城市轨道交通车辆空气对健康的影响探析

吴江南，谢朝辉，潘敏霞，张兰兰

(1.中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412000； 2.广州广电计量检测股份有限公司，广东广州 510656)

0 引言

随着我国社会经济快速发展，居民生活水平不断提升，城市居民的出行需求也不断增加，常规的地面公共交通系统已经无法满足日益增加的客运需求，城市轨道交通系统具有运量大、准时准点、快捷舒适等突出特征[1]，成为城市公共交通的主要方式。截止到2020年末，我国内陆地区已经有44个城市开通了轨道线路，运营线路总里程达到7 978.19 km。2019年我国城市轨道交通累计完成客运量237亿人[2]。城市轨道交通客流高度密集，车内微环境的空气质量及其对人体健康的影响越来越受到人们的关注，但是目前对城市轨道交通车辆车内空气对人体健康风险评估的研究较少。

我国轨道交通车辆车内空气质量方面的最新标准是TB/T 3139-2021《机车车辆非金属材料及室内空气有害物质限量》，该标准代替TB/T 3139-2006标准于2021年10月1日起实施。TB/T 3139-2021标准规定了轨道交通车辆室内空气中有害物质限量和测试方法，要求TVOC的限量要求为≤0.60 mg/m3，甲醛的限量要求为≤0.10 mg/m3。因此，轨道交通车辆需严格控制TVOC及甲醛。

苯系物被列为优先控制的污染物，长期暴露于含高浓度苯系物的环境空气中不仅会刺激人体皮肤和黏膜[3]，还会引起呼吸系统、造血系统和神经系统的慢性和急性病变[4]。国际癌症研究机构 (IARC)也已证实，苯是一类致癌物质，长期暴露在含高浓度苯的环境空气中会增加人类患癌症的风险，并可能导致白血病和淋巴疾病。

另外，现代研究表明，当空气中甲醛浓度过高时可引起恶心、呕吐、咳嗽、胸闷、气喘甚至肺气肿，髙浓度的甲醛甚至影响人的神经系统、免疫系统等。有害物质对人类健康风险而言，其危害可特征化为致癌及非致癌效应，苯及甲醛这类致癌物质既会产生致癌效应，也会产生非致癌效应。甲苯、乙苯、二甲苯、苯乙烯、乙醛、丙烯醛等虽不是第I类致癌物，但同样有危害乘客健康的风险，也会产生非致癌风险，比如气喘、打喷嚏等。

为了评价人体暴露于不同浓度的污染物条件下所引发的致病风险，美国环保局(Environmental Protection Agency，简称EPA)建立了健康风险评估模型。城市轨道交通车辆车内空气的VOCs，可能包括苯、甲苯、乙苯、二甲苯、苯乙烯、甲醛、乙醛、丙烯醛(简称：五苯三醛)，这些物质能通过呼吸途径进入到人体内[5]，从而存在影响车内人员的身体健康的风险。因此，研究城市轨道交通车辆车内空气中“五苯三醛”对人体健康的影响具有重大意义。

目前大部分城市轨道交通车辆由职业司机驾驶并服务于乘客，其中司机为职业驾驶人员，每天在车内的时间长且具有职业规律；另外乘客中上班通勤人员的乘车时间相对长且具有职业规律，研究城市轨道交通车辆车内空气中VOCs对司机及上班通勤人员的健康影响具有典型性和可行性，对评估车辆车内空气中VOCs对人体的健康影响具有重要价值。

车内VOCs来源为车外环境空气和车辆内部材料[6]，因此车辆运营环境、车内材料等因素均会影响车内实际VOCs水平。各城市轨道交通车辆的不同运营环境存在差异且影响车内实际VOCs水平，因此研究不同城市/同一城市不同地区的轨道交通车辆车内VOCs对人体的健康影响具有必要性。车内材料主要有如板材类材料、铺地材料、胶粘剂、涂料、橡塑制品、纺织品、保温材料等，同一车型、同一时期新造车辆的车内材料种类及其工艺具有相似性，但不同车辆的下线时间存在差异且影响车内实际VOCs水平，因此研究不同下线时间的新造轨道交通车辆车内VOCs对人体的健康影响具有必要性。

本文对某型城市轨道交通新造车辆整车空气质量进行实验，通过实验分析和研究TB/T 3139-2021标准要求的车内空气质量，通过实验分析和研究不同下线时间条件下、不同工况条件下的车内VOCs成分及浓度，除了分析和研究车内空气中的TVOC浓度之外，同时分析和研究健康高度关注的VOCs“五苯三醛”浓度；且通过查阅和分析文献获得实际运营过程中地铁车辆车内空气质量，并依据美国环保局颁布的“致癌物的风险评价导则”，分析研究新造车辆和实际运营中的车内空气中“五苯三醛”对人的致癌风险和非致癌风险，以此分析和建立VOCs成分及浓度与人体健康效应关联关系，探讨车内空气质量对人体健康的影响。

1 健康风险分析模型

1.1 致癌风险分析模型

根据美国环保局的建议，致癌风险的计算模型[7]为：

Risk=CDI×SF

(1)

式中，Risk是致癌风险；CDI是慢性摄入量(mg·kg-1·d-1)；SF是致癌因子(kg·d·mg-1)。其中：

CDI=CA×(IR/BW)×(ET×EF×ED)/AT1

式中，空气中CA(mg/m3)是污染物浓度；IR(m3/h)是吸入率；BW(kg)是体重；ET(h/d)是暴露时间；EF(d/y)是暴露频率；ED(y)是暴露持续时间；AT1(d)是平均暴露时间，AT1(d)=期望寿命(y)×365(d/y)。

RiskT=∑Risk

(2)

该癌症风险方程源自美国环保局风险评估指南[8]，估计了同时接触几种致癌物的个体终生癌症风险的增量。这个方程代表了组合风险的精确方程的近似值，解释了一个人因接触2种或多种致癌物而患癌症的共同概率。

美国环保局颁布的“致癌物的风险评价导则”，通过计算第Ⅰ类致癌物的致癌风险值Risk判断致癌物对车辆内人员致癌风险的高低。当Risk<1×10-6(致癌风险基本值)时，表明不存在致癌风险；当1×10-6≤Risk<1×10-4，表明致癌风险在可接受范围内；若Risk≥1×10-4(致癌风险危险值)时，表明致癌风险较高，必须采取一定的措施。

1.2 非致癌风险分析模型

美国环保局目前还没有使用一种概率性的方法来估计非致癌性对健康的潜在影响，只有用来描述在个体中可能发生的非致癌毒性的测量方法，但该方法并不能代表个体遭受不良影响的概率，EPA认为通过比较特定时间段(如寿命)的暴露水平与类似暴露期的参考剂量，可以评估非致癌效应的潜在影响。这种接触毒性的比率被称为危险商(Hazard Quotient，缩写HQ)[9]。非致癌危险商的计算模型为：

HQ=EC/毒性值

(3)

式中，EC=暴露浓度(mg/m3)；毒性值为暴露情景的吸入毒性值(mg/m3)，采用慢性吸入性暴露的参考浓度RfC(mg/m3)。其中：

EC=CA×ET×EF×ED/AT2

(4)

式中，空气中CA(mg/m3)是污染物浓度；ET(h/d)是暴露时间；EF(d/y)是暴露频率；ED(y)是暴露持续时间；AT2(h)是平均暴露时间，AT2(h)=ED(y)×365(d/y)×24(h/d)。

为了评估多种化学物质造成的非致癌影响的总体潜力，根据美国环保局的研究，开发了一种危险指数(Hazard Index，简写HI)方法[8]，危险指数等于危险商之和，当HI>1时，可能会对人体健康造成不良影响，若HI<1，则健康风险较小，属于安全范围，对人体的身体健康不存在非致癌风险。

2 实验

为研究城市轨道交通车辆车内空气质量对司机及乘客的健康影响，本文对不同工况下和不同下线时间某型城市轨道交通新造车辆整车空气质量进行实验；除了分析和研究TB/T 3139-2021标准要求工况下车内空气质量之外，还研究不同下线时间条件下的车内空气质量；分析的物质除了车内空气中的TVOC浓度外，还包括健康高度关注的“五苯三醛”的浓度。

2.1 实验车辆

因本次实验车辆为新造车辆，车辆内部尚有为保护车内物品而设置的表面覆盖物等，为减轻非正常所需的车辆配置物品对车内空气质量的干扰，采样前去除测试车内部构件表面覆盖物，并将覆盖物移出车辆，将受检车辆门全部打开，车辆静置6 h。本研究参考TB/T 3139-2021标准的测试方法，除了对TB/T 3139-2021标准要求工况下车内空气进行采集测试，还同时分析和研究不同下线时间条件下的车内空气质量。为对比新造车辆在高温工况和常温工况的VOCs释放情况，设置工况1和工况2；对比新造车辆不同下线时间在高温条件下的VOCs释放情况，设置工况3。

工况1：新造车辆在车内温度不低于35℃的条件下关闭门窗、空调新风和废排风口，封闭12 h，再开启空调至自动运行位，2 h后进行采样测试，采样温度不低于16℃。

工况2：新造车辆采样前在常温状态下关闭门窗、空调新风和废排风口，封闭12 h，开启空调至自动运行位，2 h后进行采样测试，采样温度不低于16℃。

工况3：新造车辆下线后经过2个月自然高温和2个月自然常温；在车内温度不低于35℃的条件下关闭门窗、空调新风和废排风口，封闭12 h，再开启空调至自动运行位，2 h后进行采样测试，采样温度不低于16℃。

2.2 样品采集

整车空气质量采样时，采样点的位置和高度与司机、乘客的呼吸带高度一致。在本研究中客室座位区采样点选择离地面高度为1.2 m±0.2 m，客室站立区采样点选择离地面高度为1.6 m±0.2 m，司机室采样点选择离地面高度为1.4 m±0.2 m。采样点的布置50 m2以下布置1～3个测试点，50～100 m2布置3～5个测试点。在本研究中采样车厢为司机室和乘客室，其中司机室设置1个采样点，乘客室设置5个采样点。具体布点如图1所示。

图1 整车采样点布置示意图

苯系物的采样管内部填充Tenax TA吸附剂，将车内空气中的挥发性有机化合物捕集到采样管中。醛酮化合物的采样使用了表面涂渍有2，4-二硝基苯肼(2，4-DNPH)吸附剂的采样管。

2.3 样品分析

采用高效液相色谱用于分析车内空气中的醛类物质，热脱附-气相色谱/质谱联用仪用于分析车内空气中的苯系物。

3 实验结果与讨论

3.1 不同工况下车辆内污染物情况

本研究的轨道交通新造车辆在各种工况下的TVOC和五苯三醛的浓度见表1，研究表明，在研究的3种工况下，车内空气中甲醛和TVOC均能满足TB/T 3139-2021标准中限值要求。

为对比新造车辆在高温工况和常温工况的VOCs释放情况，对比工况1及工况2条件下车内VOCs水平及成分，从表1可发现，工况2条件下的各项物质浓度明显低于工况1，这是因为工况1中车辆在高温密闭条件下会促进大部分VOCs的释放，测得总体浓度相对于常温密闭状态下显著升高；由此可见，温度是影响轨道交通车辆VOCs释放量的重要因素。

为对比新造车辆不同下线时间在高温条件下的VOCs释放情况，对比工况1和工况3条件下VOCs车内VOCs水平及成分。从表1可发现，工况3条件下的各项物质浓度明显低于工况1，这是因为工况3经过4个月自然条件下能够有效促进VOCs的排放，车辆下线一段时间后车内VOCs衰减明显。由此可见，时间是影响轨道交通车辆TVOC和五苯三醛的释放量的又一重要因素。

综合对比3种工况，可考虑对新造轨道交通车辆在适当工序中进行高温处理，能够促进车内有害物质的释放；经过一段时间，能大幅度降低车内空气中VOCs的浓度。这是减少新造车辆车内污染物的有效措施之一。

表1 轨道交通车辆在不同状态下的TVOC和五苯三醛浓度 单位：mg/m3

3.2 城市轨道交通车辆VOCs污染物情况及健康影响分析

在大城市常用的通勤交通工具之一为地铁，而在地铁车厢中如果存在高浓度VOCs可能会导致健康问题和风险，对健康造成负面影响[10]。另外，城市轨道交通车辆司机的暴露时间远大于乘客，其健康风险需得到关注。因此本文以某轨道交通车辆的司机室及客室的2种工况下的VOCs污染物情况为基础，结合文献中其他轨道交通车辆空气质量情况，分析探讨城市轨道交通车辆的VOCs情况及健康风险，为车内空气健康提供数据支撑。

根据美国EPA的规定，空气中苯的SF为0.029(kg·d·mg-1)；空气中甲醛的SF为0.046(kg·d·mg-1)[11]。苯、甲苯、乙苯、二甲苯、苯乙烯、甲醛、乙醛及丙烯醛的RfC值在EPA的综合风险信息系统中可查得，分别为0.03、5、1、0.1、1、0.2、0.009及0.000 05[12]。对于吸入率IR，本研究对象以成人为例，呼吸速率取值为0.833 m3/h[13]；对于体重BW，本文以成年男性作为研究对象，男性体重取值70 kg[13]；对于暴露时间ET(h/d)，本文研究对象主要是司机及乘客，司机值乘时长参考北京地铁燕山-房山线，取值7.3 h/d[14]，上班通勤时长为1.12 h/d[15]；参考中国一般上班规律，暴露频率EF取值250 d/y；根据中国现行退休制度，暴露持续时间ED取值35y。

3.2.1 致癌风险评估

各城市轨道交通车辆及本文研究的某型轨道交通车辆车内空气中第Ⅰ类致癌物苯和甲醛的浓度水平及致癌风险值如表2所示，该表中除某型轨道交通车辆的结果为本次研究检测的新造车辆外，其他车辆的VOCs含量来源于文献[16-18]。

从表2可以看出，总体上各城市轨道交通车辆对司机的致癌风险值(RiskT1)均高于对上班通勤人员的致癌风险值(RiskT2)；对司机的致癌风险值在10-6～10-5，对上班通勤人员的致癌风险值在10-7～10-6；对司机和对上班通勤人员的致癌风险值都小于10-4，致癌风险都在可接受范围内；部分项目小于10-6，不存在致癌风险。

表2 城市轨道交通车辆中苯及甲醛浓度水平及致癌风险值 单位：mg/m3

3.2.2 非致癌风险评估

各城市轨道交通车辆及本文研究的某型轨道交通车辆车内空气中各污染物对乘客的非致癌风险HI值见表3。表3中数据显示，各种污染物浓度存在明显差异，这些差异主要是由地铁列车运行时间、乘客数量、行车条件和城市污染水平等因素的不同造成的[19]。从表3可以看出各城市轨道交通车辆及本文研究的某型轨道交通车辆对应的非致癌风险危险指数(HI)均小于1，这表明研究的城市轨道交通车辆均不存在非致癌风险；但同样对司机的非致癌危险指数(HI1)均高于对上班通勤人员的指数(HI2)，这主要是因为司机为职业驾驶人员，每天在车内的工作时间长，司机比上班通勤人员在车内的暴露时间长，因此司机接触的VOCs更多，健康风险值更高。

需要关注的是，从表3可以看出，本文研究的某型轨道交通新造车辆工况1对司机的非致癌危险指数(HI1)相对较高，接近EPA规定的非致癌风险的临界值，所以严格控制新造车辆司机室的VOCs浓度，可以有效控制对司机的非致癌风险。实际上新造车辆如果在夏季高温情况下可能存在工况1状态，但这通常不是车辆所处的常态，而且新造车辆达到工况3状态(下线4月)时对司机的非致癌危险指数(HI1)已显著降低。

表3 城市轨道交通车辆中五苯三醛浓度水平及非致癌风险值 单位：mg/m3

4 结论

1)高温会促进VOCs的释放，同时时间是影响轨道交通车辆VOCs释放的又一重要因素，可考虑对新造轨道交通车辆在适当工序中进行高温处理，能够促进车内有害物质的释放；经过一段时间可以有效降低车内空气中VOCs浓度。

2)各城市轨道交通车辆的对司机致癌风险值(RiskT1)均高于对上班通勤人员的致癌风险值(RiskT2)，两者的致癌风险值都小于10-4，致癌风险都在可接受范围内。若按照不存在致癌风险(Risk<1×10-6)开展风险评价，则部分车辆还需要进一步降低车内VOCs浓度。

3)各城市轨道交通车辆的非致癌风险危险指数(HI)均小于1，不存在非致癌风险，同样车辆对司机的非致癌危险指数均高于对上班通勤人员的指数，这主要是因为司机为职业驾驶人员，每天在车内的工作时间长，司机比上班通勤人员在车内的暴露时间长，因此司机接触的VOCs更多，健康风险值更高。需要更严格控制司机室的VOCS浓度，以控制对司机的非致癌风险。

4)需要关注的是，本文研究的某型轨道交通新造车辆工况1对司机的非致癌危险指数(HI1)相对较高，所以严格控制新造车辆司机室的VOCs浓度，可以有效控制对司机的非致癌风险。实际上新造车辆如果在夏季高温情况下可能存在工况1状态，但这通常不是车辆所处的常态，而且新造车辆达到工况3(下线4个月)状态时对司机的非致癌危险指数(HI1)已显著降低。