北京某地鐵車站細顆粒物分布特性研究

潘 嵩,王洪偉,王新如,谷雅秀,裴 斐

(1.北京工業大學綠色建筑環境與節能技術北京市重點實驗室,北京100124;2.北京工業大學建筑工程學院,北京100124;3.長安大學建筑工程學院,陜西西安710061)

研究表明地鐵站內污染物暴露水平相比于其他環境要高很多,與地面街道、市中心繁華街道相比,地鐵內細顆粒物濃度要高數倍,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],同時人們在地鐵中度過的時間也越來越長。據美國環保署(EPA)早在1993—1994年間對近萬人的跟蹤調查數據顯示,人們平均有7.2%的時間在地鐵中度過[2]。PM2.5污染造成的經濟損失越來越大,因此地鐵車站內的空氣品質尤其是細顆粒物污染受到國內外許多學者的高度關注。

迄今,國內外學者對不同的地鐵車站的PM2.5濃度及其影響因素進行了研究。目前國外已有的研究涵蓋的地點主要有紐約[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],中國現有的研究主要有上海[11]、臺北[12]、西安[13]。主要的研究方法是對地鐵環境不同位置進行測試,分析其濃度分布以及物理特性,使得人們對地鐵環境PM2.5有進一步認識。但是,現有研究主要集中在PM2.5濃度以及地鐵內分布規律等方面的研究,測試方法主要采用間歇測試。人們對于地鐵PM2.5的特性認識不足,對其來源以及產生方式沒有確定的結論。這些方面的研究仍需要大量前期數據支撐,來進一步的研究和測試。

對于不同類型的地鐵車站仍需要進一步的研究和數據積累。本文采用現場多測點連續實地測試的方法,彌補了前期研究間歇測試造成的數據不連續且存在時間差的缺陷。對北京地鐵車站—宋家莊站進行測試,針對大型復雜換乘站,對該車站的PM2.5分布規律特性進行研究,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境中PM2.5污染現狀以及PM2.5濃度影響因素的進一步認識具有重大意義,對今后地鐵PM2.5防治研究提供可靠的參考價值和數據支持。

1 測試內容和方法

1.1 測試車站

宋家莊為三線換乘車站,結構復雜,是重要的交通樞紐站,其設計滿足高峰小時客流集散量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個出口,車站結構見圖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號線開通投入運營;亦莊線車站于2010年12月30日隨著亦莊線開通投入運營;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營。宋家莊換乘車站對于地鐵車站的研究具有很強的代表性,它既包含了始發站和終點站,也包括了中間車站的特點。因此本文的測試地點選用三線換乘車站—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號線采用側式站臺,亦莊線采用港灣式月臺布局,直接和5號線終點站垂直連接,而10號線采用的是雙島式站臺布局,與5號線平行。測試階段地鐵車站運行采用空調季節最小新風運行模式。車站公共區通風空調系統站廳按均勻送、回/排風設計;站臺層設置均勻送風,在車行道上方與站臺板下設置回/排風道,車行道上方排風口與列車空調冷凝器對齊,站臺板下排風口均勻布置,在安全門以內公共區域設置集中回/排風道。車站送、回/排風機兼作車站的排煙風機,回/排風道兼作車站排煙風道。

1.2 測點分布

測試地點主要分布于宋家莊地鐵的公共區——站臺和站廳,站臺有10號線外環線(宋家莊開往成壽寺)和內環線(宋家莊開往石榴莊),亦莊線始發站與終點站臺以及5號線的始發站和終點站臺六個站臺。由于行車換乘,所有站臺均只開放一側車門,因此所有站臺均可以看作是側式站臺。站臺處的測點位置沿著站臺均勻分布靠近列車行駛側,每個站臺布置三個測點,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1距離站臺列車上行方向壁面2 m,測點3距離站臺列車下行方向壁面2 m,測點2為站廳的中間位置,具體測點位置見圖2。站廳一共有9個出口,測點布置在A、H、I出口的檢票口閘機位置,測點分別記為站廳1、2、3,測試高度為1.5 m。

圖2 宋家莊站站臺測點圖Fig.2 Measuring points of platform in Songjiazhuang Station

1.3 測試內容和方法

1.3.1 測試儀器

測試儀器TSI8532是一款具有數據記錄功能的光散射激光光度手持儀器,能夠實時顯示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,0.001 mg/m3取大值,零點穩定度為±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,能夠實現實時監測,具有體積小,重量輕,操作簡單,噪音低,穩定性好等特點,可以直讀,可以存儲、輸出電信號,具有價格便宜,耗材小,維護成本低等優勢。

1.3.2 測試方法及內容

每次使用儀器前都應對其進行零點的標定,每次進行零點標定前確保已經連接過濾膜。

測試時間為2016年3月,地鐵空調模式為通風模式,測試時間段為地鐵運行非高峰時段13:30～16:00以及列車運行高峰時段17:00～19:00。測試時采用多測點同步連續(室外環境同時測試)測試的方法,測試數據記錄時間為1 min/次。測試主要參數包含PM1.0、PM2.5、PM10以及溫濕度。

2 結果與討論

2.1 PM2.5檢測結果與分析

測試時同時測試室外環境參數,測試時間段選取列車非高峰運行時段,室外環境參數變化不大,因此室外環境參數選取時段的平均值,具體數值見表1。地鐵車站細顆粒物的測試結果見表2,表中的數據取列車非高峰運行時段測試數據。針對北京這一PM2.5污染嚴重的城市,測試日期選取的原則是室外環境處于不同的污染等級,如表1所示,室外環境分別處于優(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)、嚴重污染(高于300 μg/m3)。有助于對地鐵車站的PM2.5的污染進行全面客觀性的分析和比較。與表1中所列室外環境中的PM2.5濃度比較,在室外環境PM2.5污染程度為優的情況下,地鐵車站公共區的PM2.5平均濃度是室外環境PM2.5濃度的3～5倍,污染等級為良;在室外環境為良和中度污染的條件下,地鐵車站公共區的PM2.5平均濃度大約是室外環境的2倍,相對應的地鐵車站的污染等級分別為中度污染和重度污染;在室外環境為重度污染時,地鐵車站公共區的PM2.5平均濃度是室外環境的一半,地鐵車站的污染等級仍為中度污染;在室外環境為嚴重污染時,地鐵車站的PM2.5平均濃度為室外環境的60%～75%,地鐵車站公共區的污染等級為重度污染。對PM2.5與PM10的關系進行分析,PM2.5/PM10=0.68～0.86,平均值為0.77,說明站內PM2.5是站內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PM2.5/PM10=0.73以及Cheng等[12]研究的中國臺北地鐵站臺0.65～0.75,以及樊越勝[13]的結論PM2.5/PM10=0.64～0.87的結果相似。

表1 宋家莊車站站外同時測試空氣環境參數Tab.1 Outdoor test environment of Songjiazhuang Station

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

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

表2 宋家莊站測試結果Tab.2 Testing result of Songjiazhuang Station

2.2 站臺的測試結果

為明確站臺本身PM2.5濃度的變化,本文以室外空氣中度污染(3月2日)、優(3月10日)兩種情況下對同一車站—地鐵五號線始發站為例進行測試。3月2日測試結果PM2.5的平均濃度為220 μg/m3,PM10的平均濃度為257 μg/m3,3月10日測試結果PM2.5的平均濃度為26 μg/m3,PM10的值平均濃度為35 μg/m3。結合室外條件(表1),從圖3～4可以得知在室外環境為優和中度污染時,地鐵車站站臺的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號線始發站測試Fig.3 Test in Songjiazhuang Station of line 5 in Mar.2

從非高峰時段連續測試的結果可以看出,無論室外污染等級如何,地鐵站臺處的PM2.5濃度與PM10濃度都呈現一定的周期性的波動。圖3～4中,PM2.5與PM10的值波動同步呈現周期性規律(綠點表示列車駛入時刻),波動周期為列車的運行間隔時間。當列車駛進車站,站臺PM2.5與PM10的濃度會增加,當列車駛出車站,站臺PM2.5與PM10濃度會降低,這與潘嵩[14]的關于活塞風對地鐵車站的顆粒物濃度變化影響研究結論一致。

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

2.3 站廳的測試結果

對于站廳的測試結果,本文選取嚴重污染情況3月3日和環境質量為優的3月11日為例,如圖5～6所示,測點數據采取受到列車運行頻率影響相同的靠近地鐵10號線的A、I、H三個出口處的數據,分別記為出口1,2,3。當室外空氣品質為優,室外環境平均濃度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;當室外環境空氣品質為嚴重污染時，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。當室外環境嚴重污染時,站廳也是嚴重污染狀態,但是數據小于室外;當室外環境為優時,站廳內數據也會降低,但是數值比室外要高。

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個出口處的PM2.5濃度接近,結合表2中給出的數據,可以得知,在列車運行和車站結構等條件相同的情況下,即使3月3日的室外環境污染程度高于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日地鐵車站站臺的PM2.5濃度。對比室外環境相同的3月9日和3月11日,也能得到相同的結論,說明在客觀條件相同的條件下,站廳PM2.5濃度高于站臺PM2.5濃度,這說明深度可能也會對PM2.5的濃度產生影響。

2.4 宋家莊不同線站臺對比

宋家莊站所有的站臺均為側式站臺,在非高峰測試時段,不同地鐵線路的列車的運行頻率相同。本文針對不同線路的站臺,選取室外環境污染等級不同的日期,對不同的站臺PM2.5濃度進行對比,結果見圖7。

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

室外條件相同的情況下,根據圖7(a)～(b)中可以看出在地鐵車站構造相同的情況下,相同的地鐵線路不同方向的站臺,PM2.5濃度大約相同,說明相同的線路,若站臺結構相同,那么在室外環境相同的情況下,不同地鐵車站站臺的PM2.5濃度相似;圖7(b)中亦莊線與5號線兩條線的始發站站臺相比較,亦莊線PM2.5濃度大于5號線,由于兩站臺列車運行頻率相同,室外環境相同,客流量相似,綜合考慮,亦莊線車站站臺長度大于5號線可能是原因之一;在室外條件相似的情況下根據圖(c)～(d),對比不同構造的車站,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號線站臺寬度小于10號線站臺寬度引起的。對于不同站臺進行對比,可以得知,站臺結構會對地鐵車站站臺PM2.5濃度產生影響。

3 相關性分析

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的PM2.5濃度與室外環境PM2.5濃度、客流量以及地鐵車站的溫濕度等進行了相關性分析,結果見表3～4。

表3 地鐵站內PM2.5各影響因素相關性分析表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 地鐵站公共區與室外環境的相關性

表3中表示了地鐵車站公共區PM2.5與室外PM2.5濃度之間的線性回歸擬合相關性結果,地鐵車站的PM2.5濃度與室外有很大的相關性(R2=0.861),Y=20.370+0.538X,相關系數R2越接近1,顯著性系數越小于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了車站的PM2.5的濃度和室外的PM2.5濃度的高度相關性。說明地鐵站公共區的PM2.5濃度與室外濃度有很大的關聯性,Moreno[8]等人也有相同的結論。

3.2 PM2.5與客流量的相關性

本文結合地鐵的運行時段,分別在運營的非高峰時段和高峰時段分別測試客流量對于地鐵PM2.5濃度的影響。測試時每5 min的客流量記為一次數據,測試5 min內的PM2.5濃度,共測試不同時段59對數據,根據客流量的不同觀察車站PM2.5的實時變化發現,結合地鐵站公共區PM2.5濃度與客流量的相關性擬合分析結果(表3),客流量與PM2.5的濃度相關性不大(R2=0.245),方程的顯著性不明顯,否定了客流量對地鐵車站內PM2.5濃度值會產生影響[15]這一猜測。

3.3 PM2.5與車站溫濕度的相關性

本論文將車站溫度、濕度兩種因素對于地鐵PM2.5濃度的影響進行單因素以及多因素方差分析,結果見表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。但是結合測試時段,結合表3中溫濕度與PM2.5濃度的相關性(R2=0.135)不明顯,因此本文認為溫濕度對地鐵車站公共區的PM2.5濃度沒有顯著性影響。

4 結 論

文章首次實現對地鐵車站PM2.5進行了多測點同時且連續測試,通過分析得到的結論主要如下。

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

2) 地鐵車站站臺處的PM2.5濃度受活塞風影響呈現周期性波動;在室外環境條件相同時,地鐵車站公共區站廳處的PM2.5濃度高于站臺,即深度會對地鐵PM2.5濃度產生影響;地鐵站臺結構對于車站站臺PM2.5濃度會產生影響,在地鐵車站構造不同的站臺,在室外條件以及列車運行等條件相同時,地鐵車站站臺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),車站內溫濕度會對地鐵車站PM2.5濃度沒有顯著性影響(R2=0.135)。