李 嚴 譚慶慧 李曉鋒 王 旭 黃 幸 李 亮

(1.清華大學,北京;2.南寧軌道交通集團有限公司,南寧)

0 引言

近年來,城市軌道交通持續(xù)保持快速發(fā)展趨勢,截至2021年底,我國大陸地區(qū)累計有50個城市運營軌道交通線路283條,運營線路總長度9 206.8 km,其中地鐵運營里程7 209.7 km,占比78.3%[1],新增運營線路和累計運營線路長度創(chuàng)歷史新高。地鐵以其準時、便捷、舒適及客運量大等優(yōu)勢,越來越受到人們的歡迎,2021年度新增地鐵運營線路928.8 km,占比達75.1%[1]。但由于地鐵通常處于地下,是一個相對封閉的環(huán)境,自然通風不足時不利于空氣中污染物的稀釋,又因為缺乏陽光照射,人群密集、流動性大,易引起疾病傳播,對地鐵員工及乘客的身體健康構成的威脅要比其他交通工具更為嚴重[2-4]。隨著地鐵運營里程和客運量的增加,以及人們對健康的重視不斷提升,地鐵空氣品質狀況也日益受到人們的關注。早期,人們對于地鐵空氣品質的關注及測試主要針對車站及車廂的CO2濃度、溫度和濕度[5-9],近年來有越來越多的學者對地鐵內顆粒物的特性進行研究,但大部分研究受限于客觀條件僅進行了短期的間歇測試。國內的研究地點集中于上海、廣州、深圳、北京、西安、香港[10-25],國外研究的地區(qū)主要集中于首爾、德黑蘭、紐約、倫敦、斯德哥爾摩、赫爾辛基等[10,26-34]。這些研究主要對地鐵車站公共區(qū)域和列車車廂開展環(huán)境監(jiān)測,無論車站是否安裝了屏蔽門,均不同程度地發(fā)現(xiàn)空氣污染程度高于同期室外污染水平。例如,上海地鐵的現(xiàn)場測試結果顯示,站內可吸入顆粒物PM10的質量濃度超標372 μg/m3左右,細顆粒物PM2.5的質量濃度超標293 μg/m3左右[14];斯特哥爾摩地鐵站臺的PM2.5 質量濃度達到260 μg/m3,比街道高10倍[30];倫敦地鐵系統(tǒng)內的PM2.5濃度也比地面高3～8倍[32];首爾地鐵站內的PM10平均質量濃度為207 μg/m3左右,站內PM2.5質量濃度則普遍超出標準規(guī)定的濃度限值[33]。綜上所述,目前國內外學者開展的地鐵內空氣品質研究均針對一些地鐵建設較為發(fā)達、客運量較大的城市。

通過對國內外地鐵內顆粒物相關研究的文獻調研,可以發(fā)現(xiàn)有不少學者認為客流量或人流密度是影響地鐵車站空氣中PM2.5濃度水平的一個重要因素[17-20]。雖然我國已建成軌道交通的城市、運營里程位居世界前列,但線網(wǎng)客運強度卻普遍較低[35]。截至2021年底,我國大陸地區(qū)已開通軌道交通運營的50個城市中,共計34個城市的線網(wǎng)規(guī)模低于200 km,其中有26個城市的線網(wǎng)規(guī)模低于100 km,運營線路3條及以下的城市仍有26個[1],尚未形成密集網(wǎng)絡。2021年,上海、廣州、北京、深圳、成都的客運量占全國總客運量的56.9%;另有35個城市的日均客運量未達到甚至遠遠不足100萬人次,占比70%[1]。也就是說,大多數(shù)城市在軌道交通線網(wǎng)規(guī)模尚未形成的情況下,乘客的出行可達性較差,因此客流吸引力、客流強度就較低,加上城市人口和發(fā)展條件等因素,大量的線路在很長一段時期內均將處于初期和近期客流量的運營階段。因此,對于低客流量地鐵內空氣品質的研究也不容忽視。

對地鐵車站內PM2.5濃度現(xiàn)狀及其變化特性的研究是日后對于控制策略研究的重要基礎工作。截至2021年底,我國大陸地區(qū)已開通運營、在建及規(guī)劃地鐵線路的城市共有43個[1],根據(jù)文獻[36],這43個城市2021年的年均PM2.5質量濃度分布在19～48 μg/m3之間,如圖1所示,平均質量濃度約為32 μg/m3,而南寧市的年均PM2.5質量濃度為29 μg/m3,與平均值的偏差不超過10%,同時兼具處于地鐵線路運營初期、低客流量的特點。因此,本文選取了南寧市處于運營初期的某車站作為研究對象,對地鐵車站關鍵區(qū)域的PM2.5濃度長期監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析,研究這類處于運營初期、低客流量的地鐵車站的室內空氣品質狀況及其影響因素,為這類地鐵車站的空氣品質改善提供數(shù)據(jù)支撐。

圖1 2021年已開通運營、在建及規(guī)劃地鐵線路的 43個城市年均PM2.5質量濃度

1 研究內容

1.1 測試車站和時間

本次實測研究選取南寧地鐵3號線的1個地下2層島式站臺非換乘車站,車站采用全高屏蔽門系統(tǒng)。在以往的關于國內外地鐵車站內顆粒物的研究中,主要針對的是未安裝站臺門或采用半高屏蔽門的地鐵車站。也有研究表明,車站站臺的PM2.5濃度水平與站臺是否安裝全高屏蔽門有直接關系[34]。近年來,我國新建的地鐵線路中地下車站多采用全高屏蔽門系統(tǒng),不僅可有效防止乘客進入軌行區(qū)造成傷害,改善了候車環(huán)境,同時也有效降低了空調通風系統(tǒng)的運行能耗。因此,本文針對全高屏蔽門車站的站內PM2.5濃度水平進行研究。

測試線路于2019年6月6日開通試運營,運營初期的全日行車間隔均為8 min,運營時間為06:30—23:50。測試車站通風空調系統(tǒng)采用雙風機一次回風全空氣系統(tǒng),公共區(qū)通風空調系統(tǒng)(簡稱大系統(tǒng))分為小新風運行和全新風運行2種工況。本次實測研究自2019年9月8日起開始,持續(xù)到次年2月。在測試期間,9月8日至11月30日空調系統(tǒng)執(zhí)行小新風工況,12月1日至次年2月29日執(zhí)行全新風工況;小新風工況和全新風工況時大系統(tǒng)送風機、回/排風機均以相同的頻率運行,即均為送回(排)平衡模式。測試期間連續(xù)監(jiān)測的區(qū)域包括站廳、站臺、區(qū)間隧道,監(jiān)測的空氣參數(shù)為PM2.5濃度和環(huán)境參數(shù)(溫度、相對濕度及CO2濃度),數(shù)據(jù)采集的時間間隔為10 s,以研究2種工況下地鐵車站內PM2.5濃度變化規(guī)律。

1.2 測試儀器

測試采用的主要儀器為Airbay空氣質量檢測儀,其PM2.5濃度的測量精度為±5%,溫度的測量精度為±0.5 ℃,相對濕度的測量精度為±5%,CO2濃度的測量精度為±3%。同時,測試期間為每臺儀器配備了移動WiFi,以保證測量數(shù)據(jù)的實時傳輸。

2 測試結果分析

2.1 PM2.5濃度總體分布

本文中室外大氣環(huán)境的PM2.5濃度數(shù)據(jù)來自中國環(huán)境監(jiān)測總站的全國城市空氣質量實時發(fā)布平臺發(fā)布的南寧市“市監(jiān)測站”實時監(jiān)測數(shù)據(jù)[37],時間周期為1 h。

由于顆粒物對人體健康的不良影響,世界各國均設立了相關控制標準。世界衛(wèi)生組織(WHO)于2005年發(fā)布的《AQG 2005》為減少空氣污染對健康的影響提供了全球性指導,并與2021年9月22日發(fā)布了《AQG 2021》[38]。我國自2016年1月1日起實施的GB 3095—2012《環(huán)境空氣質量標準》[39]對幾種主要污染物的標準取值則以《AQG 2005》的“過渡時期目標-1”作為取值標準。本次測試收集到的有效數(shù)據(jù)天數(shù)為174 d,根據(jù)上述標準中關于PM2.5濃度限值的規(guī)定,對測試期間室外PM2.5濃度分布進行統(tǒng)計,結果如圖2所示。室外環(huán)境中的PM2.5濃度滿足空氣質量指數(shù)級別一級(優(yōu))、二級(良)和三級(輕度污染)[40]條件濃度限值的天數(shù)比例分別為52%、44%和4%。根據(jù)GB 3095—2012《環(huán)境空氣質量標準》,商業(yè)交通居民混合區(qū)屬于二類區(qū),適用二級濃度限值,則站廳、站臺和隧道的PM2.5濃度不滿足二級濃度日均限值的天數(shù)占比分別為3%、10%和23%。

注:(35,75] μg/m3滿足GB 3095—2012中二級質量濃度24 h平均限值75 μg/m3;(15,35] μg/m3滿足GB 3095—2012中一級質量濃度24 h平均限值35 μg/m3;(5,15] μg/m3滿足WHO《AQG 2021》的24 h平均質量濃度準則值15 μg/m3及GB 3095—2012中一級質量濃度年平均限值15 μg/m3。

2.2 PM2.5濃度變化規(guī)律分析

通過運用統(tǒng)計學方法對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析,發(fā)現(xiàn)站臺、站廳和隧道的PM2.5濃度表現(xiàn)出較高的波動性,其波動變化趨勢與室外大氣環(huán)境的PM2.5 濃度呈現(xiàn)極強的正相關性。對小新風工況和全新風工況條件下站廳、站臺和隧道內的日均PM2.5濃度水平進行統(tǒng)計分析,并與室外PM2.5濃度值進行對比,結果如圖3所示。圖3中相對室外濃度比為室內濃度與室外濃度之比,框線內包含下四分位至上四分位之間的值,框內實心水平線表示中值,×符號表示平均值,3個數(shù)值分別為最大值、中值和最小值。

圖3 小新風和全新風條件下逐時PM2.5濃度水平

從圖3可以看出:PM2.5濃度表現(xiàn)出從站廳、站臺到隧道逐漸增大的趨勢;對于小新風和全新風工況,站廳、站臺及隧道內的PM2.5濃度水平分布規(guī)律相似,大系統(tǒng)的新風比對站內及隧道的PM2.5濃度的影響并不顯著。這主要是因為:1) 小新風和全新風工況時,大系統(tǒng)均為送排平衡模式,2種工況下的總送風量和總回(排)風量是相同的;2) 運營初期的全日行車間隔均為8 min,因而經(jīng)車站出入口和屏蔽門的滲風量相同;3) 從圖3也可以看出,站臺和站廳的總回風PM2.5濃度與室外PM2.5濃度的差異在5%之內,因此不管大系統(tǒng)新風比如何變化,新風與回風混合后的PM2.5濃度與室外PM2.5濃度相近,經(jīng)過大系統(tǒng)空調箱過濾器過濾后的送風濃度亦相近?；谝陨显蚩芍?大系統(tǒng)的新風比對車站內各處的PM2.5濃度沒有顯著影響。

再針對不同室外污染物濃度水平對站內及隧道PM2.5濃度的影響進行分析,以3種不同的室外日均PM2.5濃度水平為例,結果如圖4所示。從圖4可以看出,當室外日均PM2.5質量濃度水平為低((5,15] μg/m3)、中((25,35] μg/m3)、高((75,115] μg/m3)時,站廳PM2.5質量濃度水平中值略低于室外(相對室外濃度比為0.91～0.92),站臺的PM2.5質量濃度水平中值略高于室外(相對室外濃度比為1.03～1.14),隧道的PM2.5質量濃度水平中值則約為室外濃度的1.5倍(相對室外濃度比為1.35～1.58)。

圖4 不同室外環(huán)境下的站內日均PM2.5質量濃度

由于列車在運行過程中車輪與鐵軌之間的不斷摩擦,尤其是制動過程中產生的機械磨損會產生大量的顆粒物[13,24],因此會導致地鐵隧道內的PM2.5濃度水平往往高于室外環(huán)境,約為室外的1.5倍。而地鐵車站內的顆粒物濃度主要受2個因素的影響:1) 沉降作用會使室內的顆粒物濃度降低;2) 列車運行中產生的活塞風會將隧道內的空氣通過屏蔽門的縫隙擠壓進車站內,從而導致站內顆粒物濃度升高。站廳層由于受隧道滲風的影響較小,受出入口滲風的影響較大,所以站廳的PM2.5濃度接近或略低于室外,PM2.5濃度水平約為室外的90%;而站臺層則受隧道滲風的影響相對較大,PM2.5濃度水平約為室外的1.1倍。

2.3 PM2.5濃度波動趨勢分析

從上述實測結果可以看出,站廳、站臺和隧道的日均PM2.5濃度水平表現(xiàn)出不同程度的波動性。以圖4中室外日均PM2.5質量濃度區(qū)間為(25,35] μg/m3時的站臺區(qū)為例進行分析。圖5顯示了站臺PM2.5質量濃度相對室外濃度比為1.38(室外PM2.5日均質量濃度32 μg/m3)、1.08(室外PM2.5日均質量濃度30 μg/m3)和0.88(室外PM2.5日均質量濃度30 μg/m3)時室內外時均濃度變化情況。從圖5可以看出:1) 夜間列車停駛后,隧道內的PM2.5質量濃度開始迅速降低,之后隨著列車的行駛,隧道內PM2.5質量濃度開始逐漸上升,同時隧道內PM2.5質量濃度對室外PM2.5質量濃度波動的反應速度也較快,表現(xiàn)得更為敏感,當室外濃度上升或降低時,隧道內的濃度會迅速表現(xiàn)出更大幅度的上升或降低;2) 每日早、晚高峰時,站廳和站臺的PM2.5質量濃度會出現(xiàn)明顯的上升,而被測車站的全日行車間隔是不變的,大系統(tǒng)全天的運行狀態(tài)也是不變的,這說明客流量即站內人員的擾動對站內PM2.5質量濃度有一定的影響。

圖5 室內外時均PM2.5質量濃度波動情況

3 結論

本文對南寧地鐵某地下非換乘屏蔽門車站的站臺、站廳及區(qū)間隧道的PM2.5濃度進行了為期6個月的連續(xù)監(jiān)測,測試結果表明:

1) 站廳、站臺和隧道的PM2.5濃度不滿足GB 3095—2012《環(huán)境空氣質量標準》中二級濃度日均限值的天數(shù)占比分別為3%、10%和23%。

2) 站廳、站臺和隧道的PM2.5濃度變化趨勢與室外PM2.5濃度呈極強的正相關性。

3) 大系統(tǒng)新風比對站廳、站臺及隧道的PM2.5 濃度的影響并不顯著。

4) 日均PM2.5濃度表現(xiàn)出從站廳、站臺到隧道逐漸增大的趨勢。站廳層的PM2.5濃度水平約為室外的90%,站臺層約為室外的1.1倍,隧道約為室外的1.5倍。

5) 由于受到列車運動引起的活塞風的影響,隧道內的PM2.5濃度對室外PM2.5濃度波動的反應速度也較快,表現(xiàn)得更為敏感,當室外濃度上升或降低時,隧道內的濃度則會迅速表現(xiàn)出更大幅度的上升或降低。

6) 被測車站的全天行車間隔不變、大系統(tǒng)運行狀態(tài)不變,而在每日早、晚高峰時站廳和站臺的PM2.5濃度會出現(xiàn)一個明顯上升的現(xiàn)象,這說明客流量對站內的PM2.5濃度有一定的影響。