龐雪瑩 王立鑫 王丹丹 江雨薇 張舟同 李宇航

（北京建筑大學(xué)供熱、供燃?xì)狻⑼L(fēng)及空調(diào)工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100044,北京∥第一作者，碩士研究生）

地鐵車廂相對(duì)封閉且人員密集，車廂內(nèi)空氣污染較重。有研究表明，地鐵車廂內(nèi)顆粒物濃度顯著高于地面輕軌、地面和地下站臺(tái)［1-4］。北京市地鐵車廂內(nèi)污染嚴(yán)重［5-6］，乘坐地鐵的PM2.5個(gè)體暴露水平高于乘公交車及步行［7］。車廂內(nèi)空氣品質(zhì)的優(yōu)劣對(duì)人體的健康影響至關(guān)重要，因此本研究選取北京市7條地鐵線路，分別在夏、冬兩季工作日和非工作日的早、中、晚測(cè)試車廂內(nèi)的空氣質(zhì)量，分析地鐵車廂內(nèi)空氣品質(zhì)特征，為制定有關(guān)地鐵車廂內(nèi)空氣品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和改善地鐵車廂內(nèi)空氣環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)。

1 對(duì)象與方法

1.1 對(duì)象

本研究選取北京市地鐵 1、2、4、5、7、9 和 10 號(hào)線作為測(cè)試對(duì)象。這幾條線路分別始建于1971年、1984年、2009年、2007年、2014年、2012年和 2008年。2014年7月（夏季）、2015年1月（冬季）和2016年1月（冬季），分別對(duì)這些線路的早晚高峰時(shí)段和中午平峰時(shí)段以及工作日和周末，共進(jìn)行了32個(gè)車次的測(cè)試，其中包括夏季8個(gè)車次和冬季24個(gè)車次。具體測(cè)試內(nèi)容如表1所示。

表1 不同時(shí)間不同線路的測(cè)試內(nèi)容

1.2 測(cè)試要求

測(cè)試時(shí)，實(shí)時(shí)記錄途經(jīng)站點(diǎn)車廂內(nèi)人流量。CO2濃度測(cè)試儀器為HCZY-1型環(huán)境測(cè)量自記儀，該儀器CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)量范圍：0～0.5%，測(cè)量精度：±0.007 5%；溫度測(cè)量范圍：-40～100℃；相對(duì)濕度測(cè)量范圍：0～100%。顆粒物監(jiān)測(cè)儀器采用便攜式儀器QT50空氣質(zhì)量檢測(cè)器，該儀器溫度測(cè)量范圍：-20～60℃，相對(duì)濕度測(cè)量范圍：0～90%，PM2.5和PM10質(zhì)量濃度測(cè)量范圍：0～990 μg/m3。室外 24 h環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)和顆粒物濃度通過(guò)北京市環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)獲取。

1.3 數(shù)據(jù)分析

通過(guò)SPSS19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行Shapiro-Wilk檢驗(yàn)，判斷數(shù)據(jù)是正態(tài)分布，若P＞0.05，則對(duì)數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)采用非參數(shù)檢驗(yàn)。組間差異檢驗(yàn)采用Wilcoxon檢驗(yàn)（兩配對(duì)樣本）和Kruskal-Wails檢驗(yàn)（大于兩組的獨(dú)立樣本）。使用Pearson（線性相關(guān)）和Spearman（非線性相關(guān)）進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)。數(shù)據(jù)分析只針對(duì)地下站點(diǎn)進(jìn)行。

2 測(cè)試結(jié)果與討論

各項(xiàng)測(cè)試項(xiàng)目的參考標(biāo)準(zhǔn)值及其超標(biāo)率見(jiàn)表2、表3。由表可知，地鐵車廂內(nèi)各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)［8-10］均有不同程度的超標(biāo)。夏季和冬季的溫度超標(biāo)率分別為23.8%～28.0%和29.0%～82.7%；夏季相對(duì)濕度均滿足標(biāo)準(zhǔn)，冬季超標(biāo)率為17.9%～64.8%；CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超標(biāo)率為9.5%～47.4%；PM2.5的質(zhì)量濃度超標(biāo)率為59.2%；PM10的質(zhì)量濃度超標(biāo)率為39.9%～57.2%。Li等［7-8］對(duì)北京市公共交通工具車廂內(nèi)微環(huán)境的研究結(jié)果表明，其CO2濃度超標(biāo)率為37%，PM10濃度超標(biāo)率在30%以上，污染較為嚴(yán)重，與本研究中CO2和PM10濃度超標(biāo)結(jié)果相近。

表2 各測(cè)試項(xiàng)目的參考標(biāo)準(zhǔn)值

表3 各測(cè)試項(xiàng)目的超標(biāo)率

2.1 溫度、相對(duì)濕度和CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

車廂內(nèi)空氣質(zhì)量參數(shù)均值、范圍及正態(tài)性檢驗(yàn)如表4所示，Shapiro-Wilk檢驗(yàn)結(jié)果P＞0.05，數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布。對(duì)2014年夏季、2015年冬季4號(hào)線進(jìn)行兩配對(duì)樣本組間差異的Wilcoxon檢驗(yàn)，其他線路進(jìn)行獨(dú)立樣本Kruskal-Wails檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果表明溫度和相對(duì)濕度在線路間存在顯著性差異（P＜0.05），CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不存在顯著性差異（P＞0.05）。溫度和相對(duì)濕度存在季節(jié)性差異，CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)未見(jiàn)季節(jié)性差異。原因是地鐵車廂內(nèi)人是CO2的來(lái)源，CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與人員數(shù)量及活動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。2016年冬季1、2和4號(hào)線溫度和相對(duì)濕度較2015年冬季有明顯改善，Wilcoxon配對(duì)檢驗(yàn)差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。

對(duì)2015年冬季各站參數(shù)與客流量進(jìn)行Spearman相關(guān)性分析，結(jié)果表明地鐵車廂內(nèi)溫度和CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均與客運(yùn)量顯著正相關(guān)（P=0.00，P=0.02）；1、2和4號(hào)線相對(duì)濕度與客運(yùn)量存在顯著正相關(guān)關(guān)系（P=0.01，P=0.01，P=0.00）。這是因?yàn)檐噹麅?nèi)人員可呼出CO2，同時(shí)也是熱源和濕源，而且人呼出氣體的水蒸氣含量高于吸入氣體的水蒸氣含量，由此導(dǎo)致車廂內(nèi)人員較多時(shí)，溫度、相對(duì)濕度和CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均升高。

表4 各線路測(cè)試結(jié)果均值

2.2 PM2.5及PM10的質(zhì)量濃度

2.2.1 污染水平

不同線路地鐵車廂內(nèi)各時(shí)間段內(nèi)的PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度分布如圖1所示。工作日10號(hào)線早高峰和中午平峰PM2.5的質(zhì)量濃度均值最高，分別為 343.9 μg/m3和 184.7 μg/m3，1 號(hào)線晚高峰PM2.5的質(zhì)量濃度均值最高為189.6 μg/m3；周末1號(hào)線所有測(cè)試時(shí)間段內(nèi)PM2.5的質(zhì)量濃度明顯高于其余線路。工作日10號(hào)線早高峰PM10的質(zhì)量濃度均值最高為767.5 μg/m3，1號(hào)線中午平峰和晚高峰的質(zhì)量濃度最高，分別為296.5 μg/m3和343.9 μg/m3；周末1號(hào)線所有時(shí)段PM10的質(zhì)量濃度均高于其余線路。1號(hào)線污染水平明顯高于其他線路，可能與1號(hào)線始建時(shí)間最早，并全程采用敞開(kāi)式屏蔽門系統(tǒng)有關(guān)。

對(duì)4條線路各時(shí)段進(jìn)行Shapiro-Wilk檢驗(yàn)，結(jié)果除10號(hào)線周末早間，其他線路各時(shí)段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均不服從正態(tài)分布；組間差異采用Kruskal-Wails檢驗(yàn)，不同線路不同時(shí)間段具有顯著性差異（P＜0.05）。

圖1 各線路PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度分布

除2號(hào)線周末PM10的質(zhì)量濃度均值為148 μg/m3，10號(hào)線周末PM2.5的質(zhì)量濃度均值為74 μg/m3以外，其余線路的所有時(shí)段PM10和PM2.5的質(zhì)量濃度均值均超出標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果如圖2所示，4條地鐵線路車廂內(nèi)PM10和PM2.5的質(zhì)量濃度呈顯著正相關(guān)（P=0.00），PM10和PM2.5的質(zhì)量濃度兩者具有同源性。

圖2 PM2.5與PM10的質(zhì)量濃度相關(guān)性

2.2.2 室外空氣質(zhì)量和客運(yùn)量的影響

對(duì)1月14日和1月16日的室外空氣質(zhì)量進(jìn)行分析比較，各時(shí)段監(jiān)測(cè)均值如圖3所示。由圖3可知，1月14日早、中、晚3個(gè)時(shí)段與1月16日同時(shí)段具有顯著性差異（P=0.00，P=0.00，P=0.00）。除1月14日早高峰車廂內(nèi)平均客運(yùn)量為203人次/節(jié)，是1月16日早間平均客流量61人次/節(jié)的3倍以上之外，其余時(shí)間人均客流量相差不大。顯然室外空氣質(zhì)量差，顆粒物質(zhì)量濃度較高，會(huì)在一定程度上影響車廂內(nèi)顆粒物濃度。

圖3 室外空氣污染等級(jí)對(duì)車廂內(nèi)顆粒物污染的影響（1月14日與16日比較）

地鐵是一個(gè)相對(duì)封閉的環(huán)境，人流作為地鐵內(nèi)部與外界進(jìn)行物質(zhì)交流的重要方式，對(duì)地鐵內(nèi)顆粒物質(zhì)量濃度有很大影響。室外空氣質(zhì)量等級(jí)相同的兩天，PM2.5的質(zhì)量濃度受客運(yùn)量影響較大，分析結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，工作日客流量顯著高于周末，PM2.5的質(zhì)量濃度也顯著高于周末；PM10具有同樣趨勢(shì)。對(duì)不同時(shí)間段PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度進(jìn)行非參數(shù)Wilcoxon檢驗(yàn)，1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)和10號(hào)線工作日早高峰PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度均高于中午平峰，2號(hào)、4號(hào)和10號(hào)線的差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）；工作日早間PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度明顯高于周末早間的質(zhì)量濃度，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.01）。由此可見(jiàn)，客運(yùn)量對(duì)車廂內(nèi)的顆粒物濃度有較大影響。

2.3 與國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果的比較

本研究結(jié)果與國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究結(jié)果的比較見(jiàn)表5。與國(guó)內(nèi)外同類型研究相比，北京市地鐵車廂內(nèi)CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)濃度和顆粒物的質(zhì)量濃度更高，表明車廂內(nèi)空氣質(zhì)量較差。原因包括以下幾個(gè)方面：首先，北京市地鐵客運(yùn)量較高，人既是車廂內(nèi)CO2來(lái)源，也是顆粒物來(lái)源之一；其次，室外空氣污染也可對(duì)地鐵車廂內(nèi)的空氣質(zhì)量產(chǎn)生一定影響；第三，地鐵隧道內(nèi)由于金屬摩擦而產(chǎn)生的顆粒物同樣也是車廂內(nèi)顆粒物來(lái)源［11］；最后，本研究顆粒物的測(cè)試在冬季進(jìn)行，可能導(dǎo)致車廂內(nèi)顆粒物的質(zhì)量濃度較高，因?yàn)橛醒芯勘砻鳎罔F中PM10的質(zhì)量濃度在1月份高于其他月份［12］。

圖4 10號(hào)線工作日與周末PM2.5的質(zhì)量濃度與車廂客運(yùn)量的關(guān)系

表5 不同城市和地區(qū)地鐵車廂內(nèi)空氣品質(zhì)指標(biāo)比較

綜上所述，由于地鐵車廂相對(duì)封閉，多種因素影響車廂內(nèi)空氣品質(zhì)，因此應(yīng)該采取措施改善地鐵車廂內(nèi)的空氣質(zhì)量。一方面應(yīng)該加緊制定適用于地鐵空間的空氣品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)［19］，另一方面通過(guò)改善車載和地鐵空間通風(fēng)空調(diào)性能［20］，并根據(jù)客流量對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以改善地鐵車廂內(nèi)空氣品質(zhì)。

3 結(jié)論

（1）與其他相關(guān)研究相比，本研究更為系統(tǒng)和全面地對(duì)北京市地鐵車廂內(nèi)的空氣品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)車廂內(nèi)空氣品質(zhì)較差，夏季車廂內(nèi)空氣品質(zhì)優(yōu)于冬季。

（2）客流量是地鐵車廂內(nèi)空氣品質(zhì)的重要影響因素，且室外空氣污染會(huì)在一定程度上影響車廂內(nèi)顆粒物的濃度。

（3）不同地鐵線路車廂內(nèi)的空氣品質(zhì)有顯著性差異，地鐵建成與投入使用時(shí)間以及屏蔽門系統(tǒng)等因素會(huì)影響車廂內(nèi)空氣品質(zhì)。

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