서론

현재 차량 증가로 인한 온실가스와 지구온난화 문제는 세계가 직면한 심각한 문제 중 하나이다. 최근 유엔 기후변화 협약 당사국총회(COP21)에서 우리나라를 포함한 195개 협약 당사국은 온실가스 감축을 위한 ‘파리 기후 협정’을 체결하였다(Hankyoreh, 2015). 이와 더불어 대기오염으로 인한 인간의 질병 및 건강 악화에 대한 문제도 시급히 해결해야 할 문제로 대두되고 있다(Futurist, 2014). 우리나라 역시 미세먼지로 인한 위험성이 증대되고 있으며, 특히 수도권 지역의 대기오염도가 높은 것으로 보고되고 있다(Statistical Research Institute, 2014; National Institute of Environmental Research, 2015). 따라서 대기오염으로 인한 환경성 질환에 취약한 어린이, 노인, 환자 등 취약 계층에 대한 대기오염 노출을 줄이는 예방적 차원의 접근이 필요하다.

기존 환경오염 관련 교통 분야 연구는 온실가스 중심인 연구가 대다수였으며, 차량배출가스 추정 및 배출량을 감소시키는 개선안 등을 제시하였다. 그러나 차량배출가스가 인체에 미치는 악영향에 대해 초점을 맞춘 연구는 미비하였다. 이에 본 연구는 서울외곽순환고속도로 교통자료를 활용하여 인체에 악영향을 미칠 수 있는 차량배출가스 발생량을 추정하고 시간적․공간적 특성을 분석하였다. 이러한 분석결과를 바탕으로 교통기반 공공보건 전략 수립 방안을 제시하는 것이 본 연구의 목적이다.

공공보건(Public Health)의 사전적 의미는 지역사회에서 사회적 노력을 통하여 질병을 예방하고 수명을 연장시키며, 신체적․정신적 효율을 증진시켜 주민 모두의 건강을 유지하는 것으로 정의된다(Doopedia, 2015). 최근 대기오염이 건강에 큰 위협이 되는 환경 문제로 제기되고 있고, 대기오염에 따른 사망자 수가 늘어나고 있다(WHO, 2014). 그중 교통부문에서는 개인 차량 운행 증가에 따른 차량배출가스 증대로 인체에 해로운 대기오염 물질이 증가하여 시민의 건강과 생명에 직접적인 영향을 끼치고 있다. 따라서 본 연구에서는 차량배출가스로 인한 대기오염을 최소화하고 사회 구성원의 건강 증진을 유도할 수 있는 교통 관련 정책 방안을 개발하는 것을 교통기반 공공보건의 개념으로 정립하고 연구를 수행하였다.

차량배출가스에서 발생하는 대기오염물질은 이산화탄소(CO₂),오존(O₃),질소산화물(NO_x),초미세먼지(PM_2.5) 등이 있다. 여기서 온실가스인 이산화탄소와 오존은 열섬현상을 유발한다. 본 연구에서는 공공보건 관점에서 접근하기 위해 인체에 직접적으로 영향을 미치는 기준오염물질(Criteria Pollution)인 질소산화물과 초미세먼지에 초점을 맞추어 연구를 진행하였다. 또한 차량배출가스 수준(Level of Vehicle Emission, LOVE4)을 정의하고, 차량배출가스 수준에 따른 시공간 패턴분석을 통해 시사점을 도출하였다.

분석결과 및 시사점을 바탕으로 교통기반 공공보건 정책방안을 제시하였다. 그 방안으로 차량배출가스로 인한 고속도로 인접 주거지역 주민의 건강 증대를 위한 교통-토지 이용계획의 연계 필요성을 제시하였다. 또한 대기오염 방지 시설 및 시설개량 투자 우선순위 선정 시 차량의 배출가스 양에 대한 체계적인 고려가 필요함을 강조하였다. 주거지역 내 어린이, 노약자와 같은 취약계층을 위한 정보 콘텐츠 개발의 필요성을 설명하였으며, 교통사고예방과 교통정체 관리기법의 개발 및 현장 적용의 필요성에 대해서도 논의하였다.

본 논문의 구성은 2장에서는 교통부문 대기오염 배출량 산정 및 특성과 대기오염으로 인한 인체 영향에 관한 국내․외 기존문헌 및 연구를 고찰하였다. 3장에서는 분석절차 및 분석도구 제시, 4장에서는 자료 수집 및 구축에 대하여 제시하였다. 5장의 분석결과를 바탕으로 6장에서는 교통기반 공공보건 정책 방안을 제시하였다. 7장에서는 본 연구에서 도출된 결론 및 향후 연구 과제를 제시하였다.

기존 문헌 고찰

연구의 분석 목적과 방향성을 수립하기 위해 교통부문 대기오염 배출량 산정과 교통부문 대기오염 특성에 관한 기존 연구들을 검토하였다. 또한 인체에 유해한 대기오염원과 영향정도를 파악하기 위하여 질소산화물과 초미세먼지의 인체영향을 연구한 기존 문헌들을 고찰하였다. 이를 통해 교통기반 공공보건 관리의 필요성과 전략 방향을 제시하고자 하였다.

1. 교통부문 대기오염 배출량 산정

Park et al.(2000)은 실시간 교통량을 이용하여 고속도로 요금소에서 발생하는 대기오염도를 예측하였다. 통과대수와 통과속도를 고려한 배출계수를 적용하여 배출량을 산정하였으며 대기오염 예측모델은 CALINE3 모델을 이용하였다. 분석결과 차량의 공회전과 급격한 가속 등으로 대기오염이 가중되었고 이산화질소와 총부유먼지가 가장 문제가 되는 오염물질로 분석되었다. Kim et al.(1999)은 고속도로 요금소 부스 및 그 주변의 대기오염도를 측정하고 분석하였다. 분석결과 요금소 부스 및 주변 지역의 오염물질은 확산되지 못하고 정체되는 특징을 보였고 이산화질소의 경우 오염물질 중 가장 높은 비율을 차지하였다. Park et al.(1999)은 고속도로 주변에서의 대기오염 정도를 파악하고, 기존에 개발된 예측모델의 예측치와 실측치를 비교하여 대기오염물질의 확산 형태 및 영향을 정량적으로 예측하는 기법을 개발하였다. 분석결과 측정치를 바탕으로 실제 풍속을 가상풍속으로 보정하였을 경우, 고속도로와 인접한 지역에서 예측의 정확성을 높이는 결과가 도출되었다. Lee et al.(2006)은 천안 나들목과 천안로 사거리 주변의 교통량이 대기오염에 미치는 영향에 대해 분석하였다. 분석결과 교통량이 많은 천안사거리가 천안 영업소보다 대기오염 농도가 더 높은 것으로 도출되었다.

2. 교통부문 대기오염 특성

고속도로 대기오염 배출량에 영향을 주는 요소들과 속도, 교통량, 교통 조건 등의 변수에 따른 대기오염 배출특성에 관한 연구가 수행되었다.

국내에서는 Jo et al.(2009)은 교통량, 속도 및 기타 기상 조건의 실시간 자료와 도로기하구조와 같은 도로특성인자를 반영하여, 대기오염 물질 배출에 도로환경요인이 미치는 영향을 분석하였다. 분석결과 교통량이 증가할수록 오염물질의 측정량이 증가하고, 풍속, 온도, 습도가 증가할수록 오염물질 측정량이 감소함을 제시하였다. Han et al.(2012)은 고속도로에서 차량에 의해 발생되는 온실가스 배출량을 산정하는 방법을 검토하고, 교통관련 변수들에 따른 온실가스 배출특성을 분석하였다. 분석결과 화물차 비율이 높은 경우 고속에서 오히려 온실가스 발생량이 감소되는 특성을 나타냈으며, 대형화물차를 제외한 대부분의 차량은 65-75km/h에서 온실가스 배출량이 가장 적게 배출되는 것으로 도출되었다.

국외에서는 Barth et al.(2008)이 실제 주행 패턴과 교통 환경을 적용하여 교통 혼잡이 이산화탄소 발생량에 미치는 영향을 분석하였다. 분석 결과 교통 혼잡 완화 전략, 속도 관리 전략, 교통류 흐름 안정화 전략을 이산화탄소 감소방안으로 제시하였다. 캘리포니아의 실제 교통 조건에서 감소방안 적용 시 이산화탄소 배출량이 7-12% 감소하는 것으로 나타났다. Chung et al.(2013)은 교통사고에 따른 이산화탄소 발생량을 시공간적으로 분석하였다. 분석 결과 교통사고 1건당 평균 이산화탄소가 398.34kg 발생하고, 이산화탄소 발생량에 미치는 요소로는 연평균 일교통량, 트럭 연평균 일교통량, 점유율, 야간사고 등이 도출되었다. Zhang et al.(2011)은 공사구간, 러시아워 시간과 자유 교통류 상태에서 HDV(Heavy duty vehicle)과 LDV(Light duty vehicle)에 따라 발생하는 배출가스를 비교 분석하였다, 분석결과 LDV의 경우 자유 교통류상태보다 첨두시간에 배출가스 발생 비율이 높았으며, 공사구간이 혼잡할 경우 발생 비율이 낮은 것으로 분석되었다. HDV의 경우는 공사구간이 혼잡할 경우 배출가스 발생 비율이 높은 것으로 도출되었다.

3. 대기오염으로 인한 인체 영향

환경부(2007)는 우리나라의 대기오염 정도를 통계자료를 통해 물질별로 분석하였다. 질소산화물에 노출될 경우 눈과 호흡기 등에 자극을 주어 기침, 현기증, 두통 등이 발생하며, 심할 경우 폐수종, 혈압상승 기관지염 등이 나타날 수 있음을 제시하였으며 적극적인 관리가 필요함을 지적하였다. Lee(2003)는 미세먼지가 건강에 미치는 국내 연구결과를 조사하였다. 국내에서는 최근 미세먼지 특성을 분석한 연구가 진행되는 단계이며. 미세먼지(PM₁₀)와 초미세먼지(PM_2.5)를 동시에 고려하여 건강과의 상관관계를 분석하는 연구는 필요성만 제시되었을 뿐 구체적인 연구는 진행되지 않았다. Pope et al.(2002)은 미세먼지 장기 노출과 폐암 및 심혈관질환 사망률과의 관계를 분석하였다. 분석결과 미세먼지 10μm/m³ 증가할 때 마다 전체 사망위험은 4% 증가하고, 심혈관계 사망은 6%, 암으로 인한 사망은 8% 증가하는 것으로 나타났다. 이를 통해 미세먼지 노출은 호흡기 질환뿐만 아니라 암이나 심혈관계에도 악영향을 미치는 것으로 제시하고 있다. Bae et al.(2010)은 서울시 대기 중 초미세먼지 농도 개선과 조기사망 감소효과에 대해 분석하였다. 분석결과 초미세먼지 농도가 미국 EPA 연평균 기준 15μm/m³을 달성할 시 초미세먼지 장기노출로 인한 만성 조기 사망자수가 30세 이상 인구 10만 명당 30-37명 감소하는 것으로 추정되었다.

4. 차량배출가스 분석도구 및 대기확산

Han et al.(2012)은 고속도로 영업소를 대상으로 차량의 순간속도와 가속도의 영향을 반영한 온실가스 배출량 산정방법론을 제시하였다. MOVES를 이용하여 가속도별 온실가스 배출량표를 작성하고 교통시뮬레이터를 이용하여 요금소 유형에 따른 온실가스 배출원단위를 산정하였다. Hu et al.(2013)는 미시적 주행특성의 변화를 고려하는 국외의 미시 기반 배출량 산정방법론 중에서 MOVES를 국내에 도입하기에 가장 적합한 모형으로 선정하여 국내 적용 가능한 미시기반 온실 가스 배출량 산정 모형을 연구하였다. 차종별로 미시 배출맵 보정계수를 추정하여 적용함으로써 우리나라 대표 차종에 대응하는 미시기반 배출맵을 추정하여 개발 모형을 제시하였다. Yang et al.(2013)는 대기오염 물질 확산이 주변 지역의 오염농도에 미치는 영향분석에 대한 필요성과 구체적인 방법론을 제시하였다. 질소산화물과 초미세먼지의 농도를 추정하고 화학수송모형과 상세 규모 대기확산모형을 결합한 복합모형을 이용하여 대기오염을 상세하게 분석하였다.

5. 기존 연구와의 차별성

기존 연구에서는 차량에서 배출되는 대기오염 산정에 관한 연구가 진행되었다. 특히 특정 상황에서 대기오염 배출량을 측정하거나 추정하여 배출량 감소방안을 제시한 연구들이 다수였다. 기존 교통부문 대기오염 특성에 관한 연구는 대기오염 배출량 증감 원인과 온실가스 배출량의 비교분석에 초점을 맞추고 있다. 또한 차량으로 인해 발생하는 대기오염의 노출을 줄이기 위한 전략 제시는 미흡하였다. 이에 본 연구에서는 온실가스에 포함되는 물질을 제외하고 차량으로 인해 발생하는 비율이 높고 인체에 유해한 질소산화물과 초미세먼지를 중심으로 차량배출가스 발생량을 추정하고 이에 따른 교통기반 공공보건 정책방안을 제시하고자 한다.

분석방법론

1. 분석개요

본 연구는 인체에 악영향을 미칠 수 있는 차량배출가스 발생량을 추정하여 사회 구성원의 건강 증진을 유도하는 것을 목적으로 하고 있다. 서울외곽순환고속도로에서 발생하는 차량배출가스 발생량의 추정하고자 MOVES를 이용하여 배출계수를 도출하였다. 배출량 산정식을 이용하여 추정된 배출량의 시간적․공간적 특성을 분석하였으며, 이는 공공보건 정책 방안 제시를 위한 기초 연구의 일환으로 판단된다.

본 연구는 인체에 유해한 오염물질인 질소산화물, 초미세먼지를 중점적으로 분석을 수행하였다. 국가 대기오염물질 배출량에 따르면 질소산화물의 32.1%가 차량 주행으로 인해 발생하는 것으로 제시되고 있다(National Institute of Environmental Research, 2015). 또한 서울의 초미세먼지 주요 배출원은 비산먼지, 도로이동오염원이다. 도로이동오염원은 차량의 배출가스로 인한 오염을 의미하는 것이며 28.8%로 높은 비중을 차지하고 있는 것으로 나타났다(Kim, 2014). 이와 같이 차량배출가스에 의한 발생량이 높은 두 물질은 호흡기 질환, 감기, 두통 등 건강을 악화시키는 오염원이며, 대기오염 물질이 인체에 미치는 위험성에 대한 논의는 계속 진행되고 있다(Lee, 2003; Pope et al., 2002; Bae et al., 2010; Ministry of Environment, 2007). 이에 따라 본 연구는 차량배출가스에 의한 질소산화물과 초미세먼지의 유해성을 인지하고 두 물질의 발생량을 분석 오염원으로 정의하였다.

연구 흐름 체계는 Figure 1에 제시하였다. 단위길이 당 물질별 발생량인 배출계수를 산출하기 위하여 차량배출가스 발생량을 추정하는 분석도구인 MOVES를 이용하였으며, VDS(Vehicle Detection System)에서 수집한 교통량, 속도자료를 매칭하여 물질별 ․ 시간대별 ․ 공간별 차량배출가스 발생량을 추정하였다. 또한 군집분석을 이용하여 배출가스 발생량을 4수준으로 구분하기 위한 LOVE4(Level of Vehicle Emission)를 정의하였으며, LOVE4에 따른 차량배출가스 발생량의 시공간 패턴분석을 수행하였다. 분석결과를 바탕으로 오염정도가 심각한 공간과 시간을 파악하였으며, 오염정도가 적은 시간대의 야외활동을 유도하기 위한 공공보건 정보 활성화 전략 및 교통기반 공공보건 정책 방안을 제시하였다.

2. 거시적 모형을 통한 차량배출가스 산정

MOVES(Motor Vehicle Emission Simulator)는 미국 환경부(U.S. EPA)에서 2009년에 개발된 차량 배출가스 분석 툴이다. 휘발성 유기화합물, 일산화탄소, 이산화황, 질소산화물, 미세먼지, 초미세먼지 등 다양한 오염원 분석이 가능하며, 차량속도와 차량비출력을 고려한 차량 운행모드 기반 모형이다. 또한 MOVES는 다수의 실험과 연구 결과에 근간을 두고 개발한 배출량 산정 방법론을 적용하여 미국 외의 다른 국가에서도 활용할 수 있다(Hu et al., 2016). 국내 환경 및 상황을 반영하기 위해 기상상황(기온, 습도 등), 차종, 연식 등을 조정하여 현실적인 배출계수를 산출할 수 있다.

본 연구에서는 차량의 평균 속도와 이동거리등을 차량활동 입력자료로 이용한 거시적 모형으로 배출가스를 추정하였다. 거시적 모형은 차량 간의 간섭과 교통 지체가 발생하는 경우에서 미시적 모형보다는 과소 추정되는 경향이 있으나, 도시 단위 및 지역 수준의 배출가스분석이 필요할 경우에는 거시적 모형을 사용하는 것이 적합하다. 이에 본 연구는 수도권을 순환하는 서울외곽순환고속도로에서 발생하는 차량배출가스 발생량을 추정하고 시공간적 패턴을 분석하는 것으로 거시적 모형이 적합하다고 판단하였다.

거시적 분석을 위해 룩업 테이블(lookup-table) 방법을 이용하여 차량배출가스 분석 시 발생하는 과다한 연산시간을 최소화하였다. 룩업 테이블은 도로환경을 고려한 연료와 차종에 대한 차량 1대당 배출계수의 참조표이다. MOVES를 이용하여 산출한 물질별 배출계수는 단위시간․단위거리 당 발생하는 대기오염물질량을 의미하며, 속도, 차종 및 기상상황에 따라 달라진다. 배출계수 룩업테이블을 이용한 배출량 추정 식은 Equation 1과 같이 배출계수, 속도, 교통량, 구간길이의 곱으로 계산된다.

  (1)

여기서  : 구간 차량배출가스 발생량(g/section‧h)

 : 배출계수(g/veh‧km)

   : 속도(j)

   : 오염물질(j)

   : 구간별 평균 교통량(veh/h)

   : 구간길이(km/section)

3. 차량배출가스 수준(LOVE4) 분석

본 연구에서는 K-means 군집분석을 적용하여 차량배출가스 수준(Level of Vehicle Emission, LOVE4)을 4등급으로 카테고리화하였다. LOVE4는 차량 배출가스에 포함된 오염물질의 심각도를 4개의 등급으로 나타내는 기준으로 정의하였으며, LOVE4는 A부터 D까지 4수준으로 구분하였다. 기존의 국내 통합대기환경지수에서는 대기오염도를 4등급(좋음, 보통, 나쁨, 매우나쁨)으로 분류하고 있다. 그러나 통합대기환경지수는 대기오염도 측정치를 기준으로 하며, 측정소가 없는 고속도로에서 발생한 차량배출가스 산정에 적용하는 것은 한계가 있다. 또한 대기오염도 측정치는 대기오염의 농도(질소산화물(ppm), 초미세먼지())를 측정하는 것이며, 배출량(g/section‧h)을 같은 기준으로 등급화하는 것은 바람직하지 않다. 따라서 LOVE4는 배출량을 구분하기 위해 유사한 성향이 있는 개체를 군집으로 분류하고, 클러스터 개수 K값은 이용자의 이해를 보다 용이하게 하기 위해 기존 등급에 따라 4를 입력 파라미터로 지정하였다. LOVE4 A 수준은 인체에 유해한 오염물질 발생량이 미비하며, 이를 유지하기 위한 지속적인 모니터링 및 관리가 필요한 상태를 의미한다. B 수준의 경우 인체에 유해한 오염물질의 심각도가 높지는 않으나 지속적인 모니터링을 통해 발생량을 줄이기 위한 노력과 관리가 필요한 상태이다. C 수준은 인체에 유해한 오염물질의 심각도가 높은 편으로 대기확산 영향권을 관리하여 대기오염으로 인한 피해를 예방할 필요성이 있는 상태이다. 마지막으로 인체에 유해한 오염물질의 심각도가 가장 높은 D 수준의 경우는 대기확산 시 주변 지역에 거주하는 사람들에게 직접적인 피해로 이어질 수 있으므로 영향권 집중관리를 통한 피해최소화가 요구된다. 이러한 등급별 상대 비교를 통해 교통기반 공공보건 전략을 수립할 수 있다. 본 연구에서 제시하는 LOVE4 기준의 배출량을 기반으로 대기확산분석을 통해 농도를 산출할 수 있으며, 국내 통합대기환경지수에서 제시하는 대기오염도 4등급과 비교할 수 있다. 따라서 본 연구는 기존에 사용되는 대기환경지수의 등급 개수를 기반으로 고속도로 차량배출가스로 인한 대기오염 상황을 보다 명확하게 분류하고자 4수준으로 차량 배출가스 발생량을 구분하였다.

자료수집 및 분석

1. 분석구간 및 범위

본 연구의 분석구간은 수도권을 순환하는 서울외곽순환고속도로이며, 시간적 범위는 2015년 1월부터 2015년 6월이다. 분석구간은 경기도 성남시의 판교분기점을 기점으로 하여 서울특별시를 비롯하여 경기도를 순환하는 고속도로이다. 또한 인구와 차량이 밀집되어있는 수도권을 순환하는 도로로서 이용량이 많고 출퇴근 시간대에 정체가 빈번하게 발생하는 특성을 가지고 있다. 따라서 도로를 이용하는 차량으로 인한 배출가스가 많이 발생하고 도로에서 발생한 대기오염원의 이동이 인근 지역에 영향을 미칠 것으로 판단하여 이를 분석대상으로 선정하였다.

2. 자료수집 및 분석

자료 수집 및 처리과정은 Figure 3에 제시하였다. 자료 수집은 한국도로공사 고속도로 공공자료 포털에서 제공하는 VDS 교통량과 속도를 이용하였으며, 5분 단위 집계 자료를 이용하였다. 대상도로 전 구간에는 131개의 VDS가 약 1km 간격으로 설치되어있다. 분석구간에 해당하는 검지기 중 자료가 수집되지 않았거나 이상치로 판단되는 자료를 제외한 113개 VDS 자료를 바탕으로 분석자료셋을 구성하였다. 본 연구의 이상치는 교통량, 속도 값이 0이거나 음수인 경우로 정의하였다. 대상도로의 자료를 수집하여 VDS ID별, 요일별, 시간별로 지점속도와 지점교통량 자료를 정리하였다. 이러한 지점자료는 VDS 이정과 나들목/분기점 이정의 매칭을 통해 구간속도와 구간 교통량으로 재정리하였으며, 이에 따른 구간 길이 또한 산출하였다.

MOVES의 입력 자료인 유종을 고려한 차종비율을 추정하기 위해 2015년 6월 차량 등록 통계자료와 교통량 정보제공 시스템에서 제공되는 2014년 서울외곽순환고속도로 차종별 교통량 통계자료를 이용하였다. 고속도로를 이용하는 차량들의 유종비가 차량 등록 통계와 비례한다고 가정하고 서울외곽순환도로 유종을 고려한 차종별 차량비율을 추정하였다. 그 결과, 승용차 휘발유 49%, 승용차 경유 21%, 승용차 LPG 8%, 화물 경유 20%, 버스 경유 2%로 추정되었다. 서울외곽순환고속도로 차종비율을 추정과정은 Figure 4에 제시하였다.

연식의 경우 자동차 등록현황 통계를 이용하였다. 11년 이상 된 차량의 비율은 3% 이하였으며, 본 연구에서는 보유 기간이 11년 이상인 차량이 없다고 가정하고 최근 10년 비율을 각각 10%로 입력하였다. 또한 기온과 습도는 기상청에서 제공하는 30년 평년값을 이용하여 평균기온과 습도를 MOVES에 입력하였다.

MOVES를 이용하여 단위길이 당 오염물질 발생량, 즉 배출계수를 산출하였으며, 속도별() ․ 오염물질별() 해당되는 배출계수를 각각 산출하였다. 이때 산출된 배출계수는 VDS를 기준으로 1km 구간에서 발생된 배출량이다. 수집 및 처리된 자료를 기반으로 교통량, 속도, 구간길이가 고려된 구간별 차량배출가스 발생량을 요일별로 도출하였다. 본 연구에서는 질소산화물과 초미세먼지의 발생량을 LOVE4을 기준으로 구분하고, 평일 시공간 차량배출가스 발생량을 정리하여 패턴분석에 이용하였다.

차량배출가스 분석결과

1. 군집분석을 통한 LOVE4

LOVE4는 비계층적 방법인 k-평균 군집분석을 사용하였으며, 군집 구분의 통계적 유의성을 검증하기 위하여 분산분석을 수행하였다. 질소산화물과 초미세먼지 모두 LOVE4 수준에 따라 통계적으로 유의미한 차이가 있는 것으로 도출되었으며, 군집에 따른 분산분석 결과를 Table 1에 제시하였다. 질소산화물과 초미세먼지의 수준별 빈도는 A 수준이 가장 많았으며, 낮은 수준일수록 해당 구간 빈도수가 적은 것으로 도출되었다. 같은 수준 집단 내 배출량의 분산은 낮은 수준일수록 커지는 것으로 나타났다(Table 2 참고).

2. 시‧공간에 따른 LOVE4 수준 빈도분석

1) 시간대별‧공간별 비교

시간대별‧공간별 차량배출가스 발생량 차이의 통계적 유의성을 검증하기 위하여 분산분석을 수행하였다(Table 3 참고). 분석결과 질소산화물과 초미세먼지의 시간대별‧공간별 차량배출가스 발생량은 모두 평균의 차이가 유의미한 것으로 나타났다. 따라서 시간대별․공간별 차량배출가스 발생량 특성분석을 위하여 시‧공간에 따른 LOVE4 수준별 빈도 분석을 수행하였다.

2) 시간에 따른 LOVE4 수준 빈도분석

LOVE4 수준별 시간대 빈도분석 결과, 두 물질의 A, B, C 수준은 시간대별 빈도의 높고 낮음이 두 물질 간 비슷한 패턴을 보이는 것으로 나타났다. 시간에 따른 LOVE4 수준 빈도분석 결과를 Table 4에 제시하였다. 예를 들어 A 수준의 경우 두 물질 모두 23-5시 빈도가 가장 높은 것으로 나타났다. 그러나 차량 배출가스 발생량이 가장 많은 D 수준은 두 물질 간 빈도패턴의 차이가 있는 것으로 분석되었다. 질소산화물 D 수준의 경우 8-9시가 가장 빈도가 높았으나, 사람들이 야외활동하는 시간대인 7-19시 사이는 큰 폭으로 증감하지 않았다. 반면에 초미세먼지의 경우 퇴근시간인 17-19시의 D 수준 발생빈도가 높은 것으로 나타났고 출근시간인 6-9시는 점차 빈도가 높아지는 패턴을 보이며 M자 형태의 패턴을 띄는 것으로 분석되었다. 초미세먼지는 출퇴근 시간 교통량 증가에 민감하게 반응하는 것으로 판단되며, 질소산화물과 비교하여 주간에는 상대적으로 D 수준이 적은 것으로 나타났다. 이는 질소산화물이 화물차의 영향을 많이 받는 물질로서 평일 주간 배출량의 편차가 크지 않은 것으로 판단된다.

3) 공간에 따른 LOVE4 수준 빈도분석

수준별 공간빈도분석 결과를 Table 5에 제시하였으며, 두 물질의 D 수준 구간 중 공통적으로 도출된 공간은 서하남나들목, 통일로나들목, 산본나들목, 판교분기점이며, 빈도가 가장 높은 공간은 판교분기점이다. 통일로나들목 부근은 교통량이 적은 곳이나 D 수준 빈도가 높은 곳으로 나타나 질소산화물로 인한 오염도가 높은 것으로 도출되었다. 초미세먼지의 경우 두 번째로 D 수준 빈도가 높은 곳은 산본나들목 부근으로 나타났다. 이 구간은 양방향 모두 고속도로 상습 정체구간에 포함되어있는 부분으로 상습적인 교통정체로 인해 발생하는 초미세먼지의 영향이 큰 것으로 판단된다. 서울외곽순환고속도로에서 교통량이 높은 구간인 토평나들목, 남양주나들목, 서운분기점, 중동나들목, 장수나들목은 두 물질 모두 A, B 수준의 빈도가 높은 것으로 나타났다. 이 구간은 교통량이 많지만 질소산화물과 초미세먼지의 배출가스 발생량이 적은 것으로 분석되었다. 이는 교통량이 많아 타 구간과 비교하여 고속주행이 불가하고 상대적으로 배출가스 발생량이 적은 경제속도(60-80km/h)의 교통상황이 많았기 때문으로 판단된다(Korea Energy Agency).

3. LOVE4에 따른 시공간 패턴분석

분석대상 고속도로는 상습적으로 정체가 발생하는 구간을 포함하고 있으며, 수도권지역의 인구 밀집으로 출퇴근 시간에 근로자들의 이동이 많은 공간적, 시간적 특성을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 질소산화물과 초미세먼지에 대한 시공간 패턴분석을 수행하여, 오염정도가 높은 구간과 시간대를 파악하였다. Figure 5는 두 물질의 LOVE4를 색으로 구분하여 시공간적으로 표현한 것이다. 판교분기점은 두 물질 모두 6-21시까지 D 수준을 보이고 있어 오염정도가 매우 심각한 것으로 분석되었으며, 지속적인 대기오염관리가 필요할 것으로 판단된다. 통일로나들목은 질소산화물의 경우 7-19시 사이 대부분의 시간대에서 발생량이 높은 것으로 나타났으며, 초미세먼지는 출근시간대인 8-9시, 퇴근시간대인 17-19시에 발생량이 많은 것으로 나타났다. 산본나들목은 두 물질의 오염도가 심각한 시간대가 확연한 차이를 보였으며, 질소산화물은 11-15시, 초미세먼지는 7-11시와 15-20시가 D 수준으로 분석되었다. 이를 통해 통일로나들목과 산본나들목 부근 주간과 출퇴근 시간 전후 시간에 물질별 차량배출가스 관리 전략이 요구되는 것으로 판단되었다. 따라서 시공간 패턴분석을 통해 오염정도가 심각한 시간대 및 구간을 파악하고 이를 기반으로 공공보건 전략이 수립되어야 할 것이다.

교통기반 공공보건 정책 방안

1. 교통계획 및 교통시설물 측면

수도권은 인구와 차량이 밀집되어있으며, 고속도로, 국도 등 도로 주변에는 주거지역이 근거리에 위치하여 이로 인한 주거지역의 대기오염이 심각하다. 그러나 주거지역의 대기환경을 보장하는 대기오염에 관한 규제가 명확하지 않으며, 물질별 대기환경 기준이 있으나 주거지역 주변 도로에서 발생하는 대기오염을 방지하기 위한 대책 마련 방안은 부재한 실정이다.

위험물질에 노출되는 취약계층 보호를 위해서 교통 및 토지이용계획의 수립 단계에서부터 차량의 배출가스 영향을 체계적으로 고려한 고속도로와 주거지역 간의 적정 이격거리가 선정될 필요가 있다. 그러나 수도권 고속도로 인근에는 주거지역이 위치하고 있으며, 분석범위 내 서하남나들목, 통일로나들목, 산본나들목, 판교분기점의 오염도는 매우 심각한 것으로 나타났다(Figure 5 참고). 서하남나들목과 통일로나들목은 출퇴근시간, 판교분기점은 활동시간인 6-21시까지 D수준으로 나타났다, 산본나들목은 출퇴근시간에는 초미세먼지가, 출퇴근시간을 제외한 활동시간대는 질소산화물의 발생량이 D수준으로 고속도로 인근에 거주하는 주민들의 위험물질 노출도가 클 것으로 판단된다.

본 연구에서는 분석범위 내 질소산화물과 초미세먼지의 오염도가 심각한 구간인 산본나들목-평촌나들목 구간 인근 주거지역을 사례분석하였다. 분석 영향권은 고속도로 기준 반경 500m 범위로 설정하였으며, 이는 환경영향평가 평가범위 설정 가이드라인에서 제시하는 도로영향으로 인한 대기질 평가범위를 근거로 하였다(Ministry of Environment, 2013). 이 구간은 주요 활동시간인 주간의 차량배출가스 발생량이 매우 높은 구간이며, 특히 도심을 통과하는 부분으로 고속도로 주변에는 주거단지가 넓게 분포하고 있다. Figure 6은 산본나들목-평촌나들목의 영향권 내에 위치한 시설을 파악한 것이다. 점선의 원형()은 고속도로 기준 반경 500m 영향권 영역을 의미하고, 점 기호()는 초․중․고․대학교를, 삼각 기호()는 공원 및 야외체육시설의 위치를 나타낸 것이다. 영향권 내에는 학교 16개, 공원 및 야외체육시설 13개가 위치해있다. 영향권 내에는 대기오염에 취약한 어린이, 청소년들의 주 생활권을 비롯하여 운동이나 야외활동이 주가 되는 공간이 많은 것으로 나타났다.

이와 같은 고속도로 인근에 위치한 주거지역을 위해서는 위험물질 노출을 최소화하기 위한 시설물 설치 방안을 고려해야 할 것이다. 최근 연구에서는 소음감소를 위한 방음벽이 대기오염물질을 막는 효과도 일부 있는 것으로 보고되었다(Baldauf et al., 2008; Ning et al., 2010). 이처럼 고속도로에서 발생하는 차량배출가스가 주거지역으로 확산되는 것을 방지하기 위한 시설물이 새롭게 개발될 필요가 있다. 공공보건 관점에서의 대기오염 방지시설의 신규 개발 및 기존 시설의 개량을 위한 투자가 필요하며, 공간적 대기오염 확산 패턴분석을 실시하여 피해가 큰 주거지역을 우선적으로 개선해야 할 것이다.

2. 교통운영 및 관리 측면

차량 배출가스는 속도와 차종의 영향을 많이 받는다. 서울외곽순환고속도로는 교통정체 상습구간이 많으며, 사고 발생 시 정체는 더욱 심각해지는 도로이다. 정체가 발생할 경우 저속주행으로 배출가스가 증가하게 되므로, 교통정체와 사고에 따른 배출가스 감축을 위한 교통운영관리방안이 필요하다. 또한 차량의 종류별로 배출가스 발생량이 다르며 승용차보다는 화물차의 배출량이 많다. 따라서 차량배출가스 발생량이 큰 시간 및 지역을 파악하여 화물차 통행 제한 시간 및 화물차 속도관리를 위한 화물차 전용차로 적용을 위한 논의가 필요하다. 예를 들어 산본나들목 11-15시는 화물차의 영향을 많이 받는 질소산화물이 D수준인 것으로 분석되었으며(Figure 5 참고), 해당 구간 인근에는 주거지역이 넓게 분포되어 있는 것으로 파악되었다(Figure 6 참고). 따라서 오염도가 높은 시간대 화물차 속도관리를 통해 산본나들목 주변 지역의 질소산화물로 인한 피해를 줄일 수 있을 것이다. 또한 배출가스를 적게 유발하는 저공해 차량의 확대 방안을 계속적으로 검토해야 한다.

3. 교통기반 공공보건 정보 측면

최근 중국에서 발생하는 스모그와 미세먼지는 국내에도 영향을 미치고 있으며, 이에 따라 미세먼지가 큰 사회적 문제로 대두되고 있다. 따라서 대기오염이 심각한 지역과 시간대의 정보를 일반 대중들에게 제공하는 공공보건 방안이 필요하다. 본 연구에서는 대기오염 노출도를 줄이기 위한 또 하나의 방법으로 교통 분석 기반 공공보건 정보 활성화 방안을 제시하고자 한다. 예를 들어 배출량이 적은 시간대를 알려 학교의 체육활동이나 어린이집의 산책시간을 유도하고, 가정에는 환기 적정 시간 및 야외활동 추천시간에 대한 정보를 제공하는 것이다. 또한 병원에서는 호흡기질환 환자들을 위한 병실환기시간, 산책시간 등의 결정을 위한 유용한 정보로 활용될 수 있을 것이다.

현재 일부 지역에서 시행하고 있는 대기질 정보 문자서비스가 대기오염에 대한 정보를 제공하고 있지만 질소산화물에 대한 정보는 제공하지 않으며 신청자에 한에서만 정보가 제공되고 있다는 단점을 가지고 있다. 이러한 한계를 보완하기 위해 인체에 악영향을 미치는 대기오염원에 대한 정보를 추가하고 정보를 제공받는 사람이 경각심을 느낄 수 있도록 내용을 구성하는 것이 바람직하다.

결론 및 향후 연구과제

1. 결론

본 연구는 대기오염으로 인한 인체 피해의 심각성 인식하고 도로에서 발생하는 배출량을 추정하여 교통기반 공공보건 관리 전략을 위한 기초연구를 진행하였다. 이를 위해 도심과 밀접해 있는 서울외곽순환고속도로를 대상으로 차량에서 발생하는 배출가스 중 질소산화물, 초미세먼지에 초점을 맞추어 분석하였다. 먼저 속도를 이용한 거시적 방법을 이용하여 구간별로 발생하는 배출량을 추정하였다. 미국 환경부에서 개발한 차량 배출가스 분석 툴인 MOVES를 이용하여 산출한 배출계수를 기반으로 교통량과 구간 길이를 반영하여 나들목과 분기점 기준 구간별로 총량을 추정하였다. 차량배출가스 발생량을 k-means 군집분석 기법을 이용하여 등급화하는 LOVE4를 제안하였으며, 이를 기반으로 시공간 패턴분석을 수행하였다.

분석결과, 시간과 공간에 따른 배출량의 차이가 유의한 것으로 나타났으며, 오염정도가 가장 나쁜 D 수준을 중점적으로 분석하였다. 질소산화물과 초미세먼지 모두 공간적 측면에서는 서하남나들목, 통일로나들목, 산본나들목, 판교분기점에서 D 수준이 많이 나타나는 것으로 확인되었으며, 시간적 출퇴근 시간에서 질소산화물보다 초미세먼지의 발생량이 큰 것으로 나타났다.

분석결과를 바탕으로 교통기반 공공보건 정책을 제시하였으며, 교통계획 및 교통시설물 측면, 교통기반 공공보건 정보 측면, 교통운영 및 관리 측면에 대한 전략 및 정책을 제안하였다. 본 연구에서 제시한 차량배출가스 분석 방향 및 전략은 인체에 해로운 대기오염원에 대한 노출을 줄일 수 있는 정책 마련의 기초가 될 것으로 판단된다.

2. 향후 연구과제

본 연구에서는 정체에 따른 배출가스 발생량을 분석하였다. 보다 신뢰성 있는 배출량 추정 및 활용방안 제시를 위해 다음과 같은 연구가 추가적으로 진행되어야 한다. 첫째, 본 연구는 배출량을 산정하기 위해 도로 구간별 평균 속도를 기반으로 한 거시적 방법을 이용하였다. 추후 개별차량의 동적 주행특성을 이용하여 배출량의 변화를 고려한 미시적 방법을 이용할 수 있으며, 이를 통해 실제 배출량에 가까운 값을 추정할 수 있을 것으로 판단된다. 둘째, 본 연구의 활용방안에서는 배출량을 4등급으로 나누었다. 그러나 배출량이 인체에 미치는 정도를 파악하고 그 결과를 반영한 등급이 필요하다. 향후 대기확산에 따른 농도를 파악하고 대기오염 농도가 인체에 미치는 영향을 파악하여 등급 반영할 필요가 있다. 그에 따라 인체 영향 정도에 따라 등급을 구분하는 연구가 진행된다면 더욱 신뢰성 있는 정보들을 제공할 수 있을 것이다. 마지막으로 본 연구에서는 기존문헌을 근거로 고속도로에서 발생하는 배출가스로 인한 영향권을 반경 500m로 정의하였다. 그러나 고속도로에서 발생하는 차량배출가스가 인접한 주거지역 주민의 건강에 미치는 영향을 체계적으로 분석하고 영향권을 파악하기 위해서는 풍향, 풍속, 기온, 습도 등에 의해 배출가스의 대기확산 패턴을 보다 과학적으로 분석할 필요가 있다. 또한 대기확산 모형을 통해 농도를 산출한 후, 본 연구에서 제시한 LOVE4와 국내 통합대기환경지수에서 제시하는 대기오염도 4등급을 비교할 수 있으며, 다른 도로구간에 적용되는 범용성을 확보하기 위해서는 보다 광범위한 고속도로 자료 분석이 수행되어야 할 것으로 판단된다.