乘客密度對(duì)地鐵車廂空氣品質(zhì)的影響研究

王剛 邵李燕 王明明 胡松濤

青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院

0 引言

隨著城市人口密度的增加，人們對(duì)公共交通的需求增大，地鐵因便捷、快速、載客量大的優(yōu)點(diǎn)贏得人們的青睞[1]，開通的城市越來越多，為人們的日常出行帶來很大的便利。作為一個(gè)較為密閉的空間，地鐵車廂內(nèi)的環(huán)境僅靠空調(diào)系統(tǒng)來進(jìn)行調(diào)節(jié)[2]，如果無法將空氣中的污染物及時(shí)稀釋與排除，將導(dǎo)致車廂內(nèi)空氣品質(zhì)的惡化。人體是地鐵車廂內(nèi)主要的污染源和障礙物[3]，在客流高峰期時(shí)，車廂內(nèi)的污染物濃度隨乘客密度的增大而逐漸升高，同時(shí)由于人體的阻擋作用，車廂內(nèi)的氣流流動(dòng)受到影響，污染物無法及時(shí)排出，容易累積到較高的濃度水平，人處于其中通常會(huì)感受到頭暈、胸悶等不良的反應(yīng)。

Ki Youm Kim[4]等人在對(duì)首爾地鐵車廂的顆粒物濃度的測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，地鐵車廂內(nèi)顆粒物濃度嚴(yán)重超標(biāo)，甚至達(dá)到了韓國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范最高濃度的4 倍以上。Soon-Bark Kwon[5]等人對(duì)首爾地鐵車廂內(nèi)的乘客人數(shù)，CO2濃度和PM2.5 進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)地鐵車廂內(nèi)CO2濃度和PM2.5 與車廂內(nèi)的乘客數(shù)量呈線性相關(guān)關(guān)系。顏敏[6]等對(duì)北京市地鐵進(jìn)行了顆粒物濃度和CO2濃度測(cè)試，結(jié)果顯示地鐵中的CO2濃度和PM10 濃度的超標(biāo)率均達(dá)30%以上。武在天[7]采用主觀問卷調(diào)研和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相結(jié)合的方法對(duì)沈陽、北京、上海、廣州和昆明五個(gè)城市多條地鐵線路的地鐵車廂空氣品質(zhì)進(jìn)行了調(diào)研分析，研究結(jié)果顯示，隨著車廂內(nèi)乘客人數(shù)的增加，空氣異味感增強(qiáng)，乘客對(duì)空氣品質(zhì)的滿意度降低，且車廂內(nèi)乘客人數(shù)與CO2濃度，PM10 呈顯著正相關(guān)關(guān)系。左甜甜[8]在對(duì)西安地鐵車廂空氣品質(zhì)的研究中發(fā)現(xiàn)，在客流高峰時(shí)段，車廂內(nèi)的CO2濃度和顆粒物濃度均高于非高峰時(shí)段。楊偉超[9]對(duì)地鐵車廂內(nèi)的CO2濃度進(jìn)行了測(cè)試研究，研究結(jié)果顯示地鐵內(nèi)的CO2濃度水平與乘客人數(shù)是直接相關(guān)的，客流高峰時(shí)段的車廂內(nèi)污染物濃度水平較高。

綜上所述，目前已發(fā)現(xiàn)地鐵車廂內(nèi)的空氣品質(zhì)與乘客密度密切相關(guān)，但定量分析方面的工作略有不足。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以青島地鐵為對(duì)象，采用問卷調(diào)研與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法對(duì)地鐵車廂內(nèi)的空氣品質(zhì)進(jìn)行研究，探究車廂內(nèi)污染物的分布規(guī)律及變化規(guī)律，并定量分析乘客密度對(duì)地鐵車廂空氣品質(zhì)產(chǎn)生的影響。

1 問卷調(diào)研與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)概述

本文選取了青島地鐵3 號(hào)線，2 號(hào)線和11 號(hào)線作為研究對(duì)象，對(duì)地鐵車廂內(nèi)的乘客進(jìn)行了問卷調(diào)研。調(diào)研期間共回收了有效問卷391 份，其中3 號(hào)線168份，2 號(hào)線159 份，11 號(hào)線64 份，參與調(diào)研的男性與女性比例大致相同。問卷主要通過乘客對(duì)空氣異味感和空氣品質(zhì)滿意度的投票來反映乘客對(duì)地鐵車廂空氣品質(zhì)的主觀評(píng)價(jià)[10]。

綜合考慮車廂內(nèi)污染物的影響狀況以及濃度水平后，最終確定將CO2和顆粒物作為地鐵車廂空氣品質(zhì)的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)。在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，測(cè)點(diǎn)分別布置于車中（1.1 m 和1.7 m），車門（1.1 m 和1.7 m），送風(fēng)口和回風(fēng)口處，測(cè)試期間同時(shí)對(duì)車廂內(nèi)的載客量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以便對(duì)車廂內(nèi)的乘客密度進(jìn)行定量分析。測(cè)試過程中所用儀器如表1 所示，CO2濃度通過二氧化碳檢測(cè)儀進(jìn)行測(cè)試，其中Testo535 二氧化碳檢測(cè)儀精度較高，但需要測(cè)試人員手動(dòng)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，天建華儀二氧化碳檢測(cè)儀可以自動(dòng)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)時(shí)間設(shè)定為1 min 記錄一次。顆粒物濃度通過便攜式激光粒子計(jì)數(shù)器進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)間設(shè)定為1 min，測(cè)試時(shí)在每個(gè)測(cè)點(diǎn)處進(jìn)行反復(fù)3 次測(cè)試，最終測(cè)試結(jié)果取3 次測(cè)試結(jié)果的平均值。

表1 測(cè)試儀器及精度

在對(duì)地鐵車廂內(nèi)乘客密度進(jìn)行定量分析時(shí)，參考沈景炎[11]根據(jù)《城市軌道交通工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》（建標(biāo)104-2008）[12]對(duì)車廂內(nèi)擁擠程度的評(píng)價(jià)建議，并結(jié)合調(diào)研中車廂內(nèi)乘客數(shù)量的實(shí)際分布情況，選用立席密度4 人/m2作為車廂內(nèi)密集度的分界線，當(dāng)車廂內(nèi)立席密度小于4 人/m2時(shí)定義為低密度環(huán)境，當(dāng)車廂內(nèi)立席密度大于等于4 人/m2時(shí)定義為高密度環(huán)境[3]。

2 問卷調(diào)研結(jié)果分析

2.1 異味感投票分析

將地鐵車廂內(nèi)的空氣異味感設(shè)定為5 個(gè)等級(jí)，空氣異味程度用數(shù)字0～4 來表示，其中0 代表無異味，1代表輕微異味，2 代表中等異味，3 代表強(qiáng)烈異味，4 代表無法忍受異味。對(duì)問卷中空氣異味感的投票結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，不同密度下的空氣異味感投票值如圖1所示。

圖1 不同立席密度下空氣異味感投票值對(duì)比

由圖1 可知，在不同密度環(huán)境下，乘客對(duì)車廂內(nèi)空氣異味感的投票均值均小于1，異味等級(jí)在無異味和輕微異味之間。高密度環(huán)境下車廂內(nèi)的空氣異味感投票均值大于低密度環(huán)境，這說明隨著乘客密度的增大，車廂內(nèi)的空氣異味感升高。在低密度環(huán)境下，坐姿乘客的異味感小于站姿乘客。在高密度環(huán)境下，坐姿乘客的異味感大于站姿乘客。可能的原因是在高密度環(huán)境下，人員大量聚集，阻礙了氣流的流動(dòng)，導(dǎo)致頂部送回風(fēng)短路，站姿乘客附近的氣流流動(dòng)性要優(yōu)于坐姿乘客，因此異味感較低。

2.2 不適癥狀投票分析

問卷中的不適癥狀包括頭暈，胸悶，惡心，煩躁，皮膚干燥和乏力等，不適癥狀率為地鐵車廂內(nèi)出現(xiàn)不適癥狀的乘客數(shù)與總調(diào)研乘客數(shù)的比值，不同密度下地鐵車廂內(nèi)乘客不適癥狀率統(tǒng)計(jì)如表2 所示。

表2 乘客不適癥狀率統(tǒng)計(jì)值

由表2 可知，車廂內(nèi)乘客在不同密度環(huán)境下出現(xiàn)不適癥狀的比例介于20%～30%之間，高密度環(huán)境下的不適癥狀率高于低密度環(huán)境。隨著乘客密度的增大，車廂內(nèi)擁擠程度加重，空氣流通性變差，人處于擁擠且空氣不流通的環(huán)境中通常會(huì)有煩躁、胸悶等不良反應(yīng)，因此乘客出現(xiàn)不適癥狀的比例增大。

2.3 空氣品質(zhì)滿意度投票分析

將乘客對(duì)地鐵車廂空氣品質(zhì)的滿意程度分為5個(gè)等級(jí)，分別為非常不滿意，不滿意，可以接受，滿意和非常滿意。不同密度下乘客對(duì)地鐵車廂空氣品質(zhì)的滿意率如圖2 所示。

圖2 不同立席密度下空氣品質(zhì)滿意度對(duì)比

由圖2 可知，在低密度環(huán)境下，乘客認(rèn)為地鐵車廂內(nèi)的空氣品質(zhì)可接受和滿意的比例最高，均為45.2%，其次是非常滿意，占比達(dá)6.6%，非常不滿意與不滿意的比例較低，二者分別為1.8%與1.2%。

在高密度環(huán)境下，最大的變化是滿意的比例急劇下降到了25.4%，可以接收的比例則升高到了57.6%，其他幾項(xiàng)略有變化，非常滿意的比例降到了5.1%，不滿意比例升高到6.8%，非常不滿意升高到5.1%。

總體而言，低密度環(huán)境下有較高的滿意率，隨著乘客密度的增大，環(huán)境有所惡化，滿意度降低，但大部分乘客仍然認(rèn)為環(huán)境是可以接受或滿意的，不滿意和非常不滿意的比例總共不到12%，說明乘客對(duì)地鐵車廂內(nèi)的空氣品質(zhì)持有較包容的態(tài)度。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果分析

3.1 CO2濃度測(cè)試結(jié)果分析

以2 號(hào)線為例，在高峰期與非高峰期時(shí)，車廂內(nèi)不同位置（車門與車中）以及不同高度（1.1 m 與1.7 m）的CO2濃度變化規(guī)律如下：

1）高峰期

高峰期時(shí)一節(jié)車廂的載客量為140～180 人，立席密度為4～5 人/m2，屬于高密度環(huán)境，車廂內(nèi)CO2的濃度區(qū)間為800～2900 ppm。由圖3 和表3 可知，車門區(qū)域的CO2濃度值低于車中區(qū)域，且1.7 m 處CO2濃度值略高于1.1 m 處，車中區(qū)域的CO2濃度值在高度上無明顯的差異。這是由于列車到站時(shí)，車門的短暫開啟導(dǎo)致站臺(tái)空氣的進(jìn)入，其稀釋作用使得車門區(qū)域的CO2濃度值低于車中區(qū)域。車門區(qū)域的乘客處于站姿的狀態(tài)，且1.7 m 高度距離站姿人體的呼吸區(qū)較近，因此車門1.7 m 處的二氧化碳濃度值高于1.1 m 處。

圖3 高峰期車廂內(nèi)CO2濃度隨載客量變化圖

表3 高峰期CO2濃度統(tǒng)計(jì)值

2）非高峰期

非高峰時(shí)期一節(jié)車廂的載客量約為10～30 人，立席密度為0～1 人/m2，屬于低密度環(huán)境，CO2的濃度區(qū)間為500～900 ppm。基于同樣的到站開門原因，車門區(qū)域的CO2濃度值低于車中區(qū)域，但由于大部分乘客處于坐姿，車中與車門區(qū)域的CO2濃度值在1.1 m 和1.7 m 高度處大致相同（圖4 和表4）。

圖4 非高峰期車廂內(nèi)CO2濃度隨載客量變化

表4 非高峰期車廂內(nèi)CO2濃度值統(tǒng)計(jì)

3.2 顆粒物濃度測(cè)試結(jié)果分析

為了排除室外顆粒物的影響，僅反映車廂內(nèi)部因素的影響，對(duì)顆粒物濃度進(jìn)行無量綱化，在同一粒徑區(qū)間內(nèi)，定義，K=測(cè)點(diǎn)處顆粒物數(shù)濃度/室外顆粒物數(shù)濃度。以2 號(hào)線為例，不同密度環(huán)境下車廂內(nèi)不同位置（車門、車中、送風(fēng)口、回風(fēng)口）以及不同高度（1.1 m 與1.7 m）處的顆粒物濃度變化規(guī)律如圖5 和圖6 所示。

圖5 高密度環(huán)境下不同測(cè)點(diǎn)處各粒徑段顆粒物濃度比值

圖6 低密度環(huán)境下不同測(cè)點(diǎn)處各粒徑段顆粒物濃度比值

可以看出，低密度環(huán)境下車廂內(nèi)的顆粒物濃度低于室外，而高密度環(huán)境下則高于室外，說明車載空調(diào)的過濾器在乘客較少時(shí)可以有效降低車廂內(nèi)顆粒物濃度，但在高峰期，由于車內(nèi)污染源增多，各粒徑顆粒物濃度均有上升，其中又以小粒徑顆粒物上升最為明顯。高密度環(huán)境下車廂內(nèi)顆粒物濃度分布有明顯的梯度，送風(fēng)口濃度最低，車門處的乘客密度大于車中區(qū)域，且1.7 m 高度距離站姿乘客的呼吸區(qū)較近，導(dǎo)致該位置顆粒物濃度明顯高于車廂內(nèi)其他位置。在低密度環(huán)境下，回風(fēng)口處顆粒物濃度值最高，車廂內(nèi)其他位置顆粒物濃度分布較均勻。

4 結(jié)論

通過對(duì)青島地鐵車廂內(nèi)空氣品質(zhì)進(jìn)行問卷調(diào)研與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，得到了不同密度下乘客對(duì)車廂環(huán)境的主觀評(píng)價(jià)，并探究了空氣污染物的變化和在空間上的分布規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1）隨著乘客密度增大，車廂內(nèi)的空氣異味感升高，乘客出現(xiàn)不適癥狀的比例增大，乘客對(duì)車廂內(nèi)空氣品質(zhì)的滿意率降低，可接受率升高。

2）高密度環(huán)境下車廂內(nèi)的CO2濃度值高于低密度環(huán)境，受開關(guān)門的影響，車門區(qū)域的CO2濃度值始終低于車中區(qū)域。受人員的影響，在高密度環(huán)境下，車門1.7 m 處CO2濃度值高于1.1 m 處，車中區(qū)域的CO2濃度值在1.1 m 處和1.7 m 處無明顯差別。

3）高密度環(huán)境下車廂內(nèi)的顆粒物濃度高于低密度環(huán)境，在高密度環(huán)境下，送風(fēng)口處的顆粒物濃度值最低，車門1.7 m 處的顆粒物濃度值最高。在低密度環(huán)境下，回風(fēng)口處顆粒物濃度值最高，車廂內(nèi)其余位置顆粒物濃度大致相同，車廂內(nèi)顆粒物分布較均勻。