黃 珊 潘志衛(wèi) 黃繼嬋 陸小衛(wèi) 毛意中 黃 庭 吳代赦#

(1.南昌大學(xué)資源環(huán)境與化工學(xué)院，鄱陽(yáng)湖環(huán)境與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330031；2.洪崖建筑工程檢測(cè)有限公司，江西 南昌 330096)

近年來(lái)，隨著城市地鐵交通建設(shè)的迅速發(fā)展，地鐵成為人們出行首選的交通工具，地鐵室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量引起廣泛關(guān)注。諸多研究表明，地鐵系統(tǒng)由于其相對(duì)密閉的環(huán)境及存有內(nèi)在污染源導(dǎo)致地鐵內(nèi)PM2.5常高于室外環(huán)境[1-2]，季節(jié)、氣象條件、地理位置、交通密度、地上/地下、站臺(tái)設(shè)計(jì)、站臺(tái)深度、通風(fēng)系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)、乘客量、運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)、活塞效應(yīng)等因素均會(huì)影響地鐵顆粒物濃度[3]1509，[4]82-83，[5]297-298，[6-8]。為對(duì)地鐵內(nèi)PM2.5污染狀況作出準(zhǔn)確評(píng)估，開(kāi)展實(shí)地監(jiān)測(cè)分析非常必要。

流行病學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，顆粒物暴露會(huì)引發(fā)呼吸系統(tǒng)不適、肺功能破壞、慢性肺病、心血管疾病及肺癌[9-10]。國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)已將室外污染空氣中的顆粒物列為一類致癌物[11]。大量毒理性研究表明，顆粒物對(duì)人體的潛在傷害與其粒徑[12]、濃度[13-14]和主要化學(xué)組成[15]有關(guān)，細(xì)顆粒物和超細(xì)顆粒物的化學(xué)成分與其毒性關(guān)聯(lián)更強(qiáng)[16]。此外，F(xiàn)e等過(guò)渡金屬的含量會(huì)影響顆粒物的遺傳毒性，過(guò)量的Fe主要通過(guò)增加體內(nèi)活性氧，引起或加速炎癥反應(yīng)[17]。BACHOUAL等[18]發(fā)現(xiàn)，巴黎地鐵顆粒物引起的炎癥和氧化效應(yīng)是一般大氣顆粒物的4倍。KARLSSON等[19]研究表明，斯德哥爾摩地鐵顆粒物毒性比其附近的城市街道顆粒物毒性約高8倍，長(zhǎng)期吸入此類顆粒物，將破壞人體DNA和免疫系統(tǒng)。為有效預(yù)防地鐵PM2.5危害，需全面了解其污染特征及來(lái)源。

南昌市地鐵1號(hào)線是江西省南昌市首條開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的地鐵線路，2015年12月26日正式載客運(yùn)營(yíng)，迄今為止僅有江西省疾控中心利用激光粉塵儀抽查南昌市12個(gè)地鐵站PM10含量的報(bào)道[20]。為有效預(yù)防PM2.5污染、深入了解南昌市地鐵PM2.5特征，本研究選取不同背景區(qū)域的地鐵站作為研究對(duì)象，探討地鐵PM2.5空間分布規(guī)律、PM2.5中5種毒理性重金屬(Cr、As、Cd、Hg、Pb)和Fe元素污染情況及可能的污染源，為進(jìn)一步有效控制PM2.5、改善地鐵環(huán)境空氣質(zhì)量提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域及時(shí)間

為便于考察環(huán)境背景對(duì)地鐵PM2.5的影響，選取3個(gè)研究區(qū)域，分別是以旅游為主要產(chǎn)業(yè)、位于環(huán)湖郊區(qū)的瑤湖西站，以商貿(mào)交易為主要產(chǎn)業(yè)、位于中心商業(yè)區(qū)的八一館站和以工業(yè)制造業(yè)為主要產(chǎn)業(yè)、位于工業(yè)區(qū)的雙港站。于2017年7月31日至8月6日、8月7—13日、8月14—20日分別對(duì)八一館站、雙港站和瑤湖西站空氣中的PM2.5進(jìn)行連續(xù)采樣監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)時(shí)間為每天8：00—19：00。

3個(gè)地鐵站均為地下站，監(jiān)測(cè)位置為每個(gè)地鐵站的站外入口、售票口和站臺(tái)，避開(kāi)人流通道和通風(fēng)口，距離墻壁1 m。同時(shí)，在車廂中設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采集行駛中車廂里的PM2.5。每個(gè)地鐵站均裝有屏蔽門(mén)系統(tǒng)，空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置粗效過(guò)濾器。

1.2 樣品采集及分析方法

采用嶗應(yīng)2030型中流量智能采樣器在售票口和站臺(tái)采集PM2.5樣品(流量100 L/min)，采用TAS-5.0型MiniVol采樣器在站外入口和車廂內(nèi)采集PM2.5樣品(流量8 L/min)。

采樣前后石英濾膜均先經(jīng)500 ℃灼燒4 h，恒溫恒濕24 h(20～25 ℃，濕度40%～50%)后稱重，根據(jù)采樣前后濾膜的質(zhì)量差和采樣體積確定PM2.5質(zhì)量濃度。

PM2.5中Cr、As、Cd、Hg、Pb和Fe元素利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(PE NEXION 350D)測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

使用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行Person相關(guān)性分析和R-cluster聚類分析。

污染指數(shù)法能指示顆粒物中金屬污染的程度，定義為地鐵顆粒物中某一特定金屬元素平均值與相應(yīng)金屬元素背景值的比值，其值可定性判斷各元素的污染水平。本研究取各站站外入口PM2.5中金屬元素為其背景值，參考文獻(xiàn)[21]中污染指數(shù)分級(jí)：<1，輕污染；1～<3，中度污染；3～<6，顯著污染；≥6，強(qiáng)污染。

2 結(jié)果與討論

2.1 夏季PM2.5污染情況

《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 18883—2002)未規(guī)定PM2.5，因此參考《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)(一、二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值分別為35、75 μg/m3)進(jìn)行分析。如圖1所示，車廂及站外入口PM2.5平均值相對(duì)較高，其次是站臺(tái)和售票口，其中售票口PM2.5平均值低于GB 3095—2012二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值。

圖1 各站點(diǎn)PM2.5質(zhì)量濃度Fig.1 PM2.5 mass concentration of each station

八一館站站臺(tái)PM2.5最高，其次是雙港站和瑤湖西站，主要受兩個(gè)因素的影響：(1)站臺(tái)結(jié)構(gòu)。瑤湖西站和雙港站站臺(tái)皆為島式站臺(tái)結(jié)構(gòu)，而八一館站站臺(tái)為側(cè)式結(jié)構(gòu)，兩邊站臺(tái)被中島隔離開(kāi)來(lái)，空間相對(duì)狹窄，PM2.5受擾動(dòng)明顯，這與WANG等[4]83研究結(jié)果相一致。(2)客流量。采樣期間，位于中心商業(yè)區(qū)的八一館站客流量最高，平均日客流量為34 068人次，其次是雙港和瑤湖西站，分別為10 056、6 995人次。Pearson相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，八一館、雙港和瑤湖西站站臺(tái)PM2.5與日均客流量均顯著正相關(guān)(r分別為0.956、0.952、0.978，p分別為0、0.001、0)，MA等[22]的研究也有相似的結(jié)論。

各站點(diǎn)站外入口PM2.5變化較大，雙港站和瑤湖西站較高，分別為(96.15±70.98)、(89.74±46.15) μg/m3。雙港站站外位于馬路交匯口，來(lái)往車輛較多，受過(guò)往車輛尾氣及揚(yáng)塵影響，PM2.5波動(dòng)較大?，幒髡倦m位于人流稀少的環(huán)湖郊區(qū)，但由于采樣期間出站口有間斷性施工活動(dòng)，土方開(kāi)挖產(chǎn)生的揚(yáng)塵及過(guò)往車輛產(chǎn)生的尾氣導(dǎo)致PM2.5較高、波動(dòng)較大。八一館站站外入口PM2.5為(53.17±16.91) μg/m3，較其他兩站點(diǎn)稍低，主要是因?yàn)榘艘火^站站外入口靠近商場(chǎng)入口，有較好的冷風(fēng)換氣系統(tǒng)，較有效控制了PM2.5濃度的波動(dòng)。

采樣期間，八一館、雙港和瑤湖西站售票口PM2.5平均值分別為57.87、48.79、33.19 μg/m3，總體比站臺(tái)稍低。通過(guò)聚類分析，站臺(tái)和售票口的PM2.5相關(guān)性較高(r=0.668，p=0.001)，有相近的來(lái)源，因被室外影響程度低，推測(cè)室內(nèi)源為兩者的主要來(lái)源，這與KAM等[3]1512和樊越勝等[23]的研究結(jié)果類似，認(rèn)為地鐵系統(tǒng)內(nèi)顆粒物主要產(chǎn)生于室內(nèi)，室外PM2.5對(duì)站臺(tái)和售票口PM2.5影響較小。首爾6個(gè)地鐵站的研究表明，站外環(huán)境會(huì)影響站內(nèi)空氣質(zhì)量[5]300-301。然而，本研究中僅有雙港站站臺(tái)PM2.5受站外環(huán)境影響顯著(r=0.496，p=0.047)，這是由于在采樣過(guò)程中僅有雙港站是采集了多個(gè)站外入口的數(shù)據(jù)，更能代表地鐵站周邊室外大氣的真實(shí)水平，因此建議后續(xù)加強(qiáng)對(duì)站外入口的多點(diǎn)采樣。

如圖2所示，車廂PM2.5為(106.3±64.4) μg/m3，顯示出工作日中周一和周五較高、周四較低的趨勢(shì)，最高為246.7 μg/m3，最低為23.4 μg/m3。2017年，南昌市地鐵1號(hào)線全天行車間隔均為6.5 min，包括早晚高峰(6：30—9：00、16：30—19：00)及雙休日高峰(11：30—20：00)，因此列車運(yùn)營(yíng)不對(duì)車廂內(nèi)PM2.5波動(dòng)造成影響。

注：07-31、08-07、08-14為周一，08-03、08-10、08-17為周四，08-04、08-11和08-18為周五；07-31、08-07由于儀器故障，車廂PM2.5未檢測(cè)。

PM2.5與室內(nèi)相對(duì)濕度的變化趨勢(shì)大體一致。這與宋秀瑜等[24]研究觀點(diǎn)一致，在一定濕度范圍(以不發(fā)生重力沉降為界限)內(nèi)，相對(duì)濕度越大越有利于顆粒物的形成，南京地區(qū)大氣環(huán)境中PM2.5不發(fā)生重力沉降的界限為50%～59%。相對(duì)濕度對(duì)車廂內(nèi)PM2.5影響很大，分析原因：(1)車廂封閉的環(huán)境形成了較差的空氣擴(kuò)散條件；(2)地鐵室內(nèi)有大量的SO2和NO2，它們是形成二次氣溶膠的前體物，而二次氣溶膠的生成是引起PM2.5升高的主要原因[25]。這與有些研究結(jié)果不同，如ZHANG等[26]對(duì)天津某典型住宅建筑的研究表明，濕化可通過(guò)增大PM2.5粒徑來(lái)加快其沉積速率，從而降低室內(nèi)PM2.5濃度，而這個(gè)結(jié)論是在PM2.5質(zhì)量濃度較高(0.91～1.73 mg/m3)的情況下成立。

客流通常被認(rèn)為是引起PM2.5二次擾動(dòng)的重要原因。然而，本研究中客流量變化與車廂內(nèi)PM2.5日均值變化趨勢(shì)相關(guān)性不顯著，這與卓思華等[27]的研究結(jié)果有出入。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，北京地鐵最高日客流量為南昌市地鐵最高日客流量的18倍，可認(rèn)為客流量對(duì)車廂內(nèi)PM2.5的影響具有分段性，客流量大到一定程度時(shí)，其影響才開(kāi)始有較顯著的線性特征。結(jié)合相關(guān)研究[28]，推斷南昌市地鐵車廂內(nèi)PM2.5污染水平主要受列車軌道、車輪及剎車片、站臺(tái)結(jié)構(gòu)、氣象條件(濕度)、客流量和室內(nèi)通風(fēng)等因素的綜合影響。

總體來(lái)說(shuō)，研究期間車廂PM2.5最高，其次是站外入口、站臺(tái)，售票口最低。站臺(tái)和售票口PM2.5相關(guān)性較高(r=0.668，p=0.001)，可能有相近的來(lái)源。相對(duì)濕度對(duì)車廂內(nèi)PM2.5影響很大，而客流量變化與車廂內(nèi)PM2.5日均值變化趨勢(shì)相關(guān)性不顯著。整體來(lái)說(shuō)，瑤湖西站站內(nèi)PM2.5質(zhì)量狀況相對(duì)較優(yōu)，其次是雙港站和八一館站。

2.2 地鐵PM2.5金屬元素空間分布特征

如表1所示，F(xiàn)e元素站內(nèi)平均值為(6.557 2±4.677 6) μg/m3，是地鐵PM2.5中質(zhì)量濃度最大的元素，其次是As、Pb、Cr、Hg和Cd。站臺(tái)和車廂PM2.5中Fe元素比其他采樣區(qū)域高3.6～34.7倍，站外入口最低，這與其他文獻(xiàn)表述Fe主要來(lái)自于地鐵軌道車輪摩擦等觀點(diǎn)相一致[29]，[30]182。毒理性重金屬元素最大值均出現(xiàn)在車廂，其次是站外入口，最小值出現(xiàn)在售票口和站臺(tái)，Cr、As最大值與最小值的倍差達(dá)5～11倍，Pb為3～8倍，Cd為2～5倍，Hg為2～13倍。地鐵的半封閉地下環(huán)境使PM2.5受外部環(huán)境條件影響較小，從而更易造成重金屬污染物的累積；另一方面，隧道中車輪與鐵軌的摩擦及剎車片磨損形成的超細(xì)顆粒物和地鐵隧道的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，也可能是造成車廂重金屬污染物濃度偏高的重要原因。

表1 各站點(diǎn)PM2.5中金屬元素空間分布

如表2所示，金屬污染程度上，八一館站最大，金屬元素平均值總和為7.146 3 μg/m3，其中Fe元素平均值為6.545 6 μg/m3；其次是雙港和瑤湖西站，金屬元素平均值總和分別為4.960 4、1.909 7 μg/m3，其中Fe元素平均值分別為4.065 3、1.371 3 μg/m3。八一館站Fe元素濃度最大導(dǎo)致其總污染程度最高，與其站臺(tái)的島式結(jié)構(gòu)有關(guān)，污染物不易擴(kuò)散，積累濃度較大。毒理性重金屬污染程度從高到低依次為雙港、八一館、瑤湖西站，雙港站PM2.5中As最大(平均值為0.714 6 μg/m3)，為八一館、瑤湖西站的1.59、1.79倍，推測(cè)工業(yè)區(qū)周邊環(huán)境是雙港站污染嚴(yán)重的重要原因。

表2 各站點(diǎn)站內(nèi)PM2.5中金屬元素平均值

2.3 地鐵PM2.5金屬元素污染指數(shù)

如圖3所示，F(xiàn)e元素污染嚴(yán)重：雙港站、八一館站臺(tái)和車廂均為強(qiáng)污染，污染指數(shù)分別為11.06、17.69和11.17；雙港站、八一館售票口均為顯著污染，污染指數(shù)分別為3.13和5.35；瑤湖西站站臺(tái)為中度污染，瑤湖西站售票口為輕污染。Fe元素污染嚴(yán)重主要受人為影響，主要來(lái)源于機(jī)械磨損，包括車輪、制動(dòng)器、軌道及電纜的磨損[31]，還有一部分是外界空氣中的Fe元素通過(guò)擴(kuò)散或通風(fēng)系統(tǒng)[30]178進(jìn)入地鐵環(huán)境。整體上，車廂污染最嚴(yán)重，其次是雙港站、八一館站，瑤湖西站污染最輕。車廂中各金屬元素污染較重，F(xiàn)e元素污染指數(shù)達(dá)11.17，為強(qiáng)污染；Cr、As、Hg、Pb元素為中度污染，污染指數(shù)分別為1.60、1.21、1.24、1.19；Cd元素污染指數(shù)小于1，為輕污染。建議加強(qiáng)對(duì)南昌市地鐵PM2.5中Fe元素的控制及車廂空氣質(zhì)量的改善，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)地鐵站周邊環(huán)境的管理。

圖3 各站點(diǎn)PM2.5中金屬元素的污染指數(shù)Fig.3 Pollution index of metals in PM2.5 of each station

3 結(jié) 論

(1) 車廂PM2.5最高，其次是站外入口、站臺(tái)，售票口最低。站臺(tái)和售票口PM2.5相關(guān)性較高(r=0.668，p=0.001)，可能有相近的來(lái)源。相對(duì)濕度對(duì)車廂內(nèi)PM2.5影響很大，而客流量變化與車廂內(nèi)PM2.5日均值變化趨勢(shì)相關(guān)性不顯著。整體來(lái)說(shuō)，瑤湖西站站內(nèi)PM2.5質(zhì)量狀況相對(duì)較優(yōu)，其次是雙港站和八一館站。

(2) 站臺(tái)和車廂PM2.5中Fe元素比其他采樣區(qū)域高3.6～34.7倍，站外入口最低，F(xiàn)e主要來(lái)自于地鐵軌道車輪摩擦等。毒理性重金屬元素最大值均出現(xiàn)在車廂，其次是站外入口，最小值出現(xiàn)在售票口和站臺(tái)。雙港站PM2.5中As含量最高，主要受所處工業(yè)區(qū)的影響。

(3) Fe元素污染嚴(yán)重：雙港站、八一館站臺(tái)和車廂均為強(qiáng)污染，雙港站、八一館售票口均為顯著污染，瑤湖西站站臺(tái)為中度污染，瑤湖西站售票口為輕污染。車廂中各金屬元素污染較重，F(xiàn)e元素污染指數(shù)達(dá)11.17，為強(qiáng)污染,Cr、As、Hg、Pb元素為中度污染，Cd元素為輕污染。整體上，車廂污染最嚴(yán)重，其次為雙港站、八一館站，瑤湖西站污染最輕。