1.서 론

서울을 비롯한 대도시는 도로정체가 날로 심화되면 서 도시철도 노선이 추가로 건설되고 기존 노선이 연 장되면서 지하철 이용객이 2000년에 22.35억명에서 2015년에는 25.22억명으로 12.84% 늘었다(Country Indicator, 2016). 최근에는 지하역사에 상업시설 입주 가 많아지고 지하철 이용시간도 늘어나면서 승객들이 지하공간에서 머무르는 시간이 증가하고 있다.

정부는 실내공기질관리법(Korean Government, 2016) 제정을 통하여 지하역사의 PM₁₀ 농도를 150 μg/m³ 이 하로, 서울시는 조례를 통해 140 μg/m³ 이하로 관리하 고 있다. 이에 따라 각 지하철 운영기관에서는 PM₁₀을 줄이기 위하여 지하구간에 물청소와 환기를 주기적으 로 실시하고 있으나, 노력에 비해서 효과는 적은 실정 이다. 따라서 지하역사의 미세먼지 발생원인을 찾아 효 과적으로 예방하거나 제거하기 위한 연구가 필요하다.

지하역사의 공기질에 대한 연구는 주로 장소와 계절, 요일에 따른 공기질 측정과(Gerhart and Kruger, 1998; Johansson and Johansson, 2003; Salma et al., 2007; kim et al., 2008; Cheng et al., 2008) PM₁₀의 구성 성 분에 대한 조사연구(Lorenzo et al., 2006; Kang et al., 2008; Jung et al., 2010)가 대부분이었다. Park et al. (2010a; 2010b; 2014)의 연구에서 지하역사의 PM₁₀ 농 도가 전동차 운행빈도와 운행속도에 비례하여 증가하 는 것을 확인하였으나, 전동차 운행 시 차륜과 레일 사 이에 마찰로 인한 발생량과 열차풍에 의해 비산되거나 전동차에 의해 이동되는 양을 명확하게 구분하지는 못 하였다.

본 연구에서는 전동차 운행조건에 따라 차륜과 레일 사이의 마찰에 의한 PM₁₀의 발생량과 전동차 전면에 서 열차풍에 의한 비산량, 전동차 후면에서 발생되는 열차풍에 의해 지하역사로 이동되는 PM₁₀의 이동량을 파악하고자 하였다.

2.연구방법

2.1.PM₁₀ 농도의 측정

서울지하철 6호선 전동차에 운행조건에 따른 PM₁₀ 발생특성을 파악하기 위하여 dust Spectrometer (Grimmco., Model 1.108) 3대를 설치하고, 봉화산역에서 출 발하여 봉화산역으로 돌아오는 일정으로 70개 역 구간 을 운행하면서 PM₁₀의 농도를 6초 간격으로 전동차 운 행이 빈번한 17:30 ~ 20:00 사이에 측정하였다.

전동차는 Fig. 1에서와 같이 운전실이 있는 Tc-car 2 량, 차축에 구동모터가 달려 있는 M-car 4량, 차축에 구동모터가 없는 T-car 2량으로 구성된다. Tc1-car의 측 정기(F로 표시)는 Fig. 1에서 전동차 전면 하단부에 측 정기의 흡입구를 설치하여 열차가 주행할 때 PM₁₀의 농도로 터널의 배경농도를 파악하였다. M₂-car의 측정 기(M으로 표시)와 T₁-car의 측정기(T로 표시)는 차륜 뒤에 흡입구를 설치하여 전동차 주행 시 차륜과 레일, 차륜과 제륜자 사이에 발생하는 PM₁₀의 농도를 파악 하였다.

전동차는 역을 출발하여 최고속도인 70 km/h에 도달 하는 가속단계, 최고속도로 주행하는 등속단계, 그리고 역에 정차하기 속도를 줄이는 감속단계 및 정차단계로 구분할 수 있으며, 측정은 가속, 등속, 감속 및 정차 단 계로 나누어서 실시하였다.

2.2.PM₁₀ 농도의 추정

지하역사의 PM₁₀ 농도는 전동차 운행빈도에 비례하 여 증가하므로(Park et al., 2014) 전동차 운행으로 인 해 증가하는 PM₁₀은 식 (1)과 같이 전동차가 역에 진 입할 때 전동차 전면에 발생하는 열차풍으로 인해 선 로위에 침적되어 있던 PM₁₀이 비산되어 증가되는 재 비산량, 전동차 주행 시 차륜과 레일, 제륜자와 차륜 또는 디스크 사이의 마찰에 의한 마모량, 전동차가 역 에 정지할 때 뒤 따라오는 열차풍에 의해 역으로 운반 되는 이동량으로 가정하였다.

여기서, C_t는 PM₁₀의 증가량, C_s는 열차풍에 의한 재비 산량, C_f는 차륜과 레일, 제륜자와 차륜 또는 디스크 사이의 마찰로 마모량, C_m은 열차풍에 의한 이동량을 나타낸다. 재비산량 C_s는 열차풍에 의해 비산된 PM₁₀ 이 터널에 확산된다고 가정하고, 전동차 전두부 중앙하 부에 개방된 공간을 통과하는 공기 중의 PM₁₀ 농도를 배경농도로 가정하고 배경농도와 비교하였다.

마모량은 전동차의 구름마찰과 조향마찰로 인한 발 생량, 전동차 가·감속 시 차륜과 레일 사이의 마찰력 증가로 인한 발생량, 정지 시 공기제동으로 인해 제륜 자와 차륜 또는 디스크와의 마찰로 인한 발생량으로 가정하고, 모터카(M-car로 표시함.) 차륜 뒤와 트레일 러 카(T-car로 표시함.) 차륜 뒤에 발생하는 PM₁₀ 농도 를 측정하여 터널의 배경농도와 비교하였다.

이동량은 전동차가 역에 정지할 때 열차풍에 의해 증가되는 PM₁₀의 농도를 위 세 지점에서 측정된 값에 서 전동차 맨 뒤쪽에서부터 거리에 따라 감소하는 비 율을 수학적 모델을 통해 추정하였다.

3.연구결과 및 고찰

3.1.PM₁₀ 농도 특성

터널에서의 PM₁₀ 농도는 전동차 운행상태에 따라 일정한 패턴이 있으므로 노선의 중간부분인 광흥창역- 합정역-상수역 구간을 기준으로 분석하였다.

Fig. 2에서 광흥창역-상수역 구간의 샘플 수 n은 주 행상태가 전체의 63%, 정지상태가 전체의 37%를 차 지한다. Table 1에 열차 운행상태에 따른 F, M, T에서 의 PM₁₀ 농도에 대한 누적값(Σc_i)과 평균값(Σc_i/n)을 나타내었다. Table 1에서 전동차가 정지상태에 있을 때 M과 T에서의 PM₁₀ 농도 비율이 정지시간의 비율보다 높아 주행할 때 보다는 정지할 때 단위시간당 PM₁₀ 발 생량이 많음을 알 수 있다.

3.2.정지상태에서의 PM₁₀ 발생 특성

터널에서 전동차가 운행할 때 전동차 속도에 의해 끝부분에는 압력이 낮아지는 경향이 있어서 주변의 공 기를 흡입하므로(Kim et al., 2004) PM₁₀ 농도가 높아 지는 경향이 있다. 후류에 의해 생성되는 유동(후류유 동)의 세기는 터널 단면적이 적고 전동차 속도가 빠를 수록 커진다. 후류유동은 전동차가 역에 정지할 때 전 동차 쪽으로 유동을 생성해서 Fig. 2와 같이 F, M, T 순으로 PM₁₀의 농도가 높게 나타나는 경향이 있다.

세 측정지점(F, M, T)에서 PM₁₀ 농도의 피크 값 증 가량(c_max– c_min)은 Fig. 3-a에서와 같이 전동차 끝부분 으로부터 거리 d에 따라 지수적으로 감소하여 전동차 맨 앞부분인 F에서는 기저농도에 비해 8% 증가하는 데 그쳤다. 따라서 후류유동에 의해 역으로 유입된 고농 도의 PM₁₀은 대부분 역 구간에서 확산됨을 알 수 있다.

세 지점의 측정값으로부터 피크 값 증가량이 거리 d 에 따라 지수적으로 감소하는 회귀식을 최소자승법 (method of least squares)으로 구하면 eq. 2와 같다. 이 때 회귀식의 상관계수(Pearson’s correlation coefficients) R²은 99.95%로 매우 높다.Table 2

Eq. 2로부터 전동차 맨 끝부분에는 피크 값이 기저 농도에 비해(33,293 + 352) / 352 = 95.6 배나 되는 매우 높은 농도의 먼지구름이 역으로 몰려오는 것으로 추정 된다. 각 지점에서 측정된 PM₁₀ 농도(c_i)로부터 그 지 점의 최소농도(c_min)를 뺀 증가분의 누적량(Σ(c_i – c_min))은 Fig. 3-b와 같이 거리 d에 따라 선형적으로 감 소하고, 전동차 맨 앞부분인 F에서는 T에서의 66 / 1,092 = 6.0%에 불과하여 후류유동에 의해 지하역사 쪽으로 유입된 PM₁₀이 대부분 역 구간에서 비산되는 것으로 추정된다.

세 지점의 측정값으로부터 PM₁₀ 농도 증가분의 누 적량이 거리 d에 따라 선형적으로 감소하는 회귀식을 최소자승법에 의해 구하면 eq. 3과 같다. 이 때의 회귀 식의 상관계수 R²은 99.7% 이었다.

Eq. 3으로부터 전동차 끝 부분의 PM₁₀ 농도 증가는 2,213.8이 되므로, 열차가 한 번 정차할 때마다 배경농 도의 1.36배에 달하는 PM₁₀이 역으로 유입되는 것으로 추정된다.

3.3.주행상태에서 PM₁₀ 발생 특성

F에서의 PM₁₀ 농도는 Table 3에서와 같이 등속상태 에서는 열차풍에 의한 재비산량 증가로 5.6% 증가하 고, 가감속 상태에서는 2.9%/2=1.45% 증가하였으나, 전체적으로는 전동차 운행상태에 따라 5.6%-0.8 %= 4.8% 밖에 변하지 않아 거의 일정한 수준을 나타냈다. 또한 앞 전동차에 의해 발생한 PM₁₀이 다음 차량이 오기 전까지(전동차와 전동차 사이의 운행간격이 6분 일 경우를 가정하면.) 확산되어 정상상태에 도달되어 있었다.

전동차 열차풍으로 인한 증가율 ≤ 5.6%

가속상태에서는 M-car 차륜에 구동력이 인가되면서 차륜과 레일 사이의 마찰력이 증가하므로 M에서의 농 도는 F에서보다 13.4%, T에서보다 9.5% 더 높았다. Tcar에서는 차륜에 구동력이 가해지지 않음에도 불구하 고 주행 시 발생하는 차륜과 레일 사이의 충격과 마찰 로 인해 F에서보다 3.8% 가량 높았다.

최고속도로 주행하는 등속상태에서는 차륜과 레일 사이의 충격과 마찰이 증가하고, 열차풍도 증가하므로 F에서보다 M과 T에서 각각 15.8%와 6.7% 높았다. 등 속구간에서는 속도가 빠른 만큼 열차저항도 커 최고속 도를 유지하기 위해서는 순간순간 가속이 이루어지므 로 M에서의 농도가 T에서보다 9.1% 높았다.

전동차가 역에 정지하기 위한 감속단계에서는 MCar에 의한 회생제동이 최대로 이루어지므로 M-Car 차륜과 레일 사이의 마찰력이 증가하여 T에서보다 M 에서 15.6%−5.6%=10.0% 가량 높게 나타났다.

전동차 가·감속으로 인한 증가율 = (14.7% – 5.1%) = 9.6%

따라서 차륜과 레일, 차륜과 제륜자 사이에 작용하 는 마찰력이 커질수록 더 많은 PM₁₀이 발생하므로 F 에서보다 M과 T에서 각각 14.7%와 5.1% 더 높았다. T에서보다 M에서 더 높은 것은 전동차 가감속 시 마 찰력 증가에 의한 것이고, F에서보다 T가 더 높은 것 은 조향마찰과 구름마찰 증가에 의한 것으로 추정된다.

전동차 구름마찰과 조향마찰에 의한 증가율 = 5.1% − 2.3% = 2.8%

본 연구는 도시철도 터널에서 전동차 운행에 따른 PM₁₀ 발생특성을 파악하기 위한 실험적 연구로서 전동 차 하부의 3개 지점에 측정기를 설치하고, 전동차 정차 시, 가속 및 감속시 PM₁₀의 발생특성을 상호 비교하였 다. 전동차 운행조건에 따라 발생되는 나노입자나 초미 세먼지의 발생은 분석에서 제외되었다. 추후 연구에서 는 나노입자 등을 포함하여 터널에 부유하는 전체 먼 지 입자에 대한 분석을 시도하고자 한다.

4.결 론

본 연구에서는 전동차 운행에 따른 PM₁₀ 발생특성 을 분석하였다. Fig. 4에서와 같이 측정결과 T에서 측 정한 터널 내 PM₁₀ 농도는 최고속도로 달리는 등속구 간에서 5.6% 증가하였으나, 가속과 감속구간에서는 각 각 0.8%와 2.1% 증가하는 데 그쳐 전동차 운행상태에 따라 큰 변화를 보이지 않고 일정하였다. 이로부터 전 동차 전면에 발생하는 열차풍으로 인한 PM₁₀ 증가는 5.6% 이하로 전동차 운행상태에 따라 큰 변화가 없으 며, 전동차 운행으로 인해 발생한 PM₁₀은 앞차와의 간 격인 6분 이내에 확산된 것으로 파악되었다.

전동차가 주행할 때 M-car 차륜에 작용하는 가속력 과 감속력, T-car 차륜에 작용하는 마찰제동력, 차륜과 레일 사이의 조향마찰과 구름마찰 등으로 인해 PM₁₀ 농도가 F에서보다 M과 T에서 각각 14.7%와 5.1% 가 량 더 높았다. 이로부터 전동차가 주행할 때마다 차륜 과 레일 사이의 마찰에 의해 PM₁₀이 발생하며, 특히 전동차 주행 시 가감속력이 많이 작용하는 M-car 차륜 뒤에서는 터널의 배경농도보다 14.7%나 많은 양이 발 생되었다.

전동차가 역에 정지하면 열차풍에 의한 후류유동으 로 T, M, F에서의 PM₁₀ 농도가 각각 73.1, 47.1, 3.3% 가량 증가하였다. 따라서 전동차가 역에 정차할 때마다 배경농도의 1.36배 높은 달하는 PM₁₀이 지하역사쪽으 로 이동하여 대부분 다음 구간으로 빠져나가지 못하고 지하역에 정체하는 것으로 분석되었다.