车舱通透性对私家车乘客污染暴露的影响.pdf

投稿网址:2023 年 第23 卷 第24 期2023,23(24):10540-09科 学 技 术 与 工 程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T收稿日期:2022-11-29修订日期:2023-06-05基金项目:国家自然科学基金(41701552);福建省自然科学基金(2021J01105)第一作者:曹如晖(1999),男,汉族,福建龙岩人,硕士研究生。研究方向:基于无人机的空气污染智能监测技术。E-mail:caorh 。通信作者:王占永(1983),男,汉族,河南漯河人,博士,副教授。研究方向:交通污染统计学、交通减污降碳的绿地响应策略、基于无人机的空气污染智能监测技术。E-mail:wangzy1026 。引用格式:曹如晖,崔佳辉,刘凯烜,等.车舱通透性对私家车乘客污染暴露的影响J.科学技术与工程,2023,23(24):10540-10548.Cao Ruhui,Cui Jiahui,Liu Kaixuan,et al.Effects of cabin permeability on pollution exposure of private car passengersJ.Science Tech-nology and Engineering,2023,23(24):10540-10548.车舱通透性对私家车乘客污染暴露的影响曹如晖1,崔佳辉1,刘凯烜1,徐珂2,胡喜生1,王占永1(1.福建农林大学交通与土木工程学院,福州 350108;2.长安大学运输工程学院,西安 710064)摘 要 针对车内乘客面临交通空气污染暴露风险存在不确定性的问题,以东风本田思域轿车为实验用车,选取福州市三环快速路福建农林大学金山校区至浦上大桥路段,利用微型环境检测仪收集车辆行驶中车内 PM2.5、PM1.0、黑碳(black carbon,BC)等空气颗粒物的质量浓度,运用统计分析方法,探讨不同车窗开关方式下车内颗粒物浓度分布特征以及其受交通时段、车道等变化的影响,并揭示了车速、温度和相对湿度对车内颗粒物浓度变化的影响。实验结果表明:关窗能显著降低车内颗粒物浓度,特别是在 07:0009:00 和 17:0019:00 交通高峰时段,中间车道车内颗粒物浓度最低,温度和相对湿度是影响车内颗粒物浓度的主要因素。关键词 空气颗粒物;车舱污染;开窗方式;通透性中图法分类号 U491.9+2;文献标志码 AEffects of Cabin Permeability on Pollution Exposure ofPrivate Car PassengersCAO Ru-hui1,CUI Jia-hui1,LIU Kai-xuan1,XU Ke2,HU Xi-sheng1,WANG Zhan-yong1(1.School of Transportation and Civil Engineering,Fujian Agriculture and Forestry University,Fuzhou 350108,China;2.School of Transportation Engineering,Changan University,Xian 710064,China)Abstract There is uncertainty about the exposure risk of traffic air pollution for passengers in cars.Honda Civic Sedan was select-ed as the experimental vehicle,and the section from Fujian Agriculture and Forestry University to Pushang Bridge of Fuzhou Third RingHighway was selected to collect the in-vehicle PM2.5,PM1.0,black carbon(BC),weather inside and outside the vehicle,traffic flowof the section,etc.A variety of statistical methods were used to investigate vehicle particulate pollution under different traffic periods,lanes,road conditions and window opening methods.The experimental results show that window closing can significantly reduce theconcentration of particulate matter in the car,especially during the 07:0009:00 and 17:0019:00 traffic peak hours,the middlelane has the lowest concentration of particulate matter in the car,temperature and relative humidity are the main factors affecting theconcentration of particulate matter in the car.Keywords particulate matter;cabin pollution;opening way of windows;permeability 随着中国城市道路网络的不断完善,私家车的普及率以及驾车出行比例均趋于不断上升,由此造成诸如道路交通拥堵等引发的交通排放增多与污染加剧等问题,机动车尾气污染对于城市居民身体健康的影响问题越来越突出1-3。而亚微米颗粒物(PM1.0)、细颗粒物(PM2.5)、粗颗粒物(PM10)和黑碳(black carbon,BC)等空气污染物与道路交通有着密切的联系,并且对城市空气质量有显著的影响4-5。除采暖期等地面生物质燃料燃烧排放较大的情况,城市内部污染更多来自车辆尾气排放6-7。特别地,BC 与交通的关系更为密切,尤其是与重型车的比例关系8。不同的通勤方式人体受到交通污染暴露也不尽相同,越接近污染源受到暴露越大9。为了精确刻画交通污染的复杂性和多变性,近年来产生了更加便利、精确的移动监测法。移动监测法从车载大型设备到微型手持式传感器的快速发展,为道路交通大气污染监测提供高效便捷的数据采集手段10-11。尽管车舱内为相对密闭的空间,但乘客仍存在暴露风险。车内的颗粒物浓度与众多因素有关,地区经投稿网址:济发展程度、开窗方式以及交通拥挤程度都是影响车内颗粒物浓度的重要因素,不同车速和线路上车内的颗粒物浓度也存在显著差异12-14。以往研究发现,开窗往往会给车内带来更高的颗粒物浓度,交通高峰期则是车内颗粒物浓度急剧攀升的时期15。气象条件也深刻地影响着车内的颗粒物浓度水平,研究表明其与湿度呈正相关,与温度之间反倒是负相关16。同样,风速风向也会通过影响车外的颗粒物浓度从而改变车内的颗粒物浓度17。然而,相同路线不同车道之间车辆的构成、不同类型机动车尾气影响范围的差异、以及局部微环境的变化导致不同车道车内颗粒物的分布特征还不明晰,因此还需要论证不同车道车内颗粒物浓度的影响因素18。综上所述,将微型环境检测仪用于收集车内乘客呼吸高度位置的高时空分辨率的大气颗粒物的质量浓度数据,以福州三环快速路为实验路段,区别以往仅比对不同路线对车内乘客污染暴露的影响,增加相同路线不同车道之间的比对,综合探究不同开关窗情景下车内交通颗粒物浓度的分布特征,最终揭示车内颗粒物浓度与交通时段、车道、车速及车内温湿度等的关系,旨在为私家车驾驶和乘坐中健康环境的创建提供科学依据,为车辆舱室的设计与优化以及道路环境管理等提供实践参考,也可为类似研究提供借鉴。1 实验与方法1.1 实验采集在福州市西三环快速路开展实验,数据采样路线为金辉淮安半岛至浦上大桥之间的主路,全程约16 km,实验区位和路线(图 1 中红线)如图 1 所示。三环快速路等级为城市快速路,主路为双向六车道,辅道为两车道,且在辅道以外分别设有非机动车道和人行道。该道路早晚高峰车流量较大,时常出现拥堵现象,且重型货车比例较大。因此,选择该道路评估私家车乘客污染暴露特征具有重要的现实意义。实验共进行 2 d,分别为 2021 年 4 月 9 日、30日。为保证设备正常运行,均选在晴天。实验覆盖交通 高 峰 和 平 峰 时 段,分 别 于 07:0009:00、12:0014:00 和 18:0020:00 时段进行实验。实验共有两名实验人员,一名驾驶员以及一位实验记录员。驾驶员负责车辆驾驶以及在固定地点的开窗模式,记录人员主要负责记录实验过程中重要时间的时间节点以及可能影响实验结果的特殊情况。每个时段沿实验线路依次在最内侧车道、中间车道和最外侧车道行驶,根据预实验在实验路段确定调节车窗位置,车辆通过时调节车窗大小以改变车辆内部的通透性。当道路环境良好、行车延误较小时,完成一圈实验数据采样时间约为 30 min。总体而言,本次实验完成不少于 18 次的数据采样,各车道采样次数也大于 6 次。两台 SidePakTMAM520 个体暴露粉尘仪被用于采集实验路线上分辨率为 10 s 的 PM2.5和 PM1.0的质量浓度,SidePakTMAM520 采用光散射技术并由内置的采样泵抽取空气,可以测量不同粒径颗粒物的质量浓度(PM10、PM2.5和 PM1.0)。正因其使用的光学原理,气象因素特别是高湿度会极大地影响颗粒物浓度的真实测量,因此评估激光散射原理的污染物监测器的可行性是十分必要的19。AethLabs mi-croAethModel AE51 微型黑碳仪则用于采集实验路线分辨率为 10 s 的 BC 浓度,该仪器根据黑碳的气溶胶的光吸收特性,在透光均匀的 3 mm 石英纤维滤膜上收集气溶胶样品,并根据样品对不同波长光的吸收表征黑碳浓度。相较于常规设备,AE51黑碳仪测量结果存在一定异常,如异常值噪音和滤膜负荷效应等。在本研究之前,已经分别对同类型的 AM510 和同型号的 AE51 在上海的5 个户外环境监测站进行了比对,发现经过预处理后的数据具有相当的可靠性20。再者,将探险家 V-990 GPS DateLogger 放置于车辆后视镜用于收集车辆实时位置信息,其余采样装置均放置在车辆后座,通过塑料软管连接至副驾驶乘客呼吸位置,如图 2 所示。1.2 开窗情景车辆通风不同对车内颗粒物浓度有较大的影响14。在天气炎热的情况下,驾驶人通常会打开车窗或者空调获得一个舒适的驾驶环境。根据实验路段的具体特点,实际驾驶人开窗习惯等,对实验中涉及的开窗模式根据实验路段以及车道进行划分,如图 3 所示。1.3 数据预处理SidePakTMAM520 粉尘仪是一种精密的光学仪器,许多研究讨论的了湿度对于光度计气溶胶质量浓度测量的影响19。当湿度大于 50%时,很大一部分气溶胶的粒径会因为冷凝水滴产生膨胀,这些膨胀变大的气溶胶颗粒在光度计仪器内部产生更多的散射光。通常情况下,光度计检测仪在湿度条件的影响下,气溶胶质量浓度测量结果往往会偏大。因此,对采集的 PM2.5和 PM1.0采用常规的湿度校准公式进行校准,表达式为CF=a+bRH21-RH(1)式(1)中:CF 为湿度校准因子;RH 为相对湿度(取值为0 1);a 和 b 为经验参数,分别取1 和0.25。145012023,23(24)曹如晖,等:车舱通透性对私家车乘客污染暴露的影响投稿网址:24501科 学 技 术 与 工 程Science Technology and E