北京地铁站台PM2.5实测及分析

2020-05-13程根银刘一帆贺仰琪

华北科技学院学报 2020年1期

程根银，刘一帆，潘嵩，贺仰琪

(1. 华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 065201；2. 北京工业大学建筑工程学院，北京 100124)

0 引言

随着绿色交通和可持续发展需求的增长，地铁行业得到快速发展。地铁系统已成为公共交通的重要组成部分。以我国首都北京为例，根据中国城市轨道交通协会发布的《2018年中国城市轨道交通年度统计分析报告》，截至2018年底，北京地铁线路长度为617 km，共计20条线路。平均车速37.7 km/h,客运人数达到384162.9万人次。地铁站作为大型半开放公共地下建筑，具有人员流动性大、空气流通性差的特点。随着地铁的普及，地铁站内的空气品质也越发受到公众的关注。

在2014年程刚、臧建彬等[1]对北京、上海、广州三座城市地铁线路的不同区域进行了实测。发现PM2.5在站台、站厅及车厢各处分布规律不同，且其分布规律还受到天气因素的影响。樊莉等[2]通过对北京地铁的PM2.5实测，发现车站内的PM2.5分布受列车进出站的活塞风影响较大。赵敬德等[3]对上海和南京地铁站进行PM2.5实测分析，发现不同环控系统的站内PM2.5浓度值不同。王新如等[4]在对北京地铁站内颗粒物实测后发现，站内乘客数量及站内温度、湿度对于PM2.5浓度的影响小于受室外环境变化的影响。

国内外学者通过实测地铁站内的PM2.5浓度值发现，会影响PM2.5浓度的因素，可分为四种：外部因素，内部因素，人为因素和运营因素[5]。外部因素包括季节，外部天气(包括温湿度、季节性因素等)，户外交通。内部因素包括地铁深度，站内结构，制动系统，通风系统等。人为因素是客流量及测量时间。列车频率和活塞效应由列车引起被看作是运营因素。运营因素又包括服务时间，列车频率和活塞效应等影响因素。以上各个因素的变动均可能对站内PM2.5的浓度产生影响，影响过程并非为单个因素的直接作用，为更好分析影响较大因素。本文从站台现有PM2.5来源出发，实测相连区域PM2.5浓度值，根据不同工况下，相连区域实测值的变化，分析站台PM2.5浓度值的影响因素。

除了影响PM2.5浓度外，各个影响因素还同样影响着浓度的分布。鉴于站台是乘客滞留时间最长的地方，本文对站台及其直接连通区域的PM2.5浓度分布及影响因素进行分析，寻找作用于站台PM2.5浓度值的因素，为更好的了解站台PM2.5分布，改善地铁站内的空气品质提供参考依据。

1 实测方案

本次实测主要选取北京地铁非换乘站北工大西门站、安华桥站、永安里站、十里堡站，以及双换乘站十里河站10号线站台进行数据采集工作。其中，永安里站位于地铁1号线，1号线全线采用半高安全门；安华桥站位于地铁8号线，地铁8号线采用屏蔽门系统隔绝隧道与站台；十里堡站位于6号线上，站台与隧道间采用全高安全门隔开，这与10号线十里河站台的屏蔽系统相同。

将站台直接连通的区域分为两部分，一部分是通过屏蔽门进行分隔的隧道区域，另一部分是站台连通外界必经的站厅部分。鉴于屏蔽门的隔绝作用，隧道区域的实测数据可用屏蔽门前的实测数据进行替代。站厅处较为空旷，PM2.5不易累积。站厅在站内外气体流动上只起到连通的作用，站厅处进入空气可进一步简化为地铁站出口处室外空气。实测数据采集位置包括站台中央、屏蔽门处、车站进出站口处。

将屏蔽门前与室外进出站口处简化看作站台的直接连接区域，站台PM2.5的浓度受到直接连接区域的影响。屏蔽门处的PM2.5浓度值反应了经过屏蔽作用后的隧道值，不同屏蔽门的屏蔽效果不同，屏蔽门类型成为重要影响因素。实测不同类型屏蔽门对站台的影响是本文实测分析内容之一。进出站口处的PM2.5值是离地铁最近的室外值，室外大气是连通的整体，实测室外PM2.5在不同等级时，分析站台PM2.5的浓度分布及变化。除了受到相邻区域的空气流动影响外，站台处PM2.5浓度现有值还可能和其原始积累值有关，通过实测连续日期的站台，对站台积累情况进行分析。

实测使用美国TSI8532可吸入颗粒粉尘分析仪，该仪器性能参数表如表1所示。该仪器采用光散射原理，通过更换测试头，实现测试PM10、PM4、PM2.5或PM1颗粒物浓度，操作前先进行调零，减小零点漂移,零点稳定度可持续24h。该仪器通过VGA彩色触摸屏，可分别显示PM10、PM2.5、PM1气溶胶浓度。用户可设置采样时间间隔，间隔范围在1 s～1 h。仪器可储存60000个数据点。

表1 性能参数表

2 实测数据及分析

2.1 室外PM2.5浓度影响

参考中国空气质量在线监测分析平台数据，将室外PM2.5浓度进行分类，选取室外不同工况进行实测，实测工况表2如下。

鉴于非换乘站的地铁站构造简单，客流量少，为保证实测PM2.5值受到的干扰因素少，数据波动幅度小，在室外空气品质分别为优、良、轻度污染时，选取非换乘站安华桥站实测结果，分析室外空气品质对于站台内PM2.5浓度值的影响。实测安华桥站站台与车站出入口处室外PM2.5浓度数据如图1所示。

表2 实测工况表

图1 安华桥站实测数据图

从图中可看出室外PM2.5浓度值并非持续高于站内，当室外空气品质较好时(空气质量类别为优、良)，站台内的PM2.5浓度高于室外，站内的空气品质较差。但当室外的空气品质达到污染级别时，站内的PM2.5浓度值低于室外，并会随着室外浓度升高。

北京地铁网纵横交错的，双换乘站也渐渐普遍，在分析站台PM2.5浓度相关问题上，非换乘站的实测虽然可以减少实测结果的波动情况，但并不具有普适性。当室外PM2.5污染严重时，偶然的干扰因素不能影响实测结果的真实性。在分析室外污染等级在中度污染以上时，选取双换乘站十里河站10号线站台作为实测站台，数据采集结果如下图2所示。

图2 十里河站实测数据图

结合图1、图2，随着室外PM.5污染浓度的持续升高，站台内PM2.5 浓度值也在提升，站台内PM2.5浓度值始终低于室外浓度值，说明地铁站对室外PM2.5 具有一定屏蔽作用，当室外污染较为严重时，站内空气品质相对优于室外。比较中度污染、重度污染和严重污染下的站台PM2.5浓度值，可看出地铁站虽然具有屏蔽作用，但在室外PM2.5浓度较高时，站内空气仍会受到较大影响，甚至随室外PM2.5污染状况，达到严重污染等级。地铁作为半开放建筑，空气具有连通性，站台的屏蔽作用只是相对的，并不能达到绝对的阻隔。

2.2 隧道PM2.5浓度影响

在地铁站台与列车运行隧道之间，屏蔽门起到隔档作用。铁轨处PM2.5通过屏蔽门隔挡后，部分进入乘客候车站台。不同类型的屏蔽门屏蔽效果具有差异，站台受到隧道处PM2.5的影响也不尽相同，目前主要使用的屏蔽门有全高安全门、半高安全门、屏蔽门三类。分析站台受到隧道处PM2.5的影响，可看作在不同类型的屏蔽门屏蔽作用发生后，分析站台内PM2.5的浓度及分布变化。

实测选取具有不同类型屏蔽门的永安里站(半高安全门)、安华桥站(屏蔽门)、十里堡站(全高安全门)，在下午2点到5点(地铁客流平峰时段)进行实测。站台是否受到隧道PM2.5的影响，转化为站台是否受到距离隧道最近的屏蔽门前的PM2.5的影响，同时采集站台处PM2.5浓度值和屏蔽门前PM2.5浓度值，并对各个站屏蔽门前数据与站台数据进行相关性分析，得到下表3。

表3 站台与屏蔽门相关性分析

采用SPSS对同步采集的站台与屏蔽门处数据进行Pearson相关性分析，相关性系数越接近1，则说明相关性越大，双尾显著性证明相关性的可信度较高。结合表格可以看出站台处PM2.5浓度值与屏蔽门处浓度值具有明显相关性。

站台受到不同类型屏蔽门的影响，作用效果反映在站台PM2.5值的变化规律上。站台PM2.5值又与屏蔽门处同步数值具有相关性。结合上节内容，为避免室外环境不同对分析结果造成干扰，在室外PM2.5浓度值相同时，连续采集不同类型的屏蔽门前PM2.5浓度值，如图3所示，分析不同类型屏蔽门的站台PM2.5浓度值变化。

图3 屏蔽门实测数据图

从图3中看出三个车站的波动频率具有一定差异但都存在峰值点。从列车进站到车厢门打开，

屏蔽门前的PM2.5浓度值急速加大，峰值最高点处为列车停止时，地铁进站刹车过程，铁轨与车轮间摩擦产生PM2.5。当列车再次启动，屏蔽门前PM2.5浓度值减小，当列车驶出站台边缘，屏蔽门前PM2.5浓度值平稳上升，达到站台处浓度值相近后，随站台数值变化进行波动。

列车进出站，屏蔽门前PM2.5值周期性的波动，不同的波动频率与列车进站频率有关。对比图3中三条折线，在室外PM2.5浓度相同(99 μg/m3)时，十里堡站的站台PM2.5浓度多数时间高于100 μg/m3,说明十里堡处原有站台PM2.5浓度高于100 μg/m3；永安里站在100 μg/m3左右浮动，说明永安里站实测实时浓度与站外浓度差异较小；安华桥浓度则一直低于室外浓度，并且波动幅度较小。对比三条折线波动幅度，波动幅度最大为十里堡站数据线，在列车进站后，由于活塞风效应，站台内的细颗粒物被新进的风量所稀释，PM2.5浓度进行降低。安华桥站与永安里站站台与其室外PM2.5浓度值差异不大，数据线波动不大。安华桥站选用屏蔽门，可看出安装屏蔽门可将隧道对站台的影响降到最低。

2.3 站台PM2.5浓度积累值影响

通过以上两节论述，地铁站台处PM2.5的来源因素为室外来源和隧道产生，统计实测结果，选取部分代表性数据归纳为下表4。

表4 实测结果统计表

表格中的数据显示，在室外环境较好时，站台内的PM2.5浓度值高于室外，说明站台的浓度值受到隧道处PM2.5影响；在室外空气品质较差时，站台PM2.5浓度值也随着室外浓度值提升。表4中第8、10、11三组数据中，存在隧道浓度、室外浓度均低于站台浓度的情况，这说明实测时站台PM2.5浓度值不光来自于同时刻的室外带入以及隧道产生，还可能存在站台原有前期的积累量。将实测前一天的站台PM2.5浓度值作为站内原有值，对实测当天数据与前一天实测数据进行相关性分析，相关性系数为0.031,远小于1，说明不具有明显相关性。