★..한국실내환경학회 KOSIE

GIS(지리정보시스템)를 이용한 서울시 지하역사의 라돈농도 평가

안 재 경^* 최 연 순 백 남 원 서울대학교 보건대학원

(2005년 11월 16일 접수; 2006년 1월 27일 채택)

GIS Applications to Radon Concentration Assessment in Seoul Subway Stations

Jae-Kyoung Ahn^* Youn-Soon Choi Nam-Won Paik

Department of Environmental Health, School of Public Health, Seoul National University (Received 16 November 2005; accepted 27 January 2006)

Abstract

The objective of this study was to identify the primary source of radon in Seoul subway stations, and to investigate a relationship between geology and radon. Especially, we expected that the granite areas would have substantially high levels of radon in subway stations. The indoor radon concentrations in subway stations were lognormally distributed. The geometric mean and geometric standard deviation of indoor radon concentration were 48.11 Bq/㎥ and 2.15, respectively. Indoor radon concentrations of eight measuring sites exceeded U.S. EPA criteria (148 Bq/㎥). The geological structure of the subway station regions under this study is characterized by biotite granite, alluvium, banded biotite gneiss and diluvium. Results indicate that bedrock geology can account for a significant portion of the indoor radon in subway stations. Indoor radon concentrations of one subway station were higher than those of other stations. The bed rock in this particular subway station was that of alluvium. We assumed that the unusual increase in measured radon concentration should be related mainly to the existence of the near inferred fault zone (p<0.0001). We selected ten subway stations with homogeneous bedrock type in order to compare radon concentrations of each basement level. There was a significant difference in radon concentration, depending on the basement levels in subway stations (p<0.05).

Keywords ：Indoor radon concentration, Bedrock. Inferred fault zone

1. 서 론

우리나라는 급속한 산업화를 경험하면서 비약 적인 경제성장을 이루었고 이에 따른 인구의 도시 집중화 현상이 일어났다. 특히 대도시에서는 인구 의 증가로 교통 문제가 대두되었다. 이러한 문제 점을 해결하기 위한 방법의 일환으로 대중교통에 주목하게 되었고 서울시 지하철 1호선을 1974년 개통하게 되었다. 그 후 서울시 지하철은 꾸준히 가설되었고 현재 8호선까지 개통되어 있다. 현재 지하철을 이용하는 하루 이용객수는 약 500만 명 으로 서울시민 대부분이 지하철을 이용하고 있다 고 해도 과언이 아니다. 이러한 대중교통수단으로 확실히 자리를 잡은 지하철은 지상의 교통 혼잡을 줄일 수 있고 토지 이용 면에서 효율성이 있다는 장점이 있다. 그러나 지하철은 공간적 밀폐성으로 인해 실내 공기질 문제와 소음 등이 문제시되어왔 다.

라돈(Rn)은 우라늄(²³⁸U)과 토륨(²³²Th)이 몇 단 계 자연 붕괴시 생성되는 무색, 무미, 무취의 물질 로서 지구상에 존재하는 공기보다 무거운 비활성 가스이며, 다른 비활성가스와 다른 것은 가스가 생성된 후 매우 짧은 시간 내에 붕괴되는 방사성 가스라는 점이다(이재기, 1998). 문제는 라돈이 붕 괴하여 만들어지는 ²¹⁸Po, ²¹⁴Bi, ²¹⁴Pb, ²¹⁴Po와 같은 입자상의 방사성 핵종(라돈자손)인데, 이들은 먼 지 형태로 공기 중에 떠돌거나 어떤 물체의 표면 에 흡착된다. 공기 중에 떠다니는 이러한 라돈자 손을 흡입하면 폐에 흡착되며, 여기서 방출되는 알파 방사선 피폭으로 인해 장기적으로 폐암을 유 발할 수 있는 것으로 알려져 있다(Nazaroff and Nero, 1988). NRC(National Research Council)에 따

르면 미국 내 15,400～21,800명/년 정도가 라돈가 스에 의해 사망되고 있는 것으로 추정된다. 최근 2002년에 우리나라의 암 사인별 사망률 중에서 폐 암이 26.2%로 1위를 차지하고 있다(통계청, 2002).

그러나 국내의 경우 인구의 노령화와 흡연인구의 증가에 기인한 것으로만 보고 있을 뿐 라돈의 영 향에 대한 언급이 없다. 이는 다시 말해 우리 정부 에서는 라돈의 발암성에 대한 중요성을 아직 간과 하고 있는 것으로 판단된다. 국외에서는 1910년대 이후로 라돈에 대한 방사능 연구 및 물리화학적 연구가 수행된 이후, 1980년대 중반부터 환경적인 측면에서 실내 환경 내 라돈방사능 문제가 대두되 었으며, 미국을 비롯한 유럽의 선진국들은 국가적 차원의 연구를 시작하여 라돈을 자연방사선 방어 대상 물질로 규정해 놓은 상태이다. 미국의 경우 정부의 주도로 지질조사소(USGS, U.S. Geological Survey)와 환경보호청(U.S. EPA)에서 항공-차량방 사능 탐사에 의한 지표방사능 강도(우라늄, 토륨, 총 방사능)의 분포도와 관측망을 통한 라돈방사능 의 위해 등급을 작성하고 있다(제현국, 2002). 그 러나 우리나라의 경우 아직까지 지상의 라돈농도 는 물론 지하실내 라돈가스에 대한 연구도 미흡한 실정이다. 특히 라돈이 지질학적 조건, 건축물, 그 리고 지하수량에 따라 영향을 받음에도 불구하고 이에 따른 분석이 미흡한 실정이다.

본 연구목적은 다음과 같다. 첫째, 서울시 지하 역사의 실내라돈농도를 기반암석별로 평가. 둘째, 추정단층지대에 가까이 위치한 역사의 실내라돈 농도 평가. 셋째, 같은 기반암석으로 되어있는 역 사들의 층수별 라돈농도 평가. 넷째, 지하수량에 따른 지하역사내 실내라돈농도 비교 평가.

(a) Electret ion chamber (b) Alpha track detector

Fig. 1. A schematic diagram of radon devices.

2 연구대상 및 방법

2.1 연구지역

한국지질자원연구원에서 작성한 수치지질도에 따라 서울시 전체를 기반암석에 따라 분류해서 지 하역사 실내라돈농도를 평가해 보았고, 특히 화강 암 기반으로 되어있는 동대문구, 종로구에 위치한 지하역사와 동작구, 서초구 경계면에 위치한 지하 역사 그리고 단층지대에 위치한 역사를 중심으로 평가하였다.

2.2 연구방법

2.2.1 연구지역 지질개요

한반도의 서쪽 중앙부에 위치한 서울은 한강 중 류의 남북에 걸쳐 있으며 동경 126° 59′, 북위 37°

34′의 경위도를 갖는다. 서울의 지질은 신생대의 암층인 편마암과 중생대 백악기에 관입된 화강암 및 제4기의 충적층으로 구성되어 있다.

신림동, 남태령 등지에 잘 노출되어 있는 대보 화강암은 흑운모 호상 편마암을 관입하였다. 암석 은 주로 흑운모 화강암으로 구성되어 있다. 장석 은 전체적으로 홍색을 띄는 것이 보통이지만 관악

산 일대에서는 백색을 보인다. 조암광물은 석영, 사장석, 정장석, 미사장석, 흑운모 및 미량의 불투 명 광물로 되어있다(국립지질광물연구소, 1975).

서울의 중구, 종로구, 성북구, 도봉구, 노원구 등 의 지역은 쥬라기 시대의 대보 화강암 암반 위에 있고 이 화강암을 서울화강암이라 명명하였다. 조 암광물은 석영, 사장석, 정장석 등의 광물로 되어 있다(한국동력자원연구소, 1981).

2.2.2 측정 데이터와 측정기기

본 연구에서는 2002년 3월부터 5월까지 Rad Elec사의 Electret Passive Environment Radon Monitor를 사용하여 16개 역사에서 라돈농도를 측 정하였고, 2001년 3∼11월, 2002년 5∼10월까지 서울시 보건환경연구원에서 Alpha Track Detector 로 20개 역사에서 측정한 라돈농도 값을 사용하였 다. 대합실과 승강장에서 측정한 값을 사용했다.

측정 시료 수는 16개 역사에서 서울대학교 보건대 학원 58개와 20개 역사에서 측정한 서울시 보건환 경연구원 69개이다.

두 기기 모두 우리나라 환경부와 미국 환경보호 청에서 인정하고 있고, Electret Passive Environ- ment Radon Monitor는 그 내부 부피에 따라 “S”

(Screw Fitted)Cap

Perforated Supporting Plate Ion Chamber of Conductive

Plastic

End Cap (Scarew Fitted)

Air Filter Paper

Plunger

Electret Blak

5.4cm

6.8cm

Membrane Detector

Fig. 2. Characteristics of Seoul subway stations. Fig. 3. Seoul digital geologic map on ArcView 3.3.

chamber와 “L” chamber로 나뉘는데, 본 연구에서 는 “S” short term chamber를 사용하였다(환경부, 2000; Kotrappa, 1990). Fig. 1은 이번 측정 때 서울 대학교 보건대학원에서 사용한 “S” chamber 모식 도(a)와 서울시 보건환경연구원에서 사용한 알파 비적검출기(b)의 모식도이다.

2.2.3 데이터 수집 및 가공

측정역사의 기반암석을 보다 정확히 알기 위해 한국지질자원연구원(Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources)에서 만든 수치지질도 (Digital Geologic Map)를 이용하였다. 수치지질도 란 GIS 소프트웨어를 이용하여 지질자료를 전산 화한 것으로 지하철, 고속도로, 항만 등 국가기반 시설 건설에 이용되고 있다. 이 논문에 이용된 수 치지질도는 안양, 둔전, 서울 그리고 뚝섬도폭이 다. 이 네 개의 수치지질도를 ArcGIS를 이용하여 서울시 지질도를 만들었다. 또, 서울시 수치지도와 측정역사의 TM좌표를 서울대학교 지리학과 GIS 연구실에서 *.shp 형식과 Excel file로 얻었다. 이 파일을 완성된 서울시 수치지질도에 나타내었다.

1～8호선에서 하루 300톤 이상 흐르는 지하역사 정보를 서울특별시 지하철공사와 서울도시철도공

사 홈페이지에서 발췌했다. 또, 서울시 보건환경 연구원에서 측정한 2001～2002년 지하철 라돈측 정값을 서울시청 실내환경 담당자에게 얻었다. 이 렇게 수집된 자료들을 Fig. 2와 같이 속성을 넣고 Fig. 3에서와 같이 ArcView 3.3에 각 역사의 정보 자료를 구축하였다.

2.2.4 통계분석

모든 통계분석은 SAS(Ver. 8.1)를 이용하여 처 리하였다. 지하수량 그리고 추정단층지역은 t-test 로 분석하였고 지하층수별 라돈농도를 분석하기 위해 SAS의 GLM procedure를 이용하였다. 또, 기 반암석에 따른 평균의 차이를 보기 위해 Oneway ANOVA를 이용하였다. 그리고 통계적으로 유의 했던 지하수량, 지하층수별, 기반암석에 따른 결 과들의 교호작용을 보기 위해 데이터에 적합한 SAS의 GLM procedure를 이용하였다.

3. 결과 및 고찰 3.1 지하역사내 라돈농도

본 연구에서는 2002년 3월부터 5월까지 Electret

Fig. 4. Distribution of radon concentration in Seoul subway stations.

Concentration, Bq/m³

1 10 100 1000

Cumulative Probability, %

0.1 1 10 30 50 70 90 99 99.9

EPA, Criteria 148, Bq/m³ WHO, Criteria

100 Bq/m³

Fig 5. Classified radon concentrations on Seoul map.

Ion Chamber로 16개 역사를 측정한 서울대학교 보 건대학원 측정값과 2001년부터 2002년까지 Alpha Tract Detector로 20개 역사를 측정한 서울시 보건 환경연구원의 측정값을 사용하였으며, 두 값들은 Fig. 4와 같이 대수정규분포를 나타내었다. Fig. 5 는 서울시 전체 라돈농도 분포를 각 지하역사의 UTM 좌표를 이용하여 ArcView 3.3에 나타낸 것 이다.

서울대학교 보건대학원에서 측정한 값 중 두 개 (288, 357Bq/㎥)와 서울시 보건환경연구원에서 측 정한 6개(157.25, 166.50, 168.72, 177.97, 207.20, 278.61Bq/㎥)가 미국 환경보호청(U.S. EPA)의 권 고치인 148Bq/㎥을 초과하였다. 또 WHO(세계보 건기구)의 기준인 100Bq/㎥을 넘은 측정값은 총 23개였다.

3.2 기반암석별 라돈농도분포

실내라돈은 대개 토양, 기반암석 그리고 건축자 재에서 나오고, 토양속의 라돈농도가 실내라돈농 도에 영향을 끼치는 주된 부분이다(Gundersen,

1996; Zhu, 1998; Ruckerbauer, 2001). 특히 지리학 적으로 특성이 다른 두 지역의 라돈농도는 매우 다르다(Ennemoser, 1994). 이처럼 다른 이유는 마 그마분화 말기단계에서 형성되는 암석들은 화강 암이나 알칼리 화산암류, 또는 페그마타이트광상, 열수맥 등에서 우라늄의 함량이 높다. 화성암내에 서 우라늄의 함량은 마그마분화 정도에 따라 다양 한데, 말기단계에서 가장 높게 나타난다. 보통의 화강암은 4.4ppm의 우라늄이 함유되어 있고 사암 의 0.45ppm보다 10배 정도 높다(Krauskopf, 1979).

본 연구에서는 ArcView 3.3을 이용하여 서울 수 치지질도에 속성을 가지고 있는 지하역사의 TM 좌표를 넣어 측정한 지하역사의 기반암석을 파악 하였다(Fig. 6). Fig. 7에서는 측정한 역사의 농도 분포를 기반암석별로 비교하여 나타내었다. 화강 암을 기반암석으로 위치한 역사에서 6개의 측정 값이 미국 환경보호청의 기준인 148Bq/㎥을 초과 하였고, 서울시 한강을 중심으로 넓게 분포되어 있는 호상편마암을 기반으로 하고 있는 지하역사 에서는 한 개의 측정값이 초과하였다. 기반암석에

Fig 7. Comparison of radon concentration for the three major rock types in Seoul subway stations.

Radon Concentration, Bq/m3

10 100 1000

Biotite granite

Alluvium

Banded biotite gneiss EPA Criteria, 148 Bq/m³

.

Fig. 6. Seoul geological map.

Fig 8. Comparison of radon concentration between alluvium and inferred fault.

Radon Concentration, Bq/m3

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Alluvium Inferred fault Geological Type

EPA Criteria, 148 Bq/m³

따라 라돈농도 수준을 비교해 보면, 화강암>호상 편마암>충적층 순서로 되어 있었다(p<0.005). 일반 적으로 화강암을 기반암석으로 두고 위치한 지하 역사의 라돈농도 수준이 높은 편이였으므로, 앞으 로 라돈농도 저감대책을 세울 경우 이를 참고하여 야 한다고 판단된다.

3.3 추정단층지대에 위치한 역사의 라돈농도분포 단층지대에 위치한 일부지역에서 토양가스 중 라돈의 농도분포는 단층작용의 구조적인 영향을 받아 이동성이 증가하여 확산모델로는 설명할 수 없는 라돈 이상치가 나타났다. 단층 중심부로 갈 수록 라돈농도가 가장 높게 나타나며, 추정단층지 대의 라돈농도가 단층지대에서 나타난 농도 값과 유사하게 높게 나타났다(Field, 1998).

본 연구에서는 지질이 충적층에 위치한 하나의 지하역사의 실내라돈농도가 높게 나타나는 것이 추정단층에 영향을 받았을 것이라고 가정했다. 추 정단층지대와 가깝게 위치한 역사의 라돈농도의 평균 수준은 122.72Bq/㎥이고, Fig. 8과 Table 1은 충적층에 위치한 지하역사와 추정단층지대에 있 는 지하역사를 비교한 것이다. 추정단층지대에 가 까이 위치한 지하역사가 통계적으로 유의하게 높 았다(p<0.0001). 하지만 추정단층지대에 가까이 위 치한 한 개의 역사에서 측정한 시료수가 적어서 앞으로 이러한 역사들의 농도분포를 살펴봐야 할 것으로 판단된다.

Table 1. Comparison of radon concentration between alluvium and inferred faults.

(unit：Bq/㎥)

Alluvium Inferred faults

23 3

37.53 122.72

23.44 55.69

32.02 113.57

1.78 1.64

116.92 177.97

8.51 66.60

a

N : number of samples,

A.M. : arithmetic mean,

S.D. : standard deviation,

G.M. : geometric mean,

e

G.S.D. : geometric standard deviation

Table 2. Radon concentration by basement level.

Basement level Number of samples G.M.^a (Bq/㎥) G.S.D.^b 1

2 3 4 5

36 20 14 9 2

36.86 50.82 104.59

99.05 130.64

1.79 1.87 2.14 1.31 1.0

a

G.M. : Geometric mean,

G.S.D. : geometric standard deviation.

3.4 지하층수별 라돈농도분포

서울시 지하철은 1974년 1호선 9개역을 바탕으 로 2, 3, 4호선이 차례로 개통되어 연장 134.8km, 115개역의 제1기 지하철이 운행되고 있다. 그리고 제2기 지하철인 5, 6, 7, 8호선 연장 145km, 총 148 개역이 개통되었다(서울시정개발연구원, 1998). 먼 저 건설된 제1기 지하철이 지상과 비교적 가깝게 위치한 반면 제2기 지하철은 더 깊이 위치하게 되 었다.

본 연구에서는 화강암지대에 위치한 지하역사가 대부분 고도가 높은데 위치해 있어 지하층수가 많 고 충적층 지역에 위치한 지하역사는 고도가 낮은 지역에 위치한 점으로 인하여 지하층수가 적으므 로, 이를 고려하여 전체 측정 지점의 층수를 비교 하지 않고 화강암을 기반암석으로 하고 있는 역사 의 층수별 라돈농도를 비교하였다. Fig. 9와 Table 2는 화강암을 기반암석으로 가지고 있는 지하역

사에서 층수별로 본 결과이다. 1, 2층과 3층의 실 내라돈농도 차이(p<0.05)가 유의하게 있었고, 지하 에 깊이 위치한 층일수록 실내라돈농도가 높아지 는 경향이 있었다.

3.5 지하수량에 따른 라돈농도분포

샤워기, 가습기, 세탁기, 세척기 등을 통해 물로 부터 공기 중으로 라돈이 배출될 수 있다. 이 수중 라돈은 소화와 호흡을 통해 노출될 수 있다(Field, 1998). 기존 연구에 따르면 지하수 중 라돈농도 370Bq/L이 실내공기 중 라돈농도 37Bq/㎥으로 나 올 수 있다(Nazaroff, 1987). 또 지하수가 많이 흐 르는 지역에서는 수중라돈농도가 실내라돈농도에 영향을 끼칠 수 있다(Kim et al., 1993).

서울시 지하역사에서 나오는 발생량은 하루 약 15만 톤이다. 특히 지하수는 한강주변에 위치한 역이나 여러 호선이 지나가는 환승역에서 많이 발

Fig 9. Radon concentrations by basement levels.

Basement Level

Radon Concentration, Bq/m3

0 50 100 150 200 250 300

B1 B2 B3 B4 B5

EPA Criteria, 148 Bq/m³

.

Fig 10. Distribution of radon concentration by the groundwater volume.

Groundwater Volume

Radon Concentration, Bq/m3

0 50 100 150 200

A: groundwater, over 300 ton/day B: ground water, below 300 ton/day

A B

EPA Criteria, 148 Bq/m³

Table 3. Radon concentration by the groundwater volume.

(unit：Bq/㎥)

below 300 ton/day

38 29

93.27 58.78

79.05 31.43

68.54 50.63

2.24 1.78

a

N : number of samples,

A.M. : arithmetic mean,

S.D. : standard deviation,

G.M. : geometric mean,

e

G.S.D. : geometric standard deviation

생한다. 각 지하역사에서 발생되는 지하수량이 하 루 평균 300톤 이상이 되면 과잉투자 없이 근처 관련기관이나 지하역사 인근 건물에 공급할 수 있 기 때문에 자료를 수집할 수 있었다. 본 연구에서 는 화강암 지역에 위치한 지하역사 중에서 하루 평균 300톤 이상 지하수가 흐르는 6개 지하역사와 그 이하로 흐르는 4개 지하역사의 실내공기중 라 돈농도를 비교하였다. 다음 Fig. 10과 Table 3에서 보듯이 지하수량이 하루 300톤 이상인 지하역사 의 실내라돈농도가 35Bq/㎥ 정도 높았다(p<0.05).

하지만 단지 하루 300톤 이상 흐르는 지하역사의 정보만 알 수 있었으므로 앞으로 구체적인 자료를 구해 연구해야 할 것으로 판단된다.

3.6 전체 라돈농도평가

통계적으로 라돈농도에 영향을 미치는 변수인 지하층수별, 기반암석별 그리고 지하수량별에 따 른 교호작용을 보기 위해 다음과 같은 모델을 선 택하였다.

yijkm = μ+αi+βj+γk+εijkm (1) μ = overall mean

αi = the effect of basement level βj = the effect of bedrock type γk = the effect of groundwater volume εijkm = error term

Table 4에서와 같이 지하역사의 라돈농도는 층 별, 기반암석에 따른 통계적인 유의성이 있었다.

Table 4. Results of multiple regression analysis.

Parameter Estimate t-value p-value

Intercept Basement level

Bedrock type Groundwater volume

-3.8466 -0.2510

-0.0201

-18.38

-

-3.95

-

<0.0001

<0.0030

<0.0002

<0.8936

화강암지역에 위치한 지하역사에서 지하수량에 따른 라돈농도는 통계적으로 유의했었지만 전체 127개 시료 수를 보았을 때 지하수량과의 관계는 없었다. 이것으로부터 지하역사에서의 실내라돈 농도는 기반암석에 영향을 많이 받는 것으로 판단 할 수 있다.

4. 결 론

본 연구는 서울시 지하철 1～8호선 중 환승역을 중심으로 측정하였으며 공기 중 라돈농도 분포특 성을 알아보고 지하역사내 라돈농도에 영향을 미 치는 인자를 파악하여 저감대책에 필요한 기초 자 료를 제공하고자 수행되었다. 이를 위해 서울시 보건환경연구원에서 2001～2002년 측정한 라돈 측정값과 서울대학교 보건대학원에서 측정한 값 을 이용하여 지하역사내 실내라돈농도를 평가하 여 다음과 같은 결과를 얻었다.

첫째, 127개의 라돈 측정값이 대수정규분포를 나타내었다. 이중 미국 환경보호청의 권고치 (148Bq/㎥)를 초과한 시료 수는 8개였다. 둘째, 중 생대 백악기에 관입된 화강암지역에 위치한 역사 의 실내라돈 기하평균이 60.12Bq/㎥(기하표준편차 2.07)으로 고생대 암층인 호상편마암 38.46Bq/㎥

(기하표준편차 2.18), 그리고 신생대 제4기에 형성 된 충적층에 34.5Bq/㎥(기하표준편차 1.84)보다 높 게 측정되었다(p<0.005). 셋째, 기반암석이 충적층 이지만 추정단층선에 가까이 위치한 하나의 지하 역사를 측정한 값(기하평균 122.72Bq/㎥)은 서울 시 충적층에 위치한 지하역사 평균 라돈농도보다 유의하게 높게 나타났다(p<0.0001). 넷째, 지하층 수별 평균라돈농도결과에 의하면 깊이에 따라 지 하역사 실내라돈농도에 차이가 있었다(p<0.05). 다 섯째, 화강암을 기반암석으로 하고 있는 하루 평 균 300톤 이상의 지하수량이 흐르는 6개 역사에서 측정한 평균라돈농도는 그 이하로 흐르는 4개 지 하역사 평균 농도보다 약 35Bq/㎥높았다(p<0.05).

미국과 같은 선진국에서는 기반암석(bed rock) 이나 토양, 건축자재 등으로부터 유입된 라돈가스 가 실내라돈농도에 끼치는 영향에 대한 조사와 연 구가 많이 이루어진 상태이나 국내에서는 아직까 지 기초조사도 부족한 상태이다. 본 연구에서는 서울시 지하철 역사 내에서 조사된 자료를 가지고 기반암석별, 건축자재, 지하수량과 깊이에 따라 분류해 평가하였다. 특히 각 역사별 기반암석을 구분하는데 최근 개판된 한국지질자원연구원의 수치지질도를 ArcView을 통해 보았고 각 역사의 TM좌표를 가지고 보다 확실히 구분할 수 있었다.

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