1. 요약

도로 포장은 역사적인 기후의 패턴에 기반하여 설계되어, 지역의 기후를 반영하고 타당한 범위의 온도와 강우량에 대한 가정을 기반으로 함. 예상되는 기후 변화와 이러한 변화에 본질적으로 내재된 불확실성 (uncertainty) 을 고려할 때, 도로 포장은 설계 수명 (design life) 동안 매우 다양한 기후 조건에 노출되게 되며, 현재의 설계 과정에서 고려되는 환경 요소를 훨씬 넘어서는 스트레스를 부과하는 미래의 기후 변화를 버티기에는 적절하지 않을 지도 모름.

이 연구는 잠재적인 기후 변화와 불확실성이 도로 포장의 성능과 포장 설계에 미치는 영향을 탐색하고 있음. 다양한 시나리오에 대해 포장 상태를 시뮬레이션하기 위해 두 가지의 도구가 적용됨. 첫번째 도구인 MAGICC/SCENGEN (Model for the Assessment of Greenhouse-gas Induced Climate Change: A regional Climate Scenario Generator) 는 잠재적인 기후 변화와 불확실성의 강도에 대한 예측치를 제공함. 두번째 도구인 Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide (MEPDG) 소프트웨어는 도로 포장 성능의 열화 (deterioration) 를 분석함.

다음과 같은 세개의 중요한 연구 과제가 제시됨:
기후 변화와 불확실성에 따라 도로 포장의 성능이 어떻게 다르게 열화되는지?
기후변화와 불확실성이 도로 포장 설계에 고려되지 않는다면 무슨 위험이 있을 것인가?
도로 포장 설계자들은 도로 포장 설계 과정에 이러한 변화를 어떻게 대응하고 반영하는가?

이 연구는 기후 변화 효과를 기계적-경험적 도로 포장 설계에 반영하는 프레임워크를 개발함. 미국의 북동부에 있는 세군데의 시험지역에서 연구가 진행되었고 프레임워크가 적용되었음. 순응 전략 (adaptation strategy) 으로써 기후 변화를 도로 포장 설계에 반영하기 위해서 프레임워크가 견고하고 효과적인 방법인지를 검토함.

2. 소개

2.1 문제점 분석

도로 포장 구조물은 상당한 인프라 투자를 요구하고, 이는 복지, 성장 및 지역의 팽창에 중요한 역할을 담당함. 이와 같은 도로 포장은 내구성이 있고 회복력이 있도록 기대되며, 서비스 수명 내내 만족스럽게 기능하도록 예상됨. 내구성 있는 도로 포장을 설계하는데 있어서, 여러 요소들이 평가되며, 이중 중요한 요소는 프로젝트 지역의 기후임. 기후는 도로 포장 설계에서 필수적인 입력요소이며, 그 변동성은 도로 포장의 성능에 상당한 영향을 미침. 고속도로가 위치해 있는 특정 지역에 대한 기후 데이타는 공학자들에게 유용한 정보를 제공함. 그 지역 특유의 환경 인자들을 견디고, 좋지 않은 날씨 상황에서 적절히 기능할 수 있도록 도로 포장층 (pavement layers) 과 재료를 결정할 때 더욱 그러함. 기후 인자들은 또한, 고속도로가 취약한 기후 기반의 열화에 있어서 그 형태와 정도에 대한 예측치를 제공함. 도로 포장은 전형적인 역사적 기후 패턴에 기반하여 설계되어, 지역의 기후를 반영하고 합리적인 범위의 기온과 강우량에 대한 가정들을 포함하게 됨. 이처럼, 전지구적인 변화와 특정 지역의 기후는 도로 포장의 설계에 잠재적으로 영향을 미치며, 그 결과 도로 포장의 성능에 영향을 끼침.

기후 변화에 관한 국가간 패널 (Intergovernmental Panel on Climate Change: IPCC) 에 따르면, 지구 기후시스템의 온난화는 명백하며, 관측된 증가분의 대부분은 인간이 배출한 온실가스의 증가 때문임. 기후 변화의 영향이 이대로 계속된다면, 자연적/인공적 시스템 뿐만 아니라 인간의 삶에도 깊은 영향을 미칠 것으로 예상됨. 이 같은 시스템에는 인프라 시스템이 포함되며, 이는 기온, 강수량, 해수면 상승과 같은 미래의 기후 변화가 이러한 시스템에 악영향을 미칠 것을 의미함. 그러나, 이러한 모든 시스템에는 불확실성이 존재하며, 기후 변화에 대한 연구는 기후 시스템 및 모델링 절차의 복잡성으로 인해 기후 변화의 정확한 변화량과 변화속도를 알지 못함. 그 결과, 이러한 불확실성을 인프라 시스템의 설계와 성능에 반영하는 것은 매우 어려움. 기후 학자들과 도로 포장 설계자들이 그들 자신의 분야에서 시스템을 분석하는 방식에는 큰 차이가 있음. 기후 학자들은, 있을만한 시나리오와 결과의 포트폴리오 (portfolio) 를 가지고 확률적인 용어로 미래를 묘사함. 이러한 포트폴리오는 새로운 지식이 더 가용해질수록 더욱 정제될 수 있음. 반면에 도로 포장 담당자들은 알고 있는 것 (knowns) 에 집중하고, 최대한 가용한 데이타 (best available data) 로 작업하는 경향이 있음. 현재의 도로 포장 설계 기준이 많은 경우에서 견고하고 보수적이라 할지라도, 이러한 기준들은 불확실성을 고려하는, 변동성 있는 환경 인자들의 관점에서 평가될 필요가 있음. 더구나, 도로 포장 공학자들은 그들의 시스템이 현재의 설계 과정에서 고려되는 환경 요소를 훨씬 뛰어넘는 기후의 변화를 견디기에 적합한지 결정해야 함.

이 연구는 기후 변화와 관련된 불확실성이 도로 포장의 설계에 어떻게 영향을 미치는지, 공사 후 그 성능에 어떻게 영향을 주는지 탐색함. 현재 대부분의 연구는, 이러한 변화의 불확실성에 대한 고려 없이 환경 인자들의 평균적인 변화에 근거하고 있음. 이 연구는 지식과 현재의 상태 사이의 단절을 강조함. 따라서 이 연구는 기후 변화에 적용될 때 불확실성이 어떻게 도로 포장의 설계에 영향을 미치는지, 공사 후 그 성능에 어떻게 영향을 주는지를 탐색하기 위해 노력함.

3. 배경

환경 조건들은 도로 포장의 설계 및 성능에 상당한 영향을 끼침. 이러한 조건들은, 날씨와 기후가 도로 포장의 강도, 내구성 및 하중 지지력에 미치는 영향 등으로 대표됨. 필수적으로, 환경 조건들은 고속도로의 구조적, 기능적 완결성에 영향을 미침. 모든 타입의 도로 포장은 환경 조건들에 취약하며, 각각의 타입은 극한의 환경 및 기후에 반응하는 독특한 방식을 가지고 있음. 환경 조건들은 건설 방법, 도로층 구성 재료, 유지관리와 같은 요소들과 결합되어 도로 포장의 성능을 평가하는데 있어 핵심적인 변수임.

4. 결론 및 제언

4.1 결론

현재와 과거의 도로 포장 설계는 일반적으로 정적인 기후를 가정하여 그 변동성이 고려되지 않았음. 인간에 의한 기후 변화의 개념은 이러한 가정에 대해 문제점을 지적하며, 도로 포장의 성능이 미성숙한 열화를 일으킬 수도 있음을 보여줌. 예상되는 기후 변화와 이러한 변화에 관련된 불확실성을 고려할 때, 도로 포장은 그 설계 수명 동안 매우 다양한 기후 상황에 종속적일 수 있으며, 현재 설계 과정에서 고려되는 환경 요소들을 뛰어넘는 스트레스를 부여하는 미래의 기후 변화를 견디기에 부적절할 수도 있음. 기후 변화의 잠재적인 영향과 도로 포장 성능 및 설계에 대한 불확실성을 탐색하기 위해서, 이 연구는 두 가지 도구를 채택함. 하나는 잠재적인 기후 변화와 그 불확실성을 다루기 위한 MAGICC/SCENGEN 이고, 나머지 하나는 도로 포장 성능의 열화를 분석하기 위한 MEPDG 소프트웨어임. 이를 통해, 세 가지의 중요한 연구질문이 제시되었음: (1) 기후 변화와 불확실성에 따라 도로 포장의 성능이 어떻게 다르게 열화되는지?; (2) 기후변화와 불확실성이 도로 포장 설계에 고려되지 않는다면 무슨 위험이 있을 것인가?; 그리고 (3) 도로 포장 설계자들은 도로 포장 설계 과정에 이러한 변화를 어떻게 대응하고 반영하는가?

MEPDG 예측 모델에 대한 지역적 고려에 근거하여, 기후 변화 효과를 기계적-경험적 기반의 도로 포장 설계에 반영하는 프레임워크가 개발되었음. 미국의 북동부에 위치한 세 군데의 시험 지역들은 이 프레임워크의 적용을 위해 제시되었음. 이 연구는 고속도로 유관기관이 순응 전략으로써 기후 변화가 도로 포장 설계에 어떻게 반영될 수 있는지를 보여주는 절차를 구축하였음.

4.2 한계점

기후 변화의 불확실성을 모델링하는 프레임워크를 개발하는데 있어 다음과 같은 한계점에 직면하였음:

미국 교통연구위원회 (Transportation Research Board) 의 특별 보고서 290 (13) 은 교통 분야에 특히 중요한 다섯 가지의 기후 변화를 언급하였음. 이에는 매우 더운 날 및 혹서 (heat waves) 의 증가, 극지역의 온도 상승, 해수면 상승, 집중 강우의 증가, 및 허리케인 강도의 증가 등이 포함됨. 이 연구에서, 이렇게 극단적인 변화는 모델링하기가 쉽지 않았음.
 
두번째로, MEPDG는 다섯 가지의 기후 데이타 입력을 요구하는데, 여기에는 온도, 강우, 풍속, 구름 면적, 및 습도가 포함됨. MAGICC/SCENGEN 은 온도 및 강우의 예측치만 만들수 있기 때문에, 다른 세가지 변수들은 포함되지 않았고 그 영향은 수치화되지 않았음.
 이 연구의 세 군데 연구지역은 동부 해안 코리더 (East Coast corridor) 를 따라 도로 포장에 대한 LTPP 데이타베이스에서 가용한 데이타에 기반하고 있음. 실제 설계에서, 검정 (calibration) 은 대표적인 도로 포장 부재에 대한 실험 뿐만 아니라 접근가능한 데이타베이스로부터의 데이타를 사용함. 대표적인 도로 포장 부재에 실험을 하는 것은 상당히 어려우며, 이 연구에서는 시행되지 않았음.

4.3 제언

위에서 언급한 한계점의 일부를 극복하기 위해서, 다음과 같은 해결책이 제안됨.

 
자원이 가능하다면, 선정된 부재 중에서 종속 그룹을 사용하여 대표적인 도로 포장 부재에 대한 실험이 필요함. 종속 그룹은, 교통량, 포장 타입, 및 기후 지역과 같이 가장 핵심적인 입력 요소들에 근거하여 형성될 필요가 있음. 또한 검정 절차는 이러한 종속 그룹에 대해 시행되어야 함.
 시나리오와 변동성을 탐색하는 노력이 과소평가 되지 말아야 함. 기후 변화 연구자들이 기후 변화의 민감도에 대해 더 잘 이해하고 있고 그 불확실성에 중점을 두고 있기 때문에, 고속도로 설계자들은 기후가 설계 절차에 반영되도록 하는 방법을 간소화해야 함.
 마지막으로, 지역의 기후 데이타와 잠재적인 기후 변화 외에 다양한 입력 요소들이 도로 포장을 설계하는데 있어 매우 중요하다는 것을 깨달아야 함. 이러한 입력 요소들에는, 지역의 재료 특성, 건설 명세서, 도로 포장 보존 및 유지관리 사례를 포함함. 이 연구에서는, 기후 입력요소들만이 지역의 검정 절차에서 고려되었음. 차후의 연구는 이러한 입력 요소 모두를 포함할 필요가 있음.