[논문]화학사고 피해저감을 위한 GIS 연계 복합시뮬레이션 프로토타입 개발에 관한 연구

김은별; 오주연; 이태욱; 오원규; 김현주; 임동연

doi:10.7780/kjrs.2020.36.5.4.10

[국내논문] 화학사고 피해저감을 위한 GIS 연계 복합시뮬레이션 프로토타입 개발에 관한 연구
A Study on the Development of GIS-based Complex Simulation Prototype for Reducing the Damage of Chemical Accidents 원문보기

대한원격탐사학회지 = Korean journal of remote sensing, v.36 no.5 pt.4, 2020년, pp.1255 - 1266

김은별 (행정안전부 국립재난안전연구원) , 오주연 (행정안전부 국립재난안전연구원) , 이태욱 (울산지방경찰청) , 오원규 (행정안전부 국립재난안전연구원) , 김현주 (행정안전부 국립재난안전연구원) , 임동연 ((주)세이프티아)

초록
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본 연구에서는 화학사고에 따른 인명피해 저감을 위해서 신속하고 정확한 화학물질 확산 범위 예측을 위한 복합시뮬레이션 프로토타입을 개발하였다. 복합시뮬레이션은 화학물질의 누출 특성을 고려하고자 근거리 확산과정에서 누출 운동량을 고려하였다. 원거리 확산과정에서는 사고지점 주변의 기상 및 지형정보를 이용하여 획일적으로 제시되었던 기존 모델의 바람 분포를 개선하여 실제와 유사한 바람장을 구현하였다. 개선된 근·원거리 확산과정에 따라 최종적으로 피해확산 범위는 기존의 모델에 비해서 정밀한 분포를 나타냈다. 본 연구에서 개발된 복합시뮬레이션의 시간대별 피해 범위 예측 결과 통해서 화학사고 발생 후 주민 대피 및 복귀 등 정책적 의사결정의 지원시스템으로서 활용도가 높을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a complex simulation prototype was developed for rapid and accurate prediction of chemical dispersion range in order to reduce human casualties caused by chemical accidents. Complex simulation considered the leakage momentum during the near-field dispersion to take into account the leakage characteristics of the chemical. In the far-distance dispersion process, the wind distribution of the existing model, which was presented uniformly, was improved using weather and topographical information around the accident site, to realize a wind field similar to the actual one. Finally, the damage range was more precise than the existing model in line with the improved near- and far-distance dispersion process. Based on the results of damage range prediction of the complex simulation, it is expected that it will be highly utilized as a system to support policy decision-making such as evacuation and return of residents after a chemical accident.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. Concept of dispersion due to the effect of leakage momentum.
그림 Fig. 2. Configuration of complex simulation module.
표 Table 1. Input data of complex simulation
그림 Fig. 3. Dispersion distribution of according to relative density of gas(NDMI,2018).
표 Table 2. Information of simulation model
표 Table 3. Input data of chemical accident scenario
그림 Fig. 4. Results of leakage dispersion analysis for each model.
그림 Fig. 5. Concept of tile layer technology.
그림 Fig. 6. Process of complex simulation.
그림 Fig. 7. Composition of complex simulation web page (a) basic page, (b) scenario settings.
그림 Fig. 8. Composition of meteorological data input section (a) automatic input, (b) user setting.
그림 Fig. 9. Composition of leakage data input section (a) process conditions, (b) user setting.
그림 Fig. 10. Results of predicted values (a) wind fields, (b) dispersion area.
표 Table 4. Characteristic comparison between Complex simulation and CARIS
표 Table 5. Leakage rate and time information of chemical accident
그림 Fig. 11. Results of chemical accident damage assessment (a) using ALOHA for case 1 and 2, (b) using complex simulation for case 1, (c) using complex simulation for case 2.

AI 본문요약
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문제 정의

근거리 및 원거리 확산 모듈은 선행연구를 통해서 신뢰성이 확보된 모델을 검토하여 본 연구의 목적에 가장 적합한 것을 선정하고 개선하고자 하였다. 이에 본 연구 에서는 화학물질 확산예측 시뮬레이션 중 HGSYSTEM에 대한 검토 및 적합성 검증을 수행하였다.
10과 같이 예측된 바람장과 피해확산 범위를 결과 표출 부분에서 확 인해 볼 수 있다. 기존의 화학사고 피해확산 범위 예측 결과는 다르게 본 연구에서는 다양한 지점의 기상관측 자료와 지형 자료를 이용하여 화학물질이 확산되는 공간내의 격자별 바람장을 확인해 볼 수 있다. 또한 피해 확산 범위는 타원형 등의 형태로 일괄적인 기상조건에 따라 예측된 범위가 아니라 상세 바람장을 기반으로하여 기존의 모델보다 정밀한 분포를 나타낸다.
본 연구에서는 GIS 연계 복합시뮬레이션 체계 개발을 위해서 화학물질 누출사고에 대한 특징을 살펴보았다. 누출사고의 대표적인 유형에는 화학공정 반응기의 반응폭주에 의한 누출, 위험물질 저장 탱크 파열에 의한 누출, 위험물질 운송차량 사고에 의한 누출 등이 있다 (Crowl and Louvar, 2019).
연구에서는 기존의 화학사고 피해범위 예측 시뮬레이션의 한계점 보완을 통한 정밀한 예측 결과 제공을 위해서 복합시뮬레이션 체계를 구축하고 이를 바탕으로 프로토타입을 개발하였다. 복합시뮬레이션 프로토 타입은 근거리 확산 모듈, 원거리 확산 모듈, 기상자료 입력 모듈, GIS 모듈로 구성되었다.
원거리 확산 과정에 대한 주요 개선 사항은 근거리 확산 모듈에서 누출 운동량이 상실되는 지점을 추정하고 그 지점의 유향을 산출한 후 산출된 값을 원거리 확산 모듈의 누출원으로 간주하여 연 계하는 것이다. 이때 원거리 확산에 영향을 미치는 바람장은 사고지점에 인접한 기상지점의 단일 값이 아닌 지형과 주변 관측지점들의 관측 값을 함께 고려하여 구성하고자 하였다. 이를 위해서 본 연구에서는 대기오염 물질의 장거리 수송과 대기의 비정상상태를 고려할 수 있는 CALPUFF 모델을 적용하였다.
이에 따라 본 연구에서는 누출에 의한 화학사고 피해 예측범위 예측 정확도 향상을 위해서 화학물질의 누출이 발생한 지점에서 용기의 압력에 의해 발생하는 누출 운동량을 고려한 화학물질의 거동과 누출 운동량이 모두 소멸된 후 대기의 흐름에 의해서 확산되는 과정을 함께 고려하였다. 또한 예측된 결과를 정책적 의사결정 과정에서 활용하기 위해서 GIS 기법을 연계하여 사고 발생 지점과 화학물질의 확산 범위를 신속하게 파악할 수 있는 복합시뮬레이션 체계를 개발하고 제시하였다.
근거리 및 원거리 확산 모듈은 선행연구를 통해서 신뢰성이 확보된 모델을 검토하여 본 연구의 목적에 가장 적합한 것을 선정하고 개선하고자 하였다. 이에 본 연구 에서는 화학물질 확산예측 시뮬레이션 중 HGSYSTEM에 대한 검토 및 적합성 검증을 수행하였다. HGSYSTEM은 미국 환경청(U.
반면에 PHAST와 HGSYSTEM는 누출지점 근처에서는 누출 운동량을 고려하고 운동량이 상실되는 지점부터는 바람의 영향을 고려하기 때문에 모델의 결과값도 유사하게 나타난 것으로 판단된다. 이에 본 연구에서는 누출 운동량을 고려하고 예측 정확도가 검증된 PHAST와 HGSYSTEM 중 하나의 모델의 선정하는 것이 적합하다고 판단하였으며, 누출 운동량 상실 후 확산을 위한 모델 개선을 위해서 소스코드 형태로 제공되는 HGSYSTEM을 최종적으로 선정하였다.
HGSYSTEM은 화학물질의 확산과정에서 누출 운동 량이 존재하는 영역에 대한 확산 형상을 모의하기에는 정확도가 높은 모델이지만, 누출 운동량 상실 후 지형 및 시간 등의 조건에 따라 변화하는 기상 현상을 반영 하지 못한다는 단점이 있다. 이에 본 연구에서는 누출 운동량이 상실된 후 원거리 확산에 중요한 요소인 지형 및 바람의 분포를 실제상황과 유사하게 고려하기 위해서 모델을 개선하였다. 원거리 확산 과정에 대한 주요 개선 사항은 근거리 확산 모듈에서 누출 운동량이 상실되는 지점을 추정하고 그 지점의 유향을 산출한 후 산출된 값을 원거리 확산 모듈의 누출원으로 간주하여 연 계하는 것이다.

가설 설정

1. Concept of dispersion due to the effect of leakage momentum.
5. Concept of tile layer technology.

제안 방법

GIS 연계 복합시뮬레이션은 총 4개의 모듈로 구성하였다. 각 모듈에 대해서 살펴보면 앞서 설명한 누출된 화학물질의 확산에 대한 예측 정확도 향상을 위해서 근거리 확산과 원거리 확산예측을 위한 각각의 모듈, 기상정보 연계 모듈과 예측 결과를 지도상에 표출하기 위한 GIS 모듈로 구성하였다(Fig. 2).
누출 정보 입력 부분에서는 기본적으로 누출물질, 용기온도, 용기압력, 누출직경 등의 누출 관련 정보를 입력할 수 있도록 구성하였다(Fig. 9(a)).
이에 따라 본 연구에서는 누출에 의한 화학사고 피해 예측범위 예측 정확도 향상을 위해서 화학물질의 누출이 발생한 지점에서 용기의 압력에 의해 발생하는 누출 운동량을 고려한 화학물질의 거동과 누출 운동량이 모두 소멸된 후 대기의 흐름에 의해서 확산되는 과정을 함께 고려하였다. 또한 예측된 결과를 정책적 의사결정 과정에서 활용하기 위해서 GIS 기법을 연계하여 사고 발생 지점과 화학물질의 확산 범위를 신속하게 파악할 수 있는 복합시뮬레이션 체계를 개발하고 제시하였다.
본 연구에서 개발한 복합시뮬레이션의 특성을 더욱 상세히 제시하기 위해서 실제 발생 사례에 대한 적용을 통해서 추가 분석을 수행하였다.
본 연구에서 선정한 HGSYSTEM에 대한 적합성 검증을 위해서 사고에 의해 누출된 화학물질 확산예측에 일반적으로 활용하는 3개 모델과 비교분석을 수행하였고(Table 2), 이를 위한 시나리오의 초기 입력조건은 Table 3과 같다. 화학물질의 특성상 가벼운 가스의 경우 바람의 방향에 따라 수평적으로 확산되지만, 무거운 가스의 경우 누출 지점 근처에서는 누출 운동량에 의해서 확산형태를 나타내고 운동량이 상실되는 지점부터는 중력 및 바람의 영향에 의해서 수평적으로 확산하여 지상 근처에 도달하여 영향을 미칠 수 있다(Fig.
화학사고 발생 시 정책적 의사결정에 복합시뮬레이션의 결과를 활용하기 위해서는 화학물질 확산 범위와 바람장 등의 산출결과를 지도상에 표출하는 과정이 필요하다. 이를 위해서 본 연구에서는 국토교통부에서 제 공하는 브이월드 지도 서비스를 기반으로 GIS 모듈을 구축하였다. GIS 모듈에서는 지도상에 각 격자 단위로 생성된 바람장 및 화학물질의 농도분포를 나타내기 위해서 타일 레이어(Tile layer) 기법을 이용하여 OpenLayer 3.
화학사고가 발생하는 공정에 대한 정보 및 누출물질에 대한 입력자료를 이용해서 근거리 확산 모듈을 수행하고, 그 결과는 원거리 확산 모듈의 입력자료가 된다.

대상 데이터

CALMET 모델에서 상세 바람장 생성 시 필요한 기상관측 자료는 기상정보 연계 모듈을 통해서 자동으로 수집하였다. 기상정보 연계 모듈에서는 기상청에서 운영 중인 590여 개의 자동기상관측 지점에 대한 데이터베이스가 구축되어 있고, 누출사고가 발생하면 사고지점에서 가장 근접한 순서대로 10km 이내 관측지점을 목록화한다.
GIS 연계 복합시뮬레이션은 총 4개의 모듈로 구성하였다. 각 모듈에 대해서 살펴보면 앞서 설명한 누출된 화학물질의 확산에 대한 예측 정확도 향상을 위해서 근거리 확산과 원거리 확산예측을 위한 각각의 모듈, 기상정보 연계 모듈과 예측 결과를 지도상에 표출하기 위한 GIS 모듈로 구성하였다(Fig.
누출된 화학물질은 스타이 렌(Styrene, CAS. No. 100-42-5, 조성비 33.8%)으로 누출 온도는 105°C이다.
본 연구에서 개발한 복합시뮬레이션의 특성을 더욱 상세히 제시하기 위해서 실제 발생 사례에 대한 적용을 통해서 추가 분석을 수행하였다. 대상사례는 2019년 5월 17일과 18일에 충청남도 서산시 공장에서 발생한 화학 물질 누출사고이다(NICS, 2019). 분석을 수행한 사고는 탱크 내부 SM 중합반응으로 인한 유증기 유출에 의한 것으로 2019년 5월 17일에 1차 사고가 발생하고 18일에 는 2차 사고가 발생하였다.
연구에서는 기존의 화학사고 피해범위 예측 시뮬레이션의 한계점 보완을 통한 정밀한 예측 결과 제공을 위해서 복합시뮬레이션 체계를 구축하고 이를 바탕으로 프로토타입을 개발하였다. 복합시뮬레이션 프로토 타입은 근거리 확산 모듈, 원거리 확산 모듈, 기상자료 입력 모듈, GIS 모듈로 구성되었다. 근거리 확산 모듈에서는 화학물질 누출 특성에서 중요한 요소인 누출 운동량을 고려하였고, 원거리 확산 모듈에서는 누출 운동량 상실 후 화학물질의 확산에 중요한 요소의 상세 바람장을 고려하였다.
3). 즉, 화학물질이 누출될 경우 공기보다 무거운 가스가 가벼운 가스에 비해서 인명피해를 발생시킬 가능성이 크기 때문에 본 연구에서는 분석을 위한 대상물질로 무거운 가스 중 염소가스를 선정하였다.

이론/모형

이를 위해서 본 연구에서는 국토교통부에서 제 공하는 브이월드 지도 서비스를 기반으로 GIS 모듈을 구축하였다. GIS 모듈에서는 지도상에 각 격자 단위로 생성된 바람장 및 화학물질의 농도분포를 나타내기 위해서 타일 레이어(Tile layer) 기법을 이용하여 OpenLayer 3.0 기반의 브이월드 지도에 표출하였다(Fig. 5).
이때 원거리 확산에 영향을 미치는 바람장은 사고지점에 인접한 기상지점의 단일 값이 아닌 지형과 주변 관측지점들의 관측 값을 함께 고려하여 구성하고자 하였다. 이를 위해서 본 연구에서는 대기오염 물질의 장거리 수송과 대기의 비정상상태를 고려할 수 있는 CALPUFF 모델을 적용하였다.

성능/효과

또한 고농도 구간의 경우 유관기관의 분석 결과에서는 사고지점에서 가까운 경우 고농도를 보이고 이격 거리가 멀어질수록 농도가 낮아 지는 경향을 보였으나 복합시뮬레이션의 결과에서는 동일한 거리상에 있더라도 바람의 영향에 따라 화학물질의 농도가 다르게 분포함을 알 수 있었다.
또한 고농도 구간의 경우 유관기관의 분석 결과에서는 사고지점에서 가까운 경우 고농도를 보이고 이격 거리가 멀어질수록 농도가 낮아 지는 경향을 보였으나 복합시뮬레이션의 결과에서는 동일한 거리상에 있더라도 바람의 영향에 따라 화학물질의 농도가 다르게 분포함을 알 수 있었다. 뿐만 아니라 복합시뮬레이션에서는 시간의 변화에 따른 바람장 및 화학물질 확산 고려할 수 있어 기존의 시뮬레이션에 비해 더 상세하고 정밀한 결과를 제공할 수 있다.
염소가스의 분석결과(Fig. 4),총 4개의 모델 중 PHAST 와 HGSYSTEM이 유사한 경향을 나타내고 ALOHA와 EFFECT가 유사한 확산 분포 결과를 나타내었다. 이러한 결과가 나타나는 것은 ALOHA와 EFFECT의 경우 확산 범위 예측 시 누출 운동량을 고려하지 않고 바람의 영향만 고려하기 때문에 두 모델의 결과값이 유사한 것으로 판단된다.

후속연구

근·원거리 확산과정이 함께 고려된 복합시뮬레이션의 시간대별 피해 범위 예측 결과 통해서 화학사고 발생 후 주민 대피 및 복귀 등 정책적 의사결정의 지원시스템으로서 높은 활용도가 기대된다. 뿐만 아니라 복합 시뮬레이션의 산출결과는 현재 운영 중인 노후화된 산업단지 등 사고 발생 위험성이 높은 시설에 대한 관리 대책이나 사고 시 비상대응계획 수립 시에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
근·원거리 확산과정이 함께 고려된 복합시뮬레이션의 시간대별 피해 범위 예측 결과 통해서 화학사고 발생 후 주민 대피 및 복귀 등 정책적 의사결정의 지원시스템으로서 높은 활용도가 기대된다. 뿐만 아니라 복합 시뮬레이션의 산출결과는 현재 운영 중인 노후화된 산업단지 등 사고 발생 위험성이 높은 시설에 대한 관리 대책이나 사고 시 비상대응계획 수립 시에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

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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].

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