地下空間空氣質量及外環境因素影響分析研究

邱澤正 龐麗萍 楊晨媛

（1.武漢第二船舶設計研究所 武漢 430064；2.北京航空航天大學航空科學與工程學院 北京 100191）

0 引言

地面空間運行的地鐵作為人們日常出行時，最常用的一種交通工具，在緩解地面交通壓力方面，扮演了重要角色。乘客每天要在地鐵中花費0.3-3小時，但是地鐵內部環境相對封閉，通風不暢，容易污染物聚集[1]。這些污染性氣體對人體都會產生一定的損害。因此，了解地鐵站內部的空氣質量變得非常有必要。

查詢大量參考文獻，對于地鐵內部空氣質量的研究比較片面，對于地鐵內部整體環境的評估也較少。并且只是針對地鐵中的氣體環境進行了單一的評價[2,3]。王剛等[4]通過評估地鐵車廂內的CO2和顆粒物濃度，分析了乘客密度對于地鐵空氣質量的影響。左甜甜[5]雖然評估的污染物參較多（CO 濃度、CO2濃度、甲醛濃度、TVOC 濃度、顆粒物濃度、氡濃度），但是對于地鐵內部的空氣質量沒有進行整體概括分析。

而我們本次測試，不僅測試6 個地鐵站臺內部了8 種氣體，而且對于地鐵內部整體空氣質量進行了評價。相比較以往的研究，本文更加全面的描述地鐵內部環境。

1 方法

1.1 測試站點基本信息

本次研究從2019.5.30 至2019.6.21 的夏季開始進行。對6 個地鐵站臺內的8 種氣體（PM10、PM2.5、NH3、CH2O、CO、NO2、SO2、TVOCs）進行陸續的實際測試。氣體環境因素的測試周期為早8:00 至晚22:00，每隔兩分鐘測量一次。列車頻率以及人流量是由地鐵公司提供得來的，每30min 測試一次。

每個地鐵站的測試地點都在在站臺中間，距離地面1.2 米。測試站點具體信息如表1所示，其中2019.6.15 為周六、2019.6.16 為周日，其余時間為工作日。由于大多數公司周六也要工作，因此周六為半工作日。在夏季，地鐵站內部的空調通風系統處于運行狀態。六個地鐵站內部的空調通風系統皆采用“一次回風系統”，即1/2 回風與1/2 新風混合后，進入地鐵內部。

表1 測試站點基本信息Table 1 Essential information of subway

自動記錄了各自站臺的客流量數據和列車頻率（每隔半小時統計一次）。并從http://beijingair.sinaapp.com/獲得各站點的室外氣體環境（PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO）。

1.2 測試設備和精度

本次研究使用CPR-KA 空氣質量監測器對全屏蔽地鐵站臺內氣體環境進行實際測試，測量儀器設備的具體特點以及環境參數的測量范圍和精度如表2所示。

表2 各環境參數的測量范圍及精度Table 2 Measuring range and accuracy of each environmental parameter

1.3 分析方法

本項研究依據標準[6-9]，給定各氣體的最大濃度允許值，如表3所示。

表3 各環境參數期間的最大允許濃度Table 3 Maximum allowable concentration of environmental parameters

除此之外，本文采用SPSS Statistics 23.0 軟件（IBM,United States）分析了PM2.5、PM10、SO2、NO2和CO 濃度與客流量、室外氣體、列車頻率等的相關性，所有統計檢驗均使用0.05 置信度。

2 結果和討論

2.1 地下空間質量測試分析

由圖1可得：

圖1 地鐵列車頻率和客流量Fig.1 Frequency and passenger flow of subway trains

（1）S1-S4 地鐵站的列車頻率和客流量隨時間都有一定的變化。在測試時間段內，列車頻率和客流量的高峰都在8:00-9:00 和18:00-19:00。四個地鐵站的列車頻率和客流量各不相同。

（2）S5 與S6 站臺客流量和列車頻率高峰在8:00-9:00 和18:00-19:00。S5-2 與S6-2 客流量想接近。S5 與S6 站臺的列車頻率在工作日和周六日相同，且工作日列車頻率高于周六日。

在本次現場調查研究中，一共測試了六個車站，每個車站測試了8 種氣體（PM10、PM2.5、NH3、CH2O、CO、NO2、SO2、TVOCs），為了解每種氣體的來源及影響因素，S1-S4 站為工作日，圖2為在工作日期間不同站臺之間的氣體對比圖；S5-1、S6-2 為工作日，S5-1 為周六，S6-2 為周日，圖3為在工作日與周六周日站臺氣體濃度對比圖。

圖2 工作日期間S1、S2、S3 和S4 地鐵站臺地鐵環境參數（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

圖3 在工作日、周六日期間S5 和S6 地鐵站臺環境參數（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

從圖2、圖3可得出如下結論：

（1）由于地鐵內部有衛生間，導致地鐵內有一定的NH3影響乘客身體健康。圖2（a）、圖3（a）中測試的所有站臺的NH3濃度基本保持在17-18ppb 左右，在規定允許范圍內[8]，且NH3濃度在時間和空間上都沒有變化。

（2）圖2（b）、圖3（b）中，S4（28-60ppb）的CH2O 濃度最高，低于規定[6]。圖3（b）中，同一車站，S6-2（工作日）高于S6-1（周日）的CH2O濃度，CH2O 受客流量的影響；S5-2 與S6-2 的客流量相同，而CH2O 濃度不同，可能是由于通風條件不同造成的[10]。

（3）圖2（c）、圖3（c）中S3（103-111ppb）、S4（100-112ppb）的TVOCs 濃度最高，在標準規定范圍內[8]?？土髁扛?，TVOCs 濃度高，說明地鐵站內的TVOCs 與空氣流通相關[11]。

（4）圖2（d）、圖3（d）中，S2（2.8-10.8ppb）、S3（2.6-15.2ppb）站臺的NO2濃度最高，在標準范圍內[8]。圖3（d），客流量高的站臺NO2濃度略高于客流量低的站臺；圖3（d），同一站臺，工作日時期NO2濃度高于周六日時期。

（5）圖2（e）、圖3（e）中，S4（1.6-4.4ppb）站臺的SO2濃度波動范圍最大，濃度最高，低于規定值[8]。圖3（e），客流量高的站臺SO2濃度高于客流量低的站臺；圖3（e），在列車頻率高峰時刻，工作日與周六日的SO2濃度相差較大，其余時刻列車頻率相同時，SO2濃度變化不大。說明人員流動和列車頻率對SO2濃度有一定的影響。

（6）圖2（f）、圖3（f）中，S4（44-63ppb）的CO 濃度最高，在規定值范圍內[6-8]。圖3（g），客流量高的站臺CO 濃度高于客流量低的站臺；圖3（f），工作日與周日的CO 濃度差比工作日與周六CO 濃度差大。說明CO 受客流量的影響。S5-2與S6-2 客流量相近、列車頻率相差較大時，CO濃度相差較大，可能受列車頻率的影響。

（7）由圖2（g）（h）、圖3（g）（h）中，S4站臺在所測試站臺中PM10（0.046-0.15mg/m）、PM2.5（0.038-0.12mg/m）最高，在規定值范圍內[6,7,9]。圖3（g）（h）中，同一站臺，客流量高時，PMX濃度高。人員的流動導致顆粒物的再懸浮，并且客流量大的同時，導致空氣流通不佳，從而導致污染性氣體不能及時排出。S5-2 與S6-2 客流相同，但列車頻率相差較大，其PMX濃度相差較大，因此，人員流動與列車運行都會影響PMX的濃度[12]。

2.2 大氣環境對地下空間空氣質量影響分析

地鐵是一個封閉的空間環境，除了內部產生的污染物外，還有外部進入地鐵內部的污染物。為了解地鐵站臺氣體污染物與室外氣體污染的聯系，我們主要選擇了工作日時期的四個站臺（S1-S4）進行分析。對室內外五種氣體進行平均濃度和標準差分析，并計算了室內外氣體濃度比值，如圖4所示。

圖4 S1、S2、S3 和S4 站臺室內外氣體平均濃度和標準差對比（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)

從圖4，可得出如下結論：

（1）圖4（a）（b）中，我們可以得到，PM2.5室內外比I/O 為0.25-2.45，PM10室內外比I/O 為0.11-1.53。因此表明除了室外進入地鐵內部的顆粒物外，由于鐵路的摩擦和車輪的制動系統，地鐵內部也會產生一定的PMx[13]。在四個地鐵站中，S2的PM2.5、PM10室內外濃度比最大。由表1可知，S2 為半屏蔽站，當列車駛入車站，大量顆粒物也會隨之進入站臺，導致其地鐵內部顆粒物濃度明顯高于室外[14]。

（2）圖4（c）中，SO2的室內外I/O 為0.5-3.21，整體來說，室內SO2濃度高于室外。這與其他研究一致，夏季室內高于室外，冬季則相反。可能是因為夏季室內外溫度較高，汽車尾氣和工業排氣大量排到空氣中，擴散較快。同時，夏季地鐵空調通風機處于運行狀態，通風機中沒有SO2過濾設施，因此導致室外SO2涌入地鐵含量較多，室內SO2與室外SO2濃度以及空氣流通速度有關[15]。

（3）地鐵內部NO2主要通過通風系統、手扶梯等來自室外。圖4（d）顯示六個車站中，室外NO2濃度明顯高于室內，室內外比I/O 為0.27-0.55。

（4）地鐵內部CO 也主要來源于大氣環境。圖4（e）顯示室內外CO 濃度有數量級上的差異，其室內外比I/O 為0.07-0.1。

2.3 主要污染物室內外濃度相關性分析

由表4可知，PM2.5濃度與列車頻率（r=0.337，p<0.01）、客流量（r=0.378，p<0.01）和室外氣體（r=0.532，p<0.01）有顯著相關性，受室外氣體影響大于列車頻率和客流量。PM10濃度受到客流量，室外氣體濃度和列車頻率的影響。PM10濃度與室外氣體相關性（r=0.220，p<0.05）低于客流量（r=0.390，p<0.01）和列車頻率（r=0.385，p<0.01）相關性。顆粒物濃度與客流量有關，這可能是因為人員的走動會導致顆粒物漂浮在空氣中，并且人員密度大，通風不暢，空氣中的總體污染含量增加。并且，鐵路的摩擦和車輪的制動系統，導致地鐵內部也會產生一定顆粒物。除此之外，由于通風系統以及地鐵口的影響，導致室外的顆粒物進入地鐵站臺內部。SO2濃度受到室外氣體影響，但相關性（r=0.152）較弱。SO2濃度與客流量（r=0.334，p<0.01）和列車頻率（r=0.526，p<0.01）相關性顯著，其中受列車頻率影響大于客流量。NO2與客流量（r=-0.029）和列車頻率（r=-0.147）負相關性較弱，與室外氣體（r=0.537，p<0.01）的相關性顯著，主要受室外氣體的影響。CO 濃度與列車頻率（r=0.0.320，p<0.01）、客流量（r=0.348，p<0.01）和室外氣體（r=0.584，p<0.01）有顯著相關性，受室外氣體影響大于列車頻率和客流量。NO2和CO均來自于室外環境，主要受室外影響較大。SO2和CO 受列車頻率以及客流量的影響，主要是因為，通風量一定的情況下，人流量大，導致空氣流通不暢，因此污染物含量增加。

表4 PM2.5、PM10、SO2、NO2 和CO 濃度的相關性系數分析Table 4 Correlation coefficient analysis of PM2.5,PM10,SO2,NO2 and CO concentrations

3 結論

本文對地下空間運行的地鐵六個站臺的8 種氣體進行了測試，分析了PM10、PM2.5、CO、NO2和SO2的室內外氣體平均濃度，并用SPSS 軟件分析了PM2.5、PM10、SO2、NO2和CO 濃度與客流量、室外氣體、列車頻率等的相關性。主要結論如下：

（1）所測試的六個站臺的8 種氣體（PM10、PM2.5、NH3、CH2O、CO、NO2、SO2、TVOCs）均在標準規定允許的范圍內。北京夏季地鐵站臺內部空氣質量環境較好。

（2）發現地下空間地鐵主要污染物濃度受室外環境的影響較大。除此之外，受列車頻率和客流量的影響也比較大。因此，可以在客流量大時，通過增加通風量的進行空氣質量的改善。