吳穎娣， 梁 珍， 沈恒根， 郭二寶， 何 壘， 劉文龍

(1.東華大學 環(huán)境科學與工程學院， 上海 201620； 2. 中鐵二院華東勘察設(shè)計有限責任公司， 浙江 杭州 310004)

地鐵車站的人員數(shù)量非常大，一個車站的小時最大客流量可超過萬人。而與此同時，由于地鐵車站內(nèi)站廳與站臺均屬于半封閉的建筑結(jié)構(gòu)，尤其是站臺大部分位于地下二層，自然通風困難，室內(nèi)空氣污染物不容易自然擴散，均需要采用機械通風空調(diào)進行解決。人們在候車時不僅舒適的溫濕度很重要，而且良好的空氣品質(zhì)也至關(guān)重要，而顆粒物的濃度則是地鐵站廳和站臺空氣品質(zhì)的主要參數(shù)之一。PM2.5和PM10的濃度是目前最受關(guān)注的參數(shù)。其中，PM10代表環(huán)境空氣中空氣動力學當量直徑小于等于10 μm的顆粒物，也稱可吸入顆粒物，PM2.5代表環(huán)境空氣中空氣動力學當量直徑小于等于2.5 μm的顆粒物[1]。文獻[2]研究表明地鐵中產(chǎn)生的顆粒物與比其他場合相比有較大的區(qū)別。

目前對地鐵站廳和站臺的室內(nèi)環(huán)境和空氣品質(zhì)的研究除集中在活塞風及地鐵候車廳溫度場及速度場[3-6]外，國外學者對地鐵站臺內(nèi)部空間的顆粒物分布也做了一些研究。Adams等[7]對倫敦地鐵夏冬季節(jié)站臺的PM2.5的分布情況及地鐵空氣化學組成成分進行了研究，結(jié)果表明，相比在地上行走的人，搭乘地鐵出行的人暴露在顆粒物中的水平高出八倍，卻比乘坐公共汽車低一倍左右，而且冬季的顆粒物濃度比夏季的低一些。Aarnio等[8]認為地鐵在運營過程中產(chǎn)生較多小粒徑顆粒物。文獻[9]研究表明，不同粒徑顆粒物的分布與地鐵站臺的通風系統(tǒng)和列車通過次數(shù)有關(guān)，并且與地鐵站臺屏蔽門的數(shù)量和開度有關(guān)，除了0.3～0.8 μm以外的顆粒物粒徑與屏蔽門的數(shù)量存在統(tǒng)計學的相關(guān)性。文獻[10]對墨西哥地鐵站的顆粒物濃度和屬性進行了試驗研究，經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)測得出PM2.5的濃度范圍60～93 μg/m3，比室外高出6%，PM10濃度范圍為88～145 μg/m3，比室外高出20%。

近年來，隨著我國地鐵建設(shè)的快速發(fā)展，國內(nèi)一些衛(wèi)生機構(gòu)和研究人員也開始對地鐵環(huán)境中的顆粒物進行關(guān)注，北京、上海、廣州、深圳等城市的主要地鐵線路均進行了一些現(xiàn)場測試及分析[11]。何生全等[12]對北京地鐵不同環(huán)控系統(tǒng)可吸入顆粒物進行研究，結(jié)果表明，各環(huán)控系統(tǒng)在車輛駛?cè)肭昂?，PM2.5與PM10質(zhì)量濃度變化趨勢幾乎一致，且PM10質(zhì)量濃度總體大于PM2.5質(zhì)量濃度，站臺空氣中可吸入顆粒物PM10未超標，而PM2.5超標。嚴國慶等[13]對上海人民廣場地鐵站臺的空氣顆粒物進行研究，結(jié)果表明，在上海地區(qū)的地鐵安全門系統(tǒng)站臺的PM10、PM2.5濃度存在比較明顯的超標現(xiàn)象，屏蔽門系統(tǒng)PM10濃度基本沒有超過標準值，但PM2.5出現(xiàn)了超標現(xiàn)象，且地鐵站臺的可吸入顆粒物主要是PM2.5[13]。針對地鐵空氣污染狀況，樊越勝等[14]通過對西安地鐵環(huán)境進行測試，結(jié)果表明，地鐵站臺的PM2.5和PM10的濃度分布具有強烈的相關(guān)性(R2=0.92， 0.75)，二者具有共同的來源。

筆者于2016年8月通過對上海市某地鐵站進行為期3 d的實時監(jiān)測，得到了不同粒徑顆粒物在1 d內(nèi)的變化情況及濃度最高的粒徑范圍。本文研究目的在于反映地鐵站臺顆粒物的分布情況，為地鐵站臺空氣品質(zhì)優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗監(jiān)測

1.1 采樣地點和時間

實測地鐵站是在上海市區(qū)繁華地帶的某地鐵站，客流特點是早高峰出站人數(shù)多，晚高峰進站人數(shù)多。該地鐵站屬于地下兩層的雙層島式站臺，站廳層位于地下一層，站臺層位于地下二層。監(jiān)測地點是在地鐵站地下二層站臺。該站臺采用是屏蔽門系統(tǒng)。站臺是一個長158.7 m、寬10 m、高4.4 m的空間。站臺配有中央機械通風系統(tǒng)。

監(jiān)測點設(shè)在站臺的位置，從長度方向看基本在中部靠近垂直電梯處，寬度方向是離屏蔽門1 m處(人員經(jīng)常停留區(qū))，根據(jù)GB/T 17220—1998《公共場所衛(wèi)生監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》要求，人群呼吸帶范圍距地面1.2～1.5 m，故測試點高度選取離地1.2 m。為了避免受送風氣流和回風氣流影響，盡量避開人流通風道和空調(diào)通風口。

采樣時間是在2016年的8月，選擇工作日，列車正常運行。具體為8月2日(周二)的11：15～17：30，8月3日(周三)的6：50～19：50，8月5日(周五)的9：30～17：30。監(jiān)測時段基本覆蓋了高峰期和非高峰期。根據(jù)測試階段給出的室外氣象數(shù)據(jù)，得出測試時間的室外氣象參數(shù)如表1所示。

表1 室外氣象參數(shù)

圖1 8月3日地鐵站小時人流量Fig.1 Hours flow of the subway station on August 3rd

8月3日地鐵站小時人流量如圖1所示。因地鐵站臺是人員流動性較大的一個空間，而乘客在站臺內(nèi)停留時間一般僅為列車運行的間隔時間，所以需要將小時客流量轉(zhuǎn)化成站內(nèi)人員數(shù)量。測試地鐵站在工作日早高峰時間段(7：15～9：00)列車間隔約3 min，在平峰時間段(9：00～17：00)列車間隔約5 min 30 s，在晚高峰時間段(17：00～20：00)約3 min 40 s，而在其他時間段的列車間隔為8～10 min(以上數(shù)據(jù)從上海地鐵官網(wǎng)得出)。根據(jù)以上運行間隔，假設(shè)小時客流量在對應小時內(nèi)是均勻進出站，乘客進站停留時間為列車間隔時間，出站的滯留時間需3～5 min，根據(jù)小時的進、出站客流量按式(1)計算站臺人員數(shù)量，即將小時人流量換算成等效的人員數(shù)量[15]為

(1)

式中：G為站臺人員數(shù)量，個；A1、A2分別為站臺小時進、出站人流量，人次/h；a、b分別為乘客進、出站的停留時間，min。

運行時段站臺人員數(shù)量在3d內(nèi)的變化情況如圖2所示。

圖2 為期3天的站臺人員數(shù)量隨時間變化圖Fig.2 The number of people on the platform for three days varies with time

1.2 采樣儀器

采樣儀器選用Grimm 1.108型便攜式氣溶膠光譜儀(德國Grimm公司)，該儀器可以對0.23～20.00 μm顆粒物質(zhì)量濃度進行監(jiān)測，數(shù)據(jù)記錄時間間隔設(shè)定為6 s。Grimm 1.108型氣溶膠光譜儀的測試參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 Grimm 1.108型氣溶膠光譜儀的測試參數(shù)設(shè)置

2 測試結(jié)果與分析

2.1 PM2.5和PM10在一天之內(nèi)濃度變化

本文首先分析了PM2.5和PM10的濃度分布，數(shù)據(jù)運用Origin 85軟件進行統(tǒng)計學分析。

由于每天的測試時間段不相同，且初步分析數(shù)據(jù)顆粒物的粒徑分布大致相同，因此將3 d的數(shù)據(jù)單獨分析。鑒于8月3日測試的時間段最為完整，基本覆蓋了列車從開始運行到早高峰，再經(jīng)歷非高峰時段到晚高峰，故首先詳細分析8月3日的監(jiān)測數(shù)據(jù)。8月3日室外顆粒物濃度如圖3所示。其中，上下兩條直線為標準差(SD)，表征顆粒物濃度在平均值水平上的離散程度，中間直線為平均值(Mean)，表征顆料物在測試時間段的平均濃度。由圖3可知，在測試階段該地鐵車站所處的室外空氣顆粒物含量相較于GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》的濃度限值低。

8月3日某地鐵站臺從列車開始運營到晚高峰的PM2.5和PM10濃度特征和變化趨勢如圖4所示。

(a) PM10

(b) PM2.5 圖3 8月3日室外PM10和PM2.5濃度的日變化趨勢

Fig.3DiurnaltrendofoutdoorPM10andPM2.5concentrationsonAugust3rd

(b) PM2.5 圖4 8月3日地鐵站臺PM10和PM2.5濃度的日變化趨勢Fig.4 The diurnal trend of PM10 and PM2.5 concentration in one subway station on August 3rd

從圖4中明顯看出：PM2.5和PM10質(zhì)量濃度變化趨勢大致相同，較高濃度的時間段在7：30～12：00之間，9：00左右出現(xiàn)了一個明顯的峰值；隨著晚高峰到來，PM2.5和PM10的濃度有增大趨勢，但都沒有達到早高峰時段濃度的最大值。一天之內(nèi)，顆粒物濃度波動范圍較大，在平均值上的離散程度明顯。對應于地鐵站臺人員數(shù)量(見圖2)分析可以看出，PM2.5和PM10的濃度隨人員數(shù)量增加而變大，反之，隨人員數(shù)量減小而變小。

從圖4可以看出，一天之內(nèi)PM2.5的濃度在(17.95±8.86)μg/m3附近波動，PM10的濃度為(20.11±9.62)μg/m3。為了更好地看出PM2.5在PM10中所占比例，繪制了PM2.5在PM10中濃度比例圖(如圖5所示)，可以看出PM2.5在PM10所占的比例高達88%，可見地鐵站臺內(nèi)部的顆粒物以細顆粒物為主。該結(jié)論與其他地鐵站的研究結(jié)果類似[16-18].GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》指出地下車站公共區(qū)域空氣可吸入顆粒物PM10的日平均濃度應低于0.25 mg/m3[19]，可見測試地鐵站臺的PM10的日平均濃度達標。由于GB50157)—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》尚未規(guī)定PM2.5指標，可以參照GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》來評定(一級限值是35 μg/m3，二級限值是75 μg/m3)[1]。而2.5～10 μm之間顆粒物的濃度可參照美國環(huán)保署制定的《潔凈空氣法》(標準為24 h周期內(nèi)150 μg/m3)。從測試結(jié)果可以看出，被測試站臺的空氣質(zhì)量達標。

影響地鐵站臺PM2.5和PM10濃度的因素有很多，除受引入新風(主要是受外部道路交通的影響[17])的顆粒物濃度和空調(diào)過濾器性能的影響，還有隧道里的空氣通過屏蔽門縫隙的透過率、交通和乘客密度[20]。

圖5 8月3日監(jiān)測結(jié)果PM2.5在PM10中所占比例Fig.5 PM2.5 in the proportion of PM10 in monitoring results on August 3rd

對比圖2和圖4可以發(fā)現(xiàn)，顆粒物濃度和人員數(shù)量都存在早晚兩個峰值，可見顆粒物濃度和人員數(shù)量是有關(guān)系的。但分析顯示，早高峰人員數(shù)量是晚高峰的1.22倍，而PM2.5和PM10濃度在早高峰和晚高峰的比值大約是2.5，也就是說晚高峰的PM2.5和PM10濃度遠低于早高峰，但是站臺人員數(shù)量卻并沒有相差那么大。這一現(xiàn)象說明早高峰的顆粒物濃度除受人員數(shù)量的影響，應該還有其他因素影響，而且該影響因素和人員數(shù)量有關(guān)系。經(jīng)考察分析，推測可能的原因是：夜晚地鐵內(nèi)的空調(diào)通風系統(tǒng)沒有開，顆粒物都懸浮在站臺空間內(nèi)，所以早晨站臺的背景濃度已較高，故早高峰濃度峰值很高，而白天地鐵內(nèi)機械通風系統(tǒng)一直處于開啟的狀態(tài)，顆粒物不會在空間內(nèi)堆積，而是通過排風系統(tǒng)被處理，晚高峰之前一段平峰時間顆粒物濃度處于一天之內(nèi)的最低值，因此晚高峰時顆粒物濃度增長不會到達早高峰時的峰值。

2.2 不同粒徑范圍濃度監(jiān)測結(jié)果分析

由前面分析可以看出，PM2.5在PM10中所占比例高達80%以上，由此說明小粒徑顆粒物更值得關(guān)注，且因PM10本身包含PM2.5，籠統(tǒng)給出的濃度掩蓋了其中不同粒徑范圍濃度變化的特點，有必要將不同粒徑的顆粒物剝離開單獨進行分析。粒徑為2.5～10.0 μm的顆粒物可以進入鼻腔至中支氣管；粒徑為1.0～2.5 μm的顆粒物進入支氣管末端；粒徑為1.0 μm以下的顆粒物就要通過肺泡進入血液系統(tǒng)[21]。故下面按0.23～1.00 μm、 1.0～2.5 μm、 2.5～10.0 μm、 10.0 μm以上共4個粒徑范圍分別進行研究。

4個不同粒徑范圍的顆粒物濃度分布如圖6所示。從圖6中可以看出，0.23～1.00 μm粒徑范圍內(nèi)的顆粒物濃度最高，其次是粒徑范圍在2.5～10.0 μm的顆粒物。粒徑在1.0～2.5 μm和大于10.0 μm的顆粒物濃度較小。粒徑范圍為0.23～1.00 μm的顆粒物濃度波動幅度較大，顆粒物濃度在平均值上的離散程度較明顯，而其他粒徑顆粒物的濃度在一天之內(nèi)變化不明顯。

對粒徑范圍為0.23～1.00 μm而言，顆粒物濃度從早上6：50起逐漸增大到9：00左右達到第一個峰值，之后顆粒物濃度逐漸降低，在下午14：00左右降到最低，之后隨著客流量逐漸增大又開始上升，但遠低于早高峰的濃度峰值。對應于圖2，可以看出粒徑為0.23～1.00 μm的顆粒物濃度變化和人員數(shù)量變化的規(guī)律及幅度相關(guān)。這與文獻[22-23]得出的地鐵站臺內(nèi)無論是細顆粒還是粗顆粒濃度在高峰期均高于非高峰期的結(jié)論一致。

在大于10.0 μm的粒徑范圍內(nèi)的顆粒物，很多時刻濃度為0。這可能是由于大于10.0 μm的粒徑顆粒物是由列車和軌道之間的摩擦產(chǎn)生的，該顆粒物隨列車進出站帶動隧道里的活塞風流動，當屏蔽門打開進入站臺，故出現(xiàn)了一定的間斷。

為進一步弄清粒徑為1.0～2.5 μm和2.5～10.0 μm顆粒物的濃度分布，故改變縱坐標刻度，結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看出，粒徑在1.0～2.5 μm和2.5～10.0 μm兩個范圍內(nèi)的顆粒物均在9：10左右出現(xiàn)了一個峰值，隨后到10：20這一時間段，顆粒物濃度一直降低，在此之后的顆粒物濃度大致保持不變，須注意的是粒徑在2.5～10.0 μm比1.0～2.5 μm范圍內(nèi)的顆粒物濃度稍大。這一結(jié)果與文獻[24-25]所監(jiān)測和研究的地鐵站臺內(nèi)部顆粒物一天之內(nèi)分布情況相一致。

(a) 0.23～1.00 μm

(b) 1.0～2.5 μm

(c) 2.5～10.0 μm

(d) 10.0 μm以上 圖6 8月3日Grimm 1.108監(jiān)測的不同粒徑分布情況Fig.6 Grimm 1.108 monitoring the distribution of different particle size on August 3rd

(a) 2.5～10.0 μm

(b) 1.0～2.5 μm 圖7 2.5～10.0 μm和1.0～2.5 μm顆粒物一天之內(nèi)濃度分布圖Fig.7 2.5-10.0 μm and 1.0-2.5 μm particles concentration distribution within one day

2.3 其他檢測日的顆粒物濃度分析

8月2日監(jiān)測得出的不同粒徑顆粒物分布如圖8所示。從上午11：06至下午17：32共監(jiān)測到3 868個樣本點。從圖8可以看出，不同粒徑顆粒物的分布情況和8月3日的監(jiān)測結(jié)果相似，粒徑為0.23～1.00 μm的顆粒物最多，其他粒徑范圍內(nèi)的顆粒物分布情況不明顯，測量時間內(nèi)分布情況保持不變。所有不同粒徑顆粒物都有著基本相同的變化規(guī)律，在11：06到12：30這一時間段內(nèi)，地鐵站人流量比較小，顆粒物濃度不斷減少并且保持在比較低的值域內(nèi)，此后一直到了14：10這一時間段，隨著人流量的增加，顆粒物的濃度有所增加，在14：10～16：30時間段，顆粒物濃度一直在平穩(wěn)的范圍內(nèi)，幾乎沒有增長，直到16：30以后，顆粒物濃度驟然增長到一個最大值，之后再緩慢降低。這種現(xiàn)象主要由客流量的變化而引起的，乘客的流量變化帶動空氣中顆粒物的流動和擴散，當人流量增加時空氣中的顆粒物濃度逐漸升高。

此外，從不同粒徑顆粒物的濃度來看，粒徑在0.23～1.00 μm的顆粒物所占比例更多，4種粒徑范圍內(nèi)的顆粒物變化趨勢大致相同，且細顆粒物對周圍環(huán)境的敏感度比粗顆粒物的高。8月2日監(jiān)測得出的PM2.5和PM10的濃度分布如圖9所示。從圖9中可以得出，PM2.5和PM10的變化趨勢保持一致，且PM2.5在PM10中占了較高的比例。

(a) 0.23～1.00 μm

(b) 1.0～2.5 μm

(c) 2.5～10.0 μm

(d) 10.0 μm以上 圖8 8月2日Grimm 1.108監(jiān)測的不同粒徑分布情況Fig.8 Grimm 1.108 monitoring the distribution of different particle size on August 2nd

(a) PM10

(b) PM2.5 圖9 8月2日PM10和PM2.5濃度的日變化趨勢Fig.9 The diurnal trend of PM10 and PM2.5 concentration on August 2nd

8月5日上午9：29至下午17：27監(jiān)測得到的4 787個樣本點所繪制出的不同粒徑顆粒物分布圖以及PM2.5和PM10的濃度分布圖分別如圖10和11所示。從圖10和11中可知，8月5日顆粒物的濃度分布情況與前兩天的大致保持一致，在此就不多做贅述。8月2日和8月5日的測試結(jié)果從一定程度上說明了該地鐵車站站臺的空氣品質(zhì)具有一定的穩(wěn)定性和基本一致的規(guī)律。

(a) 0.23～1.00 μm

(b) 1.0～2.5 μm

(c) 2.5～10.0 μm

(d) 10.0 μm以上 圖10 8月5日Grimm 1.108監(jiān)測的不同粒徑分布情況Fig.10 Grimm 1.108 monitoring the distribution of different particle size on August 5th

(a) PM10

(b) PM2.5 圖11 8月5日PM10和PM2.5濃度的日變化趨勢Fig.11 The diurnal trend of PM10 and PM2.5 concentration on August 5th

3 結(jié) 論

(1) 在室外顆粒物濃度較低的情況下，地鐵站臺內(nèi)粒徑為0.23～1.00 μm的細顆粒物濃度最高，粒徑為1.0～2.5 μm和2.5～10.0 μm的顆粒物位居其次，且此兩種粒徑范圍的顆粒物濃度相差無幾，粒徑大于10.0 μm的顆粒物濃度最低且具有間斷性。PM2.5在PM10中占比高達88%，可見地鐵站臺內(nèi)部以細顆粒物為主。

(2) PM2.5和PM10的濃度變化與人員數(shù)量變化相關(guān)，早高峰時濃度最大，晚高峰時的濃度低于早高峰。推測原因是夜間空調(diào)不運行，如需降低早高峰顆粒物濃度可以選擇早開空調(diào)進行過濾，降低背景濃度。

(3) 測試地鐵站在室外顆粒物濃度較低的情況下站臺的空氣質(zhì)量達標，測試地鐵的PM10日平均濃度小于GB 50157—2013規(guī)定的可吸入顆粒物PM10的日平均濃度，并且其PM2.5濃度處于GB 3095—2012規(guī)定的一級限值內(nèi)。