1. 서 론

최근 유해물질 사고 발생은 화학물질안전원에 의하면, 2014년부터 2024년 6월까지 총 912건이 발생하였으며, 사고원인으로는 안전기준 미준수 389건, 시설결함 343건, 운송 차량 172건, 자연재해 8건이 보고되었다. 사고유형별로는 누출 사고가 727건으로 전체 사고의 80%를 차지하였으며, 화재 69건, 폭발 71건, 기타 45건으로 나타났다. 주요 누출 사고물질로는 암모니아 88건, 염산 78건, 황산 76건, 질산 72건 순으로 발생하였으며, 암모니아가 8.7%로 가장 많은 사고를 일으킨 물질이다. 계절별 사고 발생 비율을 보면, 여름철 31.7%, 봄철 28.5%, 가을철 21.5%, 겨울철 18.2%로 여름철에 사고가 가장 많이 발생하였으며, 암모니아 사고의 경우에는 겨울철 60%, 여름철 14.1%, 봄철 13.1%, 가을철 12.6%로 겨울철에 집중적으로 발생하고 기타 계절은 비슷하게 사고가 발생하였다(National Institute of Chemical Safety, 2024).

사고대비물질을 취급하는 사업장은 화재·폭발·누출 등의 사고대비를 위한 안전성 확보 방안으로 영향범위 내 주민수와 사고 발생 빈도 시나리오별 위험도 분석에 따라 최악의 사고 시나리오와 대안의 사고 시나리오를 선정하여 사고에 대한 위험도를 예측·대비하고 있다(Choi, Jung, & Choi, 2023).

사업장에서 발생할 수 있는 최악의 사고 시나리오는 미국 EPA(Environmental Protection Agency)에서 제공하고 있는 사고 피해범위 예측 범위가 최대인 Gaussian 모델 ALOHA(Areal Location of Hazardous Atmosphere)를 활용하고 있으며(Park & Jung, 2016), 최악의 사고 시나리오보다 현실적으로 발생 가능성이 높고 사람이나 환경에 미치는 영향이 사업장 밖까지 미치는 대안의 사고 시나리오로는 미국 EPA가 인정한 비정상상태의 Lagrangian Gaussian Puff 모델인 CALMET/CALPUFF 모델을 활용하고 있다(Han and Kim, 2021). 이에 ALOHA와 CALPUFF 모델을 이용하여 울산 석유화학단지를 중심으로 유해화학물질 누출 시 피해 영향 범위를 예측한 연구도 진행되었다(Yoon, 2015).

ALOHA 모델은 피해범위 예측을 위해 풍속, 대기안정도, 온도, 습도 등 일회성 단순한 기상 정보와 개활지, 도심지, 해양 3가지의 지표정보 중 한 가지 선택으로 모델 영역 전체를 동일하게 반영하여(U.S. Environmental Protection Agency, 2016) 누출사고 시나리오에 의한 피해거리범위를 예측하는 특징이 있는 반면, CALMET/CALPUFF 모델의 경우 신속한 예측이 가능하며 격자별 고도 및 피복도 정보과 함께 시간대별 풍향, 풍속 온도, 습도 등 3차원 기상장을 반영하기 때문에 해당지역의 기상 및 지형적 특성까지 고려하여 기상변화에 따른 유해물질의 확산 피해범위를 예측할 수 있는 특징이 있다(Kim, Lee, & Jo, 2022).

국내의 경우 계절에 따른 대기오염물질 확산의 특징으로 봄철에는 저기압과 약한 바람으로 한반도와 서해안의 농도에 영향을 주고, 여름철은 하층 제트의 영향을 받아 오염물질이 빠르게 확산되며, 가을철은 고기압성 순환으로 이동이 약해지지만, 겨울철에는 중국 중부에서의 강한 기류로 인해 오염물질이 한반도와 서해안에 크게 확산(Park, 2003)됨에 따라, 유해물질관리 사업장에서 누출사고의 위험성을 재고하여 계절별, 월별 시간별로 다양한 시간대별로 누출사고의 피해방향 및 면적 등을 반영하여 실질적인 사업장 주변 거주 인원 및 취약계층 등을 고려된 사고 대비를 위한 연구의 필요성이 거론되었다(Choi et al., 2023).

이에 본 연구에서는 CALMET/CALPUFF 모델링을 이용하여, 산업단지 내에서 유해화학물질 누출사고 발생 시 산업단지의 지형적 조건과 함께 각 계절별 오전과 오후의 기상 조건에 따른 대기 확산이 유해화학물질의 누출 사고에 미치는 영향을 분석하고, 확산 거리, 확산 면적, 확산 방향에 따른 법정동 거주지의 유해화학물질 노출 상황을 평가함으로써 누출사고에 대한 대응 방안의 근거를 마련하고자 한다.

본 연구 과정은 Figure 1과 같이 대상지 내·외의 기상, 지형고도 그리고 피복도를 조사하고 누출 물질선정과 누출시간 등을 선정한 후, 확산 모델링을 사계절별 오전과 오후 각 8회의 모델링을 수행한다. 모델링 영역의 격자는 법정동 위치와 법정동 인구조사 결과를 기반으로 설정하며, 모델링 결과로 도출된 격자별 유해물질 농도를 통해 누출 확산 피해 결과를 분석 도출한다.

Figure 1.

Research Flowchart.

2. 연구 방법

2.1. 연구대상 유해화학물질 선정

최근 화학물질안전원 자료에 따르면, 2014년부터 2024년까지 총 912건의 유해물질 사고 중 가 발생했으며, 이 중 암모니아는 가장 빈번한 사고 물질로 88건의 사고를 차지하고 있다. 액체 암모니아는 무색의 액체로서 부식성과 휘발성이 있으며 자극적인 냄새를 풍기는 유해화학물질로 저장, 운수, 사용과정을 엄격히 관리해야만 하는 사고대비물질로 화학물질관리법으로 지정되어 있다(Ministry of Government legislation, 2015).

사고대비물질을 취급하는 사업장은 화재·폭발·누출 등의 사고대비를 위해 안전성 확보 방안으로 영향범위 내 주민수와 사고 발생 빈도를 반영하여 최악의 사고 시나리오와 대안의 사고 시나리오를 선정, 사고에 대한 위험도를 예측·대비하고 있다.

사업장 내 누출사고 시 기상 및 지형조건 따라 사고 피해방향 및 피해범위 예측에 대한 영향력이 매우 큰 만큼 사고 범위예측을 위해 보다 실질적인 모델 반영이 필요한다.

위험물질 중 암모니아는 가장 빈번한 사고 물질임에도 산업단지와 인접한 지역에서 주로 사용되는 만큼 인근 거주민과 근로자의 안전에 직접적인 영향을 미칠 수 있다. 이러한 특성 때문에 본 연구에서는 암모니아를 주요 연구 대상으로 선정하였으며, 기상 조건과 지형적 요소에 따라 계절별로 확산 범위를 예측하고자 한다.​

2.2. 유해화학물질 독성 기준

유해화학물질이 대기 중에 확산되어 근로자, 인근 주민 등에 노출되는 경우 유해물질의 농도 및 노출시간에 따른 인체에 미치는 영향을 판단할 수 있는 기준은 “P-91-2023 화학물질 폭로 영향지수 산정에 관한 기술지침”에서 규정하는 EPRG-2 농도(mg/L 또는 ppm)에 도달할 수 있는 거리로 평가한다.

ERPG(Emergency Response Planning Guideline)는 미국산업위생협회(AIHA)에서 제시하는 기준으로 누출 시 확산지역의 파악 및 지역사회의 비상대응계획을 수립하는 데 사용하고 있으며 다음 Table 1과 같이 3가지 농도 범위를 제시하고 있다.

IDHL(Immediately Dangerous to Life or Health)은 건강한 남성 근로자가 최고 30분 동안 노출될 수 있으며 생명 손실 또는 장기 계통 손상을 입지 않고 탈출할 수 있는 물질의 대기 중 최대 농도를 의미한다.

이에 AEGLs(Acute Exposure Guideline Levels)는 미국 국립연구회(National Research Counsil's National Advisory Committee)에서 제시하는 기준으로 장단기간 노출에 10분, 30분, 1시간, 4시간, 8시간 동안의 임계노출한계를 나타내는 대기상의 물질농도를 의미하는 농도범위를 제시하고 있다. 여기서 AEGL-1은 일반 인구 대상에 불쾌감 또는 자극을 주는 물질의 공기 중 농도이고, AEGL-2는 일반 인구 대상에 돌이킬 수 없는 심각한 건강의 악영향을 주는 물질의 공기 중 농도이며, AEGL-3은 일반 인구 대상에 생명을 위협하는 건강 영향 또는 사망이 발생할 수 있을 것으로 예측되는 물질의 공기 중 농도를 말한다(National Institute of Chemical Safety, 2019). AEGL은 다양한 노출상황에 대해 사용되고 있는 급성노출기준으로 비상 피폭 기간에 따라 적용할 수 있으며 유아와 어린이 등의 취약집단을 포함하는 일반 인구에 적용이 가능하다. 암모니아의 AEGL은 Table 2와 같다(Kim, Jeon, Lee, Yun, & Lee, 2020).

본 연구에서는 AEGL의 화학물질 노출 시간을 10분, 30분, 1시간, 4시간, 8시간으로 구분하여 인체 건강에 미치는 영향을 평가하는데 이 중 10분과 30분은 국소적이고 순간적인 피해를 평가하는 데 적합하며, 8시간은 장기간 지속적인 노출로 인한 영향을 평가하는 데 사용된다. 그리고 AEGL의 기준으로 4시간 노출은 단기와 장기간 노출의 중간 범위에 해당하여 중장기적으로 지역적 확산 및 인구 피해 범위를 정량적으로 평가하는 데 가장 적합한 시간 기준으로 판단하여 본 연구에서는 AEGL의 기준으로 4시간 노출 시를 활용하였으며 암모니아의 독성 기존은 AEGL-1은 30 ppm, AEGL-2은 110 ppm, AEGL-3은 550 ppm 농도 범위다.

2.3. CALPUFF 모델에 의한 연구방법

CALMET/CALPUFF 대기 확산 모델은 비정상상태 Lagrangian Gaussian Puff 모델로서 기본 구조는 Figure 2에서와 같이 세 가지 주요한 요소인 CALMET, CALPUFF, CALPOST 및 기상과 지형 처리 모듈로 구성되어 있다. CALMET은 격자별 고도와 토지피복 자료를 기본으로 지표기상자료 온도, 습도, 풍향, 풍속 자료와 고층기상자료가 고도별 온도, 이슬점온도, 풍향, 풍속, 습도 등을 활용하여 3차원 격자 모델링 영역에서의 시간별 온도, 풍향, 풍속 기상장과 대기안정도 및 대기혼합고를 생성하는 기상모델이다(Choi et al., 2023; Kim et al., 2022). CALPUFF는 오염원으로부터 배출된 퍼프를 확산 및 수송 프로세스를 통해 모사하는 대기확산모델이다. CALPOST는 이러한 결과 파일을 처리하기 위해 사용된다(Lee, Ryu, Jung, Lee, & Choi, 2016; Ha, Lee, Lee, & Jeon, 2017).

Figure 2.

CALPUFF Modeling Flow Diagram.

2.3.1. 모델링 영역의 지형 및 피복도 특징

CALPUFF 모델링 영역조건으로는 지형자료는 환경공간정보서비스시스템과 국토정보플랫폼으로부터 지도데이터를 30 m × 30 m 격자로 분리하여 피복 및 지형자료로 이용하였으며 Table 3 및 Figure 1과 같이 영역을 설정하였다.

모델링 영역은 지형적 특성과 토지 이용 면적에 따라 산업, 주거, 상업, 자연환경 등이 조화를 이루는 복합적인 구조를 갖추고 있다. 이 지역은 주로 평지로 이루어져 있으며, 남쪽은 해안선과 습지지역, 북쪽은 산림 지역주거와 상업지역이 중앙부에는 산업단지가 위치하고 있다.

Figure 3, Figure 4와 같이 지형은 전반적으로 고도가 낮고, 해안과 인접하여 습지와 해양 환경과 밀접한 지형으로 되어있다. 산업단지는 공업지역과 교통지역이 넓은 면적을 차지하고 있으며, 산업단지 주변의 산림지역은 주거 및 생활지역과 상업지역을 경계로 하고 있다. 전체적으로 이 모델링 영역은 주거 및 생활지역(16.1%), 공업단지(22.3%), 교통지역(9.4%), 산림지역(33.5%), 해수 및 습지(17.2%), 기타(1.6%)로 구성된 다양한 지형 요소로 이루어져 있다. Figure 10에서 주거지역은 대부분의 법정 구역에서 낮은 비중을 차지하고 있으나, I 구역과 H 구역에서는 상대적으로 높은 분포를 보인다. 반면, B, C, I, X 구역은 비교적 넓은 총 면적을 가지며, 특히 B, C, E 구역은 산업지역의 비중이 높게 나타난다. 이에 반해 A, D, G 구역은 상대적으로 면적이 작고, 다양한 토지 유형이 고르게 분포되어 있는 특성을 보인다. X 구역은 법정동 미지정 지역으로 해수와 연안습지 등으로 구성되어 있으며, Y 구역은 타 도시 지역이다.

Figure 3.

Land-USE and Terrain in Modeling Area.

Figure 4.

Land Use Area within the Modeling Area.

2.3.2 지표 기상 조건

모델링 영역 내 누출사고 지점에서의 사업장 내의 지표지상관측과 모델링 영역 외 고잔, 안산, 시흥, 송도, 대부도 관측소의 기상관측 자료를 적용하였다. 누출사고지점의 2023년도 1년 동안의 기상관측은 Figure 5와 같이 평균 기온 15.5°C, 최저 기온 –16.2°C, 최고 기온 약 45°C로 나타났으며, 평균 습도는 70.2%로 유지, 최저 습도는 11.9%, 풍향의 표준 편차가 113.2°로 변동성이 큰 것으로 관측되었다. 평균 풍속은 1.19 m/s로 다소 낮은 값을 보이지만 최대 풍속은 20 m/s 이고, 기압은 991.5 hPa에서 1030.5 hPa 사이에서 변화하였으며, 평균 기압은 1014.7 hPa로 관측되었다.

Figure 5.

Weather Conditions.

계절별 기상관측의 특징은 Figure 6과 같이 봄(3월, 4월, 5월) 동안 최대풍속은 6.5 m/s, 주요 풍향은 북동쪽(45° 방향)과 남동쪽(135° 방향)에서 나타났으며, 풍속은 대부분 1–3 m/s사이로 분포되었다. 또한 일부 4–6 m/s의 강한 바람은 북동쪽에서 주로 관측되었다. 기온은 5도에서 28도 사이에서 변동하였으며, 습도는 30%에서 95%까지의 범위를 보였다.

Figure 6.

Wind Roses for Seasons.

여름(6월, 7월, 8월) 동안 풍속은 최대 7.8 m/s이고 풍향은 동쪽(90° 방향)과 남동쪽에서 바람이 자주 불며, 풍속은 주로 1–3 m/s로 나타났고, 일부 4–6 m/s의 강한 바람은 동쪽에서 발생했다. 기온은 18도에서 35도 사이로 여름철 고온을 나타냈으며, 습도는 50%에서 100%까지 분포되었다.

가을(9월, 10월, 11월) 동안 최대풍속이 6.0 m/s이고, 풍향은 서쪽(270° 방향)에서 바람이 자주 나타났으며, 풍속은 0–1 m/s에서 2 m/s로 약한 바람이 주로 불었다. 기온은 10도에서 24도 사이로 변화하였고, 습도는 35%에서 98%까지의 범위를 보였다.

겨울(12월, 1월, 2월) 동안 최대 풍속은 7.6 m/s이며, 주된 풍향은 북동쪽(45° 방향)과 남동쪽(135° 방향)에서 나타났으며, 풍속은 1–3 m/s가 주로 관측되었다. 기온은 –16.2도에서 17.5도까지 변동하며, 습도는 24.7%에서 100%까지 다양하게 나타났다.

계절별 모델링 선정 기준일자는 계절별 평균기상조건에 일자로 선정하였다. 봄에는 2023년 3월 5일 기온과 습도를 보인 일자, 여름에는 2023년 7월 15일이 기온과 습도가 평균에 가까운 날로 나타났다. 가을에는 2023년 10월 5일이 기온과 습도가 평균에 근접했으며, 겨울에는 2023년 12월 2일이 평균 조건에 가장 가까운 기상 조건을 보인 날로 선정되었다.

2.3.3 고층 기상 조건

고층기상관측은 오산고층기상 관측소(47122)의 고층 기상 정보로 적용하였다. Figure 7과 Figure 8의 고층기상현황과 같이 사계절 공통적으로, 고도가 상승함에 따라 기압은 급격히 감소하고, 기온은 고도가 높아질수록 점차 낮아지는 전형적인 패턴을 보인다. 또한, 습도는 낮은 고도에서 상대적으로 높게 나타나지만, 중간 고도 이상에서는 급격히 감소하여 고층 대기는 건조해진다. 풍향은 주로 서풍(270° 방향)이 우세하며, 풍속은 고도가 높아질수록 점차 강해져, 고도 10,000 m 이상에서는 매우 빠른 속도의 바람이 지속되었다. 그리고 봄철에는 서풍이 지배적이며, 전반적으로 바람의 강도가 강하게 나타나고 여름철에는 서풍과 동풍(90° 방향)이 교차하며, 동풍이 강하게 불 때도 있다. 가을철에는 주로 서풍이 나타나며, 봄과 여름에 비해 상대적으로 약한 바람이 관측된다. 겨울철에는 서풍이 강하게 우세하며, 기온이 급격히 낮아지고 고층 대기는 매우 건조한 상태를 유지되었다.

Figure 7.

Mixing Height & PGT Stability Classes Result.

Figure 8.

Wind Roses for Seasons in High-Altitude Meteorology.

2.3.4 영역 내 인구조사

모델링 영역 내의 인구는 안산시 2024년 8월 말 지적공부 등록 현황에 의하면 법정동 30동 중에서 모델링 영역에 해당하는 법정동은 Figure 9와 같이 12동이 포함되어 있다. 법정동별 인구 구성은 안산시에서 가장 넓은 법정동은 A동(9.67 km²)이며, 가장 작은 법정동은 H동(2.8 km²)으로 나타났다. 인구는 A동(99,968명)이 가장 많고, B동(98명)이 가장 적다. 남성과 여성 인구는 각 법정동별로 비슷한 비율을 보인다. 취약계층(5세 이하 + 65세 이상)은 A동(15,019명)이 가장 많으며, C동(49명)이 가장 적다. X동(13,036명)과 I동(7,581명) 역시 취약계층 인구가 높은 지역으로 확인되었다.

Figure 9.

Population status within modeling.

모델링 면적 측면에서는 F동(3.9654)과 E동(3.5433)이 상대적으로 넓으며, 이 두 지역은 면적 대비 모델링 면적이 큰 편이다. 반면, X동(0.0117)과 A동(0.2034)은 모델링 면적이 상대적으로 작은 것으로 나타났다. 법정동 면적 대비 모델링 면적의 비율을 보면, C동(101.32)과 B동(100.79)이 가장 높은 비율을 보이며, 이는 이 지역들이 법정동 면적에 비해 모델링 된 면적이 상당히 집중되어 있음을 의미한다. 반면, A동(2.10)과 X동(0.19)은 법정동 면적 대비 모델링 면적 비율이 상대적으로 낮다.

종합적으로, A동, X동, I동은 인구와 취약계층의 비중이 높아 특별한 관리와 지원이 요구되는 지역으로 판단된다. 반면, Figure 10에 나타난 바와 같이, B동, C동, E동은 법정동 면적 대비 모델링 면적 비율이 높은 지역으로, 산업·공업지역이 전체 면적의 56.7%를 차지하여 산업활동이 집중적으로 이루어지고 있음을 알 수 있다. 모델링 영역 내 누출 사고 지점은 산업단지를 중심으로 B동에 위치하고 있다.

Figure 10.

Land Use Distribution by Legal Districts.

본 연구는 산업단지 중심으로 한 안산시 중심으로 한정하며 연구하였으며, 화성시 관련 동은 모델링 영역 오른쪽 아래 위치하며 제외한다.

3. 연구결과

3.1. 계절별 유해화학물질 확산 연구 결과

본 연구는 계절별 유해화학물질 확산을 분석하기 위해 각 계절의 평균 기상 조건에 가장 근접한 날을 기준으로 선정하여, 오전 6시와 오후 4시를 기준으로 4시간 동안 누적된 농도 결과를 도출하였다.

봄철 모델링 기준일의 기상 조건을 살펴보면, 오전 시간대의 기온은 1.7도에서 11도 사이로 낮은 편이며, 습도는 52.8%에서 86.4%로 높게 유지되었다. 풍속은 0~2.1 m/s로 낮은 수준을 보이며, 풍향은 동북동과 동남동 방향으로 나타난다. 이러한 기상 조건으로 인해 오전에는 Figure 11에서 보이는 것처럼 암모니아가 누출 지점에서 남서쪽으로 주로 확산되었으며, 낮은 풍속으로 인해 확산 범위가 비교적 좁은 지역에 고농도로 분포되었다. 550 ppm 이상의 고농도 구역은 누출 지점 근처에 집중되고, 30 ppm 이하의 저농도 영역은 더 넓게 확산되는 양상을 보인다.

Figure 11.

Ammonia Dispersion Results in Spring.

반면, 오후 시간대에는 기온이 6.9도에서 13도로 상승하고, 습도는 16.7%에서 64.6%로 낮아진다. 풍속은 0~1.7 m/s로 오전보다 다소 증가하며, 풍향은 서북서와 서남서 방향으로 전환되었고, 암모니아가 누출 지점에서 더 넓은 범위로 확산되었다. 결과적으로 고농도 영역이 넓은 면적에 걸쳐 퍼지며, 누출 지점에서 반대 방향으로 확산된다.

누출 지점에서 북쪽에 위치한 고도가 높은 지역(80 m 이상)은 확산이 제한되거나 농도가 낮아지는 반면, 저지대(30 m 이하)에서는 확산이 활발히 이루어져 저농도 구역이 넓게 분포되는 특징을 보였다. 특히 해안가와 같은 저지대는 암모니아 확산이 용이해 바람의 영향을 더 많이 받아 확산 범위가 넓어지는 요인으로 작용하는 것으로 사료된다.

여름철 모델링 기준일의 기상 조건을 살펴보면, 오전 시간대의 기온은 24.7도에서 28.5도 사이로 비교적 높은 편이며, 습도는 74.4%에서 96.6%로 높게 유지된다. 풍속은 0.7~2.8 m/s로 낮은 수준을 보이며, 풍향은 남동 및 북동 방향으로 나타난다. 이러한 기상 조건으로 인해 Figure 12(a)와 같이 오전에는 암모니아가 누출 지점에서 서쪽으로 주로 확산되었으며, 낮은 풍속으로 인해 확산 범위가 좁은 지역에 고농도로 집중되는 경향을 보인다. 550 ppm 이상의 고농도 구역은 누출 지점 근처에 집중되며, 30 ppm 이하의 저농도 영역은 서쪽으로 넓게 확산되는 양상을 보인다.

반면, 오후 시간대에는 기온이 25.8도에서 27.6도로 다소 낮아지지만 여전히 높은 수준을 유지하며, 습도는 81.3%에서 92.5%로 오전보다 약간 낮아진다. 풍속은 0.6~2.9 m/s로 오전보다 다소 증가하였으며, 풍향은 서쪽과 남서쪽 방향으로 전환되어 Figure 12(b)와 같이 암모니아가 누출 지점에서 서쪽으로 비교적 좁게 확산된다. 결과적으로, 고농도 영역은 누출 지점 근처에 집중되며 확산 폭이 넓어지기보다는 좁은 범위 내에서 분포하는 특징을 보였다.

Figure 12.

Ammonia Dispersion Results in Summer.

가을철 모델링 기준일의 기상 조건을 살펴보면, 오전 시간대의 기온은 16.3도에서 24.2도 사이로 비교적 온화하며, 습도는 32.2%에서 69.5%로 중간에서 높은 수준을 유지한다. 풍속은 0.3~2.5 m/s로 낮은 편이며, 풍향은 북서쪽에서 남서쪽으로 다양하게 나타난다. 이러한 기상 조건으로 인해 오전에는 Figure 13(a)와 같이 암모니아가 누출 지점에서 서쪽으로 주로 확산되었으며, 낮은 풍속으로 인해 확산 범위가 좁은 지역에 고농도로 집중되는 경향을 보인다. 550 ppm 이상의 고농도 구역은 누출 지점 근처에 집중되고, 30 ppm 이하의 저농도 영역은 상대적으로 넓게 확산되는 양상을 보인다.

반면, 오후 시간대에는 기온이 19.4도에서 25.4도로 상승하며, 습도는 28%에서 50.7%로 오전보다 낮아진다. 풍속은 0~2 m/s로 낮은 수준을 유지하며, 풍향은 남서쪽에서 서쪽으로 변화하여 Figure 13(b)와 같이 암모니아가 누출 지점에서 남서쪽으로 확산된다. 결과적으로 고농도 영역이 넓은 면적에 걸쳐 퍼지며, 저농도 구역은 더 광범위하게 확산되는 특징을 보인다.

Figure 13.

Ammonia Dispersion Results in Autumn.

누출 지점에서 북쪽에 위치한 고도가 높은 지역(80 m 이상)은 확산이 제한되거나 농도가 낮아지는 반면, 저지대(30 m 이하)에서는 확산이 활발히 이루어져 저농도 구역이 넓게 분포되는 특징을 보인다. 특히 해안가와 같은 저지대는 암모니아 확산이 용이해 바람의 영향을 더 많이 받아 확산 범위가 넓어지는 요인으로 작용하는 것으로 사료된다

겨울철 오전의 암모니아 확산 농도는 Figure 14(a)와 같이 북서쪽 방향으로 좁게 확산되는 특징을 보인다. 550 ppm 이상의 고농도 영역이 누출 지점 바로 근처에 집중되며, 이 고농도 구역은 북서쪽으로 뻗어나가는 제한적인 확산 패턴을 나타낸다. 또한, 30 ppm 이하의 저농도 영역은 비교적 좁은 범위에 걸쳐 있으며, 누출 지점에서 크게 확산되지 않고 근방에 제한적으로 분포하고 있다.

오후의 암모니아 확산 농도는 Figure 14(b)와 같이 남서쪽으로 더 넓게 확산되는 경향을 보인다. 해안가와 같은 저지대를 중심으로 저농도 영역이 넓게 퍼지며, 바람의 영향을 크게 받는 지역에서는 확산 범위가 더욱 확대되었다.

Figure 14.

Ammonia Dispersion Results in Winter.

결과적으로, 오전에는 국지적 고농도가 형성되지만, 오후에는 기상 조건 변화로 인해 확산 범위가 넓어지며 더 광범위한 지역에 저농도가 퍼져 주변에 영향을 미칠 수 있다

3.2. 유해화학물질 누출 시 피해거리 연구 결과

Figure 15, Figure 16은 암모니아가 1 ppm 이상 인 격자에 대한 거리별 농도를 분석하였다. AEGL-1(30 ppm), AEGL-2(110 ppm), AEGL-3(550 ppm) 값이 기준선으로 표시되어 있으며, 이 기준선은 인체에 미치는 암모니아 농도의 위험도를 평가하는 데 사용하였다.

Figure 15.

Ammonia Concentration by Distance for Seasons with AEGL Levels (AM).

Figure 15, Figure 16에서와 같이 암모니아 농도가 각각 30 ppm, 110 ppm, 550 ppm, 1100 ppm에 도달하는 거리는 시간대와 계절에 따라 상이한 양상을 보인다. 먼저, AEGL-1 농도 기준인 30 ppm은 오전 시간대에는 봄과 여름에 약 100 m에서 200 m 거리까지 도달하고, 가을과 겨울에는 약 300 m에서 400 m 거리까지 확산된다. 오후 시간대의 경우에는 농도가 더 높아지면서 봄과 여름에는 약 400 m, 가을과 겨울에는 최대 500 m에서 600 m 거리에서도 30 ppm에 도달하는 것으로 나타났다.

Figure 16.

Ammonia Concentration by Distance for Seasons with AEGL Levels (PM).

AEGL-2 농도 기준인 110 ppm은 주로 가을과 겨울에 나타나며, 오전 시간대에는 약 100 m ~ 200 m 거리에서, 오후 시간대에는 약 300 m ~ 400 m 거리에서 도달하는 것으로 확인되었다. 반면, 봄과 여름에는 AEGL-2에 도달하지 않거나 극히 제한된 거리에서만 일시적으로 나타나는 경향을 보인다.

AEGL-3 농도 기준인 550 ppm은 가을과 겨울의 가까운 거리에서만 도달하는데, 오전 시간대에는 약 30 m ~ 50 m, 오후 시간대에는 약 50 m ~ 100 m 거리에서 이 농도에 도달할 수 있다. 이는 AEGL-3 기준을 초과하는 매우 위험한 농도에 해당하며, 특히 오후 시간대에 가을과 겨울에 더 큰 위험을 초래할 가능성이 있다.

1100 ppm이라는 매우 높은 농도는 일반적으로 도달하지 않지만, 예외적으로 오후 시간대 가을과 겨울의 극히 가까운 거리(약 10 ~ 20 m 이내)에서 일시적으로 도달할 가능성이 있다. 이러한 높은 농도는 인체에 즉각적이고 치명적인 영향을 미칠 수 있으며, 사고 발생 시 특히 주의가 필요하다.

따라서, 특정 농도 수준에 도달하는 거리 범위는 시간대와 계절에 따라 다르며, 특히 AEGL-3 이상의 농도에서는 가을과 겨울의 가까운 거리에서 심각한 위험이 발생할 수 있다. 본 분석 결과는 사고 시 대피 경로 설정 및 안전 조치 수립에 중요한 자료로 활용될 수 있을 것이다.

3.3. 유해화학물질 누출 시 피해면적 연구 결과

본 연구에서의 피해면적은 계절에 따른 오전(08시)과 오후(16시)에 4시간 누출에 대한 암모니아 확산 농도를 AEGL-1, AEGL-2, AEGL-3에 대한 피해면적을 분석하였다.

Figure 17 계절에 따른 오전 누출면적에 의하면 봄철에는 상대적으로 높은 AEGL-1(500,400 m²) 노출 면적이 두드러지며, 이는 봄철 기상 조건이나 바람의 영향으로 인해 대기 중 암모니아 확산 범위가 넓은 것과 관련이 있을 수 있다. 여름철에는 기온 상승과 함께 대기의 확산 및 혼합이 활발해지며, 그에 따라 노출 면적이 비교적 줄어들지만, 여전히 AEGL-1(245,700 m²) 노출 면적은 상당히 넓어 암모니아의 증발이 더 활발할 가능성을 시사하고 있다. 가을철에는 봄과 유사하게 대기 확산이 활발하여 넓은 범위에 노출될 수 있으며, 특히 AEGL-3(54,900 m²)에서 높은 노출 면적이 나타나 사고 발생 시 심각한 영향을 미칠 위험성을 갖고 있다. 반면, 겨울철에는 대기 정체와 같은 기상 조건으로 인해 암모니아 확산이 제한될 수 있어 AEGL-1(86,400 m²)과 AEGL-2(88,200 m²) 노출 면적이 상대적으로 작지만, AEGL-3(42,300 m²) 노출 면적은 다른 계절과 큰 차이를 보이지 않고 있다.

Figure 17.

AEGL Area by Seasons (AM).

Figure 18 계절에 따른 오전 누출면적에 따르면, 봄철에는 AEGL-1(1,550,700 m²) 노출 면적이 두드러지며, 이는 봄철의 기상 조건이나 바람의 영향으로 인해 대기 중 암모니아 확산 범위가 넓어질 가능성과 관련이 있을 수 있다. 여름철에는 기온 상승과 함께 대기의 확산 및 혼합이 활발해지면서 노출 면적이 비교적 줄어들어 AEGL-1(807,300 m²) 면적이 나타나며, 이는 암모니아의 증발이 다소 활발할 가능성을 시사한다. 가을철에는 봄과 유사하게 대기 확산이 활발하여 넓은 범위에 노출될 수 있으며, AEGL-2 (826,200 m²)의 높은 노출 면적이 사고 발생 시 심각한 영향을 미칠 수 있음을 시사한다. 반면, 겨울철에는 대기 정체와 같은 기상 조건으로 인해 암모니아 확산이 제한되며 AEGL-1(163,800 m²)과 AEGL-2(47,700 m²) 노출 면적이 상대적으로 작지만, AEGL-3(13,500 m²) 노출 면적은 다른 계절과 큰 차이를 보이지 않는다. AEGL-1 노출 면적은 봄과 가을에 가장 크며, 여름과 겨울에는 줄어드는 경향을 보인다. 이는 봄과 가을철의 활발한 대기 확산으로 인해 암모니아가 더 넓은 범위로 퍼지기 때문으로 사료된다. AEGL-2는 봄과 가을에 상대적으로 높은 노출 면적을 보이며, 여름과 겨울은 상대적으로 낮은 수준을 나타낸다. AEGL-3의 경우, 가을철에 가장 큰 면적을 차지하고 있으며, 겨울철에는 소폭 줄어드는 양상을 보인다.

Figure 18.

AEGL Area by Seasons (PM).

특히 오전에는 봄철 AEGL-1 노출 면적(500,400 m²)이 두드러지고, 여름에는 AEGL-1 면적이 245,700 m²로 줄어들지만 여전히 넓은 수준을 유지하며, 가을에는 AEGL-3 면적(54,900 m²)이 높아 사고 발생 시 위험이 클 수 있음을 시사한다. 오후에는 봄철 AEGL-1 노출 면적이 1,550,700 m²로 가장 크고, 여름과 겨울에는 줄어드는 경향을 보이며, 가을철 AEGL-2 면적(826,200 m²)이 높아 사고 시 심각한 영향을 미칠 수 있을 것으로 나타났다. 오전과 오후 모두 봄과 가을철의 대기 확산이 활발하여 넓은 범위에 영향을 미칠 가능성을 시사하며, 특히 봄과 가을에 대한 예방적 관리의 필요성이 강조된다.

3.4. 유해화학물질 누출 시 피해방향 연구 결과

본 연구에서는 계절별 오전(08시)과 오후(16시)에 걸친 4시간 누출 상황에서 암모니아 확산 농도를 AEGL-1, AEGL-2, AEGL-3로 구분하여 피해방향 면적을 분석하였다. Figure 19, Figure 20에서와 같이, 각 방위별로 피해 면적의 차이를 분석하였다.

Figure 19에서와 같이 봄과 가을에는 SW(남서) 및 W(서쪽) 방향에서 AEGL 1 값이 10만m² 이상으로 나타나며, 특히 SW 방향으로의 확산이 두드러진다. 여름과 겨울에는 AEGL 1, 2 값이 낮고 AEGL 3 값은 거의 발생하지 않지만, SW 방향에서 여전히 AEGL 1 값이 9만m² 이상이다. 겨울철에는 대부분의 방향에서 AEGL 값이 낮거나 0에 가까워 사고 확산이 거의 없음을 알 수 있다.

Figure 19.

Distribution of AEGL by Directions and Seasons (AM).

SW(남서) 방향은 모든 계절에서 두드러지며, 봄철에는 AEGL 1 값이 10만m², 가을철에는 6만m² 이상으로 나타난다. W(서쪽) 방향에서도 봄과 가을에 AEGL 1 값이 5만m² 이상이다. 여름철에는 대부분의 방향에서 AEGL 값이 낮지만 SW(남서) 방향은 9만m², WSW(서남서) 방향은 6만m²로 다른 방향보다 높다. 겨울철에는 SE(남동) 및 SW(남서) 방향에서 확산이 거의 없는 것으로 나타났다.

평균적으로 SW(남서)와 W(서쪽) 방향에서 AEGL 1 값이 8만m² 이상 나타나며, 최댓값으로는 봄철 SW(남서) 방향에서 AEGL 1 값이 10만m²을 넘는다. 최솟값을 보면 겨울과 여름철에는 확산이 거의 없으며, 표준편차는 SW(남서) 방향에서 계절별로 4만m² 이상으로 변동성이 큰 것으로 나타났다.

SW(남서)와 W(서쪽) 방향은 봄과 가을철에 사고 확산의 주요 경로로, AEGL 1 값이 10만m² 이상으로 나타나 위험성이 높으며, 여름과 겨울철에는 확산이 제한적이지만, SW(남서) 방향은 여전히 9만m² 이상의 AEGL 값으로 주의가 필요하다.

Figure 20에서는 봄과 가을에 WNW(서북서) 및 NW(북서) 방향에서 AEGL 1 값이 12만m² 이상으로 나타나며, 특히 NW 방향으로의 확산이 두드러진다. 여름과 겨울에는 AEGL 1, 2 값이 감소하고 AEGL 3 값은 거의 발생하지 않지만, NW 방향에서 여전히 AEGL 1 값이 10만m² 이상이다. 겨울철에는 대부분의 방향에서 AEGL 값이 낮거나 0에 가까워 사고 확산이 거의 없음을 알 수 있다.

Figure 20.

Distribution of AEGL by Directions and Seasons (PM).

WNW(서북서) 방향은 모든 계절에서 두드러지며, 봄철에는 AEGL 1 값이 12만m², 가을철에는 8만m² 이상으로 나타난다. NW(북서) 방향에서도 봄과 가을에 AEGL 1 값이 10만m² 이상이다. 여름철에는 대부분의 방향에서 AEGL 값이 낮지만 NW(북서) 방향은 10만m², WNW(서북서) 방향은 8만m²로 다른 방향보다 높다. 겨울철에는 S(남쪽) 및 SE(남동) 방향에서 확산이 거의 없는 것으로 나타났다.

평균적으로 WNW(서북서)와 NW(북서) 방향에서 AEGL 1 값이 10만m² 이상, 최대값으로는 봄철 NW(북서) 방향에서 AEGL 1 값이 12만m²을 넘는 것으로 나타났다., 최소값을 보면 겨울과 여름철에는 확산이 거의 없으며, 표준편차는 NW(북서) 방향에서 계절별로 5만m² 이상으로 변동성이 큰 것으로 분석되었다.

특히, Figure 19에서는 봄과 가을에 SW(남서) 및 W(서쪽) 방향에서 AEGL 1 값이 높게 나타나는 반면, Figure 20은 NW(북서)와 WNW(서북서) 방향에서 높은 AEGL 1 값을 보인다. 여름과 겨울에는 두 도표 모두 대부분의 방향에서 AEGL 값이 낮거나 0에 가깝지만, 특정 방향(SW 또는 NW)에서 여전히 주의가 필요하다. 또한, Figure 19는 봄철 SW 방향에서, Figure 20은 봄철 NW 방향에서 최대값을 기록하며, 계절과 방향에 따라 확산 경로가 달라지는 양상을 보여준다.

3.5. 유해화학물질 누출 시 피해인구 연구 결과

계절별 오전 유해화학물질 확산은 누출지점, B동, C동의 공간적 특성, 인구 분포, 그리고 AEGL 값의 계절적 변화를 바탕으로 종합적으로 분석될 수 있다. 특히, 해당 지역의 지형적 특성과 산업적 특성은 유해물질 확산에 중요한 영향을 미치며, 이를 기반으로 피해를 최소화할 수 있는 대책을 마련할 필요가 있다.

유해화학물질 누출지점은 B동과 C동의 경계 부근에 위치하며, 두 동 모두 공업단지에 속해 있다. Figure 21에 의하면 B동과 C동은 유해화학물질 누출지점과 가까워, 사고 발생 시 직접적인 영향을 받을 가능성이 크다. B동은 주로 산업용지와 일부 상업용지가 혼재된 지역으로 나타났으며, C동은 더 북쪽에 위치하며 일부 산림지와 공업지대와 접해 있다. 이러한 지역은 해발 10~30 m 내외의 저지대에 속해 있으며, 지형적으로 유해물질이 확산되기 쉬운 조건을 갖추고 있다. 또한, 지형적 특성으로 누출 발생 지점은 북쪽으로 산지로 둘러싸여 있고 남쪽으로는 해안가에 접해 있어, 이러한 지형적 방어선은 유해물질 확산을 자연적으로 방지할 수 있는 역할을 할 것으로 사료된다.

Figure 21.

Ammonia Exposure Legal Districsts (B, C, E) and Leak Site in the Modeling Area.

Figure 22에 의하면 B동과 C동 모두 AEGL 값이 높은 편에 속한다. 특히 B동의 경우 겨울철(AEGL-1)에서 가장 높은 값을 기록했으며, AEGL-3 값도 상위권에 속한다. C동이 B동에 비해 AEGL 값이 다소 낮으나, 여름철 AEGL-2 값이 두드러지게 나타난다. 이러한 AEGL 값의 계절적 차이는 B동과 C동이 계절에 따라 유해물질 확산으로 인한 피해가 다를 수 있음을 시사한다. B동은 겨울철 사고 발생 시 피해 가능성이 높으며, C동은 여름철에 유해물질 확산 위험이 크다.

Figure 22.

Distribution of AEGL by Legal Districts and Seasons (AM).

B동과 C동은 Figure 9에 나타난 바와 같이 공업단지로서 거주 인구가 매우 적다. B동의 총인구는 98명이며, C동은 808명으로 나타났다. B동의 건강취약계층은 8명, C동은 49명으로 다른 동들에 비해 매우 적다. 따라서, 피해 면적은 넓을 수 있으나 피해 인구는 적어, 공업단지로서 상대적으로 안정적인 지역이라고 볼 수 있다. 거주 인구가 많은 다른 동들과 비교했을 때, B동과 C동은 피해 인구가 제한적일 것으로 예측된다.

Figure 23에 따르면, B동은 전체 AEGL 중 가장 높은 값을 기록하고 있으며, 특히 가을철 AEGL-3에서 두드러진다. B동에서 봄과 여름철 AEGL 값 또한 높아, 계절과 관계없이 꾸준히 유해물질의 확산 위험이 크다는 것을 시사한다. 반면 C동은 여름철 AEGL-2 값에서 비교적 높은 값을 보이지만, 다른 계절에서는 상대적으로 낮은 값을 유지하고 있다. 이는 B동과 C동이 계절별로 유해물질 확산의 영향 정도가 다를 수 있음을 나타낸다. 특히, B동은 가을철과 겨울철에 사고가 발생할 경우 피해 범위가 넓을 가능성이 크며, C동은 여름철 유해물질 확산 위험이 상대적으로 높을 수 있다.

Figure 23.

Distribution of AEGL by Legal Districts and Seasons (PM).

AM과 PM 시간대 모두 B동에서 AEGL 값이 가장 높게 나타나며, 특히 겨울철과 가을철에 집중된다. C동은 AM 시간대보다 PM 시간대에 유해물질 확산이 더 두드러지며, 여름철 AEGL-2 값이 상대적으로 높다. PM 시간대의 E동이 새롭게 두드러지는 특징을 보이는데, 특히 여름철 AEGL-1에서 눈에 띄는 값을 기록하고 있다. E동의 이러한 특징은 여름철 PM 시간대에 유해물질 확산 위험이 존재함을 시사하며, B동 및 C동과 달리 계절 및 시간대에 따른 추가적인 주의가 필요할 수 있다.

계절별 오전 유해화학물질 확산 연구 결과로 B동과 C동은 거주 인구가 적고 유해화학물질 누출지점과의 근접성으로 인해 직접적인 영향을 받을 가능성이 있으나, 그 영향은 제한적일 것으로 판단된다. 특히 B동은 겨울철 AEGL 값이 높아 겨울철 사고 시 피해 가능성이 있지만, 인구가 매우 적어 피해 인구는 많지 않을 것이다. C동 역시 여름철 AEGL 값이 두드러지지만, 인구가 적어 상대적으로 큰 피해는 발생하지 않을 것으로 예상된다. 또한, 지형적으로 유해화학물질 누출지점이 북쪽의 산과 남쪽의 해안선에 의해 보호받고 있어 유해물질의 확산이 자연적으로 방지될 가능성이 크다. 이러한 지형적 특성은 공업단지의 안전성을 높이는 요소로 작용할 것으로 사료된다.

4. 결 론

본 연구는 계절적 기상 조건이 유해화학물질 누출 사고의 피해 범위와 확산 특성에 미치는 영향을 체계적으로 분석함으로써, 계절에 따른 대기 확산 특성이 사고의 영향에 중대한 영향을 미칠 수 있음을 확인하였다. 봄과 가을철에는 대기 혼합이 활발하게 이루어져 유해물질이 넓은 범위로 확산되는 경향을 보였으며, 이러한 계절에는 상대적으로 피해 면적이 넓고 다수의 지역이 영향을 받을 가능성이 높은 것으로 나타났다. 반면, 여름과 겨울철에는 대기 안정성이 높아 확산 범위가 제한적이지만, 높은 농도가 누출 지점 근처에 집중될 위험이 커져 사고 발생 시 고농도로 인한 심각한 피해 가능성이 증가하는 것으로 나타났다.

법정동별 분석에서는 B동과 C동이 가장 높은 피해 위험을 보였다. 특히 겨울철 B동에서는 AEGL-1 이상의 높은 농도로 인해 피해 위험이 증가했으며, 여름철 C동에서는 AEGL-2 수준에서 높은 농도가 관찰되어 지역별로 계절에 따른 피해 특성이 상이함을 확인하였다. 또한, E동은 여름철 오후 시간대에 AEGL-1 수준에서 높은 값을 기록하여 추가적인 관리와 대비책 마련이 필요함을 시사하였다. 이러한 결과는 법정동별로 계절적 특성을 반영한 맞춤형 사고 대비 전략 수립의 필요성을 시사한다.

본 연구는 계절과 시간대(오전/오후)에 따른 유해화학물질 피해 범위의 차이를 밝혀내어, 이를 기반으로 한 사고 대응 방안의 필요성이 있다. 특히, 대기 확산이 활발한 봄과 가을철에는 피해 면적이 넓어질 가능성이 높은 만큼 선제적인 대피 및 안전 계획이 요구되며, 여름과 겨울철에는 고농도 피해 위험을 대비하여 즉각적인 대응 체계와 실시간 기상 정보 기반의 안전 대책이 필요하다. 이러한 전략은 산업단지 인근 지역의 안전성을 강화하고, 유해화학물질의 사고에 대한 체계적인 대응력을 높이는 데 기여할 것이다.

본 연구는 기존 연구들과 차별화된 접근법으로 대기 확산 모델링과 계절적 특성 분석을 결합하여 유해화학물질 사고 대응 전략 수립에 실질적인 기여를 제공한다는 점에서 독창성을 가진다. 다만, 본 연구는 대안 시나리오를 중심으로 진행되어 최악의 기상 조건을 고려한 분석이 부족하다는 한계가 있다. 이를 극복하기 위해 향후 연구에서는 최악의 기상 조건과 다양한 누출 사고 지점을 고려하고, 암모니아 외에도 여러 유해물질의 계절별 확산 패턴을 추가적으로 분석할 필요가 있다. 이를 통해 보다 정교하고 폭넓은 화학물질 사고 대응 전략을 수립함으로써, 실질적인 사고 관리 방안을 마련하고 화학사고로 인한 잠재적 피해를 효과적으로 줄이는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.