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ISSN : 1225-4517(Print)
ISSN : 2287-3503(Online)
Journal of Environmental Science International Vol.28 No.7 pp.581-594
DOI : https://doi.org/10.5322/JESI.2019.28.7.581

Characteristics of PM10 and PM2.5 Concentrations at Subway Stations in Busan for 3 years (2015~2017)

Byung-Il Jeon*
Department of Environmental Engineering, Silla University, Busan 46958, Korea
Corresponding author: Byung-Il Jeon, Department of Environmental Engineering, Silla University, Busan 46958, Korea Phone : +82-51-999-5056 E-mail : bijeon@silla.ac.kr
07/05/2019 27/05/2019 12/06/2019

Abstract


This research investigated the characteristics of PM10 and PM2.5 concentrations at the main subway stations in Busan. Annual mean PM10 concentrations at the Seomyeon 1- waiting room and platform were 51.3 μg/m3 and 47.5 μg/m3, respectively, and the annual PM2.5 concentration at the Seomyeon 1- platform was 28.8 μg/m3. PM2.5/PM10 ratio at Seomyeon 1-platform and Dongnae station were 0.58 and 0.53, respectively. Diurnal variation of PM10 concentration at subway stations in Busan was categorized into four types, depending on the number of peaks and the times at which the peaks occurred. Unlike the areas outside of the subway stations which reported maximum PM10 concentration mostly in spring across the entire locations, the interiors of the subway stations reported the maximum PM10 concentration in spring, winter, and even summer, depending on their location. PM10 concentration was highest on Saturday and lowest on Sunday. The numbers of days when PM10 concentration exceeded 100 μg/m3 and 80 μg/m3 per day over the last three years at the subway stations in Busan were 36 and 239, respectively. The findings of this research are expected to enhace the understanding of the fine particle characteristics at subway stations in Busan and be useful for developing a strategy for controlling urban indoor air quality.



부산지역 지하역사의 최근 3년간(2015~2017년) PM10과 PM2.5 농도 특성

전 병일*
신라대학교 에너지화학공학부

    1. 서 론

    부산의 대표적인 대중교통수단인 지하철은 4개 노선 115.8 km 가 설치되어 총 114개역이 운영되고 있으며, 지 속적으로 노선이 확장되고 있다. 궤도 위를 달리는 지하 철은 일반 도로 위의 자동차와는 달리 정확하고 빠르고 안전한 교통수단으로 많은 장점을 가지고 있어 대중교통 에서 차지하는 비중이 점점 증가하고 있다(Yim et al., 2014). 1985년 7월 범내골에서 범어사까지 1호선 구간 이 최초로 개통하여 운행을 시작한 부산 지하철은 2016 년 기준으로 1∼4호선의 승차 승객수는 일평균 89만명 에 달한다. 이중 50%에 달하는 44만 8천명은 1호선을 이용한 승객이며, 2호선이 36.1%, 3호선이 10.3%, 4 호선이 3.3%를 차지하고 1호선과 2호선의 환승역인 서면역의 이용객이 일평균 6만 5천여명으로 가장 많다. 1호선이 개통한 1989년부터 2016년까지 부산 도시철도 의 승차기준 승객수는 9만 9천명에서 거의 10배 수준으 로 증가하였으며, 개통 초기 5∼6%대에 불과했던 수송 분담율이 2016년 현재 18%을 돌파하였고 점차 증가 추 세에 있다(Busan Transportation Corporation, 2017).

    지하역사는 시설 확충과 지하철 운행거리 및 운행 횟 수가 증가함으로서 어린이와 노약자를 비롯한 불특정 사 람들이 자주 이용하는 대표적인 다중이용시설이다. 이러 한 지하역사는 폐쇄된 공간환경으로 인한 고농도의 미세 먼지는 인간의 건강에 악영향을 미쳐 심장혈관질환, 폐 손 상 그리고 신경퇴행성 질환을 일으킬 수 있다(Campbell, 2004). 특히 터널 내 열차의 운행, 환기를 위한 외기 유 입, 이용자들의 왕래 및 지하에 위치한 점포 등 오염물질 의 발생 및 유입을 예상할 수 있다(Yim et al., 2014).

    지하철 역사에서의 미세먼지 특성에 대한 연구는 서 울 지하철을 대상으로 한 연구가 대부분을 차지한다. Namgung et al.(2016)은 승강장과 대합실이 지하에 위 치한 지하역사와 승강장이 외부로 노출되어 있는 지상역 사에서 외부 공기의 영향을 평가하였다. Yim et al.(2014)은 2008년 1월부터 2012년 12월까지 4년간 지하철 4호선에 위치한 지하역사를 대상으로 대합실, 승 강장, 터널유입부 및 외기에서 1시간 평균농도 자료를 이 용하여 통계적으로 분석하였다. Park et al.(2013)은 지 하철 역사내 PM10의 오염거동을 정량적으로 비교 분석 하기 위해 2010년과 2011년에 걸쳐 4호선 M역에서 4계 절을 대상으로 외기, 승강장, 역사내 터널, 역사간 터널 등에서 측정을 실시하였다. Park et al.(2005)은 지하철 1, 2, 4, 5호선을 대상으로 2005년 1월중 3일간 호선별 로 1회씩 일정구간의 객차와 승강장에서 PM10과 PM2.5 를 조사하여 지하철의 운행특성과 장소별로 특성을 비교 평가하였다. Lee et al.(2015)은 지하철 시스템 내 PM의 오염도 및 거동 특성을 평가하기 위해 지하철 4호선 M역 을 선정하여 2010년부터 2013년까지 PM10과 PM2.5를 동시에 측정하여 분석하였다. Lee et al.(2016)은 열차 내부 농도에 영향을 미치는 지하철 터널 내 PM의 오염 도 및 특성을 평가하기 위해 지하철 2호선 본선 구간의 입자상물질 농도 특성 및 미세분진의 오염지도를 개발하 였다. Yu et al.(2015)은 대규모 환승역인 왕십리 역사 내의 4개의 지하철 호선(2호선, 5호선, 중앙선, 분당선) 의 오염현황을 스크린의 개방여부, 유동인구상황, 플랫 폼의 깊이, 주중/주말 특성을 중심으로 평가하였다. Hwang et al.(2017)은 2014년 5월부터 2015년 9월까 지 지하철 역사 면적, 건설 연도, 역사 깊이, 승객수와 같 은 지하역사 특성을 고찰하기 위해 지하철 100개 역사를 선정하여 미세먼지를 측정하였다. Son et al.(2013)은 지 하철 승강장 스크린 도어의 설치가 PM10 농도에 미치는 영향과 터널 내부의 PM10 농도에 환기 시스템의 효과를 조사 평가하였다. Kim et al.(2008)은 2004년 11월부터 2005년 2월까지 지하철 1∼4호선의 8개 지상역사와 14 개 지하역사의 대합실, 매표소, 휴게실, 승강장, 객차 내 에서 PM10과 PM2.5를 측정하여 공간적인 분포를 조사하 였다.

    부산 지하철 역사에서의 미세먼지 연구는 매우 미약 하나, Kim et al.(2009)은 2008년 10월부터 2009년 9월 까지 1년간의 부산도시철도 3호선 역사 중 가장 이용승 객이 많은 수영역, 연산역, 미남역, 덕천역의 대합실에 구 축 운영 중인 실내공기질측정망과 도로변 측정소 2개소 (온천동, 초량동), 도시대기오염측정소 2개소(전포동, 연 산동)을 선정하여 대기오염도 수준을 비교 평가한 바 있 다. 그리고 Kwak et al.(2011)은 도시철도 1, 2, 3, 4호선 전동차 객실을 대상으로 춘계와 하계, 동계로 구분하여 실내공기질 측정방법에 따라 혼잡시와 평상시로 구분하 여 시료를 채취하여 특성을 평가하였다.

    그러나 현재 측정중인 모든 부산지역 지하역사에서 몇 년간의 미세먼지 농도 자료를 이용하여 지하역사의 시간적 공간적 미세먼지 특성을 고찰한 연구는 아직 없 는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 2015년부터 2017년 까지 3년간 부산지역 주요 지하역사의 PM10과 PM2.5 농 도자료를 이용하여 미세먼지의 특성을 체계적으로 고찰 하였다. 본 연구 결과는 유동인구가 많은 지하역사 내의 실내공기질을 적정하게 유지하여 시민의 건강보호 및 환 경상의 위해를 예방할 수 있고, 또한 효율적인 실내공기 질 관리를 위해 과학적인 측정 자료를 근거로 시정정책 방향 수립, 시민들의 환경관심 유도와 알권리를 충족할 수 있을 것이다.

    2. 재료 및 방법

    부산지역 지하역사의 미세먼지 농도 특성을 고찰하기 위해서 Fig. 1과 같이 부산도시철도 1호선∼4호선의 서 면역, 연산역, 동래역, 수영역, 미남역, 사상역, 덕천역, 남포역에서 2015년부터 2017년까지 3년간 측정된 PM10과 PM2.5 농도 자료를 이용하였다. 미세먼지는 부 산광역시 보건환경연구원에서 베타선흡수법으로 자동측 정장비를 이용하여 측정되었으며, 정도관리하여 공식적 으로 배포된 자료를 사용하였다. 남포역을 제외한 모든 역은 환승역이며, 서면역은 1호선과 2호선의 대합실과 승강장에서 각각 측정되었으며, 나머지는 모두 대합실에 서 측정된 자료이다. 지하역사의 청소, 보수 등 시설관리 등으로 실내공기질 평가에 영향을 줄 수 있는 심야시간 대를 제외한 0500 LST부터 2400 LST까지(20시간)의 자료를 사용하였다. 또한 지하역사의 미세먼지를 실외의 미세먼지와 비교하기 위해서 각 지하역사와 가장 근접한 부산광역시 보건환경연구원의 대기오염자동측정망 자료 를 사용하였다. 서면역과는 전포동, 덕천역과는 덕천동, 동래역과는 온천동, 남포역과는 광복동 자료를 동일한 기간(2015년∼2017년)과 시간(0500∼2400 LST) 자료 를 사용하여 비교하였다.

    부산도시철도의 각 노선별 특징을 살펴보면, 1호선은 1985년 7월 범내골에서 범어사까지의 구간을 최초로 개 통하여 운행을 시작하였으며, 단계적인 개통 이후 2017 년 4월 신평역에서 다대포해수욕장에 이르는 구간이 연 장 개통하여 현재의 모습을 갖추게 되었다. 출퇴근 시간 에 4분 간격으로 운행되어 수도권 전철을 제외한 도시철 도 중 가장 배차간격이 조밀한 노선으로 총 연장 40.5 km 구간이며, 모두 40개역이 운영 중이다. 2호선은 1999년 6월에 서면에서 호포까지 개통하여 운행을 시작하였으 며, 단계적인 개통 이후 현재 해운대 장산역에서 양산역 까지 운행하며, 총 연장 45.2 km 구간이며 모두 43개역이 운영 중이다. 3호선은 2005년 11월 개통하였으며, 대저 역에서 수영역까지의 노선이며, 다른 노선에 비해 직접 개찰구로 승·하차하는 승객수는 적지만 환승연계로 인한 수요가 많고 2호선의 급행역할을 하기 때문에 꽤 혼잡하 며, 총 연장 18.1 km 구간이며, 모두 17개역이 운영 중이 다. 4호선은 2011년 3월 대한민국 최초로 경전철 형식으 로 건설되었으며, 기장군 안평역에서 미남역까지 운행되 며, 미남역에서는 3호선과 동래역에서는 1호선과 환승이 가능하다. 전동차가 무인운영방식으로 운용되므로 운전 실이 없으며 승객이 전동차의 앞·뒤를 자유롭게 볼 수 있 고, 영업 총연장 12.0 km 구간이며, 모두 14개역이 운영 중이다.

    3. 결과 및 고찰

    Table 1은 부산지역 주요 지하역사에서 2015년부터 2017년까지 3년간 측정한 PM10과 PM2.5의 연평균 농도 를 나타낸 것이다. 가장 높은 PM10 농도를 나타낸 지점 은 서면 1호선의 승강장으로 51.3 μg/ m3 이었으며, 두 번 째는 서면 1호선의 대합실로 49.6 μg/ m3 이었고, 다음으 로 남포동이 47.5 μg/ m3 이었다. 가장 낮은 농도를 보인 지점은 사상역으로 34.4 μg/ m3 로 가장 높은 지점과 16.9 μg/ m3 의 차이를 보였다. 최근 3년간의 농도추이를 보면, 동래역은 거의 변화가 없었으며, 수영역과 연산역은 2016년에 가장 높았으나, 그 외의 모든 지점은 2015년 부터 최근(2017년)까지 점차 농도가 낮아지는 추세를 보 였다. 특히 덕천역과 미남역의 감소폭이 각각 13.8 μg/ m3 과 10.6 μg/ m3 으로 가장 컸으며, 전반적으로 부산시 지하 역사의 PM10 농도는 매년 감소하고 있는 것으로 나타났 다. 최근 3년간의 PM2.5 농도 자료가 있는 동래역, 서면 1 호선 대합실과 승강장의 농도를 보면, PM10 농도와는 달 리 서면 1호선 대합실이 28.8 μg/ m3 로 가장 높았으며, 다 음이 서면 1호선 승강장이 27.2 μg/ m3 이었으며, 동래역 은 19.0 μg/ m3 이었다. 2017년만의 자료를 보면, 남포동 이 26.4 μg/ m3 로 서면 1호선 대합실과 비슷한 농도를 나 타내었다. 3년간의 변화추세를 보면, 동래역은 최근까지 소폭이나마 농도가 증가하고 있으며, 서면 1호선 대합실 과 승강장은 뚜렷한 추세를 보여주지 못했다. 지하역사 에서 미세먼지 농도에 영향을 미칠 수 있는 오염원으로 는 ➀ 지하철 이용 승객들의 이동 중 발생하는 미세먼지, ➁ 열차의 운행에서 배출되는 미세먼지, 그리고 ➂ 환기 를 위해 도입되는 외부 공기 속에 포함된 미세먼지 등이 대표적이라고 할 수 있다(Choi et al., 2004).

    Fig. 2는 부산지역 주요 지하역사에서 2015년부터 2017년까지 3년간 측정한 연평균 PM2.5/PM10 농도비를 나타낸 것이다. PM2.5/PM10 비는 PM10 중에 포함된 PM2.5의 기여율을 알아본다는 의미에서 매우 가치가 있 다고 판단된다. 서면 1호선 대합실이 가장 큰 0.58을 나 타내었으며, 동래역과 서면 1호선 승강장이 0.53이었으 며, 동래역과 서면 1호선 대합실은 매년 농도비가 증가하 는 추세를 보여주고 있다. 홍콩의 지하철의 PM2.5/PM10 비는 0.72∼0.78로 비교적 높았으며, 지하철에서 발생되 는 PM2.5의 주요 발생원은 외부대기에서 유입되는 자동 차 연소 배출물로 이동거리를 통해 지하철 내부로 투입 되어 무거운 입자는 도중에 낙하되거나 제거되고 상대적 으로 입자크기가 작은 입자가 지하까지 유입되어 PM2.5 의 비율이 높은 원인 중이 하나라고 하였다(Chan et al., 2002). 지하철로 유입되는 PM의 근원은 지하철 입구와 출구 그리고 환기장치로서 외부공기가 들어오는 환기장 치의 위치의 적정성, 정화장치(필터 등)의 성능을 평가할 필요가 있다(Park et al. 2005). 타이완의 지상과 지하 승 강장에서 PM2.5/PM10비는 각각 0.75와 0.67∼0.78이었 으며(Cheng et al., 2008), 미국 LA의 지상과 지하 승강 장에서의 비는 0.76과 0.73이었다(Kam et al., 2011). Park and Ha(2008)는 서울 지하철 지상과 지하의 승강 장에서의 비는 0.94와 0.81이었고, Kim et al.(2008)은 지상과 지하의 비가 0.39와 0.36로 상당히 다른 결과를 보여 주었는데, 이런 차이는 지하철 시스템의 다른 환경 적인 조건에 의한 것이라고 하였다. 부산 지역의 지하역 사의 PM2.5/PM10 비는 부산지역 대기오염자동측정망에 서 측정된 실외의 2011년과 2012년 평균 PM2.5/PM10 비인 0.57∼0.70에 비해 다소 낮은 값을 나타내었다 (Jeon and Hwang, 2014).

    Fig. 3은 부산지역 지하역사에서 가장 유동인구가 많 은 서면 1호선과 2호선의 대합실과 승강장에서 PM10와 PM2.5의 상관관계를 나타내었다. 서면 1, 2호선 대합실 은 개찰구가 있는 지하 1층에 위치하여 승·하차하는 승 객과 서면 지하상가를 이용하는 쇼핑객들이 이동하는 공 간이라고 할 수 있다. 서면 1호선 승강장은 지하 2층, 서 면 2호선 승강장은 지하 3층에 승객이 객실에서 승·하차 하는 곳에 위치하고 있다. 두 승강장은 스크린 도어가 모 두 설치되어 있기 때문에 전동차에 의한 영향은 미미할 것으로 보인다. 그림 3-(a)(b)는 서면 1호선 대합실과 승 강장에서 측정한 PM10와 PM2.5의 상관관계를 나타낸 것 이다. 1호선의 대합실과 승강장 사이의 PM10과 PM2.5의 상관계수는 각각 0.88와 0.81이었고, 그림 3-(c)(d)의 2 호선 대합실과 승강장 사이의 PM10과 PM2.5의 상관계수 는 각각 0.88과 0.91이었다. 2호선의 대합실과 승강장의 PM2.5는 2017년 1년간의 자료로 한계가 있지만 0.91의 높은 값을 나타내었다.

    Table 1에서 서면 1호선과 2호선의 승강장의 PM10 농도가 각각 51.3 μg/ m3 과 41.4 μg/ m3 으로 1호선 승강장 이 2호선보다 9.9 μg/ m3 높았는데, 이는 1호선 승강장이 지하 2층에, 2호선 승강장이 지하 3층에 위치하여 지하 철 이용객수의 차이 외에도 측정소 깊이에 따른 지상의 외부 배출원 도달이 상대적으로 작아서 낮은 농도를 보 였을 가능성도 있다(Yu et al., 2015).

    Fig. 4는 부산지역 주요 지하역사에서 2015년부터 2017년까지 3년간 측정한 PM10 농도의 일변화를 나타 낸 것이다. 11개 지점에서 측정한 자료를 peak가 나타내 는 개수와 시점을 중심으로 분석한 결과, 다음과 같이 네 개의 type으로 분류할 수 있다. 먼저, 아침에 peak가 나 타난 다음 지속적으로 농도가 감소하는 type(Fig. 4a), 두 번째로 하루 중 오전과 저녁에 두 번의 peak가 나타나 는 type(Fig. 4b), 세 번째로 하루 중 오전과 오후 그리고 저녁에 세 번의 peak가 나타나는 type(Fig. 4c), 마지막 으로 오전부터 저녁까지 특별한 peak 없이 톱니바퀴같이 들쑥날쑥하게 고농도를 유지하는 type(Fig. 4d)으로 나 눌 수 있다.

    첫 번째 type(Fig. 4a)은 연산역과 미남역 그리고 서 면 2호선 승강장에서 나타났는데, 서면 2호선 승강장의 경우, 0700 LST에 54.0 μg/ m3 으로 최대 농도를 나타낸 후 지속적으로 감소하여 오전과 오후 중에 45 μg/ m3 전후 의 농도를 유지하다가 1900 LST 이후 급격히 농도가 감 소하였다. 미남역과 연산역 역시 0800 LST와 0900 LST에 각각 41.4 μg/ m3 와 37.8 μg/ m3 를 나타낸 후 지속 적으로 감소하는 형태를 보이고 있다. 이 type에 해당하 는 연산역, 미남역, 서면 2호선 승강장은 출근 시간대에 환승하는 이용객으로 인해 PM10 농도가 급작스럽게 증 가했다고 판단되며, 퇴근시간대에도 약간의 농도 증가가 있지만 미미한 상태이었다. 두 번째 type(Fig. 4b)은 동 래역과 덕천역 그리고 서면 1호선 대합실에서 나타났는 데, 서면 1호선 대합실의 경우, 출근 시간대인 0800 LST 와 퇴근 시간대인 1900 LST에 각각 55.1 μg/ m3 와 62.2 μg/ m3 를 나타내 전형적인 도시형 형태를 보여주고 있다. 덕천역은 0800∼1000 LST와 2000 LST에, 동래역은 0900 LST와 1900 LST에 두 번의 peak를 보여주고 있 다. 이 type이 나타난 동래역, 덕천역, 서면 1호선 대합실 은 출·퇴근 시간대의 이용객이 뚜렷하다는 것을 나타내 고 있다. 다른 지점에서도 출·퇴근 시간대에 농도의 증가 가 있지만 이 type에서 탁월하게 나타나고 있다.

    세 번째 type(Fig. 4c)은 사상역과 수영역 그리고 서 면 2호선 대합실에서 나타났는데, 서면 2호선 대합실의 경우, 0700 LST에 49.9 μg/ m3, 1100 LST에 53.5 μg/ m3 그리고 1900 LST에 50.7 μg/ m3 로 세 번의 peak를 나타내고 있다. 사상역은 0800 LST, 1400 LST, 1900∼2000 LST에 peak를 나타내었고, 수영역은 1000 LST경과 1600 LST경 그리고 2100∼2200 LST에 peak를 나타내었다. 이 type은 출·퇴근 시간대 외에 한번 더 peak가 나타나는 것으로 출·퇴근 승객 외에 지하상가 또는 지상상가 그리고 실외 버스터미널을 이용하는 사람 들로 인한 영향으로 판단된다. 특히 사상역은 부산외곽 으로 가는 시외버스를 이용하는 승객과 터미널 주변의 쇼핑몰을 이용하는 사람들에 의한 영향으로 판단된다.

    네 번째 type(Fig. 4d)은 남포역과 서면 1호선 승강장 에서 나타났는데, 두 지하역사 모두 0900 LST부터 2100 LST까지 50 μg/ m3 이상의 농도가 상승과 감소를 5∼6 회 정도 나타나고 있다. 이 type은 사람들이 활동하는 출 근시간부터 퇴근시간에 걸쳐 지속적으로 고농도를 유지 하는 형태로서 남포역과 서면 1호선 승강장은 하루 종일 사람들이 붐빈다고 할 수 있다. 특히 남포역은 남포지하 상가와 대합실을 공유하고 있고, 서면 1호선 승강장은 부산지역 지하역사 중에서 가장 승하차 인원이 많은 역 이다.

    Fig. 5는 부산지역 도시철도 주요 지하역사의 2017년 도 이용 승객수(승·하차)의 일변화를 나타낸 것이다 (Busan Transportation Corporation, 2018). 대부분의 지하 역사에서 출근 시간인 0800∼1000 LST와 퇴근 시 간인 1800∼1900 LST에 이용객이 높은 double peak를 보여주었고, 퇴근 시간의 이용객이 출근 시간보다 높았 다. 다만, 서면 1호선의 이용객이 약 3천 1백만명/년으로 다른 지하역사에 비해 월등히 높은 이용률을 보였으며, 다음으로 연산역(약 2천 3백만명/년)과 서면 2호선(약 2 천 1백만명/년)이었다. Yu et al.(2015)은 서울시 대규모 환승역의 호선별 PM2.5에 대한 오염 연구에서 지하에 위 치한 차단형인 2호선과 5호선에서 유동인구가 많은 시간 에 미세먼지 농도가 높았는데, 이는 지하철을 이용하는 사람들의 옷에 묻어있던 먼지나, 보행 중 바닥 등에 쌓여 있는 먼지를 발생시켜서 농도가 높게 나타났다고 하였다. 그러나 개방형인 중앙선과 분당선에서는 오히려 유동인 구가 적은 이른 오후시간에 미세먼지 농도가 높게 나타 났는데, 개방형 역사는 유동인구의 영향보다는 외부 미 세먼지의 농도가 더 크게 작용하는 것으로 보인다고 하 였다.

    Table 2는 부산지역 주요 지하역사에서 2015년부터 2017년까지 3년간 측정한 PM10과 PM2.5 농도의 계절변 화를 나타낸 것이다. 먼저, 봄철에 가장 높은 PM10 농도 를 나타낸 지점은 남포역, 서면 1호선 대합실과 승강장, 서면 2호선 대합실과 승강장 그리고 수영역이었다. 겨 울철에 가장 높은 농도를 나타낸 지점은 동래역, 사상역 그리고 연산역이었고, 여름철에 가장 높은 농도 나타낸 지점이 덕천역과 미남역이었다. 실외의 경우 대부분이 봄철에 가장 높은 농도를 보이는 형태와는 특이한 결과를 보여주었다. 서면 1호선과 2호선의 대합실과 승강장에서 의 겨울철이 두 번째로 높은 농도를 나타내었고, 남포역 과 수영역은 여름철, 덕천역은 가을철, 동래역, 미남역, 사상역, 연산역은 봄철에 두 번째 높은 농도를 보였다. 가 장 낮은 농도를 보인 계절은 남포역과 덕천역이 겨울철, 서면 2호선 승강장이 여름철인 것을 제외하고 다른 모든 지점이 가을철에 나타났다. 실외에서는 가장 낮은 농도 를 보이는 계절이 여름철인 것을 감안한다면 매우 특이 한 현상이다.

    그리고 PM2.5 농도를 보면, 동래역은 겨울철, 서면 1 호선의 대합실과 승강장은 봄철에 가장 높은 농도를 나 타내었고, 세 지점 모두 가을철에 가장 낮은 농도를 나타 내었다. 가장 높은 계절의 농도와 가장 낮은 계절의 PM10 농도 차이는 서면 1호선과 2호선의 승강장이 각각 15.5 μg/ m3 와 14.5 μg/ m3 로 가장 큰 차이를 보였고, 남포역과 덕천역이 각각 9.9 μg/ m3 와 8.3 μg/ m3 로 낮은 값을 보였 다. PM2.5 농도 차이는 서면 1호선 대합실과 승강장이 9 μg/ m3 이상의 차이를 동래역이 4.4 μg/ m3 를 보였다.

    Table 3은 부산지역 주요 지하역사에서 2015년부터 2017년까지 3년간 측정한 PM10과 PM2.5 농도의 요일 별 변화를 나타낸 것이다. 먼저 PM10 농도의 경우, 주중 인 목요일에 가장 높은 농도를 보인 동래역, 서면 1호선 승강장, 수영역, 연산역을 제외하고 모두 주말인 토요일 에 가장 높은 농도를 보였다. 가장 낮은 농도를 보인 요일 은 예상대로 유동인구가 가장 작은 일요일에 나타났다. PM2.5의 경우, 동래역은 토요일, 서면 1호선 대합실과 승 강장은 주중인 금요일에 가장 높은 농도를 보였다. PM10 의 최대농도와 최저농도의 차이가 가장 크게 나타난 지 점은 서면 1호선 대합실과 서면 2호선 대합실로 5.3 μg/ m3 이었으며, 다음이 덕천역으로 5.2 μg/ m3 이었고 가장 낮은 차이를 보인 지점은 사상역과 수영역으로 2.7 μg/ m3 이었다. PM2.5의 경우는 서면 1호선 대합실이 3.1 μg/ m3 로 가장 큰 차이를 보였고, 사상역이 0.9 μg/ m3 로 가장 작았다. Jeon and Hwang(2014)은 부산 지역 실외 미세 먼지의 주중/주말 특성 연구에서 PM10은 수요일과 목요 일에 높은 농도를, 일요일에 가장 낮은 농도를 보였고, PM2.5는 대체로 수요일에 높은 농도를, 일요일에 낮은 농 도를 보여, 최대농도 발생일에서 차이를 보였다. Yu et al.(2015)도 유동인구가 많은 주중의 농도가 주말의 농 도보다 20.3% 증가하였고, 토요일은 평일 평균의 76.1%, 일요일은 54.3%를 나타내며, 따라서 주중 지하 철 이용객 증가가 PM2.5 농도 상승의 원인이라고 하였다.

    Fig. 6은 부산지역 주요역사의 2017년 승·하차 승객 수의 요일별 변화를 나타낸 것이다. 토요일에 가장 높은 승·하차 승객수를 나타낸 지점은 남포, 사상, 서면 2호선 이었고, 금요일은 덕천, 동래, 미남, 서면 1호선, 수영, 연 산역이었다. 따라서 토요일에 최대농도를 나타낸 것은 지하철을 이용하는 승객수 즉 유동인구가 미세먼지 농도 에 미치는 영향이 있는 것으로 판단된다.

    Fig. 7은 부산 서면 1호선 대합실에서 2015년부터 2017년까지 3년간 측정한 PM10과 PM2.5 농도를 주중(월 요일∼금요일)과 토요일 그리고 일요일로 나누어 농도의 일변화를 나타낸 것이다. 토요일의 PM10과 PM2.5 농도는 주중에 비하여 0800∼1100 LST는 낮으나 1100∼1800∼LST는 주중에 비해 높은 농도를 나타내었다. 특히 1400∼1800 LST의 PM10는 4.1∼5.8 μg/ m3 이나 높은 농도 를 나타내었다. 이는 Fig. 6의 요일별 승하차 승객수 현 황과 같이 토요일의 유동인구와 미세먼지 사이에는 밀접 한 관계가 있다는 것을 나타내고 있다. 또한 일요일의 경 우는 주중과 토요일에 비해 월등히 낮은 농도를 보여 위 의 사실을 뒷받침하고 있다. 그리고 PM2.5의 경우, 주중 의 1000 LST 피크가 토요일과 일요일은 2시간 늦은 1200 LST경에 피크를 나타내고 있는 것이 특징적이다. PM10의 경우도 0800 LST 피크 후 토요일과 일요일은 1200 LST경에 또 한번의 피크를 나타내고 있다.

    Table 4는 부산지역 주요 지하역사와 인근의 지상 대 기질측정소에서 2015년부터 2017년까지 3년간 측정한 PM10과 PM2.5의 상관계수를 나타낸 것이다. PM10의 경 우, 서면 1호선 및 2호선 대합실과 전포동사이에 0.78로 가장 높은 상관을 보였으며, 다음으로 동래역과 온천동 이 0.77, 남포역과 광복동이 0.74, 덕천역과 덕천동이 0.60, 연산역과 연산동사이가 0.58으로 비교적 낮은 값 을 보였다. PM2.5의 경우, 동래역과 온천동사이가 0.81, 서면1호선 대합실과 전포동이 0.86으로 비교적 높은 상 관을 나타내었다. 지하역사와 외기의 미세먼지 농도를 비교하면 PM10의 경우, 남포동은 광복동의 1.04배, 덕천 역은 덕천동의 1.08배, 서면 1호선 대합실은 전포동의 1.10배로 지하역사가 외기보다 높은 농도를 보였다. PM2.5의 경우, 서면 1호선 대합실이 전포동의 1.06배로 실외보다 높았으나, 도로변의 온천동은 동래역에 비해 PM10은 1.46배, PM2.5는 1.34배로 외기의 농도가 높은 결과를 보였다. 실내 PM10 농도는 외기의 PM10 농도가 증가할 때 동시에 증가하고 지하철의 PM10은 주변의 외 기 PM 농도에 상당히 영향을 받는다고 하였다(Branis, 2006; Cheng et al., 2008; Kim et al., 2012). 더욱이 Cheng et al.(2008)은 실내와 실외의 PM10 농도는 양의 상관(0.53∼0.91)이 있음을 제시하였고, Jung et al. (2010)은 승강장에서의 PM10 농도는 외기의 농도가 증 가할 때 일반적으로 증가한다고 하였다. Aarnio et al. (2005)는 지하철의 미세먼지 입자수 농도와 크기분포는 도시배경지점에서 측정한 것과 매우 비슷하여, 지하역사 의 먼지의 원인은 도로교통이라고 하였고, Branis(2006) 는 외기의 에어로졸 농도는 환기계통, 지하역사 에스컬레 이터 터널과 복도를 통해서 지하로 수송되어 지하 대기질 에 영향을 미친다고 하였다.

    Table 5는 부산지역 주요 지하역사에서 2015년부터 2017년까지 3년간 측정한 일평균 (0500∼2400 LST) PM10 농도가 80 μg/ m3 과 100 μg/ m3 을 초과한 일수를 나 타낸 것이다. 80 μg/ m3 과 100 μg/ m3 을 선정한 이유는 비 교적 고농도를 나타내는 지표라고 할 수 있고, 100 μg/ m3 은 대기환경기준으로 이용하고 있다. 부산의 지하역사에 서 지난 3년간 100 μg/ m3 를 초과한 횟수는 총 36일이었 고, 이중에서 가장 높은 발생빈도를 보인 지점은 덕천역 으로 16일이었고, 다음으로 미남역과 서면 1호선 승강장 이 6일이었으며, 그 외 역사는 미미한 발생을 보여주었 다. 80 μg/ m3 를 초과한 일수는 총 239일이었으며, 덕천 역이 61일로 가장 높았으며, 다음으로 서면 1호선 승강 장이 54일, 서면 1호선 대합실이 34일로 그 다음이었다. 연도별로 100 μg/ m3 를 초과일수는 2015년이 24일, 2016 년이 11일, 2017년 1일로 점점 감소하였고, 80 μg/ m3 를 초과한 경우도 2015년 125일, 2016년 94일, 2017년 20일로 점점 감소하는 경향을 보였다. 따라서 최근 부산 시 지하역사의 미세먼지의 환경은 개선되고 있다는 것을 보여주고 있다.

    Table 6은 부산지역 주요 지하역사에서 2015년부터 2017년까지 3년간 측정한 PM2.5 농도가 50 μg/ m3 과 70 μg/ m3 을 초과한 일수를 나타낸 것이다. 70 μg/ m3 을 초과 한 일수는 총 3일로 서면 1호선 승강장에서 2016년과 2017년에 1일씩 발생하였다. 50 μg/ m3 을 초과한 일수는 총 73일로 서면1호선 대합실과 승강장에 35일 이상이 발생하였다. PM10 농도와는 다르게 70 μg/ m3 이상의 고 농도 발생이 2015년에 없었는데 2017년에 2일이 나타 난 것이 다소 특징적이다.

    4. 요약 및 결론

    2015년부터 2017년까지 3년간 부산지역 주요 지하 역사의 PM10과 PM2.5 농도자료를 이용하여 미세먼지의 특성을 체계적으로 고찰한 결과, 다음과 같은 결론을 얻 었다.

    • 1) 연평균 PM10 농도는 서면 1호선 승강장(51.3 μg/ m3 ), 서면 1호선 대합실(49.6 μg/ m3 ), 남포동(47.5 μg/ m3 ) 순이었으며 사상역(34.4 μg/ m3 )이 가장 낮았고, 전반적 으로 PM10 농도는 매년 감소하는 경향을 보였다. 연평균 PM2.5 농도는 서면 1호선 대합실(28.8 μg/ m3 )이 가장 높 았고 동래역(19.0 μg/ m3 ) 가장 낮았다.

    • 2) 연평균 PM2.5/PM10 농도비는 서면 1호선 대합실 (0.58)이 높았고, 동래역과 서면 1호선 승강장이 0.53이 었고, 동래역과 서면 1호선 대합실은 매년 농도비가 증가 하는 추세를 보여주었다. PM10 농도의 일변화를 peak가 나타내는 개수와 시점을 중심으로 분석한 결과, 네 개의 type으로 분류할 수 있었고, 이는 지하역사 이용객수의 일변화와 지하역사 주변환경의 영향으로 판단된다.

    • 3) PM10 농도의 계절변화를 보면, 실외의 경우 대부 분 봄철에 가장 높은 농도를 보이는 형태와는 달리, 지하 역사는 봄철(남포역, 서면 1호선 대합실과 승강장, 서면 2호선 대합실과 승강장, 수영역), 겨울철(동래역, 사상역, 연산역), 심지어 여름철(덕천역, 미남역)에 가장 높은 농 도를 보이기도 하였다. 또한 실외는 여름철이 가장 낮은 농도를 보였으나 지하역사는 가을철에 가장 낮은 농도를 보인 지점이 많이 나타났다.

    • 4) 요일별 PM10 농도를 보면, 목요일에 가장 높은 농 도를 보인 동래역, 서면 1호선 승강장, 수영역, 연산역을 제외하고 모두 주말인 토요일에 가장 높은 농도를 보였 으며, 가장 낮은 농도를 보인 요일은 예상대로 유동인구 가 가장 작은 일요일에 나타났다. PM2.5의 경우, 동래역 은 토요일, 서면 1호선 대합실과 승강장은 주중인 금요일 에 가장 높은 농도를 나타내었다.

    • 5) 지하역사와 주변 외기의 미세먼지 농도를 비교하 면, PM10의 경우, 남포동은 광복동의 1.04배, 덕천역은 덕천동의 1.08배, 서면 1호선 대합실은 전포동의 1.10배 로 지하역사가 외기보다 높은 농도를 보였고, PM2.5의 경 우, 서면 1호선 대합실이 전포동의 1.06배로 실외보다 높았으나, 도로변의 온천동은 동래역에 비해 PM10은 1.46배, PM2.5는 1.34배로 외기의 농도가 높은 결과를 보였다.

    • 6) 부산의 지하역사에서 지난 3년간 PM10이 100 μg/ m3 를 초과일수는 총 36일이었고, 80 μg/ m3 를 초과일수는 총 239일이었으며, 연도별로 초과일수는 감소하는 경향 을 보였다. PM2.5 경우, 70 μg/ m3 을 초과한 일수는 총 3 일이었으며, 50 μg/ m3 을 초과한 일수는 총 73일로 서면 1 호선 대합실과 승강장에 35일 이상 발생하였다.

    • 7) 향후 본 연구는 유동인구가 많은 지하역사 내의 실 내공기질을 적정하게 유지하여 시민의 건강보호 및 환경 상의 위해를 예방하고, 또한 효율적인 실내공기질 관리 를 위해 과학적인 측정 자료를 근거로 시정정책 방향 수 립, 시민들의 환경관심 유도와 알권리를 충족하는데 통 찰력을 제공할 수 있을 것이다.

    Figure

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    A Map of the Busan metropolitan rail routes and monitoring stations (yellow circle).

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    PM2.5/PM10 concentration ratios Busan subway station for 3 years (2015 2017).

    JESI-28-7-581_F3.gif

    Scattering diagram of PM10 and PM2.5 between Seomyeon 1 line waiting room and platform, and between Seomyeon 2 line waiting room and platform for 3 years (2015 2017).

    JESI-28-7-581_F4.gif

    Diurnal variation of PM10 concentration at Busan subway station for 3 years (2015 2017).

    JESI-28-7-581_F5.gif

    Diurnal variation of the number of boarding/alighting passengers at Busan subway station (2017).

    JESI-28-7-581_F6.gif

    Weekly variation of the number of boarding/alighting passengers at Busan subway station(2017).

    JESI-28-7-581_F7.gif

    Diurnal variation of weekday, Saturday and Sunday for PM10 and PM2.5 at Seomyeon 1 line waiting room

    Table

    Annual mean of PM10 and PM2.5 concentration observed at Busan subway station for 3 years (2015 2017)

    Seasonal mean of PM10 and PM2.5 concentration observed at Busan subway station for 3 years (2015 2017)

    Weekly mean of PM10 and PM2.5 concentration observed at Busan subway station for 3 years (2015 2017)

    Correlation coefficient between subway and ground station for PM10 and PM2.5 concentration observed at Busan for 3 years (2015 2017)

    Number of exceedances per year of the daily value for 80 μg/ m3 and 100 μg/ m3 of PM10 at Busan for 3 years (2015 2017)

    Number of exceedances per year of the daily value for 50 μg/ m3 and 80 μg/ m3 of PM2.5 at Busan for 3 years (2015 2017)

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