1. 서 론

대기오염이나 악취 현상은 지상에서 발생한 물질 이 대기 중에서 이동, 확산되어 나타나는 것으로, 지 형이나 기상상태에 따라 시시각각 변화하는 특성을 가진다. 대기오염이나 악취유발물질의 대기 중 이동 현상을 해석하는 것은 인간이나 자연환경에 미치는 영향을 해석하기 위한 가장 중요한 과제일 것이다. 대 기 중 환경영향은 실측을 통한 분석이 가장 정확한 방 법이겠지만, 미래에 만들어질 배출시설이나 가상의 기상상태에 의한 영향을 미리 예측하거나, 배출원 주 변의 공간적인 농도 분포를 분석하여 피해영향 범위 를 산정하거나, 대기오염 관리대책의 효과를 사전에 평가하기 위해서는 자연현상을 모사(simulation)할 수 있는 도구가 필요하게 된다. 이러한 측면에서 여러가 지 불확실성에도 불구하고 대기 중 오염현상을 해석 하기 위한 도구로 대기확산모델이 많이 사용되고 있 는 이유라고 할 수 있다(Kim et al., 1997; Schnelle and Dey, 1999).

대기확산모델 구성의 기본이 되는 대기확산방정식 은 물질수지에 의해 다음 식 (1)과 같이 유도된다. 여 기에서 ∂ c ∂ t 항은 시간에 따른 농도 변화, u ∂ c ∂ x + ∂ c ∂ y + w ∂ c ∂ z 항은 x, y, z 방향의 바람에 의한 이류항, 그리고 우변 항은 역시 x, y, z 방향의 확산항을 의미하며, Kx, Ky, Kz는 난류확산계수가 된다.

식 (1)을 통해 대기확산방정식의 수학적 해석해를 구할수 있다면 시간과 공간에 따른 농도 변화를 얻을 수 있지만, 반응항이 고려되지 않은 위 대기확산방정 식의 완벽한 수학적 해를 지금까지 구하지 못하는 실 정이다. 이에 시간항을 무시하거나 풍속과 확산계수 가 일정하다든가 하는 여러 가지 조건과 근사에 의해 간략화한 해석해를 구하고자 하는 연구가 이어져 왔 다(Dobins, 1979; Kim, 1992). 실제로 Kim et al. (1997) 에서는 1) 풍속이나 확산계수가 일정할 때의 무풍시 순간 배출 점오염원에 대한 1차원 공간에서의 제일 간단한 해석해로부터 무풍시 순간 선오염원, 면오염 원, 정상상태에서의 해석해 등과 2) 풍속이나 확산계 수가 일정하지 않을 때의 연속 선오염원에 대한 Walters 식과 3차원 점오염원에 대한 Demuth 식 등으로 상세 하게 분류하여 다양한 해석해를 제시하고 있다. 그러 나, 이러한 해석해는 대기확산방정식을 풀기 위한 여 러 노력의 과정으로 풍동실험의 결과를 검증하는 차 원에서나 제한적으로 사용하는 등 실제 대기 중의 난 류 확산 현상을 해석하는 실용적인 관점에서 그 활용 성에 한계가 있다.

이에 다른 접근 방법으로, 대기확산방정식의 미분 항을 직접 풀기보다는 수치해석을 이용하는 유한차 분법이나 유한요소법 등으로 근사적으로 해결하려는 노력이 있어 왔으며, Kim (1992)은 두 방법보다 미분 의 차분 근사과정에서의 오차를 최소화하기 위해 푸 리에 변환(Fourier Transform)이나 라플라스 변환 (Laplace Transform) 등의 방법에 대한 연구를 수행하 기도 했으나 실제 대기확산현상에 적용하는 과정에 서 오염물질의 불연속적인 배출 특성에 따른 Gibbs 오 차를 해결하지 못하는 한계로 실용적인 차원까지는 이르지 못하였다(Kim and Jang, 1991; Kim and Hiraoka, 1991).

이러한 노력 중에서 실용적인 차원에서 가장 보편 적으로 사용하게 된 방법으로 시간에 따른 농도 변화 가 없는 정상상태(steady state)에서는 대기 공간에서 의 물질 분포가 정상분포를 이룬다는 전제하에서 대 기확산현상을 해석하고자 하는 가우스 확산모델 (Gaussian Plume Equation)이 제시되어(Pasquill, 1974; Schnell and Dey, 1999), 미국 EPA의 권장모델 (Regulatory Model)로 전 세계적으로 환경영향평가 등 의 목적으로 널리 활용되게 되었다(Kim, 1988). 그러 나, 가우스 확산모델은 시간 해상도가 1시간 정도에 머무르고, 난류확산계수는 기상 안정도에 따른 정규 분포에 따른 표준편차로 제시하여 실시간으로 변화 하는 난류확산에 따른 오염물질의 거동을 해석하기 에는 여전히 한계가 따르는 것으로 평가된다.

난류현상에 대한 이론적인 접근으로 대기 중 난류 (eddy)를 풍속에 따른 기계적 난류와 기온에 따른 열 적 난류로 구분하고 이를 측정변수의 공분산으로 해 석하여 실시간의 플럭스(Flux)를 구하려는 노력도 제 시되어 왔으나(Harris, 1979), 3차원 기상 및 농도 측정 자료의 한계상 지금까지는 이론적인 접근이라는 한 계에 머무르게 되었다.

이러한 한계 속에서 대기 난류확산 현상을 실용적 으로 해석하기 위한 방법으로 1) 대기확산모델 결과 의 검·보정 방법, 2) 측정자료의 시간 해상도 제고 방 법, 3) 난류확산계수를 산정하기 위한 실시간 미기상 및 농도 측정 등의 보완적 기술에 대한 연구를 지속 적으로 진행하여 왔다.

이에 본 고에서는 그 첫번째로, 가상적인 시뮬레이 션이라는 근원적 한계를 극복하기 위한 모델 결과에 대한 검·보정 방법의 하나로 공간적인 해상도를 늘리 기 위한 확산형 측정기(Passive air sampler) 기술의 방 법과 활용사례를 검토하고자 한다. 이후 두 번째 주 제로 측정자료의 시간 해상도를 제고하기 위한 미세 먼지와 냄새센서 기술의 발달과 활용사례를 검토하 며, 세 번째 주제로는 실시간 3차원 기상 측정자료와 대기오염 센서 측정자료를 이용한 난류확산계수와 악취나 비산먼지와 같이 비배출구에서 발생하는 오 염물질의 플럭스 산정 (Kim et al., 2020) 방법에 대해 순차적으로 보고하고자 한다.

2. 확산형 측정기의 종류 및 방법

대기확산현상을 해석하기 위한 확산모델링 기법은 배출원이나 기상, 지형, 저감대책 등의 여러 시뮬레이 션 조건에 따라 공간적인 분포를 상세하게 제공할 수 있다는 점에서 매우 유용한 도구라 할 수 있다. 그러 나, 모델링 시뮬레이션의 근간이 되는 배출량 산정의 어려움에서부터 기상이나 지형 등의 여러 변수에 대 한 영향이 매우 큰 상황에서 그 결과를 검정하거나 보 정하지 않은 상태에서는 단지 가상의 시뮬레이션 결 과에 그칠 우려가 있다. 배출량의 경우, 배출구를 명 확히 특정할 수 있는 점오염원의 경우에는 배출구의 농도와 유량을 통해 배출량을 정확하게 산정할 수 있 지만, 규모나 범위에 따라 배출시설로 등록되어 있지 않은 경우, 특히 악취나 비산먼지, 온실가스와 같이 면 오염원 배출의 경우 배출량 산정에 근본적인 어려움 이 따르는 것이 사실이다.

또한, 범용적으로 많이 사용하고 있는 가우시안 확 산모델의 경우에도 지형과 기상의 영향을 제한적으 로밖에 반영하고 있지 못해 그 결과를 실질적으로 활 용하기 위한 검증이나 보정 작업이 필수적이라 하겠 다. 현재 정부나 사업장에서 자동측정망을 운영하고 있지만, 측정지점 수 부족으로 평가 대상지역의 모델 링 결과를 검증하기에는 한계가 있으며, 모델 결과를 검·보정하기 위해 별도의 측정을 시행하는 경우에도 공간 해상도를 만족할 만한 수준의 측정자료를 얻기 위해서는 상당한 노력과 비용을 요구할 수 밖에 없다 (Woo et al., 1997).

한편, 확산형 측정기(Diffusive air sampler or Passive air sampler)의 경우 분자확산의 원리를 이용하여 일 정시간동안 대기 중에 노출하여 흡수나 흡착에 의해 시료를 채취-농축하고자 하는 원리로 펌프 등의 동력 을 사용하지 않고 측정기 크기가 매우 작으며 비용이 저렴하여 원하는 지점에 매우 조밀하게 설치 가능하 다는 점에서 확산모델링 결과의 공간 분포를 검·보정 하는 목적에 부합되는 특성을 갖고 있다.

Table 1은 주요 대기오염물질의 확산형 측정기의 흡 수제와 분석 원리 및 방법을 정리한 것으로, 물질별 흡수제는 일반적으로 공정시험기준에 제시되고 있는 수동시료채취방법에서 흡수액으로 사용하고 있는 물 질이며, 분석 원리도 물질에 따라 산화, 발색 또는 추 출 등의 과정을 거친 후 공정시험기준의 물질별 대표 적인 분석방법에서 사용하는 기기와 유사하다. 결국, 확산형 측정기는 시료채취 과정에서 펌프로 단기간 에 고용량으로 흡인하는 방법 (active sampling) 대신 에 장시간에 걸쳐 서서히 확산 원리로 흡인하고자 하 는 것으로 분석과정은 거의 동일하다고 할 수 있다.

Fig. 1에 본 연구자가 주요 물질 측정에 사용하고 있 는 확산형 측정기의 형태와 실제 대기 공간에 설치하 는 모습을 나타내었다. 현재 사용하고 있는 측정기는 이산화질소의 경우처럼 매우 단순한 튜브형에서부터 이산화탄소의 경우와 같이 액상 흡수액을 사용하는 형태, 먼지 측정을 위한 패드형 등으로 사용 목적에 따라 다양한 형태가 개발되어 사용되고 있다. Fig. 1의 설치 사진처럼 장소나 높이 등에 구애받지 않고 비전 문가도 자신이 원하는 장소에 간단히 설치할 수 있다 는 것(Kim and Amaya, 1993)이 무엇보다 중요한 장점 일 것이다.

현재 가장 많이 사용하고 있는 이산화질소 단기 측 정기의 경우 트리에탄올아민을 함침한 여지를 사용 하여 시료를 채취하고, 공정시험기준에서 사용하고 있는 샬츠만시약을 이용, 적색으로 발색시킨 뒤 이를 비색계로 정량하는 방법이 대표적이다. 또한, 악취유 발의 대표적인 물질인 암모니아의 경우에도 공정시 험기준에서 제시하고 있는 인도페놀법과 같은 흡수 제와 발색액, 분석방법 등이 사용되며(Yim and Kim, 2006), VOC_s의 경우에는 활성탄 여지에 흡착한 뒤 CS₂ 로 추출한 후 GC로 분석하는 방법으로, 대부분의 물 질이 시료채취 도구만 다를 뿐 일반적인 분석방법과 유사하다(Kim and Kim, 2001).

Fig. 2에 주요 물질의 확산형 측정기에 대한 정도 자 료를 나타내었다. Fig. 2(a)와 같이 Kim et al. (2006)은 이산화질소 확산형 측정기의 추출양과 기준측정기와 결과를 비교하여 r=0.977의 매우 높은 상관계수를 제 시하였고, 유사한 연구로 Yim et al. (2008)은 대전시 도 로변 40개 지점에서 측정한 이산화질소 평균농도를 지역의 대기오염 자동측정소의 결과와 비교하여 r=0.76 의 높은 상관계수를 얻은 것으로 보고하고 있다.

Fig. 2(b)에서 HCHO의 기준 측정방법에 의한 분석 결과와 확산형 측정기의 흡수량을 비교한 것으로 r²=0.98 이상의 높은 정확성을 확인할 수 있고, Fig. 2(c)에서 는 오존 확산형 측정기와 기준측정기 간의 높은 정확 성 결과와 Fig. 2(d)에서는 이산화탄소에 대해 비분산 형 적외선(Non-Dispersive Infrared, NDIR) 측정기와 확산형 측정기와의 정확도 결과를 확인할 수 있다.

3. 확산형 측정기의 활용 사례

확산형 측정기는 공간 해상도를 높이기 위한 대기 질 측정 수단으로 다양한 목적과 연계하여 유용하게 활용되고 있다. 측정기의 정확성 및 편의성 때문에 가 장 많이 이용되는 측정물질은 이산화질소 항목으로, 국내에서는 지역차원의 이산화질소 공간분포를 파악 하기 위한 조사에 가장 많이 활용되고 있는 가운데 전 국적 규모로 매년 2회씩 10년간 약 20,000개소 이상의 지점에서 동시측정한 사례(Kim and Kim, 2002)가 대 표적이다. 국외로는 한국, 일본, 중국의 동북아 18개 지점에서 대기오염에 의한 문화재 재료의 노출 시험 과정에서 측정지점 간에 이산화황과 이산화질소 농 도의 동시측정을 위해 활용된 사례가 있다(Kim et al., 2004).

VOCs 관련 측정사례로는 Park et al. (2005)의 기타 화학제품 시설, Kim et al. (2007a)의 피혁사업장에서 의 VOCs 배출특성 연구로부터 고무제조업, 폐기물처 리시설 등의 사업장 별로 VOCs 배출 특성을 분석한 연구가 보고되고 있다. Fig. 3에 대표적으로 가죽제조 사업장과 기타화학 사업장의 VOCs 성분별 배출특성 을 나타내었는데, 두 사업장 모두 톨루엔이 가장 높 은 농도를 보이는 것은 동일하지만, 다른 물질의 경 우 사업장별로 다소 다른 결과를 나타내고 있음을 확 인할 수 있다.

악취 관련 측정사례로 Sim et al. (2012)은 공원 내 냄 새 민원 원인 조사에 관한 연구에서 두 계절에 걸쳐 10개 지점에서 확산형 측정기를 이용하여 VOCs 성분 조사를 진행한 결과, Fig. 4의 왼쪽 그림의 분포와 같 이 냄새 민원의 주요 원인이 주변 페인트사업장에서 배출되는 톨루엔임을 밝혀낸 바 있다. 정밀 분석장치 를 운반하기 어려운 남극의 펭귄 서식지에서 암모니 아 분포를 측정한 사례나 Fig. 4의 오른쪽 그림과 같 이 축산악취와 음폐수 처리시설이 혼재한 지역에서 악취 원인과 관련해 암모니아 농도의 공간 분포를 파 악하기 위한 조사와 같은 경우에 확산형 측정기의 활 용 효과는 매우 크다고 할 수 있다.

또한, Kim et al. (2014)은 하수처리시설에서의 공정 별 악취배출 특성을 조사하기 위해 암모니아, VOCs, SO₂ 확산형 측정기의 결과를 복합악취 측정결과와 비 교하여 악취 주요 발생원과 공정을 확인하는 결과를 보여 주었다(Fig. 5). 한편, Fig. 6은 축산악취와 관련하 여 악취 민원지역에서 격자로 나누어 직접관능법으 로 악취강도를 측정한 결과와 확산형 측정기를 이용 하여 측정한 암모니아 농도를 비교한 결과로(Oh et al., 2019), 지역내 축산악취의 공간적 분포를 매우 유사 하게 반영하는 결과를 보고하였다. 감각공해는 악취 의 특성상, 공간 분포를 파악하기 위해서는 관능법을 이용하는 것이 가장 바람직하겠지만, 직접관능법의 경우에는 현장에서 악취 감지를 위한 인력 활용의 어 려움, 시료를 채취하여 실험실에서 수행하는 공기희 석관능법의 경우에는 시료 운반 및 보관 과정에서의 농도 희석의 영향 등의 문제점을 감안하면 이러한 확 산형 측정기의 활용은 악취의 공간분포를 파악하고 이에 따른 저감 대책 수립과 이행 후 효과 등을 지속 적으로 평가하는 목적으로 매우 유용할 것으로 판단된다.

Fig. 7은 확산형 측정기가 확산 모델 결과의 검·보정 을 위한 중요한 도구로서 활용될 수 있음을 보여주는 사례로, 어느 제철 사업장에서 SO₂ 농도에 대한 모델 링 결과와 확산형 측정기를 이용한 측정결과를 나타 내었다. 처음에는 사업장에서 행정기관에 등록한 배 출시설만의 배출량을 입력하여 가우시안 확산 모델 의 하나인 ISC (Industrial Source Complex) 모델을 수 행한 결과, Fig. 7 우상의 보정 전의 결과 그림에서 볼 수 있듯이 다른 지점과 달리 4번과 6번 지점에서 실 제 확산형 측정기를 갖고 측정한 결과와 많은 차이가 나고 있음을 확인하였다. 이에 4번과 6번 지점 주변에 미신고 SO₂ 배출시설이 있는지를 조사한 결과, 고로 슬래그를 냉각하는 과정에서 황화수소가 다량 발생 하여 SO₂ 농도에 영향을 주는 것을 확인하였다. 주변 악취민원도 이 배출시설에서 발생한 황화수소의 영향 임을 확인할 수 있었으며, 이후 수정 산정한 배출량으 로 확산 모델링을 다시 수행한 결과, Fig. 7 우하의 보 정 후 결과 그림에서 보듯이 확산모델링 결과와 측정 결과가 상당부분 유사하게 나타났다. 결국, 사업장의 모든 배출시설의 배출량이 산정되지 않은 상태에서의 확산모델링 결과는 현실 상황과 차이가 있을 수 있으 며, 이러한 차이를 보완하는 검·보정의 역할로서 높은 공간 해상도의 자료를 제공할 수 있는 확산형 측정기 의 활용이 필요한 것을 시사하는 사례라 할 수 있다.

Fig. 8도 유사한 사례로 앞에서와 같은 방법으로 어 느 산업단지의 SO₂ 확산 모델링을 수행한 결과이다. 실제 확산형 측정기를 사용하여 측정한 농도와 한 지 점에서 특이한 차이를 보이고 있어 미등록시설의 존 재 유무를 확인한 결과, 농도가 높게 나타난 2번 지점 인근에 고유황 함유 연료를 방지시설도 없이 그대로 사용하는 보일러 배출시설을 확인할 수 있었다. Fig. 8은 해당 배출시설의 배출량을 재산정하여 모델링을 수행한 결과로 측정결과와 매우 유사한 공간분포를 얻을 수 있었다. 확산 모델링의 검·보정을 위해 SO₂ 배 출량과 농도를 주로 사용하는 이유는 SO₂는 황화수 소나 유황 함유 연료 사용과 같이 주변의 직접적인 배 출원과 매우 밀접한 연관성을 갖고 있어 모델링 결과 와 측정결과의 정합성을 확인하기에 매우 의미있는 물질이기 때문이다.

4. 결 론

대기확산방정식을 이용한 대기 중 환경오염물질의 거동을 파악하기 위한 해석해 풀이, 수치해석, 통계적 해석 등의 다양한 노력에도 불구하고 배출원에서의 배출량 산정에서부터, 기상이나 지형 인자의 영향, 난 류확산 해석 등의 다양한 불확실성 때문에 실제 현상 을 모사하기 위한 모델링 기법은 아직도 많은 한계를 보이고 있는 실정이다. 그러나, 환경영향평가나 대기 질 예측과 저감대책에 대한 효과 평가 등의 분야에서 모델링의 활용성은 지속적으로 증가하는 추세로 이 러한 한계를 보완하려는 기술이나 연구 또한 다양한 관점에서 도전적으로 이루어지고 있다.

본 고에서도 이러한 대기확산 모델링의 활용성을 제고하려는 노력의 일환으로 모델링 결과에 대한 검· 보정의 도구로 확산형 측정기의 기술 현황과 활용 사 례를 제시하였다. 확산형 측정기는 공기 시료를 농축 하기 위해 펌프나 전원을 사용하는 불편을 최소화하 여 비용이나 크기, 전문성 등의 측면에서 원하는 장 소에 많은 수량을 동시에 설치하여 공간적인 분포를 확보할 수 있다는 큰 장점이 있다.

현재 기준성 대기오염물질을 비롯하여 악취 물질, 실내공기질 물질 등의 가스상 물질의 측정에서부터 부유먼지와 석면, 중금속 등의 물질에 대한 확산형 측 정기의 활용사례가 보고되고 있으며, 그 정확도 평가 에 대한 연구도 계속 이어지고 있다.

확산형 측정기는 단기간에 많은 시료를 흡입하여 분석하는 기존의 방식과는 달리 장시간 노출에 의한 농축을 통해 분석하는 방법으로 대기확산현상의 시 간적인 변화를 파악하기 위한 목적으로 한계가 따르 지만 대기확산 모델링의 시간평균 자료와 비교하여 모델링의 정합성을 판단하고 배출원의 동정 등 필요 한 보정 작업을 수행하는 효과를 기대할 수 있다. 이 는 궁극적으로 대기확산 모델링의 실용적인 정확성 을 제고하는 역할로 작용할 것이다.

이후 이어지는 논문에서도 대기확산방정식의 오차 를 조금이라도 좁혀 나가는 과정의 일환으로 대기확 산방정식의 시간항에 대한 문제를 극복하기 위한 초 단기간의 빅데이터 측정자료 확보와 이를 미기상 인 자와 연계하여 대기 중 난류 현상을 모사하는 내용에 대해서 순차적으로 보고하고자 한다.