환경평가 지원을 위한 지역 환경현황 분석 시스템 구축 및 운영 : 상세규모 대기질 평가를 위한 Hybrid Modeling 적용방안

Abstract

Ⅰ. 연구의 배경 및 목적 ？ 환경영향평가에서 대기질 평가에 주로 활용하고 있는 대기질 모델은 가우시안 플룸 모델 중 하나인 AERMOD 모델임 ㅇ AERMOD는 PC에서 간편하게 수행할 수 있으며, 모델링 수행시간이 짧고 다양한 오염원을 대상으로 모델링 수행이 가능 ？ 다만 AERMOD 모델은 모델링 대상 지역의 대기오염물질 배출로 인한 대기 중 화학반응의 영향, 외부로부터의 유입 등은 고려하기 어려움 ㅇ 대상 지역 내 화학반응으로 생성되는 2차 대기오염물질 평가는 3차원 기상장 모델, 대기질 모델링 수행으로 가능함 ？ 본 연구에서는 AERMOD의 한계점 개선을 위해 3차원 광화학 모델인 CMAQ(Community Multiscale Air Quality)을 AERMOD와 연계하여 Hybrid 시스템을 구축하여 그 적용 가능성을 살펴봄 ㅇ 2차 대기오염물질의 화학반응을 고려하지 못하는 가우시안 플룸의 단점을 보완하고, 이를 가우시안 플룸 모델의 격자 형태로 고해상도의 결과를 도출하여 국지적인 자료 지원이 힘든 3차원 광화학 모델의 해상도 측면의 단점을 보완하는 효과 기대 Ⅱ. CMAQ-AERMOD Hybrid 시스템 소개 ？ CMAQ-AERMOD 모델의 Hybrid 모사는 고해상도인 AERMOD의 결과 값을 격자 변환을 통해 해당 좌표의 CMAQ 격자 농도와 계산을 수행함 ？ 해당 격자의 2차 생성물질, 생물성 연소에 의한 영향 등은 별도로 계산하여 식에 추가함으로써 기존 AERMOD의 고해상도 격자를 가지면서 CMAQ의 3차원 화학반응 계산이 고려된 결과 값 산출 가능 Ⅲ. 유해대기오염물질의 Hybrid 모델링 적용 ？ 유해대기오염물질 Hybrid 모델링 적용지역으로 여수 국가산업단지를 선정하였으며, 2018년 11월에 대한 AERMOD 결과, CMAQ 결과, Hybrid 결과를 비교하는 연구를 수행 ㅇ AERMOD 모델링 분석 결과 면오염원의 영향으로 35㎍/m3 이상의 벤젠 농도가 도출되었고, 선오염원의 경우 비교적 낮은 0.1~0.15㎍/m3 수준의 농도가 모사됨 ㅇ CAPSS 2016년 배출량을 바탕으로 한 CMAQ-toxic 모델링 결과는 약 6㎍/m3 수준으로 비교적 낮게 나타남 ㅇ Hybrid 모사 결과 CMAQ의 농도가 AERMOD의 농도 구배에 보정이 되며 전체적인 농도가 낮아지면서 면오염원의 중심농도가 약 15㎍/m3 수준으로 감소하고, 이는 광화학 측정망 일평균 관측자료와 유사한 범위 내에서 모델이 모사하는 것으로 확인됨 Ⅳ. 일반대기오염물질의 Hybrid 모델링 적용 ？ 일반대기오염물질의 Hybrid 모델 적용지역으로는 신규 주거지역이 형성되어, 주거시설, 교통 등의 영향으로 NOx, 미세먼지 등의 배출이 예상되는 내포신도시를 선정함 ㅇ AERMOD 분석 결과 지역 특성상 뚜렷한 점오염 배출이 존재하지 않고 낮은 농도의 선·면 오염원에 의한 영향으로 NOx는 약 2.5ppb, PM2.5는 약 1.5㎍/m3 수준의 농도가 모사됨 ？ 이러한 결과는 AERMOD 모델링이 분석지역 내의 배출만으로는 정확한 대기질을 모사하는 데 일부 한계가 있는 것으로 설명됨 ㅇ Hybrid 결과로 NOx의 경우 최대 45ppb, PM2.5의 경우 20~50㎍/m3 수준의 농도를 도출하였음 Ⅴ. Hybrid 시스템의 환경영향평가 활용방안 ？ 내포신도시의 신규 건설 예정인 LNG 발전소에 대한 AERMOD 분석 결과와 Hybrid 분석 결과를 환경영향평가의 활용을 위해 추가 제시하였음 ㅇ AERMOD만을 활용한 LNG 발전소의 신설로 인한 영향은 주 풍에 따라 플룸이 확산하는 형태가 모사되었으나, 오염원 자체의 낮은 배출량으로 인해 NOx의 경우 0.5ppb 이하, PM2.5의 경우 0.05㎍/m3 이하의 플룸이 나타남 ㅇ 기존 오염원들에 대한 Hybrid 모델 결과와 LNG 추가 신설로 인한 Hybrid 모델을 비교한 결과 NOx의 경우 약 2.5ppb, PM2.5의 경우 약 0.2㎍/m3가 LNG 발전소 신설의 영향으로 나타남 ？ 해당 결과는 국지적 규모에서 AERMOD 모델링 결과에 2차 대기오염물질의 영향을 고려할 수 있음을 보여주며 향후 환경영향평가를 위해 Hybrid 모델링 시스템을 적용할 수 있을 것으로 기대됨

Ⅰ. Background and Purpose of Research ？ The AERMOD model is widely used as a Gaussian plume model, which is mainly used in Korea for air quality environmental impact assessment. ㅇ It is managed by the US EPA and is being used in the US policy model. The AERMOD model can be easily performed on a PC, the modeling time is short, and can be used for various pollutants. ？ However, the AERMOD model does not take into account effects of chemical reactions in the atmosphere and the inflow from the outside area. ㅇ Evaluating atmospheric chemical reactions requires expertise in performing three-dimensional weather field modeling and air quality modeling. ㅇ However, if air quality must be predicted through this complicated process in all impact assessments, there will be various difficulties from the operator’s point of view. Also, it is necessary to consider whether it is appropriate to go through this process. ？ Therefore, in this study, the three-dimensional photochemical model CMAQ (Community Multiscale Air Quality) Byun and Ching(1999). was applied to the existing method to address the limitations of AERMOD, and the disadvantage of the Gaussian plume. Also, we propose to build and utilize a hybrid system that creates images of higher resolution than the 3D photochemical model with which it is difficult to express local data, using the grid of the Gaussian plume model. Ⅱ. Introduction of the CMAQ-AERMOD Hybrid System ？ Internationally, the hybrid system is mainly used in health impact assessment, and there are cases where it was used to support particulate matter policies. ？ In this study, as an example of application, the CMAQ-toxic hybrid model for HAPs (Hazardous Air Pollutants) analysis used in health impact assessment and the CMAQ hybrid model for criteria air pollutants (PM2.5, NOx) analysis were applied and the results were analyzed. ？ The CMAQ-AERMOD hybrid simulation performs the calculation of the CMAQ grid concentration and the corresponding coordinates through grid transformation of the AERMOD result value. Ⅲ. Simulating the Concentration of Hazardous Air Pollutants Using the CMAQ-Toxic/AERMOD Hybrid Model ？ The Yeosu National Industrial Complex was selected as a place to compare the effects of VOCs with observational data in Korea, and the comparison of AERMOD, CMAQ, and hybrid results for November 2018 was performed. ㅇ In the case of Yeosu Industrial Complex where petrochemical facilities are concentrated, the AERMOD results showed benzene concentration of 35㎍/m3 or higher due to the influence of area sources, and in the case of mobile sources, a relatively low concentration of 0.1~0.15 ㎍/m3 was simulated. ㅇ The result of the CMAQ-toxic modeling was relatively lower than AERMOD at about 6㎍/m3. As a result of the hybrid simulation, the concentration of CMAQ was corrected by the concentration gradient of AERMOD, the overall concentration decreased, and the central concentration of area sources was reduced to about 15㎍/m3. It was confirmed that the range of the simulated results of the hybrid model was similar to that of observed results. Ⅳ. Simulating the Concentration of Criteria Air Pollutants Using the CMAQ-Toxic/AERMOD Hybrid Model ？ Naepo New Town was selected as the application area for hybrid modeling of criteria air pollutants, as it is expected to emit NOx and particle matter due to the increase in residential facilities and traffic volume following the formation of a new residential area. ㅇ According to the AERMOD analysis, there was no clear emission from point sources, and the concentration of about 2.5ppb of NOx and about 1.5μg/m3 of PM2.5 was simulated due to the effect of low-concentration mobile and area sources. ㅇ These results imply that AERMOD modeling has limitations in simulating air quality completely only with the emissions within the analysis area. As a result of hybrid modeling, the concentration of CMAQ was corrected, showing the maximum concentration of 45ppb for NOx and 50㎍/m3 for PM2.5. Ⅴ. Application of the CMAQ-AERMOD Hybrid System in Environmental Impact Assessment ？ By applying the results of Naepo New Town, CMAQ-AERMOD hybrid analysis results for the planned LNG power plant were additionally presented for use in the environmental impact assessment. The analysis result obtained using only AERMOD showed the spread of plume depending on the main wind. However, due to the low emission of pollutants, the plume was less than 0.5ppb for NOx and less than 0.05㎍/m3 for PM2.5. ㅇ When combining the above results with the hybrid model and comparing the differences with the results of the hybrid model including point, mobile, and area sources, it was found that about 2.5ppb of NOx and about 0.2㎍/m3 of PM2.5 were added. ？ These results confirmed the applicability of the hybrid modeling system in the future by taking into account the concentration that can affect the basic concentration outside the target area during the environmental impact assessment. These results show that the effect on secondary air pollutants can be taken into consideration in the AERMOD modeling system, and the applicability of the CMAQ-AERMOD hybrid modeling system to environmental impact assessment in the future can be confirmed.