李 嚴(yán) 譚慶慧 李曉鋒 王 旭 黃 幸 李 亮

(1.清華大學(xué),北京;2.南寧軌道交通集團(tuán)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(shì),截至2021年底,我國(guó)大陸地區(qū)累計(jì)有50個(gè)城市運(yùn)營(yíng)軌道交通線路283條,運(yùn)營(yíng)線路總長(zhǎng)度9 206.8 km,其中地鐵運(yùn)營(yíng)里程7 209.7 km,占比78.3%[1],新增運(yùn)營(yíng)線路和累計(jì)運(yùn)營(yíng)線路長(zhǎng)度創(chuàng)歷史新高。地鐵以其準(zhǔn)時(shí)、便捷、舒適及客運(yùn)量大等優(yōu)勢(shì),越來越受到人們的歡迎,2021年度新增地鐵運(yùn)營(yíng)線路928.8 km,占比達(dá)75.1%[1]。但由于地鐵通常處于地下,是一個(gè)相對(duì)封閉的環(huán)境,自然通風(fēng)不足時(shí)不利于空氣中污染物的稀釋,又因?yàn)槿狈﹃?yáng)光照射,人群密集、流動(dòng)性大,易引起疾病傳播,對(duì)地鐵員工及乘客的身體健康構(gòu)成的威脅要比其他交通工具更為嚴(yán)重[2-4]。隨著地鐵運(yùn)營(yíng)里程和客運(yùn)量的增加,以及人們對(duì)健康的重視不斷提升,地鐵空氣品質(zhì)狀況也日益受到人們的關(guān)注。早期,人們對(duì)于地鐵空氣品質(zhì)的關(guān)注及測(cè)試主要針對(duì)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(xué)者對(duì)地鐵內(nèi)顆粒物的特性進(jìn)行研究,但大部分研究受限于客觀條件僅進(jìn)行了短期的間歇測(cè)試。國(guó)內(nèi)的研究地點(diǎn)集中于上海、廣州、深圳、北京、西安、香港[10-25],國(guó)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(duì)地鐵車站公共區(qū)域和列車車廂開展環(huán)境監(jiān)測(cè),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(chǎng)測(cè)試結(jié)果顯示,站內(nèi)可吸入顆粒物PM10的質(zhì)量濃度超標(biāo)372 μg/m3左右,細(xì)顆粒物PM2.5的質(zhì)量濃度超標(biāo)293 μg/m3左右[14];斯特哥爾摩地鐵站臺(tái)的PM2.5 質(zhì)量濃度達(dá)到260 μg/m3,比街道高10倍[30];倫敦地鐵系統(tǒng)內(nèi)的PM2.5濃度也比地面高3～8倍[32];首爾地鐵站內(nèi)的PM10平均質(zhì)量濃度為207 μg/m3左右,站內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度則普遍超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的濃度限值[33]。綜上所述,目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展的地鐵內(nèi)空氣品質(zhì)研究均針對(duì)一些地鐵建設(shè)較為發(fā)達(dá)、客運(yùn)量較大的城市。

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外地鐵內(nèi)顆粒物相關(guān)研究的文獻(xiàn)調(diào)研,可以發(fā)現(xiàn)有不少學(xué)者認(rèn)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(gè)重要因素[17-20]。雖然我國(guó)已建成軌道交通的城市、運(yùn)營(yíng)里程位居世界前列,但線網(wǎng)客運(yùn)強(qiáng)度卻普遍較低[35]。截至2021年底,我國(guó)大陸地區(qū)已開通軌道交通運(yùn)營(yíng)的50個(gè)城市中,共計(jì)34個(gè)城市的線網(wǎng)規(guī)模低于200 km,其中有26個(gè)城市的線網(wǎng)規(guī)模低于100 km,運(yùn)營(yíng)線路3條及以下的城市仍有26個(gè)[1],尚未形成密集網(wǎng)絡(luò)。2021年,上海、廣州、北京、深圳、成都的客運(yùn)量占全國(guó)總客運(yùn)量的56.9%;另有35個(gè)城市的日均客運(yùn)量未達(dá)到甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足100萬(wàn)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(dá)性較差,因此客流吸引力、客流強(qiáng)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(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)均將處于初期和近期客流量的運(yùn)營(yíng)階段。因此,對(duì)于低客流量地鐵內(nèi)空氣品質(zhì)的研究也不容忽視。

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

圖1 2021年已開通運(yùn)營(yíng)、在建及規(guī)劃地鐵線路的 43個(gè)城市年均PM2.5質(zhì)量濃度

1 研究?jī)?nèi)容

1.1 測(cè)試車站和時(shí)間

本次實(shí)測(cè)研究選取南寧地鐵3號(hào)線的1個(gè)地下2層島式站臺(tái)非換乘車站,車站采用全高屏蔽門系統(tǒng)。在以往的關(guān)于國(guó)內(nèi)外地鐵車站內(nèi)顆粒物的研究中,主要針對(duì)的是未安裝站臺(tái)門或采用半高屏蔽門的地鐵車站。也有研究表明,車站站臺(tái)的PM2.5濃度水平與站臺(tái)是否安裝全高屏蔽門有直接關(guān)系[34]。近年來,我國(guó)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(jìn)入軌行區(qū)造成傷害,改善了候車環(huán)境,同時(shí)也有效降低了空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗。因此,本文針對(duì)全高屏蔽門車站的站內(nèi)PM2.5濃度水平進(jìn)行研究。

測(cè)試線路于2019年6月6日開通試運(yùn)營(yíng),運(yùn)營(yíng)初期的全日行車間隔均為8 min,運(yùn)營(yíng)時(shí)間為06:30—23:50。測(cè)試車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)采用雙風(fēng)機(jī)一次回風(fēng)全空氣系統(tǒng),公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱大系統(tǒng))分為小新風(fēng)運(yùn)行和全新風(fēng)運(yùn)行2種工況。本次實(shí)測(cè)研究自2019年9月8日起開始,持續(xù)到次年2月。在測(cè)試期間,9月8日至11月30日空調(diào)系統(tǒng)執(zhí)行小新風(fēng)工況,12月1日至次年2月29日?qǐng)?zhí)行全新風(fēng)工況;小新風(fēng)工況和全新風(fēng)工況時(shí)大系統(tǒng)送風(fēng)機(jī)、回/排風(fēng)機(jī)均以相同的頻率運(yùn)行,即均為送回(排)平衡模式。測(cè)試期間連續(xù)監(jiān)測(cè)的區(qū)域包括站廳、站臺(tái)、區(qū)間隧道,監(jiān)測(cè)的空氣參數(shù)為PM2.5濃度和環(huán)境參數(shù)(溫度、相對(duì)濕度及CO2濃度),數(shù)據(jù)采集的時(shí)間間隔為10 s,以研究2種工況下地鐵車站內(nèi)PM2.5濃度變化規(guī)律。

1.2 測(cè)試儀器

測(cè)試采用的主要儀器為Airbay空氣質(zhì)量檢測(cè)儀,其PM2.5濃度的測(cè)量精度為±5%,溫度的測(cè)量精度為±0.5 ℃,相對(duì)濕度的測(cè)量精度為±5%,CO2濃度的測(cè)量精度為±3%。同時(shí),測(cè)試期間為每臺(tái)儀器配備了移動(dòng)WiFi,以保證測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

2 測(cè)試結(jié)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(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站的全國(guó)城市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(tái)發(fā)布的南寧市“市監(jiān)測(cè)站”實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[37],時(shí)間周期為1 h。

由于顆粒物對(duì)人體健康的不良影響,世界各國(guó)均設(shè)立了相關(guān)控制標(biāo)準(zhǔn)。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(duì)健康的影響提供了全球性指導(dǎo),并與2021年9月22日發(fā)布了《AQG 2021》[38]。我國(guó)自2016年1月1日起實(shí)施的GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[39]對(duì)幾種主要污染物的標(biāo)準(zhǔn)取值則以《AQG 2005》的“過渡時(shí)期目標(biāo)-1”作為取值標(biāo)準(zhǔn)。本次測(cè)試收集到的有效數(shù)據(jù)天數(shù)為174 d,根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于PM2.5濃度限值的規(guī)定,對(duì)測(cè)試期間室外PM2.5濃度分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如圖2所示。室外環(huán)境中的PM2.5濃度滿足空氣質(zhì)量指數(shù)級(jí)別一級(jí)(優(yōu))、二級(jí)(良)和三級(jí)(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(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》,商業(yè)交通居民混合區(qū)屬于二類區(qū),適用二級(jí)濃度限值,則站廳、站臺(tái)和隧道的PM2.5濃度不滿足二級(jí)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(jí)質(zhì)量濃度24 h平均限值75 μg/m3;(15,35] μg/m3滿足GB 3095—2012中一級(jí)質(zhì)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(zhì)量濃度準(zhǔn)則值15 μg/m3及GB 3095—2012中一級(jí)質(zhì)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(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)站臺(tái)、站廳和隧道的PM2.5濃度表現(xiàn)出較高的波動(dòng)性,其波動(dòng)變化趨勢(shì)與室外大氣環(huán)境的PM2.5 濃度呈現(xiàn)極強(qiáng)的正相關(guān)性。對(duì)小新風(fēng)工況和全新風(fēng)工況條件下站廳、站臺(tái)和隧道內(nèi)的日均PM2.5濃度水平進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并與室外PM2.5濃度值進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖3所示。圖3中相對(duì)室外濃度比為室內(nèi)濃度與室外濃度之比,框線內(nèi)包含下四分位至上四分位之間的值,框內(nèi)實(shí)心水平線表示中值,×符號(hào)表示平均值,3個(gè)數(shù)值分別為最大值、中值和最小值。

圖3 小新風(fēng)和全新風(fēng)條件下逐時(shí)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(tái)到隧道逐漸增大的趨勢(shì);對(duì)于小新風(fēng)和全新風(fēng)工況,站廳、站臺(tái)及隧道內(nèi)的PM2.5濃度水平分布規(guī)律相似,大系統(tǒng)的新風(fēng)比對(duì)站內(nèi)及隧道的PM2.5濃度的影響并不顯著。這主要是因?yàn)?1) 小新風(fēng)和全新風(fēng)工況時(shí),大系統(tǒng)均為送排平衡模式,2種工況下的總送風(fēng)量和總回(排)風(fēng)量是相同的;2) 運(yùn)營(yíng)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(fēng)量相同;3) 從圖3也可以看出,站臺(tái)和站廳的總回風(fēng)PM2.5濃度與室外PM2.5濃度的差異在5%之內(nèi),因此不管大系統(tǒng)新風(fēng)比如何變化,新風(fēng)與回風(fēng)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(diào)箱過濾器過濾后的送風(fēng)濃度亦相近。基于以上原因可知,大系統(tǒng)的新風(fēng)比對(duì)車站內(nèi)各處的PM2.5濃度沒有顯著影響。

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

圖4 不同室外環(huán)境下的站內(nèi)日均PM2.5質(zhì)量濃度

由于列車在運(yùn)行過程中車輪與鐵軌之間的不斷摩擦,尤其是制動(dòng)過程中產(chǎn)生的機(jī)械磨損會(huì)產(chǎn)生大量的顆粒物[13,24],因此會(huì)導(dǎo)致地鐵隧道內(nèi)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(nèi)的顆粒物濃度主要受2個(gè)因素的影響:1) 沉降作用會(huì)使室內(nèi)的顆粒物濃度降低;2) 列車運(yùn)行中產(chǎn)生的活塞風(fēng)會(huì)將隧道內(nèi)的空氣通過屏蔽門的縫隙擠壓進(jìn)車站內(nèi),從而導(dǎo)致站內(nèi)顆粒物濃度升高。站廳層由于受隧道滲風(fēng)的影響較小,受出入口滲風(fēng)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(tái)層則受隧道滲風(fēng)的影響相對(duì)較大,PM2.5濃度水平約為室外的1.1倍。

2.3 PM2.5濃度波動(dòng)趨勢(shì)分析

從上述實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出,站廳、站臺(tái)和隧道的日均PM2.5濃度水平表現(xiàn)出不同程度的波動(dòng)性。以圖4中室外日均PM2.5質(zhì)量濃度區(qū)間為(25,35] μg/m3時(shí)的站臺(tái)區(qū)為例進(jìn)行分析。圖5顯示了站臺(tái)PM2.5質(zhì)量濃度相對(duì)室外濃度比為1.38(室外PM2.5日均質(zhì)量濃度32 μg/m3)、1.08(室外PM2.5日均質(zhì)量濃度30 μg/m3)和0.88(室外PM2.5日均質(zhì)量濃度30 μg/m3)時(shí)室內(nèi)外時(shí)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(nèi)的PM2.5質(zhì)量濃度開始迅速降低,之后隨著列車的行駛,隧道內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度開始逐漸上升,同時(shí)隧道內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度對(duì)室外PM2.5質(zhì)量濃度波動(dòng)的反應(yīng)速度也較快,表現(xiàn)得更為敏感,當(dāng)室外濃度上升或降低時(shí),隧道內(nèi)的濃度會(huì)迅速表現(xiàn)出更大幅度的上升或降低;2) 每日早、晚高峰時(shí),站廳和站臺(tái)的PM2.5質(zhì)量濃度會(huì)出現(xiàn)明顯的上升,而被測(cè)車站的全日行車間隔是不變的,大系統(tǒng)全天的運(yùn)行狀態(tài)也是不變的,這說明客流量即站內(nèi)人員的擾動(dòng)對(duì)站內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度有一定的影響。

圖5 室內(nèi)外時(shí)均PM2.5質(zhì)量濃度波動(dòng)情況

3 結(jié)論

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

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

2) 站廳、站臺(tái)和隧道的PM2.5濃度變化趨勢(shì)與室外PM2.5濃度呈極強(qiáng)的正相關(guān)性。

3) 大系統(tǒng)新風(fēng)比對(duì)站廳、站臺(tái)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(tái)到隧道逐漸增大的趨勢(shì)。站廳層的PM2.5濃度水平約為室外的90%,站臺(tái)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(yùn)動(dòng)引起的活塞風(fēng)的影響,隧道內(nèi)的PM2.5濃度對(duì)室外PM2.5濃度波動(dòng)的反應(yīng)速度也較快,表現(xiàn)得更為敏感,當(dāng)室外濃度上升或降低時(shí),隧道內(nèi)的濃度則會(huì)迅速表現(xiàn)出更大幅度的上升或降低。

6) 被測(cè)車站的全天行車間隔不變、大系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)不變,而在每日早、晚高峰時(shí)站廳和站臺(tái)的PM2.5濃度會(huì)出現(xiàn)一個(gè)明顯上升的現(xiàn)象,這說明客流量對(duì)站內(nèi)的PM2.5濃度有一定的影響。