北方某地铁车厢细颗粒物浓度实测研究

裴斐¹    常利²    王新如³    王姣姣⁴    杜赛赛¹    谷雅秀⁴    吴金顺⁵    潘嵩¹
1 北京工业大学 建筑工程学院
2 河北工程大学 能源与环境工程学院
3 宁波诺丁汉大学
4 长安大学 环境科学与工程学院
5 华北科技学院 建筑工程学院

       【摘  要】当前地铁内细颗粒物对健康的影响日益受到公众的重视。相较于其他位置，地铁车厢相对封闭，乘客停留时间长，人群密度大且流动性强，其中细颗粒物的浓度控制十分重要。要解决车厢细颗粒物的浓度控制问题，首先必须掌握地铁车厢细颗粒物分布及变化规律。但目前这方面的研究很少，尤其缺乏与列车运行特性相结合的研究。本文通过实地测试发现，室外环境为优时，车厢内细颗粒物浓度高于室外，室外严重污染时，车厢内低于室外；其内部不同位置浓度不同，但都呈现出周期性变化；不同线路车厢规律不同。本文的研究将为车厢内细颗粒物浓度分布积累基本数据，明确其分布规律及扩散特性，为地铁车厢中细颗粒物的预测及控制提供理论依据和支撑。

       【关键词】车厢，细颗粒物，空间分布，动态变化

       【基金项目】基金项目：国家自然科学基金资助项目（51578011）

Abstract: Currently, fine particulate matter in the subway has arose highly attention due to its effects on the health.Compared with other locations, the subway cars are relatively closed , in which the passengers stay for a long time，the density of the population is large and the mobility of the crowd is strong .The prevention and control of fine particulate matter in subway carriages
is very important.In order to solve the problem of prevention and control of fine particulate matter in the subway car, the distribution and variation of fine particulate matter in the subway cars must be mastered first.Through field test,it is found that when the outdoor environment is excellent,the concentration of PM2.5 in the subway car is higher than that outside,when the outdoor environment is seriously polluted, the opposite is true;The concentration of PM2.5 is different at different positions inside the subway car,however,they all show periodic changes;Different lines have different rules. This study will accumulate basic data for the concentration distribution of fine particulate matter in the car, clarify its distribution and diffusion characteristics, and provide theoretical basis and support for the prediction and control of fine particulate matter in the subway car.
Keywords：subway car, fine particulate matter, space distribution, dynamic change

0 引言

       近年来，国内雾霾天气屡见不鲜，有些雾霾严重的城市竟出现雾霾天气超过 200 天的记录^[1]，以细颗粒物为代表的大气灰霾污染是我国当前影响人民身体健康的最突出的环境问题之一。细颗粒物指空气动力学当量直径小于2.5微米的颗粒物，它能够透过肺部肺泡直接进入血液，由于其表面积大，大多数携带有毒有害物质，对人体健康更具有危害性。流行病学研究表明，人体发病率以及死亡率与颗粒物的质量浓度存在正相关性^[2]，人体低浓度的长期暴露和高浓度的短期暴露都会产生不利的健康效应^[3]。目前，国内对细颗粒物的研究主要集中在地面和一般公共场所，而地铁作为近年迅速发展的交通工具，其内部特别是车厢的空气品质正逐渐引起人们的关注。

       地铁是一个特殊的地下建筑，按照环控系统可分为三个区域：公共区、工作区、车厢。当前国内外学者对地铁内细颗粒物的研究主要集中在公共区，对其中的颗粒物的运动特性及分布规律进行研究。然而，相关研究表明，乘客3 /4的时间在列车上度过,在站厅和站台等公共区停留的平均时间不会超过10min^{[4] [5]}，而在早晚高峰时间，车厢中人群密度大，人流密集，内部空间极度拥挤，人体长期处于空气不流通或流通不畅的环境内，过高的细颗粒物浓度严重影响人们的身心健康。另一方面，地铁内细颗粒物部分来自隧道，由于地铁列车在运行和制动过程中都存在钢铁的机械磨损，而钢铁中常含有大量的铁元素和其它微量合金元素（如锰、铬和镍等），这就使得隧道中的细颗粒物富含大量金属元素，这些金属元素进入车厢，对车厢内乘客身体健康构成了严重威胁^[6] 。因此，现阶段充分了解车厢空气质量，对地铁车厢细颗粒物浓度分布进行研究十分必要。综合国内外的研究得知，目前地铁细颗粒物研究大多聚焦站台、站厅，只针对车厢的很少。目前针对车厢的研究主要通过实测，研究方法基本与地铁其他位置类似，研究内容主要有车厢内细颗粒物浓度分布、产生源及影响因素、控制策略等。通过分析发现，目前的研究缺乏大量实测数据，测试时未能体现细颗粒物随列车运行的动态变化，本文在充分了解车厢内部结构及运动状态的前提下，使用适合车厢的测试手段和研究方法，明确车厢内细颗粒物污染状况，对地铁车厢中细颗粒物的控制提供科学依据。

1 测试方案

       1.1 测试地点及时间

       本文选取北方地铁典型线路车厢进行实测及数据分析，选取的线路站台形式为岛式，站台与隧道的连接形式包括屏蔽门、全高安全门、半高安全门。由于地铁车厢为狭长空间，单一测点不足以反应车厢内细颗粒物情况，在车厢中车头、中部、车尾处布置三个测点，同时测量站台屏蔽门处及室外细颗粒物浓度，测点距地面1.5米，测点布置如图1所示。

       测试时间主要安排在工作日（周一至周五）的平峰期期间，测试时段在下午的一点半至四点半左右，每个测点的时长为30到60分钟。

       1.2 测试仪器

       测试所使用的颗粒物浓度测量仪主要有两种：（1）美国TSI8532可吸入颗粒粉尘分析仪，如图2 (a)所示，该仪器用90°光散射的方法能够实时显示PM10、PM4、PM2.5和PM1可吸入颗粒物浓度，它的量程为0.001-150mg/m³，精度为±0.1%,采样时间间隔的设定范围是1－60秒。（2）CW—HAT200S手持空气质量测试仪，如图2 (b)所示，是由深圳赛纳威公司生产的CW-HAT200手持式PM2.5速测仪，专用于测量空气中的PM2.5和PM10浓度，它的采样原理也是用光散射，量程为0-500μg/m³，测量精度为±20%，采样间隔为60秒。

2 测试结果和分析

       2.1 车厢细颗粒物空间分布

       车厢内测点布置如图1所示，选取1号线（半高安全门）、8号线（屏蔽门）、14号线（全高安全门）车厢进行测试，同时对比室外细颗粒物浓度， 测试时室外浓度为1月10日5.6μg/m³（1#和14#）与37.2μg/m3（8#），3月13日280.88μg/m³，图3、图4为测试结果，表1为统计值。

       可以发现，对于单个车厢来说，室外细颗粒物浓度较低时，总体规律为细颗粒物浓度：车头＞车尾＞室外；室外细颗粒物浓度较高时，车内细颗粒物浓度小于室外。这一方面表明车厢相对封闭，内部细颗粒物浓度较为稳定，另一方面说明车站内可能是有源的。

       不同线路细颗粒物浓度对比表明，站台安装屏蔽门的线路，车厢中细颗粒物浓度较高，原因可能是屏蔽门很大程度上削弱了活塞风作用，在室外环境较好时，隧道内的细颗粒物不能通过活塞风排除而长期积累。而1号线细颗粒物浓度较高可能是由于其运行时间较长，细颗粒物在隧道中长期积累所致。如图4所示，列车从地上站进入地下站时，细颗粒物浓度从12μg/m³升到最高100μg/m³，这也间接证明了隧道里细颗粒物浓度较高。

       2.2 车厢PM2.5浓度动态变化

       选取车厢内同一位置的测点，对不同线路车厢运行过程中细颗粒物浓度变化情况进行对比，测试时间30到60分钟不等，测试时室外浓度为5.6μg/m³，结果如图5所示。

       从图5（a）可以看出，室外空气质量为优的情况下，车厢内细颗粒物浓度普遍较高，1号线、8号线、14号线该位置测点细颗粒物浓度的平均值和标准偏差分别为96.73±48.16μg/m³、110.76±8.53μg/m³、36.61±6.33μg/m³，不同线路车厢细颗粒物平均浓度较高，但均高于同时期室外细颗粒物浓度。

       观察发现，车厢内部细颗粒物浓度变化规律与站台门类型有一定关系，14号线与8号线车厢细颗粒物浓度的标准差分别为6.33μg/m³与8.53μg/m³,表明屏蔽门系统和全高安全门系统线路的车厢内部细颗粒物浓度较为稳定，而1号线（半高安全门）车厢内部细颗粒物浓度变化较大。原因可能是屏蔽门的屏蔽作用使得隧道内部环境更加稳定，活塞风的周期性运动使得隧道内浓度较为平均。

       图5（b）表现了不同线路车厢细颗粒物浓度局部变化情况，可以发现，列车运行时内部细颗粒物浓度呈现周期性波动，波动时间与列车运行状态对应：列车加速时，浓度上升；列车到站后，浓度小幅下降。而不同线路波动情况不同，波动幅度：安全门系统＞屏蔽门系统，波动周期：1号线＞8号线＞14号线，即有屏蔽门的车站车厢内浓度较为稳定。

3 总结

       本文对北方某城市地铁车厢细颗粒物浓度进行了实测研究，测试选取了该城市包括屏蔽门、全高安全门、半高安全门线路的列车，测试内容包括列车内不同位置测点细颗粒物浓度，同时期室外及站台浓度，通过对相关数据的整理分析得出以下结论：

       （1）室外空气质量为优时，车厢内部细颗粒物浓度分布规律为：车头＞车尾＞室外，室外严重污染时，车厢内部细颗粒物浓度小于室外。不同线路细颗粒物浓度不同，浓度分布规律为：屏蔽门线路＞非屏蔽门线路。

       （2）列车从地上站进入地下站后细颗粒物浓度升高，表明隧道中细颗粒物浓度较高。

       （3）车厢内部细颗粒物浓度变化规律与站台门类型有一定关系，屏蔽门系统和全高安全门系统线路的车厢内部细颗粒物浓度较为稳定，而半高安全门线路车厢内部细颗颗粒物浓度变化较大。

       （4）车厢内细颗粒物浓度随列车进站出站呈现周期性波动，不同线路波动情况不同，总体规律为：波动幅度：安全门系统＞屏蔽门系统，波动周期：1号线＞8号线＞14号线，即有屏蔽门的车站车厢内浓度较为稳定。

       通过对地铁车厢内细颗粒物的浓度进行实测分析，得出室外环境为优时，车厢内细颗粒物浓度较高，且车厢内部不同位置细颗粒物浓度也不相同，随列车运行呈现周期性波动。本文通过对列车内部细颗粒物的实测，明确了车厢内细颗粒物分布和扩散规律，研究的成果将对合理控制地铁车厢内细颗粒物的污染扩散，有效改善地铁内空气品质提供理论依据和支撑。

参考文献:

       [1] 袁琦.地铁车辆室内空气品质分析测评[J].城轨技术, 2014, 4:79-84.
       [2] Dockery D W, Pope C A, Xu X P, et al. An association between air pollution and morality in six United-States cities. New England Journal of Medicine,1993, 329(24):753-759.
       [3] 世界卫生组织关于颗粒物、臭氧、二氧化氮和二氧化硫的空气质量准则(2005年版)[R]Geneva：WHO，2008
       [4] 刘雪峰, 刘金平. 基于变风量的相对热指标运行模式在地铁空调中的应用研究[J]. 建筑科学, 2007, 23(4):78-82.
       [5] 北京交通规划研究中心. 2016北京市交通发展年度报告[M]. 北京交通规划研究中心, 2017.
       [6] 王继永, 刘俊杰. 地铁可吸入颗粒物污染研究[C]. 国际污染控制学术会议. 2006.

       备注：本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。
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