張霞+呂斌+張莉萍

地鐵作為一種快速、大運量、用電力牽引的軌道交通工具，具有運輸能力強、速度快，運行有規(guī)律等優(yōu)點，正逐步成為大城市公共交通的主體。地鐵地下車站建筑結(jié)構(gòu)相對封閉，人群密集且流動性大，形成自然通風(fēng)不足、空氣質(zhì)量較差的狀況，容易造成污染物的積聚[1]。因此，關(guān)于地鐵車站空氣質(zhì)量及其影響因素的研究日益受到關(guān)注。

地鐵顆粒物是近年來最受關(guān)注的環(huán)境污染物，受城市環(huán)境、建筑結(jié)構(gòu)、建造年代、列車運行方式、客流量以及通風(fēng)模式等諸多因素的影響，地鐵環(huán)境顆粒物的濃度水平在不同城市間差異較大。世界各地的數(shù)據(jù)顯示，地鐵車站可吸入顆粒物濃度從每立方米幾十到幾百微克不等，而且各地地鐵環(huán)境顆粒物在元素組成方面，與大氣環(huán)境相比也存在著明顯差異[2]。通過對上海某地鐵車站內(nèi)的PM2.5濃度及其金屬元素成分進行檢測分析，以期對上海市地鐵環(huán)境中細顆粒物中的金屬元素組成特征有所了解，并為進一步系統(tǒng)研究地鐵環(huán)境中的顆粒物污染特征積累數(shù)據(jù)。

1 對象與方法

1.1 對象

本研究選擇上海某地鐵車站為采樣地點，該車站為地下站，所在地鐵線路自2007年開始運行，站臺安裝了屏蔽門系統(tǒng)，站內(nèi)公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置粗效過濾器。該車站位于某大型社區(qū)內(nèi)，周邊居民出行量大，近年來線路客流量始終處于過飽和狀態(tài)。車站建筑結(jié)構(gòu)地下3層，站廳層距地面深度9.3 m，站臺層距地面深度14.04 m，隧道層距地面深度15.12 m。同時選擇與所測車站在同一區(qū)域的某集團公司作為大氣環(huán)境采樣點。地鐵車站內(nèi)分別在站臺、站廳和隧道進行采樣。站臺區(qū)設(shè)一個采樣點，位于站臺的中央，為乘客上、下車及候車區(qū)域，該區(qū)域與隧道在空間上基本隔絕，

但列車進出站時的活塞風(fēng)會通過屏蔽門將隧道內(nèi)的空氣帶入站臺，同時也會將部分站臺空氣帶入隧道。隧道區(qū)間設(shè)一個采樣點，位于端頭門內(nèi)，該區(qū)域與隧道相通，僅限工作人員出入。站廳設(shè)一個采樣點，位于站廳中部的服務(wù)中心，該處閘機是乘客集中出站的部位。采樣點位置示意圖見圖1和圖2。

1.2 方法

1.2.1 采樣儀器 儀器為德國Sven Leckel公司的LVS3低流量采樣器，八通道PM2.5采樣頭，采樣流量為2.3 m3/h，濾膜為石英濾膜（Whatman），濾膜直徑為47 mm。采樣器入口距地面高度為1.5 m。采樣前后濾膜在相同溫濕度條件下平衡24 h后稱質(zhì)量（ 瑞士Mettler Toledo天平，精度0.01 mg），根據(jù)濾膜質(zhì)量差和采樣體積計算PM2.5質(zhì)量濃度。采樣后的濾膜放入已編號的濾膜盒，4℃冷藏保存。

1.2.2 采樣時間 分別于2014年1月（冬季）和8月（夏季）在上述采樣點進行采樣，采樣日期視現(xiàn)場協(xié)調(diào)情況隨機而定。每一個采樣點的采樣時間至少持續(xù)24 h。由于地鐵內(nèi)部空間相對局限，根據(jù)前期的課題研究，內(nèi)部站臺、站廳和隧道不同區(qū)域的顆粒物濃度保持穩(wěn)定均衡，每個區(qū)域設(shè)1個點（人員活動頻繁處），通過泵吸式采樣器采集環(huán)境顆粒物，能夠滿足樣品分析的代表性需要。

1.2.3 樣品處理及分析 電感耦合等離子質(zhì)譜法（ICP-MS）檢測樣品中金屬元素含量。采集后的濾膜樣品首先進行消解，使用HNO3-H2O2體系，每個樣品再加0.2 mL HF，使用Ethos高壓密閉微波消解系統(tǒng)（意大利Milestone公司）進行樣品消解。樣品的稀釋定容使用1% HNO3進行?？瞻啄ず皖w粒物標準物質(zhì)SRM1648（NIST，美國國家標準研究院）參照 PM2.5樣品同步驟處理，以便進行分析的質(zhì)量控制。采用VGX-7電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（美國熱電公司）進行樣品的多元素含量測定。等離子功率1 550 W，等離子氣體流量15 L/min，霧化器流量1 L/min，He氣流量4.3 mL/min，重復(fù)檢測3次。

1.3 統(tǒng)計學(xué)分析

用Excel 2010軟件進行數(shù)據(jù)錄入及描述性分析。

2 結(jié)果

2.1 PM2.5質(zhì)量濃度特征

隧道、站臺、站廳以及外部環(huán)境PM2.5 的質(zhì)量濃度均表現(xiàn)為冬季高于夏季，就車站內(nèi)部而言，不同場所的PM2.5濃度排序依次為隧道>站臺>站廳。記錄到的PM2.5濃度水平最高點為冬季隧道內(nèi)（168 μg/m3），最低點為夏季環(huán)境對照（17 μg/m3）。見圖3。

2.2 PM2.5中金屬元素組成及分布規(guī)律

采用ICP-MS法對采集的PM2.5樣品中的16種金屬元素進行分析，結(jié)果見表1和表2。地鐵車站內(nèi)部環(huán)境細顆粒物樣品中含量最高的金屬元素為Fe，其他含量相對較高的金屬元素如Zn、Al、Ba、Mn等，雖然各元素質(zhì)量濃度季節(jié)間相差較大，但均呈現(xiàn)冬季高，夏季低的趨勢。另外，各金屬元素在不同季節(jié)垂直方向的分布特征也不同， 冬季各元素濃度最高的隧道，在夏季反而處于相對低的水平。

冬季隧道PM2.5樣品中的金屬含量（表1）普遍高于站臺、站廳和環(huán)境濃度，其中，F(xiàn)e的含量最高，Ba、Zn、Mn的含量雖然不如Fe，但均明顯高于環(huán)境濃度，可達環(huán)境濃度的6～7倍，相反站臺和站廳則遠低于環(huán)境濃度。另外，Rb的濃度雖然不高，卻也達到環(huán)境濃度的7倍以上。其他大多數(shù)元素濃度與環(huán)境濃度相比也大多在3～5倍的水平。從各元素在地鐵車站內(nèi)部的垂直分布特征來看，大多隨高度升高呈現(xiàn)遞減的趨勢。地鐵車站夏季PM2.5樣品中大多數(shù)金屬元素低于外部環(huán)境或者與外環(huán)境持平（表2）。

3 討論

近年來，關(guān)于地鐵環(huán)境中顆粒物的研究受到廣泛關(guān)注，研究內(nèi)容主要集中顆粒物在不同時間、空間的分布特征及其理化特性分析。研究表明，地鐵車站細顆粒物質(zhì)量濃度受多種因素影響，既包括建筑結(jié)構(gòu)、客流量、列車頻率以及通風(fēng)狀況等內(nèi)部因素，也包括外部環(huán)境、采樣地點、方法和時間等外部因素[2]。所以，文獻報道中各地鐵系統(tǒng)中的細顆粒物質(zhì)量濃度往往差異很大，例如倫敦地鐵[3]環(huán)境中的PM2.5濃度為270～480 μg/m3，首爾地鐵環(huán)境中不同場所的PM2.5濃度為27～185 μg/m3[4]，巴塞羅那地鐵站臺不同季節(jié)PM2.5的平均濃度20～91 μg/m3[5]，而關(guān)于上海地鐵，也有從幾十到幾百的不同報道[6-8]。

上海地鐵的通風(fēng)系統(tǒng)有開式和閉式兩種運行模式。在冬季，車站公共區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)閉式運行，系統(tǒng)的新風(fēng)供應(yīng)量相對較小，在一定程度上減少了高濃度大氣PM2.5的進入，所以站廳PM2.5濃度低于外部，而隧道由于有列車運行過程中車輪與鐵軌摩擦產(chǎn)生的內(nèi)源性顆粒物，導(dǎo)致其顆粒物濃度升高，隧道又通過活塞風(fēng)作用影響了站臺濃度。而在夏季，大氣PM2.5濃度較低，此時車站空調(diào)系統(tǒng)運行，也處于較低的通風(fēng)水平，導(dǎo)致車站內(nèi)的PM2.5不易于排出，內(nèi)源性顆粒物在車站內(nèi)部積聚，導(dǎo)致車站內(nèi)的PM2.5濃度明顯高于大氣PM2.5濃度。因此，地鐵車站內(nèi)的顆粒物具有內(nèi)外部雙重來源，尤其是在外部環(huán)境濃度相對低的時候，內(nèi)源性污染就更加凸現(xiàn)出來。本研究所檢測的車站，各場所細顆粒物的質(zhì)量濃度均表現(xiàn)為冬季高，夏季低。進一步分析各季節(jié)內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，從隧道到地面隨高度增加，質(zhì)量濃度呈現(xiàn)遞減趨勢。這樣的分布特征，體現(xiàn)了外環(huán)境、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及通風(fēng)模式等多因素的影響。

多數(shù)研究表明，F(xiàn)e是地鐵顆粒物中最主要的金屬成分，含鐵顆粒物主要來源于鐵軌和車輪的機械摩擦過程，另外，與鋼鐵組成相關(guān)的Cr、Mn、Cu等元素濃度也相對較高，Ba則是剎車皮中的常見元素[6，9]。而本研究中類似的情況僅出現(xiàn)在冬季樣本中。由于列車運行對顆粒物中金屬污染物有明顯的影響，加強隧道機械通風(fēng)以及清潔管理有助于改善地鐵內(nèi)部金屬顆粒物污染。

地鐵顆粒物中金屬元素的組成和含量與當?shù)丨h(huán)境本底、地質(zhì)狀況、機車鐵軌等多種因素有關(guān)。因此，各地的研究數(shù)據(jù)存在一定的差異，但地鐵顆粒物的富鐵屬性得到了多數(shù)研究的證實。東京地鐵顆粒物中的Fe含量可達地面的30～60倍，且和Ba濃度高度相關(guān)[10]。洛杉磯地鐵PM10和PM2.5中的Fe含量分別是地面的12～45倍，其他Mn、Cr、Co、Ba、Cu等與對照點的差距也至少在2倍以上[11]。赫爾辛基地鐵的研究顯示，PM2.5樣品中含量最高的元素是Fe，地面站和地下站分別為0.7和29 μg/m3， 其他富有元素還包括Mn、Cr、Ni、 Cu[12]。因此，關(guān)于地鐵環(huán)境顆粒物對于乘客顆粒物總暴露水平的影響，研究者更關(guān)注對金屬成分暴露的研究。本研究對某地鐵車站環(huán)境中細顆粒物金屬元素的組成特征進行了初步分析，結(jié)果證實地鐵車站內(nèi)的顆粒物同時受站外街道大氣環(huán)境和站內(nèi)車輪與軌道摩擦的雙重影響，顆粒物水平及某些特定成分具有不同于大氣環(huán)境的特點。由于本研究僅對單個車站進行監(jiān)測，代表性不足，有待在更多的監(jiān)測站點開展進一步研究以明確顆粒物中不同污染成分的來源，從而有助于準確評價不同地鐵環(huán)境PM2.5暴露對特定人群的健康風(fēng)險，并提出相應(yīng)的防控策略。

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（收稿日期：2016-08-31）