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고속도로 요금소에서 교통에 의해 형성되는 대기오염 미세환경의 차로별 특성 분석

Traffic-Induced Microenvironmental Variability of Air Pollutants at Highway Tollgates : A Lane-Resolved Analysis

  • 김소연 (아주대학교 공학대학원)

초록/요약

대기오염은 인체 건강에 직접적인 영향을 미치는 주요 환경문제로, 특히 교통 부문은 질소산화물（NOx）, 일산화탄소（CO）, 입자상물질（PM） 등 다양한 대기오염 물질의 주요 배출원으로 알려져 있다. 고속도로 요금소 구간은 차량의 감속, 정 차 및 재가속이 반복적으로 발생하는 대표적인 교통 병목구간으로서 일반 도로 와 구별되는 독특한 대기오염 미세환경（Micro-environment）이 형성될 가능성 이 높다. 최근 다차로 하이패스（Multi-Lane Free Flow, MLFF） 시스템 확대와 화물차 전용 차로 운영으로 동일 요금소 내에서도 차종 구성과 주행 특성이 차 로별로 뚜렷하게 구분되고 있으나, 이러한 차로별 특성이 대기오염물질 농도에 미치는 영향을 정량적으로 평가한 연구는 부족한 실정이다. 본 연구에서는 고속도로 요금소에서 교통에 의해 형성되는 대기오염 미세환경 의 공간적 이질성을 규명하기 위하여 서울요금소와 시흥요금소를 대상으로 차로 별 실측 모니터링을 수행하였다. 서울요금소는 서울방향 하이패스 차로, 부산방 향 하이패스 차로 및 화물 하이패스 차로를 대상으로 하였으며, 시흥요금소는 일산방향 하이패스 차로, 판교방향 하이패스 차로 및 화물 하이패스 차로를 대 상으로 하였다. 측정항목은 PM2.5, NO2, CO 및 O3로 구성하였으며, 교통량, 중 차량 비율, 차량 속도 등의 교통자료와 연계하여 차로별 농도 특성, 일변화 패 턴, 오염물질 간 상관관계 및 풍향 기반 특성을 분석하였다. 분석 결과, 요금소 내 대기오염물질 농도는 차로별로 뚜렷한 차이를 나타냈다. 특히 중·대형 화물차 통행 비율이 높은 화물 하이패스 차로에서 NO2와 CO 농도가 상대적 으로 높게 나타났으며, 이는 디젤 차량 중심의 배출 특성과 관련된 것으로 판단된다. 또한 출퇴근 시간대 및 교통량 증가 구간에서 NO2와 CO 농도가 증가하는 경향이 확 인되었으며, 차량의 감속 및 재가속이 반복되는 요금소 특성이 오염물질 배출 증가에 영향을 미치는 것으로 나타났다. PM2.5 역시 차량 활동이 집중되는 시간대에 농도 증 가가 관찰되었으나, 기상조건 및 외부 유입의 영향을 함께 받는 것으로 분석되었다. 오염물질 간 상관관계 분석 결과, NO2와 CO는 대부분의 차로에서 높은 양의 상관관계를 나타내어 차량 배출원의 영향을 반영하는 대표적인 지표로 확인되었 다. 반면 O3은 NO2 및 CO와 음의 상관관계를 나타내었으며, 이는 차량 배출에 의해 증가한 NOx가 오존을 소모하는 NO titration 현상과 관련된 결과로 해석 된다. 또한 Pollution Rose 분석 결과, 풍향 조건에 따라 차로별 오염물질 농도 분포가 상이하게 나타나 요금소 구조와 차량 흐름 특성이 복합적으로 작용하여 국지적인 대기오염 미세환경을 형성하는 것으로 확인되었다. 본 연구는 고속도로 요금소를 대상으로 차로 단위（Lane-resolved）의 대기오염 특성을 실측 자료 기반으로 분석함으로써 교통 유도 미세환경의 공간적 변동성 을 정량적으로 제시하였다는 점에서 의의가 있다. 특히 동일 요금소 내에서도 차종 구성과 운행 특성에 따라 대기오염 수준이 상이하게 나타남을 확인하였으 며, 향후 요금소 근로자 노출 저감 대책 수립 및 교통시설 주변 대기질 관리 정 책 수립을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

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초록/요약

Traffic-related air pollution is a major environmental concern due to its adverse impacts on human health. Highway tollgates represent unique traffic environments where repeated deceleration, acceleration, and temporary congestion create distinct air pollution microenvironments that differ from those of conventional roadways. Despite the increasing adoption of Multi-Lane Free Flow （MLFF） systems and dedicated freight lanes, quantitative investigations of lane-specific air quality characteristics within tollgate environments remain limited. This study aimed to characterize the spatial heterogeneity of traffic-induced air pollution microenvironments at highway tollgates through high-resolution field monitoring. Air quality measurements were conducted at Seoul Tollgate and Siheung Tollgate, representing different traffic compositions and operational characteristics. Monitoring locations included MLFF lanes and dedicated freight lanes at each tollgate. Concentrations of PM2.5, NO2, CO, and O3 were continuously measured and analyzed in conjunction with traffic volume, heavy-duty vehicle ratio, and vehicle speed data to evaluate diurnal variations, pollutant relationships, and wind-dependent concentration patterns. The results revealed substantial differences in pollutant concentrations among lane types. Freight lanes exhibited consistently higher concentrations of NO2 and CO than general MLFF lanes, reflecting the influence of heavy-duty diesel vehicle activity. Elevated pollutant levels were particularly evident during periods characterized by increased traffic demand and repeated acceleration-deceleration events. PM2.5 concentrations also increased during periods of intensified traffic activity, although meteorological conditions and external contributions additionally influenced concentration variability. Correlation analysis indicated strong positive relationships between NO₂ and CO across most monitoring locations, suggesting a common traffic-related emission source. In contrast, O3 showed negative correlations with NO2 and CO, reflecting ozone depletion through NO titration processes in high-emission traffic environments. Pollution rose analysis further demonstrated that pollutant concentrations varied according to wind direction and lane characteristics, indicating that local airflow patterns, tollgate structures, and traffic operations collectively influence pollutant accumulation and dispersion within the tollgate microenvironment. This study provides a lane-resolved assessment of air pollution characteristics within highway tollgates and demonstrates that pollutant distributions are strongly influenced by traffic composition and driving conditions. The findings contribute to a better understanding of traffic-induced microenvironments and provide scientific evidence for the development of air quality management strategies and exposure mitigation measures for tollgate workers and transportation facilities.

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목차

제 1 장. 서론 1
1.1. 연구의 배경 및 필요성 1
1.2. 연구목적 3
1.3 국내외 연구 동향 및 선행연구 고찰 4
1.3.1. 국내 도로변 및 특수 미세환경 모니터링 사례 4
1.3.2. 국외 고속도로 요금소 미세환경 모니터링 사례 7
1.3.3. 선행연구의 한계점 및 본 연구의 차별성 9
제 2 장. 연구방법 11
2.1. 측정 지점 선정 및 특성 11
2.1.1. 노선별 특성 및 선정 사유 11
2.1.2. 측정 지점 상세 구성 16
2.2. 데이터 수집 및 정도관리 19
2.2.1. 측정 기간 및 항목 19
2.2.2. 측정 장비 및 설치 조건 20
2.2.3. 측정 기기 정도관리 및 평가 기준 21
2.2.3.1. 입자상 물질 정도관리 21
2.2.3.2. 가스상 물질 정도관리 21
2.2.4. 정도관리 결과 23
제 3 장. 연구결과 25
3.1. 노선별 대기오염물질 배출 특성 비교 25
3.2. 요금소 및 차로별 대기오염물질 농도 분포 특성 29
3.2.1. 입자상 물질 （PM2.5） 농도 분포 특성 29
3.2.2. 가스상 오염물질 （NO2, CO） 농도 분포 특성 30
3.2.3. 가스상 오염물질 （O3） 농도 분포 특성 32
3.3. 시간대별 대기오염물질 변동 특성 및 일변화 패턴 33
3.3.1. 교통량 및 주행 속도의 일변화 특성 분석 33
3.3.2. 교통량 변화에 따른 가스상 오염물질（NO2, CO）의 피크 분석 35
3.3.3. 초미세먼지（PM2.5）의 시계열적 변동 및 노선별 차이 40
3.3.4. 광화학 반응에 따른 오존（O3）의 역상관 관계 분석 41
3.4. 풍향 기반 차로별 대기오염 미세환경 특성 분석 42
3.4.1. 풍향에 따른 차로별 기상 분포 특성 42
3.4.2. 풍향 조건에 따른 차로별 오염물질 농도 분포 특성 46
3.5. 오염물질 간 상관관계 분석 및 배출 기원 규명 52
3.5.1. 서울 요금소 : 진입부 정체에 따른 연소 기원 오염 분석 52
3.5.2. 시흥 요금소 : 화물차로 중심의 배출 일치성 55
제 4 장. 고찰 58
4.1. 요금소 미세환경의 공간적 이질성 및 오염 메커니즘 분석 58
4.2. 주행 모드 및 차종 특성에 따른 배출 거동 고찰 59
4.3. 교통 배출에 따른 대기 화학 반응 특성 60
제 5 장. 결론 61
5.1. 연구결과 요약 61
5.2. 연구의 학술적 ⦁ 정책적 시사점 63
5.2.1. 연구의 학술적 시사점 63
5.2.2. 연구의 정책적 시사점 64
5.3. 연구의 한계 및 향후 연구 제안 65
참고문헌 67
ABSTRACT 76

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