화학사고 시 다매체 동태모형을 이용한 고밀도 가스 운의 대기-토양오염영향 예측

Abstract

화학물질의 사용이 증가함에 따라 화학사고 발생 리스크 또한 증가하고 있다. 발생한 화학사고 중 누출에 의한 사고는 전체 사고의 약 75 %(2003년〜2018년)를 차지할 정도로 비중이 높으므로 누출사고에 대한 대응방안의 마련은 중요하다. 누출 당시 상황과 물질에 따라 대기확산 특성에 차이를 보일 수 있는데 그중 하나가 고밀도 가스 운(dense gas cloud)의 형성이다. 고밀도 가스 운은 지표면 가까이에 형성되므로 침적으로 인한 토양오염이 일반적인 대기확산과 비교해 높을 것으로 예상된다. 고밀도 가스 운 형성에 의한 토양오염 예측은 화학사고에 의한 환경오염을 통합적으로 평가하는 데 필요하나 현재 화학사고 평가에 사용되는 일반적인 모형들은 대기 이외의 환경 매체에 대한 평가가 불가능하다. 따라서 본 연구에는 한국환경산업기술원의 연구과제인화학사고 후 인체 영향 평가기술 개발로 개발된 화학사고 다매체 동태모형을 이용했으며 고밀도 가스 운의 모사 여부에 따른 오염도의 차이를 비교해 고밀도 가스 운의 대기, 토양 오염영향을 예측하였다. 화학사고 다매체 동태모형은 새로이 개발된 모형이므로 사용 이전에 모형의 신뢰성 평가가 필요하다. 관측값과 모형의 예측값을 비교하는 것이 가장 좋으나 화학사고의 특성상 관측값이 존재하기 어려우므로 화학사고 다매체 동태모형과 신뢰성을 인정받은 모형인 AERMOD의 대기농도, 침적 flux 예측값을 비교하여 신뢰성 평가를 진행하였다.

신뢰성 평가결과 대기농도는 대기 안정도와 관계없이 화학사고 다매체 동태모형이 AERMOD보다 고평가하였으며 침적 flux는 대기가 안정한 조건에서는 고평가, 불안정한 조건에서는 저평가하였다. 또한, 대기가 불안정한 조건에서의 침적 flux를 제외하고 화학사고 다매체 동태모형과 AERMOD의 예측값에 유의미한(p < 0.01) 양의 상관관계가 존재해 예측 경향이 유사함을 확인할 수 있었다. 특히 대기가 안정한 조건에서 대기농도의 경우 두 모형의 FB와 NMSE값이 적정값(-0.5 < FB < 0.5; NMSE < 0.5)에 해당하며 예측의 일치율이 높았다. 화학사고 다매체 동태모형을 이용해 고밀도 가스 운의 영향을 확인한 결과 고밀도 가스 운은 누출원 부근의 토양을 고농도로 오염시키는 반면 누출원과 떨어진 지점의 오염수준은 낮추는 것으로 예측되었다. 또한, 고밀도 가스 운은 누출 시작부터 종료까지 누출원의 대기 오염수준을 낮추지만, 고농도로 오염된 대기에서의 휘발로 인해 누출 후에도 고밀도 가스 운이 형성되지 않은 경우와 비교해 오염이 높은 수준으로 유지되는 것으로 예측되었다.

본 연구에서는 기존에 평가되지 않았던 화학사고 다매체 동태모형의 신뢰성을 평가하였다. 또한, 이를 이용해 고밀도 가스 운의 모사 여부에 따른 예측값을 비교해 고밀도 가스 운의 시공간적 대기, 토양오염영향을 확인함으로 더 정확한 예측을 위해 모형 개발에 있어 다양한 조건에서의 결과를 종합적으로 이해할 필요가 있음을 시사하며 이는 추후 모형의 개선에 참고자료가 될 수 있다.

The risk of chemical accidents is also increasing as the use of chemicals increases. Since leakage-induced accidents account for about 75 % of all accidents (2003〜2018), it is important to prepare countermeasures against leakage accidents. Depending on the situation at the time of the leak and the properties of the material, the air dispersion characteristics may vary, one of which is the formation of a dense gas cloud. Since dense gas clouds are formed near the surface, soil pollution is expected to be higher than normal atmospheric dispersion due to deposition. Prediction of soil pollution by formation of dense gas clouds is necessary to comprehensively evaluate environmental pollution caused by chemical accidents, but the general models used for the evaluation of chemical accidents at present are impossible to evaluate other environmental media except air. Therefore, in this study, the chemical accident multi-media model developed in the research project of the Korea Environmental Industry and Technology Institute, Development of human body impact assessment technology after chemical accidents, was used. The air and soil pollution effects of the dense gas cloud were predicted by comparing the differences in the pollution levels depending on whether the dense gas cloud was simulated in chemical accident multi-media model. Since the chemical accident multi-media model is a newly developed model, reliability evaluation of the model is required before use. It is best to compare observations with the model's predictions. However, due to the characteristic of chemical accidents, observations are difficult to exist. Therefore, reliability evaluation was conducted by comparing the air concentration and deposition flux prediction of AERMOD, a model recognized for its reliability with the chemical accident multi-media model.

As a result of reliability evaluation, the chemical accident multi-media model evaluated the air concentration higher than AERMOD regardless of the atmospheric stability. In the case of deposition flux was highly evaluated under atmospheric stability and underestimated under unstable conditions. In addition, with the except for deposition flux in unstable conditions, there was a significant (p < 0.01) positive correlation between the chemical accident multi-media model and AERMOD, confirming that the predictive tendencies were similar. Particularly in the case of air concentration under stable conditions, the values of FB and NMSE in the two models correspond to the appropriate values (-0.5 < FB < 0.5; NMSE < 0.5), and the predicted coincidence was high. As a result of confirming the effect of dense gas cloud using a chemical accident multi-medium model, dense gas cloud contaminated the soil near the leak source at high concentration. On the other hand, it was predicted that the level of contamination at the area away from the leak source would be lowered. Dense gas cloud lowered the level of air pollution in the source of the start to the end of the leak. However, due to volatilization in highly contaminated soils, it was predicted that the contamination would remain at a high level compared to the case where no dense gas cloud was formed after the leak.

In this study, the reliability of the chemical accident multi-media model was evaluated, which was not previously evaluated. In addition, it was suggested that a comprehensive understanding of the results of various conditions needs to be made in developing the model for more accurate prediction by checking the time-space air and soil pollution effects of dense gas clouds by comparing the predictions based on the simulations of dense gas clouds. And this may also be a reference to further model improvements.