(사)한국입자에어로졸학회
도시 자동차도로 터널 내부의 대기오염도 공간분포 특징
박보은1),2)⋅이승복1),2)*⋅이동훈1)⋅이승재1)⋅우대광1)⋅최재현1)⋅진현철1)⋅배귀남1),2)⋅윤성택2),3)
1)한국과학기술연구원 환경복지연구단, 2)고려대학교 그린스쿨(에너지환경정책기술대학원)
3)고려대학교 지구환경과학과
(2012년 1월 4일 투고, 2012년 2월 16일 수정, 2012년 3월 5일 게재확정)
Spatial Distribution of Air Pollution Level inside Roadway Tunnels in Urban Area
Bo-Eun Park1),2), Seung-Bok Lee1),2)*, Dong-Hun Lee1), Seung Jae Lee1), Dae-Kwang Woo1) Jae-Hyun Choi1), Hyoun-Cher Jin1), Gwi-Nam Bae1),2), Seong-Taek Yun2),3)
1)Center for Environment, Health and Welfare Research, Korea Institute of Science and Technology
2)Green School (Graduate School of Energy and Environment), Korea University
3)Department of Earth and Environmental Science, Korea University
(Received 1 January 2012; Revised 16 February 2012; Accepted 5 March 2012)
Abstract
Air pollution levels of gases and aerosol particles inside the Jeongneung and Hongjimun tunnels of the Naebu express way in Seoul were investigated through on-road measurement using a mobile emission laboratory (MEL) on February 8, 2011. The concentrations of NOx, CO2, number concentration of particles ranging 21-560 ㎚, and surface area of particles deposited on a human lung almost linearly increased with increasing distance from the tunnel entrance, and decreased rapidly before the tunnel exit. This trend was observed regardless of tunnel length and driving directions, which thought to be caused by semi-transverse ventilation facilities of the tunnels. The concentration increments per 1-m distance for NOx, CO2, deposited particle surface area, and number of particles ranging 21-560 ㎚ were 0.61~0.80 ppb, 0.16~0.21 ppm, 0.20~0.29 μ㎡/㎤, and 117~192 particles/㎤, respectively. Average pollution levels inside the two tunnels for CO2, deposited particle surface area, and number of particles >5.6 ㎚ ranged 681~748 ppm, 246~381 μ㎡/㎤, and 2.4~6.7×105 particles/㎤, respectively. In case of NOx, the maximum concentration exceeded 1 ppm. These pollution levels inside the tunnels are much higher than those at urban background sites. This result can be utilized as basic data to evaluate the effectiveness of present ventilation system for reducing the pollution level caused by vehicles inside the tunnels.
Keywords：Roadway tunnel, Air pollution, On-road measurement, Vehicle emission, Nanoparticle
* Corresponding author.
Tel：+82-2-958-5821, Email：[email protected]
대기오염물질이 터널을 통행하는 운전자에게 빈번 하게 그리고 고농도로 노출될 수 있을 뿐만 아니라 터널 출구에 인접한 생활환경에 영향을 미치는 주 요 오염원으로 작용할 수 있으므로 터널 내부의 대 기오염도를 조사할 필요가 있다.
터널 내부에서 관리되는 오염물질의 종류에는 매 연, CO, NOx가 있는데, 이러한 오염물질은 운전자의 시야 확보에 영향을 미치고, 호흡기 및 순환기 질환 을 유발하며, 폐기능 저하를 일으키기 때문에 터널 내부의 허용기준을 만족할 수 있도록 환기설비를 운영하고 있다(Kang et al., 2003). 매연의 허용기준 은 빛의 투과계수를 이용하는데 단위 미터당 0.006
∼0.009 범위이고, CO와 NOx의 터널 내부 허용기준 은 각각 100 ppm, 25 ppm으로 우리나라 환경기준인 8시간 평균 CO 농도 9 ppm과 연평균 NO2 농도 0.030 ppm보다 11~833배 높은 수준이다(MOCT, 1999;
Kang et al., 2003; MOE, 2010).
터널 내부 오염물질의 허용기준을 만족시키기 위 해 터널용 집진기와 같은 오염물질 처리 설비를 이 용하여 직접 저감시키는 방법이 있으나 적용 사례 가 드물고, 대부분의 경우 희석 및 확산을 용이하게 하는 환기설비를 이용하는 간접적인 방법이 적용되 어 있다(Kang et al., 2003). 자동차 통행량과 오염물 질 배출량 자료를 이용하여 터널 내 오염물질 허용 기준을 만족시킬 수 있는 환기량을 추정하여 이 조 건으로 환기설비가 운영되고 있다.
터널환기는 크게 자연환기와 기계환기로 나눌 수 있고, 기계환기는 일반적으로 터널 외부에 있는 신 선한 공기를 유입하여 오염된 공기를 희석 및 배기 시키는 방법인데, 터널 내부에서 기류의 방향에 따 라서 종류식, 횡류식, 반횡류식 등으로 구분된다 (Shin et al., 2000). 종류식 환기는 희석공기가 터널
본 연구에서는 서울시 내부순환로에 위치한 정릉 터널과 홍지문터널에서 터널 내부의 오염도 공간분 포를 측정하였는데, 이 두 터널에는 반횡류식 환기 설비가 설치되어 있어서 외부공기를 터널 내부에 공급함으로써 오염도를 저감시킨다. 터널을 주행하 는 운전자의 인체 노출을 저감시킬 수 있도록 터널 내부 오염도가 효과적으로 관리되어야 하는데, 이를 위해 터널 내부 오염도의 공간분포를 조사하여 환 기설비의 성능 및 환기량의 적정성 등을 평가하는 데 기초자료로 활용할 필요가 있다.
국내외 기존 연구자들은 기상요소의 영향 및 자 동차 이외의 다른 오염원의 영향을 가능한 최소화 할 수 있는 공간인 터널 내부에서 대기질을 측정함 으로써 터널 내부 오염도 수준을 파악하고, 자동차 에 의한 오염물질의 배출 특징을 규명하고, 실제 도 로 주행조건의 자동차 배출계수를 산정하였다(Ghim et al., 1993; Weingartner et al., 1997; Baek et al., 1998; Kirchstetter et al., 1999; Sturm et al., 2003;
Jamriska et al., 2004; Kristensson et al., 2004; Ma et al., 2004; Na, 2006; He et al., 2008; Morawska et al., 2008).
Ghim et al.(1993)은 이동측정차를 이용하여 터널 내부 가스상 오염물질의 농도를 측정하여 반횡류식 이면서 양방향 통행인 남산 2호 터널의 경우 거리에 따라 농도가 증가하다가 출구에 가까워지면서 농도 가 다시 감소하는 경향을 관찰하였고, 제트팬식이면 서 일방 통행인 북악터널의 경우 출구쪽으로 갈수 록 농도가 점점 증가하는 경향을 관찰하였으나 입 자상 물질에 대해서는 조사하지 않았다. Shin et al.(2000)은 수직구와 제트팬을 함께 이용하는 종류 식 환기를 하고 있는 영동고속도로상 둔내터널 내 부의 8개 지점에서 환기용 계측기로 상시 감시되고
Fig. 1. The location of Jeongneung and Hongjimun Tunnels at Naebu Express Way in Seoul.
있는 매연의 오염도과 CO의 농도를 거리에 따라 분 석하여 대체로 출구쪽으로 갈수록 농도가 증가하는 경향이 항상 관찰되므로 터널 전 구간에 걸쳐 일정 한 간격으로 환기용 계측기를 설치하는 것을 재고 할 필요가 있다고 주장하였다.
Gouriou et al.(2004)이 1초마다 0.03~10 μm 범위 인 입자의 크기분포를 측정하는 electrical low-pressure impactor를 자동차에 설치하여 프랑스 Rouen에 있는 1600 m 길이의 Grand Mare 터널을 여러 번 왕복 주 행하면서 터널 내부 입자의 수 농도 공간분포를 측 정하여 터널 입구에서 수백 미터까지 대기오염도가 약간 감소하다가 그 이후부터 선형적으로 급격히 증가하는 경향을 보고하였으며, 실제 도로상 운전자 의 노출 수준을 조사하기 위해 on-road measurement 가 필요함을 보였으나, 가스상 오염물질은 측정하지 않았다.
본 연구에서는 이동형 대기오염 측정시스템 (mobile emission laboratory, MEL)을 이용하여 서울 시 자동차 전용도로인 내부순환로에 위치한 정릉터 널과 홍지문터널을 주행하면서 가스상 물질(NOx, CO2) 및 입자상 물질(입자의 수 농도, 호흡기에 침 착되는 입자의 표면적)을 동시에 측정하여 터널 내 부 오염도의 공간분포의 특징을 분석하였다. 지구온 난화 주요 원인물질인 CO2의 측정결과는 향후 친환 경자동차 기술의 적용 및 보급에 따른 CO2 배출 저 감 효과를 실도로상에서 평가할 때 기초자료로 활 용될 수 있을 것이다.
2. 측정
2.1 측정지역
본 연구에서는 이동형 대기오염 측정시스템(MEL) 을 이용하여 2011년 2월 8일(화) 오후 2~4시 사이에 서울의 내부순환로에 위치한 정릉터널과 홍지문터 널을 하행방향(정릉터널-홍지문터널 순) 및 상행방 향(홍지문터널-정릉터널 순)으로 주행하면서 가스상 및 입자상 대기오염물질을 실시간으로 측정하였다.
Fig. 1은 두 터널의 위치 및 지형도를 나타낸 것이 다. 두 터널은 북악산 지대를 통과하기 때문에 하행 방향의 경우 정릉터널 진입 직전 구간은 오르막 지 형이다가 두 터널 구간은 내리막 지형인데, 정릉터 널은 홍지문 터널에 비하여 경사가 더 완만하다(Fig.
2 참조).
두 터널의 제원 및 구조를 나타낸 Fig. 2에서 보듯 이 정릉터널과 홍지문터널의 길이는 각각 1650 m, 1890 m이고, 바닥 평균 경사도는 0.3~2.2% 범위로 완만하며, 두 터널 모두 양쪽 끝에 송풍기 1대씩을 이용하여 터널 외부의 공기를 터널 내부로 급기하 는 반횡류식 환기설비를 갖추고 있다. 두 터널 모두 방향에 따라 튜브가 구별되어 있는 일방향 3차선 터 널이며 차도의 면적은 홍지문터널 상행만 71 m2이 고, 나머지는 66 m2이며, 모든 풍도의 면적은 27 m2 로 일정하다.
2.2 측정방법
본 연구에서는 연속 가스 분석기와 실시간 입자 측정기를 그랜드 스타렉스 내부에 탑재하여 도로를
(a) Side-view diagram for outbound direction
(b) Cross-sectional diagram
Fig. 2. Schematic diagram of Jeongneung Tunnel (J) and Hongjimun Tunnel (H)
주행하면서 도로상 오염도를 실시간으로 측정할 수 있는 이동형 대기오염 측정시스템을 이용하였다 (Lee et al., 2011). 본 연구에서는 화학 발광법을 이 용하는 NO/NO2/NOx 분석기(Environnement S.A AC32M)와 NDIR gas filter correlation 원리의 CO/CO2 분석기(Environnement S.A CO12M)로 각각 NOx와 CO2 농도를 3~5초마다 측정하였다. NO2 농 도는 매 5초마다 NO 및 NOx 농도를 번갈아 측정하 여 NOx 농도에서 NO 농도를 뺀 값으로 계산되는데, 이러한 측정 원리 때문에 농도 변화가 빠른 본 측정 조건에서 NO2가 과소평가되거나 과대평가되는 문제 가 발생하기 때문에 NO2 측정값은 제시하지 않았으 며, CO 농도의 경우 응답시간의 변동성을 포함하여 분석기의 신호처리 방식에 의한 영향을 평가할 필 요가 있어서 결과분석에서 제외하였다. 또한, 입자
표면의 하전 원리와 이온트랩을 이용한 nanoparticle aerosol monitor(NAM, TSI AeroTrak 9000)로 인체 호 흡기내 alveolar 부위에 침착하는 에어로졸 입자의 표면적(deposited particle surface area)을 매초마다 측 정하였고, 하전된 입자의 전기 이동도 차이로 분류 한 총 32개 입자의 크기구간에 따라 22개 electro- meter로 각각 수 농도를 계수하는 fast mobility particle sizer(FMPS, TSI 3091)로 5.6~560 ㎚ 범위인 입자의 크기분포를 매초마다 측정하였다. NAM, FMPS, NO/NO2/NOx 및 CO/CO2 분석기의 유량은 각 각 2.5, 10, 1.3, 0.66 L/min이다.
MEL이 터널 내부를 주행하는 중 터널의 공기 시 료는 MEL 차량 앞 유리창 바로 위, 지면으로부터 약 2 m 높이에 설치한 테플론 및 SUS 재질의 통합 흡입관을 통해 채취되어 각각 가스분석기와 입자
측정기로 분기되었다. 입자 측정의 경우 내경 10 mm인 흡입구에서 가능한 등속흡입조건에 가깝도록 외부공기를 흡입한 후 내경이 48 mm인 흡입관에서 층류가 되도록 하여 입자 손실을 가능한 줄인 후 내 경이 150 mm인 분기챔버에서 유속이 약 0.1 m/s가 되도록 한 후 내경이 각각 10 mm와 20 mm인 SUS 튜브로 분기시킨 후 전도성 튜브를 통해 각각 NAM 과 FMPS로 흡입되도록 하였다(Lee et al., 2011) 측정된 가스상 및 입자상 대기오염물질의 농도는 MEL 차량 앞 유리창 안쪽에 설치된 GPS에 의해 측 정된 차속, 차가속도, 위도, 경도, 고도와 같은 주행 정보 및 지형정보, 그리고 MEL 차량 지붕에 설치된 기상센서에 의해 측정된 풍향, 풍속, 기온, 상대습 도, 강수량 등의 정보와 함께 동기화되어 한 개의 파일에 매초마다 저장되었고, FMPS만 자체 소프트 웨어로 별도의 파일로 저장되었다. 또한, 측정 당시 의 교통상황 및 특이사항을 파악하기 위해 CCTV 영상자료를 별도로 저장하여 분석하였다.
본 측정에서는 MEL 차량의 운전 시 특정 차량을 뒤쫓아 가지 않고, 가능한 2차선을 유지하며 원활, 정체, 지체 등과 같은 측정 당시의 교통흐름에 맞추 되, 주행 중 전방에 오염이 심한 차량, 즉, 대형트럭 이나 대형버스가 있는 경우 추월하든지 속도를 늦 추어 거리를 충분히 확보해야 하는 원칙들을 지키 며 주행하였다.
본 연구팀에서는 MEL을 이용하여 2011년 2월 8 일(화) 오후에 서울 내부순환로 및 강변북로로 연결 되는 자동차 전용도로를 양방향으로 2회 주행하며 도로상 오염도를 측정하였는데, 본 연구에서는 터널 내부 공간분포 특징만을 분석하였다. 터널 측정시간 과 이를 이용하여 계산한 MEL 평균 차속은 하행방 향의 경우 각각 14:13:59~14:16:56(2분 57초)와 72(정 릉터널)~80(홍지문터널) km/h이었고, 상행방향의 경 우 15:51:06~15:54:34(3분 28초)와 62(홍지문터널)
~69(정릉터널) km/h이었다. 하행방향 측정의 경우 정릉터널 입구 부근에서 MEL 차량이 대형트럭 뒤 를 주행하게 되어, 홍지문터널을 진입하면서 이 대 형트럭을 추월하였다. 측정 당일 14시와 15시에 정 릉터널에서 홍지문터널 구간에서 수집된 1시간 교 통량은 하행방향의 경우 3,971~4,061대, 상행방향의 경우 3,882~3,923대로 시간대 및 주행방향에 따라 큰 차이를 보이지 않았다. 측정 당시의 날씨는 맑았
으며, 측정시간 동안 기온과 상대습도의 평균값은 9
℃와 30%로 기상적인 특이사항은 없었다.
3. 결과 및 고찰
3.1 터널 내 오염물질의 공간분포
MEL을 이용하여 2011년 2월 8일에 내부순환로에 위치한 정릉터널과 홍지문터널을 하행 또는 상행방 향으로 주행하면서 연속 가스 분석기로 측정한 NOx
와 CO2 농도, NAM으로 측정한 호흡기 침착 입자의 표면적 농도, FMPS로 측정한 5.6~560 ㎚ 범위인 입 자의 수 농도의 변화를 Fig. 3에 나타내었다. 공기 시료가 흡입관을 통과하여 장비에 도달하는데 소요 되는 시간과 측정장비의 특성에 의한 응답시간 등 으로 인하여 NOx 및 CO2 가스분석기, NAM, FMPS 마다 각각 32, 18, 9, 17초의 지연시간을 보정하였다.
Fig. 3에서 보듯이 하행방향 정릉터널과 상행방향 홍지문터널에서 측정한 입자의 수 농도 변화를 제 외하고 나머지 모든 측정자료에서 터널 입구에서 출구로 갈수록 대기오염물질의 농도가 점차적으로 증가하다가 출구 직전에 급격히 감소하기 시작하는 경향을 나타냈다. 이러한 경향은 Ghim et al.(1993)이 반횡류식 환기설비가 있는 남산 2호 터널에서 측정 한 CO 농도 변화와 잘 일치한다. 만약 터널 출구쪽 에 희석공기의 공급량이 상대적으로 많았다면 이와 같은 경향성이 나타날 수 있을 것이다. 하지만 희석 공기의 공급량은 각 환기구에 있는 댐퍼를 이용하 여 터널 내부 위치에 상관없이 균일하도록 설계되 었을 것이고, 설계 조건대로 환기설비가 운영되었을 것이므로 터널 출구 직전의 농도 감소의 원인은 터 널 출구를 통한 외부공기의 터널 내 혼입 때문일 것 으로 추정된다.
Figs. 3(a)와 3(b)에서 보듯이 NOx의 경우 터널 내 부에서 설정한 기기의 측정범위인 1000 ppb를 초과 하여 정확한 농도를 측정하지 못하였는데, 증가 기 울기가 일정하다고 가정하면 1500 ppb 수준까지 증 가하였을 것으로 추정된다. 터널 입구의 NOx와 CO2
농도는 각각 200~530 ppb, 550~650 ppm 범위였고, 터널 내부의 CO2 최고 농도는 출구 직전에서 800~900 ppm 범위였다. 하행방향 정릉터널 직전 (14:13~14:14)에서 NOx와 CO2에서 국소적인 고농도
(a) CO2 and NOx(outbound) (b) CO2 and NOx(inbound)
(c) Surface area and number of particle(outbound) (d) Surface area and number of particle(inbound)
(e) Particle size distribution(outbound) (f) Particle size distribution(inbound)
Fig. 3. Spatial variations in concentrations of air pollutants in tunnels.
피크가 관찰되었는데, 이는 MEL 전방 CCTV 영상 에서 관찰된 대형트럭이 정릉터널에 진입하기 직전 오르막 구간을 주행하면서 배출한 배출가스의 직접 적인 영향을 받았기 때문인 것으로 생각한다.
Figs. 3(c)와 3(d)에서 보듯이 입자의 표면적은 하 행방향 정릉터널의 경우 입구에서 약 250 μm2/cm3 이다가 출구 직전에서 약 540 μm2/cm3까지 증가하 였다가 감소하기 시작하여 정릉터널 외부에서 약 80 μm2/cm3로 낮아졌으며, 다시 홍지문터널을 통과하 며 출구 직전에서 약 400 μm2/cm3까지 증가하였다 가 감소하기 시작하여 홍지문터널 외부에서 다시 약 80 μm2/cm3로 낮아졌다. 상행방향의 경우 두 터널 모두 입구에서 100 μm2/cm3 수준이다가 출구 직전 에서 600 μm2/cm3 수준까지 증가하였다가 감소하여 터널 외부에서 80~120 μm2/cm3 범위로 낮아졌다.
5.6 ㎚ 이상인 입자의 총 수 농도도 Figs. 3(c)와 3(d)에서 보듯이 하행방향 홍지문터널의 경우 입구 에서 100,000 개/cm3 수준이다가 출구 직전에서 400,000 개/cm3 수준으로 증가하였다가 홍지문터널 외부에서 70,000 개/cm3 수준으로 낮아졌다. 상행방 향 정릉터널의 경우 입구에서 200,000 개/cm3 수준이 다가 출구 직전에서 600,000 개/cm3 수준으로 증가하 였다가 100,000 개/cm3 수준으로 낮아졌다. 입자의 총 수 농도는 하행방향 정릉터널 입구 직후와 상행 방향 홍지문 터널 입구 직후에 고농도 피크들이 관 찰되어 오염도의 증가 경향성이 뚜렷하지 않았는데, 이는 MEL 전방 CCTV 영상에서 관찰된 트럭들에서 배출된 배출가스의 직접적인 영향을 받았기 때문인 것으로 생각한다(Gouriou et al., 2004). 이러한 고농 도 피크들의 경우 Figs. 3(e)와 3(f)에서 보듯이 모드 입경이 11 ㎚로 매우 작은 입자의 기여도가 컸기 때 문에 입자의 표면적에서는 피크가 뚜렷하지 않았다.
21 ㎚ 이상인 입자의 수 농도로 나타내면 터널 내부 에서 점점 오염도가 증가하는 경향을 관찰할 수 있 었으며, 입자의 표면적 변화와도 유사하였다. 따라 서 특정 자동차에서 고농도로 배출될 수 있는 수십
㎚ 이하 입자를 제외한다면 터널 내부에서 입자의 수 농도 공간분포의 특징이 비교적 뚜렷해짐을 알 수 있다.
이러한 전방 차량의 직접적인 영향을 고려하면서, 터널 내부 입자의 크기분포 변화를 나타낸 Figs. 3(e) 와 3(f)를 살펴보면 터널 출구로 갈수록 대체로 입자
의 크기가 점차 증가하는 경향을 나타내었다. 하행 방향 홍지문터널의 경우 20 ㎚ 이하인 입자의 수 농 도의 최고값은 터널 입구에 비하여 약 2배 증가한데 반해 42~65 ㎚ 범위인 입자의 수 농도의 최고값은 약 4배 증가했다. 이러한 현상은 터널 입구에서 배 출된 작은 입자들이 출구로 이동하는 중에 농도가 높아지면서 서로 응집(coagulation)되었던 것도 하나 의 원인으로 생각된다.
3.2 거리에 따른 농도 증가 특징
Fig. 3에 나타낸 측정자료를 터널 내부 거리에 따 른 농도변화로 변환하여 가스상 물질은 Fig. 4에, 입 자상 물질은 Fig. 5에 나타내었다. 터널 내부에서는 GPS로 MEL 차량의 속도를 측정할 수 없기 때문에 터널 입구와 출구의 진입 및 진출 시간을 이용하여 평균 차속을 계산하여 시간에 따른 거리를 산출하 였고, 전방 트럭들의 직접적인 영향으로 생각되는 농도와 터널 출구 직전의 감소하는 농도 구간(출구 에서 70~300 m 지점)은 제외하고 나타내었다.
Figs. 4와 5에서 보듯이 모든 측정자료에서 터널 입구로부터의 거리와 농도의 결정계수(R2)가 0.94 이상으로 매우 양호한 선형 상관성을 나타냈다. 21
㎚ 이상인 입자의 수 농도를 제외하고 나머지 오염 물질의 경우 터널의 종류와 주행방향에 상관없이 터널 내부에서 거리에 따른 선형적인 증가율은 유 사하였다. 즉, 단위거리에 따른 농도 증가폭은 NOx
와 CO2의 경우 각각 0.61~0.80 ppb, 0.16~0.21 ppm, 입자의 표면적의 경우 0.20~0.29 μm2/cm3이었고, 변 동계수는 모두 15% 이하였다. 반면 21 ㎚ 이상인 입 자의 수 농도의 경우 단위거리에 따른 농도 증가율 의 범위는 117~192 개/cm3, 변동계수는 24%로 비교 적 큰 폭으로 변하였다.
터널 내부에서 거리에 따라 오염도가 증가하는 구간에 대하여 각 오염물질이 터널 거리와 양호한 선형적인 상관관계를 가지므로 각 오염물질간에도 선형적인 상관관계가 있게 되는데, 예를 들어 주행 방향에 상관없이 입자의 표면적은 입자의 수 농도, NOx, CO2와 두 터널 모두에서 결정계수가 0.87 이상 인 양호한 선형 상관관계를 나타냈다.
3.3 터널 내부 오염도 수준
터널 내부의 입자상 및 가스상 오염물질의 평균
(a) NOx(outbound) (b) NOx(inbound)
(c) CO2(outbound) (d) CO2(inbound) Fig. 4. Spatial variations in gas concentrations with distance in tunnels.
농도를 기존 문헌 자료와 함께 Table 1에 나타내었 다. 터널의 길이, 환기설비의 종류, 교통량, 경유차 의 비율, 기상요소 등 터널 내부의 오염 수준에 영 향을 미치는 다양한 인자들과 측정장비의 종류 및 조건, 측정지점의 거리 및 높이 등과 같은 측정방법 에 따라 터널 내부에서 측정한 오염물질의 평균 농 도는 차이를 나타낼 수 있지만, 본 연구에서는 정릉 터널 및 홍지문터널과 국내외 터널과의 일반적인 오염도 수준을 비교하기 위하여 상세한 비교는 생 략하였으며, 추가로 도시 및 시외 대기의 농도 수준 과 비교하였다.
Table 1에서 보듯이 정릉터널과 홍지문터널 내부 의 평균 NOx 농도는 564~764 ppb 범위로 측정한계 를 초과하는 고농도가 관찰된 것을 고려한다면 Ghim et al.(1993)이 이동차량으로 남산 1호, 2호, 3
호 터널과 북악터널 내부의 공간분포를 측정하여 산출한 농도 범위와 유사하고, Kristensson et al.(2004)이 스웨덴 스톡홀름의 1.5 km 길이 터널의 370 m와 965 m 두 지점에서 측정한 NOx 농도의 평 균과도 큰 차이가 나지 않는 것으로 생각되며, 이러 한 오염도 수준은 서울시 대기 농도인 44 ppb의 10 배 이상 높았다(Lee et al., 2008).
정릉터널과 홍지문터널 내부의 CO2 농도는 681~748 ppm 범위로, 일본 오사카 고속도로에 위치 한 2 km 길이 터널의 출구 지점에서 측정한 농도와 유사하였고, 서울 도시 대기 농도보다 1.6배 이상 높 았다.
정릉터널과 홍지문터널 내부에서 측정한 인체 호 흡기에 침착되는 입자의 평균 표면적은 246~381 ㎛
2/㎝3로 Ntziachristos et al., (2007)이 미국 LA에서 측
(a) Deposited particle surface area (outbound) (b) Deposited particle surface area (inbound)
(c) Particle number (21~560 ㎚) (outbound) (d) Particle number (21~560 ㎚) (inbound) Fig. 5. Spatial variations in particle concentrations with distance in tunnels.
정한 freeway 인접 농도인 약 153 ㎛2/㎝3보다 약간 높았고, LA 도시 배경 농도인 53~69 ㎛2/㎝3보다 3배 이상 높았다.
정릉터널과 홍지문터널 내부에서 측정한 입자의 평균 수 농도는 5.6~21 ㎚ 구간, 21~100 ㎚ 구간, 100~560 ㎚ 구간에서 각각 0.9~3.9×105개/cm3, 1.4~2.6×105개/cm3, 0.1~0.2×105개/cm3 범위였고, 5.6
㎚ 이상 입자의 총 수 농도는 2.4~6.7×105개/cm3 범 위였다. 기존 연구들마다 측정한 입자의 크기 범위 가 조금씩 달라서 직접 비교하기는 어렵지만, Kirchstetter et al.(1999)가 1.1 km 길이의 Caldecott Tunnel 출구 50 m 직전에서 측정한 10 ㎚ 이상인 입 자의 수 농도는 본 연구 결과와 유사한 수준이었고, Jamriska et al.(2004)이 비교적 짧고 한적한 터널의 출구지점에서 측정한 17 ㎚ 이상인 입자의 수 농도
보다 높았으며, 도시 대기 농도에 비하여 8배 이상 높았다.
4. 결 론
본 연구에서는 이동형 대기오염 측정시스템(MEL) 을 이용하여 서울시 자동차 전용도로인 내부순환로 에 위치한 정릉터널과 홍지문터널을 하행방향 및 상행방향으로 주행하면서 입자의 수 농도 및 크기 분포, 호흡기에 침착되는 입자의 표면적, NOx 및 CO2 농도 등을 동시에 측정하여 터널 내부 오염도 의 공간분포 및 오염도 수준에 대해 다음과 같은 결론을 얻었다.
첫째, MEL 차량의 전방에서 주행하던 경유 트럭
Deposited particle surface area (㎛/㎝) 381±94 346±138 246±105 317±146 153 53-69
Particle number (×105 particles/㎝3)
5.6-21 ㎚ 3.9±1.3 2.1±0.6 0.9±0.3 1.9±0.4
0.8i) (17-700 ㎚)
1.6-4.0c) (> 10 ㎚)
0.1-0.2h) (> 5 ㎚)
0.073j) (17-700 ㎚)
0.01-0.3k) (6-560 ㎚) 21-100 ㎚ 2.6±0.6 2.1±0.7 1.4±0.5 2.1±0.8
100-560 ㎚ 0.2±0.05 0.2±0.05 0.1±0.03 0.1±0.07
a) four tunnels in Seoul, Korea (Ghim et al., 1993), b) tunnel in Stockholm, Sweden (Kristensson et al., 2004), c) tunnel in San Francisco Bay, US (Kirchstetter et al., 1999), d) Seoul, Korea (Lee et al., 2008), e) tunnel in Osaka, Japan (Funasaka et al., 1998), f) Seoul, Korea (Chung et al., 2007), g) and h) next to the freeway and urban background site, respectively in LA, US (Ntziachristos et al., 2007), i) and j) tunnel and air monitoring and research station, respectively in Brisbane, Australia (Jamriska et al., 2004), k) rural area in Egbert, Canada (Jeong et al., 2009)
의 직접적인 영향을 받은 것으로 추정되는 구간을 제외하면 터널 입구에서 출구로 갈수록 대기오염물 질의 농도가 거리에 따라 선형적으로 증가하다가 출구 직전 70~300 m 지점에서 급격히 감소하는 경 향을 나타냈는데, 이것은 반횡류식 환기방법의 특징 으로 생각된다. 단위거리에 따른 농도 증가는 NOx
와 CO2의 경우 각각 0.61~0.83 ppb, 0.16~0.21 ppm, 인체 호흡기에 침착하는 입자의 표면적의 경우 0.20~0.29 μm2/cm3, 21~560 ㎚ 범위인 입자의 수 농 도의 경우 117~192 개/cm3이었다.
둘째, 정릉터널과 홍지문터널 내부에서 측정한 인 체 호흡기에 침착되는 입자의 평균 표면적은 246~381 ㎛2/㎝3로 도시 배경 농도보다 3배 이상 높 았고, 입자의 평균 수 농도는 5.6~21 ㎚ 구간, 21~100 ㎚ 구간, 100~560 ㎚ 구간에서 각각 0.9~3.9×105개/cm3, 1.4~2.6×105개/cm3, 0.1~0.2×104 개/cm3 범위로 도시 대기 농도에 비하여 8배 이상 높았다. 가스상 물질의 터널 내부 평균 농도는 NOx
의 경우 564 ppb 이상으로 서울시 대기 농도보다 10
배 이상 높았으며, CO2의 경우 681~748 ppm 범위로 서울 도시 대기 농도보다 1.6배 이상 높았다.
본 연구와 같이 이동형 대기오염 측정시스템을 국내의 다양한 터널 내부 오염도를 조사하는데 적 용한다면 터널별 오염도 수준을 상세하게 비교할 수 있을 뿐만 아니라 운전자의 노출 저감을 위한 적 정 환기량 관리의 기초자료로 활용할 수 있을 것이 다. 또한, 이러한 연구결과가 축적되면 터널과 관련 한 자동차 환경 정책 수립에 도움이 될 것으로 생각 된다.
감사의 글
이 연구는 환경부 Eco-STAR project(무·저공해자 동차사업단, 친환경자동차기술개발사업단)와 KIST 미래원천연구사업의 지원으로 수행되었으며, 이에 감사드립니다.
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