邱泽正 庞丽萍 杨晨媛
(1.武汉第二船舶设计研究所 武汉 430064;2.北京航空航天大学航空科学与工程学院 北京 100191)
地面空间运行的地铁作为人们日常出行时,最常用的一种交通工具,在缓解地面交通压力方面,扮演了重要角色。乘客每天要在地铁中花费0.3-3小时,但是地铁内部环境相对封闭,通风不畅,容易污染物聚集[1]。这些污染性气体对人体都会产生一定的损害。因此,了解地铁站内部的空气质量变得非常有必要。
查询大量参考文献,对于地铁内部空气质量的研究比较片面,对于地铁内部整体环境的评估也较少。并且只是针对地铁中的气体环境进行了单一的评价[2,3]。王刚等[4]通过评估地铁车厢内的CO2和颗粒物浓度,分析了乘客密度对于地铁空气质量的影响。左甜甜[5]虽然评估的污染物参较多(CO 浓度、CO2浓度、甲醛浓度、TVOC 浓度、颗粒物浓度、氡浓度),但是对于地铁内部的空气质量没有进行整体概括分析。
而我们本次测试,不仅测试6 个地铁站台内部了8 种气体,而且对于地铁内部整体空气质量进行了评价。相比较以往的研究,本文更加全面的描述地铁内部环境。
本次研究从2019.5.30 至2019.6.21 的夏季开始进行。对6 个地铁站台内的8 种气体(PM10、PM2.5、NH3、CH2O、CO、NO2、SO2、TVOCs)进行陆续的实际测试。气体环境因素的测试周期为早8:00 至晚22:00,每隔两分钟测量一次。列车频率以及人流量是由地铁公司提供得来的,每30min 测试一次。
每个地铁站的测试地点都在在站台中间,距离地面1.2 米。测试站点具体信息如表1所示,其中2019.6.15 为周六、2019.6.16 为周日,其余时间为工作日。由于大多数公司周六也要工作,因此周六为半工作日。在夏季,地铁站内部的空调通风系统处于运行状态。六个地铁站内部的空调通风系统皆采用“一次回风系统”,即1/2 回风与1/2 新风混合后,进入地铁内部。
表1 测试站点基本信息Table 1 Essential information of subway
自动记录了各自站台的客流量数据和列车频率(每隔半小时统计一次)。并从http://beijingair.sinaapp.com/获得各站点的室外气体环境(PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO)。
本次研究使用CPR-KA 空气质量监测器对全屏蔽地铁站台内气体环境进行实际测试,测量仪器设备的具体特点以及环境参数的测量范围和精度如表2所示。
表2 各环境参数的测量范围及精度Table 2 Measuring range and accuracy of each environmental parameter
本项研究依据标准[6-9],给定各气体的最大浓度允许值,如表3所示。
表3 各环境参数期间的最大允许浓度Table 3 Maximum allowable concentration of environmental parameters
除此之外,本文采用SPSS Statistics 23.0 软件(IBM,United States)分析了PM2.5、PM10、SO2、NO2和CO 浓度与客流量、室外气体、列车频率等的相关性,所有统计检验均使用0.05 置信度。
由图1可得:
图1 地铁列车频率和客流量Fig.1 Frequency and passenger flow of subway trains
(1)S1-S4 地铁站的列车频率和客流量随时间都有一定的变化。在测试时间段内,列车频率和客流量的高峰都在8:00-9:00 和18:00-19:00。四个地铁站的列车频率和客流量各不相同。
(2)S5 与S6 站台客流量和列车频率高峰在8:00-9:00 和18:00-19:00。S5-2 与S6-2 客流量想接近。S5 与S6 站台的列车频率在工作日和周六日相同,且工作日列车频率高于周六日。
在本次现场调查研究中,一共测试了六个车站,每个车站测试了8 种气体(PM10、PM2.5、NH3、CH2O、CO、NO2、SO2、TVOCs),为了解每种气体的来源及影响因素,S1-S4 站为工作日,图2为在工作日期间不同站台之间的气体对比图;S5-1、S6-2 为工作日,S5-1 为周六,S6-2 为周日,图3为在工作日与周六周日站台气体浓度对比图。
图2 工作日期间S1、S2、S3 和S4 地铁站台地铁环境参数(PM10、PM2.5、NH3、CH2O、CO、NO2、SO2、TVOCs)Fig.2 Environmental parameters(PM10、PM2.5、NH3、CH2O、CO、NO2、SO2、TVOCs)of subway platforms S1,S2,S3 and S4 during weekdays
图3 在工作日、周六日期间S5 和S6 地铁站台环境参数(PM10、PM2.5、02、NH3、CH2O、CO、CO2、NO2、SO2、TVOCs)Fig.3 Environmental parameters(PM10、PM2.5、02、NH3、CH2O、CO、CO2、NO2、SO2、TVOCs)of S5 and S6 subway platform during weekdays and weekends
从图2、图3可得出如下结论:
(1)由于地铁内部有卫生间,导致地铁内有一定的NH3影响乘客身体健康。图2(a)、图3(a)中测试的所有站台的NH3浓度基本保持在17-18ppb 左右,在规定允许范围内[8],且NH3浓度在时间和空间上都没有变化。
(2)图2(b)、图3(b)中,S4(28-60ppb)的CH2O 浓度最高,低于规定[6]。图3(b)中,同一车站,S6-2(工作日)高于S6-1(周日)的CH2O浓度,CH2O 受客流量的影响;S5-2 与S6-2 的客流量相同,而CH2O 浓度不同,可能是由于通风条件不同造成的[10]。
(3)图2(c)、图3(c)中S3(103-111ppb)、S4(100-112ppb)的TVOCs 浓度最高,在标准规定范围内[8]。客流量高,TVOCs 浓度高,说明地铁站内的TVOCs 与空气流通相关[11]。
(4)图2(d)、图3(d)中,S2(2.8-10.8ppb)、S3(2.6-15.2ppb)站台的NO2浓度最高,在标准范围内[8]。图3(d),客流量高的站台NO2浓度略高于客流量低的站台;图3(d),同一站台,工作日时期NO2浓度高于周六日时期。
(5)图2(e)、图3(e)中,S4(1.6-4.4ppb)站台的SO2浓度波动范围最大,浓度最高,低于规定值[8]。图3(e),客流量高的站台SO2浓度高于客流量低的站台;图3(e),在列车频率高峰时刻,工作日与周六日的SO2浓度相差较大,其余时刻列车频率相同时,SO2浓度变化不大。说明人员流动和列车频率对SO2浓度有一定的影响。
(6)图2(f)、图3(f)中,S4(44-63ppb)的CO 浓度最高,在规定值范围内[6-8]。图3(g),客流量高的站台CO 浓度高于客流量低的站台;图3(f),工作日与周日的CO 浓度差比工作日与周六CO 浓度差大。说明CO 受客流量的影响。S5-2与S6-2 客流量相近、列车频率相差较大时,CO浓度相差较大,可能受列车频率的影响。
(7)由图2(g)(h)、图3(g)(h)中,S4站台在所测试站台中PM10(0.046-0.15mg/m)、PM2.5(0.038-0.12mg/m)最高,在规定值范围内[6,7,9]。图3(g)(h)中,同一站台,客流量高时,PMX浓度高。人员的流动导致颗粒物的再悬浮,并且客流量大的同时,导致空气流通不佳,从而导致污染性气体不能及时排出。S5-2 与S6-2 客流相同,但列车频率相差较大,其PMX浓度相差较大,因此,人员流动与列车运行都会影响PMX的浓度[12]。
地铁是一个封闭的空间环境,除了内部产生的污染物外,还有外部进入地铁内部的污染物。为了解地铁站台气体污染物与室外气体污染的联系,我们主要选择了工作日时期的四个站台(S1-S4)进行分析。对室内外五种气体进行平均浓度和标准差分析,并计算了室内外气体浓度比值,如图4所示。
图4 S1、S2、S3 和S4 站台室内外气体平均浓度和标准差对比(PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO)Fig.4 Comparison of mean indoor and outdoor parameters and standard deviations on platforms S1,S2,S3 and S4(PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO)
从图4,可得出如下结论:
(1)图4(a)(b)中,我们可以得到,PM2.5室内外比I/O 为0.25-2.45,PM10室内外比I/O 为0.11-1.53。因此表明除了室外进入地铁内部的颗粒物外,由于铁路的摩擦和车轮的制动系统,地铁内部也会产生一定的PMx[13]。在四个地铁站中,S2的PM2.5、PM10室内外浓度比最大。由表1可知,S2 为半屏蔽站,当列车驶入车站,大量颗粒物也会随之进入站台,导致其地铁内部颗粒物浓度明显高于室外[14]。
(2)图4(c)中,SO2的室内外I/O 为0.5-3.21,整体来说,室内SO2浓度高于室外。这与其他研究一致,夏季室内高于室外,冬季则相反。可能是因为夏季室内外温度较高,汽车尾气和工业排气大量排到空气中,扩散较快。同时,夏季地铁空调通风机处于运行状态,通风机中没有SO2过滤设施,因此导致室外SO2涌入地铁含量较多,室内SO2与室外SO2浓度以及空气流通速度有关[15]。
(3)地铁内部NO2主要通过通风系统、手扶梯等来自室外。图4(d)显示六个车站中,室外NO2浓度明显高于室内,室内外比I/O 为0.27-0.55。
(4)地铁内部CO 也主要来源于大气环境。图4(e)显示室内外CO 浓度有数量级上的差异,其室内外比I/O 为0.07-0.1。
由表4可知,PM2.5浓度与列车频率(r=0.337,p<0.01)、客流量(r=0.378,p<0.01)和室外气体(r=0.532,p<0.01)有显著相关性,受室外气体影响大于列车频率和客流量。PM10浓度受到客流量,室外气体浓度和列车频率的影响。PM10浓度与室外气体相关性(r=0.220,p<0.05)低于客流量(r=0.390,p<0.01)和列车频率(r=0.385,p<0.01)相关性。颗粒物浓度与客流量有关,这可能是因为人员的走动会导致颗粒物漂浮在空气中,并且人员密度大,通风不畅,空气中的总体污染含量增加。并且,铁路的摩擦和车轮的制动系统,导致地铁内部也会产生一定颗粒物。除此之外,由于通风系统以及地铁口的影响,导致室外的颗粒物进入地铁站台内部。SO2浓度受到室外气体影响,但相关性(r=0.152)较弱。SO2浓度与客流量(r=0.334,p<0.01)和列车频率(r=0.526,p<0.01)相关性显著,其中受列车频率影响大于客流量。NO2与客流量(r=-0.029)和列车频率(r=-0.147)负相关性较弱,与室外气体(r=0.537,p<0.01)的相关性显著,主要受室外气体的影响。CO 浓度与列车频率(r=0.0.320,p<0.01)、客流量(r=0.348,p<0.01)和室外气体(r=0.584,p<0.01)有显著相关性,受室外气体影响大于列车频率和客流量。NO2和CO均来自于室外环境,主要受室外影响较大。SO2和CO 受列车频率以及客流量的影响,主要是因为,通风量一定的情况下,人流量大,导致空气流通不畅,因此污染物含量增加。
表4 PM2.5、PM10、SO2、NO2 和CO 浓度的相关性系数分析Table 4 Correlation coefficient analysis of PM2.5,PM10,SO2,NO2 and CO concentrations
本文对地下空间运行的地铁六个站台的8 种气体进行了测试,分析了PM10、PM2.5、CO、NO2和SO2的室内外气体平均浓度,并用SPSS 软件分析了PM2.5、PM10、SO2、NO2和CO 浓度与客流量、室外气体、列车频率等的相关性。主要结论如下:
(1)所测试的六个站台的8 种气体(PM10、PM2.5、NH3、CH2O、CO、NO2、SO2、TVOCs)均在标准规定允许的范围内。北京夏季地铁站台内部空气质量环境较好。
(2)发现地下空间地铁主要污染物浓度受室外环境的影响较大。除此之外,受列车频率和客流量的影响也比较大。因此,可以在客流量大时,通过增加通风量的进行空气质量的改善。