선박 배기가스의 대기확산 패턴에 관한 연구 부산항을 중심으로kportea.or.kr/filedown/Treatise/2018/34-01-03 이민우-이향숙-하마-수정.pdf · 국내

한국항만경제학회지 제34집 제1호 2018년 3월

사단법인

한국항만경제학회The Korea Port Economic Association

ISSN 1225-3855

Journal of Korea Port Economic Association, Vol.34, No.1, 2018, pp.35-50.

선박 배기가스의 대기확산 패턴에 관한 연구 – 부산항을 중심으로

A Study on Atmospheric Dispersion Pattern of Ship Emissions - Focusing on

Port of Busan

이민우ㆍ이향숙

- 35 -

Journal of Korea Port Economic AssociationVol.34, No.1, 2018, pp.35-50.

선박 배기가스의 대기확산 패턴에 관한 연구 -

부산항을 중심으로

이민우* · 이향숙**

A Study on Atmospheric Dispersion Pattern of Ship Emissions -

Focusing on Port of Busan

Lee, Min-Woo · Lee, Hyang-Sook

Abstract

Busan Port handles more than 75% of the domestic freight volume and is ranked at 6th

for global shipping in the world. This paper aims to estimate ship emission in North Port

that is the center of Busan Port and located near the residential area. The emission for

each type of ship is calculated applying a emission model proposed by U.S. EPA and the

atmospheric diffusion pattern of the exhaust gas according to the season, the weather con-

dition and the time was identified using CALPUFF Model. As a result, the major pollutants

of , and were 30,853 tons, 36,281 tons and 6,856 tons, respectively, and

the highest rate was 42% in oil tankers. On clear days, air pollution was stagnant around

the harbor, spread widely on windy days, and tended to be thinner on rainy days. The

research contributes to recognizing the seriousness of air pollution and can be used as ba-

sic data for policy making in the future.

Key words: Busan Port, Ship emission, Atmospheric dispersion, Emission model, CALPUFF Model

▷ 논문접수: 2018. 02. 01. ▷ 심사완료: 2018. 03. 19. ▷ 게재확정: 2018. 03. 26.

* 한익스프레스, 이민우, 제1저자, [email protected]** 인천대학교 동북아물류대학원 교수, 교신저자, [email protected]

36 한국항만경제학회지, 제34집 제1호

Ⅰ. 서 론

1. 연구의 배경 및 목적

다양한 동력원으로부터 배출되는 온실가스 배출

량의 증가는 전 세계적으로 심각한 지구온난화 문

제를 야기하고 있다. 국내 온실가스종합정보센터에

의하면 2013년 기준 우리나라의 온실가스 총배출량

은 694.5백만 톤으로 전체 OECD 회원국 중 5번째

로 높은 순위에 해당하는 것으로 나타났다. 1990년

과 비교하여 약 2.38배가 증가한 것으로, 터키에

이어 두 번째로 높은 증가폭이다. 이렇게 날로 심

각해지는 환경오염 문제를 해결하기 위한 노력이

절실하게 요구되는 시점이다.

지구온난화를 유발하는 다양한 근원지 중에서도

수송 분야는 그 영향력이 상당하다. 특히 우리나라

는 부족한 자원으로 인해 무역 의존도가 높고, 전

체 무역의 대부분을 차지하는 해상운송은 대기오염

의 심각한 오염원 중 하나라고 할 수 있다. 실제로

1990년 노르웨이가 국제해사기구에 제출한 보고서

에 따르면, 선박에서 발생되는 황산화물()은 전

체 배출량의 약 4%를 차지하고 있고, 질소산화물

()은 전체 배출량의 약 7%를 차지할 정도로

대기오염에서 해상운송이 차지하는 비중은 매우 높

다.(노영훈&장영태, 2015)

항만 및 선박으로부터 유발되는 대기오염이 심각

해짐에 따라 전 세계적으로 온실가스를 관리하기

위한 규제들이 강화되고 있다. 선진국들을 중심으로

기후변화 협약, 교토의정서 등이 시도되었고, 국제

해사기구(IMO: International Maritime Organization)

에서는 1973년부터 ‘MARPOL73/78’ 협약을 통해

해양오염의 방지와 해양환경의 보호를 위해 앞장서

고 있다. 특히 2005년 발효된 ‘MARPOL 부속서

Ⅵ’은 선박 대기오염 물질의 배출 규제를 위한 구

체적인 국제 기준들을 제시하고 있다. 선박 디젤연

료의 주성분인 황산화물과 질소산화물의 배출 상한

치에 대한 감축 기준, 건조선박의 ‘TIER-Ⅵ’ 엔

진 장착 의무화 및 미세먼지, 일산화탄소 등의 배

출량을 감소하기 위한 다양한 규칙들이 포함되어

있다.(임종섭, 2010)

또한 선진국을 중심으로 항만 배기가스를 모니터

링하고 줄이기 위한 다양한 노력이 이루어지고 있

다. 예를 들어 미국 LA항과 롱비치항, 노르웨이 오

슬로항에서는 항만 내 실시간 대기질 모니터링 시

스템을 구축하여 운영하고 있다. 항계 내 선박 운

항속도를 규제하고, 항만 컨테이너 터미널을 정기적

으로 출입하는 모든 트럭에 대해 엄격한 배출 및

안전기준을 적용하며, 저유황 연료 사용시 인센티브

를 주는 등 다양한 정책을 도입하여 대기오염 감소

효과를 이끌어 낸 것으로 평가받고 있다.(박영태&

김이곤, 2014)

이러한 세계적인 추세에 발맞춰 우리나라에서도

해양환경의 보호를 위해 다양한 노력을 시도하고

있다. 배수톤수와 화물톤수를 도입하여 선박에서

발생되는 이산화탄소 배출지수를 해양환경보전위원

회(MEPC)에 보고하고, 황산화물과 질소산화물의 배

출량 감축을 위해 중질유 함유량을 낮추는 방법으

로 IMO의 규제를 준수하고 있다. 하지만 향후 기

준선이 낮아질 경우를 대비하고, 항만의 경쟁력을

강화하기 위해서는 반드시 다양한 기술의 개발 및

제도적인 뒷받침이 수반되어야 한다.

본 연구에서는 이와 같이 전 세계적으로 이슈가

되고 있는 선박 배기가스에 초점을 맞추어 우리나

라 제 1의 항만인 부산항에서의 대기확산에 대해

분석해보려고 한다. 현재 부산항은 국내 물동량의

75% 이상이 처리되고 한·중 FTA로 인한 중국과의

교역량 증가 및 신항의 완공에 따라 계속되는 물동

량의 증가가 예상되기 때문에 이곳에서 발생되는

선박 배기가스의 대기확산 패턴에 관한 연구 - 부산항을 중심으로 37

그림 1. 선박 배기가스 대기확산 분석 절차

선박 배기가스의 심각성을 파악하고, 항만 주변에

미치는 영향권을 면밀히 분석하는 것은 매우 중요

한 연구 주제이다. 이를 위해 미국 환경보건국(U.S.

EPA)에서 제안한 배기가스산출모형을 적용하여 배

출량을 산정하고, 대기확산모형인 CALPUFF Model

를 통해 기상에 따른 부산항 주변으로의 대기확산

을 분석하고자 한다.

본 연구의 결과를 통해 선박 배기가스의 영향권

설정 및 기상에 따른 확산 패턴 파악이 가능할 것

이며, Emission Map의 제공을 통해 항만 내 노동

자 및 주변 거주 시민들의 야외활동 추천시간 등과

같은 공공보건 정보 제공에 활용될 수 있을 것으로

기대한다.

2. 연구의 범위

대기확산 분석의 공간적인 범위는 부산항의 중추

역할을 하고 부산 시내와 가까이 위치한 북항으로

설정하였고, 선박이 접안하는 부분을 오염원으로 하

여 배기가스의 대기 중 확산 정도를 분석하였다.

북항은 주변으로 영도구, 남구, 중구, 동구, 서구,

사하구가 인접하고 있으며, 이러한 지역들은 상업지

역과 공업지역, 그리고 도시지역의 성격을 모두 가

지고 있다. 즉, 이 지역에서 발생하는 대기오염이

항만 노동자와 주변에 거주하는 시민들에게 심각한

건강상의 문제를 야기할 수 있는 가능성을 내포하

고 있는 셈이다.

분석의 시간적 범위는 자료 수집상의 이유로

2012년 1월부터 1년으로 설정하였으며, 이 기간 동

안 부산항에 입항한 모든 선박을 대상으로 배출되

는 배기가스의 영향을 분석하였다.

본 연구에서 선박 배기가스 확산을 분석하기 위

한 흐름은 <그림 1>과 같다. 먼저 해당년도의 선박

입출항 데이터를 이용하여 부산항에 입항하는 선박

들의 선종별 특징을 파악한 뒤, 미국환경보건국에서

제안한 산출식을 적용하여 해당 년도에 부산항에

정박하는 선박으로부터 발생된 배기가스 배출량을

산출한다. 여기에 대기확산모형 CALPUFF를 통해

배기가스의 기상(맑음·바람·비)과 계절에 따른 확

산 패턴 분석 및 영향권 설정의 단계로 진행된다.


Ⅱ. 선행 연구 및 이론 검토

전 세계적으로 해상운송이 미치는 대기오염에 대

해 관심이 높아지면서 이를 주제로 한 연구들이 활

발하게 진행되고 있다. 세계적인 해상 도시들을 중

심으로 선박의 정박·조종·항해와 같은 다양한 모

드에서 배출량을 산정하고 대기확산을 분석하는 연

구들이 주를 이루고 있다.

1. 선박 배기가스 산출에 관한 연구

Yang et al.(2007)은 2003년 한 해 동안 중국 상

해항에 입항했던 선박들의 배기가스 배출량 산출을

연구하였다. 이를 위해 선박의 3개 모드(정박, 운

항, 조종), 16개 선종, 5개 오염원( , ,

, , ) 에 따른 선박 배출물을 산출

하였다. 그 결과 1년 간 총 130만 척으로부터

3,133,640톤의 배기가스가 배출되었고, 이 중 이산

화탄소에서 가장 많은 양이 발생되었다. 또한 선박

의 모드별로는 조종모드에서 가장 많은 양의 배기

가스가 배출되었고 , 운항모드에서 상대적으로 가장

적은 양이 발생됨을 규명하였다.

SaraçoLlu et al.(2013)은 선박 활동에 기반을 둔

Bottom-Up Methodology를 적용하여, 2007년 한

해 동안 터키의 관문인 이즈미르항의 선박 배기가

스를 산출하였다. 연구는 항만에 입항하는 6개 선

종(화학선, 컨테이너선, 일반화물선, 여객선, RORO

선, 유조선)에 대해 정박, 조종, 항해별 상세한 배

출량을 분석하였다. 그 결과 이 지역에서는 총

86,320톤이 발생 되었고, 이 중 질소산화물이 가장

많이 발생됨을 알 수 있었다. 모드별로는 운항모드

에서 전체의 66.8%로 가장 많은 양이, 정박모드의

경우 15.1%로 가장 적은 양이 배출되었다. 연구는

이러한 결과를 기반으로 한 전기 접안장치의 적절

한 도입 및 활용을 제안하였다.

Joseph et al.(2009)은 항만의 환경 친화적인 운

영을 위해 2006년 인도 뭄바이지역에 정박하는 선

박들의 배기가스 배출량을 산출하였다. 한 해 동안

약 37,000척의 선박이 입항하였고, 입항한 선박은

크게 벌크선, 컨테이너선, 일반화물선, 바지선, 유조

선의 5종류로 구분되었다. 이 지역에서 가장 많이

배출된 배출물은 분진으로, 항만 주변의 도로 포장

에서 총 4,452톤이 발생되었다. 또한 이산화황은

선박에서 가장 많은 양이, 질소산화물은 육상운송에

서 가장 많이 발생되었고, 이러한 분석을 통해 친

환경적인 항만 운영을 위한 관리체계 마련을 제안

하였다.

Tzannatos(2010)는 항만에 정박하는 선박에 초점

을 맞추어 대형선박에서 발생되는 배기가스를 산출

하였다. 연구에서는 Ship Activity Based

Methodology를 적용하여 그리스 피레우스항의 선

박 배기가스 배출량과 환경 비용을 산출하였다. 연

간 발생되는 3가지 오염원( , , )의

총 배출량은 약 2,600톤이며 이를 환경비용으로 환

산하면 약 5천1백만 유로에 해당함을 규명하였다.

이를 통해 여름철 여객수송에서 발생하는 선박 배

기가스의 엄격한 조치와 규제가 필요함을 시사하였

다.

Berechman et al.(2012)은 대만 무역의 관문인

까오슝항에서 배출되는 선박과 트럭의 미세 먼지와

휘발성 유기 화합물 배출량 및 환경 비용을 추정하

였다. 까오슝항에는 2010년 한 해 동안 16,042척의

선박들이 입항하였고, 선종은 벌크선, 컨테이너선,

일반화물선, 바지선, 유조선, 어선, 소형선박, 예인

선의 8종으로 구별되었다. 선박의 배기가스 산출시

Bottom-Up Methodology를 적용하여 , ,

, , , , 에 대한 배출량

을 산출하였다. 산출된 해상운송 배출량은 총

35,994톤이며, 이와 연계된 육상운송에서는 총


523,098톤이 배출되었다. 여기에 오염원별 원단위를

적용하여 환경 비용으로 산출한 결과, 각 119.2백

만 달러와 4.2백만 달러로 환산되었다. 이를 통해

이 지역에서 가장 많이 배출되는 배기가스는 CO2

임이, 동시에 미세먼지와 VOC에서 가장 높은 환경

비용을 나타내는 것을 증명하였다.

2. 대기확산에 관한 연구

많은 분야에서 다양한 오염원을 대상으로 배기가

스의 배출량을 산출하고 오염원 주변으로의 대기확

산을 분석한 연구들이 다양하게 진행되었다.

김종보 외(2011)는 시화공단의 체계적 악취 관리

방안을 마련하기 위해 복합악취 배출량 자료에 대

기확산모형인 CALPUFF를 적용하여 분석을 수행하

였다. 모델링 결과, 시화공단의 연중 평균 악취농도

는 3 OU/㎥~25 OU/㎥, 공단 내 평균 농도는 5

OU/㎥~7 OU/㎥가 산출되었다. 분석을 통해 시화

공단의 경우 해안을 중심으로 비교적 고농도의 악

취 배출원들이 분포함을 알 수 있었고, 이를 통해

고농도 배출원에 대한 체계적인 관리의 필요성을

강조하였다.

이종범 외(2009)은 복잡한 해안과 산악지형으로

고농도 대기오염이 발생하는 동해지역의 대기확산

을 분석하였다. 이를 위해 대기확산모형인

CALPUFF를 적용하여 질소산화물의 농도변화 및 대

기확산 패턴을 분석하였다. 그 결과, 실측 시간 패

턴과 유사한 결과를 나타냄을 확인했고, 시간변화에

따른 오차를 파악하기 위해 풍향·풍속 데이터와

바람장을 비교하여 신뢰도를 높이고자 하였다. 특

히 낮시간의 농도 패턴은 자료동화 전과 후가 유사

하지만 새벽과 밤은 차이가 있는 것을 통해, 복잡

한 지형에서 피할 수 없는 한계점이 존재함을 규명

하였다.

Lee et al.(2012)은 차량 시뮬레이션과 배출 모델

을 결합을 통해 The Alameda Corridor 구역에서

화물교통이 유발하는 사회적 비용을 분석하였다.

분석은 두개의 붐비는 고속도로 I-710과 I-110에서

발생되는 배출량을 4개 년도(‘05/’08/‘10/’12)

에 대해 산출하고 결과값을 비교하였다. 그 결과

Drayage truck으로 부터 발생하는 미세먼지 수치는

2005년에 4억 4천만 달러를 초과해 꾸준히 감소하

는 경향을 나타냈다. 여기에 대기확산모형인

CALPUFF를 적용하여 계절별 패턴을 비교한 결과,

가을에 미세먼지 농도가 가장 짙고 봄에 가장 옅음

을 규명할 수 있었다. 향후 배출량 절감을 위한 철

도로의 수단 전환 제안과 배출량 기준을 초과 시

이를 제어할 수 있는 다양한 프로그램 수행을 제안

하였다.

Sangkapichai et al.(2008)은 롱비치항의 화물 운

반 통로인 The Alameda corridor 지역에서 철도운

송의 대기 오염 확산을 분석하였다. 연구는 대기확

산모형 CALPUFF를 적용하였고, , 그리

고 을 오염원으로 설정하였다. 그 결과, PM의

경우 최대 허용치를 넘지 않았으나 의 경우는

다른 지역의 권장량을 훌쩍 초과함을 규명할 수 있

었다. 또한 오염원의 영향이 큰 지역엔 Hispanic이

나 african american의 주거주지역임을 밝혀 대기오

염과 소득수준의 상대성을 규명하였다.

Sangkapichai et al.(2010)은 2005년도 The

Alameda corridor 지역에서 철도운송으로 발생되는

대기오염을 산출하여 건강비용과의 상대성을 연구

하였다. 연구에서는 대기확산모형으로 CALPUFF

Model을 적용하여 와 PM의 확산을 분석하였

다. 그 결과, PM은 건강상에 가장 안좋은 영향을

미치는 오염원으로 밝혀졌고, 이로 인한 건강 비용

이 연간 4천만 달러를 초과함을 규명하였다.

Yau et al.(2013)는 2009년 8월부터 2010년 5월

까지 홍콩의 Kwai Chung and Tsing Yi Container


Port에서 배출되는 PM2.5의 배출 및 확산을 연구하

였다. Positive Matrix Factorization(PMF) analysis를

적용하였고, 항구로부터 발생한 미세먼지 영향권을

분석하였다. 분석 결과, 는 낮에 더 많은 양

이 배출되는 것으로 나타났다. 또한 계절에 따른

배출량은 여름보다 겨울에 더 짙은 농도를 나타냈

다. 또한 이 지역의 풍향 데이터를 이용한 Wind

Rose 그래프를 통해 항만 주위로 퍼져나가는 미세

먼지의 영향권을 규명했다.

김광호 외(2017)는 인천항의 선박 오염원에서 배

출된 질소산화물과 황산화물의 대기 중 확산을 분

석하였다. 이를 위해 기상장을 기초로 CALPUFF 모

형을 사용하였고, 정박한 선박과 입출항하는 선박으

로 나누어 모의하였다. 분석 결과 입출항시에 상대

적으로 더 많은 양의 배기가스가 배출됨을 알 수

있었지만, 해륙풍의 영향으로 정박시에 더 심각한

영향을 미치는 것으로 분석되었다.

하민진 외(2017)는 대기확산모형 CALPUFF 모델

을 사용하여 2050년의 기온상승이 기상요소와 대기

오염물질의 확산에 미치는 영향을 분석하였다. 연

구에서는 국립기상과학연구원의 기상변화 시나리오

를 이용하여 서울시내 일산화탄소의 대기 중 확산

을 분석하였고, 그 결과 태양복사량이 높은 10

시~19시 사이에 대기오염물질이 가장 넓게 확산됨

과 동시에 대기질 오염도가 높게 나타난다는 것을

규명하였다.

3. 기존 연구와의 차별성

이와 같이 해상운송에서 발생되는 배기가스 관련

연구들은 세계적인 항만 도시들을 중심으로 자료의

특성 및 필요에 따라 정박, 조종, 항해와 같은 다양

한 모드에서 분석되었다. 또한 연계수단인 육상운

송과 주변 시설물로 범위를 확장시켜 다양한 오염

원에서 발생하는 배기가스의 대기 중 확산패턴을

분석하는 연구가 활발하게 진행되었다.

본 연구에서는 한국해양수산개발원으로부터 수집

한 부산항의 1년간 선박 활동자료를 이용하여 배출

량을 산출하고자 한다. 이어서 대기확산모형인

CALPUFF Model를 통해 계절과 기상상태, 그리고

시간변화에 따라 항만 주변으로 확산되는 배기가스

의 대기확산 패턴을 분석하여 시사점을 도출해보고

자 한다.

Ⅲ. 대기확산 분석 방법론

본 연구에서 북항에 정박하는 선박들의 배기가스

배출량을 산출하기 위한 개요는 <그림 2>와 같다.

미국의 환경보건국에서 제안한 선박 배기가스 산출

식을 적용한 후, 대기확산모형인 CALPUFF Model

을 통해 접안지로부터 주변 지역으로의 대기 변화

패턴을 분석하였다.

대기확산은 해당 년도의 계절별 대표 날짜를 선

정하여 맑은 날, 바람이 많이 부는 날, 비가 오는

날의 세 가지 특정 기상상태에 따라 어떤 확산 패

턴을 보이는지, 그리고 시간대 별로 주변 도시지역

에 어떤 영향을 미치는지를 분석하였다. 분석에 사

용된 대기오염원은 선박의 디젤엔진에서 가장 많이

발생되고, 선박의 배기가스 관리를 목표로 하는

MARPOL 국제협약의 우선적인 관리대상인 질소산

화물()과 황산화물(), 그리고 최근 사람의

호흡기에 심각한 영향을 미치는 것으로 알려져 이

슈가 되고 있는 미세먼지()의 3가지로 설정하


그림 2. 대기확산 분석 개요

였다. 실제로 미세먼지의 경우는 자체로서 인체에

피해를 미칠 뿐만 아니라 유기물·산·금속·이산

화질소 및 기타 오염물질 등과 결합반응을 통해 기

관지 및 폐포에 도달하여 심각한 건강상의 영향을

미치는 2차 오염물질로 변하기도 한다. 황산화물의

경우는 산성비의 주요 원인이 되거나 황산화물 그

자체로 인체의 몸 속 점막에 작용하여 호흡기의 질

환을 나타내고, 질소산화물도 마찬가지로 산성비의

주요 원인이 되며 오존층을 파괴하여 지구온난화에

심각한 영향을 미치는 역할을 한다.

1. 배기가스 산출

선박의 배기가스 배출량을 산출하기 위해 U.S

Environmental Protection Agency(이하 EPA)에서

제안하고 World Ports Climate Initiative(이하

WPCI)에서 보고한 산출식을 적용하였다. 이 산출

식은 대기오염을 측정하기 위한 대부분의 연구에서

적용하는 것으로 운송수단의 엔진, 가동시간 등 활

동기록을 토대로 배기가스의 양을 산출한다. 예선

및 도선, 선석, 항만 내 하역 등 모든 과정에서 적

용된다.

산출식에는 선종별 보조엔진의 평균 출력, 선종

별 부두에서의 총 정박시간, 선종별 보조엔진의

Load Factor, 오염원 별 Emission Factor 등이 포함

되며, 아래와 같다.

×

× × --- (식 1)

여기서,

: 총 배출량(ton)

: 선박의 종류

: 배기가스의 종류

: 선종 별 보조엔진의 평균 출력(kW)

: 선종 별 부두에서의 정박시간(hour)

: 선종 별 보조엔진의 Load Factor

: 배기가스 별 보조엔진의 Emission Factor

(g/kWh)


그림 3. CALPUFF Model 구성요소

좋음 보통 나쁨 아주 나쁨

56.4 112.8 376 3,760

52.4 131 393 2,620

30 80 150 600

자료 : 한국환경공단 통합대기환경지수(2016)

표 1. 오염원 별 통합대기환경지수

단위:

2. 대기확산 분석

대기확산 또는 대기질(Atmospheric Dispersion

or Air Quality)은 대기 중에 오염물질이 어떻게 이

동하는지에 대한 정도를 의미한다. 기존 선박 배기

가스 분석에 관한 연구들은 대부분 총량의 개념에

서 분석이 이루어진 것을 알 수 있었다. 총량을 통

한 분석은 다양한 대안들 사이에서 상대적인 비교

를 할 수 있지만, 이러한 분석은 대기오염이 오염

원으로부터 주변 지역까지 어떤 영향권과 확산 패

턴을 가지는지에 대한 세부적인 평가가 어렵다. 같

은 양의 대기오염이 발생했더라도 넓은 범위에 걸

쳐 균일하게 확산된 대기오염과 좁은 범위에 집중

적으로 밀집된 대기확산의 영향이 다르기 때문이

다. 따라서 산출한 배기가스 배출량에 밀도의 개념

이 고려된 대기확산모형을 적용하여 항만 주변에

미치는 영향으로 연구를 확장시켜보려고 한다.

CALPUFF Model은 Sigma Research사가 미국의

캘리포니아 환경부와의 계약 하에 개발한 모형으로,

Non Steady State Lagrangian Puff 확산 모형의

원리가 적용된다. 이를 이용하여 비정상상태(Unsteady

state)에서 시간 변화에 따른 오염물질의 대기확산

을 분석하고 기상에 따른 시간별 농도분포의 분석

이 가능하다.

CALPUFF Model은 <그림 3>과 같이 총 3가지

모듈로 구성되어 있다. 진단적 방법(Diagnostic

method)을 통해 구성된 3차원 격자 기상장에 기상

관측자료, 강수량 자료, 수표면 자료, 지형 자료 등

이 입력되는 CALMET과, 오염물질이 배출될 때

Plume 형태를 통해 연속적인 확산을 한다는 가정

을 기본으로 대기확산을 분석하는 CALPUFF, 그리

고 시뮬레이션 된 결과를 가시화하는 CALPOST의

3가지가 CALPUFF Model을 구성한다. 모형의 가장

큰 특징으로는 오염물질의 50km이상의 장거리 확

산에 대해서 분석이 가능하고, 다양한 오염원을 고

려할 수 있으며, 복잡한 지형이나 건물의 세류현상

(Building downwash) 그리고 해안 기후를 고려할

수 있다는 점 등이 있다. 또한 공장과 산업시설 굴

뚝과 같은 점 오염원(Point Source), 철로, 도로와

같은 선 오염원(Line Source) 그리고 도시지역과 같

이 넓은 지역에서 발생하는 면 오염원(Area

Source)을 시간 변화에 따라 연속적으로 분석할 수

있다.

산출된 오염물의 지역별 확산 농도는 <표 1>의

한국환경공단 통합대기환경지수를 적용하여 4단계

로 영향권을 설정하였다. 통합대기환경지수는 각


벌크선 컨테이너선 여객선일반

화물선잡역선 RORO선 유조선

냉동

화물선어선 총 배출량

63.948 1446.608 1767.196 533.728 1688.78 41.284 5148.984 1614.264 36.548 12341.34

75.2 1701.104 2078.092 627.624 1985.88 48.548 6054.824 1898.256 42.976 14512.5

14.212 321.468 392.712 118.608 375.284 9.176 1144.22 358.724 8.12 2742.52

표 2. 2012년도 북항의 연간 배기가스 배출량

단위: 톤/년

오염물질의 농도에 따라 보통/나쁨/매우나쁨/위험의

4단계로 오염원별 확산된 배기가스의 영향권을 구

별하고 있다. 질소산화물의 경우 56.4 미만의

농도일 때는 좋음, 56.4~112.8 사이는 보통,

112.8~376 사이는 나쁨, 376~3,760 사이에서

는 매우 나쁨을 의미한다. 황산화물은 52.4 미

만의 농도일 때는 좋음, 52.4~131 사이의 범위

에서는 보통, 131~393사이에서는 나쁨,

393~2,620에 해당하는 수치에서는 매우 나쁨을

의미하고, 미세먼지의 경우, 30 미만의 농도일

때는 좋음, 30~80 사이에서는 보통, 80~150

사이에서는 나쁨, 150~600에 해당하는 수치에서

는 아주 나쁨으로 영향권이 구분된다.

Ⅳ. 분석 결과

북항에서 발생된 2012년도 선박 배기가스 배출

량은 <표 2>와 같이 이전 연구에 의해 도출되었다

(이민우&이향숙, 2016). 항만에 정박하는 선박으로

부터 발생되는 배기가스 3종의 배출량 산출 결과,

2012년의 질소산화물, 이산화황, 미세먼지의 배출량

은 각각 12,341톤, 14,513톤, 2,743톤이 산출되었

다. 배기가스별 배출량은 이산화황과 질소산화물이

각각 약 49%, 42%로 대부분을 차지하였고, 미세먼

지는 약 9%로 가장 적은 양이 배출되었다. 선종별

배출량은 유조선에서 42%로 가장 많은 양이 발생

되었고, 뒤를 이어 여객선과 잡역선에서 약 14%를

차지하고 있는 것을 알 수 있었다.

<그림 4>는 CALPUFF를 이용하여 계절(봄/여름/

가을/겨울)과 기상상태(맑음/바람/비)에 따른 황산

화물의 대기확산을 분석한 결과이다. 그림에서 붉

은색 선으로 표시된 구간이 항만에서 선박이 접안

하는 부분이며, 이곳을 오염원으로 설정하여 기상

및 시간 변수에 따른 대기확산을 비교하였다. 분석

에 사용된 기상 데이터는 기상청의 2012년 부산광

역시 지상관측자료를 기준으로 대표 날짜를 선정하

였다. 맑은 날의 경우는 강수(降水)가 없고 풍속의

영향이 상대적으로 가장 적은 날을 선정하였고, 바

람이 부는 날은 경우는 강수가 없고, 풍속이 가장

강한 날을, 비가 오는 날은 강수량이 많고 풍향이

상대적으로 약한 날을 계절별로 선정하여 외적 요

인을 최대한 배제할 수 있도록 하였다.

부산항 주변의 토지 별 용도는 Land Use Codes

를 통해 확인할 수 있다. 10은 Urban Area, 20은

Agricultural Land, 30은 Rangeland, 40은 Forest

Land 그리고 51은 Streams and Canals를 의미한다.

실제로 부산항 주변을 살펴보면 공업지역, 상업지역

및 주거지역을 포함한 도시지역이 분포되어 있는

것으로 나타났다.


맑음 바람 비

봄

여 름

가 을

겨 울

그림 4. 계절별/기상별 대기확산 패턴()

이산화황의 하루 평균 대기확산 패턴을 보면, 기

상상태에 의해 많은 영향을 받는 특징이 두드려졌

다. 맑은 날에는 오염원을 중심으로 둘러싸는 형태

를 확인할 수 있었고, 바람이 부는 날엔 풍향과 풍


06시

12시

18시

24시

그림 5. 오염원별 시간대별 대기확산 패턴

속에 따라 널리 퍼지는 형태를, 그리고 비가 오는

날엔 상대적으로 농도가 옅어지는 패턴을 나타냈

다. 계절별 특징으로는 상대적으로 온도와 습도가

높은 여름에 농도가 옅고 널리 퍼지는 형태를, 상

대적으로 온도와 습도가 낮은 겨울에는 기상상태에

많은 영향을 받지 않고 한 곳에서 오래 정체되는


대적으로 온도와 습도가 낮은 겨울에는 기상상태에

많은 영향을 받지 않고 한 곳에서 오래 정체되는

패턴을 볼 수 있었다. 특히 건조하고 바람이 많이

부는 가을의 맑은 날의 경우, 배기가스 확산이 항

만을 둘러싸고 가장 넓게 분포되면서 내륙지역으로

가장 많이 확산 되었다. 이산화황에 이어 두 번째

로 많은 양이 배출된 질소산화물은 대체적으로 이

산화황과 비슷한 패턴을 나타냈다. 맑은 날엔 오염

원을 중심으로 둘러싸는 형태를, 바람이 부는 날엔

풍속과 풍향에 따라 널리 퍼지는 형태를, 비가 오

는 날엔 상대적으로 농도가 옅어지는 패턴을 보이

며 겨울보다는 온도와 습도가 높은 여름에 넓게 확

산되는 모습을 확인할 수 있었다. 세 오염원 중 가

장 적은 양이 발생된 미세먼지는 상대적으로 가장

좁은 영향권을 형성하며 앞선 두 오염원과 비슷한

패턴으로 확산되는 모습을 나타냈다.

<그림 5>는 오염원 별 대기확산의 패턴을 시간

대 별로 분석한 결과이다. 부산지역은 해안지역의

특성상 해양과 육지의 열적인 성질의 차이로 발생

하는 시간대 별 풍향에 영향을 받을 것으로 예상하

였다. 표본은 10월의 바람이 적고 맑은 하루를 선

정하여 다른 요인들의 개입을 최소화하였고, 6시간

단위의 분석을 통해 시간에 따라 어떤 확산 패턴을

보이는지를 살펴보았다. 분석 결과, 부산항에서의

풍향은 대략 오전 10시와 오후 10시 정도를 기점으

로 방향이 전환되는 특징이 나타났고, 이 시간대에

는 바람이 정체되면서 오염원을 중심으로 대기오염

농도가 매우 짙게 밀집되는 패턴을 보였다. 또한

낮 시간대에는 주로 해풍의 영향으로 도시지역을

향해 선박 배기가스가 넓게 확산되는 모습이 나타

났으며, 특히 17~20시 사이에 가장 많은 배기가스

가 도시지역으로 확산되며 선박 배기가스가 넓은

지역으로 확산되는 모습을 확인할 수 있었다.

Ⅳ. 결 론

본 연구에서는 우리나라 최대의 항만인 부산

항의 북항을 사례로 접안하는 선박들로부터 발

생되는 배기가스 배출량을 산출하고, 이를 통

해 항만 주변으로의 대기확산 패턴을 분석하였

다. 전 세계적으로 지구온난화에 대한 많은 관

심과 함께 해상운송에서 수반되는 배출량을 산

출하기 위한 연구들이 다양하게 수행되었지만,

단순한 총량을 넘어 밀도의 개념이 적용된 대

기확산을 분석한 연구들은 많이 미흡한 것을

알 수 있었다. 특히 세계적인 항만들을 중심으

로 해상운송의 배출량을 산출하기 위한 연구들

이 많은 관심을 받고 있는 반면, 우리나라는

2014년을 기준으로 세계 6위권에 해당하는 부

산항을 보유하고도 이러한 연구가 진행된 사례

가 거의 없었다. 따라서 본 연구는 국내 최대

항만을 사례로 선박의 배기가스 배출량을 산출

하고, 여기에 밀도의 개념을 적용하여 주변으

로의 대기확산을 분석하였다는 점에서 의의를

갖는다고 할 수 있다.

2012년도에 북항에 접안한 선박으로부터 발

생한 질소산화물, 이산화황, 미세먼지의 배출량

은 각각 30,853톤, 36,281톤, 6,856톤이다. 선

종별로는 유조선에서 약 42%로 가장 많은 부

분을 차지하였고, 뒤를 이어 여객선, 잡역선에

서 전체 배출량의 약 14%가 발생하는 것을 알

수 있었다. 여기에 밀도의 개념이 고려된 대기

확산모형을 적용하여 분석한 결과, 맑은 날엔

항만 주위를 둘러싸고 대기오염이 정체되는 모

습을, 바람이 부는 날엔 풍향과 풍속에 따라

널리 퍼지며 좀 더 넓은 지역까지 확산이 진행

되는 모습을, 비가 내리는 날엔 대기오염의 농

도가 상대적으로 가장 옅어지는 모습을 보이면

서 모든 오염원에서 기상에 따라 다소 다른 영

향을 받는 것을 확인할 수 있었다.


계절별 특징으로는 상대적으로 온도와 습도가 높

은 여름에 대기오염의 농도가 낮고 넓게 퍼져있는

모습을, 온도와 습도가 낮은 겨울에는 높은 농도로

정체되는 특징을 볼 수 있었다. 특히 오염원 중 가

장 많은 양이 배출된 이산화황의 경우 가장 넓은

대기 분포를 형성하며, 주변으로 가장 심각한 영향

을 미치는 오염원인 것으로 확인하였다.

해안기후의 영향에 따른 시간대 별 대기확산은

대략 오전 10시와 오후 10시경 풍향이 전환되면서

오염원을 중심으로 배기가스 농도가 매우 높게 밀

집되는 현상이 나타났다. 또한 17~20시 사이에는

내륙풍의 영향에 따라 도시지역으로 가장 많은 확

산이 일어나는 특징도 확인할 수 있었다.

본 연구의 결과는 항만 주변 도시지역에서 높은

오염농도가 밀집되는 시간대에 시민들의 가정 환기

및 야외 활동을 제한하고, 항만 내 노동자들의 근

무환경을 개선하는 등 공공보건을 확립하기 위한

기초자료로 활용될 수 있을 것이다. 또한 주변 학

교의 체육활동 및 어린이집 산책 권장 시간을 제시

하고, 배출량이 집중되는 시간대에 호흡기 질환 환

자들에 대해 환기 시간 및 산책 시간을 제시하는

등 다양하고 구체적인 Emission Map의 생성을 위

해 활용 가능하다.

친환경 항만을 구축하는 것은 신기후대비 온실가

스 감축 중장기계획, 미세먼지 관리대책 등 국가

주요 정책과 연계되어 매우 중요한 이슈이다. 항만

에서 배출되는 배기가스로 많은 문제점이 발생하고

있으나, 트럭에 비해 중요성 및 관심이 떨어진다는

아쉬움이 있다. 부산항은 국내 최대항만으로서 해

외 선진항만의 사례를 벤치마킹하여 지속적으로 대

기질을 모니터링하고 오염원을 규제할 수 있는 정

책 개발에 힘써야 할 것이다.

본 연구는 자료수집 상의 어려움으로 인해 2012

년도의 부산항 선박 활동자료를 이용하여 선박의

대기오염 배출량을 추정하였다. 향후 보다 최근자

료의 수집을 통해 연도별 추이를 지속적으로 비

교·분석해 볼 필요가 있으며, 항만 주변 인구 밀

도나 인구 구성 그리고 호흡기 질환 환자들의 분포

를 통해 선박 배기가스가 미치는 영향권을 보다 세

밀하게 규명하고, 해당 지역의 질병 발병률 및 사

망률이 선박 배기가스의 영향권과 어떠한 상관관계

가 있는지를 면밀히 분석하는 것을 향후 연구과제

로 삼는다.

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국문요약

부산항은 국내 물동량의 75% 이상을 처리하는 제1의 항만이며, 세계 글로벌 항만 중 6위를

차지하고 있다. 본 연구는 부산항의 중추역할을 하면서 시내와 가까이 위치한 북항에 접안하

는 선박들로부터 발생되는 배기가스를 추정하고, 항만 주변으로 어떻게 확산되는지 분석하고자

한다. 이를 위해 미국 환경보건국에서 제안한 배기가스산출모형을 적용하여 선박유형별 배출

량을 산정하고, 대기확산모형인 CALPUFF Model를 통해 계절, 기상상태, 시간변화에 따른 배

기가스의 대기확산 패턴을 분석한 후, 시사점을 도출하였다. 분석결과, 주요 오염원인 질소산

화물, 이산화황, 미세먼지의 배출량은 각각 30,853톤, 36,281톤, 6,856톤이며, 유조선에서 42%

로 가장 많이 발생하였다. 또한 맑은 날엔 대기오염이 항만주위에 정체되고, 바람 부는 날엔

넓게 확산되며, 비오는 날엔 가장 옅어지는 경향을 보였다. 본 연구의 결과는 대기오염의 심각

성을 인식하게 하며, 향후 공공보건을 위한 정책 수립시 기초자료로 활용이 가능하다.

Key words: 부산항, 선박배기가스, 대기확산, 배기가스산출모형, CALPUFF모형

선박 배기가스의 대기확산 패턴에 관한 연구 -

부산항을 중심으로

이민우 · 이향숙

Documents

선박 배기가스의 대기확산 패턴에 관한 연구 부산항을 중심으로kportea.or.kr/filedown/Treatise/2018/34-01-03 이민우-이향숙-하마-수정.pdf · 국내