지하역사 내 가스상 오염물질의 시공간적 분포 특성

1. 서 론

현대화 및 도시화가 진행되면서 인구 밀도가 증가하고 이에 따른 교통체증도 증가하고 있다. 현대인들은 복잡한 교통체증을 피하기 위하여 빠르고 편리하며 저렴한 교통 수단을 선택하는 경향이 있다 (Kim et al., 2012). 그중 운임이 저렴하고, 운행시간이 정확한 지하철은 사람들이 많이 이용하는 대중교통 수단 중 하나이다 (Son et al., 2020). 2020년을 기준으로, 전국적으로 688개의 역 (Railway Industry Information Center, 2022)이 운영되고 있으며 수송인원이 증가하는 추세이다. 부산 지하철의 경우, 2021년 수송인원은 695,683명으로 전년대비 (673,484명) 약 3.3% 증가했다 (Busan transportation Corporation, 2022). 특히 최근 거리두기 완화, 고유가 시대에 직면하면서 2022년 1월부터 5월까지의 수송인원은 735,779명 (Busan transportation Corporation, 2022)으로 향후 큰 폭으로 상승할 것으로 예상된다.

대부분의 지하철과 지하역사는 다수의 유동인구가 밀집되어 있는 지하 공간의 형태이다. 따라서 지하철 시스템의 실내공기질 관리가 매우 중요하다. 특히 지하역사는 외부환경과 달리 밀폐된 공간이므로 실내공기질 관리에 한계점이 있다. 또한 지하철 객차 내 공간은 다른 시설에 비해 협소함에도 불구하고 출퇴근시 매우 혼잡하며, 이용객의 밀도가 높기 때문에 실내공기질 오염에 대한 위험도가 상대적으로 높은 시설이다 (Park et al., 2006). 이 외에도 지하역사 내 실내공기질은 위에서 언급한 내부적인 원인뿐만 아니라 환기 등을 통한 외부공기의 침투와 같은 외부적인 원인에 의해서도 영향을 받는다 (Son et al., 2022, 2013; Park et al., 2019; Lee et al., 2017; Lee et al., 2015, 2010; Kim et al., 2012).

지하역사 내에 존재하는 오염물질에는 미세먼지, 이산화탄소, 라돈, 석면, 휘발성 유기화합물 등이 있다 (Choi et al., 2020). 이러한 오염물질들은 「실내공기질 관리법」의 유지기준과 권고기준에 따라 적절한 농도로 관리되고 있다. 현재, 지하역사의 실내공기질 유지기준은 미세먼지 (PM₁₀) 100 μg/m³ 이하, 초미세먼지 (PM_2.5) 50 μg/m³ 이하, 이산화탄소 (CO₂) 1000 ppm 이하, 폼알데하이드 100 μg/m³ (HCHO) 이하, 일산화탄소 (CO) 10 ppm 이하이다 (Indoor Air Quality Control Act, 2021). 또한 위 시설의 실내공기질 권고기준은 이산화질소 (NO₂) 10 ppm 이하, 라돈 (Rn) 148 Bq/m³ 이하, 총 휘발성 유기화합물 (TVOC) 500 μg/m³ 이하이다.

「실내공기질 관리법」에 포함된 오염물질 중 입자상물질인 PM₁₀과 PM_2.5는 농도가 높아지면 기관지염이나 폐 기능 악화 등과 같은 호흡기 질환을 유발시키며, 혈관 기능 장애, 혈전증 등 심혈관계 증상의 대표적인 원인 물질로 알려져 있다 (Deng et al., 2019; Choi et al., 2000). 또한, CO₂는 만성 폐질환과 중추신경 영향 등을 유발시키며 CO는 심장장해 및 중추신경계 장해를 일으킨다 (Lee, 2006). 이와 마찬가지로 NO₂는 만성 폐쇄성 폐질환 사망 위험 증가와 관련이 있으며, 신경질환 유발 인자이다 (Hwang et al., 2018; Meng et al., 2013; Li et al., 2012).

이러한 위험성들로 인하여 오랜 기간 동안 국내에서 지하 공간의 미세먼지에 대한 측정 및 분석뿐만 아니라 저감 기술, 인체 유해성 및 위험성 등에 대한 수많은 연구들이 진행되고 있다 (Son et al., 2022, 2014, 2013; Choi et al., 2020; Choi et al., 2019; Jeon et al., 2019a, b; Lee et al., 2017; Hwang et al., 2017; Han et al., 2016; Byeon et al., 2015; Kwon et al., 2015; Oh et al., 2013; Jung et al., 2012; Kim et al., 2012; Kim et al., 2009; Kim et al., 2008; Park and Ha., 2008; Lee et al., 2003a, b, 2002). 물론 입자상물질 이외의 다른 오염물질에 대해서도 일부 연구가 수행되었다. Hwang et al. (2018)은 2014년부터 2015년까지 2년간 100곳의 지하역사에서 Rn 및 NO₂ 농도를 측정하고 인체에 영향을 미치는 환경적요인을 분석 및 평가하였다. 그리고 Namgung et al. (2016)은 서울 지상역사 3곳과 지하역사 5곳에서 PM₁₀, CO₂, CO, TVOC, HCHO, NO₂, O₃ 등의 물질의 농도를 측정하여 외기가 지하철 실내공기질에 미치는 영향을 분석하였다. 하지만 현재까지 보고된 대부분의 연구들은 서울 지하철 시스템을 대상으로 수행되어 왔으며, 지하철 미세먼지 농도 및 성분 분석에 대한 내용에만 중점을 두고 있는 것이 사실이다 (Son et al., 2020). 특히, 지하철 내 실내 공기질과 외부 대기질과의 관계에 대한 연구는 극히 일부만 진행되었고 이 또한 대부분의 연구가 미세먼지 및 초미세먼지에 국한되어 있어서 상대적으로 다른 거동을 보일 것으로 예상되는 가스상 오염물질에 대한 연구는 특히 미비한 실정이다 (Son et al., 2022, 2020). 최근에 일부 연구진에 의해서 부산 지하철 시스템 내의 오염물질에 대한 연구가 소개되고 있다. Son et al. (2020)은 2015년부터 2019년까지 5년간 부산 지하역사 내의 PM₁₀과 PM_2.5 농도 자료를 비교 분석하고 외부공기질과 지하역사 내의 PM 농도의 관계를 평가하였다. Jeon et al. (2019a, b)은 2015년부터 2017년까지 3년간 부산 주요 지하역사의 PM₁₀과 PM_2.5 농도 자료를 사용하여 계절별, 요일별, 연도별로 미세먼지의 농도변화를 분석했다. 이와 같이 부산 지하철을 대상으로 한 연구는 일부 존재하지만 가스상 오염물질에 대한 연구는 극히 드문 실정이다.

따라서 본 연구에서는 6년간 (2014년~2019년) 부산지역 주요 지하역사에서 측정된 CO, CO₂, NO₂ 농도 자료를 활용하여 지하역사 내 오염 수준을 평가하였다. 또한, 이들 물질들의 실내외 농도 특성을 확인하기 위하여 지하역사 주변의 대기질 측정망 자료를 활용하여 그 관계를 도출하였다. 본 연구를 통해서 얻어진 결과는 향후 지하철 시스템의 실내공기질 관리를 위한 기초자료로 사용할 수 있을 것이다.

2. 연구 방법

3. 결과 및 고찰

3. 1 실내공기 오염물질의 연평균 농도 변화

그림 1은 2014년에서부터 2019년까지 6년간 부산 지하철 대상 역사에서 측정된 CO₂, CO 및 NO₂의 농도 변화를 나타낸 것이다. 활용된 농도 자료는 대상역사들의 평균값을 사용하였으며, 원자료에서 0값, 문자, 음수 값을 제외한 자료를 사용하여 평균값을 산출하였다. 또한, CO₂의 서면 2호선 대합실 (S2W)의 2015년 7월 데이터는 이상현상으로 인하여 삭제 후 값을 산출하였다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 지난 6년 동안 지하역사 내 CO₂ 및 NO₂의 농도 변화는 거의 없는 반면, CO의 농도는 점차 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. CO₂ 농도 증감은 이용자 수와 유의미한 상관성이 있다는 연구결과가 나타남에 따라 (Jeon et al., 2019b; Moreno et al., 2014; Lee et al., 2012) 지하철 이용객 수의 변화가 크지 않다는 것을 예상할 수 있다. 2019년의 수송실적은 약 94만명으로, 2014년의 수송실적 (약 89만명)보다 약 0.1% 정도 증가했는데 (Busan transportation Corporation, 2022) 대상 역사의 CO₂ 농도는 지난 6년간 CO₂는 평균 1.5% 감소했기 때문에 (2014년: 544 ppm, 2019년: 535 ppm) 이용객이 증가했음에도 CO₂ 농도가 감소하는 경향이 있는 것으로 판단할 수 있다. 또한 대상 역사의 NO₂ 농도를 비교했을 때, 지난 6년간 평균 13.7% 감소했다 (2014년: 41 ppb, 2019년: 36 ppb). CO₂ 및 NO₂의 농도 변화는 미미하지만 NO₂의 농도가 CO₂에 비해 상대적으로 큰 폭으로 감소한다는 것을 알 수 있다. 특히 CO는 지난 6년간 평균 29% 감소한 것을 확인할 수 있었고 모든 물질 중 가장 큰 폭으로 감소했다는 것을 알 수 있다 (2014년: 645 ppb, 2019년: 458 ppb).

Fig. 1.

Variations of levels of indoor air pollutants in subway stations from 2014 to 2019.

지난 6년간 지하 역사 내 CO₂, CO 및 NO₂ 농도 변화를 추가적으로 분석하기 위하여 그림 2와 같이 지하 역사의 위치에 따른 분석을 수행하였다. 그 결과 사상역 (2014년: 644 ppb, 2019년: 403 ppb)과 서면 1호선 대합실 (2014년: 764 ppb, 2019년: 480 ppb)의 CO 농도 감소율이 37%로 농도가 가장 큰 폭으로 감소한 것을 확인할 수 있었다. 그리고 서면 2호선 승강장의 CO 농도 감소율은 12%로 가장 농도가 적게 감소 (2014년: 528 ppb, 2019년: 466 ppb)한 것을 보았을 때, 모든 대상 역사에서 CO 농도는 다른 물질보다 대체적으로 많이 감소했다는 것을 알 수 있다. 세 역사의 외기 자료와 비교해 봤을 때 (air Korea, 2020) 광복동과 전포동의 CO 농도는 일정한 양상을 보였으며 (광복동: 0.4 ppm, 전포동: 0.3 ppm) 광복동의 CO 농도는 오히려 증가 (2014년: 0.4 ppm, 2019년 0.5 ppm)하는 양상을 보였다. 외기의 변화가 일정한 편임에도 불구하고, 외기의 영향을 많이 받는 CO의 농도가 (Moreno et al., 2014) 전 역사에서 많이 감소했다는 것은 지하역사의 환기 효율이 개선되었다는 것을 의미한다. 실제로 부산 지하철은 노후 환기설비 교체, 공기정화기 설치 등의 지하역사의 공기질 개선사업을 지속적으로 수행하고 있다 (Busan transportation Corporation, 2022). 이와 유사하게 서면 2호선 승강장의 NO₂ 농도의 감소율은 약 20%로 가장 큰 폭으로 농도가 감소하였으며 (2014년: 478 ppb, 2019년: 38 ppb), 두 번째와 세 번째로 남포역 (2014년: 40 ppb, 2019년: 33 ppb) 18%, 서면 1호선 승강장 (2014년: 46 ppb, 2019년: 38 ppb) 18%의 감소율을 확인할 수 있다. 모든 대상 역사에서의 NO₂ 농도는 지난 6년간 5~20% 낮아지는 것을 알 수 있었다. 이와 달리 CO₂의 경우, 서면 2호선 대합실의 농도 감소율이 가장 크게 나타났는데 그 값이 7%로 다른 물질에 비해서는 미미한 변화가 있다는 것을 확인할 수 있다 (2014년: 616 ppm, 2019년: 571 ppm). 또한, 일부 역사에서는 CO₂ 농도 감소가 거의 없거나 (서면 2호선 승강장: 0.1% 감소), 오히려 일부 증가하는 현상 (서면 1호선 승강장: 0.6% 증가, 사상역: 3.6% 증가)이 나타나 역사별, 위치별로 농도 변화가 다른 경향을 가진다는 것을 알 수 있었다. 이는, 위에서 언급한 바와 같이 이용객 수에 영향을 많이 받기 때문에 나타난 결과라고 할 수 있다. 전체적인 표준편차를 비교해 봤을 때, 사상역에서 측정된 표준편차는 (CO₂: 99 ppm, CO: 173 ppb, NO₂: 15 ppb) 다른 역사들에 비해 상대적으로 작은 값을 나타냈고, 서면역 2호선 대합실은 상대적으로 큰 값 (CO₂: 137 ppm, CO: 179 ppb, NO₂: 15 ppb)을 나타냈다. 이는 각각의 역사 내에서 오염물질 농도 변화의 폭의 크기를 의미한다. 따라서 사상역은 오염물질 농도의 변화가 상대적으로 일정하며 서면역 2호선 대합실은 상대적으로 농도 변화가 크다는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 2.

Comparison of CO2, CO and NO2 concentration distributions in platforms and waiting rooms over 6 years.

3. 2 역사 내 위치에 따른 농도 분포 및 관계

그림 3은 역사 내 위치에 따른 CO₂, CO 및 NO₂ 농도를 비교 분석하기 위하여 서면역 1, 2호선의 승강장과 대합실의 농도 분포를 나타낸 것이다. 이때, 농도자료는 2014년부터 2019년까지의 전체 데이터를 사용했으며, 원자료에서 0값, 문자, 음수 값을 제외한 자료를 사용하여 평균을 산출하였다. 또한, 아래쪽 이상값을 제외하고 분석을 수행하였다. CO의 경우 Line 1 농도의 평균 (±표준편차)값은 (536±222 ppb) Line 2보다 (467±192 ppb) 컸으며, CO₂ 및 NO₂는 Line 1 농도의 평균값이 (CO₂: 563±104 ppm, NO₂: 40±15 ppb) Line 2보다 (CO₂: 565±121 ppm, NO₂: 42±18 ppb) 작다는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같이 Line 1의 CO의 농도는 높은 반면, CO₂ 및 NO₂의 농도가 Line 1이 낮은 이유는 승강장 및 대합실의 위치를 들 수 있다. Moreno et al. (2014)은 도로 위 차량 운행이 지하철 내 CO 농도에 영향을 준다는 연구 결과를 보였다. 서면역의 Line 1은 지하 13 m에 위치하고 있고, Line 2는 지하 20 m에 위치하고 있다. Line 2가 약 7 m 정도 깊은 곳에 있기 때문에, 외부의 교통수단에 의해 발생하는 CO에 의해 (Namgung et al., 2016) 더 높은 곳에 위치해 있는 Line 1이 영향을 많이 받는다고 볼 수 있다.

Fig. 3.

Scatter plots between CO2, CO and NO2 in platforms and waiting rooms of Seomyeon subway station from 2014 to 2019.

동일한 Line의 물질별 농도를 비교해 보았을 때, Line 1의 NO₂ 농도를 제외한 모든 물질들에서 농도 차이를 확인할 수 있었다. Line 1에서는 CO와 CO₂ 모두 대합실의 농도가 승강장보다 각각 5%, 11% 높았으며, Line 2에서는 CO₂의 대합실 농도만 승강장보다 9% 높았다. Jeon (2019b)에서는 3년간 (2015년~2017년) 서면 1호선과 2호선의 CO₂ 농도를 비교하였는데 대합실의 CO₂ 농도가 승강장의 농도보다 각각 16%, 15% 높은 결과를 보였다. Namgung et al. (2016)에 따르면 CO 농도는 대합실이 승강장의 농도보다 대부분 1.2~1.5배 높으며, 도로의 차량 운행에 의해 승강장과 CO 농도와의 유의미한 상관관계가 있다는 결과를 보였다. 이와 같이 다른 연구 결과들도 본 연구의 결과와 비슷한 경향을 보이는 것을 알 수 있다.

3. 3 열차운행에 따른 영향

그림 4와 같이 열차 운행에 따른 오염물질의 농도 차이를 확인하기 위하여 측정된 CO₂, CO 및 NO₂ 자료를 열차 운행시간 (OP)과 비운행시간 (NOP)으로 나누어 분석을 수행하였다. 4개 역사에서 측정된 평균 농도를 비교해 보았을 때, 열차 운행시간의 평균 NO₂ 농도는 42.2 ppb로 비운행시간 (28.4 ppb)보다 48.4%가량 높은 것을 확인할 수 있었다. 다음으로 CO₂는 열차 운행시간의 농도 (571.2 ppm)가 비운행시간의 농도 (442 ppm)보다 29.2% 높았고, CO의 농도는 열차 운행시간 (504.8 ppb)이 비운행시간 (445.3 ppb)보다 13.3% 높게 나타난다. 따라서 세 물질 모두가 비운행시간보다 운행시간에 높은 농도를 나타낸다는 것을 볼 수 있다. 특히, 낮시간의 높은 CO 농도는 교통체증으로 인하여 차량이 멈추고 출발하는 과정에서 공회전, 감속, 가속 등에서 다량 방출된 것이 유입되는 것으로 이해할 수 있다 (Lee et al., 2002). 마찬가지로 NO₂도 주 발생원인 차량의 배출가스가 지하철 환기시설 가동에 의해 지하역사 내로 유입되어 도로와 비슷한 농도 수준으로 유지되며 태양광이 없는 지하역사에서 광화학 반응이 일어나지 않아 높은 농도로 유지된다는 것을 알 수 있다 (Jeon, 2019b; Kim et al., 2009).

Fig. 4.

Comparison of distribution of CO2, CO and NO2 levels on operation and non-operation time of subway systems by years.

따라서 NO₂ 및 CO의 경우 지하철의 운행시간 동안 외부 차량의 운행으로 인해서 발생된 오염물질이 환기구 및 출입구 등을 통하여 실내로 유입되어 실내 농도에 직접적으로 영향을 미친 것으로 판단된다. Moreno et al. (2014)은 승객의 수와 호흡활동에 의해 CO₂의 농도가 높아진다는 결과를 보였다. Kwon et al. (2008)은 승객수와 CO₂의 상관관계를 보였는데, 지하철 한 칸의 이용객이 285명이 넘으면 대기질 권고기준인 3500 ppm을 초과할 것이라고 예상하였다. 이러한 연구결과에 의하면 CO₂는 지하철 운행시간 동안 승객들의 호흡이 직접적인 영향을 미친 것으로 판단된다.

3. 4 외기 농도 변화에 따른 영향

그림 5는 지하역사 내부와 대기오염자동측정망에서 측정된 외기 농도 자료의 연평균 값을 비교한 결과이다. 지난 5년 동안 농도 변화 추세는 외기의 변화와 지하역사 내부의 변화가 비슷하지만 외기보다는 지하역사 내부에서 측정된 결과의 변화 폭이 보다 작은 것을 확인할 수 있었다. 또한, 모든 역사에서 CO와 NO₂ 외기 농도보다 지하역사의 평균농도가 더 높은 것으로 나타났다. 남포역의 경우, 지하역사의 오염물질 농도 (CO: 464±32 ppb, NO₂: 37±3 ppb)와 광복동에서 측정된 대기오염자동측정망 농도 (CO: 439±36 ppb, NO₂: 23±3 ppb)의 차이가 각각 24 ppb, 13 ppb로 가장 작았다. 그러나 서면역과 사상역의 경우, 전포동과 학장동의 평균 농도 값과의 차이는 CO는 116~186 ppb, NO₂는 14~20 ppb로 남포역에 비해 상대적으로 큰 차이를 보였다. 서면역은 환승역으로 1호선과 2호선이 함께 운행되기 때문에 열차의 운행 빈도가 높고 승객의 유입도 많다. 또한 사상역의 경우 학장동의 대기오염자동측정망의 위치가 사상 공업단지 내 위치하고, 사상역과의 거리는 대략 1800 m 정도로 전포동 (390 m)과 남포동 (450 m)에 비해 상대적으로 멀리 떨어져 있기 때문에 이와 같은 결과를 나타내는 것으로 판단된다. Lee et al. (2014)은 전동차가 지상을 운행할 때와 지하를 운행할 때의 농도를 비교하였는데 CO 농도는 지상구간보다 지하구간에서의 농도가 1.2배 컸으며, 이와 반대로 NO₂는 지상구간의 농도가 더 큰 것으로 나왔다. 이는 지상구간에서 질소산화물의 광화학 반응에 의한 결과로 판단할 수 있다. 또한 NO₂가 객실 내부에서 실내공기질 기준치를 초과하는 경향을 보여 추가적인 조사를 해본 결과 전동차가 운행되면서 NO와 NO₂가 발생하는 것으로 추정했다. Park et al. (2008)은 지하철 환기장치의 CO 농도를 모니터링하여 평균 1175 ppm의 결과를 보였는데 이는 환기 최적 농도 (1000 ppm)을 훨씬 초과한 것으로, 열차 내부에 공기가 충분히 공급되지 못한다는 것을 알 수 있다. 이는 결국, CO와 NO₂ 두 물질 모두 일반적으로 지하 역사 내 발생원이 없다고 알려져 있지만 지하 역사 내 발생원이 존재할 가능성이 있으며, 지하역사의 구조상 외부에서 유입된 오염물질들이 환기 등의 방법을 통해 외부로 배출되기 어렵고, 지상에 비해 공기의 희석이 어렵기 때문으로 볼 수 있다 (Lee et al., 2014).

Fig. 5.

Comparison of distribution of CO and NO2 levels on indoor and outdoor of subway systems from 2015 to 2019.

추가적으로, 외부 대기오염물질이 지하역사 내부 실내공기질에 미치는 영향을 집중적으로 분석하기 위하여 외부의 대기오염자동측정과 지하역사에서 얻어진 자료를 이용하여 상관관계를 도출하였다 (그림 6). 그 결과 CO의 결정계수는 0.12부터 0.41 사이의 범위를 나타내어 NO₂의 결정계수 범위인 0.23부터 0.48보다 상대적으로 작은 값을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 또한, Son et al. (2020)은 부산 지하역사와 외기의 PM 농도 상관관계를 비교하였는데 동일 역사에서 동일 기간 동안 측정된 PM₁₀의 결정계수의 범위는 0.39부터 0.50의 범위를 나타냈고, PM_2.5는 0.39부터 0.69의 범위로 나타났다. 이 결과와 비교해 볼 때, CO와 NO₂가 PM_2.5와 PM₁₀에 비해 외기와의 상관성이 더 적은 것으로 나타났다. 따라서 이들 물질이 외기뿐만 아니라 구조물이나 상가 등 다른 발생원 및 환경적 요인에 의한 것일수도 있으므로 외부의 차량에 의해 영향을 받는다고 단정 지을 수 없다는 것을 나타낸다 (Namgung et al., 2016).

Fig. 6.

Scatter plots of CO and NO2 between AQMSs and underground subway stations by using hourly average values.

4. 결 론

본 연구에서는 부산 지하철 내 가스상 오염물질의 농도를 바탕으로 시공간적 거동 특성을 평가하기 위하여 2014년부터 2019년까지 6년간 부산 지하철 내에서 측정된 CO₂, CO 및 NO₂의 농도 변화를 분석하였다. 추가적으로, 지하철 내 실내공기질과 외부 공기질 사이의 상관성을 분석하기 위하여 대상 역사 주변의 대기오염자동측정망자료 자료를 활용하여 추가적인 비교분석을 수행하였다. 본 연구의 결과를 종합해서 분석했을 때, 부산 지하역사의 오염물질 농도가 지속적으로 감소했다는 것은 긍정적인 결과로 확인할 수 있다. 하지만 분석자료의 결과를 확인했을 때, 거의 모든 역사 내부의 승강장과 대합실의 CO₂, CO 및 NO₂ 농도는 외부 대기질보다 좋지 않다는 것을 알 수 있었고, 외부 대기질에 따라 내부 공기질도 비슷한 경향을 나타낸다는 것을 알 수 있었다. 이는 외부 공기질이 악화되었을 때 승강장과 대합실의 내부 공기질의 기준치를 유지하는 것에는 한계가 있다고 판단된다. 따라서 환기에 의존하는 기존의 공기질 관리방안보다 오염물질의 거동특성을 파악한 실질적인 시스템 운영을 통해 지하역사 내 공기질을 개선하기 위한 대책들이 필요하다.

Acknowledgments

이 논문은 부경대학교 자율창의학술연구비 (2021년)에 의해서 연구되었음.

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