劉 璐,譚志海,蘇冠儒,李冬雪

(西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

黑碳(Black carbon， BC) 來(lái)自含碳物質(zhì)(主要是石油、煤、木炭、樹木、柴草、塑料垃圾、動(dòng)物糞便等)的不完全燃燒( 包括生物質(zhì)燃燒、機(jī)動(dòng)車尾氣排放和烹調(diào)等)，BC為多孔結(jié)構(gòu)并且具有較高的表面積以及豐富的官能團(tuán)，該結(jié)構(gòu)的特性使其容易吸附有害物質(zhì)，且其粒徑分布范圍小(0.1 ～ 1 μm)極易進(jìn)入人體并長(zhǎng)期停留在呼吸道中，從而引發(fā)多種疾病，目前，國(guó)內(nèi)對(duì)黑碳?xì)馊苣z的研究已取得一定的進(jìn)展.

但相較于國(guó)外，我國(guó)對(duì)黑碳的個(gè)體暴露評(píng)估研究較為缺乏.另外，我國(guó)對(duì)于黑碳與人類健康風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估的研究大多基于黑碳的室內(nèi)外定點(diǎn)監(jiān)測(cè)水平[1-5]，雖然這種監(jiān)測(cè)方法具有低成本、便于長(zhǎng)期觀察等優(yōu)勢(shì)，但其很難表征污染物的真實(shí)暴露特征.經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，黑碳的個(gè)體暴露水平與室內(nèi)外定點(diǎn)監(jiān)測(cè)水平的相關(guān)性較弱，與個(gè)體所處的每個(gè)微環(huán)境中的黑碳濃度以及停留時(shí)間緊密相關(guān)[6].因此，在結(jié)合微型便攜監(jiān)測(cè)儀器優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，個(gè)體采樣被認(rèn)為是監(jiān)測(cè)個(gè)體暴露水平的最有力手段，對(duì)于識(shí)別污染來(lái)源并進(jìn)行有效控制具有重要意義.隨著我國(guó)道路交通建設(shè)的步伐加快，地鐵建設(shè)也日益發(fā)展，由于其便捷快速等優(yōu)勢(shì)，已成為西安等大中城市人們出行的首選工具.由于地鐵屬于半封閉的建筑結(jié)構(gòu)，通風(fēng)不足，人群密集、污染源較多使得其空氣質(zhì)量較差[7-11].但目前，國(guó)內(nèi)對(duì)地鐵這類半封閉環(huán)境內(nèi)個(gè)體人群黑碳暴露特征的研究鮮有報(bào)道.本文通過(guò)在西安市地鐵3號(hào)線通化門地鐵站連續(xù)定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，分析了該地鐵站環(huán)境中黑碳的變化規(guī)律，通過(guò)結(jié)合個(gè)體暴露監(jiān)測(cè)結(jié)果，更加全方位地了解地鐵黑碳污染狀況.

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)分布及采樣方法

為使采樣數(shù)據(jù)具有代表性,采用定點(diǎn)和個(gè)體暴露2種監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行監(jiān)測(cè)采樣[9]．

定點(diǎn)監(jiān)測(cè):對(duì)西安通化門地鐵站黑碳進(jìn)行連續(xù)7 d的監(jiān)測(cè),時(shí)間為2017年4月29日—5月5日．通化門地鐵站是地鐵1號(hào)線及地鐵3號(hào)線的交匯站．位于西安市新城區(qū)金花北路與長(zhǎng)樂(lè)路十字西側(cè),是西安市軌道交通的主要樞紐之一,客流量大,不同時(shí)間段黑碳濃度變化明顯．

個(gè)體采樣:該采樣分為2個(gè)部分,采樣個(gè)體均為成年女性．第一部分選擇非人流高峰期的時(shí)間段(10∶30—14∶00)對(duì)通化門地鐵站及車廂內(nèi)部進(jìn)行監(jiān)測(cè),采樣者于10∶30到達(dá)地鐵站在通化門地鐵站監(jiān)測(cè),30 min后,進(jìn)入開往魚化寨的列車的1號(hào)車廂,于11∶00到達(dá)魚化寨地鐵站,在該車站完成30 min的監(jiān)測(cè)任務(wù)后,乘坐開往通化門的列車的1號(hào)車廂,于12∶00抵達(dá)通化門站,再繼續(xù)監(jiān)測(cè)30 min后離開,并記錄保留數(shù)據(jù),時(shí)間為2017年5月10日—5月12日．第二部分采樣者分別在廣泰門地鐵站(地下)及桃花潭地鐵站(地上)采樣1 h,同樣選取非人流高峰時(shí)段(10∶30—14∶00),監(jiān)測(cè)時(shí)間為2017年5月13日—15日．廣泰門地鐵站及桃花潭地鐵站相距一站,都處在灞橋區(qū),大氣環(huán)境類似．

空氣污染指數(shù)來(lái)源于西安市空氣質(zhì)量日?qǐng)?bào)(西安市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心發(fā)布),氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于西安氣象局公布的歷史數(shù)據(jù)．

1.2 統(tǒng)計(jì)方法

由于黑碳濃度分布為非正態(tài)分布(P<0.001)[9],為避免奇異值引起的誤差,用中位數(shù)代替平均值,并對(duì)不同采樣點(diǎn)及采樣方式的黑碳濃度進(jìn)行討論．

1.3 黑碳個(gè)體暴露水平計(jì)算

個(gè)體采樣對(duì)象在各環(huán)境中暴露劑量和總暴露劑量計(jì)算分別如式(1)，(2)所示[12]:

(1)

(2)

式中:D為日均暴露總劑量,為各微環(huán)境暴露劑量的總和,μg·d-1;Di為環(huán)境i內(nèi)日均暴露劑量,μg·d-1,i=1,2,…,n;Eit為環(huán)境i內(nèi)Δt時(shí)段內(nèi)平均黑碳暴露濃度,μg·m-3;Ri為環(huán)境i內(nèi)采樣對(duì)象的平均呼吸速率,m3·d-1,計(jì)算不同環(huán)境中黑碳吸入劑量,呼吸速率采用文獻(xiàn)[13]的研究結(jié)果; Δt為暴露時(shí)間,min;個(gè)體采樣對(duì)象呼吸速率為14.5 m3·d-1[13]．

2 結(jié)果與討論

2.1 通化門地鐵站定點(diǎn)監(jiān)測(cè)黑碳濃度水平變化趨勢(shì)

黑碳濃度最高值(12 μg·m-3)出現(xiàn)在4月29日,最低值(3.2 μg·m-3)出現(xiàn)在5月3日．(如圖1)假期期間(4月29日—5月1日)的黑碳濃度(中位數(shù))遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于工作日(5月2日—5月5日)的值(中位數(shù))．因?yàn)榧倨谄陂g,出行乘客增多,機(jī)動(dòng)車數(shù)量增多,污染物排放量增加，依靠通風(fēng)系統(tǒng)通入的空氣中的黑碳濃度增加;同時(shí),地鐵站環(huán)境相對(duì)密閉,客流量的大量增加,導(dǎo)致地鐵空間變小,污染物擴(kuò)散速率降低,從而使得BC濃度迅速積累．5月3日觀測(cè)到的黑碳濃度最低值,與持續(xù)降雨及大風(fēng)天氣對(duì)空氣污染物沖刷和擴(kuò)散作用有關(guān)．根據(jù)氣象數(shù)據(jù)及空氣污染指數(shù)值顯示,5月5日為灰霾天氣(黑碳濃度中位數(shù)為5.3 μg·m-3),PM2.5、PM10的值是其他時(shí)間的7～10倍,但黑碳濃度值卻沒(méi)有達(dá)到預(yù)想值的高度,反而與同處在工作日的5月2日的黑碳濃度值(5.1 μg·m-3)相當(dāng)．由于地鐵站的進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)有凈化裝置,對(duì)通入的空氣進(jìn)行了凈化作用,使得進(jìn)入地鐵站的空氣PM10及PM2.5 的含量大大降低．

圖 1 通化門地鐵站采樣期間每日黑碳濃度的中位數(shù)Fig.1 Daily BC median concentration at Tonghuamen subway station

2.2 通化門地鐵站黑碳濃度日內(nèi)變化

通化門地鐵站黑碳濃度的日內(nèi)變化情況(工作日)如圖2所示.從圖2可以看出，工作日期間的黑碳濃度的變化態(tài)勢(shì)呈雙峰型,先增高后降低,然后再逐步升高后降低．黑碳濃度的2個(gè)峰值出現(xiàn)在白天的8∶00—9∶00(9.4 μg·m-3)以及傍晚的16∶30—19∶30(8.6 μg·m-3),與上下班高峰期基本一致[7]．早晚高峰期過(guò)后,黑碳濃度持續(xù)下降,在10∶30—16∶30內(nèi)保持一個(gè)相對(duì)較低的水平．黑碳濃度在下午3∶00呈現(xiàn)出一天中的較低水平,這是因?yàn)槲绾笕藶榛顒?dòng)明顯減少,機(jī)動(dòng)車及餐飲排放降低,同時(shí)午后太陽(yáng)輻射增強(qiáng),地面增溫速度高于大氣增溫速度,從而形成熱力環(huán)流,而這種循環(huán)對(duì)流有利于污染物的擴(kuò)散．上下班高峰期間,道路機(jī)動(dòng)車輛增加,燃料大量燃燒使得大氣中的BC濃度迅速增加,同時(shí)地鐵客流量的增加,導(dǎo)致地鐵空間更加密閉,黑碳顆粒物擴(kuò)散速率降低,迅速積累．多重因素導(dǎo)致地鐵環(huán)境中的BC濃度迅速增高達(dá)到峰值．同時(shí),在觀測(cè)期間內(nèi),出現(xiàn)多次非連續(xù)時(shí)段的黑碳濃度小高峰,這可能是受到地鐵內(nèi)部隨機(jī)發(fā)生源的影響．

2.3 通化門地鐵站黑碳濃度的日間變化

采樣期間節(jié)假日及工作日期間黑碳濃度日變化如圖3所示.從圖3可以看出，節(jié)假日期間黑碳濃度值(8.0 μg·m-3)遠(yuǎn)高于工作日期間的黑碳濃度值(5.0 μg·m-3),且與工作日期間的黑碳濃度變化情況不同,節(jié)假日期間的黑碳濃度變化沒(méi)有明顯的晚高峰,這與假期間人們的活動(dòng)規(guī)律不同有關(guān)．該地鐵站通往西安市商業(yè)中心以及旅游景區(qū),假期站內(nèi)人流量增大,地鐵站周邊及站內(nèi)餐飲排放增加;該地鐵站位于某高架附近,隨著假期不限行，懸掛外省市號(hào)牌的車及局部車輛數(shù)量的增加,機(jī)動(dòng)車排放增加;多種因素共同作用導(dǎo)致節(jié)假日期間的黑碳濃度比工作日高．同時(shí),由于內(nèi)部源的影響,會(huì)不定時(shí)在監(jiān)測(cè)的時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)不連續(xù)的峰值,最高達(dá)到22.5 μg·m-3(節(jié)假日)和9.4 μg·m-3(工作日)．

表 1 采樣期間氣象數(shù)據(jù)及空氣污染指標(biāo)Table 1 Meteorological data and air pollution index during sampling period

圖 2 通化門地鐵站黑碳濃度的日內(nèi)濃度日變化 圖 3 采樣期間節(jié)假日及工作日黑碳變化情況(工作日) Fig.2 BC concentration at Tonghuamen subway station(working days) Fig.3 BC concentration changes in the working days and holidays during sampling period

2.4 車廂內(nèi)外的黑碳暴露特征

地鐵站臺(tái)與車廂內(nèi)個(gè)體黑碳濃度水平如圖4所示.從圖4可以看出，監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi),黑碳濃度日均值為9.3 μg·m-3,站臺(tái)1(通化門站)的個(gè)體BC濃度高于站臺(tái)2(魚化寨)的個(gè)體BC濃度,濃度(中位數(shù))分別為9.0 μg·m-3,6.2 μg·m-3,當(dāng)從地鐵站臺(tái)到達(dá)車廂內(nèi)時(shí),BC濃度急劇上升,與離開車廂時(shí)的情況剛好相反．車廂1和車廂2的BC濃度(中位數(shù))為11.8 μg·m-3,9.7 μg·m-3．車廂內(nèi)的濃度水平是站臺(tái)上的1～2倍[14]．表明地鐵屏蔽門雖然能有效阻隔外界空氣進(jìn)入車廂內(nèi),但同時(shí)該屏蔽門使得車廂內(nèi)的環(huán)境更加密閉,其中的空氣更新速度減慢,使得BC顆粒物長(zhǎng)時(shí)間堆積,反而使得車廂內(nèi)的BC濃度高于站臺(tái)．同時(shí),站臺(tái)1的BC暴露水平明顯高于站臺(tái)2,是由于站臺(tái)上的BC濃度不僅受到地鐵內(nèi)部產(chǎn)生的BC顆粒物的影響,也與車廂外部環(huán)境相關(guān)．站臺(tái)1所處區(qū)域(新城區(qū)),相對(duì)發(fā)達(dá),交通和人流較為密集,黑碳產(chǎn)生源較多及排污量較大,導(dǎo)致由通風(fēng)系統(tǒng)導(dǎo)入的空氣中BC濃度較高．

2.5 地上(桃花潭站)地下(廣泰門站)地鐵站黑碳個(gè)體暴露特征

位于地下的廣泰門地鐵站監(jiān)測(cè)到的黑碳個(gè)體暴露濃度高于位于地上的桃花潭站．這是由于位于地下的地鐵站,環(huán)境相對(duì)于密閉．列車進(jìn)站時(shí)將隧道內(nèi)的大量的顆粒物帶入站內(nèi),雖然通過(guò)設(shè)置在靠近道路的通風(fēng)口,地鐵通風(fēng)系統(tǒng)不斷引入新風(fēng)并過(guò)濾,但去除率并未達(dá)到100%．而地上的地鐵站與外界大氣相通,黑碳類的顆粒物可在外界風(fēng)力及雨水沖刷作用力的影響下不斷循環(huán)凈化,這樣地上地鐵站內(nèi)的黑碳濃度高于地下地鐵站．同時(shí)觀察到5月16日和5月17日的地下線黑碳暴露濃度為地上線黑碳暴露濃度的2～3倍,而5月15日的地下線黑碳濃度水平卻和地上線差異較小(見(jiàn)圖5),因?yàn)榈厣暇€(桃花潭站)為開放式軌道,5月16日,下雨時(shí)由于雨水的沖刷沉降作用,使得地鐵所處周圍環(huán)境BC 顆粒物濃度急劇下降;同時(shí)軌道上沉降的顆粒物也被沖刷,減少了地鐵進(jìn)站時(shí)帶入的顆粒物;另外,由于16日的雨天使5月17日空氣濕度也相對(duì)較高(達(dá)到73%),顆粒物更易于凝結(jié)沉降．在多種因素共同作用下，下雨天開放式地鐵環(huán)境BC 濃度較地下式降低更顯著．

圖 4 地鐵站臺(tái)與車廂內(nèi)個(gè)體黑碳濃度水平 圖 5 地鐵站地上線及地下線的個(gè)體黑碳濃度水平 Fig.4 BC concentration at the underground Fig.5 BC concentration on the subway line station platform and carriages

3 結(jié) 論

(1) 定點(diǎn)監(jiān)測(cè)的黑碳污染特征表明,采樣期間黑碳濃度變化呈較強(qiáng)假期效應(yīng),與人為活動(dòng)(交通排放)緊密相關(guān),并受到降水、風(fēng)速等氣象條件及室內(nèi)隨即發(fā)生源的共同作用．

(2) 西安市地鐵站地下線環(huán)境中黑碳顆粒物的個(gè)體暴露明顯高于地上線,由于地鐵站內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)與過(guò)濾裝置效率較差,使地下站內(nèi)顆粒物持續(xù)積累,污染加重．車廂內(nèi)的BC濃度高出站臺(tái)上1～2倍,說(shuō)明地鐵屏蔽門對(duì)減少車廂內(nèi)BC污染并沒(méi)有積極作用,相反引起反作用．

(3) 由于地鐵各環(huán)境黑碳暴露值都不同,因此,個(gè)體采樣比定點(diǎn)監(jiān)測(cè)采樣得到的數(shù)據(jù)更能夠反映黑碳的個(gè)體暴露水平．