文_柳孟光 王春青 王凯琳 吉林建筑大学市政与环境工程学院

长春轨道交通系统由五条线路组成，运行里程为100.17km，极大地满足了城市快速发展需求，为市民提供了更加便捷的出行方案，2019年的数据显示，长春地铁系统共接待了1.68亿人次，每天最大客流量为93.8万人次。然而，由地铁运行车轮与轨道摩擦、场站装饰材料和保温材料、高度密集的人群和气候条件等因素导致的地铁场站内的空气质量问题也日益凸显出来，成为当下亟待解决的环境问题。细颗粒物是地铁颗粒物的重要组成，是站内空气质量重要的影响因素，其中10µm直径以上的颗粒物通常沉积在上呼吸道，2µm以下的可深入到细支气管和肺泡，直接影响肺的通气功能，使机体容易处在缺氧状态。已有流行病学证据表明，PM2.5有急性与慢性健康效应，急性健康效应体现在高PM2.5暴露增加患急性呼吸道疾病与心脑血管疾病的风险，慢性健康效应体现在PM2.5可能诱发肺癌、COPD（慢性阻塞型肺炎）、心脑血管疾病等慢性疾病，也有研究表明对细颗粒物的暴露会影响人的免疫系统、神经系统等。与较粗的大气颗粒物相比，细颗粒物粒径小，富含大量的有毒、有害物质且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。因此，有必要对长春地铁颗粒物污染进行现场实测，根据分析结果确定影响车站颗粒物浓度的因素，并提出合理有效的解决方案。

1 实测方案

1.1 地铁站基本情况

本次实测主要选取长春地铁1号线的市政府站进行了数据采集工作，市政府地铁站是一座地下岛式车站，车站设计了5个出入口与室外连接，站厅层的两端是车站各功能区的设备房，站厅层与站台层是通过两个双跑楼梯，一台垂直电梯，两台扶梯相连接。其中，市政府车站为非换乘车站，全站采用全高屏蔽门系统，地铁车站构造简单，客流量少，对实测颗粒物浓度的影响因素少。

1.2 测试时间

该 站 的 高 峰 时 间 段 为 上 午8：30～9：00，下 午16：30～18：00，根据客流的出行规律及室外颗粒物的污染水平，本研究实测颗粒物浓度的时间为2020年11～12月，并将每日监测时间划分为4个时间段：8：00～9：30、9：35～11：00、15：00～16：30、16：35～18：00。在2019年12月13日、12月15日、12月16日对站内外的PM2.5进行采样收集，采样时间设置为7：30～10：30、12：00～15：00、15：30～18：30，单次更换石英滤膜时间为3h。在此方案中9：35～11：00、15：00～16：30、12：00～15：00时间段测试和收集非高峰期的颗粒物，方便比较两个峰值时间段颗粒物浓度和其携带化学组分的差异性。

1.3 测点布置

本次测试选取市政府地铁站的站台、站厅、近车门及站外4个区域进行实测颗粒物浓度，选择4个测量点的原因如下：站外测量点可以更好地确定站内颗粒物是否受站外气候影响，站厅测量可与站台测量点形成对比不同车站深度颗粒物浓度水平和变化规律，站台层的两个测量点主要是比较活塞效应对两个区域颗粒物的影响是否存在差异。在PM2.5的收集过程中，我们使用中流量PM2.5采集器配备石英过滤膜对站外和站台末端环境中的PM2.5进行采样。

本次测试主要使用的仪器包括携式颗粒计数器测量总悬浮颗粒物（TSP）、PM10、PM4、PM2.5和PM1浓度。该仪器采用激光二极管原理，测量范围为0～1000µg/m3，采样时间设置为1min记录数据，校准采样流量为2.831L/min。使用WZYW-1仪器测量温度、湿度和二氧化碳浓度，测试仪器具备实时测量和数据记录功能，设置1min记录一次数据，且所有设备在测试前进行校准。PM2.5采样前应对石英过滤膜进行3h的300℃预燃烧和45℃的干燥，确保石英滤膜没有其他杂质和水分，避免对检测数据进行干扰。另外在实测过程中收集了2个空白样本，以纠正过滤膜的伪影。使用电感耦合等离子体发射光谱仪检测PM2.5的化学组分，在检测前对石英滤膜样品进行王水消解成酸性水样，检测过程中设置标准曲线的相关系数＞0.999，设置5个标准梯度为0.01、0.05、0.1、0.2、0.5ppm，在分析待测样品的同时并检测分析2个空白样品，以确保检测数据的准确性。

2 测试结果和分析

2.1 颗粒物浓度测试分析

图1反映的是当站外空气质量处于优、良、轻度污染和严重污染状态时，地铁车站内不同区域PM2.5的浓度变化趋势。根据中国监测网的新空气质量标准等级划分室外工况进行实测，实测工况包括优（0～35µg/m3）、良（35～75µg/m3）、轻度污染（115～150µg/m3）、严重污染（150～250µg/m3）4种状态。当站外环境中PM2.5浓度小于30µg/m3时，公共区域环境中PM2.5的浓度范围为59.9～127.6µg/m3，站台区域的PM2.5污染最为严重，站外PM2.5污染最轻。

图1

当站外环境中PM2.5浓度超过30µg/m3且小于90µg/m3时，公共区域环境中PM2.5的浓度范围为75.6～163µg/m3，车站污染情况与上面的情况相同。

当站外环境中PM2.5浓度超过120µg/m3且小于150µg/m3时，公共区域环境中PM2.5的浓度范围为93.8～173.3µg/m3，车站污染情况大致呈现：站台＞站厅＞近车门区域＞站外。当站外环境中PM2.5浓度超过150µg/m3时，公共区域环境中PM2.5的浓度范围为69.6～212.4µg/m3，此时站外的PM2.5污染高于车站内所有区域。

通过对结果分析发现，当站外空气品质处于优、良、污染状态，车站内空气质量一直处于污染状态，且站台环境中PM2.5的污染比站厅层的污染更为严重。在长春地铁测试中我们发现当站外环境中PM2.5浓度超过150µg/m3时，站台的颗粒物浓度水平就低于室外。

2.2 颗粒物浓度与环境因素相关性分析

本文采用SPSS对同步采集的站台与屏蔽门处数据进行Pearson相关性分析，两个变量之间的相关性用相关系数R表示（0＜R＜1表示正相关，-1＜R＜0表示负相关；值越接近1或-1，相关性越强，R=0表示不相关）。R2值接近于1，说明曲线拟合程度越好，预测数据越准确，结合表1数据可以看出不同粒径的颗粒物之间具有显著的相关性。

表1中数据反映出车站的温度、湿度和二氧化碳浓度与PM10的相关性较差，R值分别为-0.122、0.070和-0.027。其中，车站环境中的温度、二氧化碳浓度与PM10浓度呈较弱的负相关性，湿度与PM10浓度呈较弱正相关性，湿度与温度、PM1的负相关性较强，不同粒径的颗粒物之间的相关性如下：PM1与PM2.5的R值为0.941、PM2.5与PM4的R值为0.962、PM4与PM10的R值为0.966、PM2.5与PM10的R值为0.876、PM1与PM10的R值为0.836、PM1和PM4的R值为0.910；通过以上数据反映出颗粒物之间相关性相当显著，尤其PM4与PM10、PM2.5之间的相关性非常强，代表PM4与PM10、PM2.5之间的相关联程度非常密切。通过不同粒径颗粒物间的显著相关性，我们提出选择适当控制PM4的浓度来降低车站整体颗粒物的污染水平。

表1 相关性分析

2.3 PM2.5的理化分析

通过对比发现站内外环境中的PM2.5的结构存在明显差异。站外PM2.5携带的单个颗粒形态主要为球状和块状，而站台末端PM2.5携带的单个颗粒形态主要为片状、絮状。我们根据PM2.5不同的形态结构对站内外环境中PM2.5所携带的单个颗粒进行能谱分析，结果发现，2个区域中单个颗粒所携带的C、O和Si元素含量都相对较高，其中站外环境中PM2.5检测出13种元素的出峰信号（C、O、Si、Ca、Na、Ti、Mg、K、S、Ag、Cl、Fe、Al），C、O、Si、Ca信号较强；站台端部环境检测到6种元素的出峰信号（C、O、Si、Mn、Cl和Fe），金属元素Fe、Mn的信号较强。由于金属元素Fe、Mn的出峰信号明显强于其他金属元素，我们认为地铁车站内部可能存在金属元素Fe、Mn的产生源。针对PM2.5所携带大量的金属元素可能会被乘客吸入体内造成不可逆的伤害，建议乘客和工作人员应佩戴N95口罩降低PM2.5的危害性或车站在应有的空调系统中增加三层过滤装置和静电吸附装置，以解决颗粒物的污染问题。

3 结语

本研究调查了长春地铁站颗粒物的浓度水平，分析了PM2.5所携带单个粒子的化学组分和形态结构。研究发现长春地铁站内的颗粒物污染较为严重，冬季应增加站内新风量以稀释各区域的颗粒物浓度，减少颗粒物污染对乘客健康的影响。车站内的温度、湿度和二氧化碳浓度对颗粒物浓度的影响较小的，但不同粒径的颗粒物之间却存在着很强的相关性，可以适当控制某一粒径的颗粒物的浓度水平去制约和影响其他粒径颗粒物的浓度水平。通过对两个区域PM2.5样品的扫描电镜实验发现，站内外环境中的PM2.5所携带的单个粒子的结构和形态特征存在差异。在两个区域的PM2.5样品的能谱实验中检测到Fe、Mn等金属元素，若PM2.5携带过量的金属元素被乘客吸入体内，可能会给乘客和工作人员造成不可逆的健康问题。我们建议乘客和工作人员应佩戴N95口罩降低PM2.5的危害性。