广州高峰期典型公交车站候车人群颗粒物暴露特征分析
发布时间：2021-10-19
摘要:为探究城市居民在不同用地类型公交车站候车时的颗粒物暴露情况，使用GrimmAerosol11A便携式气溶胶光学粒径谱仪对广州市12个典型公交车站的颗粒物暴露水平进行平行监测。结果表明，12个公交车站的PM1、PM2.5和PM10平均暴露质量浓度分别为32.82μg/m2、49.00μg/m2和125.46μg/m2;海港型黄埔区的公交车站颗粒物平均暴露质量浓度高于中心城区海珠区，尤其是工业型车站，而海珠区暴露质量浓度最高的车站类型是住宅型。不同公交车站颗粒物粒径分布相似，均集中在积聚模态，为0.25～1μm，其中海珠区PM1暴露更突出，而黄埔区则以医疗型和工业型为代表，粗粒径颗粒物暴露更为严重。不同用地类型公交车站与总人群暴露剂量及暴露质量浓度规律存在差异，受人群出行需求影响，暴露质量浓度高的工业型车站表现出低水平的总人群暴露剂量，而海珠区总人群暴露剂量最高为住宅型和文娱型车站，黄埔区总人群暴露剂量最高为医疗型车站。公交车站以成人为出行主体，占比达总候车人群的80%以上，其暴露剂量也最高，为总暴露剂量的74%～99%。中心城区海珠区的老人总暴露剂量高于儿童，而海港型黄埔区则在医疗型、文娱型和住宅型车站表现出相反的规律。
关键词:环境学;公交车站;颗粒物;暴露特征;数浓度;总人群暴露剂量
0引言
颗粒物暴露危害人体健康，如引起呼吸道疾病[1]和心血管疾病[2]等，且粒径越小的颗粒物对人体危害越大。研究表明，公交出行占每日出行时间比例较小，但出行过程中的人体颗粒物暴露水平高于工作、休息等颗粒物暴露水平，其暴露量占每天总暴露量比重较大，暴露水平最高[34]。公交出行包括车站等候及车内乘车，而车站因靠近路边，在交通高峰期接驳大量乘客上下车，每次进、出站需经历减速、怠速后加速的过程，使得车站附近局部高排放颗粒物，研究表明公交车站颗粒物质量浓度远高于车内[57]，所以车站候车时颗粒物暴露量对公交出行暴露总量的影响不可轻视。此外，公交出行在城市发展中一直是主要的机动化出行方式，如广州是我国典型人口众多、交通拥挤的超大型发展城市之一。2018年广州全市常住人口达1490.44万人[8]，全市每日公交出行总量达616万人次[9]。因此，公交出行人群由于每日接触高暴露水平颗粒物而存在较高健康风险，成为交通环境健康领域的研究热点问题之一。
目前，公交车站的人群暴露研究主要集中在国外经济较发达地区或城市。Erik等[10]测得新加坡高峰期公交车站的PM2.5暴露质量浓度为城市一般环境的1.4～2.9倍，表明公交车站候车人群具有潜在高暴露风险。Hess等[11]指出影响车站候车人群暴露水平的决定因素为:个人因素[10]、候车时间[12]、乘客等候位置[13]及周围土地利用类型[14]，其中个人因素与个人行为和呼吸速率有关，候车时间和周围土地利用类型与道路交通源有关。乘客在公交车站内候车的暴露质量浓度要明显高于车站外，而公交车站的开口朝向和结构设计对暴露水平也有一定影响[13]。但上述研究多为揭示公交车站暴露质量浓度的特征，而结合人群特征量化发展中国家或地区位于不同环境中公交车站暴露水平的研究较少，且缺乏对颗粒物数量浓度及粒径分布的关注。
国外学者Maricela等[15]于2002年率先在公交车站测量车站内外的超细粒子数量和粒径分布，并对候车人流和车辆类型进行普查，定量评估了公交车站的人群暴露量，但该研究只考虑了单个峡谷街道处的公交车站。我国学者对公交车站的暴露研究起步较晚。2010年，龙连芳等[16]首次调查了广州公交车站PM2.5暴露质量浓度，但该研究未考虑到周围土地利用类型等因素对公交车站的影响，且未分析颗粒物的粒径结构和人群暴露特征。2015年，Xu等[17]在暴露质量浓度的基础上引入吸入因子，初步量化了单类公交车站———高校附近柴油公交车排放PM10对车站候车及过境人群的影响，但该研究未考虑与交通更相关、对人体危害更大的细颗粒物暴露研究。
综上所述，本文以发展中的超大型城市———广州中心城区处于不同周边环境中的12个公交车站为研究对象，通过实地监测公交车站不同粒径颗粒物暴露质量浓度和车站候车人流，揭示不同公交车站候车人群颗粒物暴露质量/数浓度、暴露剂量及粒径分布，为该类交通环境污染防控提供依据。
1研究方法
1.1试验方案
广州市居民每日公交出行时间约50min[18]，主城区公交出行比例高达35.2%[19]。本文在人口密度、道路交通流和颗粒物污染具有明显差异的海珠区和黄埔区，选择12个不同用地类型的公交车站开展监测试验。海珠区(HaizhuDistrict，HZ)是典型的中心城区，人口密度高[8]，达15000人/km2，区域内多为住宅和商业用地，道路交通车流量较大，以轻型客车为主。黄埔区(HuangpuDistrict，HP)属于海港型城区，人口密度低[8]，为2000～6000人/km2，具有一定的郊区特性，多为工业和住宅混合用地，道路交通负荷高，以大型货车居多。为调查海珠区和黄埔区内公交站车站候车人群的颗粒物暴露情况，分别在两个行政区中3～4条重要交通干道沿线选择试验点，最终确定各区6个公交车站进行监测。公交车站详细信息见表1和图1。
这些公交车站均匀分布于两大行政区域(海珠区和黄埔区)，涵盖医疗、文娱、住宅以及工业等服务功能。以公交车服务范围500m为限值，分别抓取各个车站500m范围内的兴趣点，按照不同类型兴趣点的数量、影响等级和距离长短划分公交车站的周围用地类型，分为住宅型(residence)、工业型(industry)、文娱型(entertainment)和医疗型(medicine)4种。由于广州市高峰期公交发车班次在10～30min[17]之间，PM2.5和PM10污染在时间上表现为“上午低、下午高，夏秋低、冬春高，且交通晚高峰污染重于早高峰”[2021]的特点。本次试验采样时间为2017年12月11日至21日，共计6d，采样12次，监测时段为17:00—17:30及18:00—18:30。图3海珠区和黄埔区的各公交车站暴露质量浓度Fig.3ExposuremassconcentrationatbusstopsinHaizhuDistrictandHuangpuDistrict
1.2试验过程
便携式气溶胶光学粒径谱仪(GrimmAerosol11A，德国)可测量0.25～32μm粒径段内共31个通道的微粒数浓度和质量浓度，在本文中用于测量PM1、PM2.5和PM10的暴露质量浓度以及PM0.25～10间的粒径分布。该仪器根据光散射原理对样品进行测定，其中采样流量为1.2L/min，输出频率为1min/次，记录时间步长为6s，每次测量开始前，仪器会启动系统自检和零校准检查。试验开始前，制造商对该仪器进行校准，默认校正因子(Cfactor)为1.0。将试验仪器置于公交车站的中心位置，采样高度约1.5m(人体呼吸道高度处)，以公交站台中心位置左右各延伸15m，以作为研究区域，见图2。公交车站候车人群流量采用DV仪器拍摄视频，根据分层抽样的方法对视频数据处理，每隔1min记录一次公交车站处的活动人数，并将人群分为儿童、成人和老人。气象数据来源于广州市气象台。试验期间温度为16～19℃，风速为1～2级，无降雨。
1.3总人群暴露剂量计算
暴露质量浓度仅考虑环境介质中污染物的强度，并未反映人群暴露的频率和持续时间，因而无法全面描述健康风险。因此需考虑上述两种因素的暴露剂量概念以更好地反映污染物进入人体内的总量[22]。
2结果分析
2.1颗粒物暴露浓度特征
实地监测不同用地类型的12个公交车站颗粒物暴露质量浓度差异，见图3。由图3可知，所有车站的PM2.5和PM10暴露质量浓度均超过了WHO空气质量24h限值(PM2.5小时质量浓度不超过25μg/m3，PM10小时质量浓度不超过50μg/m3)，且七成以上的公交车站PM1质量浓度甚至超过了PM2.5限值要求。12个车站PM1、PM2.5和PM10的平均暴露质量浓度分别为32.82μg/m3、49.00μg/m3和μg/m3，平均PM2.5/PM10比值为41.03%，是同期环境观测PM2.5/PM10的0.8倍，表明靠近路边的公交车站比周围环境的粗粒径暴露水平更高。除3个工业型车站外，其余9个公交车站的颗粒物暴露质量浓度相近。工业型车站HPi1(沙浦站)受污染程度远高于剩余11个车站，其PM1、PM2.5和PM10质量浓度分别是其他车站的1.4～2.7倍、2.1～3.6倍和2.5～7.0倍。
从所在区域分析，不同用地类型的公交车站的颗粒物暴露质量浓度存在明显差异，见表2。其中海珠区不同车站的颗粒物暴露质量浓度变化不大，质量浓度差值为9～25μg/m2;黄埔区车站间PM1暴露质量浓度差别不大，但PM2.5和PM10在不同类型车站间差异明显，差值为32～174μg/m2，该现象主要与公交车站附近的用地结构和交通流结构有关。此外，黄埔区6个车站的平均PM1、PM2.5和PM10暴露质量浓度均要高于海珠区，高出比例为10%～48%，且污染最严重的是工业型车站，为同区域其他类型车站1～3倍。海珠区颗粒物暴露质量浓度最严重的是住宅型车站，高出其他类型车站质量浓度的19%～33%。
相关期刊推荐：《安全与环境学报》(双月刊)2001年创刊，是安全与环境学科的学术性双月刊，主要刊载石油、化工、生态、环境、矿业、信息、网络、冶金、建筑、交通、勘探、国防等领域的相关论文。本刊的办刊宗旨：交流安全与环境方面研究的最新成果，发展安全与环境科学技术，培育安全与环境科研队伍，为中国和全球的工业安全和环境保护服务。设有：环境化学、污染控制技术与原理、区域环境与生态、环境监测、废物处理与资源化、安全原理、安全工程、公共安全等栏目。
国内外其他国家或城市的公交车站暴露质量浓度，见表3。由表3可知，绝大部分研究采用的仪器为TSIDustTrak系列。研究表明[26]，相比于本文所使用的Grimm仪器，DustTrak校准后测得的颗粒物质量浓度比实际情况偏高20%左右，而Grimm校准后获得颗粒物质量浓度更为准确。本文获得PM1、PM2.5和PM10的暴露质量浓度高于布利斯班、俄亥俄、纽约、新加坡等发达国家或城市，其中PM1、PM2.5暴露质量浓度值仅与新加坡较为接近，表明广州公交车站颗粒物污染仍远高于其他经济高度发达的城市。PM2.5和PM10远低于我国天津和上海颗粒物暴露质量浓度，其原因为天津和上海环境质量浓度较高，且公交车能源主要为柴油。此外，对比2008年广州公交车站PM2.5暴露质量浓度，本次采样PM2.5暴露质量浓度大幅度下降，离不开“公交车纯电动化”这一举措的推行。从2009年广州推行纯电动公交车至2017年，广州公交车“电动化”[27]比例已达到89%，且该比重仍将继续增长。但目前我国大部分城市的公交车仍采用柴油公交车，公交车站候车人群颗粒物暴露问题将长期存在。
2.3总人群暴露剂量特征
车站总人群暴露剂量与单位时间内公交搭乘频次有关，对于不同地区的公交车站，市民搭乘公交的出行需求也存在高低。位于人口密度越高、出行需求越高的车站，其单位时间内的公交出行频次越高，在车站暴露人群的范围越广。12个公交车站的候车人数分布，见图5。结果显示，公交车站候车人群的主体为成人，占总人群80%以上;海珠区车站候车人数明显高于黄埔区，候车人数排名前六的公交车站有五个。不同用地类型车站的候车人数和人群结构也存在明显差异，医疗型和文娱型车站总候车人数最突出，工业型车站候车人数相对较少。黄埔区的医疗型和文娱型车站儿童候车人数高于老人，而海珠区则呈现相反规律，其医疗型、文娱型的老人候车人数高于儿童。
由于PM1、PM2.5和PM10的暴露质量浓度和总人群暴露剂量变化趋势较为一致，以PM1为例展示公交车站候车人群总暴露剂量的变化特征，其中图6和表5为公交车站总候车人群高峰小时PM1暴露剂量。
由图6和表5可知，公交车站总人群暴露剂量与暴露质量浓度的规律有所差异，除医疗型车站外，其他3类车站均表现为海珠区总人群暴露剂量高于黄埔区。海珠区总人群暴露剂量排名前六的车站占2/3，且总暴露剂量最高的车站类型为住宅型和文娱型;而黄埔区人群总暴露剂量最高的是医疗型车站，暴露质量浓度最高的工业型车站其总暴露剂量却最低，以工业型车站HPi1和医疗型车站HPm1为例，车站HPi1的PM1暴露质量浓度是HPm1的1.5倍，但总人群暴露剂量仅有HPm1的1/7。不同人群的总暴露剂量和公交车站的候车人群分布规律相似，成人总暴露剂量最高，占总人群比高达74%～99%，海珠区老人总暴露剂量要高于儿童，而黄埔区则在医疗型、文娱型和住宅型车站表现出相反现象。
之前研究[22，25]已表明尽管候车人群在公交车站停留时间不长，但短暂接触交通颗粒物会加剧现有心肺疾病，如:心率加快、心肌缺血，呼气流量下降和肺部炎症等症状，因此，不仅暴露质量浓度高的公交车站需要关注，公交出行频次高的车站颗粒物暴露对人体健康影响同样应引起广大研究者重视。
3结论
1)监测期间12个公交车站候车人群PM1、PM2.5及PM10平均暴露质量浓度为32.82μg/m2、49.00μg/m2和125.46μg/m2，其中PM2.5/PM10比值为41.03%，是同期环境观测比值的0.8倍，表明靠近路边的公交车站比周围环境的粗粒径暴露水平更高。
2)海港型黄埔区的公交车站颗粒物平均暴露质量浓度高于中心城区海珠区，以工业型车站最突出，而海珠区暴露质量浓度最高的车站类型为住宅型，表明车站附近用地结构和交通流结构影响暴露质量浓度。
3)不同公交车站颗粒物粒径分布相似，主要集中在道路交通相关的0.25～1μm粒径段。相较之下，属于中心城区的海珠区在积聚模态0.25～1μm的颗粒物占比高于海港型黄埔区，PM1暴露更突出，而黄埔区则粗粒径模态颗粒物占比更高，其中医疗型和工业型车站为典型代表。
4)公交车站人群总暴露剂量与暴露质量浓度规律存在差异，与车站候车人群分布规律相似。受出行需求的影响，暴露质量浓度高的工业型车站表现出低水平的总人群暴露剂量，海珠区总人群暴露剂量最高为住宅型和文娱型车站，黄埔区则为医疗型车站暴露剂量最高。
5)公交车站的出行主体为成人，其总暴露剂量最高，占总人群暴露的74%～99%，中心城区海珠区的老人总暴露剂量高于儿童，而海港型黄埔区则在医疗型、文娱型和住宅型车站均表现出儿童高于老人的现象。——论文作者：刘永红1，2，3，钟慧1，2，陈进财1，2，丁卉1，2
