冬夏兩季北京地鐵車廂內空氣品質研究*

龐雪瑩 王立鑫 王丹丹 江雨薇 張舟同 李宇航

（北京建筑大學供熱、供燃氣、通風及空調工程北京市重點實驗室，100044,北京∥第一作者，碩士研究生）

地鐵車廂相對封閉且人員密集，車廂內空氣污染較重。有研究表明，地鐵車廂內顆粒物濃度顯著高于地面輕軌、地面和地下站臺［1-4］。北京市地鐵車廂內污染嚴重［5-6］，乘坐地鐵的PM2.5個體暴露水平高于乘公交車及步行［7］。車廂內空氣品質的優劣對人體的健康影響至關重要，因此本研究選取北京市7條地鐵線路，分別在夏、冬兩季工作日和非工作日的早、中、晚測試車廂內的空氣質量，分析地鐵車廂內空氣品質特征，為制定有關地鐵車廂內空氣品質標準和改善地鐵車廂內空氣環境提供科學依據。

1 對象與方法

1.1 對象

本研究選取北京市地鐵 1、2、4、5、7、9 和 10 號線作為測試對象。這幾條線路分別始建于1971年、1984年、2009年、2007年、2014年、2012年和 2008年。2014年7月（夏季）、2015年1月（冬季）和2016年1月（冬季），分別對這些線路的早晚高峰時段和中午平峰時段以及工作日和周末，共進行了32個車次的測試，其中包括夏季8個車次和冬季24個車次。具體測試內容如表1所示。

表1 不同時間不同線路的測試內容

1.2 測試要求

測試時，實時記錄途經站點車廂內人流量。CO2濃度測試儀器為HCZY-1型環境測量自記儀，該儀器CO2質量分數測量范圍：0～0.5%，測量精度：±0.007 5%；溫度測量范圍：-40～100℃；相對濕度測量范圍：0～100%。顆粒物監測儀器采用便攜式儀器QT50空氣質量檢測器，該儀器溫度測量范圍：-20～60℃，相對濕度測量范圍：0～90%，PM2.5和PM10質量濃度測量范圍：0～990 μg/m3。室外 24 h環境參數數據和顆粒物濃度通過北京市環境監測網獲取。

1.3 數據分析

通過SPSS19.0進行數據統計分析。首先對數據進行Shapiro-Wilk檢驗，判斷數據是正態分布，若P＞0.05，則對數據的檢驗采用非參數檢驗。組間差異檢驗采用Wilcoxon檢驗（兩配對樣本）和Kruskal-Wails檢驗（大于兩組的獨立樣本）。使用Pearson（線性相關）和Spearman（非線性相關）進行相關性檢驗。數據分析只針對地下站點進行。

2 測試結果與討論

各項測試項目的參考標準值及其超標率見表2、表3。由表可知，地鐵車廂內各項指標對比標準［8-10］均有不同程度的超標。夏季和冬季的溫度超標率分別為23.8%～28.0%和29.0%～82.7%；夏季相對濕度均滿足標準，冬季超標率為17.9%～64.8%；CO2的質量分數超標率為9.5%～47.4%；PM2.5的質量濃度超標率為59.2%；PM10的質量濃度超標率為39.9%～57.2%。Li等［7-8］對北京市公共交通工具車廂內微環境的研究結果表明，其CO2濃度超標率為37%，PM10濃度超標率在30%以上，污染較為嚴重，與本研究中CO2和PM10濃度超標結果相近。

表2 各測試項目的參考標準值

表3 各測試項目的超標率

2.1 溫度、相對濕度和CO2的質量分數

車廂內空氣質量參數均值、范圍及正態性檢驗如表4所示，Shapiro-Wilk檢驗結果P＞0.05，數據服從正態分布。對2014年夏季、2015年冬季4號線進行兩配對樣本組間差異的Wilcoxon檢驗，其他線路進行獨立樣本Kruskal-Wails檢驗。檢驗結果表明溫度和相對濕度在線路間存在顯著性差異（P＜0.05），CO2的質量分數不存在顯著性差異（P＞0.05）。溫度和相對濕度存在季節性差異，CO2的質量分數未見季節性差異。原因是地鐵車廂內人是CO2的來源，CO2的質量分數與人員數量及活動狀態有關。2016年冬季1、2和4號線溫度和相對濕度較2015年冬季有明顯改善，Wilcoxon配對檢驗差異具有統計學意義（P＜0.05）。

對2015年冬季各站參數與客流量進行Spearman相關性分析，結果表明地鐵車廂內溫度和CO2的質量分數均與客運量顯著正相關（P=0.00，P=0.02）；1、2和4號線相對濕度與客運量存在顯著正相關關系（P=0.01，P=0.01，P=0.00）。這是因為車廂內人員可呼出CO2，同時也是熱源和濕源，而且人呼出氣體的水蒸氣含量高于吸入氣體的水蒸氣含量，由此導致車廂內人員較多時，溫度、相對濕度和CO2的質量分數均升高。

表4 各線路測試結果均值

2.2 PM2.5及PM10的質量濃度

2.2.1 污染水平

不同線路地鐵車廂內各時間段內的PM2.5和PM10的質量濃度分布如圖1所示。工作日10號線早高峰和中午平峰PM2.5的質量濃度均值最高，分別為 343.9 μg/m3和 184.7 μg/m3，1 號線晚高峰PM2.5的質量濃度均值最高為189.6 μg/m3；周末1號線所有測試時間段內PM2.5的質量濃度明顯高于其余線路。工作日10號線早高峰PM10的質量濃度均值最高為767.5 μg/m3，1號線中午平峰和晚高峰的質量濃度最高，分別為296.5 μg/m3和343.9 μg/m3；周末1號線所有時段PM10的質量濃度均高于其余線路。1號線污染水平明顯高于其他線路，可能與1號線始建時間最早，并全程采用敞開式屏蔽門系統有關。

對4條線路各時段進行Shapiro-Wilk檢驗，結果除10號線周末早間，其他線路各時段監測數據均不服從正態分布；組間差異采用Kruskal-Wails檢驗，不同線路不同時間段具有顯著性差異（P＜0.05）。

圖1 各線路PM2.5和PM10的質量濃度分布

除2號線周末PM10的質量濃度均值為148 μg/m3，10號線周末PM2.5的質量濃度均值為74 μg/m3以外，其余線路的所有時段PM10和PM2.5的質量濃度均值均超出標準。經Pearson相關性分析，結果如圖2所示，4條地鐵線路車廂內PM10和PM2.5的質量濃度呈顯著正相關（P=0.00），PM10和PM2.5的質量濃度兩者具有同源性。

圖2 PM2.5與PM10的質量濃度相關性

2.2.2 室外空氣質量和客運量的影響

對1月14日和1月16日的室外空氣質量進行分析比較，各時段監測均值如圖3所示。由圖3可知，1月14日早、中、晚3個時段與1月16日同時段具有顯著性差異（P=0.00，P=0.00，P=0.00）。除1月14日早高峰車廂內平均客運量為203人次/節，是1月16日早間平均客流量61人次/節的3倍以上之外，其余時間人均客流量相差不大。顯然室外空氣質量差，顆粒物質量濃度較高，會在一定程度上影響車廂內顆粒物濃度。

圖3 室外空氣污染等級對車廂內顆粒物污染的影響（1月14日與16日比較）

地鐵是一個相對封閉的環境，人流作為地鐵內部與外界進行物質交流的重要方式，對地鐵內顆粒物質量濃度有很大影響。室外空氣質量等級相同的兩天，PM2.5的質量濃度受客運量影響較大，分析結果如圖4所示。由圖4可知，工作日客流量顯著高于周末，PM2.5的質量濃度也顯著高于周末；PM10具有同樣趨勢。對不同時間段PM2.5和PM10的質量濃度進行非參數Wilcoxon檢驗，1號、2號、4號和10號線工作日早高峰PM2.5和PM10的質量濃度均高于中午平峰，2號、4號和10號線的差異均具有統計學意義（P＜0.05）；工作日早間PM2.5和PM10的質量濃度明顯高于周末早間的質量濃度，差異具有統計學意義（P=0.01）。由此可見，客運量對車廂內的顆粒物濃度有較大影響。

2.3 與國內外研究結果的比較

本研究結果與國內外相關研究結果的比較見表5。與國內外同類型研究相比，北京市地鐵車廂內CO2的質量分數濃度和顆粒物的質量濃度更高，表明車廂內空氣質量較差。原因包括以下幾個方面：首先，北京市地鐵客運量較高，人既是車廂內CO2來源，也是顆粒物來源之一；其次，室外空氣污染也可對地鐵車廂內的空氣質量產生一定影響；第三，地鐵隧道內由于金屬摩擦而產生的顆粒物同樣也是車廂內顆粒物來源［11］；最后，本研究顆粒物的測試在冬季進行，可能導致車廂內顆粒物的質量濃度較高，因為有研究表明，地鐵中PM10的質量濃度在1月份高于其他月份［12］。

圖4 10號線工作日與周末PM2.5的質量濃度與車廂客運量的關系

表5 不同城市和地區地鐵車廂內空氣品質指標比較

綜上所述，由于地鐵車廂相對封閉，多種因素影響車廂內空氣品質，因此應該采取措施改善地鐵車廂內的空氣質量。一方面應該加緊制定適用于地鐵空間的空氣品質標準［19］，另一方面通過改善車載和地鐵空間通風空調性能［20］，并根據客流量對環境參數進行調整，以改善地鐵車廂內空氣品質。

3 結論

（1）與其他相關研究相比，本研究更為系統和全面地對北京市地鐵車廂內的空氣品質進行評價。經數據統計分析，發現車廂內空氣品質較差，夏季車廂內空氣品質優于冬季。

（2）客流量是地鐵車廂內空氣品質的重要影響因素，且室外空氣污染會在一定程度上影響車廂內顆粒物的濃度。

（3）不同地鐵線路車廂內的空氣品質有顯著性差異，地鐵建成與投入使用時間以及屏蔽門系統等因素會影響車廂內空氣品質。

［1］ WANG X，GAO H O.Exposure to fine particle mass and number concentrations in urban transportation environments of New York City［J］.Transportation Research Part D：Transport and Environment，2011，16（5）：384.

［2］ PARK D U，HA K C.Characteristics of PM10，PM2.5，CO2and CO monitored in interiors and platforms of subway train in Seoul，Korea［J］.Environment International，2008，34（5）：629.

［3］ KIM K Y，KIM Y S，ROH Y M，et al.Spatial distribution of particulate matter （PM10and PM2.5） in Seoul Metropolitan Subway stations［J］.Journal of Hazardous Materials，2008，154（1-3）：440.

［4］ KAM W，CHEUNG K，DAHER N，et al.Particulate matter（PM）concentrations in underground and ground-level rail systems of the Los Angeles Metro［J］.Atmospheric Environment，2011，45（8）：1506.

［5］ LI T T，BAI Y H，LIU Z R，et al.In-train air quality assessment of the railway transit system in Beijing：A note ［J］.Transportation Research PartD：Transportand Environment，2007，12（1）：64.

［6］ 李湉湉，顏敏，劉金風，等.北京市公共交通工具微環境空氣質量綜合評價［J］.環境與健康雜志，2008，25（6）：514.

［7］ 李嘉琛，王裕，王童，等.不同出行方式PM2.5個體暴露水平的比較研究［J］.環境與健康雜志，2016，33（8）：659.

［8］ 國家質量監督檢查檢疫總局，國家衛生部，國家環境保護總局.室內空氣質量標準：GB/T 18883—2002［S］.北京：中國標準出版社，2002.

［9］ 環境保護部，國家質量監督檢查檢疫總局.環境空氣質量標準：GB 3095—2012［S］.北京：中國標準出版社，2012.

［10］ 國家技術監督局.公共交通工具衛生標準：GB 9673—1996［S］.北京：中國標準出版社，1996.

［11］ QIAO T，XIU GL，ZHENG Y，et al.Preliminary investigation of PM1，PM2.5，PM10and its metal elemental composition in tunnels at a subway station in Shanghai，China［J］.Transportation Research Part D，2015，41：136.

［12］ 張海云，李麗，蔣蓉芳，等.上海市地鐵車站空氣污染監測分析［J］.環境與職業醫學，2011，28（9）：564.

［13］ 俞愛青，宋潔，孫中興，等.上海地鐵1號線車廂內空氣質量衛生學調查［J］.上海預防醫學，2012，24（7）：382.

［14］ 馮文如，鐘嶷，江思力，等.廣州地鐵室內空氣質量影響因素的探討［J］.熱帶醫學雜志，2005，5（2）：214.

［15］ 張志誠，余淑苑，王苑玲，等.深圳地鐵列車空氣衛生質量的調查分析［J］.中國衛生工程學，2007，6（6）：343.

［16］ CHAN L L W，LEE S C，CHAN C Y.Commuter exposure to particulate matter in public transportation modes in Hong Kong［J］.Atmospheric Environment，2002，36（21）：3363.

［17］ CHENG Y H，LIN Y L，LIU C C.Levels of PM10and PM2.5in Taipei rapid transit system［J］.Atmospheric Environment，2008，42（31）：7242-7249.

［18］ BRANIS M.The contribution of ambient sources to particulate pollution in spaces and trains of the Prague underground transport system［J］.Atmospheric Environment，2006，40（2）：348.

［19］ 陳遠翔，修光利，楊軍，等.城市軌道交通地下車站環境健康風險因子及相關標準的研究進展［J］.環境與健康雜志，2012，29（12）：1139.

［20］ 余競.地鐵車站、車廂內新風量問題的研究［D］.南京：南京理工大學，2013.