1. 서 론

2019년 2월부터 고농도 미세먼지 비상저감조치 시 행으로 대중교통 이용이 권고됨에 따라 운송시설의 실내공기질 관리가 중요시 되고 있다. 그 중에서도 지 하철은 대표적인 이동수단으로 이용되고 있으며, 지 하역사는 밀폐된 지하공간으로써 다중이용시설 중 실내주차장 다음으로 높은 오염도를 보이는 등 공기 질 개선에 어려움이 있다. 또한 역사 내부에 스크린 도어의 설치로 인해 열차풍으로 인한 조대먼지 저감 및 안전사고 예방에는 효과가 입증되었으나, 열차 운 행으로 발생하는 기류의 흐름을 방해하여 환기의 불 균형을 초래하는 등 터널 내부에 오염물질이 축적된 다는 지적이 있었다(Namgung et al., 2017).

그동안 지하역사는 대합실과 승강장에서만 미세먼 지와 이산화탄소를 필수항목으로 중점 관리하였고, 오염물질 주요 발생원으로 인식되는 터널 내부에 대 해서는 간과하여 오염물질의 저감은 기계식 환기에 만 의존했다. 2020년 4월부터는 차량 내부의 실내공 기질 측정이 의무화되고 초미세먼지 기준이 신설되 고 수치도 강화되는 등 대중교통시설에 대한 종합적 인 미세먼지 저감 정책이 단계적으로 추진되고 있다.

환경부에서는 5년마다 ‘지하역사 공기질 개선 5개 년 대책’을 수립하여 추진하고 있으며 이미 추진된 1,2 차 대책 시행결과 미세먼지, 라돈, 석면 등 일부 저감 효과를 거두었으나 터널과 승강장의 미세먼지는 여 전히 해결되지 못하고 있는 실정이다.

이에 2018년부터 2022년까지 추진되는^『제3차 지 하역사 공기질 개선대책_』에서는 국민의 알권리와 건강보호를 목적으로 미세먼지 자동측정기와 공기정 화설비에 초점을 맞추는 개선책을 제시했다(ME, 2018). 이에 따라 지하역사는 실내공기질 자동측정망을 도 입하여 실시간으로 오염도를 모니터링할 예정이며 현재는 시범운영을 통한 검증 단계에 있다. 이 시스 템은 일련의 훈련과정을 반복하여 공조설비와 연계 한 지능형 공기질 관리가 가능하도록 운영될 예정이 다. 이를 위해서는 다양한 조건에서 빅데이터를 확보 해야 하며, 특히 동일 지하역사일지라도 실내의 설치 위치에 따라 영향을 받을 수 있으므로 공기질 공간분 포에 대한 연구가 필요하다(Kwon, 2018).

따라서 본 연구에서는 공간적, 계절별(동절기, 하절 기) 실내공기질 오염분포 특성을 진단·평가하고 지하 역사 공기질의 주 영향요인을 파악하여 공간분포 분 석으로 공기질 관리방안을 제시하고자 한다.

2. 연구방법

2.1 역사선정 및 연구기간

본 연구에서는 경기도 내 지하역사 중 월평균 이용 객 백만 명이상인 역사(2018년~2019년 기준) 10개소 를 대상으로 공기질을 측정하였으며, 이용객 수 대비 오염도를 분석하고자 대조군(월평균 이용객 백 만 미 만의 역사)을 포함하여 총 13개소를 선정하였다(Table 1).

채취지점은 실내공기질 관리법에서 제시하는 역사 의 대합실과 승강장을 대상으로 측정하였다. 측정 위 치는 Fig. 1과 같이 대합실에서는 개찰구 앞, 승강장에 서는 공기정화설비와 계단에 영향이 적을 것으로 판 단되는 지점에서 채취를 실시하였다. 계절별 특성을 파악하기 위해 측정기간은 동절기(2020.2.3.~2.24.), 하 절기(2020.7.6.~7.31.)에 걸쳐 각 1회씩 측정하였고 외 기 데이터는 경기도 대기환경정보서비스를 활용하여 측정시간대와 동일한 시간대의 인근 측정소의 데이 터를 인용하였다.

2.2 측정항목 및 분석방법

본 연구에서는 대상 항목으로 입자상 오염물질과 가스상 오염물질에 대한 조사를 실시하였으며 다중 이용시설 실내공기질 유지기준 4종(PM₁₀, PM_2.5, HCHO, CO₂)과 권고기준 2종(Rn, TVOC)을 측정하였 다. TVOC는 헥산부터 헥사데칸까지의 총합을 의미 하며 그 중 대표물질 5종(Benzene, Toluene, Ethylbenzene, m,p,o-Xylene, Styrene)을 추가하여 분석하였다.

각 항목별 분석방법으로 미세먼지는 중량법으로 Low- Volume Air sampler를 사용하였고 각각 PM₁₀ (BMW3500, Total ENG., Korea), PM_2.5 (KMS-4100, KEMIK Inc., Korea) 장비로 유량은 5 L/min으로 24 hr 측정하였다. 여지는 teflon재질의 membrane PTFE 2.0 μm filter (GVS, USA)를 사용하여 정전기 제거 후 전후무게를 칭량하여 질량농도를 계산하였다. 이산화탄소는 비 분산적외선분석법(IQ-610Xtra, USA)를 이용하였고 라 돈은 연속측정법(RAD7, DURRIDGE Inc., USA)로 48 hr 단기측정법을 준용하였다. 폼알데하이드는 2,4 DNPH 카트리지에 시료를 채취하여 HPLC (Waters2695, USA)로, VOCs는 Tenax tube에 포집하여 GC/MS (Scion SQ, USA)로 정량하여 분석하였다.

2.3 공간분포 분석

측정한 자료를 바탕으로 주성분분석을 실시하여 유 의한 항목에 대해 공간분포 분석을 실시하였다. 해외 논문에서 승강장 위치에 따른 PM농도 조사(Moreno et al., 2014;Wang et al., 2016;Wu et al., 2020)를 참고 하여 승강장을 수평방향으로 열차의 진입부, 중간부, 진출부 세 부분으로 나누었으며 2020.10.6.~10.22. 기 간 동안 3회씩 샘플링 하였고 역사 구조에 따라 크게 상대식 승강장과 섬식 승강장을 각각 측정하였다.

Fig. 2와 같이 상대식 승강장(a)은 승강장 사이에 철 로가 있고 중간에 계단이 있는 형태로 가장 일반적이 며 섬식 승강장(b)은 철로 사이에 승강장이 있는 형 태이며 승강장 양 끝에 계단이 있는 구조이다. 도출 된 결과는 정규성과 등분산성을 고려하여 비모수 분 산분석인 Kruskal-Wallis 방식을 적용하였고 bonferroni 사후검정에 대해 평가하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 역사내 오염물질 분포 특성

3.1.1 입자상 오염물질

조사된 입자상 오염물질의 결과는 Table 2와 같다. 지점별로는 승강장 > 대합실 > 외기 순으로 확인되었 으며, 동절기 PM_2.5의 경우 외기의 환경기준이 ‘나쁨’ 수준일 때 대합실과 외기의 역전현상이 나타나는 것 으로 확인되었다. 대합실은 모든 역사에서 기준이내 이고 승강장의 동절기 PM₁₀은 42.1~196.2 μg/m³이고, PM_2.5는 18.6~68.3 μg/m³, 하절기 PM₁₀은 15.4~124.1 μg/m³로 조사되어 계절별로 기준치를 상회하는 빈도 는 38.5% 로 나타났다. 선행연구에서 PM과 승하차인 원 간의 유의한 상관성(Yim et al., 2014;Kwon et al., 2015)이 있다고 밝혔으며 본 논문의 조사결과, 동절 기에 대조군에서의 평균이 105.0 μg/m³로 실험군의 평 균(94.5 μg/m³)보다 높게 나타나 PM은 승하차인원이 주원인은 아닐 것이라고 판단된다.

입자상 오염물질은 발생원에서 PM10 내 PM2.5가 차지하는 비율로 미립자 오염의 발생특성을 알 수 있 다는 특징이 있다(KEITI, 2020). 본 논문에 적용한 결 과, PM10에 대한 PM2.5의 분율은 외기 > 대합실 > 승 강장 순 이었으며, Lee et al. (2015)의 연구결과를 참고 하여 입경분율 결과로 역사 내부에 PM10 발생원으로 부터 기인한 것으로 추정하였다. 계절별로는 하절기 결과에 비해 동절기 결과가 높은 것으로 보아 동절기 의 공기질 관리가 필히 요구된다.

3.1.2 외기와의 미세먼지 농도비

외기 미세먼지의 기여율(Indoor/Outdoor ratio)은 통 상적으로 실내외 농도비를 이용해서 계산한다. I/O비 가 1에 가까울수록 외기의 영향을 많이 받으며 1보다 크면 실내에 오염원이 있다고 해석하였고 선행연구 (Kwon et al., 2015;Namgung et al., 2016)와 같이 본 논문에서도 역사내부 I/O비가 1보다 크다는 결과를 얻을 수 있었다.

Table 3의 계절별 외기 기여도를 살펴보면, 대체적 으로 하절기보다 동절기에 외기의 영향을많이 받으 며 PM₁₀보다는 PM_2.5가 외기데이터와 유사한 수준이 었다. 특히 동절기, 하절기 모두 승강장의 I/O비가 우 세적으로 높아 내부오염원에 지배적인 영향을 받는 것으로 나타났으며 직접적인 원인으로는 터널 내부 의 선로와 차륜의 마찰로 인해 발생된다고 보고되고 있다. 본 논문에서는 열차풍이 오염물질의 중심 매개 체로 추정하였다.

3.1.3 가스상 오염물질

실내공기 중 가스상 물질은 특성에 따라 휘발성물 질과 반휘발성 유기물이나 무기물질로 존재하여 미 세입자에 응축되어 대기의 입자상 오염물질과는 다 른 독성현상을 나타낼 위험이 있어 관리가 필요하다 고 보고되고 있다(Park, 2018). 이에 가스상 물질에 대 한 면밀한 검토 및 관리를 통해 이용객이나 작업자를 위한 쾌적한 환경을 조성하여야 한다.

가스상 오염물질 조사결과는 Table 4에 나타내었으 며, 이산화탄소는 하절기보다 동절기가 높았고 대합 실보다 승강장에서 높았으나 기준이내인 것으로 확 인되었다. 특히 대중교통차량 공기질에서는 혼잡시 간대에 따라 다른 기준을 적용하고 있으며 Yim et al. (2014)의 선행연구에서는 이산화탄소는 승객 수에 따 라 양의 상관관계가 있음을 밝혀냄에 따라 혼잡시간 대에 환기율을 더 높여 관리할 필요가 있다.

지하역사에서는 이산화탄소를 제외한 가스상 오염 물질의 경우 권고기준으로 관리하고 있으며 대체로 관리기준 이내인 것으로 나타났다. 그러나 외기에 영 향 받기 쉽기 때문에 지속적인 관리는 필요하다.

역사 내 라돈(Rn²²²) 조사결과 계절과 상관없이 승 강장의 라돈 측정값이 대체로 높게 나타났으며 이는 지하 환경에서 문제시 되고 있는 라돈의 특성상 지반 의 영향이 80%~90% 이며 화강암과 변성암에서 라돈 이 높게 나오는 것으로 알려져 있으며(Yun et al., 2016) 그 외에는 환기영향을 받기 때문으로 사료된다. 이에 따라 환경부에서는 2008년부터 주택에 대한 실내 라 돈조사를 전국적으로 실시하여 지역별로 라돈지도를 작성하여 관리하고 있다.

측정결과를 지역별로 분류하면 해당 시별로 평균 값에 큰 차이를 나타냈다(Table 5). 특히 Zone I의 값이 상대적으로 높은 것은 서울·경기지역의 지질 및 지반 특성에 관한 연구(Kim, 2004)에 따라 Zone I지역은 흑 운모 화강암과 석류석 복운모 화강암으로 구성되어 지반의 영향을 받은 것이라고 판단된다. 이것은 지질 학적 특성에 따라 관리가 필요하다는 의의가 있으나 장기측정법을 적용한 환경부와 달리 본 연구에서는 단기측정법을 준용하였기 때문에 해석에 한계가 있 으리라 생각된다.

Kwak et al. (2019)의 선행연구에서 단기측정법 이용 시 라돈이 반감기 동안 라돈의 딸핵종 중 일부만 측 정되어 공기 중 라돈이 과소평가 될 우려가 있다고 지 적했으므로 향후에는 지하역사에서의 장기 측정법인 알파비적검출법(alpha-track detector)의 검토 및 적용 이 필요하다.

본 연구에서의 휘발성유해물질은 폼알데하이드와 TVOC 그리고 BTEX,S을 다루었으며 폼알데하이드는 역사 기준치의 10% 미만으로 검출되어 상당히 낮은 수준으로 확인되었다. TVOC의 경우 두 계절 모두 기 준치(500 μg/m³)에 크게 밑돌았으나 지점차이는 동절 기보다 하절기에 크게 나타났다. 특히 하절기 TVOC 는 실험군, 대조군 평균 대합실이 114.4 μg/m³이고, 승 강장이 49.8 μg/m³로 대합실이 승강장보다 2.3배 높게 나타났으며 BTEX,S의 경우도 유사한 경향을 보이는 것으로 확인되었다.

본 논문에서 TVOC 중 BTEX,S은 평균적으로 약 18% 차지하는 것으로 나타났다. 그 중 톨루엔은 검출빈도 와 정량농도 모두 가장 높았으며, 그 다음으로 자일 렌, 에틸벤젠 순으로 높게 검출되었다(Fig. 3). Cho et al. (2005)의 연구결과에 따르면 대합실의 VOCs 측정 결과가 높은 것은 주변 도로교통량 뿐만 아니라 역사 환경에 따라 발생조건이 다르다고 지적한 바 있으며, 선행연구에서 총휘발성유기화합물 중 개별물질에 대 한 조사 필요성에 대해 오래전부터 보고되었다(ME, 2009).

실내공기질 관리법에서는 휘발성 유기화합물을 관 리하기 위해서 신축공동주택의 경우에는 건축자재에 대한 성능등급(1~3등급)을 구분하고 있으며 측정대 상 역사들이 2013년 이전인 것을 감안해 신설 역사의 경우에는 개별물질에 대한 관리가 필요할 것으로 생 각된다.

3.2 실내공기질 영향인자에 대한 주성분분석(PCA)

주성분분석(PCA, Principal Component Analysis)은 요인추출분석법의 일환으로 서로 상관관계가 있는 고차원의 변수들의 선형결합을 통해 저차원으로 압 축하여 자료를 이해하는 대표적인 다변량 분석방법 중 하나이다(Gim et al., 2013;Lim., 2017).

본 연구에서는 역사 공기질의 주 영향요인을 파악 하기 위해 영향을 미치는 변수들의 공분산에 표준편 차를 나누어 상관행렬을 이용하였고 분석도구는 R 프 로그램(R version 4.0.3., GNU General Public License, New Zealand)를 사용하였다.

Fig. 4 (a)의 행렬도(Biplot)에서는 제1주성분 축에 평 행한 미세먼지가 실내공기질에 영향력이 큰 종합지 표로 나타났다. 계절별 군집화 데이터를 통해 동절기 분산율이 더 큰 것을 알 수 있으며 휘발성 유해물질 의 경우 하절기 데이터 방향으로 수렴한 것으로 보아 동절기보다 하절기의 계절성에 더 큰 영향을 받을 것 으로 생각된다.

Fig. 4 (b)는 코사인 유사도를 표시하여 성분과의 상 관성의 정도를 시각화하였다. 선의 길이가 원변수의 분산을 표현하며 선이 길수록 분산이 크다는 것을 의 미한다. 변수가 많은 역사 공기질 환경에서 미세먼지 가 가장 주요한 인자임을 알 수 있다.

실내 PM₁₀, PM_2.5 모두 외기의 결과와 높은 상관성 이 확인되었고 이는 Kwon et al. (2015)의 연구결과와 유사하며, 기 논문에서 승강장의 PM은 풍속과 열차 빈도와 상관성을 추가로 증명함에 따라 본 논문에서 는 열차풍의 영향성을 평가하였다.

3.3 열차풍에 의한 승강장 미세먼지 공간분포 분석

열차풍(Train wind)은 열차 운행 시 전두부의 양압 과 후미부의 부압의 발생으로 난류가 형성된다고 알 려져 있다. 압력변동으로 인한 공기유동으로 본선터 널의 오염물질의 이동을 수반하며 Park and Park (2014) 의 연구에서 미세농도 변화패턴이 열차 운행빈도 패 턴과 유사함을 검증하였고 Lee et al. (2018)의 연구에 서 이화학적 분석결과 대부분이 산화철 성분으로 규 명되어 역사 내 금속성 미세먼지가 주로 발생된다고 보고되었기 때문에 열차풍이 지하역사 실내공기질의 매개체가 될 수 있다고 판단했다.

또한, 해외논문에서는 승강장 구조와 위치에 따라 열차풍의 영향이 다르며 그에 따라 PM농도가 다르다 는 지적이 있고(Wang et al., 2016;Wu et al., 2020) 국 내에서는 본선 터널부 중심으로 연구가 진행될 뿐 승 강장 구조에 따른 연구 자료는 부족한 실정이다.

따라서 본 논문에서는 승강장의 실내오염원인 열 차풍에 의한 미세먼지의 공간분포를 분석하기 위해 수평공간의 위치별(진입부, 중간부, 진출부) 미세먼 지 농도를 평가하였다. 측정값을 ANOVA 분산 분석 하여 p-value가 0.05 보다 작으면 유의한 수준으로 해 석하였다.

3.3.1 상대식 승강장

상대식 승강장은 우리나라의 가장 일반적인 형태 의 역사이며, PM₁₀과 PM_2.5 측정결과는 Fig. 5의 (a)와 (b) 같다.

비정규성의 등분산성을 검증하여 비모수방식의 Kruskal–Wallis의 결과는 Table 6에 표시하였으며 승강 장 위치별 농도 분산분석 결과, PM₁₀과 PM_2.5 모두 pvalue < 0.05로 위치에 따른 미세먼지 농도차이가 있 는 것으로 나타났다.

중간부가 진입부, 진출부 보다 낮은 경향이 나타났 으며 이는 Moreno et al. (2014)의 연구결과와 유사하다.

승강장 진입부와 진출부는 터널 내 오염물질이 압 축파에 의해 밀려들어와 축적이 되고 Kim et al. (2017) 의 연구결과에서 가속과 감속에 따른 미세먼지 발생 으로 인해 농도가 높게 나타난 것으로 사료된다.

상기 연구결과에 따르면 승강장 중간부는 양압과 음압의 교차로 인한 압력변동이 가장 심한 구간으로, 압력차가 크면 일명 피스톤 효과(Piston effect)로 인해 희석효과가 가장 크기 때문에 상대적으로 미세먼지 가 적게 잔류했을 것으로 판단된다.

Bonferroni 사후분석 결과, PM₁₀과 PM_2.5 모두 진입 부-진출부는 농도차이가 크지 않고 중간부와의 차이 만 있음을 통계적으로 검증하였다(Table 7).

3.3.2 섬식 승강장

섬식 승강장의 박스플롯 결과는 Fig. 5의 (c)와 (d)에 도시화하였으며, 분산분석 결과는 Table 8 에 나타냈 다. 세 지점의 농도차이가 크지 않은 것(p-value > 0.05) 은 계단이 중앙부에 있는 상대식 승강장과는 다르게 섬식 승강장에서는 계단이 양쪽으로 있기 때문에 외 기로의 확산이 어려운 구조의 영향을 받았다고 생각 된다. 이것은 Shin and Kim (2005)의 연구결과에서 언 급된 섬식 승강장이 단면적 대비 양방향의 스크린도 어가 있기 때문에 승강장 내 열차풍이 미치는 영향이 커 오염물질 확산이 크기 때문인 것으로 사료된다.

4. 결 론

본 연구에서는 경기도내 지하역사 13개소를 대상 으로 계절별 실내공기질 오염분포 특성과 승강장 구 조(상대식, 섬식)에 따른 위치별 주영향요인의 농도 를 통계적으로 비교하였다.

본 논문에서는 역사 환경조건 중 열차풍에 의한 영 향에만 초점을 맞추었다는 한계가 있으나 향후에는 환기시스템 및 열차운행 자료 등 다양한 인자에 대해 종합적인 검토가 필요하며 위 연구결과를 토대로 승 강장 미세먼지 자동측정망 적정위치 선정을 위한 기 초자료로 활용될 것으로 기대한다.