1. 서 론

 

자동차의 오염물질 배출평가는 환경적인 이슈사항들을 “청정 대기법령” 에 포함되어야 할 교통정책 행위들로 함축시키는데 대단히 중요한 역할을 한다. 중국 대도시들의 대기질은 지난 수십년 동안 상당히 개선되어 왔는데, 이는 대단히 엄격한 교통준수 전략에 힘입은 바가 크다. 이 정책은 모든 고속도로 및 공공 철도사업은 반드시 대기질 기준을 만족시키도록 한 규제이다. 그러나 오존과 일부 미세먼지들은 아직도 골칫거리 이며 특히 서부지역에서는 이 문제가 심각한 상황이다. 현재 운행 중인 자동차들은 지구의 기후변화와 직접적으로 연관되는 온실가스를 상당량 배출하고 있는데, 이들은 일산화탄소, 산화질소, 탄화수소 및 이산화탄소 등으로 구성되어 있다. 보다 중요한 사항은 이러한 미세오염 물질 및 오존은 심각한 사회적 비용을 소모시키고 인간의 건강을 해치는 주요한 2가지 오염물질로 인식되고 있다는데 그 심각성이 있다. 고속도로 및 도심지를 통행하는 자동차는 2005년 기준으로 전체 석유 연료의 60.3%를 소모하고 있으며 또한 전체 온실가스 배출량의 23.4%를 배출하는 것으로 보고되고 있다.

 

최근에는 대도시의 증가하는 오염물질 및 교통 혼잡이 이와 연관된 많은 문제점들을 야기하고 있다. 자동차 배기물질에 장기적으로 노출될 경우 신경조직에 영향을 줄 수 있으며, impaired coordination, 무기력증 및 인지 불능 등을 유발할 수 있는 것으로 보고되고 있는데, 이러한 대기 오염물질에 노출된 사람들은 환경조사, 표본조사 및 배출가스 검지기구 등을 이용하여 판별할 수 있다. 이러한 측면을 감안할 때 특히 장기적인 교통계획 절차에서는 환경개선 및 환경제어에 대한 완전한 계획수립 의무규정에 대한 정책적 의사결정을 내릴 필요성이 절실해 지고 있다.

이러한 목적으로 다수의 연구가 수행되어 지역적인 개발계획 전략, 교통계획 및 미래의 대기 오염 대책 등을 통합하는 방안을 도출하고 있다.

자동차 배출가스 목록표 (VEI) 는 모든 자동차 및 부속품들로부터 대기 중으로 방출되는 직접적으로 유해하거나 잠재적으로 유해한 오염물질들에 대한 광범위한 데이터 베이스 이며, 이 자료에는 배출 주기 및 발견된 오염원 자료도 포함되어 있다. VEI 는 그 자체로서 대기질 평가 도구이긴 하지만 대기질 관리 조절의 가장 핵심적인 해석 모델링의 가장 중요한 요소이기도 하다. Harrington 등은 이러한 저감 정책노력 등은 장기적으로 대기질을 개선하기 위해 아직 외부적인 요인인 교통혼잡이 완벽하게 내부적으로 고착화 되지 않은 상태이면 상당한 저감효과가 있을 것이라고 주장하였다. Chi 등은 생태적 이력에 기반을 둔 방법을 사용하여 고속도로 건설로 인한 지형의 변화를 추정하고 10년 주기로 산림 탄소 격리를 통하여 연간 자동차 운행으로 인한 배기가스를 치유하도록 하였다. Kear 등은 자신들의 연구에서 배출목록 모델을 이용하여 도로 상의 배기가스 간의 차이를 비교할 수 있으며 의도하지 않는 교통계획의 차질을 초래하지 않는 대기질 개선계획을 제시하였다.

 

최근들어, 중국의 대도시에는 상당히 심각한 대기오염 및 교통혼잡이 발생하고 있는데, 이들은 중국의 급속한 경제성장과 엄청난 경제적인 성공과 연관이 있다. 하지만 이러한 도시들은 점점 더 “교통혼잡 및 슬럼화” 되어가고 있으며, 가급적 빠른 시간 안에 인적, 시간적 및 재정적 자원이 연관된 교통관련 통합 시스템을 수립할 필요성이 높아져 가고 있다.

 

대기 정화계획 및 지속가능한 개발전략의 총체적인 실행은 통계적으로 완벽한 절차를 통해서 계획 프로그램상의 예측치와 실제 측정된 오염물질의 조사량 간의 차이를 검토하게 된다. 그러므로 본 연구의 주 목적은 MOBILE 5 모델 내에 내제되어 있는 이동 배출 계수들에 대해 검증하고 지역적으로 Xian 대도시 데이터를 이용하여 자동차의 배출가스를 측정하기 때문에 Xian을 연구의 지역적인 범위로 한정한다.

 

자동차 배출가스의 목록으로부터 본 연구는 CO, NOx 및 HC 가스에 중점을 두고 검토하기로 한다. 제 2장 및 3장 에서는 자동차 배출가스 측정 방법에 대한 모델링 및 MOBILE 5 절차를 이용하여 자동차의 오염물질 배출량을 추정하는 방법에 촛점을 맞추도록 한다.

 

2. 사용 변수

 

1) 자동차의 배출 지수

 

각기 다른 교통환경 하에서 자동차 배출가스량에 대한 추정은 자동차의 배출지수를 이용해야만 하는데, 이는 자동차의 종류별로 단위 Km 당 방출하는 오염물질의 평균치로 정의되며, 일정 지역에서의 자동차의 총 오염물질 배출량은 각 자동차 형식별 각각의 오염물질 배출량의 합으로 구할 수 있다.

실제적으로 사용되는 자동차의 오염물질 배출 비율은 여러 가지 요소에 의해 영향을 받는데, 이들은 자동차 엔진형식, 연료 형식, 교통흐름 상황 및 환경조건 등에 의해 영향을 받는다. 그러므로 상기에 정의된 배출지수는 해당 오염물질에 대한 대상 자동차 형식에 따른 평균 발생비율로 보면 될 것이다.

 

2) 자동차의 주행성능

 

자동차 운행의 체계적인 절차 즉, 열간 및 냉간 시동, 이이들링 및 가속 으로 부터 감속 및 주행까지 이러한 일련의 행위들은 대단히 복잡하고 다른 여러 가지 조건들이 개입되는 행위이다. 단일 자동차의 오염불질 배출 계수를 추정하기 위해서는 운행주기 분석이 수행되어야 하며 이때 중국 도시들에서 운행중인 자동차의 특징이 고려되어야 한다.

 

주행실험은 일반적인 자동차를 가지고 일반적인 도로 상에서 주중 및 주말에 수행되어야 한다. 이때 자동차 속도 센서, 엔진회전 센서, 연료 소모량 센서, 자동차 배기분석 및 기타 디지털 자료 레코더 등이 사용된다. 시험 변수들은 주행의 거리와 속도, 엔진회전수, 연료 소모량, 배기가스 방출 등이 포함된다. 시동시험 및 제동 주기 시험을 통해서 일반적인 자동차의 주행성능을 측정한다.

 

3) 크기와 연령에 따른 자동차 분포현황

 

자동차 운행현황은 다음과 같은 3단계로 나눌 수 있다; (1) 1,400cc 미만의 소형차량; (2) 1,400cc에서 2,000 cc 까지의 중형차량; (3) 2,000cc를 초과하는 대형차량

전반적인 배출지수를 추정하기 위해, 자동차의 형식별 점유비율은 j 로, 등록연수는 i 라고 하면:

 

 

여기서, Rij 는 등록연수 i 의 j 형식의 자동차 분포량을 나타내며, Vij 는 i 년에 등록된 새로운 자동차의 수를 나타낸다. 또한 Nj 는 형식 j 의 차량에 대한 등록 말소 년수로 차량 형식별로 8 년에서 10년간 으로 분포한다.

차량 형식별로 연간 운행한 거리의 분포는 다음과 같이 연간 평균 예상 주행거리로 나타낸다.

 

 

 

여기서, AADD 는 형식 i 자동차의 연간 평균 주행거리이며, Vij 는 위 식 (1)에서 추정한 자동차 분포이다. Nj 는 차량형식 j 에 대한 자동차의 등록 말소 년수를 나타낸다. Lij 는 i 년에 해당하는 j 형식 차량의 통계적 주행거리를 나타낸다.

여기서, 다른 이동 및 환경관련 계수들은 자동차 조사 및 유지관리 프로그램을 통해서 구해지게 된다. 이 제안된 MOBILE 5를 적용하기 위해 추가로 필요한 모수들이 연간 조사기록 및 비 정기적 도로 조사결과를 통해서 얻어지게 되며 이때 지리적 계수 및 자동차와 연관된 지형적인 특징들이 같이 제공되게 된다.

 

3) 방법론

 

모델 선택 및 자원 고려

 

일반적으로 자동차 배출지수는 운행 사이클 또는 MOBILE 5 모델을 이용한 실험결과를 통해서 구한다. 본 연구에서는 후자를 선정하여 지수를 산정하도록 하였으며, 평균속도는 독립변수로 취급하도록 하고, HC 배출지수 및 자동차는 다음과 같은 3개의 그룹으로 분류하였다;

 

(1) 천연가스 자동차, 소형 자동차, 중형자동차 및 지프

(2) 대형 가스자동차 및 디젤자동차

(3) 오토바이

 

여기에 지수함수, 순위함수 및 쌍곡선 함수 등이 이러한 차량들의 특성을 나타내기 위하여 도입되었다. 이때, 일산화탄소 배출지수는 쌍곡선 분포와 일치하고 산화질소 물질 배출지수는 3 순위함수와 적합성을 나타내고 있다.

오염물질 배출은 교통량과 연관이 많기 때문에 향후 계획년도에 대한 자동차 대수의 추정이 필요하며 이때의 추정방법은 일반 순차적 4단계 절차를 따르도록 한다. 본 연구에서는 승용차를 자동차 교통량 추정의 기본 단위로 선정하고 오염물질에 대한 오염지수 p를 PCU의 등가 배출량으로 가정하여 다음과 같이 추정한다.

 

 

여기서, E_ij(p) 는 오염물질 p 에 대한 i 도로망에서의 차량 형식 j 에 대한 오염지수를 나타내며, α_ij 는 차량형식 j 의 등가계수, bij 는 도로망 i에서 차량형식 j 에 대한 추정 교통량을 나타내고, k 는 총 차량형식의 개수를 나타낸다.

V_PCUi를 i 도로망에서 측정한 총 승용차 교통량이라고 한다면 오염물질 p 에 대한 배출지수를 다음과 같이 계산할 수 있다.

 

 

도로의 위치형식에 따라서 교통 오염물질의 배출모델은 분절 모델 및 교차모델로 나뉘게 된다. 교통계획 수립절차 중, 교통사업에 대한 세세한 설계는 불필요하고 가능하지도 않은데, 이로 인하여 여러 가지 교통 오염물질 배출 특성을 나타내는 몇가지 중요한 시뮬레이션에 필요한 모수 및 배출 특성들이 누락되는 것은 어쩔 수 없는 사항이다.

 

오염불질 배출량의 측정

 

교통망계획은 분절 및 교차로 계획으로 구성되어 있으므로 자동차가 배출하는 전체 오염물질은 각 분절 및 교차로에서 배출하는 자동차의 오염물질의 합으로 구할 수가 있다. 즉, 다시 말해서 오염물질 p 의 총 배출량 Q_(p)[t/h] 는 Q_(p) = Q_s(p) + Q_in(p) 로 구할 수 있으며, 여기서 Q_s(p) 및 Q_in(p) 는 각각 다음 식에 의하여 구할 수 있다.

 

 

 

여기서, Li 는 분절 i 의 길이이며, N₁ 및 N₂ 는 분절과 교차로의 개수를 나타낸다. M 은 교차로 j 로 진입하는 진입로의 수를 나타내고, K 는 자동차 종류의 수를 나타낸다. EI_PCUij(p) 는 교차로 j 의 진입로 I 에서 PCU 로 측정된 오염물질 p 의 배출지수를 나타낸다. EI_k(p) 는 아이들링 중인 자동차형식 k 에 의해 배출되는 오염물질 p 의 배출지수를 나타낸다. b_ilk 는 교차로 i 로 진입하는 l 진입로에서 k 형식 자동차의 비율을 나타낸다. N_il 는 교차로 i 에서 진입로 l 로 진입하기 위해 대기 중인 차량의 수를 나타낸다. D_il 은 교차로 i 로 진입하는 진입로 l 에서의 평균지연시간을 나타낸다.

 

< 그림 1. 지동차 배출지수를 추정하는 절차 >

 

식 (3)에서, 다른 등급의 도로에서는 다른 용량의 일 교통량이 발생하므로 해당 오염물질 배출량은 도로의 종류에 따라 매우 다른 양상을 보이게 되며 이는 다음의 식에 의해 나타낼 수 있다.

 

 

여기서, Q_n(p) 는 n 등급 도로상에서의 오염물질 p 의 배출량을 나타내며, 이때 n=1,2,...,5 는 각각, 고속도로, 고속화도로, 국도 및 지방도 등을 나타낸다. V_PCUmn 은 m 등급의 도로상에서 PCU 로 측정된 교통량을 나타낸다. L_mn 은 n 등급의 도로 m 의 길이를 나타내며, D 는 d 등급의 도로의 개수를 나타낸다.

 

도시 교통 네트웍의 대기오염

 

교통 오염물질 배출율 n_p 는 전체 오염물질 p 의 배출량 Q_(p) 중 자동차에 의해 배출되는 오염물질 배출량 Q_t(p) 의 비율을 나타낸다. 같은 개념으로 교통 대기 오염 배출율 n_r(p)는 각 도로 등급별 교통 오염물질 배출량 Q_tr(p) 의 전체 도로상의 오염물질 배출량 Q_t(p) 에 대한 비율을 나타내도록 한다. 따라서 n_p = Q_t(p)/Q_(p) x 100% 와 n_r(p) = Q_tr(p)/Q_t(p) x 100% 로 구할 수 있다. 각 도로 등급별 자동차 운행거리 비율 w_r 은 고속도로, 고속화도로, 국도 및 지방도 별로 각각 총 자동차 운행거리에 대해 다음과 같이 구할 수 있다.

  

 

교통오염 등급(λ_rp)는 n_r(p)의 w_r 에 대한 비율로서 지형 및 환경조건에 따른 대기오염의 심각도를 나타내는 지수이다.

  

  

도심지 교통 네트웍은 분절과 교차로로 구성되므로, 이러한 주요 두 위치 주변에 대한 대기질은 별도로 검토되어야 하며, 이러한 검토의 수행으로 인하여 교통계획 프로그램은 좀 더 최적화 된다.

MOBILE 5 모델은 이동 배출원의 추정에 대해 표준절차를 사용하며 다음 <그림 1> 과 같은 절차에 의해 수행된다.

 

3. 사례 분석

 

1) 자동차 형식 및 도로 네트웍에 대한 시나리오

 

Xian 대도심 지역의 자동차 오염물질 배출은 도심지 교통계획 수립 시 이미 고려된 사항이다. Xian 시는 중국 본토의 북동쪽에 위치하고 있으며, 2009년 기준 인구 8,370,000명이 거주하고 있다. 중국에서 가장 역사가 긴 도시 중 하나로서 Xian 시는 현재 급속한 경제 및 사회의 발전을 경험하고 있다. 그러나 불행하게도, 늘어나는 자동차와 교통혼잡으로 인한 문제는 점 점 더 심각해지고 있다.

 

 

 

< 그림 2. Xian 도심의 연구범위 위치도 >

 

< 그림 3. 해석 모델링상의 도로 네트웍의 배분구조 >

 

미래의 지속가능한 개발을 위한 전략과 가이드라인을 제시하기 위해 2008년부터 Xian 시의 제 3 차 도심 교통계획 이 수립되었으며, 이는 2010년 6월에 승인되었다. 여기에는 자동차 운행 대수의 증가 및 이로 인한 오염물질 배출 문제를 체계적이고 심각하게 다루고 있다. 본 연구에서는 <그림 2> 에 나타난 바와 같이 주요 도심지 6 구역, 668개의 교통죤 및 17,260개의 분절과 10,054개의 교차로로 구성된 도로망에 대해서만 다루도록 하였다. <그림 3> 과 같은 계획 시나리오 상에서 해석모델은 고속도로, 고속화도로, 국도 및 지방도 등으로 구분되어 있다. 교통량 조사를 통해서 승용차는 모든 자동차의 52.6%를 차지하고 있으며, 오토바이는 29.2%를 차지하고 있다는 사실을 알 수 있었다. 전동 자전거, 버스 및 트럭의 비율은 7.4%, 0.6% 및 2.4%를 차지하고 있으며, 나머지는 기타 형식의 전동차로 구성되어 있다. <표 1> 및 <표 2> 는 교통량의 구성비율과 도로 네트웍에 의한 운행거리 시뮬레이션 결과를 각각 나타내고 있다. 특수 병목현상 발생량, 평균 교통량, 교차로의 용량 및 v/c 는 각각, 1,673pcu/h, 3,217 pcu/h 및 0.583 으로 나타났다. 교차로의 시간당 교통량은 대부분 2,000 pcu 이하로 나타났다.

 

<표 1. 주행거리별 교통량 배분 >

 

< 표 2. 도로형식별 승용차 주행거리 비율 >

 

 

< 표 3. 주요 지역별 자동차 오염물질 추정 배출량 비율 >

 

 

< 표 4. 도로 형식별 추정 오염물질 배출비율 >

 

4. 향후 예측 및 오염물질 배출에 대한 습득사항

 

본 연구에서 차량의 주행속도는 MOBILE 5 절차 안에서 독립변수로 취급되었다. < 표 3> 과 <표 4> 의 결과를 보면 도로 분절 위로 주행 중에 오염물질의 배출량이 좀 더 발생한 것으로 나타났으며, 이들 오염물질의 구성은 3가지 일반적인 오염물질 (HC, CO 및 NOx) 이 95.68%, 95.42% 및 98.65%를 차지하는 것으로 나타났다. 교차로에서는 상대적으로 적은 오염물질의 배출이 발생하였는데, 그 이유는 아이들링 시 보다 많은 오염물질의 배출이 발생되기 때문이다.

명백히, 승용차의 오염물질 배출비율이 각각 33.26%, 57.32% 및 32.17% 으로 상대적으로 높은데, 특히 일산화탄소 개열 오염물질의 비중이 높았다. 트럭은 NOx 계열의 오염물질 배출량이 37.68% 로서 상대적으로 높았는데, 이는 디젤유를 사용하기 때문인 것으로 분석되었다. 더욱이, 탄화수소의 발생량이 가장 큰 비중을 차지하는 교통수단은 동력 자전거 였다. 반면에 버스 및 channel 버스의 오염물질 배출량은 상대적으로 대단히 미미하였다. 이러한 추정 결과치는 대기오염물질의 배출이 주로 주요 국도 및 도시근교 고속화도로에 집중되는 것으로 보여주고 있는데, 그 이유는 이러한 지역에서 교통량 증가가 상대적으로 빠르게 이루어지기 때문인 것으로 나타났다.

변수 λ_rp 는 지동차 배기가스로 인한 대기오염 수준과 사람이 견딜 수 있는 수준과의 관계를 나타내며 이 수치의 이상적인 값은 1 로서 동적 균형상태 라고 말한다. < 그림 4>에서 NOx 의 λ_rp 는 약 1 이며 이는 NOx 가스의 배출량이 허용치 이내인 것을 의미한다. 그러나 일부 지방도 및 도심 근교 고속도로에서 측정된 HC 및 CO 지수는 1 에 상당히 미치지 못하는 수준을 보이고 있는데, 그 이유는 잦은 브레이크 사용 및 교통량 증가로 인한 아이들링 상태로 인한 것으로 추정된다.

 

1) 대도심권 안에서의 대기질 분석

 

전반적인 연구 및 모델링 결과로부터 도로 네트웍의 계획에 의한 대기질은 만족스러운 것으로 나타났다. 고속화도로 및 도심 근교의 고속도로의 평균 주행속도는 예상치 보다 낮은 것으로 나타나고, 이 두 가지 형식의 도로 상에서의 주행거리가 각각 27.16% 및 25.34% 로 나타났으므로 이러한 속도하 에서는 NOx 의 배출량이 보다 많아지게 된다.

다행스럽게도, 주요 도로상에서의 대기질은 양호한 것으로 나타나고 이로 인해 상대적으로 많은 교통량을 담당함에도 불구하고(26.47%) 높은 서비스 수준을 유지하는 것으로 나타나고 있다. 더욱이, 매우 적은 교통량으로 인해 대부분의 지방도 에서는 상당히 좋은 대기질을 유지하고 있고 도로의 서비스 수준도 A 또는 B로서 높은 수준을 나타내고 있다.

 

반면 일반적인 교차로의 대기질 수준은 만족스럽지 못한 것으로 나타났는데, 전체의 32.1% 만이 양호한 상태인 것으로 나타났고, 전체의 52.6% 는 보통 또는 열악한 상태인 것으로 나타났다. 교차로 주변에서 오염물질을 배출하는 것이 특히 유해한 것으로 나타나고 있는데 이는 주변의 고층빌딩과 복잡한 교통환경으로 인해 배추가스의 확산이 방해받기 때문인 것으로 분석된다.

 

< 그림 4. 도로 등급에 따른 교통 대기오염 비율 λ_rp 의 결정 >

 

5. 결 론

 

MOBILE 5 모델은 지역적인 자동차 배출시스템의 추정을 교통계획 절차에 준하여 산정할 수 있도록 하는 신뢰성 있는 도구이다. 제안된 이 모델을 사용하면 자동차 오염물질 배출과 관련된 여러 가지 제어 전략 및 정책을 시험하여 적용해 볼 수 있는 장점이 있다. 본 모델을 적용하여 발견된 결과를 보면 Xian 시의 도시계획은 상당히 성공적으로서 계획단계에서 이동 오염물질 배출원을 감안한 계획을 수립하고, 연료의 황 성분 제거 및 청정 컨버터 등의 도입 등을 통해서 도시의 대기질을 감안한 계획을 수립하였다. 이러한 경향은 교통분야의 스마트 성장이 현재 대도시에서 발생하는 도심 교통혼잡 및 대기오염 문제를 해결할 수 있다는 아이디어에서 출발한 것으로 이해할 수 있다.

 

본 연구에서 적용한 여러 가지 변수들에 대한 추가적인 적정성 확인작업이 Xian 도심의 철도 교통 사업 수행시에 실시되도록 계획되어 있다. 그러나, 물리적 환경 및 인간중심적인 교통문제 해결방안은 상당기간동안 무시되어 온 것이 사실이다. 비록 이것이 금방 해결하기에는 상당히 어려운 문제이긴 하지만 관계당국은 유사 사업을 수행할 때 이러한 자동차 배기가스 규정의 엄격한 준수 및 교통분야의 오염물질 배출 감소에 대해 명확히 인식한 후에 사업추진을 해야 할 것이다. 현 단계에서는 중국 교통당국을 포함한 여러 정부 당국에서 아직까지 채택하고 있지 않은 교통문제와 대기 오염 방지의 명확한 연계를 통한 계획 및 대책의 수립이 절실히 필요한 상황이다.

 

본 연구에서는 교통계획 수립시 적용이 가능한 몇 가지 중요한 시사점이 있다. 이것은 대단히 중요한 내용이지만 대단히 실천하기 어려운 내용으로서 장기적인 관점에서 경향을 분석하여 효율적인 성능 변수를 선정 및 적용하는 일이다. 따라서 향후 연구는 지능적인 데이터 처리 기법에 대한 연구가 수행되기를 권고하는 바이다.

 

어떻게 교통계획과 청정 대기환경을 연결하여 장기적으로 다목적의 요구기준을 만족시킬 것인가? 이러한 주제에 대해 해답을 얻기 위해서는 좀 더 깊이 있고 지속적인 연구가 필요할 것이다.

 

▣ 원문제목 : Green transportation planning and regional sustainable development within metropolitan regions

 

▣ 원문의 주요목차********************************************************************

1. 서론

2. 사용 변수

3. 사례분석

4. 향후 예측 및 오염물질 배출에 대한 습득사항

5. 결론