地鐵顆粒物濃度水平及相關性分析

文_柳孟光 王春青 王凱琳 吉林建筑大學市政與環境工程學院

長春軌道交通系統由五條線路組成，運行里程為100.17km，極大地滿足了城市快速發展需求，為市民提供了更加便捷的出行方案，2019年的數據顯示，長春地鐵系統共接待了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致的地鐵場站內的空氣質量問題也日益凸顯出來，成為當下亟待解決的環境問題。細顆粒物是地鐵顆粒物的重要組成，是站內空氣質量重要的影響因素，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。已有流行病學證據表明，PM2.5有急性與慢性健康效應，急性健康效應體現在高PM2.5暴露增加患急性呼吸道疾病與心腦血管疾病的風險，慢性健康效應體現在PM2.5可能誘發肺癌、COPD（慢性阻塞型肺炎）、心腦血管疾病等慢性疾病，也有研究表明對細顆粒物的暴露會影響人的免疫系統、神經系統等。與較粗的大氣顆粒物相比，細顆粒物粒徑小，富含大量的有毒、有害物質且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，因而對人體健康和大氣環境質量的影響更大。因此，有必要對長春地鐵顆粒物污染進行現場實測，根據分析結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。

1 實測方案

1.1 地鐵站基本情況

本次實測主要選取長春地鐵1號線的市政府站進行了數據采集工作，市政府地鐵站是一座地下島式車站，車站設計了5個出入口與室外連接，站廳層的兩端是車站各功能區的設備房，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，地鐵車站構造簡單，客流量少，對實測顆粒物濃度的影響因素少。

1.2 測試時間

該 站 的 高 峰 時 間 段 為 上 午8：30～9：00，下 午16：30～18：00，根據客流的出行規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日對站內外的PM2.5進行采樣收集，采樣時間設置為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組分的差異性。

1.3 測點布置

本次測試選取市政府地鐵站的站臺、站廳、近車門及站外4個區域進行實測顆粒物濃度，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律，站臺層的兩個測量點主要是比較活塞效應對兩個區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境中的PM2.5進行采樣。

本次測試主要使用的儀器包括攜式顆粒計數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，采樣時間設置為1min記錄數據，校準采樣流量為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據記錄功能，設置1min記錄一次數據，且所有設備在測試前進行校準。PM2.5采樣前應對石英過濾膜進行3h的300℃預燃燒和45℃的干燥，確保石英濾膜沒有其他雜質和水分，避免對檢測數據進行干擾。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射光譜儀檢測PM2.5的化學組分，在檢測前對石英濾膜樣品進行王水消解成酸性水樣，檢測過程中設置標準曲線的相關系數＞0.999，設置5個標準梯度為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，以確保檢測數據的準確性。

2 測試結果和分析

2.1 顆粒物濃度測試分析

圖1反映的是當站外空氣質量處于優、良、輕度污染和嚴重污染狀態時，地鐵車站內不同區域PM2.5的濃度變化趨勢。根據中國監測網的新空氣質量標準等級劃分室外工況進行實測，實測工況包括優（0～35μg/m3）、良（35～75μg/m3）、輕度污染（115～150μg/m3）、嚴重污染（150～250μg/m3）4種狀態。當站外環境中PM2.5濃度小于30μg/m3時，公共區域環境中PM2.5的濃度范圍為59.9～127.6μg/m3，站臺區域的PM2.5污染最為嚴重，站外PM2.5污染最輕。

圖1

當站外環境中PM2.5濃度超過30μg/m3且小于90μg/m3時，公共區域環境中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。

當站外環境中PM2.5濃度超過120μg/m3且小于150μg/m3時，公共區域環境中PM2.5的濃度范圍為93.8～173.3μg/m3，車站污染情況大致呈現：站臺＞站廳＞近車門區域＞站外。當站外環境中PM2.5濃度超過150μg/m3時，公共區域環境中PM2.5的濃度范圍為69.6～212.4μg/m3，此時站外的PM2.5污染高于車站內所有區域。

通過對結果分析發現，當站外空氣品質處于優、良、污染狀態，車站內空氣質量一直處于污染狀態，且站臺環境中PM2.5的污染比站廳層的污染更為嚴重。在長春地鐵測試中我們發現當站外環境中PM2.5濃度超過150μg/m3時，站臺的顆粒物濃度水平就低于室外。

2.2 顆粒物濃度與環境因素相關性分析

本文采用SPSS對同步采集的站臺與屏蔽門處數據進行Pearson相關性分析，兩個變量之間的相關性用相關系數R表示（0＜R＜1表示正相關，-1＜R＜0表示負相關；值越接近1或-1，相關性越強，R=0表示不相關）。R2值接近于1，說明曲線擬合程度越好，預測數據越準確，結合表1數據可以看出不同粒徑的顆粒物之間具有顯著的相關性。

表1中數據反映出車站的溫度、濕度和二氧化碳濃度與PM10的相關性較差，R值分別為-0.122、0.070和-0.027。其中，車站環境中的溫度、二氧化碳濃度與PM10濃度呈較弱的負相關性，濕度與PM10濃度呈較弱正相關性，濕度與溫度、PM1的負相關性較強，不同粒徑的顆粒物之間的相關性如下：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；通過以上數據反映出顆粒物之間相關性相當顯著，尤其PM4與PM10、PM2.5之間的相關性非常強，代表PM4與PM10、PM2.5之間的相關聯程度非常密切。通過不同粒徑顆粒物間的顯著相關性，我們提出選擇適當控制PM4的濃度來降低車站整體顆粒物的污染水平。

表1 相關性分析

2.3 PM2.5的理化分析

通過對比發現站內外環境中的PM2.5的結構存在明顯差異。站外PM2.5攜帶的單個顆粒形態主要為球狀和塊狀，而站臺末端PM2.5攜帶的單個顆粒形態主要為片狀、絮狀。我們根據PM2.5不同的形態結構對站內外環境中PM2.5所攜帶的單個顆粒進行能譜分析，結果發現，2個區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，我們認為地鐵車站內部可能存在金屬元素Fe、Mn的產生源。針對PM2.5所攜帶大量的金屬元素可能會被乘客吸入體內造成不可逆的傷害，建議乘客和工作人員應佩戴N95口罩降低PM2.5的危害性或車站在應有的空調系統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。

3 結語

本研究調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組分和形態結構。研究發現長春地鐵站內的顆粒物污染較為嚴重，冬季應增加站內新風量以稀釋各區域的顆粒物濃度，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性，可以適當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。通過對兩個區域PM2.5樣品的掃描電鏡實驗發現，站內外環境中的PM2.5所攜帶的單個粒子的結構和形態特征存在差異。在兩個區域的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，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佩戴N95口罩降低PM2.5的危害性。