潘 嵩,王洪偉,王新如,谷雅秀,裴 斐

(1.北京工業(yè)大學(xué)綠色建筑環(huán)境與節(jié)能技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100124;2.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,北京100124;3.長安大學(xué)建筑工程學(xué)院,陜西西安710061)

研究表明地鐵站內(nèi)污染物暴露水平相比于其他環(huán)境要高很多,與地面街道、市中心繁華街道相比,地鐵內(nèi)細(xì)顆粒物濃度要高數(shù)倍,并且與室外污染物顆粒相比,地鐵中的污染物顆粒更具遺傳毒性,對身體更容易造成較大的危害[1],同時(shí)人們在地鐵中度過的時(shí)間也越來越長。據(jù)美國環(huán)保署(EPA)早在1993—1994年間對近萬人的跟蹤調(diào)查數(shù)據(jù)顯示,人們平均有7.2%的時(shí)間在地鐵中度過[2]。PM2.5污染造成的經(jīng)濟(jì)損失越來越大,因此地鐵車站內(nèi)的空氣品質(zhì)尤其是細(xì)顆粒物污染受到國內(nèi)外許多學(xué)者的高度關(guān)注。

迄今,國內(nèi)外學(xué)者對不同的地鐵車站的PM2.5濃度及其影響因素進(jìn)行了研究。目前國外已有的研究涵蓋的地點(diǎn)主要有紐約[3-4]、赫爾辛基[5]、韓國首爾市[6]、瑞典斯德哥爾摩的奧丁站[7]、巴塞羅那[8]、德黑蘭[9]、洛杉磯[10],中國現(xiàn)有的研究主要有上海[11]、臺(tái)北[12]、西安[13]。主要的研究方法是對地鐵環(huán)境不同位置進(jìn)行測試,分析其濃度分布以及物理特性,使得人們對地鐵環(huán)境PM2.5有進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。但是,現(xiàn)有研究主要集中在PM2.5濃度以及地鐵內(nèi)分布規(guī)律等方面的研究,測試方法主要采用間歇測試。人們對于地鐵PM2.5的特性認(rèn)識(shí)不足,對其來源以及產(chǎn)生方式?jīng)]有確定的結(jié)論。這些方面的研究仍需要大量前期數(shù)據(jù)支撐,來進(jìn)一步的研究和測試。

對于不同類型的地鐵車站仍需要進(jìn)一步的研究和數(shù)據(jù)積累。本文采用現(xiàn)場多測點(diǎn)連續(xù)實(shí)地測試的方法,彌補(bǔ)了前期研究間歇測試造成的數(shù)據(jù)不連續(xù)且存在時(shí)間差的缺陷。對北京地鐵車站—宋家莊站進(jìn)行測試,針對大型復(fù)雜換乘站,對該車站的PM2.5分布規(guī)律特性進(jìn)行研究,主要分析PM2.5的濃度及其濃度變化的影響因素。本文對于人們對地鐵車站環(huán)境中PM2.5污染現(xiàn)狀以及PM2.5濃度影響因素的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)具有重大意義,對今后地鐵PM2.5防治研究提供可靠的參考價(jià)值和數(shù)據(jù)支持。

1 測試內(nèi)容和方法

1.1 測試車站

宋家莊為三線換乘車站,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,是重要的交通樞紐站,其設(shè)計(jì)滿足高峰小時(shí)客流集散量71 900人,出入站客流量12 375人,地鐵出入公交樞紐客流量8 184人,車站存在9個(gè)出口,車站結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 宋家莊站5號線和亦莊線換乘Fig.1 Songjiazhuang Line 5 and Yizhuang Line transfer station

宋家莊車站為亦莊線和5號線的始發(fā)車站、10號線的中間換乘車站。5號線車站于2007年10月7日隨著5號線開通投入運(yùn)營;亦莊線車站于2010年12月30日隨著亦莊線開通投入運(yùn)營;10號線車站于2012年12月30日隨著10號線二期工程開通投入運(yùn)營。宋家莊換乘車站對于地鐵車站的研究具有很強(qiáng)的代表性,它既包含了始發(fā)站和終點(diǎn)站,也包括了中間車站的特點(diǎn)。因此本文的測試地點(diǎn)選用三線換乘車站—宋家莊車站。

宋家莊站為三線換乘車站,車站為地下二層,其中5號線采用側(cè)式站臺(tái),亦莊線采用港灣式月臺(tái)布局,直接和5號線終點(diǎn)站垂直連接,而10號線采用的是雙島式站臺(tái)布局,與5號線平行。測試階段地鐵車站運(yùn)行采用空調(diào)季節(jié)最小新風(fēng)運(yùn)行模式。車站公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)站廳按均勻送、回/排風(fēng)設(shè)計(jì);站臺(tái)層設(shè)置均勻送風(fēng),在車行道上方與站臺(tái)板下設(shè)置回/排風(fēng)道,車行道上方排風(fēng)口與列車空調(diào)冷凝器對齊,站臺(tái)板下排風(fēng)口均勻布置,在安全門以內(nèi)公共區(qū)域設(shè)置集中回/排風(fēng)道。車站送、回/排風(fēng)機(jī)兼作車站的排煙風(fēng)機(jī),回/排風(fēng)道兼作車站排煙風(fēng)道。

1.2 測點(diǎn)分布

測試地點(diǎn)主要分布于宋家莊地鐵的公共區(qū)——站臺(tái)和站廳,站臺(tái)有10號線外環(huán)線(宋家莊開往成壽寺)和內(nèi)環(huán)線(宋家莊開往石榴莊),亦莊線始發(fā)站與終點(diǎn)站臺(tái)以及5號線的始發(fā)站和終點(diǎn)站臺(tái)六個(gè)站臺(tái)。由于行車換乘,所有站臺(tái)均只開放一側(cè)車門,因此所有站臺(tái)均可以看作是側(cè)式站臺(tái)。站臺(tái)處的測點(diǎn)位置沿著站臺(tái)均勻分布靠近列車行駛側(cè),每個(gè)站臺(tái)布置三個(gè)測點(diǎn),分別記為1、2、3,均與列車行駛隧道距離為1 m,測試高度均為1.5 m,其中測點(diǎn)1距離站臺(tái)列車上行方向壁面2 m,測點(diǎn)3距離站臺(tái)列車下行方向壁面2 m,測點(diǎn)2為站廳的中間位置,具體測點(diǎn)位置見圖2。站廳一共有9個(gè)出口,測點(diǎn)布置在A、H、I出口的檢票口閘機(jī)位置,測點(diǎn)分別記為站廳1、2、3,測試高度為1.5 m。

圖2 宋家莊站站臺(tái)測點(diǎn)圖Fig.2 Measuring points of platform in Songjiazhuang Station

1.3 測試內(nèi)容和方法

1.3.1 測試儀器

測試儀器TSI8532是一款具有數(shù)據(jù)記錄功能的光散射激光光度手持儀器,能夠?qū)崟r(shí)顯示PM10、PM2.5以及PM1.0的濃度。量程為0.001～150 μg/m3,分辨率為±0.1%讀數(shù),0.001 mg/m3取大值,零點(diǎn)穩(wěn)定度為±0.002 mg/m3。該儀器采用光散射原理檢測PM2.5等顆粒物的濃度,能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測,具有體積小,重量輕,操作簡單,噪音低,穩(wěn)定性好等特點(diǎn),可以直讀,可以存儲(chǔ)、輸出電信號,具有價(jià)格便宜,耗材小,維護(hù)成本低等優(yōu)勢。

1.3.2 測試方法及內(nèi)容

每次使用儀器前都應(yīng)對其進(jìn)行零點(diǎn)的標(biāo)定,每次進(jìn)行零點(diǎn)標(biāo)定前確保已經(jīng)連接過濾膜。

測試時(shí)間為2016年3月,地鐵空調(diào)模式為通風(fēng)模式,測試時(shí)間段為地鐵運(yùn)行非高峰時(shí)段13:30～16:00以及列車運(yùn)行高峰時(shí)段17:00～19:00。測試時(shí)采用多測點(diǎn)同步連續(xù)(室外環(huán)境同時(shí)測試)測試的方法,測試數(shù)據(jù)記錄時(shí)間為1 min/次。測試主要參數(shù)包含PM1.0、PM2.5、PM10以及溫濕度。

2 結(jié)果與討論

2.1 PM2.5檢測結(jié)果與分析

測試時(shí)同時(shí)測試室外環(huán)境參數(shù),測試時(shí)間段選取列車非高峰運(yùn)行時(shí)段,室外環(huán)境參數(shù)變化不大,因此室外環(huán)境參數(shù)選取時(shí)段的平均值,具體數(shù)值見表1。地鐵車站細(xì)顆粒物的測試結(jié)果見表2,表中的數(shù)據(jù)取列車非高峰運(yùn)行時(shí)段測試數(shù)據(jù)。針對北京這一PM2.5污染嚴(yán)重的城市,測試日期選取的原則是室外環(huán)境處于不同的污染等級,如表1所示,室外環(huán)境分別處于優(yōu)(0～50 μg/m3)、良(50～100 μg/m3)、中度污染(150～200 μg/m3)、重度污染(200～300 μg/m3)、嚴(yán)重污染(高于300 μg/m3)。有助于對地鐵車站的PM2.5的污染進(jìn)行全面客觀性的分析和比較。與表1中所列室外環(huán)境中的PM2.5濃度比較,在室外環(huán)境PM2.5污染程度為優(yōu)的情況下,地鐵車站公共區(qū)的PM2.5平均濃度是室外環(huán)境PM2.5濃度的3～5倍,污染等級為良;在室外環(huán)境為良和中度污染的條件下,地鐵車站公共區(qū)的PM2.5平均濃度大約是室外環(huán)境的2倍,相對應(yīng)的地鐵車站的污染等級分別為中度污染和重度污染;在室外環(huán)境為重度污染時(shí),地鐵車站公共區(qū)的PM2.5平均濃度是室外環(huán)境的一半,地鐵車站的污染等級仍為中度污染;在室外環(huán)境為嚴(yán)重污染時(shí),地鐵車站的PM2.5平均濃度為室外環(huán)境的60%～75%,地鐵車站公共區(qū)的污染等級為重度污染。對PM2.5與PM10的關(guān)系進(jìn)行分析,PM2.5/PM10=0.68～0.86,平均值為0.77,說明站內(nèi)PM2.5是站內(nèi)PM10的重要組成部分,這與Kam等[10]研究的美國洛杉磯地鐵站臺(tái)PM2.5/PM10=0.73以及Cheng等[12]研究的中國臺(tái)北地鐵站臺(tái)0.65～0.75,以及樊越勝[13]的結(jié)論P(yáng)M2.5/PM10=0.64～0.87的結(jié)果相似。

表1 宋家莊車站站外同時(shí)測試空氣環(huán)境參數(shù)Tab.1 Outdoor test environment of Songjiazhuang Station

在室外環(huán)境PM2.5污染程度低于重度污染的條件下,地鐵車站的PM2.5濃度高于同時(shí)刻室外環(huán)境,但在室外環(huán)境PM2.5濃度高于200 μg/m3(重度污染及以上)時(shí),地鐵車站的PM2.5濃度低于同時(shí)刻的室外環(huán)境。

通過觀察可以看出,地鐵車站內(nèi)的PM2.5濃度會(huì)隨著室外環(huán)境PM2.5濃度的增加而增加,但是地鐵車站內(nèi)的顆粒物濃度的變化幅度小于室外環(huán)境顆粒物的變化幅度。說明地鐵車站公共區(qū)的PM2.5濃度受到室外環(huán)境的影響,但地鐵車站內(nèi)的PM2.5濃度與北京室外環(huán)境相比,地鐵車站公共區(qū)PM2.5濃度變化幅度小。

表2 宋家莊站測試結(jié)果Tab.2 Testing result of Songjiazhuang Station

2.2 站臺(tái)的測試結(jié)果

為明確站臺(tái)本身PM2.5濃度的變化,本文以室外空氣中度污染(3月2日)、優(yōu)(3月10日)兩種情況下對同一車站—地鐵五號線始發(fā)站為例進(jìn)行測試。3月2日測試結(jié)果PM2.5的平均濃度為220 μg/m3,PM10的平均濃度為257 μg/m3,3月10日測試結(jié)果PM2.5的平均濃度為26 μg/m3,PM10的值平均濃度為35 μg/m3。結(jié)合室外條件(表1),從圖3～4可以得知在室外環(huán)境為優(yōu)和中度污染時(shí),地鐵車站站臺(tái)的PM2.5平均濃度大于室外PM2.5平均濃度。

圖3 3月2日宋家莊5號線始發(fā)站測試Fig.3 Test in Songjiazhuang Station of line 5 in Mar.2

從非高峰時(shí)段連續(xù)測試的結(jié)果可以看出,無論室外污染等級如何,地鐵站臺(tái)處的PM2.5濃度與PM10濃度都呈現(xiàn)一定的周期性的波動(dòng)。圖3～4中,PM2.5與PM10的值波動(dòng)同步呈現(xiàn)周期性規(guī)律(綠點(diǎn)表示列車駛?cè)霑r(shí)刻),波動(dòng)周期為列車的運(yùn)行間隔時(shí)間。當(dāng)列車駛進(jìn)車站,站臺(tái)PM2.5與PM10的濃度會(huì)增加,當(dāng)列車駛出車站,站臺(tái)PM2.5與PM10濃度會(huì)降低,這與潘嵩[14]的關(guān)于活塞風(fēng)對地鐵車站的顆粒物濃度變化影響研究結(jié)論一致。

圖4 3月10日宋家莊5號線始發(fā)站測試Fig.4 Test in Songjiazhuang Station of line 5 in Mar.10

2.3 站廳的測試結(jié)果

對于站廳的測試結(jié)果,本文選取嚴(yán)重污染情況3月3日和環(huán)境質(zhì)量為優(yōu)的3月11日為例,如圖5～6所示,測點(diǎn)數(shù)據(jù)采取受到列車運(yùn)行頻率影響相同的靠近地鐵10號線的A、I、H三個(gè)出口處的數(shù)據(jù),分別記為出口1,2,3。當(dāng)室外空氣品質(zhì)為優(yōu),室外環(huán)境平均濃度PM2.5為25 μg/m3,PM10為54 μg/m3,地鐵站廳平均濃度PM2.5為52 μg/m3,PM10為73 μg/m3;當(dāng)室外環(huán)境空氣品質(zhì)為嚴(yán)重污染時(shí)，平均濃度PM2.5為451 μg/m3,PM10為517 μg/m3,地鐵站廳平均濃度PM2.5為317 μg/m3,PM10為396 μg/m3。當(dāng)室外環(huán)境嚴(yán)重污染時(shí),站廳也是嚴(yán)重污染狀態(tài),但是數(shù)據(jù)小于室外;當(dāng)室外環(huán)境為優(yōu)時(shí),站廳內(nèi)數(shù)據(jù)也會(huì)降低,但是數(shù)值比室外要高。

圖5 3月3日宋家莊站廳測試Fig.5 Songjiazhuang Hall in Mar. 3

圖6 3月11日宋家莊站廳測試Fig.6 Songjiazhuang Hall in Mar. 11

站廳3個(gè)出口處的PM2.5濃度接近,結(jié)合表2中給出的數(shù)據(jù),可以得知,在列車運(yùn)行和車站結(jié)構(gòu)等條件相同的情況下,即使3月3日的室外環(huán)境污染程度高于3月4日,但3月3日測試的站廳的PM2.5濃度要高于3月4日地鐵車站站臺(tái)的PM2.5濃度。對比室外環(huán)境相同的3月9日和3月11日,也能得到相同的結(jié)論,說明在客觀條件相同的條件下,站廳PM2.5濃度高于站臺(tái)PM2.5濃度,這說明深度可能也會(huì)對PM2.5的濃度產(chǎn)生影響。

2.4 宋家莊不同線站臺(tái)對比

宋家莊站所有的站臺(tái)均為側(cè)式站臺(tái),在非高峰測試時(shí)段,不同地鐵線路的列車的運(yùn)行頻率相同。本文針對不同線路的站臺(tái),選取室外環(huán)境污染等級不同的日期,對不同的站臺(tái)PM2.5濃度進(jìn)行對比,結(jié)果見圖7。

圖7 宋家莊站不同線站臺(tái)對比Fig.7 Comparison of platforms at different lines of Songjiazhunag Station

室外條件相同的情況下,根據(jù)圖7(a)～(b)中可以看出在地鐵車站構(gòu)造相同的情況下,相同的地鐵線路不同方向的站臺(tái),PM2.5濃度大約相同,說明相同的線路,若站臺(tái)結(jié)構(gòu)相同,那么在室外環(huán)境相同的情況下,不同地鐵車站站臺(tái)的PM2.5濃度相似;圖7(b)中亦莊線與5號線兩條線的始發(fā)站站臺(tái)相比較,亦莊線PM2.5濃度大于5號線,由于兩站臺(tái)列車運(yùn)行頻率相同,室外環(huán)境相同,客流量相似,綜合考慮,亦莊線車站站臺(tái)長度大于5號線可能是原因之一;在室外條件相似的情況下根據(jù)圖(c)～(d),對比不同構(gòu)造的車站,10號線的PM2.5濃度在50 μg/m3左右而5號線的PM2.5濃度在40 μg/m3左右,這可能是由于5號線站臺(tái)寬度小于10號線站臺(tái)寬度引起的。對于不同站臺(tái)進(jìn)行對比,可以得知,站臺(tái)結(jié)構(gòu)會(huì)對地鐵車站站臺(tái)PM2.5濃度產(chǎn)生影響。

3 相關(guān)性分析

為了量化地鐵車站的PM2.5濃度影響因素的影響程度,本文對宋家莊車站公共區(qū)的PM2.5濃度與室外環(huán)境PM2.5濃度、客流量以及地鐵車站的溫濕度等進(jìn)行了相關(guān)性分析,結(jié)果見表3～4。

表3 地鐵站內(nèi)PM2.5各影響因素相關(guān)性分析表Tab.3 Correlation analysis between factors and PM2.5 in station

表4 溫濕度對PM2.5濃度的影響方差分析Tab.4 Variance analysis of effect of temperature and humidity on PM2.5 concentration

3.1 地鐵站公共區(qū)與室外環(huán)境的相關(guān)性

表3中表示了地鐵車站公共區(qū)PM2.5與室外PM2.5濃度之間的線性回歸擬合相關(guān)性結(jié)果,地鐵車站的PM2.5濃度與室外有很大的相關(guān)性(R2=0.861),Y=20.370+0.538X,相關(guān)系數(shù)R2越接近1,顯著性系數(shù)越小于0.005,回歸方程顯著性越好,因此說明此回歸方程模型很好的表達(dá)了車站的PM2.5的濃度和室外的PM2.5濃度的高度相關(guān)性。說明地鐵站公共區(qū)的PM2.5濃度與室外濃度有很大的關(guān)聯(lián)性,Moreno[8]等人也有相同的結(jié)論。

3.2 PM2.5與客流量的相關(guān)性

本文結(jié)合地鐵的運(yùn)行時(shí)段,分別在運(yùn)營的非高峰時(shí)段和高峰時(shí)段分別測試客流量對于地鐵PM2.5濃度的影響。測試時(shí)每5 min的客流量記為一次數(shù)據(jù),測試5 min內(nèi)的PM2.5濃度,共測試不同時(shí)段59對數(shù)據(jù),根據(jù)客流量的不同觀察車站PM2.5的實(shí)時(shí)變化發(fā)現(xiàn),結(jié)合地鐵站公共區(qū)PM2.5濃度與客流量的相關(guān)性擬合分析結(jié)果(表3),客流量與PM2.5的濃度相關(guān)性不大(R2=0.245),方程的顯著性不明顯,否定了客流量對地鐵車站內(nèi)PM2.5濃度值會(huì)產(chǎn)生影響[15]這一猜測。

3.3 PM2.5與車站溫濕度的相關(guān)性

本論文將車站溫度、濕度兩種因素對于地鐵PM2.5濃度的影響進(jìn)行單因素以及多因素方差分析,結(jié)果見表4。

多因素方差分析溫度Sig=0.028<0.05,顯著性好,但濕度無明顯顯著性,溫度對PM2.5有顯著性影響,但濕度與溫度*濕度對PM2.5的濃度沒有顯著的影響;在單因素方差分析中,溫度、濕度對于PM2.5濃度均有顯著性影響。但是結(jié)合測試時(shí)段,結(jié)合表3中溫濕度與PM2.5濃度的相關(guān)性(R2=0.135)不明顯,因此本文認(rèn)為溫濕度對地鐵車站公共區(qū)的PM2.5濃度沒有顯著性影響。

4 結(jié) 論

文章首次實(shí)現(xiàn)對地鐵車站PM2.5進(jìn)行了多測點(diǎn)同時(shí)且連續(xù)測試,通過分析得到的結(jié)論主要如下。

1) 在室外環(huán)境PM2.5污染程度為優(yōu)的情況下,地鐵車站公共區(qū)的PM2.5平均濃度是室外環(huán)境PM2.5濃度的3～5倍,污染等級為良;在室外環(huán)境為良和中度污染的情況下,地鐵車站公共區(qū)的PM2.5平均濃度大約是室外環(huán)境的2倍,相對應(yīng)的地鐵車站的污染等級分別為中度污染和重度污染;在室外環(huán)境為重度污染時(shí),地鐵車站公共區(qū)的PM2.5平均濃度是室外環(huán)境的一半,地鐵車站的污染等級仍為中度污染;在室外環(huán)境為嚴(yán)重污染時(shí),地鐵車站的PM2.5平均濃度為室外環(huán)境的60%～75%,地鐵車站公共區(qū)的污染等級為重度污染。對PM2.5與PM10的關(guān)系進(jìn)行分析,PM2.5/PM10=0.68～0.86,平均值為0.77,說明站內(nèi)PM2.5是站內(nèi)PM10的重要組成部分。

2) 地鐵車站站臺(tái)處的PM2.5濃度受活塞風(fēng)影響呈現(xiàn)周期性波動(dòng);在室外環(huán)境條件相同時(shí),地鐵車站公共區(qū)站廳處的PM2.5濃度高于站臺(tái),即深度會(huì)對地鐵PM2.5濃度產(chǎn)生影響;地鐵站臺(tái)結(jié)構(gòu)對于車站站臺(tái)PM2.5濃度會(huì)產(chǎn)生影響,在地鐵車站構(gòu)造不同的站臺(tái),在室外條件以及列車運(yùn)行等條件相同時(shí),地鐵車站站臺(tái)顆粒物的濃度污染不同。

3) 地鐵車站PM2.5與PM10、室外PM2.5濃度的相關(guān)性較大(R2=0.98,0.86),客流量對地鐵車站PM2.5濃度影響不顯著(R2=0.245),車站內(nèi)溫濕度會(huì)對地鐵車站PM2.5濃度沒有顯著性影響(R2=0.135)。