[논문]독성물질 누출 시 대피 속도 차이에 따른 고령자의 상대적 위험도 산정

이학태; 곽종범; 박제혁; 류지성; 이진선; 정승호

doi:10.14346/jkosos.2019.34.6.13

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Leakage accidents in businesses dealing with hazardous chemicals can have a great impact on the workers inside the workplace, as well as residents outside the workplace. In fact, there were cases where hazardous chemicals leaked from many businesses. As a result, the Chemicals Control Act(CCA) was e...

Leakage accidents in businesses dealing with hazardous chemicals can have a great impact on the workers inside the workplace, as well as residents outside the workplace. In fact, there were cases where hazardous chemicals leaked from many businesses. As a result, the Chemicals Control Act(CCA) was enacted in 2015, the Ministry of Environment introduced an Off-site Risk Assessment(ORA). The purpose of the ORA is to secure safety from the installation of the design of the workplace facilities so that chemical accidents of hazardous chemical handling facilities do not cause human or physical damage outside the workplace. In general, the ORA qualitatively determines where a protected facility is within the scope of the accident scenario. However, elderly who belong to the sensitive group is more sensitive than the general group under the same chemical accident effect, and the extent of the damage is serious. According to data from the Korea National Statistic Office, the number of elderly people is expected to increase steadily. Therefore, a quantitative risk analysis considering the elderly is necessary as a result of a chemical accident. In this study, accident scenarios for 14 locations were set up to perform emergency evacuation due to toxic gas leakage of Cl2(Chlorine) and HF(Hydrogen Fluoride), and the effects of exposure were analyzed based on the evacuation velocity difference of age 20s and 60s. The ALOHA(Areal Locations of Hazardous Atmospheres) program was used to calculate the concentration for assessing the effects. The time of exposure to toxic gas was calculated based on the time it took for the evacuation to run from the start point to the desired point and a methodology was devised that could be applied to the risk calculation. As a result of the study, the relative risk of the elderly, the sensitive group, needs to be determined.

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표/그림 (18)

그림 Fig. 1. A flow chart of a methodology.
그림 Fig. 2. Accident & position scenario.
표 Table 1. 50 m running records for adult males⁸⁾
표 Table 2. 50 m running records for adult females⁸⁾
표 Table 3. 50 m average running velocity for adults
표 Table 4. Scenario conditions
표 Table 5. Probit parameters for the toxicity of a substance¹¹⁾
표 Table 6. 50 m exposure time for adults
표 Table 7. A fatality of a Cl₂ exposure depending on a desired distance
표 Table 8. A fatality of a HF exposure depending on a desired distance
그림 Fig. 3. A graph of a relative risk of Cl₂ in the alternative-case scenario.
그림 Fig. 4. A graph of a relative risk of Cl₂ in the worst-case scenario.
표 Table 9. A function of a relative risk of Cl₂
그림 Fig. 5. A graph of a relative risk of HF in the alternative-case scenario.
그림 Fig. 6. A graph of a relative risk of HF in the worst-case scenario.
표 Table 10. A function of a relative risk of HF
표 Table 11. A factor of a relative risk
그림 Fig. 7. A flow algorithm of a relative risk estimation.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 화학사고 중 독성물질 누출이 발생했을 때, 20대와 60대의 신체적 능력인 대피 속도 차이를 이용하여 독성물질에 대한 노출 분석을 진행하고 이를 정량화하여 고령자의 상대적 위험도를 산출할 수 있는 방법론을 제안하는 것에 목적을 두고 있다.
Probit analysis는 화재, 폭발, 누출 등의 여러 가지 노출에 대한 투여 반응 곡선을 S형에서 선형으로 전환시켜 정량적인 노출 분석을 할 수 있는 방법이다. 본 연구 에서는 독성물질 누출에 대한 시나리오를 기반으로 진행되었기 때문에 독성물질 노출에 대한 probit analysis 를 진행하였다.
Table 7~8은 4개의 대표적인 거리의 사망확률을 보여준다. 이는 결과에 대한 이해를 높이고 각 시나리오에 따른 연령별 사망확률의 경향을 보여주기 위해 제시되었다. Fig.
이 방법론에서는 민감계층이라 할 수 있는 고령자를 60대(60세 이상) 로 분류하고 젊은 층이라 할 수 있는 20대(19~29세)와신체적 능력의 차이에 따른 상대적 위험도 비 혹은 factor를 도출하는 목적을 가지고 있다.
본 연구에서는 장외영향평가 제도의 선행연구에서 지적한 개별 취급설비의 위험도 결정 시 사고 영향범 위 내 인구수 산정의 불확실성을 현재보다 정밀하게 보완할 수 있는 방법론을 제시하였다.
이 연구 의의는 동일한 독성물질 누출 상황 하에서 신체적 능력의 차이를 바탕으로 상대적인 노출 분석을 진행한 것에 있다. 따라서 본 연구의 접근법에서 민감 계층 중 고령자를 고려한 화학물질 사고의 위험도를 정밀 분석할 수 있는 연구의 또 다른 발판이 될 수 있다.
3) 장외영향평가는 유해화학물질 취급시설의 화학사고 발생으로 사업장 외부에 있는 인적, 물적 피해를 일으키지 않도록 취급시설의 설계 · 설치부터 안전성을 확보하는 것을 그 목적으로 한다.

가설 설정

시나리오는 Fig. 2에서 보이는 것처럼 독성물질이 누출된 상황에서 누출원으로부터 100 m 지점에 있는 사람이 특정 지점까지 대피하는 상황을 가정하였다.여기서 특정 지점이란 100 m부터 50 m 단위로 증가시킨 지점을 말하며 이 거리를 800 m까지 증가시켜 14개의 위치 시나리오를 지정하였다.
이 연구는 특정 지역을 대상으로 한것이 아니기 때문에 현지기상을 적용하지 않는 경우의 조건을 적용하였다¹⁰⁾.표면거칠기는 대부분의 사람들이 공업단지 혹은 도시지역에서 상주하고 있다는 가정으로 urban and forest 를 설정하였다.
여기서 특정 지점이란 100 m부터 50 m 단위로 증가시킨 지점을 말하며 이 거리를 800 m까지 증가시켜 14개의 위치 시나리오를 지정하였다. 보수적인 접근을 위해 각 지점에서의 물질 농도는 누출 후 최대 농도로 가정하였으며 50 m 단위 각 지점 이하에서는 최대 농도의 끝점 거리로 보고 노출 분석을 진행하였다. Table 4 는 사고시나리오에서 사용되는 조건을 정리한 것이다.

제안 방법

먼저 20 대(19~29세)와 60대(60세 이상)의 대피 속도를 산정하고, 물질에 따라 사고 및 위치 시나리오를 정의한다.그리고 미국 EPA(Environmental Protection Agency, 이하 EPA)에서 제공하는 ALOHA(Areal Locations of Hazardous Atmospheres, 이하 ALOHA)를 이용하여 농도를 산출하고 노출 분석인 Probit 분석을 통해 20대와 60대의 사망확률을 도출한다. 각 단계에 대한 방법론은 하위 항목에서 추가적으로 설명하였다.
이는 통계청에서 가장 최신 자료로 제공하고 있는 것으로 연령별 50 m 달리기 기록을 통계적으로 보여주고 있다. 20대(19~29세)와 60대(60세 이상)에 대한 50 m 달리기 기록을 남녀로 구분하고 각 기록에 대한 평균 값으로 달리기 속도를 구하여 대피 속도를 산정하였다.이 과정에 대한 대피 속도 산정의 결과는 Table 1~ Table 3과 같다.
2에서 보이는 것처럼 독성물질이 누출된 상황에서 누출원으로부터 100 m 지점에 있는 사람이 특정 지점까지 대피하는 상황을 가정하였다.여기서 특정 지점이란 100 m부터 50 m 단위로 증가시킨 지점을 말하며 이 거리를 800 m까지 증가시켜 14개의 위치 시나리오를 지정하였다. 보수적인 접근을 위해 각 지점에서의 물질 농도는 누출 후 최대 농도로 가정하였으며 50 m 단위 각 지점 이하에서는 최대 농도의 끝점 거리로 보고 노출 분석을 진행하였다.
하지만 현지 기상을 적용하지 않는 경우, 대기온도 25℃, 대기습도 50%를 적용한다. 이 연구는 특정 지역을 대상으로 한것이 아니기 때문에 현지기상을 적용하지 않는 경우의 조건을 적용하였다¹⁰⁾.표면거칠기는 대부분의 사람들이 공업단지 혹은 도시지역에서 상주하고 있다는 가정으로 urban and forest 를 설정하였다.
의 농도를 측정하기 위해 미국 EPA에서 제공하는 ALOHA 프로그램을 이용하였다. Source model은 Direct source를 이용하였으며 누출원 높이는 1 m, 누출 시간 10분, 누출률(D_r, Discharge rate)은 0.5~10 kg/s 범위에서 0.5 kg/s 단위로 증가시켰다. 특정 지점 x_n의 농도는 프로그램의 Display-Threat at point 탭에 있는 concentration location에서 풍하방향(Downwind direction) X를 150~ 800 m까지 50 m 단위로 증가시켜 산출하였다.
Table 7~8에서 나타낸 것과 같이 누출률에 따라 특정 지점에 대한 사망확률(%), P가 달라지는 것을 알 수있다. 이런 이유로 결과에서 누출률에 따른 상대적 위험도 비를 도출할 수 있는 함수식을 물질과 시나리오 별로 도출하였다.
첫 번째로 누출률(D_r)에 따른 특정 지점과 농도를 불연속적으로 구하여 dose 값으로 합산한 것이다. 실제로 누출이 일어난다면 어느 지점의 농도는 주변 기상조건과 환경에 따라 연속적으로 변할 것이기 때문에 이에 맞는 dose 값을 연속함수의 적분으로 계산해야 한다는 것이다.

대상 데이터

본 연구의 시나리오 대상 물질은 화학물질관리법 제 39조에 따른 사고대비물질 97종 중 화학물질관리법이 제정 · 시행되도록 한 배경물질인 43번 HF(Hydrogen fluoride)와 국내에서 많이 사용되고 누출 사례가 있었던 49번 Cl2(Chlorine)로 하였다9).
20대와 60대의 연령별 대피 속도를 산정하기 위해 통계청에서 제공하고 있는 자료 중 문화체육관광부에서 실시한 2015년 국민체력실태조사를 참고하였다⁸⁾ .이는 통계청에서 가장 최신 자료로 제공하고 있는 것으로 연령별 50 m 달리기 기록을 통계적으로 보여주고 있다.
특정 지점 x_n의 농도는 프로그램의 Display-Threat at point 탭에 있는 concentration location에서 풍하방향(Downwind direction) X를 150~ 800 m까지 50 m 단위로 증가시켜 산출하였다. 14개의 위치 시나리오 기반으로 농도를 산출하는 과정은 물질당 560번의 시뮬레이션을 실행하여 두 가지 물질에 대하여 총 1120번의 시뮬레이션을 진행하였다.

이론/모형

앞에서 설정한 위치 시나리오 14개의 각 특정 지점인 x_n의 농도를 측정하기 위해 미국 EPA에서 제공하는 ALOHA 프로그램을 이용하였다. Source model은 Direct source를 이용하였으며 누출원 높이는 1 m, 누출 시간 10분, 누출률(D_r, Discharge rate)은 0.

성능/효과

본 연구결과는 방법론에서 제시한 순서대로 노출 분석을 하여 대안 및 최악의 사고시나리오 조건에서 Cl₂와 HF의 누출률(D_r)에 따른 상대적 위험도 비(f_r) 함수 식을 도출하였다. Table 7~8은 4개의 대표적인 거리의 사망확률을 보여준다.
5는 대안의 사고시나리오 조건에서 위치 시나 리오 결과인 HF의 누출률(D r )에 따른 상대적 위험도비(? ? )를 나타내는 그림이다. 결과를 보면 가장 위쪽에 존재하는 150 m 위치 시나리오가 조금 떨어져 있지만 대체로 겹쳐지는 것을 볼 수 있다. Fig.
1이상인 결과가 도출된다. 따라서 염소의 결과와 마찬가지로 정밀한 차이를 보기 위해 누출률(D_r)이 0.5 kg/s~3.5 kg/s인 범위에서식 (9) 를 적용하는 것이 적합하다.
이를 응용하기 위한 방법은 함수식 이용, 범위에 따른 최댓값 이용이 있는데 정밀 · 정확한 결과를 보기 위해서는 함수식을 이용하는 것이 적절하고, 보수적인 위험성 평가를 위해 서는 최댓값 인용이 적합한 것으로 판단한다.
고령자는 일반 젊은 층에 비해 세월이라는 시간이 흐를수록 신체적 능력이 감퇴된다는 것은 누구나 알고 있다. 따라서 본 연구에서 제시한 신체적 능력의 차이는 달리기 속도의 차이를 바탕으로 하였으며 이를 노출 분석에 적용시킨 결과, 정밀한 차이까지 보면 1배수를 조금 넘는 소숫점 배수의 차이부터 약 2배수까 지의 차이가 나타남을 알 수 있었다. 이를 응용하기 위한 방법은 함수식 이용, 범위에 따른 최댓값 이용이 있는데 정밀 · 정확한 결과를 보기 위해서는 함수식을 이용하는 것이 적절하고, 보수적인 위험성 평가를 위해 서는 최댓값 인용이 적합한 것으로 판단한다.

후속연구

다음으로 누출에 따른 노출평 가를 실시할 관심 지점을 선택하여 해당 지점의 농도를 연속적으로 산출하고 개체의 신체적 능력을 입력하게 되면 특정 지점 간 간격에 국한되는 것이 아닌 상대 적인 노출평가를 할 수 있게 된다. 이처럼 기본 알고리 즘을 바탕으로 원하는 물질과 그에 해당하는 probit parameter만 데이터베이스로 구축해 놓는다면 기존의 정량적 위험성 평가 프로그램에서 사용하는 농도 산출 방식으로 상대적인 노출 분석을 할 수 있을 것이다.
두 번째로 민감 계층의 노출을 좀 더 정밀하게 분석하기 위해서는 신체적 능력 중 달리기 속도 외에도 호흡률, 병력, 물질에 대한 인체 유해성 등의 통계적 자료를 종합적으로 고려해야 한다는 것이다. 이러한 종합적인 연구를 위해서는 화학물질에 대한 생물학적 실험 데이터와 인체의 건강실태 및 그 작용기전 등의 복합적인 선행연구들이 진행될 필요가 있다고 본다.
이 연구 의의는 동일한 독성물질 누출 상황 하에서 신체적 능력의 차이를 바탕으로 상대적인 노출 분석을 진행한 것에 있다. 따라서 본 연구의 접근법에서 민감 계층 중 고령자를 고려한 화학물질 사고의 위험도를 정밀 분석할 수 있는 연구의 또 다른 발판이 될 수 있다.
두 번째로 민감 계층의 노출을 좀 더 정밀하게 분석하기 위해서는 신체적 능력 중 달리기 속도 외에도 호흡률, 병력, 물질에 대한 인체 유해성 등의 통계적 자료를 종합적으로 고려해야 한다는 것이다. 이러한 종합적인 연구를 위해서는 화학물질에 대한 생물학적 실험 데이터와 인체의 건강실태 및 그 작용기전 등의 복합적인 선행연구들이 진행될 필요가 있다고 본다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Probit analysis란 무엇인가?	Probit analysis는 화재, 폭발, 누출 등의 여러 가지 노출에 대한 투여 반응 곡선을 S형에서 선형으로 전환시켜 정량적인 노출 분석을 할 수 있는 방법이다. 본 연구 에서는 독성물질 누출에 대한 시나리오를 기반으로 진행되었기 때문에 독성물질 노출에 대한 probit analysis 를 진행하였다.
	장외영향평가의 목적은 무엇인가?	위의 사고사례를 배경으로 유해화학물질을 체계적으로 관리하기 위한 화학물 질관리법이 2015년에 시행되면서 장외영향평가제도가 도입되었다.3) 장외영향평가는 유해화학물질 취급시설의 화학사고 발생으로 사업장 외부에 있는 인적, 물적 피해를 일으키지 않도록 취급시설의 설계 · 설치부터 안전성을 확보하는 것을 그 목적으로 한다. 화학물질 관리법 제23조제1항에 의하면 취급설비를 설치하여 운영하려는 경우 착공 30일 전에 화학사고 발생으로 사업장 주변의 사람이나 환경에 미치는 영향을 평가한 유해화학물질의 화학 사고에 대한 장외영향평가서를 작성하여 제출한 후 적합을 받아야 설비를 설치할 수있다.
	현재 유해화학물질 위험성 평가에 대한 안전 기준의 한계는?	이처럼 가스의 화재 · 폭발에 대해서는 코드를 제시함으로써 위험성 평가에 대한 안전 기준을 마련하고 있다.4) 하지만 화학사고 중 독성물질 누출에 대한 민감 대상을 고려한 연구가 부족하여 위험성 및 안전성 평가 기준은 존재하고 있지 않기 때문에 노출에 대한 기초적인 연구가 필요한 상황이다.

참고문헌 (15)

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KOSTAT, "50 m Running : Male, Female", 2015.
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I. J. M. Trijssenaar Buhre, I. M. E. Raben, T. Wiersma and S. I. Wijnant, "Self-rescue in Quantitative Risk Analysis", TNO, Apeldoorn, the Netherland, 2009.
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