西安某地铁站黑碳浓度水平及相关个体暴露特征

刘 璐,谭志海,苏冠儒,李冬雪

(西安工程大学 环境与化学工程学院,陕西 西安 710048)

0 引 言

黑碳(Black carbon， BC) 来自含碳物质(主要是石油、煤、木炭、树木、柴草、塑料垃圾、动物粪便等)的不完全燃烧( 包括生物质燃烧、机动车尾气排放和烹调等)，BC为多孔结构并且具有较高的表面积以及丰富的官能团，该结构的特性使其容易吸附有害物质，且其粒径分布范围小(0.1 ～ 1 μm)极易进入人体并长期停留在呼吸道中，从而引发多种疾病，目前，国内对黑碳气溶胶的研究已取得一定的进展.

但相较于国外，我国对黑碳的个体暴露评估研究较为缺乏.另外，我国对于黑碳与人类健康风险的评估的研究大多基于黑碳的室内外定点监测水平[1-5]，虽然这种监测方法具有低成本、便于长期观察等优势，但其很难表征污染物的真实暴露特征.经研究发现，黑碳的个体暴露水平与室内外定点监测水平的相关性较弱，与个体所处的每个微环境中的黑碳浓度以及停留时间紧密相关[6].因此，在结合微型便携监测仪器优势的基础上，个体采样被认为是监测个体暴露水平的最有力手段，对于识别污染来源并进行有效控制具有重要意义.随着我国道路交通建设的步伐加快，地铁建设也日益发展，由于其便捷快速等优势，已成为西安等大中城市人们出行的首选工具.由于地铁属于半封闭的建筑结构，通风不足，人群密集、污染源较多使得其空气质量较差[7-11].但目前，国内对地铁这类半封闭环境内个体人群黑碳暴露特征的研究鲜有报道.本文通过在西安市地铁3号线通化门地铁站连续定点监测，分析了该地铁站环境中黑碳的变化规律，通过结合个体暴露监测结果，更加全方位地了解地铁黑碳污染状况.

1 材料与方法

1.1 采样点分布及采样方法

为使采样数据具有代表性,采用定点和个体暴露2种监测手段进行监测采样[9]．

定点监测:对西安通化门地铁站黑碳进行连续7 d的监测,时间为2017年4月29日—5月5日．通化门地铁站是地铁1号线及地铁3号线的交汇站．位于西安市新城区金花北路与长乐路十字西侧,是西安市轨道交通的主要枢纽之一,客流量大,不同时间段黑碳浓度变化明显．

个体采样:该采样分为2个部分,采样个体均为成年女性．第一部分选择非人流高峰期的时间段(10∶30—14∶00)对通化门地铁站及车厢内部进行监测,采样者于10∶30到达地铁站在通化门地铁站监测,30 min后,进入开往鱼化寨的列车的1号车厢,于11∶00到达鱼化寨地铁站,在该车站完成30 min的监测任务后,乘坐开往通化门的列车的1号车厢,于12∶00抵达通化门站,再继续监测30 min后离开,并记录保留数据,时间为2017年5月10日—5月12日．第二部分采样者分别在广泰门地铁站(地下)及桃花潭地铁站(地上)采样1 h,同样选取非人流高峰时段(10∶30—14∶00),监测时间为2017年5月13日—15日．广泰门地铁站及桃花潭地铁站相距一站,都处在灞桥区,大气环境类似．

空气污染指数来源于西安市空气质量日报(西安市环境监测中心发布),气象数据来源于西安气象局公布的历史数据．

1.2 统计方法

由于黑碳浓度分布为非正态分布(P<0.001)[9],为避免奇异值引起的误差,用中位数代替平均值,并对不同采样点及采样方式的黑碳浓度进行讨论．

1.3 黑碳个体暴露水平计算

个体采样对象在各环境中暴露剂量和总暴露剂量计算分别如式(1)，(2)所示[12]:

(1)

(2)

式中:D为日均暴露总剂量,为各微环境暴露剂量的总和,μg·d-1;Di为环境i内日均暴露剂量,μg·d-1,i=1,2,…,n;Eit为环境i内Δt时段内平均黑碳暴露浓度,μg·m-3;Ri为环境i内采样对象的平均呼吸速率,m3·d-1,计算不同环境中黑碳吸入剂量,呼吸速率采用文献[13]的研究结果; Δt为暴露时间,min;个体采样对象呼吸速率为14.5 m3·d-1[13]．

2 结果与讨论

2.1 通化门地铁站定点监测黑碳浓度水平变化趋势

黑碳浓度最高值(12 μg·m-3)出现在4月29日,最低值(3.2 μg·m-3)出现在5月3日．(如图1)假期期间(4月29日—5月1日)的黑碳浓度(中位数)远远高于工作日(5月2日—5月5日)的值(中位数)．因为假期期间,出行乘客增多,机动车数量增多,污染物排放量增加，依靠通风系统通入的空气中的黑碳浓度增加;同时,地铁站环境相对密闭,客流量的大量增加,导致地铁空间变小,污染物扩散速率降低,从而使得BC浓度迅速积累．5月3日观测到的黑碳浓度最低值,与持续降雨及大风天气对空气污染物冲刷和扩散作用有关．根据气象数据及空气污染指数值显示,5月5日为灰霾天气(黑碳浓度中位数为5.3 μg·m-3),PM2.5、PM10的值是其他时间的7～10倍,但黑碳浓度值却没有达到预想值的高度,反而与同处在工作日的5月2日的黑碳浓度值(5.1 μg·m-3)相当．由于地铁站的进风系统有净化装置,对通入的空气进行了净化作用,使得进入地铁站的空气PM10及PM2.5 的含量大大降低．

图 1 通化门地铁站采样期间每日黑碳浓度的中位数Fig.1 Daily BC median concentration at Tonghuamen subway station

2.2 通化门地铁站黑碳浓度日内变化

通化门地铁站黑碳浓度的日内变化情况(工作日)如图2所示.从图2可以看出，工作日期间的黑碳浓度的变化态势呈双峰型,先增高后降低,然后再逐步升高后降低．黑碳浓度的2个峰值出现在白天的8∶00—9∶00(9.4 μg·m-3)以及傍晚的16∶30—19∶30(8.6 μg·m-3),与上下班高峰期基本一致[7]．早晚高峰期过后,黑碳浓度持续下降,在10∶30—16∶30内保持一个相对较低的水平．黑碳浓度在下午3∶00呈现出一天中的较低水平,这是因为午后人为活动明显减少,机动车及餐饮排放降低,同时午后太阳辐射增强,地面增温速度高于大气增温速度,从而形成热力环流,而这种循环对流有利于污染物的扩散．上下班高峰期间,道路机动车辆增加,燃料大量燃烧使得大气中的BC浓度迅速增加,同时地铁客流量的增加,导致地铁空间更加密闭,黑碳颗粒物扩散速率降低,迅速积累．多重因素导致地铁环境中的BC浓度迅速增高达到峰值．同时,在观测期间内,出现多次非连续时段的黑碳浓度小高峰,这可能是受到地铁内部随机发生源的影响．

2.3 通化门地铁站黑碳浓度的日间变化

采样期间节假日及工作日期间黑碳浓度日变化如图3所示.从图3可以看出，节假日期间黑碳浓度值(8.0 μg·m-3)远高于工作日期间的黑碳浓度值(5.0 μg·m-3),且与工作日期间的黑碳浓度变化情况不同,节假日期间的黑碳浓度变化没有明显的晚高峰,这与假期间人们的活动规律不同有关．该地铁站通往西安市商业中心以及旅游景区,假期站内人流量增大,地铁站周边及站内餐饮排放增加;该地铁站位于某高架附近,随着假期不限行，悬挂外省市号牌的车及局部车辆数量的增加,机动车排放增加;多种因素共同作用导致节假日期间的黑碳浓度比工作日高．同时,由于内部源的影响,会不定时在监测的时间段内出现不连续的峰值,最高达到22.5 μg·m-3(节假日)和9.4 μg·m-3(工作日)．

表 1 采样期间气象数据及空气污染指标Table 1 Meteorological data and air pollution index during sampling period

图 2 通化门地铁站黑碳浓度的日内浓度日变化 图 3 采样期间节假日及工作日黑碳变化情况(工作日) Fig.2 BC concentration at Tonghuamen subway station(working days) Fig.3 BC concentration changes in the working days and holidays during sampling period

2.4 车厢内外的黑碳暴露特征

地铁站台与车厢内个体黑碳浓度水平如图4所示.从图4可以看出，监测时间段内,黑碳浓度日均值为9.3 μg·m-3,站台1(通化门站)的个体BC浓度高于站台2(鱼化寨)的个体BC浓度,浓度(中位数)分别为9.0 μg·m-3,6.2 μg·m-3,当从地铁站台到达车厢内时,BC浓度急剧上升,与离开车厢时的情况刚好相反．车厢1和车厢2的BC浓度(中位数)为11.8 μg·m-3,9.7 μg·m-3．车厢内的浓度水平是站台上的1～2倍[14]．表明地铁屏蔽门虽然能有效阻隔外界空气进入车厢内,但同时该屏蔽门使得车厢内的环境更加密闭,其中的空气更新速度减慢,使得BC颗粒物长时间堆积,反而使得车厢内的BC浓度高于站台．同时,站台1的BC暴露水平明显高于站台2,是由于站台上的BC浓度不仅受到地铁内部产生的BC颗粒物的影响,也与车厢外部环境相关．站台1所处区域(新城区),相对发达,交通和人流较为密集,黑碳产生源较多及排污量较大,导致由通风系统导入的空气中BC浓度较高．

2.5 地上(桃花潭站)地下(广泰门站)地铁站黑碳个体暴露特征

位于地下的广泰门地铁站监测到的黑碳个体暴露浓度高于位于地上的桃花潭站．这是由于位于地下的地铁站,环境相对于密闭．列车进站时将隧道内的大量的颗粒物带入站内,虽然通过设置在靠近道路的通风口,地铁通风系统不断引入新风并过滤,但去除率并未达到100%．而地上的地铁站与外界大气相通,黑碳类的颗粒物可在外界风力及雨水冲刷作用力的影响下不断循环净化,这样地上地铁站内的黑碳浓度高于地下地铁站．同时观察到5月16日和5月17日的地下线黑碳暴露浓度为地上线黑碳暴露浓度的2～3倍,而5月15日的地下线黑碳浓度水平却和地上线差异较小(见图5),因为地上线(桃花潭站)为开放式轨道,5月16日,下雨时由于雨水的冲刷沉降作用,使得地铁所处周围环境BC 颗粒物浓度急剧下降;同时轨道上沉降的颗粒物也被冲刷,减少了地铁进站时带入的颗粒物;另外,由于16日的雨天使5月17日空气湿度也相对较高(达到73%),颗粒物更易于凝结沉降．在多种因素共同作用下，下雨天开放式地铁环境BC 浓度较地下式降低更显著．

图 4 地铁站台与车厢内个体黑碳浓度水平 图 5 地铁站地上线及地下线的个体黑碳浓度水平 Fig.4 BC concentration at the underground Fig.5 BC concentration on the subway line station platform and carriages

3 结 论

(1) 定点监测的黑碳污染特征表明,采样期间黑碳浓度变化呈较强假期效应,与人为活动(交通排放)紧密相关,并受到降水、风速等气象条件及室内随即发生源的共同作用．

(2) 西安市地铁站地下线环境中黑碳颗粒物的个体暴露明显高于地上线,由于地铁站内通风系统与过滤装置效率较差,使地下站内颗粒物持续积累,污染加重．车厢内的BC浓度高出站台上1～2倍,说明地铁屏蔽门对减少车厢内BC污染并没有积极作用,相反引起反作用．

(3) 由于地铁各环境黑碳暴露值都不同,因此,个体采样比定点监测采样得到的数据更能够反映黑碳的个体暴露水平．