文_柳孟光 王春青 王凱琳 吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院
長春軌道交通系統(tǒng)由五條線路組成,運行里程為100.17km,極大地滿足了城市快速發(fā)展需求,為市民提供了更加便捷的出行方案,2019年的數(shù)據(jù)顯示,長春地鐵系統(tǒng)共接待了1.68億人次,每天最大客流量為93.8萬人次。然而,由地鐵運行車輪與軌道摩擦、場站裝飾材料和保溫材料、高度密集的人群和氣候條件等因素導(dǎo)致的地鐵場站內(nèi)的空氣質(zhì)量問題也日益凸顯出來,成為當(dāng)下亟待解決的環(huán)境問題。細(xì)顆粒物是地鐵顆粒物的重要組成,是站內(nèi)空氣質(zhì)量重要的影響因素,其中10μm直徑以上的顆粒物通常沉積在上呼吸道,2μm以下的可深入到細(xì)支氣管和肺泡,直接影響肺的通氣功能,使機體容易處在缺氧狀態(tài)。已有流行病學(xué)證據(jù)表明,PM2.5有急性與慢性健康效應(yīng),急性健康效應(yīng)體現(xiàn)在高PM2.5暴露增加患急性呼吸道疾病與心腦血管疾病的風(fēng)險,慢性健康效應(yīng)體現(xiàn)在PM2.5可能誘發(fā)肺癌、COPD(慢性阻塞型肺炎)、心腦血管疾病等慢性疾病,也有研究表明對細(xì)顆粒物的暴露會影響人的免疫系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)等。與較粗的大氣顆粒物相比,細(xì)顆粒物粒徑小,富含大量的有毒、有害物質(zhì)且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠(yuǎn),因而對人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響更大。因此,有必要對長春地鐵顆粒物污染進(jìn)行現(xiàn)場實測,根據(jù)分析結(jié)果確定影響車站顆粒物濃度的因素,并提出合理有效的解決方案。
本次實測主要選取長春地鐵1號線的市政府站進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集工作,市政府地鐵站是一座地下島式車站,車站設(shè)計了5個出入口與室外連接,站廳層的兩端是車站各功能區(qū)的設(shè)備房,站廳層與站臺層是通過兩個雙跑樓梯,一臺垂直電梯,兩臺扶梯相連接。其中,市政府車站為非換乘車站,全站采用全高屏蔽門系統(tǒng),地鐵車站構(gòu)造簡單,客流量少,對實測顆粒物濃度的影響因素少。
該 站 的 高 峰 時 間 段 為 上 午8:30~9:00,下 午16:30~18:00,根據(jù)客流的出行規(guī)律及室外顆粒物的污染水平,本研究實測顆粒物濃度的時間為2020年11~12月,并將每日監(jiān)測時間劃分為4個時間段:8:00~9:30、9:35~11:00、15:00~16:30、16:35~18:00。在2019年12月13日、12月15日、12月16日對站內(nèi)外的PM2.5進(jìn)行采樣收集,采樣時間設(shè)置為7:30~10:30、12:00~15:00、15:30~18:30,單次更換石英濾膜時間為3h。在此方案中9:35~11:00、15:00~16:30、12:00~15:00時間段測試和收集非高峰期的顆粒物,方便比較兩個峰值時間段顆粒物濃度和其攜帶化學(xué)組分的差異性。
本次測試選取市政府地鐵站的站臺、站廳、近車門及站外4個區(qū)域進(jìn)行實測顆粒物濃度,選擇4個測量點的原因如下:站外測量點可以更好地確定站內(nèi)顆粒物是否受站外氣候影響,站廳測量可與站臺測量點形成對比不同車站深度顆粒物濃度水平和變化規(guī)律,站臺層的兩個測量點主要是比較活塞效應(yīng)對兩個區(qū)域顆粒物的影響是否存在差異。在PM2.5的收集過程中,我們使用中流量PM2.5采集器配備石英過濾膜對站外和站臺末端環(huán)境中的PM2.5進(jìn)行采樣。
本次測試主要使用的儀器包括攜式顆粒計數(shù)器測量總懸浮顆粒物(TSP)、PM10、PM4、PM2.5和PM1濃度。該儀器采用激光二極管原理,測量范圍為0~1000μg/m3,采樣時間設(shè)置為1min記錄數(shù)據(jù),校準(zhǔn)采樣流量為2.831L/min。使用WZYW-1儀器測量溫度、濕度和二氧化碳濃度,測試儀器具備實時測量和數(shù)據(jù)記錄功能,設(shè)置1min記錄一次數(shù)據(jù),且所有設(shè)備在測試前進(jìn)行校準(zhǔn)。PM2.5采樣前應(yīng)對石英過濾膜進(jìn)行3h的300℃預(yù)燃燒和45℃的干燥,確保石英濾膜沒有其他雜質(zhì)和水分,避免對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行干擾。另外在實測過程中收集了2個空白樣本,以糾正過濾膜的偽影。使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀檢測PM2.5的化學(xué)組分,在檢測前對石英濾膜樣品進(jìn)行王水消解成酸性水樣,檢測過程中設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)曲線的相關(guān)系數(shù)>0.999,設(shè)置5個標(biāo)準(zhǔn)梯度為0.01、0.05、0.1、0.2、0.5ppm,在分析待測樣品的同時并檢測分析2個空白樣品,以確保檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
圖1反映的是當(dāng)站外空氣質(zhì)量處于優(yōu)、良、輕度污染和嚴(yán)重污染狀態(tài)時,地鐵車站內(nèi)不同區(qū)域PM2.5的濃度變化趨勢。根據(jù)中國監(jiān)測網(wǎng)的新空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等級劃分室外工況進(jìn)行實測,實測工況包括優(yōu)(0~35μg/m3)、良(35~75μg/m3)、輕度污染(115~150μg/m3)、嚴(yán)重污染(150~250μg/m3)4種狀態(tài)。當(dāng)站外環(huán)境中PM2.5濃度小于30μg/m3時,公共區(qū)域環(huán)境中PM2.5的濃度范圍為59.9~127.6μg/m3,站臺區(qū)域的PM2.5污染最為嚴(yán)重,站外PM2.5污染最輕。
圖1
當(dāng)站外環(huán)境中PM2.5濃度超過30μg/m3且小于90μg/m3時,公共區(qū)域環(huán)境中PM2.5的濃度范圍為75.6~163μg/m3,車站污染情況與上面的情況相同。
當(dāng)站外環(huán)境中PM2.5濃度超過120μg/m3且小于150μg/m3時,公共區(qū)域環(huán)境中PM2.5的濃度范圍為93.8~173.3μg/m3,車站污染情況大致呈現(xiàn):站臺>站廳>近車門區(qū)域>站外。當(dāng)站外環(huán)境中PM2.5濃度超過150μg/m3時,公共區(qū)域環(huán)境中PM2.5的濃度范圍為69.6~212.4μg/m3,此時站外的PM2.5污染高于車站內(nèi)所有區(qū)域。
通過對結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)站外空氣品質(zhì)處于優(yōu)、良、污染狀態(tài),車站內(nèi)空氣質(zhì)量一直處于污染狀態(tài),且站臺環(huán)境中PM2.5的污染比站廳層的污染更為嚴(yán)重。在長春地鐵測試中我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)站外環(huán)境中PM2.5濃度超過150μg/m3時,站臺的顆粒物濃度水平就低于室外。
本文采用SPSS對同步采集的站臺與屏蔽門處數(shù)據(jù)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析,兩個變量之間的相關(guān)性用相關(guān)系數(shù)R表示(0<R<1表示正相關(guān),-1<R<0表示負(fù)相關(guān);值越接近1或-1,相關(guān)性越強,R=0表示不相關(guān))。R2值接近于1,說明曲線擬合程度越好,預(yù)測數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確,結(jié)合表1數(shù)據(jù)可以看出不同粒徑的顆粒物之間具有顯著的相關(guān)性。
表1中數(shù)據(jù)反映出車站的溫度、濕度和二氧化碳濃度與PM10的相關(guān)性較差,R值分別為-0.122、0.070和-0.027。其中,車站環(huán)境中的溫度、二氧化碳濃度與PM10濃度呈較弱的負(fù)相關(guān)性,濕度與PM10濃度呈較弱正相關(guān)性,濕度與溫度、PM1的負(fù)相關(guān)性較強,不同粒徑的顆粒物之間的相關(guān)性如下:PM1與PM2.5的R值為0.941、PM2.5與PM4的R值為0.962、PM4與PM10的R值為0.966、PM2.5與PM10的R值為0.876、PM1與PM10的R值為0.836、PM1和PM4的R值為0.910;通過以上數(shù)據(jù)反映出顆粒物之間相關(guān)性相當(dāng)顯著,尤其PM4與PM10、PM2.5之間的相關(guān)性非常強,代表PM4與PM10、PM2.5之間的相關(guān)聯(lián)程度非常密切。通過不同粒徑顆粒物間的顯著相關(guān)性,我們提出選擇適當(dāng)控制PM4的濃度來降低車站整體顆粒物的污染水平。
表1 相關(guān)性分析
通過對比發(fā)現(xiàn)站內(nèi)外環(huán)境中的PM2.5的結(jié)構(gòu)存在明顯差異。站外PM2.5攜帶的單個顆粒形態(tài)主要為球狀和塊狀,而站臺末端PM2.5攜帶的單個顆粒形態(tài)主要為片狀、絮狀。我們根據(jù)PM2.5不同的形態(tài)結(jié)構(gòu)對站內(nèi)外環(huán)境中PM2.5所攜帶的單個顆粒進(jìn)行能譜分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),2個區(qū)域中單個顆粒所攜帶的C、O和Si元素含量都相對較高,其中站外環(huán)境中PM2.5檢測出13種元素的出峰信號(C、O、Si、Ca、Na、Ti、Mg、K、S、Ag、Cl、Fe、Al),C、O、Si、Ca信號較強;站臺端部環(huán)境檢測到6種元素的出峰信號(C、O、Si、Mn、Cl和Fe),金屬元素Fe、Mn的信號較強。由于金屬元素Fe、Mn的出峰信號明顯強于其他金屬元素,我們認(rèn)為地鐵車站內(nèi)部可能存在金屬元素Fe、Mn的產(chǎn)生源。針對PM2.5所攜帶大量的金屬元素可能會被乘客吸入體內(nèi)造成不可逆的傷害,建議乘客和工作人員應(yīng)佩戴N95口罩降低PM2.5的危害性或車站在應(yīng)有的空調(diào)系統(tǒng)中增加三層過濾裝置和靜電吸附裝置,以解決顆粒物的污染問題。
本研究調(diào)查了長春地鐵站顆粒物的濃度水平,分析了PM2.5所攜帶單個粒子的化學(xué)組分和形態(tài)結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)長春地鐵站內(nèi)的顆粒物污染較為嚴(yán)重,冬季應(yīng)增加站內(nèi)新風(fēng)量以稀釋各區(qū)域的顆粒物濃度,減少顆粒物污染對乘客健康的影響。車站內(nèi)的溫度、濕度和二氧化碳濃度對顆粒物濃度的影響較小的,但不同粒徑的顆粒物之間卻存在著很強的相關(guān)性,可以適當(dāng)控制某一粒徑的顆粒物的濃度水平去制約和影響其他粒徑顆粒物的濃度水平。通過對兩個區(qū)域PM2.5樣品的掃描電鏡實驗發(fā)現(xiàn),站內(nèi)外環(huán)境中的PM2.5所攜帶的單個粒子的結(jié)構(gòu)和形態(tài)特征存在差異。在兩個區(qū)域的PM2.5樣品的能譜實驗中檢測到Fe、Mn等金屬元素,若PM2.5攜帶過量的金屬元素被乘客吸入體內(nèi),可能會給乘客和工作人員造成不可逆的健康問題。我們建議乘客和工作人員應(yīng)佩戴N95口罩降低PM2.5的危害性。