近、列車頻率相差較大時(shí)，CO濃度相差較大，可能受列車頻率的影響。

（7）由圖2（g）（h）、圖3（g）（h）中，S4站臺(tái)在所測(cè)試站臺(tái)中PM10（0.046-0.15mg/m）、PM2.5（0.038-0.12mg/m）最高，在規(guī)定值范圍內(nèi)[6,7,9]。圖3（g）（h）中，同一站臺(tái)，客流量高時(shí)，PMX濃度高。人員的流動(dòng)導(dǎo)致顆粒物的再懸浮，并且客流量大的同時(shí)，導(dǎo)致空氣流通不佳，從而導(dǎo)致污染性氣體不能及時(shí)排出。S5-2 與S6-2 客流相同，但列車頻率相差較大，其PMX濃度相差較大，因此，人員流動(dòng)與列車運(yùn)行都會(huì)影響PMX的濃度[12]。

2.2 大氣環(huán)境對(duì)地下空間空氣質(zhì)量影響分析

地鐵是一個(gè)封閉的空間環(huán)境，除了內(nèi)部產(chǎn)生的污染物外，還有外部進(jìn)入地鐵內(nèi)部的污染物。為了解地鐵站臺(tái)氣體污染物與室外氣體污染的聯(lián)系，我們主要選擇了工作日時(shí)期的四個(gè)站臺(tái)（S1-S4）進(jìn)行分析。對(duì)室內(nèi)外五種氣體進(jìn)行平均濃度和標(biāo)準(zhǔn)差分析，并計(jì)算了室內(nèi)外氣體濃度比值，如圖4所示。

圖4 S1、S2、S3 和S4 站臺(tái)室內(nèi)外氣體平均濃度和標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比（PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO）Fig.4 Comparison of mean indoor and outdoor parameters and standard deviations on platforms S1,S2,S3 and S4(PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO)

從圖4，可得出如下結(jié)論：

（1）圖4（a）（b）中，我們可以得到，PM2.5室內(nèi)外比I/O 為0.25-2.45，PM10室內(nèi)外比I/O 為0.11-1.53。因此表明除了室外進(jìn)入地鐵內(nèi)部的顆粒物外，由于鐵路的摩擦和車輪的制動(dòng)系統(tǒng)，地鐵內(nèi)部也會(huì)產(chǎn)生一定的PMx[13]。在四個(gè)地鐵站中，S2的PM2.5、PM10室內(nèi)外濃度比最大。由表1可知，S2 為半屏蔽站，當(dāng)列車駛?cè)胲囌?，大量顆粒物也會(huì)隨之進(jìn)入站臺(tái)，導(dǎo)致其地鐵內(nèi)部顆粒物濃度明顯高于室外[14]。

（2）圖4（c）中，SO2的室內(nèi)外I/O 為0.5-3.21，整體來(lái)說(shuō)，室內(nèi)SO2濃度高于室外。這與其他研究一致，夏季室內(nèi)高于室外，冬季則相反。可能是因?yàn)橄募臼覂?nèi)外溫度較高，汽車尾氣和工業(yè)排氣大量排到空氣中，擴(kuò)散較快。同時(shí)，夏季地鐵空調(diào)通風(fēng)機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)，通風(fēng)機(jī)中沒(méi)有SO2過(guò)濾設(shè)施，因此導(dǎo)致室外SO2涌入地鐵含量較多，室內(nèi)SO2與室外SO2濃度以及空氣流通速度有關(guān)[15]。

（3）地鐵內(nèi)部NO2主要通過(guò)通風(fēng)系統(tǒng)、手扶梯等來(lái)自室外。圖4（d）顯示六個(gè)車站中，室外NO2濃度明顯高于室內(nèi)，室內(nèi)外比I/O 為0.27-0.55。

（4）地鐵內(nèi)部CO 也主要來(lái)源于大氣環(huán)境。圖4（e）顯示室內(nèi)外CO 濃度有數(shù)量級(jí)上的差異，其室內(nèi)外比I/O 為0.07-0.1。

2.3 主要污染物室內(nèi)外濃度相關(guān)性分析

由表4可知，PM2.5濃度與列車頻率（r=0.337，p<0.01）、客流量（r=0.378，p<0.01）和室外氣體（r=0.532，p<0.01）有顯著相關(guān)性，受室外氣體影響大于列車頻率和客流量。PM10濃度受到客流量，室外氣體濃度和列車頻率的影響。PM10濃度與室外氣體相關(guān)性（r=0.220，p<0.05）低于客流量（r=0.390，p<0.01）和列車頻率（r=0.385，p<0.01）相關(guān)性。顆粒物濃度與客流量有關(guān)，這可能是因?yàn)槿藛T的走動(dòng)會(huì)導(dǎo)致顆粒物漂浮在空氣中，并且人員密度大，通風(fēng)不暢，空氣中的總體污染含量增加。并且，鐵路的摩擦和車輪的制動(dòng)系統(tǒng)，導(dǎo)致地鐵內(nèi)部也會(huì)產(chǎn)生一定顆粒物。除此之外，由于通風(fēng)系統(tǒng)以及地鐵口的影響，導(dǎo)致室外的顆粒物進(jìn)入地鐵站臺(tái)內(nèi)部。SO2濃度受到室外氣體影響，但相關(guān)性（r=0.152）較弱。SO2濃度與客流量（r=0.334，p<0.01）和列車頻率（r=0.526，p<0.01）相關(guān)性顯著，其中受列車頻率影響大于客流量。NO2與客流量（r=-0.029）和列車頻率（r=-0.147）負(fù)相關(guān)性較弱，與室外氣體（r=0.537，p<0.01）的相關(guān)性顯著，主要受室外氣體的影響。CO 濃度與列車頻率（r=0.0.320，p<0.01）、客流量（r=0.348，p<0.01）和室外氣體（r=0.584，p<0.01）有顯著相關(guān)性，受室外氣體影響大于列車頻率和客流量。NO2和CO均來(lái)自于室外環(huán)境，主要受室外影響較大。SO2和CO 受列車頻率以及客流量的影響，主要是因?yàn)?，通風(fēng)量一定的情況下，人流量大，導(dǎo)致空氣流通不暢，因此污染物含量增加。

表4 PM2.5、PM10、SO2、NO2 和CO 濃度的相關(guān)性系數(shù)分析Table 4 Correlation coefficient analysis of PM2.5,PM10,SO2,NO2 and CO concentrations

3 結(jié)論

本文對(duì)地下空間運(yùn)行的地鐵六個(gè)站臺(tái)的8 種氣體進(jìn)行了測(cè)試，分析了PM10、PM2.5、CO、NO2和SO2的室內(nèi)外氣體平均濃度，并用SPSS 軟件分析了PM2.5、PM10、SO2、NO2和CO 濃度與客流量、室外氣體、列車頻率等的相關(guān)性。主要結(jié)論如下：

（1）所測(cè)試的六個(gè)站臺(tái)的8 種氣體（PM10、PM2.5、NH3、CH2O、CO、NO2、SO2、TVOCs）均在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定允許的范圍內(nèi)。北京夏季地鐵站臺(tái)內(nèi)部空氣質(zhì)量環(huán)境較好。

（2）發(fā)現(xiàn)地下空間地鐵主要污染物濃度受室外環(huán)境的影響較大。除此之外，受列車頻率和客流量的影響也比較大。因此，可以在客流量大時(shí)，通過(guò)增加通風(fēng)量的進(jìn)行空氣質(zhì)量的改善。