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문제 정의
- 본 연구에서는 서울시 지하철 역사 내 PM10의 오염거동을 정량적으로 비교 분석하기 위하여 2010년부터 2011년에 측정한 서울시 4호선 M역에서 PM10의 오염특성을 심도있게 조사하였다. PM10의 성분별 특성을 분석하기 위하여 외기, 승강장, 역사 내 터널, 역사간 터널 등에서 측정을 실시하였다.
제안 방법
- 의 오염특성을 심도있게 조사하였다. PM10의 성분별 특성을 분석하기 위하여 외기, 승강장, 역사 내 터널, 역사간 터널 등에서 측정을 실시하였다. 채취된 PM10 시료의 질량농도 및 무기원소, 이온성분 및 탄소성분을 분석하였으며, 이를 토대로 본 연구대상역의 공기질 현황을 파악하였다.
- 본 연구에서는 지하역사에서의 PM10의 오염원 확인과 기여도를 추정하기 위하여 서울시 지하철 4호선 M역사를 선정하고, 외기를 비롯한 4개 지점에서 2010년 4월, 7월, 10월, 2011년 1월중총 32일간 PM10 시료를 동시채취하고 화학성분을 분석하였다. 이 성분자료를 수용모델의 한 종류인 PMF의 입력자료로 활용하여 기여도를 추정하였다.
- 시료를 동시채취하고 화학성분을 분석하였다. 이 성분자료를 수용모델의 한 종류인 PMF의 입력자료로 활용하여 기여도를 추정하였다.
- PM10의 성분별 특성을 분석하기 위하여 외기, 승강장, 역사 내 터널, 역사간 터널 등에서 측정을 실시하였다. 채취된 PM10 시료의 질량농도 및 무기원소, 이온성분 및 탄소성분을 분석하였으며, 이를 토대로 본 연구대상역의 공기질 현황을 파악하였다. 또한, 본 연구에서는 지하역사내 각 지점별로 오염원의 기여도를 추정하기 위하여 수용모델방법 중의 하나인 양행열인자분석법인 PMF (positive matrix factorization) 모델을 이용하였다.
- 채취한 PM10 시료의 화학적 특성을 분석하기 위하여 무기원소성분과 이온성분, 탄소성분을 각각 분석하였다. PM10의 무기원소 분석을 위하여, 미국 EPA가 고시한 CWA (Clean Water Act)의 microwave 전처리법을 응용하였으며, Questron (Questron사.
대상 데이터
- 시료채취 장소는 M역사 인근의 외기, 승강장, 터널 2곳등총 4개 지점에서 실시하였다. 구체적으로 외기는 M역사에 인접한 치안센터 2층 건물 옥상에서 샘플을 채취하였으며, 승강장은 M역에서 K역 방향 플랫폼에서 시료를 채취하였다. 터널 1은 스크린 도어가 설치되어 있는 승강장 바로 앞 터널에서 채취하였으며, 터널 2는 M역에서 K역 방향으로 약 70 m 정도 들어간 터널에서 채 취하였다.
- 본 연구에서 사용한 샘플러는 PM10 mini-vol 샘플러를 설치하여 가동하였다. 이는 PM10 중 무기원소성분, 이온성분, 탄소성분을 분석하기 위해 충분한 시료를 확보하기 위함이다.
- 본 연구에서는 지하역사내 PM10의 화학적 특성을 분석하기 위하여, 서울시 지하철 4호선 M역사에서 계절별로 시료를 채취하였다. 봄철 측정은 2010년 4월 21일부터 28일까지(8일간), 여름철 7월 13일부터 21일까지(9일간), 가을철 10월 12일부터 19일까지(8일간), 겨울철 2011년 1월 11일부터 17일까지(7일간) 총 32일간 실시하였다.
- 서울시 지하철 4호선의 M 역사에서 지하철에서 발생하는 PM10에 대한 오염원을 확인하고 기여도를 평가하기 위하여 103개의 PM10 시료를 분석하였다. 이중 외기를 포함하여 나머지 지점에서의 유효한 자료를 PMF 모델링의 입력자료로 사용하였다.
- 봄철 측정은 2010년 4월 21일부터 28일까지(8일간), 여름철 7월 13일부터 21일까지(9일간), 가을철 10월 12일부터 19일까지(8일간), 겨울철 2011년 1월 11일부터 17일까지(7일간) 총 32일간 실시하였다. 시료채취 장소는 M역사 인근의 외기, 승강장, 터널 2곳등총 4개 지점에서 실시하였다. 구체적으로 외기는 M역사에 인접한 치안센터 2층 건물 옥상에서 샘플을 채취하였으며, 승강장은 M역에서 K역 방향 플랫폼에서 시료를 채취하였다.
데이터처리
- 다음 단계로 PMF 모델링 결과인 오염원 분류표와 오염원 기여도를 정량적으로 평가하기 위하여 PM10의 질량농도와 추정된 오염원 기여도 값과 다중회귀분석(multiple linear regression)을 통해 얻은 scaling 상수를 이용하여 표준화시켰다. 본 자료를 이용하여 모델링을 수행하고 얻은 표준화된 PM10의 추정치와 실측치와의 관계를 그림 3에 나타내었다.
- 따라서 오염원을 정확하게 분류하기 위해서는 분류표와 관련한 많은 문헌을 참고해야만 한다. 본 연구에서는 최적의 인자수를 결정한 후 각 인자의 화학원소 농도와 분율, 통계적 분석 등을 바탕으로 하여 미국 EPA의 오염원 분류표인 SPECIATE 프로그램과 각종 문헌의 자료를 이용하였다.
이론/모형
- PM10의 무기원소 분석을 위하여, 미국 EPA가 고시한 CWA (Clean Water Act)의 microwave 전처리법을 응용하였으며, Questron (Questron사. Model Q-15 MicroPrep)을 이용한 질산-염산 전처리 방법을 사용하였다. 이를 위해 여지 시료를 약 절반의 비율로 절취하여 PFA liner에 넣은 후 61% 질산 7 mL와 35% 염산 3 mL를 가한 후 Questron에서 power 4와 3으로 각각 5분씩 가온하여 무기원소 성분을 추출하였다.
- 시료의 화학적 특성을 분석하기 위하여 무기원소성분과 이온성분, 탄소성분을 각각 분석하였다. PM10의 무기원소 분석을 위하여, 미국 EPA가 고시한 CWA (Clean Water Act)의 microwave 전처리법을 응용하였으며, Questron (Questron사. Model Q-15 MicroPrep)을 이용한 질산-염산 전처리 방법을 사용하였다.
- PMF 모델을 이용하여 수도권 지하철 4호선 M역사에서 오염원을 확인하고 기여도를 정량적으로 추정하였다. PMF 모델에서는 여러 가지 값을 이용하여 인자수를 결정할 수 있는데, Q값의 비교, 측정값과 모델수행 잔차 행렬과의 분포관계 검증, 불완전한 인자의 회전을 제어하기 위한 FPEAK 값의 변환, 조정된 오차추정치를 바탕으로 동일한 조건에서 반복적인 모델링의 수행 등의 과정을 통하여 오염원의 수를 결정할 수 있다.
- 채취된 PM10 시료의 질량농도 및 무기원소, 이온성분 및 탄소성분을 분석하였으며, 이를 토대로 본 연구대상역의 공기질 현황을 파악하였다. 또한, 본 연구에서는 지하역사내 각 지점별로 오염원의 기여도를 추정하기 위하여 수용모델방법 중의 하나인 양행열인자분석법인 PMF (positive matrix factorization) 모델을 이용하였다. PMF 모델은 오염원 자료(source inventory)의 확보가 어려운 실외대기의 오염원 파악에 주로 사용되고 있으나, 지하역사 등의 실내 환경의 오염발생원을 확인하기 위해 이용된 바 있다(Park et al.
- , USA)에 담아 기기분석 때까지 4℃에서 보관하였다. 이와 같이 전처리가 끝난 시료용액은 ICP-AES 분석법(DRE ICP, Leeman Labs Inc)을 이용하여, Ag, Al, Ba, Cd, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Si, Ti, V, Zn 등 14종의 무기원소성분을 분석하였다.
- 탄소성분의 분석은 열광학적 분석방법 (thermal/optical transmittance method)에 기초한 Sunset Laboratory Inc.의 탄소분석장치를 이용하였다. 열광학적 분석방법은 초기의 순수한 헬륨 환경에서 산소를 첨가하고 온도를 증가시킴으로써 탄소성분을 유기탄소와 원소탄소를 선별하여 측정한다.
성능/효과
- 한편, PMF 모델링 결과 M 역사에서의 PM10의 주요 오염원은 생체량 연소 및 외기오염원, 자동차관련 오염원, 토양 및 도로비산 관련 오염원, 2차 입자 오염원, 철관련 오염원, 브레이크 마모관련 오염원 등 6가지 오염원이 확인되었다. 모델링 결과 4호선 M역사의 승강장과 터널의 내부기인 오염원 기여도는 각각 38.3%와 70.7%를 보였으며, 주변 외기의 경우 외부기인 오염원 기여도가 94.3%로 PMF 모델이 각 지점별 오염원별 특성을 잘 나타내고 있는 것으로 분석되었다.
- 본 연구를 통해 지하역사에서는 지하철 오염원의 내부기인 오염원의 기여도가 매우 높음을 알 수 있었다. 비록 승객들이 왕래하는 승강장에서의 PM10 오염도는 PSD의 설치로 크게 낮아졌지만, 내부 및 외부기인 오염원으로 터널내부는 높은 오염도를 보이고 있다.
- 본 연구를 통해 지하역사에서는 지하철 오염원의 내부기인 오염원의 기여도가 매우 높음을 알 수 있었다. 비록 승객들이 왕래하는 승강장에서의 PM10 오염도는 PSD의 설치로 크게 낮아졌지만, 내부 및 외부기인 오염원으로 터널내부는 높은 오염도를 보이고 있다. 이로 인해 터널내부를 운행하는 전동차 내 승객들의 건강위해가 증대될 것으로 사료된다.
- 연구결과에 의하면 지하철 내 각 지점별 PM10의 산술평균농도는 외기 41.5 μg/m3, 승강장 77.4 μg/m3, 터널1 194.8 μg/m3, 터널2 181.6 μg/m3로 조사되어 터널에서의 오염도가 높다는 것을 알 수 있었다. 한편, PMF 모델링 결과 M 역사에서의 PM10의 주요 오염원은 생체량 연소 및 외기오염원, 자동차관련 오염원, 토양 및 도로비산 관련 오염원, 2차 입자 오염원, 철관련 오염원, 브레이크 마모관련 오염원 등 6가지 오염원이 확인되었다.
- 6 μg/m3로 조사되어 터널에서의 오염도가 높다는 것을 알 수 있었다. 한편, PMF 모델링 결과 M 역사에서의 PM10의 주요 오염원은 생체량 연소 및 외기오염원, 자동차관련 오염원, 토양 및 도로비산 관련 오염원, 2차 입자 오염원, 철관련 오염원, 브레이크 마모관련 오염원 등 6가지 오염원이 확인되었다. 모델링 결과 4호선 M역사의 승강장과 터널의 내부기인 오염원 기여도는 각각 38.
후속연구
- , 2010). 본 연구의 결과는 향후 지하철 환경개선을 위한 통합평가기술의 기초자료로 활용할 수 있으며, 터널용 PM10 제거를 위한 제어설비를 설계할 때 요구되는 분진의 설계인자로 활용할 수 있다.
- 이로 인해 터널내부를 운행하는 전동차 내 승객들의 건강위해가 증대될 것으로 사료된다. 이에 따라 승강장 및 터널에서의 미세먼지 저감설비의 개선이 필요하며, 터널의 내부 발생 오염물질 저감을 위한 고효율 저감시설의 설치가 요구된다. 특히, 승강장의 경우 외부기인 오염원의 영향이 적지 않으므로 외부에서의 오염물질 유입을 차단할 수 있는 환기설비가 필요하다.
- 특히, 승강장의 경우 외부기인 오염원의 영향이 적지 않으므로 외부에서의 오염물질 유입을 차단할 수 있는 환기설비가 필요하다. 이와 더불어 PM2.5의 인체에 대한 유해성을 고려하여 지속적으로 PM2.5의 거동 및 특성에 대한 연구가 필요하며, 더 나아가 현재 실내공기질 관리규정에는 없으나, 규제항목으로 지정되어 관리되어야 할 것이다.
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