LCA Based Environmental Load Estimation Model for Road Drainage Work Using Available Information in the Initial Design Stage

1. 서론

1.1 연구의 배경 및 목적

지난 100년간 평균기온을 0.74℃ 상승시킨 지구온난화는 해수면 상승, 태풍의 강도 증가, 건조화와 같은 인류의 안전 을 위협하는 극단적인 기후변화를 초래하고 있다. 2030년 경에는 기후변화로 인한 경제적 손실규모가 전세계 GDP의 2.5%에 이를 것으로 예측되어 온실가스와 같은 기후변화의 영향인자에 대한 관심과 우려의 목소리가 커지고 있다(Choi et al., 2013). 이에 저탄소기술은 이미 단순한 환경문제를 넘 어 국가 및 각 산업의 경쟁력 확보를 위한 수단과 무역장벽 으로써 역할을 수행하고 있는 실정이며, 기업들은 차별적인 환경기술을 통하여 고객의 요구조건을 만족시키면서 시장

경쟁력을 유지할 수 있는 방법을 모색하고 있다(Jun, 2007;

Chun & Kim, 2003).

에너지 다소비 업종 중심으로 구성된 산업구조를 가지고 있는 우리나라는 저탄소경제로의 변화를 꾀하고 환경오염 물질 저감기술의 확보를 통한 국가 경쟁력을 제고하기 위하 여 2015년 유엔기후변화협약 당사국 총회에서 2030년 배출 전망치 대비 37%의 온실가스 배출량 감축목표를 제시하였다 (UNFCCC, 2015). 온실가스 감축목표의 실질적인 달성을 위 해서는 정부의 노력뿐만 아니라 산업 전반의 참여와 관련기 술의 개발이 절실하다. 특히 지난 10여 년간 GDP대비 투자율 이 약 15%에 이르면서 자재의 생산 및 운반과 시공과정에서 화석연료의 소비를 통해 다량의 온실가스를 배출하고 있는 건설산업에 대한 적극적인 저감방안이 요구된다(Statistics Korea, 2018; Kwon, 2008). 건설산업에서 효과적인 온실가 스 저감방안을 도출하기 위해서는 투입되는 자재와 건설장비 가 결정되는 초기 설계단계의 의사결정과정에서 잠재적 환경 영향을 객관적으로 평가할 수 있는 합리적 방법론의 도입이 필요하다.

초기 설계단계의 가용정보를 활용한 도로 배수공종의 LCA기반 환경부하량 산정모델

박진영¹·김병수^*

1경북대학교 토목공학과

LCA Based Environmental Load Estimation Model for Road Drainage Work Using Available Information in the Initial Design Stage

Park, Jin-Young

, Kim, Byung-Soo

1Department of Civil Engineering, Kyungpook National University

Abstract :

Due to the increasing concern about climate change, efforts to reduce environmental load are continuously being made in construction industry, and life cycle assessment (LCA) is being presented as an effective method to assess environmental load. Since LCA requires information on construction quantity used for environmental load estimation, however, it is not being utilized in the environmental review at the initial design stage where it is difficult to obtain such information. In this study, a construction quantity computation system based on the standard section was developed for the drainage facilities of the road and utilized in the model to calculate the environmental load. This model can estimate the environmental load by calculating the amount of resources required for LCA using only the information available at the initial design stage. To verify the validity of the model, five validation cases were applied and compared with the unit estimation model and the multiple regression analysis model. As a result, it is confirmed that the mean absolute error rate is 9.94%, which is relatively accurate and effective model in the initial design stage.

Keywords :

Life cycle assessment (LCA), Environmental load, Initial design stage, Drainage work

* Corresponding author: Kim, Byung-Soo, Department of Civil Engineering, Kyungpook National University, Daegu 41566, Korea

E-mail: [email protected] Received March 2, 2018: revised accepted March 20, 2018

최근 이러한 잠재적 환경영향을 정량적으로 평가할 수 있는 방법론으로 여러 산업분야에서 국제표준화기구 (International Organization for Standardization, ISO)에서 제시하는 전과정평가(Life Cycle Assessment, LCA)의 도입 이 증가하고 있다. LCA를 수행하여 생산품의 전생애주기 동 안 지구환경에 미치는 잠재적 환경영향을 정량적으로 산출한 값을 환경부하라고 한다(Lee & Lee, 1996). 환경부하를 산정 하기 위해서는 제품에 투입되는 자원과 에너지에 대한 정보 를 확보하여야 한다. 건설사업에서 이러한 정보는 설계를 통 해 구조물의 형식 또는 공법이 선정되고 작업물량이 산출되 어야 파악할 수 있다. 따라서 LCA가 건설사업의 친환경성을 결정할 수 있는 초기 설계단계에서 잠재적 환경영향을 평가 하기 위한 방법론으로 활용되지 못하고 있다.

이 연구는 국내에서 건설되는 사회기반시설물 중 재정투 자 비중이 가장 높은 도로의 배수시설물을 대상으로 초기 설 계단계에서 가용정보만을 활용하여 건설사업의 수행으로 인 해 발생하는 잠재적 환경영향을 객관적으로 평가할 수 있는 LCA기반의 모델을 개발하고 유효성을 검증하고자 한다. 이 를 위해 초기 설계단계의 가용정보를 활용하여 LCA를 수 행하기 위한 자재 및 에너지량을 추정하는 방법론을 제안하 고, 모델로부터 도출된 결과와 설계도서의 분석을 통해 직접 LCA를 수행한 결과를 비교하고자 한다.

1.2 연구의 범위 및 방법

도로건설공사를 구성하는 작업공종은 일반적으로 토공, 비 탈면안정공, 배수공, 구조물공, 포장공, 교통안전시설공, 부 대공 등으로 구성이 된다. 이 연구에서 도로를 구성하는 시설 물 중 모델개발의 대상으로 선정한 배수시설물은 주로 배수 공에 포함되어 있으며, 각종 측구를 비롯하여 암거, 배수관 등으로 편성되어 도로에 모인 빗물을 배수시키고 도로면의 안전을 확보할 뿐만 아니라 도로 이외의 지역에 흐르는 유출 수를 배수시키는 기능을 수행한다. 따라서 배수시설물은 다 양한 형태와 규모를 가지며 설계과정에서 이를 결정하기 위한 수많은 의사결정 과정을 수행하지만, 이 과정에서 환경적 검 토를 위한 합리적인 자료를 제공하지 못하고 있는 실정이다.

이 연구에서 정의하는 초기 설계단계는 기본설계를 통해 도로의 노선이 확정된 후 실시설계를 시행하는 초기단계를 의미한다. 이 단계에서 가용정보를 활용한 LCA기반의 환경 부하 산정모델을 개발하기 위하여 <Fig. 1>과 같이 이론적 고 찰 및 개념정의, 기초자료의 수집 및 분석 그리고 모델개발의 과정을 수행하였다.

정보의 생산이 제한적인 초기 설계단계에서 가용정보만을 활용하여 배수공종에 포함되어 있는 모든 배수시설의 환경 부하량을 산정하는 것은 불가능할 뿐만 아니라 모델의 복잡 성을 가중시킬 수 있다. 이 연구는 모델의 복잡성을 배제하고

Fig. 1. Framework for development of the model

정밀도를 높이기 위해 배수공 전체 환경부하량에 대한 기여 도가 높으면서 동시에 초기 설계단계의 가용정보를 활용하여 작업물량의 추정이 가능한 소수의 주요 배수시설만을 이용하 여 전체 배수공종의 환경부하량을 추정할 수 있는 모델을 개 발하고자 하였다. 이를 위해 모델개발에 앞서 기존에 수행된 도로건설공사 사례를 수집하여 LCA를 수행하고 각 배수시설 에 대한 환경부하 특성을 분석하였다.

2. 기존연구 고찰 2.1 LCA 개요

LCA는 평가자의 주관성이 개입할 수 있는 부분이 비교적 적기 때문에 객관적인 평가를 수행할 수 있어 현재 많은 분야 에서 적용되고 있으며, 건설산업에서도 LCA 적용을 위한 다 양한 연구가 수행되고 있다.

LCA는 <Fig. 2>와 같이 목적 및 범위의 설정(Goal and scope definition), 목록분석(Inventory analysis), 영향평가 (Impact assessment), 결과해석(Interpretation)의 4단계로 구성되며, 하나의 상품 혹은 기능에 대하여 에너지와 원료의 취득에서부터 폐기에 이르는 전과정에서 환경적 부담을 정량 화하는 방법이다(Jun, 2007). 따라서 건설사업의 환경부하

Fig. 2. LCA component (ISO, 2006)

평가에 LCA를 적용하면 시공단계에서 사용되는 자재와 에 너지뿐만 아니라 건설자재의 생산에 사용된 화석연료 등으로 인한 잠재적인 환경영향도 함께 고려할 수 있게 된다(Treloar et al., 2004).

LCA의 첫 번째 단계인 목적 및 범위의 설정에서는 LCA의 목적과 필요한 가정 및 제한사항 그리고 목록분석의 기준이 되는 기능단위를 설정한다. 목록분석 단계는 생산공정에 투 입되는 자원 및 에너지와 이로 인해 배출되는 물질을 정량화 하여 수집하고 분석하는 일련의 과정을 반복해서 수행하는 복잡한 과정으로 LCA 수행과정 중 가장 많은 시간과 인력을 필요로 하는 과정이다. 최근에는 투입자원과 에너지에 대한 기능단위의 환경부하를 미리 산출하여 데이터베이스(Data Base, DB)화한 LCI (Life Cycle Inventory) DB를 사용하여 목록분석 작업의 시간을 단축시키고 있다.

목록분석에서 얻어진 투입물과 배출물은 영향평가 단계에 서 생태계, 인간보건, 천연자원 등의 환경영향범주로 연계되 어 잠재적인 환경영향을 평가하게 된다. LCA의 마지막 단계 인 결과해석에서는 목록분석 결과와 영향평가 결과로부터 도 출된 결론을 정리하고 의사결정자들이 활용할 수 있는 제언 을 도출하게 된다.

2.2 건설분야의 LCA에 관한 연구

건설산업에서 LCA는 환경부하를 평가하기 위한 도구로써 주목받아 왔으며, 이에 대한 방법론과 적용에 대한 수많은 연 구가 수행되고 있다. LCA의 적용 분야도 프로젝트 전체에 대 한 환경영향 뿐만 아니라 투입되는 자재와 장비, 그리고 공법 의 영향에 대한 연구 등으로 다양하다. 건설분야의 LCA와 관 련한 상세 연구동향을 살펴보면 다음과 같다.

Treloar et al. (2004)은 도로의 건설과정과 공용과정 에 적용하기 위한 LCA방법론을 제안하였으며, Cass and Mukherjee (2011)은 LCA기법을 활용하여 공정의 전과정에 서 배출되는 온실가스 배출량을 정량화하기 위한 방법론을 개발하였다. 또한, Yue et al. (2008)은 도로 건설사업에서 환 경영향평가를 위한 방법으로 LCA기법이 가장 타당함을 밝 혔고, Chowdhury et al. (2010)은 도로 건설공사에 사용되는 자재에 따른 환경영향을 LCA기법을 적용하여 평가하였다.

Moon et al. (2014)은 수집된 사례 프로젝트의 환경부하량을 LCA를 통해 산출하고 이를 원단위로 환산하여 도로시설물 1km를 건설할 때 발생하는 환경부하량을 제시하였고, Kwon (2008)은 LCA에 의해 사회기반시설물의 환경부하량을 산출 하고 이를 화폐가치로 환산함으로써 환경경제성 평가모델 을 제시하였다. 한편, Liu et al. (2013)은 사력댐과 재래식 콘 크리트댐의 환경부하를 LCA에 의해 산출하여 비교하였고, Parrish et al. (2014)은 친환경 사회기반시설에 대한 LCA를 수행한 바 있다.

앞서 언급한 LCA를 통한 환경부하평가와 관련한 건설분 야의 연구를 살펴보면 LCA 수행기법의 특성상 작업물량과 자원에 대한 정보가 파악될 수 있는 단계, 즉 설계가 완료되 어 시공 중이거나 시공이 완료된 프로젝트의 데이터를 이용 한 연구가 많이 수행되어 왔으나, 최근에는 건설사업의 초기 단계에서 LCA 수행이 곤란한 한계를 극복하기 위하여 추론 방법론 등을 활용함으로써 환경부하를 산출할 수 있는 LCA 기반의 모델이 개발되고 있다. Jeong et al. (2015)은 교육시 설의 기획단계에서 환경부하를 예측할 수 있는 모델을 제시 하였다. 이 모델은 사례기반추론(Case-Based Reasoning, CBR) 방법론을 통해 에너지 소비량과 자원량을 추정하고 그 결과를 활용하여 환경부하를 예측하였다. 따라서 유사사례로 부터 에너지 소비량과 자원량을 쉽게 추정할 수 있으나, LCA 의 복잡한 과정을 사용자가 직접 수행해야 하는 단점을 가지 고 있다. Park et al. (2018)과 Kim et al. (2017)은 도로의 일 부 시설물을 대상으로 기획단계에서 잠재적 환경영향을 추 정하기 위한 모델을 제안하였다. 이 연구들 또한 시설물의 기 획단계에서 가용할 수 있는 제한된 정보를 입력변수로 하는 CBR방법론을 적용하여 보다 상세함을 요구하는 설계단계의 의사결정 과정에 합리적인 정보를 제공하는 데는 한계를 가 지고 있다. 따라서 이 연구는 LCA 수행을 위한 정보를 확보 할 수 없는 초기 설계단계의 의사결정 과정에서 보다 정밀하 고 객관적인 자료를 제공하기 위한 환경부하량 산정 모델을 개발하고자 한다.

3. LCA기반 환경부하량 산정모델

3.1 기초자료의 수집 및 분석

이 연구에서는 모델개발을 위한 기초자료로써 초기 설계단 계의 가용정보 목록과 기 수행된 도로건설공사 사례의 설계 도서를 수집하였다. 초기 설계단계의 가용정보 목록은 모델 의 내부에서 각 배수시설에 대한 자재 및 에너지 소비량을 산 정하기 위한 기초정보로 활용이 되며, 기 수행된 도로건설공 사 사례는 모델개발을 위한 통계적 분석과 최종 개발된 모델 의 정확도 검증과정에 활용된다.

3.1.1 초기 설계단계 가용정보

모델에서 입력변수로 사용이 될 초기 설계단계의 가용정 보 목록은 도로건설사업의 기획단계 또는 설계단계에서 공 사비 등을 추정하기 위한 연구(MLTM, 2011; Kwak, 2007;

MOCT, 1999)에서 제시하고 있는 사업추진 단계별 가용정 보 항목과 설계업무 종사자의 조언을 통해 후보군을 선정 한 후 환경부하와의 상관성과 이 연구와의 부합성을 고려하여

<Table 1>과 같이 14개를 선정하였다. 선정된 정보는 주로 본 선도로의 선형 및 제원과 관련된 정보들이다.

LCA를 통해 산출되는 환경부하는 투입되는 자재 및 에너 지에 의해 발생하는 잠재적 환경영향을 정량적으로 평가하는 기법이기 때문에 소비되는 자원량이 많을수록 크게 평가된 다. 즉, 동일한 시설물일 경우 그 규모(단면, 시공연장)가 커 지면 환경부하도 증가하는 양상을 나타낸다. 배수시설의 단 면은 주로 수리계산에 의해 배수능력을 평가하여 결정하지만 본선도로를 따라 그 내부에 혹은 이웃한 곳이 설치되는 배수 시설물의 특성상 시공연장은 도로의 선형 및 제원관련 정보 의 영향을 많이 받게 된다.

한편, 도로를 구성하는 시설물 중 교량과 터널은 별도의 배 수시설을 보유하고 있으며, 이들이 도로의 배수시설물에 미 치는 영향은 극히 미미할 것으로 예상되어 이 연구에서는 고 려하지 않았다. 따라서 가용정보 항목 중 도로면적, 도로연장 은 교량과 터널의 연장을 제외한 토공부 면적과 토공부 연장 으로 변경하여 반영하였다.

Table 1. Information available in the initial design stage

Class Attributes

Quantitative variables

Road height Design speed

Road area(excluded bridge & tunnel) Road length(excluded bridge & tunnel)

Pavement thickness Number of lane

Road width Longitudinal slope Horizontal radius curvature

Construction site area

Qualitative variables

Administrative district Project type Road division Geographical feature

가용정보 항목 중 정성변수인 행정구역은 도로가 설치된 국내의 시도를 나타내고, 공사유형은 도로의 신설과 기존도 로의 확포장을 정보항목으로 가지고 있다. 도로구분은 국내 에서 도로의 용도에 따라 국도를 구분하는 기준인 국도Ⅰ~

국도 Ⅳ의 4가지 항목으로 구성된다. 지형은 도로가 설치되 는 지역의 지형적 특징을 나타내는 속성으로 산간과 평야로 구분된다.

정보항목은 초기 설계단계에 생산되었지만 설계가 진행될 수록 정보의 내용은 더욱 정밀해 질 것으로 예상된다. 따라서 개발된 모델에서 동일한 입력정보 항목을 이용하여 설계의 진척도에 따라 정확도가 높아진 산정결과를 도출할 수도 있 을 것이다.

3.1.2 국도건설사업 사례 분석

국내에서 수행된 100개의 국도건설사업 사례를 수집하여 설계도서의 분석을 통해 LCA를 수행하고 <Table 1>에서 제 시한 초기 설계단계의 가용정보 목록과 함께 사례 DB를 구

축하였다. LCA 수행에 사용한 LCI DB는 한국환경산업기술 원에서 ISO 14044의 절차에 따라 개발하여 제공하는(KEITI, 2015) 자료를 주로 사용하고, 여기에서 누락된 모래, 골재, 합 판과 같은 자원은 한국건설기술연구원에서 작성한 LCI DB (KICT, 2015)와 Ecoinvent (2015)에서 제공하는 자료를 활 용하였다. <Table 2>는 이 연구에서 사용된 LCI DB와 수 량산출서로부터 추출되어 연계되는 자원목록을 나타낸 것 이다. 자원목록과 연계되는 각 LCI DB는 자원고갈(Abiotic resource depletion), 산성화(Acidification), 부영양화 (Eutrophication), 지구온난화(Global warming), 오존층파괴 (Ozone layer depletion), 광화학산화물생성(Photochemical oxidant creation), 생태계독성(Terrestrial eco-toxicity), 인 간독성(Human toxicity)의 8개 환경영향범주에 대한 기능단 위 환경부하량을 갖는다.

Table 2. LCI DB and linked resource inventory

LCI DB category Unit Linked resource Unit

Portland cement type 1 kg All types of cement sack Ready mixed concrete

(25-24-15) m³ All types of concrete

products m³

Oxygen ton Oxygen L

Electric steel deformed bar kg All types of deformed bar ton

Light fuel oil kg Light fuel oil L

Gasoline kg Gasoline L

Electricity kWh Electricity kWh

Aggregate m³ Aggregate m³

Sand m³ Sand m³

Plywood m² Plywood m²

Asphalt concrete ton All types of asphalt concrete ton

Fig. 3. Drainage facilities-specific environmental load distribution

1.2절에서 언급한 바와 같이 초기 설계단계의 가용정보를 통해 모든 배수공종의 작업물량을 추정하고 환경부하량을 산 정하는 것은 불가능하다. 따라서 이 연구에서는 환경부하에

대한 기여도가 높은 배수시설을 대상으로 산정모델을 개발하 고 나머지 시설에 대해서는 비율로써 반영하고자 <Fig. 3>과 같이 전체 환경부하량에 대한 각 배수시설물의 기여도 분석 을 수행하였다.

기여도 분석에 사용된 환경부하는 모든 잠재적 환경영향이 통합되어 평가될 수 있도록 환경부에서 개발한 한국형 환경 영향지수(ME, 2003)를 적용하여 가중화한 값으로써 8개 환 경영향범주에 대한 잠재적 영향이 하나의 점수형태인 에코포 인트(eco-point)로 표현되도록 변환한 것이다.

도로건설공사의 배수공종은 측구, 암거, 배수관, 개거, 수 문, 맨홀, 우수받이 등 약 20여개의 배수시설에 대한 작업공 종으로 구성이 된다. 이들 시설 중 측구가 전체 배수공종의 작업에 의해 발생하는 환경부하 중 가장 많은 48.11%를 발생 시키며 측구를 포함한 암거, 개거, 종·횡배수관과 같은 상 위 5개의 배수시설물이 전체 배수공종이 발생시키는 환경부 하량에 90.59%를 기여하고 있다. 즉, 상위 5개 시설물의 환 경부하만으로 배수공종 전체 환경부하의 약 91%를 설명할 수 있는 것이다. 또한 측구, 암거, 개거, 종·횡배수관은 도로와 인접하여 설치되는 시설물로써 모델의 입력변수로 선정된 도 로의 연장 혹은 폭원과 상관성이 높을 것으로 예상되어 통계 적 분석 등을 통해 작업물량을 추정하는 것이 가능할 것으로 판단된다. 따라서 <Fig. 3>의 상위 5개 공종을 모델 개발의 대상이 되는 주요 시설물로 선정하였다. 주요 시설물 중 측구 는 L형, U형, V형측구를 포함하며, 암거는 수로 및 통로암거 를 포함한다.

3.2 표준단면과 작업물량산출체계

우리나라의 도로에 적용되는 주요한 배수시설은 그 종류 와 형식이 표준화 되어 있다. 따라서 설계자는 수리계산결과 와 현장여건을 고려하여 표준화 되어 있는 배수시설물 중 적 합한 형식을 선택하고 본선도로의 규모를 반영한 시공연장 을 결정함으로써 작업물량을 산출하게 된다. 이 연구에서는 이러한 일련의 과정을 모사하여 <Table 1>의 입력정보로부터 작업물량을 산출하는 체계를 제시하고자 하였다.

3.2.1 표준단면

작업물량산출체계는 배수공종의 환경부하에 기여도가 높 은 주요 시설물을 대상으로 하며 각 주요 시설물은 <Fig. 4>

와 같이 이 연구에서 표준단면이라 정의한 1개의 단면(형식) 을 가지고 있다.

표준단면은 국도건설공사설계실무요령(MLIT, 2013)의 국 도표준도에 제시되어 있는 각 주요 시설의 여러 단면(형식) 중 설계전문가의 자문을 통해 선정한 대표규격이며, 시공에 필요한 세부작업공종별 단위시공량을 포함하고 있다.

Fig. 4. Standardized cross section of the major items

3.2.2 작업물량산출체계

도로의 설계과정에서 배수공종의 시공량을 산출하는 과정 을 모사한 이 연구의 작업물량산출체계에서 각 세부 작업공 종별 시공량은 다음 식 (1)과 같이 산출한다.

(1)

표준단면의 단위시공량( )과 연계하여 세부작업공종별 시공량( )를 산출하기 위해 요구되는 시공연장( )은 다 중회귀모델을 통해 추정토록 하였다. 이를 위해 3.1.2절에서 수집한 100개의 국도건설사업 사례 중 무작위로 90개를 추출 하여 주요 시설물의 시공연장을 종속변수로 정의하고,

<Table 1>에서 제시한 모델의 입력정보를 독립변수로 정의하 는 다중회귀분석(Multiple Regression Analysis, MRA)을 수 행하였다.

Table 3. MRA result for estimating the construction length Major items Adjusted R

F-value Sig. probability

Gutter

L-type 0.806 11.738 2.233×10^-10

V-type 0.825 13.237 3.925×10^-11

U-type 0.484 3.347 8.633×10^-4

Drain pipe

Crossing 0.671 6.190 1.353×10^-6

Vertical 0.161 1.480 0.150

Culvert 0.420 1.988 0.159

Open channel -0.013 0.984 0.568

Fig. 5. Process to compute the construction quantities

분석결과 <Table 3>과 같이 L형, V형, U형측구와 횡배수 관의 회귀모델은 <Table 1>의 입력변수를 사용하여 시공연장 을 추정할 수 있는 유의한 결과를 나타냈으나, 종배수관, 암 거, 개거의 회귀모델은 유의한 결과를 도출하지 못했다. 이 3 개의 주요시설은 본선도로의 선형 및 제원관련 정보보다 수 리계산결과나 현장여건의 영향이 크기 때문으로 판단된다.

따라서 종배수관, 암거, 개거는 <Fig. 5>와 같이 설계자가 상 세설계에 앞서 노선선정을 위해 시공연장을 개략적으로 산정 한 기본설계 결과를 활용하거나 경험적으로 입력토록 작업물 량산출체계를 수정하여 구성하였다.

3.3 투입 자원량 산출

시공과정에서 배수공종의 주요 시설물에 투입되는 자원량 (자재 및 에너지)은 식 (2)와 같이 식 (1)의 세부 작업공종별 시공량( )에 단위자원량( )을 곱하여 산출한다. 단위자 원량은 주요 시설물을 1단위 시공할 때 소요되는 자재 및 에 너지량으로써 국도설계실무요령(MLIT, 2013)의 단가산출기 준에서 제시하고 있는 자료를 참고하였다.

(2)

3.4 배수공종의 환경부하량 산정

LCA 결과를 제품의 환경성에 관한 의사결정 수단으로 사 용할 경우 가중화계수를 통한 단일 점수화는 신속한 의사결 정이 요구되는 현실에서 매우 중요하다(ME, 2003). 따라서 배수공종 주요 시설물의 잠재적 환경영향, 즉 환경부하는 3.1.2절에서 기술한 한국형 환경영향지수(ME, 2003)가 적용 된 LCI DB의 기능단위 환경부하량( )을 적용하여 산출하였 다. 가중화한 LCI DB를 사용하면 8개 환경영향범주에 대한 환경부하의 단위가 소거되어 각 영향범주의 상대적 비교가 가능하고, 합산을 통해 모든 잠재적 환경영향을 하나의 점수 형태로 나타낼 수 있는 장점이 있다.

이 연구의 모델에서 제시하는 배수공종에 대한 환경부하량

은 식 (3)과 같이 주요 시설물(측구, 암거, 개거, 종배수관, 횡 배수관)의 환경부하량 합계에 나머지 시설물을 비율로써 반 영하여 산정하였다. 모델개발을 위해 구축한 사례 DB로부터 산출한 배수공종 주요 시설물의 기여도( )는 <Fig. 3>과 같 이 90.59%이다. 초기 설계단계의 가용정보를 활용하여 배수 공종의 환경부하를 산정하는 모델 전체의 개요는 <Fig. 6>과 같다.

(3)

Fig. 6. Overview of the model

4. 사례분석 4.1 사례의 개요

개발된 모델의 정확도를 검증하기 위하여 구축된 사례 DB 의 LCA 수행결과와 모델로부터 산정된 환경부하량의 오차율 을 분석하였다. 모델의 검증은 앞서 모델개발을 위한 통계적 분석에 사용한 90개를 제외한 10개의 사례에서 무작위로 5개 를 추출하여 수행하였다. <Table 4>는 추출된 검증사례의 주 요 입력정보로써 행정구역은 경기, 경북, 전북, 제주가 포함 되었고, 도로높이는 최소 1.57m에서 최대 9.31m의 범위를 가 지고 있다. 도로구분은 국도Ⅱ와 국도Ⅲ으로 구성되어 있다.

4.2 분석결과 및 논의

이 연구에서 제안한 모델에 <Table 4>와 같은 5개의 검증 사례를 적용하여 환경부하량을 산정하고 오차율을 분석하 였다. 환경부하량 산정모델의 오차율에 대한 기준은 아직 정 립되어 있지 않기 때문에 환경부하 평가모델과 관련한 기존 의 연구에서는 AACE (the American Association of Cost Engineer)에서 제시하고 있는 공사비추정의 오차율에 대한 기준을 준용하여 클래스 3에 해당하는 –20% ~ 30%를 모델 의 평가 기준으로 적용하고 있다(Park et al., 2018; Kim et al., 2017). 이 연구의 모델도 동일한 기준을 적용하여 오차율

Table 4. Summary of attribute Items for verification cases

Attributes Case1 Case2 Case3 Case4 Case5

Road height (m) 4.07 1.57 7.33 9.31 4.30

Road division Ⅲ Ⅲ Ⅲ Ⅱ Ⅱ

Geographical feature Mount. Mount. Plains Mount. Mount.

Design speed (km/h) 70 70 70 80 80

Project type Exp. Exp. Exp. Exp. New Road length (m) 9,830 6,903 6,241 6,114 4,600

Road area (m²) 196,600 138,060 115,459 122,280 92,000

Road width (m) 20 20 18.5 20 20

Pavement Thickness (cm) 55 47 55 50 45

Number of lane 4 4 4 4 4

Longitudinal slope 0.05 0.05 0.05 0.04 0.04 Horizontal radius curvature (m) 200 200 200 280 280 Construction site area (m²) 272,138 159,968 275,567 362,802 87,529

Table 5. Test results (%)

Attributes Case1 Case2 Case3 Case4 Case5

creation -13.45 6.14 -41.32 -14.16 -41.79 Terrestrial eco-toxicity -34.74 0.21 -6.08 26.78 87.91 Human toxicity 8.63 1.04 7.73 12.24 3.31 Eco-point -7.20 2.77 -19.22 -2.72 -17.79

을 분석하였으며, 그 결과를 <Table 5>에 제시하였다.

5개 사례를 사용하여 개발된 모델로부터 환경부하를 추정 한 결과 에코포인트의 오차범위는 –19.22% ~ 2.77%로써 앞서 이 모델의 오차율 범위에 대한 목표로 설정한 –20% ~ 30%에 만족하는 결과를 나타냈다. 환경영향범주별로 살펴보 면 부영양화(Eutrophication)와 생태계독성(Terrestrial eco- toxicity)의 절대오차율평균이 32.88%와 31.14%로 다소 높게 나타났지만, 전체 배수공종의 에코포인트 중 이들의 기여도 는 1.77%와 1.95%에 불과하기 때문에 모델의 정확도에 큰 영 향을 주지는 못한 것으로 조사되었다.

반면 배수공종 전체의 에코포인트에 대한 기여도가 33.89%와 41.92%로써 상대적으로 큰 자원고갈(Abiotic resource depletion)과 지구온난화(Global warming)는 절대 오차율평균이 3.40%와 18.68%로써 비교적 양호한 결과를 나 타내 모델의 정확도 향상에 기여를 하고 있는 것으로 조사되 었다. 5개 검증사례에 대한 절대오차율평균은 9.94%, 이에

대한 표준편차는 8.04%를 보여 이 연구에서 제안한 모델은 작업물량을 직접적으로 추정할 수 있는 정보가 부족한 초기 설계단계에서 LCA기반의 잠재적 환경영향을 평가하는데 유 용하게 적용할 수 있을 것이다.

한편, 작업물량과 관련한 정보가 부족한 초기 설계단계에 서 LCA기반의 환경부하량을 추정하기 위해 비교적 간편하게 접근할 수 있는 방법론으로 원단위와 회귀모델이 있다. 이 연 구에서 제안한 모델의 유효성을 평가하기 위하여 두 가지 방 법론을 적용한 사례분석을 수행하고 오차율을 <Table 6>에 제시하였다.

원단위는 연장과 폭원의 특성이 모두 반영될 수 있도록 도 로면적에 의한 원단위(/m²)를 이 연구에서 구축한 사례 DB로 부터 도출하여 사용하였다. 회귀모델은 <Table 1>에서 제시 한 초기 설계단계 가용정보를 독립변수로 정의하고, 배수공 종의 환경부하량을 종속변수로 정의하는 다중회귀분석을 통 해 수립하였다. 회귀모델의 상관계수(R)는 0.793, 수정결정 계수(Adjusted R²)는 0.515, 유의확률은 3.919×10^-8이며, F 값은 5.492로써 설명력이 비교적 높은 유의한 모델이 도출되 었다.

Table 6. Model comparison (%)

Case Proposed

model

Unit environmental load (/m

)

MRA model

Case1 -7.20 39.10 0.90

Case2 2.77 12.08 6.44

Case3 -19.22 -38.20 -52.36

Case4 -2.72 48.12 24.77

Case5 -17.79 5.46 2.62

Mean absolute error rate 9.94 28.59 17.42

Standard deviation 8.04 18.65 21.72

면적에 의한 원단위(/m²)를 사용하여 추정된 각 검증사례 별 환경부하량의 절대오차율평균은 28.59%를 보여 이 연구 에서 제안한 모델보다 절대오차율평균이 18.65%P 높게 나타 났다. 이는 원단위(/m²)가 환경부하에 영향을 미치는 모든 정 보항목의 특성을 반영하지 못하고 연장과 폭원의 특성만을 반영하고 있기 때문이다. 이에 <Table 1>에서 제시한 초기 설 계단계 가용정보의 특성이 모두 반영될 수 있는 회귀모델을 수립하고 환경부하량을 산출한 결과 원단위(/m²)에 의한 방 법론보다 절대오차율평균이 11.17%P 감소한 17.42%를 나타 냈다. 그러나 표준편차가 절대오차율평균이 상대적으로 큰 원단위에 의한 모델보다 3.07%P 증가하였고, 이 연구에서 제 안한 모델의 절대오차율평균 보다 7.48%P 큰 결과를 보였다.

회귀모델은 모델 수립에 사용된 사례의 통계적 경향을 벗 어나면 큰 오차를 발생시킬 수 있다(Kim, 2006). 회귀모델에

서 –52.36%의 오차를 발생시킨 3번 사례의 경우 설계도서 분석결과 배수공종 주요 시설물의 시공규모가 사례 DB의 통 계경향 보다 평균 약 153% 크게 편성되어 있으며 4번 사례의 경우 시공규모가 평균 38% 작게 편성되어 있다. 이로 인해 회귀모델에서 산정된 환경부하가 상대적으로 큰 오차를 발생 시켰다. 그러나 이 연구에서 제안한 작업물량산출 기반의 환 경부하량 추정 모델은 <Table 6>에 나타낸 바와 같이 3번, 4 번 사례에 대해서도 비교적 양호한 산정결과를 보였다. 이는 이 연구의 모델이 <Table 1>과 <Fig. 5>에 나타낸 입력정보의 적용만으로 초기 설계단계에서 원단위 및 회귀모델에 의한 방법보다 정밀하게 환경부하량을 산정할 수 있는 유효한 모 델임을 나타내는 것이다.

5. 결론

이 연구는 도로의 배수공종을 대상으로 정보의 생산이 제 한적인 초기 설계단계의 의사결정과정에서 잠재적 환경영향 을 평가하기 위한 LCA기반의 환경부하 산정모델을 개발하였 다. 이를 위해 초기 설계단계의 가용정보를 활용하여 작업물 량을 추정하는 체계를 개발하고 이를 토대로 투입되는 자원 량(자재 및 에너지)을 산출함으로써 배수시설물의 시공과정 에서 발생할 것으로 예상되는 환경부하를 산출하도록 구성하 였다.

개발된 모델의 검증결과 에코포인트에 대한 절대오차율평 균이 9.94%, 표준편차는 8.04%를 나타내 작업물량을 직접 적으로 추정할 수 있는 정보가 제한적인 초기 설계단계에서 LCA기반의 잠재적 환경영향을 평가하는데 유용한 정보를 제 공할 수 있을 것으로 기대된다.

이 연구에서 제안하는 모델을 통해 초기 설계단계의 가용 정보만을 활용하여 신속하고 정확하게 환경부하를 산정함으 로써 친환경적 설계방향과 기준을 설정하기 위한 의사결정과 정에 기초자료를 제공할 수 있다. 또한 설계완료 전에 환경적 영향을 평가할 수 있게 됨으로써 시행착오로 인한 제반비용 의 증가를 예방하고 친환경 건설자재와 공법에 대한 기술개 발을 유도할 수 있을 것이다.

향후, 추가연구를 통해 이 모델이 다른 시설에 대한 영역으 로 확장되면 탄소배출권거래제나 탄소세 부과와 같은 각종 환경규제에 대응할 수 있는 기초기술로써 우리 건설산업의 국제 경쟁력 확보에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

감사의 글

본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원 건설기술 연구사업의 연구비지원(17SCIP-C085707-04)에 의해 수행 되었습니다.

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요약 :

기후변화에 대한 우려가 커지면서 건설산업에서도 환경부하를 줄이기 위해 지속적으로 노력하고 있으며, 환경부하를 산정하 기 위한 효과적인 방법론으로써 LCA (life cycle assessment)가 제시되고 있다. 그러나, LCA는 환경부하량 산정을 위해 작업에 투입되는 자원량에 대한 정보가 필요하기 때문에 이러한 정보의 확보가 어려운 초기 설계단계의 환경적 검토에는 활용되지 못하 고 있다. 이 연구에서는 도로의 배수시설물을 대상으로 표준단면에 기반한 작업물량산출체계를 개발하고 환경부하량을 산출할 수 있는 모델에 활용하였다. 이 모델은 초기 설계단계의 가용정보만으로 LCA에 필요한 자원량을 산정함으로써 환경부하량을 산출할 수 있다. 모델의 유효성을 검증하기 위해 5개의 검증사례를 적용하였으며 원단위추정모델 및 회귀모델과 비교하였다. 그 결과 평 균 9.94%의 절대오차율평균을 나타내 다른 모델보다 상대적으로 정확하며 초기 설계단계에서 사용할 수 있는 유효한 모델이라는 점이 확인되었다.

키워드 :

전과정평가, 환경부하, 초기 설계단계, 배수공종