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원숙 운
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Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers ISSN 1738

1 Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers ISSN Vol. 56, No. 3, pp. 39~45, May 2014 eissn DOI: 낙하충격에의한풍화토의비산먼지발생특성분석 Analysis of dust emission characteristic by drop impact on decomposed granite soil 민슬기 * 손영환 **, 박재성 * 노수각 * 봉태호 * Min, Seul-Gi Son, Young-Hwan Park, Jae-Sung Noh, Soo-Kack Bong, Tae-Ho ABSTRACT Dust is mostly caused by human activity. The effect of natural factors on dust emission were studied in many research, but the little effort in researching artificial factors of dust emission. The object of study is to analysis dust emission characteristic by drop impact. Particle matter 10μm (PM 10) was measured by drop impact on paved soil with changing drop height, weight and drop size. Increasing drop height cause more PM 10 emission. Increasing drop weight cause more PM 10 emission but had limit weight for increasing dust emission. Because the exceed kinetic energy of drop weight penetrate the soil surface. The limit perimeter was exist that separating PM 10 emission aspect. Under limit perimeter, PM 10 emission was increasing while perimeter was increasing, but over limit perimeter showed the opposite aspect. Regression equations for estimating PM 10 with kinetic energy and perimeter were made under limit perimeter and over limit perimeter. The R 2 of those equations were 0.784, The error has occurred between measured PM 10 and calculated PM 10 in the equation under limit perimeter. But using equation of case for over limit perimeter, PM10 can be estimated with kinetic energy and drop perimeter. Keywords: Decomposed granite soil; Drop impact; Dust emission; Particle matter 10μm; Regression equation I. 서론 * 대기오염은그영향의지속성이높고피해를입을수있는인구가가장광범위한오염이다. 이중미세먼지는여러대기오염물질중인체위해성이가장높은물질중하나로 (Kim, 2006), 이는인체뿐만아니라농작물및가축에악영향을끼치는것으로알려져있다 (Hwang et al., 2008; Bitog et al., 2009). 이로인한질병발생률의증가는이미많은연구에의해밝혀진바있다 (Jung, 2013). 이러한위험성때문에최근미세먼지에대한관심이전세계적으로증가하고있으며, 이에따라미세먼지에대한규제기준이전세계적으로제정되고있다. 우리나라의경우 1993년 10 μm보다작은입경의미세먼지인 PM 10 (Particle Matter 10 μm) 에대한연간환경기준을제정하였고, 수도권대기환경개선에대한특별법제정을통해 2015년 * 서울대학교생태조경 지역시스템공학부대학원 ** 서울대학교조경 지역시스템공학과조교수 Corresponding author Tel.: Fax: syh86@snu.ac.kr 2014 년 4 월 23 일투고 2014 년 4 월 30 일심사완료 2014 년 5 월 8 일게재확정 부터 2024년까지 PM 10 의규제를연평균 30 μm로강화하고, 2.5 μm보다작은입경인초미세먼지 PM 2.5 (Particle Matter 2.5 μm) 에대한규제를신설할예정이다. 해외의경우미국에서는현재 PM 10 에대한기준은 24시간평균 150 μm이며, PM 2.5 는기준은연평균 15 μm, 24시간평균 35 μm로규정되어있다. EU의경우 PM 10 은연평균 40 μm, 24시간평균 50 μm이며 PM 2.5 는연평균 25 μm 기준이제정되어있다. 비산먼지에대한위해성에대한연구가진행되면서, 대기중미세먼지농도에대한규제는전세계적으로강화되고있는추세이다 (Park and Jo, 2013). 미세먼지는황사나산불, 화산폭발, 풍식등자연적인발생원에의해발생되기도하지만대부분은건설공사나야적원료입자의비산, 운동장에서의활동등인위적인활동의부산물에의해발생한다 (Choi et al., 2006). 비산먼지발생에영향을주는요인중자연적인영향에의한토양의침식및먼지발생에대한연구는많이진행되었다. 일반적으로풍식을받아먼지가비산되는토양의입경은 0.84 mm 이하이며, (Lyles, 1988), 풍속이낮은경우작은입자들이, 풍속인높은경우큰입자들이주로풍식을받고 (Liu et al., 1998), 토양표층의함수비가 % 이상일경우풍식이발생하지않으며, 이하일경우풍식으로인해토양입자가비산한다고알려져있다 (Zobeck, 39

2 낙하충격에의한풍화토의비산먼지발생특성분석 1991). 또한이동식소형풍동을이용, 토양표면의거칠기와풍속, 표층의함수비, 입경자료등을통해풍식방정식계수를산정, 시뮬레이션을통해풍식량을예측하는연구가진행되었으며 (Hong et al., 2014), 토양표층입경과풍식된입자의입도간의상관성분석을통해풍식된입자의최대, 최소입경을추정하는연구가진행되었다 (Kim et al., 2013). 비산먼지발생에있어인간의활동등인위적인영향에의한연구는비포장도로에서차량의이동으로인한먼지발생에대한연구가많이진행되었다. 차량이동속도와 PM 10, PM 2.5 사이의관계및먼지의구성원소들을파악한연구가진행되었으며 (Williams et al., 2008), 차량에의해발생한먼지와자연발생한먼지의입경을비교한연구도진행되었다 (Pinnick et al., 1985). 또한차량의무게와속도, 주행거리를통해먼지배출계수를산정한연구가진행되기도하였다 (Gillies et al., 2004). 이연구들은비포장도로에서차량의운행에의한비산먼지발생량을대상으로하였으며토양에가해지는충격으로인한비산먼지발생량의정량적인분석을수행하지는않았다. 비포장도로나, 운동장에서의활동, 기반시설공사현장등은토양이겉으로드러나있어바람및기타요인에의해비산먼지가많이발생할가능성이있는지역이다. 이장소들은사람의활동에의한인위적충격으로비산먼지가발생하는장소로자연적인영향보다는인공적인영향에의한비산먼지발생량이더클것이라판단된다. 그러나이러한외부충격에의한먼지발생특성에대한분석및연구는아직부족한상황이다. 따라서본연구는인위적인영향으로인한비산먼지발생특징을파악하기위해낙하충격에의한운동에너지및낙하추의크기와비산먼지발생량과의관계분석을실시하였다. 이를통해물리적인충격에의한토양의비산먼지발생특성을분석하고운동에너지와낙하추의크기를통한먼지발생량추정을위한회귀식을제시하고자한다. II. 재료및방법 1. 시험재료 본연구에사용된재료는서울시안암동지역에서채취한풍화토로, 국토해양부승인조경설계기준 (The Korean Institute of Landscape Architecture, 2013) 에따라 4.75 mm체통과시료를사용하였다. 재료의물리적특성은 Table 1과같다. 통일 Table 1 Physical properties of soil G s Passing sieve mm (%) D 10 (mm) D 30 (mm) D 60 (mm) Cu Cg LL PL USCS N.P N.P SW-SM Fig. 1 The particle size distribution curve of soil 분류법상으로 SW-SM으로분류되었으며, 입도분포곡선은 Fig. 1과같다. 2. 시험방법비산먼지발생량측정에는 GRIMM사의 Portable aerosol spectrometer (Model 1.109) 를사용하였다 (Fig. 2). 이장비는 μm 입경의먼지농도및개수를 31가지의채널을통해측정할수있으며, PM 10, PM 2.5 등환경기준에따른먼지발생량측정도가능하다. 바람등외부조건에의한비산먼지발생영향을최소화하기위해실내에서실험을진행하였다. 토양조건을실내에서재현하기위해 cm 규격의나무판을제작하였으며, 함수비 0% 인노건조상태의풍화토를 4 cm 두께로포설하였다 (Fig. 3). 포설된풍화토의밀도는 1.44 g/cm 3 이다. 낙하충격을가하기위해풍화토를포설한나무판에추를일정한주기로낙하시키는방법을사용하였다. 비산먼지측정기의위치는바닥에서 25 cm 지점, 나무판의중심에서 50 cm 떨어진지점에서측정하였으며, 10초에 1회반복하여추를낙하시켰다. 비산먼지측정시간은 3분으로, 추낙하시시료의다짐으로인한영향을감소시키기위해추를이동시키면서낙하하였다. 낙하위치는비산먼지측정지점에서 cm 지점을 9등분한지점들이며, 추를직선으로왕복이동시키면서총 18회낙하시켜비산먼지발생량을측정하였다. 시험의모식도는 Fig. 4와같다. 비산먼지발생량에영향을미치는여러물리적조건을고려하기위해낙하추의높이, 낙하추의무게, 낙하추의크기를변화시키면서실험을수행하였다. 추의낙하높이와비산먼지발생량의상관관계를파악하기위하여 0.25, 0.5, 0.75, 1 m 높이에서추를낙하시키면서비산먼지발생량을측정하였다. 이때 3, 5, 7 kg의추를사용하였으며낙하추의크기는 cm로 40 한국농공학회논문집제 56 권제 3 호, 2014

민슬기 손영환 박재성 노수각 봉태호 Fig. 2 Portable aerosol spectrometer 고정하였다.

5 cm, 10 10 cm, 12.5 12.5 cm, 15 15 cm, 17.5 17.

3 민슬기 손영환 박재성 노수각 봉태호 Fig. 2 Portable aerosol spectrometer 고정하였다. 낙하추의무게변화에따른비산먼지발생량에대한영향을파악하기위하여 1, 3, 5, 7, 9, 11 kg 무게의추를적용하였다. 이때, 낙하높이는 1m, 낙하추크기는 cm로고정시켰다. 낙하추의크기변화에따른비산먼지발생량을파악하기위해 3, 5, 7 kg의추를이용하였으며, 5 5 cm, cm, cm, cm, cm, cm, cm, cm, cm, cm 크기의낙하판을통해크기변화에따른비산먼지발생량의영향을파악하였다. 낙하추의크기를변화시키기위해도르래에나무로제작한낙하판을고정시켜낙하시켰다 (Fig. 5, 6, 7). 각각의 case들은 Fig. 8에정리하였다. 비산먼지발생량은 10 μm보다입경이작은미세먼지의농도인 PM 10 을기준으로측정하였으며, 추의반복낙하에의해먼지발생량이중첩되어측정됨에따라 3분동안측정한먼지발생량의최대값을사용하였다. Fig. 3 Wooden board and paved soil Fig. 5 Weight Fig. 4 Schematic diagram of soil dust emission test Fig. 6 Wooden plate for weight fixed Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, 56(3),

낙하충격에의한풍화토의비산먼지발생특성분석 Fig. 9 Relationship between PM 10 and drop height Fig. 7 Pulley for drop test Fig. 8 Cases of soil dust emission test III. 결과및고찰 1. 낙하높이에따른영향 낙하높이변화에따른 PM 10 발생량측정결과는 Fig. 9와같다.

낙하무게및낙하높이가증가하게되면운동에너지가증가하게되며, 이에따라토양입자에전달되는에너지가증가하면서비산먼지발생량이증가한것으로판단된다. 2. 낙하무게에따른영향낙하무게변화에따른비산먼지발생량측정결과는 Fig. 10 에나타내었다.

4 낙하충격에의한풍화토의비산먼지발생특성분석 Fig. 9 Relationship between PM 10 and drop height Fig. 7 Pulley for drop test Fig. 8 Cases of soil dust emission test III. 결과및고찰 1. 낙하높이에따른영향 낙하높이변화에따른 PM 10 발생량측정결과는 Fig. 9와같다. 3, 5, 7 kg의경우모두낙하높이가증가함에따라 PM 10 발생량이증가하는것으로나타났다. 같은높이에서의경우무게가증가할수록비산먼지발생량도증가하는경향을보이는것으로나타났다. 낙하하는추에의해발생하는운동에너지가토양표면에충격을가하면포설되어있던토양표면입자에운동에너지가전달되어대기중으로비산하게된다. 낙하무게및낙하높이가증가하게되면운동에너지가증가하게되며, 이에따라토양입자에전달되는에너지가증가하면서비산먼지발생량이증가한것으로판단된다. 2. 낙하무게에따른영향낙하무게변화에따른비산먼지발생량측정결과는 Fig. 10 에나타내었다. 추무게 7 kg까지는운동에너지가증가하여 PM 10 발생량도증가하는것으로나타났으나, 7 kg 이후에는추의무게가증가함에도불구하고비산먼지발생량이증가하지않았다. 낙하추무게의증가에따라일정무게까지는운동에너지의증가에따라토양표면에가해지는충격이증가하여비산먼지발생량이증가하게된다. 하지만낙하무게증가로인해추의운동에너지가토양표면의강도이상으로증가하게되면토양표면에가해지는과도한충격으로인해토양표면이관입되는현상이발생하게된다. 이로인해운동에너지가증가하더라도비산먼지의발생량은증가하지않는것으로판단된다. 3. 낙하둘레에따른영향낙하둘레에따른비산먼지발생량측정결과는 Fig. 11과같다. 7 kg 추의경우, 낙하추둘레가증가하면서비산먼지발생량도증가하는경향을보였으나낙하추의둘레가 100 cm 이상으로증가할경우, 낙하추둘레의증가에도비산먼지발생량이증가하지않았다. 이러한경향은 3 kg, 5 kg에서도관찰할수있었다. 5 kg의경우 70 cm에서비산먼지발생량이최대가되며, 3kg의경우 40 cm에서비산먼지발생량이최대가되는것으로나타났다. 그이후에는낙하추둘레증가에따라비산먼지발생량은감소하는경향을보이는것으로나타났다. 이로미루어볼때, 각무게별로낙하추둘레증가에따라비산먼지발생량이증가하는양상을보이는한계둘레가존재하는것으로나타났다. 비산먼지의발생량은낙하추의무게, 낙하높이등운동에너지뿐만아니라낙하추의둘레의영향을받는것으로나타났다. 42 한국농공학회논문집제 56 권제 3 호, 2014

5 민슬기 손영환 박재성 노수각 봉태호 Fig. 10 Relationship between PM 10 and drop weight Fig. 12 Relationship between PM 10 and kinetic energy per perimeter Table 2 Coefficient a, b, c and R 2 of equation for kinetic energy and perimeter Cases a b c R 2 Under limit perimeter Over limit perimeter Fig. 11 Relationship between PM 10 and drop perimeter 4. 운동에너지와낙하둘레에따른먼지발생량추정 운동에너지와낙하추둘레비율및비산먼지발생량과의그래프는 Fig. 12와같다. 3 kg의경우운동에너지와낙하추둘레비율이 kg (m/s) 2 /cm 까지운동에너지 / 둘레비율이증가함에따라비산먼지발생량도증가하는경향을보이는것으로나타났으며, 5kg의경우 kg (m/s) 2 /cm 까지, 7kg의경우 kg (m/s) 2 /cm 까지비산먼지발생량이증가하는것으로나타났으며, 한계에너지 / 둘레비율이 0.7 kg (m/s) 2 /cm 정도로비슷한값을나타냈다. 운동에너지증가에따라단위둘레당운동에너지가증가하면서일정한계비율까지는운동에너지증가에따라비산먼지발생량이증가하는경향을보인다. 하지만둘레당운동에너지가한계이상으로증가하게되면토양표면이관입되는현상이발생하게되어토양표면의입자반발에의한비산먼지발생량이감소하는것으로판단된다. 한계둘레미만인경우와이상인경우다른비산먼지발생양상을보이므로운동에너지, 둘레간의비산먼지발생량추정회귀식을구분하여작성하였다. 일반식은식 (1) 과같다 (a) Under limit perimeter (b) Over limit perimeter Fig. 13 Relationship between the measured and calculated PM 10 about kinetic energy and perimeter Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, 56(3),

6 낙하충격에의한풍화토의비산먼지발생특성분석 (1) 이식에서상수 a, b, c값과 R 2 값은 Table 2와같다회귀식작성결과한계둘레미만일경우회귀식의 R 2 값이 0.784, 한계둘레이상일경우회귀식의 R 2 값이 0.743으로나타나상대적으로높은 R 2 값을보였다. 회귀식으로계산된 PM 10 값과측정된 PM 10 값의상관관계는 Fig. 13과같다. 한계둘레미만일경우 R 2 값이상대적으로큰편이나측정값과계산값간의오차가있는것으로나타났다. 한계둘레이상일경우계산값과측정값이 y=x 그래프에근접하여상대적으로작은오차로먼지발생량을예측할수있을것으로판단된다. IV. 요약및결론 본연구에서는토양에가해지는낙하충격에의한정량적인비산먼지발생특성을파악하기위해풍화토를포설한판에추를반복낙하시키면서비산먼지발생량을측정하였다. 비산먼지발생에영향을미치는물리적인조건을고려하기위해낙하높이, 낙하무게, 낙하추크기를변화시키면서실험을수행하였다. 이를통해운동에너지, 낙하추크기에따른비산먼지발생특성을분석하고운동에너지와낙하둘레에따른비산먼지발생량추정회귀식을제안하였다. 낙하높이가증가함에따라 PM 10 발생량이증가하는것으로나타났다. 같은높이에서의경우일정무게까지는무게가증가할수록비산먼지발생량도증가하는경향을보이는것으로나타났으나, 일정무게이상에서는무게증가로인한운동에너지증가에도불구하고비산먼지발생량이증가하지않았다. 이는운동에너지가토양표면의강도이상으로증가하게되면운동에너지에의해토양표면이관입되는현상이발생하게되기때문이라고판단된다. 운동에너지와추둘레변화와비산먼지발생량과의경향은한계둘레까지는둘레증가에따라비산먼지발생량이증가하는양상을보이지만그이후로는둘레증가에따라비산먼지발생량이감소하는경향을나타냈다. 운동에너지 / 낙하둘레비율의경우, 3kg일때 kg (m/s) 2 /cm 까지, 5 kg일때 kg (m/s) 2 /cm 까지, 7 kg일때 kg (m/s) 2 /cm 까지비산먼지발생량이증가하는것으로나타났으며, 운동에너지 / 낙하둘레비율이 0.7 kg (m/s) 2 /cm 정도로비슷한값을나타냈다. 운동에너지증가에따라단위둘레당운동에너지가증가하면서비산먼지발생량이증가하는경향이나타나지만, 단위둘레당운동에너지가한계이상으로증가하게되면토양표면이관입되는현상이발생하게된다. 이로인해토양표면의입자반발에의한비산먼지발생량이감소하는것으로판단된다. 한계둘레를기준으로한계둘레미만일경우회귀식의 R 2 값은 0.784, 한계둘레이상일경우회귀식의 R 2 값은 0.743으로나타나상대적으로높은경향성을보였다. 한계둘레이상일경우계산값과측정값이상대적으로적은오차로먼지발생량을예측할수있는것으로나타나운동에너지와낙하둘레를통해비산먼지발생량을추정할수있을것이라판단된다. 이연구는 2014년도정부 ( 교육과학기술부 ) 의재원으로한국연구재단의기초연구사업지원을받아수행된것임 (2012R 1A1A ) REFERENCES 1. Bitog, J. P., I. B. Lee, M. H. Shin, S. W. Hong, H. S. Hwang, I. H. Seo, J. I. Yoo, K. S. Kwon, Y. H. Kim and J. W. Han, Numerical Simulation of an Array of Fences in Saemangeum Reclaimed Land. Atmospheric Environment 43(2009): Choi, W. J., K. C. Cho, E. Y. Lee, H. Y. Na, S. K. Lee and K. J. Oh, Estimation of Fugitive Dust Emission and Impact Assessment in Constructing the New Port by Reclamation of Sea Sand, Environmental Impact Assessment, 15(4): (in Korean). 3. Gillies, J., V. Etyemezian, H. Kuhns, D. Nikolic and D. Gillette, 2005, Effect of Vehicle Characteristics on Unpaved Road Dust Emissions, Atmospheric Environment, 39: Hong, S. W., I. B. Lee, I. H. Seo, K. S. Kwon, T. W. Kim and Y. H. Son, Measurement and Prediction of Soil Erosion in Dry Field using Portable Wind Tunnel. Biosystems Engineering, 118: Hwang, H. S., I. B. Lee, M. H. Shin, S. W. Hong, I. H. Seo, J. I. Ryu and S. K. Lee, 2008, Monitoring of the Fugitive and Suspended Dust Dispersion at the Reclaimed Land and Neighboring Farms : Monitoring in Gunsan, Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, 50(4): Jung, A. R, Effect of PM10 on mortality: Systematic review and Meta-analysis, M. S. diss., Seoul, Korea: Yonsei University (in Korean). 7. Kim, T. W., Y. H. Son, S. G. Min, I. B. Lee, S. W. Hong and M. Y. Kim., Experimental Investigation on 44 한국농공학회논문집제 56 권제 3 호, 2014

7 민슬기 손영환 박재성 노수각 봉태호 Particle Size of Soils Erodible by Wind using Portable Wind Erosion Tunnel, Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, 55(6): (in Korean). 8. Kim, Y. P., Air Pollution in Seoul Caused by Aerosols, Journal of Korean Society for Atmospheric Environment, 22(5): (in Korean). 9. Liu, L., J. Wang, X. Li, Y. Liu, W. Ta and H. Peng, Determination of Erodible Particles on Cultivated Soils by Wind Tunnel Simulation. Chinese Science Bulletin, 43(19): Lyles, L., Basic Wind Erosion Process. Agriculture, Ecosystems and Environment, 22-23: Park, H. W. and Y. M. Jo, Regulation Standard of Fine Particles and Control Techniques of Emission Sources, Journal of Korean Society for Atmospheric Environment, 29(4): (in Korean). 12. Pinnick, R., G. Fernandez, B. Hinds, C. Bruce, R. Schaefer and J. Pendleton, 1985, Dust Generated by Vehicular Traffic on Unpaved Roadways Sizes and Infrared Extinction, Aerosol Science and Technology, 4(1): The Korean Institute of Landscape Architecture, Landscape Design Standard, 105, Seoul, Korea. 14. Williams, D. M., Shukla, and J. Ross, Particulate matter emission by a vehicle running on unpaved road, Atmospheric Environment, 42: Zobeck. T. M., Soil Properties Affecting Wind Erosion. Journal of Soil and Water Conservation, 46(2): Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, 56(3),

인문사회과학기술융합학회

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