오늘날 서울시는 인구가 집중됨에 따라 대도시권을 형성하게 되었으며 그로 인해 극심한 교통문제를 겪고 있다. 서울시 2015년 대중교통 이용객 수는 총 40억 명, 하루 평균 약 1,114만 명으로 전년 대비 1.3% (14만 4,000명) 증가하였으며, 대중교통체계 개편 이듬해인 2005년과 비교하면 11.3% 증가하였다. 이와 같이 대중교통의 이용객 수가 증가함에 따라 지하철의 이용객 수도 증가하였다. 하루 평균 서울시 지하철 수송인원은 2002년 약 624만 명에서 2015년 723만 명으로 16% 증가하였으며 많은 유동인구가 지하철 및 지하역사를 이용하고 있다. 현재 서울시 지하철·철도의 교통수단분담률은 서울시 전체 교통수단분담률의 약 39.0 %로 가장 높다. 서울시민들의 지하철 이용이 증가함에 따라 대합실 및 승강장 등 역사 내 공기질 뿐만 아니라 열차 내부의 공기질 관리도 중요해졌다. 스크린도어 설치 이후 대합실 및 승강장의 공기질은 개선되었으나, 열차내부 농도에 영향을 미치는 터널의 공기질은 악화되고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 열차내부에 영향을 미치는 지하철 터널 내 입자상물질 (PM; particulate matter)의 오염도 및 특성을 평가하고자 서울시 지하철 1호선부터 9호선까지 PM 농도를 측정하였으며, 구간별·시간별·계절별 농도의 변화를 비교·분석하였다. 또한, 지하철 터널 내 PM 농도에 대한 외기농도의 영향을 파악하기 위해 서울시 대기오염 측정망 PM10 자료를 이용하여 보간법을 통해 서울시 전 역의 분포를 추정하고 각 호선별 지하철 역사 주변의 외기농도를 추출하여 지하철 터널 내 농도와 비교하였다.
서울시 지하철 터널 전 구간의 PM10, PM2.5, PM1의 평균농도는 각각 101.3±38.4, 81.5±30.2, 59.7±19.9 ㎍/m3로 겨울철이 여름철에 비해 약 1.2배 정도 더 높았으며, 지하구간이 지상구간에 비해 약 1.5배정도 더 높은 농도 값을 보였다. 또한 대기환경에서 입경에 따라 분진의 생성원, 생성 및 소멸과정, 구성성분 등의 물리적 특성이 현저하게 차이가 있기 때문에 본 연구에서는 분진의 입경에 따른 질량농도의 비율을 계산하였다. 우선 지상구간과 지하터널구간을 비교한 결과 PM2.5/PM10 비율은 겨울의 경우 지하구간에서 0.82∼0.86, 지상 구간에서는 0.48∼0.68으로 지하구간에서 높은 값을 보였으며. PM1/PM10과 PM1/PM2.5 비율은 지상구간에서 높은 값을 보였다. 계절에 따른 PM2.5/PM10, PM1/PM2.5, PM1/PM10 비율은 겨울에 비해 여름에 높은 값을 보였으며, 겨울에 비해 여름에 입자의 크기가 작은 분진이 많이 발생함을 알 수 있었다. 또한 8호선의 지하철 내 터널구간과 객실 내 그리고 8호선 역사 주변 외기의 PM1, PM2.5 및 PM10의 평균 질량 비율을 비교 해 본 결과, 객차 내 PM2.5/PM10 비율과 터널 내 PM2.5/PM10 비율은 비슷한 경향을 보였으나, 외기의 PM2.5/PM10 비율은 훨씬 낮았다. 이는 터널에서 생성된 미세입자가 승강장 스크린도어(PSD) 개·폐시 객차 내로 직접적인 영향을 끼쳤을 것으로 보여 터널로부터 객차 내로 미세입자의 유입을 차단하거나 터널 내 공기질을 향상시키기 위한 환기 시스템 등 개선이 필요한 것으로 사료된다.
본 연구는 서울시 지하철 터널 내 입자상물질의 오염 현황과 오염의 형태(pattern)를 파악하기 위해 측정을 통해 얻은 지하터널 내 오염도와 터널의 길이, 심도, 구배, 급·배기량, 자연환기횟수, 도상, 외기오염도 등을 대상으로 군집분석을 수행하였다. 총 5개의 군집으로 분류할 수 있었으며, 각 분류된 터널구간들의 특성을 통해 오염원인을 파악 할 수 있었다. 본 연구의 서울시 지하철 호선별 지하터널 구간에 대한 농도자료 및 오염 특성 분류 및 분석 자료는 향후 지하철 터널 내 공기질 관리를 위한 기초자료로 활용되기를 기대한다.

In present, the Seoul City in Korea is undergoing traffic congestion problems caused by rapid urbanization and population growth. Thus the city government has reorganized the mass transportation systems since 2004 and the subway has become one of important means for public transit. The subway takes up to 39% share of total passenger transportation services and it is the biggest part of service systems in Seoul. Since subway system is typically a closed environment, the indoor air quality issues have often raised by the general public. Although the air quality has improved in both a subway platform and a concourse after installing platform screen doors (PSD), the tunnel air quality related with particulate matter (PM) has been contrarily deteriorated by the PSD which hindering air circulation in subway tunnels. Especially since a huge amount of PM is emitted from tunnels due to train operations and subway services, it is necessary to examine the characteristics and behaviors of fine PM in tunnel air in order to protect passenger health.
The purpose of the study was to initially investigate the concentration patterns of PM1, PM2.5 and PM10 in the Seoul subway lines, and then to figure out the PM behaviors of internal and external sources inside subway tunnels. The PMs were monitored by a light scattering real-time monitor on the Seoul subway Line-1 to Line-9 during winter (Jan. 8∼26 in 2015) and summer (July. 2∼Aug. 7 in 2015) in tunnel air, in passenger cabin air, and in the ambient air. The daily average PM10, PM2.5, and PM1 concentrations on these object lines were 101.3±38.4, 81.5±30.2, and 59.7±19.9 ㎍/m3, respectively. On an average, the PM concentration was about 1.2 times higher in winter than in summer and about 1.5 times higher in underground tunnel sections than in ground sections. In this study, we also calculated extensively the average PM mass ratios for PM2.5/PM10, PM1/PM10, and PM1/PM2.5; for example, the range of PM2.5/PM10 ratio in tunnel air was 0.82∼0.86 in underground tunnel air, while that was 0.48∼0.68 in outdoor ground air. The ratio was much higher in tunnel air than in outdoor air and was always higher in summer than in winter in case of outdoor air. It seemed from the results that the in/out air quality as well as a proper amount of subway ventilation must be significant influence factors in terms of fine PM management and control for the tunnel air quality improvement.
In order to understand pollution pattern in the Seoul subway tunnels, cluster analysis was performed based on input data set such as PM levels in tunnel, tunnel depth, length, curvature radius, outdoor ambient air pollution levels and so on. The clustering results showed that tunnels on the Subway line-1 to Line-9 were classified into 5 classes, Then the tunnels in each class were distinctly grouped based on their own physical conditions. The study provided remedies to reduce PM concentration inside tunnels for each pollution pattern. This study also provides a basic information for the air quality management in Seoul subway tunnels, and thus it will help to manage the indoor air quality by suggesting air quality management plan in the Seoul subway tunnels.