[논문]오염물질 현장측정 및 사례조사를 통한 도로터널 환기기준의 적정성에 관한 연구

김효규; 백두산; 유지오

doi:10.9711/ktaj.2020.22.3.323

오염물질 현장측정 및 사례조사를 통한 도로터널 환기기준의 적정성에 관한 연구
An appropriateness review on the road tunnel ventilation standards by pollutants site measurement and case study 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.22 no.3, 2020년, pp.323 - 335

김효규 ((주)주성지앤비) , 백두산 ((주)주성지앤비) , 유지오 (신한대학교 자동차공학과)

초록
AI-Helper

본연구에서는 현행 도로터널의 환기설계기준의 적정성을 검토하기 위하여 사례조사를 수행하고, 5개 터널을 대상으로 입자상 및 가스상 물질의 농도를 현장측정 하였다. 사례조사 결과는 설계기준 대비 TSP (가시도)는 27.9%, CO는 1.6%, NOx는 3.4% 수준으로 분석되었고, 현장측정 결과는 각각 2.6%, 0.8%, 0.2%의 수준에 불과하였다. 또한 5개 터널에 대한 입자상물질(TSP)의 입경분석 결과, 타이어 마모, 재부유 분진 등의 입자라 할 수 있는 PM10 이상의 입경의 영역은 20.4%로 나타났다. 따라서 현행 도로터널 환기설계 기준으로 제시된 입자상물질은 엔진배출량 외에 비엔진배출량에 대한 고려가 반드시 필요하며, 최근의 연구결과를 통한 제작차 오염물질 배출량 및 경사속도 보정계수 등을 적용하여 대상오염물질에 대한 설계기준의 합리적인 개정이 요구되며 WRA (PIARC)에서도 환기설계 기준의 개정 필요성을 권고하고 있다. 현행 터널 내 낮은 환기설비(제트팬) 가동율을 고려할 경우 향후 터널 내 운영상 관리기준의 신설에 대한 필요성이 제기된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a series of site measurement of particulate and gases pollutants at five tunnels were carried out along with case studies to review the suitability of the current road tunnel ventilation design standards. Previous studies by other researchers have shown that the ratios of the level of measurement to the standard were 27.9%, 1.6% and 3.4% for TSP, CO and NOx, respectively. Those measured in this site study shows even lower ratios; the ratios were 2.6%, 0.8% and 0.3%, for TSP, CO and NOx, respectively. The particle size analysis of TSP for the five tunnels shows that PM10 including tire wear and re-suspended road dust exceeded 20.4%. This implies that non-exhaust particulate matter must be taken into account, since the current design standards for the particulate matter (visibility) include only the engine emission. Based on the recent research results, for vehicle emission rate and slope-speed correction factors, revision of ventilation design standards for pollutants is required. WRA (PIARC) also emphasizes the necessity of the ventilation design standards for pollutants. In addition, enactment of a new road tunnel ventilation system operation standard or guideline is strongly recommended when considering the low operating rate of the ventilation system with jet-fans.

주제어

표/그림 (17)

표 Table 1. Measurements of TSP and visibility in Busan
표 Table 2. Measurements of CO in Busan (unit: ppm)
표 Table 2. Measurements of CO in Busan (unit: ppm) (continue)
표 Table 3. Measurements of NOx in Busan (unit: ppm)
표 Table 3. Measurements of NOx in Busan (unit: ppm) (continue)
표 Table 4. Measurements at the first visit
표 Table 5. Measurements at the second visit
그림 Fig. 1. Annual average operating rate
표 Table 6. List of tunnels for site measurement
그림 Fig. 2. Measurement layout
그림 Fig. 3. Pictures of measurement instruments and tunnel portals
표 Table 7. Measurement equipment specification
그림 Fig. 4. Site measurements in Tunnel I~V
그림 Fig. 5. Levels of PM1.0, PM2.5 and PM10 in TSP
그림 Fig. 6. Profiles of PM10 concentration and traffic volume inside and outside Tunnel I
표 Table 8. Road tunnel pollutant measurements in studies by BIHE and KEC
표 Table 9. Summary of the site mesurement results

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 도로터널 오염물질에 관하여 사례조사와 현장측정을 통해 현재 도로터널 환기 관련 기준에서 제시하고 있는 입자상물질과 가스상물질의 농도를 모니터링 및 분석하였고, 이상의 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
현재 도로터널 내 오염물질의 현황을 파악하기 위하여 본 연구에서는 국도터널, 고속도로터널, 도심지터널에 대한 오염물질을 현장측정 하였다. 총 5개 터널에 대하여 조사를 수행하였으며, 측정대상 터널 모두 기계환기를 적용 중이다.

제안 방법

또한, 모든 측정 장비는 통신을 통하여 관리동 베이스 캠프로 수신되도록 중계기를 설치하여 자료를 취득하였다. Tunnel I의 경우 터널 내 차량의 통행 대수(교통량) 및 차속을 측정하기 위해 교통량 측정 카메라를 설치하여 녹화하여 교통량을 실시간으로 측정하였다.
본 연구에서는 이전 모니터링자료와 함께 5개 터널에서 측정된 실측결과를 바탕으로 외기오염물질에 따른 터널 내부 오염물질 변화 추이와 현행 도로터널 환기관련 기준에 따른 터널 내 오염물질의 현황을 비교‧분석하였다(MOLT, 2011).
측정장소별 측정기기 위치는 주행차로측에는 오염물질 측정장치, 교통량 측정용 카메라, 차량주행속도 측정기를 설치하였으며, 터널 외부에는 환경변수(기압, 온 ‧ 습도, 풍향, 풍속)측정장치, 오염물질 측정장치를 설치하여 터널 내 ‧ 외의 오염물질의 농도를 측정하였다. 이에 대한 측정 개요도와 측정장비 제원 및 측정터널을 Figs.
터널 내 오염물질의 측정을 위하여 24시간 연속측정을 수행하였으며, 측정위치는 터널 내부 2개소(중앙부 및 출구부)와 터널 입출구에 각각 1개씩 2개소를 설치하여 총 4개소에 대하여 터널 내‧외부의 오염물질 농도를 측정하였다. 측정항목은 TSP, PM10, PM2.5, CO, NOx를 대상으로 하였고 각 측정 개소마다 풍향, 풍속, 온도, 습도, 기압 등의 환경변수를 동시에 측정하였다.
터널 내 오염물질의 측정을 위하여 24시간 연속측정을 수행하였으며, 측정위치는 터널 내부 2개소(중앙부 및 출구부)와 터널 입출구에 각각 1개씩 2개소를 설치하여 총 4개소에 대하여 터널 내‧외부의 오염물질 농도를 측정하였다. 측정항목은 TSP, PM10, PM2.

대상 데이터

현재 도로터널 내 오염물질의 현황을 파악하기 위하여 본 연구에서는 국도터널, 고속도로터널, 도심지터널에 대한 오염물질을 현장측정 하였다. 총 5개 터널에 대하여 조사를 수행하였으며, 측정대상 터널 모두 기계환기를 적용 중이다. 이에 대한 측정대상은 Table 6에 나타내었다.
다음으로 한국도로공사(KEC, 2017)에서 측정한 고속도로 터널의 측정 결과는 Tables 4, 5에 나타내었다. 측정 대상인 5개 터널은 모두 기계환기를 적용하고 있으며, 각 표에서 보는 것과 같이 도로터널 내 가스상물질(CO, NOx)의 농도는 현재 도로설계편람에서 제시하고 있는 CO: 70 ppm, NOx: 20 ppm보다 낮은 수준을 나타내고 있다. 하지만 입자상물질(PM10, PM2.

데이터처리

주요 터널에 대한 오염물질 측정 분석은 부산광역시 보건환경연구원에서 측정한 국도터널의 측정결과(BIHE, 2000~2002; 2010~2016)와 한국도로공사에서 측정한 고속도로터널의 측정결과(KEC, 2017)를 비교 분석하였다.

성능/효과

1. 도로터널 환기 관련 기준에서 규제하고 있는 입자상물질과 가스상물질에 대한 사례조사 결과는 설계기준 대비 TSP (가시도)는 27.9%, CO는 1.6%, NOx는 3.4% 수준으로 분석되었고, 현장측정 결과는 각각 2.6%, 0.8%, 0.2%의 수준에 불과하였다.
2. 현장측정을 통한 입자상물질의 입경분석 결과 타이어마모, 재부유 분진 등의 입자라 할 수 있는 PM10이상은 TSP를 기준으로 약 20.4% 정도로 분석됨에 따라 환기설계 시 비엔진배출량의 고려가 반드시 필요하다.
이와 함께 터널 외부의 PM10농도 역시 함께 증가하는 것으로 나타났다. 또한 정오에서부터 오후 3시까지의 결과는 교통량은 지속적으로 증가하지만, 터널 내부와 터널 외부의 PM10농도는 감소하는 양상을 보이고 있다. 이러한 결과는 터널 내부의 오염물질의 농도는 주행하는 차량에서 배출되는 오염물질에 따라 변화하기도 하지만, 외부에서 유입되는 오염물질에도 즉각적으로 영향을 받을 수 있음을 의미한다.
659 ppm으로 나타나고 있어, 도로설계편람에 제시된 기준인 20 ppm보다 상당히 낮은 값을 보이 고 있다. 또한, CO농도와 NOx농도의 분포에서 볼 수 있듯이 상대적으로 자연환기를 적용하는 터널이 기계환기를 적용하는 터널보다 가스상물질의 농도가 낮은 것으로 나타났다. 일반적으로 도로터널의 기계환기의 용량은 교통량의 최대를 기준으로 산정하여 일반적으로 도로터널 기계환기시설의 용량이 부족한 사례는 극히 드물기 때문에, 기계환기시설의 용량부족보다 기계환기시설의 가동률에 의해 발생되는 것으로 예측되어진다.
또한, 가스상물질(CO와 NOx)의 측정결과는 Tunnel I에서 CO농도의 최대값은 1.9 ppm, NOx농도의 최대값은 0.07 ppm으로 나타났으며, Tunnel II에서 CO농도의 최대값은 0.9 ppm, NOx농도의 최대값은 0.025 ppm으로 나타났으며, Tunnel III에서 CO농도의 최대값은 1.4 ppm, NOx농도의 최대값은 0.089 ppm으로 나타났으며, Tunnel IV에서 CO농도의 최대값은 0.9 ppm, NOx농도의 최대값은 0.056 ppm으로 나타났으며, Tunnel V에서 CO농도의 최대값은 1.4 ppm, NOx농도의 최대값은 0.043 ppm으로 나타나 도로터널 환기관련 기준의 규제치보다 상당히 낮은 농도를 나타내고 있는 것을 확인 할 수 있다.
Tables 8, 9에는 본 연구에서 인용 및 측정한 도로터널 내 오염물질의 모니터링 결과와 도로터널 환기관련 기준의 규제치를 정리하여 나타내었다. 모든 터널에서 현재 가스상물질인 CO와 NOx의 규제치(CO: 70 ppm, NOx: 20 ppm)를 상회하는 터널은 전무하였으며, 입자상물질의 측정결과 역시 동일한 것으로 나타났다. 이러한 결과는 현재 도로터널 환기관련 기준의 규제치는 도로용량의 최대치를 기준으로 산정되기 때문이며, 이와 함께 소요환기량을 산정하는 배출량과 각종 계수들이 최신화 되지 못했기 때문으로 분석된다.
이처럼 현장측정의 결과 역시 지자체 및 한국도로공사에서 측정한 결과와 같이 각 오염물질의 차이는 존재할 수 있으나, 도로터널 환기관련 규제치보다 상당히 낮은 농도를 나타내었다.
5에는 측정대상의 입자상 물질을 TSP에 대한 입경별 비율을 나타내었다. 일반적으로 차량의 연소 시 발생하는 입경 이외의 분포영역 즉, PM 2.5 이상의 영역은 평균 35.7%로 나타났으며, 타이어 마모, 재부유 분진 등의 입자라 할 수 있는 PM10 이상의 입경의 영역은 20.4%로 나타났다.
입자상 물질인 TSP의 최대치는 Tunnel I에서 824 µg/m3 이 측정되었으며, 이를 가시도로 환산할 경우 0.004 m-1임에 따라 도로설계편람에서 제시하고 있는 규제치인 0.005~0.009 m-1를 초과하지 않는 것으로 나타났다.
6에는 Tunnel I의 내 ‧ 외부에서 측정한 PM10와 교통량에 대한 결과를 보다 자세히 나타내었다. 측정기간 중 자정에서부터 새벽04시까지의 결과를 관찰하면 교통량은 감소하지만 터널 내부의 PM10 농도는 지속적으로 증가하는 양상을 보이고 있다. 이와 함께 터널 외부의 PM10농도 역시 함께 증가하는 것으로 나타났다.

후속연구

3. 또한 도로터널 내 오염물질의 농도는 터널 내 교통량 뿐 아니라 외부 공기질에도 민감하게 영향을 받으므로, 현행 낮은 환기설비의 가동율을 효율적으로 관리하기 위해 운영상의 관리기준의 신설이 필요성이 제기된다.
4. 최근 도로터널 환기와 관련된 연구결과 등을 준용 및 검토하여 현재 국내적용 중인 도로터널 환기설계 기준의 최신화 및 관련 설계인자의 개정이 필요할 것으로 판단된다.
또한 터널 내 차량수 산정 시 도로용량에 근거한 설계시간 교통량을 적용하여 터널 내 차량수를 과다 산정하는 것이 원인으로 판단된다. 따라서 도로터널 환기설계기준 정립 과정에서 최신의 제작차 오염물질 배출량 및 경사 속도 보정계수의 적용이 필요한 것으로 분석되며, 도로터널과 같이 정속 주행 시 자동차 오염물질 배출량 분석 자료의 분석을 통한 오염물질 배출량 재산정이 필요한 것으로 분석된다. 또한 터널 내 차량수 산정을 도로용량에 근거하는 것을 지양하고 추정설계시간 교통량을 적용하는 것에 대한 검토가 필요한 것으로 판단된다.
따라서 도로터널 환기설계기준 정립 과정에서 최신의 제작차 오염물질 배출량 및 경사 속도 보정계수의 적용이 필요한 것으로 분석되며, 도로터널과 같이 정속 주행 시 자동차 오염물질 배출량 분석 자료의 분석을 통한 오염물질 배출량 재산정이 필요한 것으로 분석된다. 또한 터널 내 차량수 산정을 도로용량에 근거하는 것을 지양하고 추정설계시간 교통량을 적용하는 것에 대한 검토가 필요한 것으로 판단된다.

참고문헌 (12)

BIHE (2000-2016), Report of the Busan institute of health and environment in Busan metropolitan city, Busan Institute of Health and Environment.
KEC (2017), A study on the analysis of air quality and the efficient operation of ventilation facilities in highway tunnel, Korea Expressway Corporation.
Kim, H.G., Choi, P.G., Lee, H.H., Baek, D.S., Na, K.H. (2018), "The estimation of the wall friction coefficient in tunnels by in-situ measurement", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 20, No. 2, pp. 405-421.
Kim, H.G., Lee, C.W., (2019), "A study on the effects of changes in the estimating criteria for ventilation requirements in road tunnels", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 21, No. 6, pp. 779-793.
Lee, C.W., Kim, S.H., Gil, S.W., Cho, W.C., (2009), "A case study for prediction of the natural ventilation force in a local long vehicle tunnel", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 11, No. 4, pp. 395-401.
MLOT (2011), Road design manual (617. ventilation facility), Ministry of Land Transportation.
MOE (2019), Air environment conservation act implementation regulations, Ministry of Environment.
WRA (PIARC) (1991), Technical committee in road tunnels, 19.05.B, pp. 24-35.
WRA (PIARC) (1995), Road tunnels: vehicle emissions and air demand for ventilation, 05.02.B, pp. 24-35.
WRA (PIARC) (2004), Road tunnels: vehicle emissions and air demand for ventilation, (C5) 05.14.B, pp. 39-41.
WRA (PIARC) (2012), Road tunnels: vehicle emissions and air demand for ventilation, PIARC Technical Committee C4, pp. 33-34.
WRA (PIARC) (2019), Road tunnels: vehicle emissions and air demand for ventilation, PIARC Technical Committee D.5, pp. 22-32.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증