不同地铁环控系统颗粒物污染分布实测研究

谷雅秀, 王姣姣, 谢静超, 刘加平, 潘　嵩, 王新如

(1.长安大学 建筑工程学院, 陕西 西安 710061; 2.长安大学 环境科学与工程学院, 陕西 西安 710054;3.北京工业大学 建筑工程学院, 北京 100022)

据中国空气质量在线监测分析平台统计,北京市2015年的雾霾天数高达179天,占全年的49%,造成雾霾天气的主要元凶是PM2.5(即空气动力学直径小于等于2.5 μm的颗粒物)。PM2.5的粒径较小,可直接通过呼吸系统进入支气管,甚至直达肺部,从而对人的身体健康产生极大的危害。目前,我国已对室外颗粒物浓度进行实时监测,为人们的日常出行提供预警。随着城市轨道交通技术的发展,地铁已成为重要的交通方式,但地铁处于半封闭的地下空间,其颗粒物污染情况也不容小视。文献[1]表明,韩国首尔地铁站台PM2.5浓度范围为77.7～158.2 μg/m3,远远高于美环署设置的PM2.5浓度评价标准。文献[2]表明,赫尔辛基地铁站内的PM2.5浓度是室外浓度的3～4倍,污染更为严重。文献[3]表明,米兰地铁站台PM10的浓度范围是105～283 μg/m3,而室外环境的PM10的平均浓度是36 μg/m3,站台浓度是室外浓度的3～8倍。除此之外,他们对颗粒物进行的元素分析表明;地铁颗粒物的化学组成多为重金属元素,如铁、铜、锌、钡等。文献[4-10]均对地铁颗粒物的化学元素进行了分析,结果表明地铁颗粒物含有众多金属元素,与室外颗粒物的元素组成不尽相同,其中铁元素的含量更是远远高于室外。因此地铁站内颗粒物的毒性更大,会对地铁乘客以及乘务人员身体健康产生更大的危害。

现今,我国的专家学者也已对地铁颗粒物进行了不少研究。文献[11]表明,西安地铁2号线的PM10并未超标,而PM2.5明显超标,超标率范围为29.5%～75.4%,细颗粒物是西安地铁的主要污染物。文献[12]调查了北京、广州、上海三地的地铁PM2.5浓度,发现大气环境中的PM2.5浓度是决定地铁站内浓度的主要因素,客流量对站内浓度并无显著影响。文献[13]对武汉地铁空气品质的调查表明,武汉地铁站台温湿度状况良好,CO的浓度较低,但是PM2.5、PM10超标严重,其中PM2.5超过国家标准5.5倍。然而这些研究都没有进行系统间的对比。本文根据环控系统的不同,分别对各地铁环控系统颗粒物浓度进行实测分析,归纳出各环控系统颗粒物污染分布规律。为今后地铁系统空气品质的改善提供帮助。

1　实验部分

1.1　实测地点及时间

本次测试选取了北京地铁6号线和8号线,其中地铁6号线全线为全高安全门系统,地铁8号线除朱辛庄站外均为屏蔽门系统,朱辛庄站则为地上高架式系统。全高安全门系统是指在地铁和隧道之间设置上不封顶的玻璃幕墙和屏蔽门,当列车驶入时,站台受到活塞风的极大影响。屏蔽门系统是指沿车站站台边缘设置可自动开启的全封闭屏蔽门,将车站与隧道分隔开来。该系统使车站与区间成为相对独立的区域,很少受到列车活塞风影响。地上高架系统则是地铁轨道与外界大气以及隧道相通,利用车站出入口及两端洞口与室外空气相通的条件,进行通风换气,站台受到室外环境的影响极大。室外PM2.5的测试位置位于6号线和8号线的交汇站(南锣鼓巷站)室外,在所测试的范围内各个位置的室外测点均位于主干路,因此空气质量基本一致,所以可以选择此室外点作为室外值代表。测试时期为2016年12月13日至2017年1月4日,测试时间段为每日的13:00—16:00,所有测试均在平峰期进行。

1.2　测试仪器

测试仪器是美国TSI公司生产的8532型手持式气溶胶测试仪,使用光散射法用来监测PM2.5和PM10。该仪器的测量范围是1～150 000 μg/m3,测试结果精准,精度为±0.1%,操作简单、便于携带,广泛应用于现场环境评估、职业卫生调查及室内空气质量研究等领域。本次测试设定的计数时间为1秒1计数。

1.3　评价标准与数据分析

1) 本文根据《地铁设计规范》GB50157—2013的有关规定,以国家标准《环境空气质量标准》GB3095—2012作为地铁站台颗粒物的评价标准,其中PM2.5的日平均浓度应小于75 μg/m3,PM10的日平均浓度应小于150 μg/m3。

2) 实测数据用SPSS(Statistical Package for Social Science,即社会科学统计软件)22.0进行分析。它提供先进成熟、操作简便的统计方法帮助用户进行科学研究和数据分析,广泛应用于经济管理、医学卫生、工程管理等专业。本文应用此软件对不同地铁环控系统站台的PM2.5和室外空气中的PM2.5的相关性以及地铁站台PM2.5和PM10的源进行分析。

3) 由于采取的仪器计数方式为1秒1计数,最后得到的数据量过大,因此本文采用的数据均为测试数据的平均值,通过对数据平均值的比较进行归纳分析。

2　结果与讨论

2.1　屏蔽门系统与安全门系统的比较

对地铁6号线和8号线进行同时测试,连续测试一周。每条线路各选取人流量相当的6个站点,对各个站点站台的PM2.5进行实时监测。采样垂直高度1.5 m,对每个站台的测试时长为10 min,之后对每条线路的所有测试站点取平均值,以此代表此条线路的最终值。测试的最终结果如图1所示。

图1　2016年北京地铁全高安全门系统与屏蔽门系统站台PM2.5浓度对比Fig.1　Comparison of PM2.5concentration between full-height exit system and platform screen door system in Beijing’s two subway lines in 2016

从图1可以看出,无论室外天气环境的好坏,全高安全门系统站台的PM2.5浓度都远远高于屏蔽门系统。其中,全高安全门系统PM2.5浓度的最大值是415 μg/m3,最小值94 μg/m3,均高于GB3095—2012规定的日平均值75 μg/m3。而屏蔽门系统PM2.5浓度的最高值是395 μg/m3,最小值为42 μg/m3,最小值并未超过国标。由于两条线路运营时长较为接近,选择测试的各站点站台的结构相同,对两条线路同时进行测试,并且在测试时发现平峰期时上、下列车的客流量基本一致(每个站点每5 min上、下列车的人数约为60人)。除此之外,所选择的两条线路的测试范围均位于主干路,所以本文排除这些干扰因素,主要分析由于环控系统的不同而造成测试结果差异的原因。6号线为全高安全门系统,站台环境深受列车活塞风的影响,隧道内积累的灰尘以及各种颗粒物会随着活塞风进入站台,积累在站台,从而使站台空气质量下降。而8号线为屏蔽门系统,隧道与站台隔离,几乎不受活塞风的影响,因此隧道内的颗粒物无法对站台进行污染,所以屏蔽门系统PM2.5的浓度值远低于全高安全门系统。因此加装屏蔽门可能对降低站台颗粒物浓度有所帮助。

图1中另一个显著的趋势是,无论哪种环控系统,当室外PM2.5浓度升高时,站台内的浓度也会升高;当室外PM2.5浓度下降时,站台内浓度也会下

降,站台颗粒物浓度深受室外大气环境的影响。而如图1中12月22日和23日结果所示,当室外空气质量为优时,地铁站台的浓度反而会高于室外,其原因是由于地铁站台属于地下半封闭结构,通风较差,当室外空气质量由严重污染转为优时,积累在地铁站内的颗粒物却无法及时消除。当室外PM2.5浓度较低的空气进入站内时会先流经站内空气过滤器,将过滤器中积累的颗粒物也一起带入站内,造成站内颗粒物浓度高于室外。这说明站台内PM2.5不仅来源室外也可能源于地铁内部。这一结果与文献[12]的发现一致。因此需要采取有效的措施减少站内颗粒物污染。

2.2　不同环控系统地铁站台来车前后颗粒物浓度变化

为了排除客流量、运营年限、站台结构等因素的影响,只研究环控系统对地铁站台颗粒物浓度的影响,对地铁6号线东大桥站(全高安全门系统)、8号线安华桥站(屏蔽门系统)、朱辛庄站(地上高架系统)站台来车前后PM2.5以及PM10的浓度进行测试。各站台的测点均距站台车门边缘0.5 m,垂直高度为1.5 m。列车驶入时(当车头在列车行驶方向上距离测试仪器30 m时),监测列车驶入时的站台PM2.5和PM10浓度,各记录30组数据;待列车驶离后,对稳定时数据进行测试,同样记录30组。最终对驶入时和驶离后的数据分别取平均值后进行比较。

从表1可以看出,全高安全门、屏蔽门、地上高架系统PM2.5的增长百分比依次为29%,22%,0%;PM10增长百分比依次为33%,28%,9%,增长百分比依次降低,即全高安全门系统>屏蔽门系统>地上高架系统。此结论与文献[14-15]中的结论一致。全高安全门系统与地铁隧道相通,来车时受到活塞风的影响,列车驶入时,隧道内的颗粒物随活塞风一起进入站台,因此站台颗粒物浓度迅速上升,产生剧烈的变化。而屏蔽门系统虽与隧道隔离,但是由于缝隙的存在,当列车驶入站台时,还是有小部分风会渗入站台从而使站台颗粒物浓度有所上升。然而由于渗入风量较小,因此变化率小于全高安全门系统。地上高架系统的站台和隧道均与室外相通,空气流动性好,颗粒物不易集聚,深受室外空气环境变化的影响,因此不仅颗粒物浓度较低并且列车驶入前后也无明显变化。所以,可以通过加装屏蔽门或者更多的修建地上高架式站台来改善地铁站台空气品质。

表1　各环控系统PM2.5和PM10变化率Tab.1　Concentration change rate of PM2.5 and PM10 in each loop control system

2.3　屏蔽门系统与安全门系统列车开门时站台浓度变化规律

南锣鼓巷站为6号线和8号线换乘站,其中6号线南锣鼓巷站台为全高安全门系统,8号线南锣鼓巷站台为屏蔽门系统,对这两个站台的PM2.5浓度进行连续测试。测点布置如图2所示,测试位置垂直方向距离站台车门边缘1 m,水平方向距列车车尾处隔离门20 m,竖直高度距离地面1.5 m。为保证列车至少进站5次,测试时长约为40 min,由于按秒计数,数据量过多,因此以每分钟为单位取均值进行分析比较。

图2　测点布置图Fig.2　Testing position in platform

图3显示的是在不同测试日对6号线和8号线南锣鼓巷地铁站台PM2.5浓度进行连续监测的结果。

图3　地铁6号线和8号线南锣鼓巷站台PM2.5浓度变化规律Fig.3　Changing regulation of PM2.5 concentration in line 6 and line 8 at Nanluoguxiang station

由于南锣鼓巷站台为平行式站台,因此两个站台的深度一样;并且其均为侧式站台,可以排除另一侧列车到站开门对站台PM2.5浓度的影响。所以,这两个站台只有环控系统的差异。图中的绿色和蓝色实心标记处均为列车驶入时车厢开门的时间点。从图3可以看出,对于6号线南锣鼓巷站台,每次开门乘客下车,站台PM2.5浓度都会有一个显著的升高,达到一个峰值,规律变化明显。对于8号线站台来说,列车到站开门人员上下车,站台浓度并无明显的变化规律,其值有大有小,规律不明显。

产生这样结果的原因在于6号线为全高安全门系统,随着列车进站开门,不光乘客上下车走动产生二次悬浮颗粒物对站台产生了污染,列车进站时的活塞风所带入隧道内的颗粒物也会对站台产生影响,因此在每一次开门时,站台都会出现一个峰值。而8号线为屏蔽门系统,只有人员上下车走动产生的二次悬浮颗粒物的影响,而二次悬浮颗粒物的影响甚微,因此并无明显的变化规律。

2.4　相关性分析

图4是8号线屏蔽门系统什刹海站台PM2.5和PM10测点位置布置图,4个测点距两侧车门距离相等,沿站台前后等距均匀分布,竖直高度为1.5 m。同时进行测试,测试后对4个测点的数值取均值代表此站台PM2.5和PM10的最终数值,然后进行线性回归分析。应用SPSS22.0对站台PM2.5和PM10的源以及站台和室外PM2.5的关系进行相关性分析,结果如图5和表2所示。图5相关系数R2=0.995大于0接近1,说明站台PM2.5和PM10有极强的正相关性,即随着PM2.5浓度的增大,PM10的浓度也会增大。由此可知,站台颗粒物有着相同的产生源。

图4　站台PM2.5和PM10测试位置布置图Fig.4　Testing position of PM2.5 and PM10concentration in platform

表2中,由于R2只涉及了变差并未考虑自由度的影响,在样本容量一定的情况下,增加X的个数必定会增加待估参数,从而损失自由度。因此要对R2进行进一步修正,使回归方程拟合更为准确。修正后的相关系数R2范围为0.742～0.990,均接近1,说明不管站台系统形式,站台PM2.5与室外站台PM2.5有着极强的相关性,站台颗粒物极有可能源于室外街道。Aarnio等人[1]对地铁站台的监测测试结果也表明,地铁站台颗粒物主要源于室外街道交通产生的颗粒物,此结果与相关性分析结果一致。

三个方程的显著性结果分别为0.002、0.001、0.000 1,均小于0.005,说明回归方程显著性好,准确性较高。朱辛庄站(地上高架系统)的相关系数R2是0.990,大于东大桥站(全高安全门系统)(R2=0.742)和安华桥站(屏蔽门系统)(R2=0.842),说明地上高架站台更易受到室外环境的影响,此分析结果与本文的数据测试结果一致。

图5　站台PM2.5和PM10相关性回归曲线Fig.5　Linear regression fitting curve of PM2.5 and PM10 concentration in platform

站台回归方程R2修正后R2显著性东大桥站(全高安全门)Y=0．622X+91．0930．7740．7420．002安华桥站(屏蔽门)Y=0．600X+42．4440．8640．8420．001朱辛庄站(地上高架)Y=0．563X+14．0630．9910．9900．0001

3　结　论

1) 在冬季室外空气严重污染时,全高安全门系统PM2.5浓度范围为94～415 μg/m3,均超过国家标准,屏蔽门系统PM2.5浓度范围为42～395 μg/m3,最小值并未超过标准。全高安全门系统浓度值整体高于屏蔽门系统,因此加装屏蔽门可减少站台颗粒物浓度,提高站台空气品质。

2) 站台颗粒物浓度会随着室外环境的变化而变化,当室外大气中的PM2.5浓度上升时,站台内的浓度也会上升;当室外浓度下降时,站台内浓度也会下降。当室外严重污染时,站外颗粒物浓度高于地铁站内;而当室外空气质量为优时,地铁站内浓度值反而高于室外。

3) 不同地铁环控系统站台来车前后颗粒物浓度变化不同。全高安全门、屏蔽门、地上高架系统PM2.5的增长百分比依次为29%、22%、0%;PM10增长百分比依次为33%、28%、9%,即全高安全门系统>屏蔽门系统>地上高架系统。

4) 当列车到站开门时,全高安全门系统站台PM2.5浓度会达到一个峰值,这可能与全高安全门系统站台更易受到隧道产生的颗粒物影响有关;而屏蔽门系统站台并无此变化规律。

5) 相关性分析表明,站台PM2.5和PM10有着强相关性(R2=0.995),说明站台PM2.5和PM10有着共同的来源。不同环控系统站台站内的PM2.5浓度和室外PM2.5浓度也有着强相关性。其中地上高架系统的相关系数最大(R2=0.990),说明地上高架系统更易受室外环境影响,与实测数据结果一致。

综上所述,本文通过对北京地铁站颗粒物浓度的实测分析发现,地铁站内颗粒物污染情况不容乐观,这一情况应引起人们重视。同时,通过采取有效的措施来减少颗粒物对站台环境的污染,如改变通风方式、加装屏蔽门等。因此本文的研究对今后地铁站颗粒物污染分布研究奠定了理论基础,对地铁站颗粒物污染防控具有现实意义。

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