2.1 연구대상지점

수도권 인근의 4개의 고속도로인 중부고속도로, 경부고속도로, 경인고속도로, 서해안고속도로를 연구대상지점으로 선정하고 접근성과 안정성을 고려하여 시료채취지점을 선정하였다(Fig. 1). 노선별 측정지점의 특징은 Table 1과 같으며, 일일 교통량 기준으로 경부선이 210,294대로 가장 많았으며, 중부선이 66,720대로 일일 교통량이 가장 낮았다(^{Korea Expressway Corporation, 2021}).

Fig. 1. Sampling sites.

2.2 시료채취 및 분석방법

선행 연구에 따르면 도로연석으로부터 약 1m 거리까지의 도로 노면퇴적량은 전체 퇴적량의 75%를 차지하고, 약 2.5m의 거리까지는 90%를 차지하는 것으로 보고되고 있다(^{U. S. EPA., 1985}; ^{USGS, 2007}). 시료채취는 실험의 안전성을 고려하여 도로연석에서 1m까지 길이 3m로 구획화하여 3구간(도로청소 전 구간, 완충구간, 도로청소 후 구간)으로 나누어 건식진공흡입기를 이용하여 시료를 채취하였으며, 청소차에 의한 수거퇴적물은 각 지사의 퇴적물 야적장에서 시료를 채취하였다. 노선별 모니터링은 2019년 5월에서 11월 사이 이루어졌으며, 중부고속도로와 경인고속도로 지점에서는 총 3회, 서해안고속도로와 경부고속도로 지점에서는 총 4회 모니터링이 실시되었으며 건기일수는 1~22일 사이이다(Table 2).

채취된 시료는 105±5 ℃의 온도에서 24시간 건조 후 채분석을 실시하였다. 체가름에 의한 입도시험(KS F 2302)은 직경 4,750 ㎛, 2,000 ㎛, 850 ㎛, 250 ㎛, 75 ㎛의 체에 체가름을 한 후, 각 체에 남아 있는 무게를 측정하여 체가름 분석을 실시하였으며, 75 ㎛를 통과한 시료는 다시 입자크기 분석기(Mastersizer 3000)에 의해 50~75 ㎛, 10~50 ㎛, 2.5~10 ㎛, 2.5 ㎛이하가 각각 차지하는 질량비율에 75 ㎛를 통과 시료 총 무게를 곱하여 각 입경별 차지하는 무게를 구하였다. 입도분포 범위별 토양분류는 미지질국(^{Breault et al., 2005})의 분류를 참조하여 결정하였으며, 75 ㎛이하부터는 환경부(^{ME, 2008}) 도로 재비산 측면에서의 입자크기를 기준으로 도로노면 퇴적물의 재비산 입자크기(Silt loading, 75 ㎛이하)와 대기 중 부유하는 총먼지(Total Suspended Particles, TSP, 50 ㎛이하), 미세먼지(PM₁₀,10 ㎛이하), 초미세먼지(PM_2.5, 2.5 ㎛이하) 등을 고려하여 분류하였다(Table 3).

3.1 건기일수별 노면퇴적량

각 지점별 3~4회 걸쳐 측정된 도로청소 전 노면퇴적량과 건기일수와의 관계를 분석한 결과는 Fig. 2(a)와 같다. 여기서, x축은 Table 2의 건기일수이며, y축은 도로청소 전 노면퇴적량이다. 그 결과 도로청소 전 도로 노면퇴적량과 건기일수와는 일정한 경향을 찾을 수 없었다. ^{Calvillo et al. (2015)}은 도로축적퇴적물은 건기일수가 길어질수록 일별 퇴적량은 감소하지만, 도로노면에 축적되는 양은 기후에 영향을 받는 것으로 보고하고 있다. 본 연구에서는 동일한 측정시간에서 시간별로 퇴적물이 누적되는 양을 측정한 것이 아니며 측정기간이 5월~11월 사이 측정된 노면퇴적량과 그 시점에서의 건기일수이다. 본 연구결과 시간별 도로노면에 퇴적되는 양은 측정 시기에 따라 다른 것으로 나타났다. 노면퇴적량을 건기일수로 나눈 건기일수별 일별 퇴적량은 Fig. 2(b)와 같이 일정한 경향을 나타내는데, 건기일수가 짧을수록 일별 퇴적량은 높은 값을 나타내었으며 건기일수가 길어질수록 일별 퇴적량이 작았다. 이는 비록 측정시기에 따라 일별 축적되는 퇴적량은 다를지라도 선행연구결과인 시간이 지날수록 단위시간 당 퇴적량이 감소하는 경향을 반영하였다.

Fig. 2. SDR on highway according to dry days.

3.2 입자 크기별 차지하는 비율

도로청소 전⋅후 노면퇴적물 및 수거퇴적물의 입자크기별 차지하는 비율은 Fig. 3과 Table 4~6과 같다. 도로청소 전⋅후 노면퇴적물 및 수거퇴적물 모두 250~850 ㎛에서 가장 많은 비율을 차지하였다. 도로청소 전 퇴적물의 250~850 ㎛에서 전체 노면퇴적량의 28.2~56.6%(평균 39.4%), 수거퇴적물에서는 28.6~37.3%(평균 33.7%), 도로청소 후 퇴적물에서는 14.9~33.6%(평균 26.7%)를 차지하였다. 노면퇴적물에서 재비산 가능한 입자크기인 75 ㎛이하의 경우 도로청소 전 퇴적물에서는 전체 퇴적량의 7.0~12.9%(평균 8.7%), 수거퇴적물에서는 1.3~4.0%(평균 2.9%), 도로청소 후 퇴적물에서는 12.8~23.0%(평균 20.3%)를 차지하였다(Table 4~6). 국내 도심지의 도로청소 전 입도분포결과와 비교하면 ^{Kim and Lee (2006)}는 425~850 ㎛ 크기에서 가장 많은 비율(28.5~46.4%)를 나타내어 본 연구결과와 비교하여 입도구분 범위에서 다소 차이가 나지만 전반적으로 가장 많은 비율을 나타낸 입도범위인 250~850 ㎛와 그 비율(28.2~56.6%)은 유사하였다. 반면에 ^{Kim and Lee (2006)}는 74 ㎛ 이하에서는 0.6~1.3%, ^{Jeong et al. (2011)}은 75 ㎛ 이하에서 6.33%의 비율을 차지하는 것으로 보고하고 있어 고속도로 노면퇴적물의 75 ㎛이하가 차지하는 비율이 도심지 도로보다 높은 것으로 나타났다.

Fig. 3. Proportion of each particle size. “Before” means sediment before road sweeping, “collected” means collected sediment by road sweeper, and “after” means sediment after road sweeping.

도로청소 전 입자크기별 차지하는 비율은 경인고속도로와 경부고속도로에서 측정회차별 차이가 거의 없었으며, 중부고속도로와 서해안고속도로의 경우 가장 많은 비율을 차지하는 250~850 ㎛ 범위에서 측정회차별 차이를 나타내었다(Fig. 3(a)). 고속도로별 도로청소 전 입자크기별 차지하는 비율의 평균값을 비교한 결과 250~850 ㎛ 범위에서 고속도로별 차이를 나타내었으며 그 외 입자크기에서는 거의 유사한 값을 나타내었다(Fig. 3(a)).

수거퇴적물의 입자크기별 차지하는 비율은 각 고속도로의 회차별로 거의 유사하였으며, 고속도로별 평균값을 비교한 결과에서도 고속도로별 수거퇴적물의 입자별 차지하는 비율 역시 거의 유사하였다(Fig. 3(b)).

도로청소 후 노면퇴적물의 입자크기별 차지하는 비율에서는 도로청소 전 노면퇴적물과 수거퇴적물의 비율과 다소 차이를 나타내었는데, 250~850 ㎛ 범위의 입자크기에서 도로청소 후 상당한 비율이 감소(청소 전 39.4%에서 청소 후 26.7% 감소)하는 것으로 나타났으며, 250 ㎛의 이상의 범위에서 차지하는 비율이 도로청소 전의 비율과 비교하여 청소 전 70.4%에서 청소 후 49.45%로 비율이 감소하였으며, 250 ㎛의 미만의 범위에서는 청소 전 29.7%에서 청소 후 50.6%로 비율이 증가하였다.

3.3 노면 퇴적물의 입도분포곡선 분석

도로청소 전 노면퇴적물의 입도분포곡선은 Fig. 4(a)와 같다. 도로청소 전 퇴적물의 경우, 동일한 지점내에서 측정회차별 입도분포곡선의 현저한 차이를 나타내지 않았으며, 이는 동일한 지점에서는 노면에 축적되는 오염원은 시기별 축적되는 양은 다를지라도(Fig. 1), 성분에 큰 변화가 없기 때문에 입도분포는 유사한 것으로 판단된다. 회차별 평균값인 고속도로별 도로청소 전 퇴적물의 입도분포곡선을 비교한 결과 중부고속도로와 서해안고속도로와 같이 S곡선과 경인고속도로와 경부고속도로와 같이 직선을 나타내는 경향으로 구분되었는데, 250~850 ㎛ 구간의 입도가 차지하는 비율이 높을수록 강한 S곡선을 나타내었다. 따라서, 고속도로 청소 전 노면퇴적물의 입도분포곡선에 영향을 주는 인자는 250~850 ㎛ 구간의 입도가 차지하는 비율인 것으로 나타났다.

Fig. 4. Particle size distribution curve. “Before” means sediment before road sweeping, “collected” means collected sediment by road sweeper, and “after” means sediment after road sweeping.

도로청소차에 수거된 퇴적물의 입도분포곡선은 Fig. 4(b)와 같다. 동일한 고속도로내에서 측정회차별 입도분포곡선은 거의 유사했으며, 회차별 평균값인 고속도로별 수거퇴적물의 입도분포곡선에도 거의 유사한 경향을 나타내었다.

도로청소 후 노면퇴적물의 입도분포곡선은 Fig. 4(c)와 같다. 도로청소 후 노면퇴적량이 작기 때문에 실험에 따라 발생하는 오차의 영향이 상대적으로 클 것으로 판단되나, 경부고속도로를 제외하면 측정회차별 입도분포곡선의 현저한 차이는 찾아볼 수 없었다.

측정 회차별 평균값에 의한 고속도로별 도로청소 후 노면퇴적물의 입도분포곡선은 도로청소 전 노면퇴적물의 입도분포곡선보다 위에 있었으며(Fig. 5), 이는 도로청소 후 노면퇴적물 중 250 ㎛ 이하의 입경이 차지하는 비율이 증가한 결과이며, 250 ㎛ 이하의 입경에서는 도로청소차에 의한 노면퇴적물 제거효과가 250 ㎛ 이상의 입경보다 떨어지기 때문이다.

Fig. 5. Comparison of particle size distribution curves before and after road sweeping. “Before” means sediment before road sweeping and “after” means sediment after road sweeping.

3.4 도로청소에 의한 입도분포별 노면퇴적물 제거 효과

도로청소에 의한 노면퇴적물 처리효율과 도로청소 전⋅후의 입도크기별 퇴적량 변화는 각각 Fig. 6과 Table 7과 같다. 처리효율은 입자크기가 가장 큰 4,750 ㎛이상에서 가장 높은 처리효율(84.40~92.2%, 평균 87.3%)을, 입자크기가 가장 작은 2.5 ㎛이하에서 가장 낮은 처리효율(15.4~61.1%, 평균 38.0%)을 나타내었다. 다만, 노면퇴적물의 양적인 측면에서는 250~850 ㎛ 구간의 입도에서 가장 많은 노면퇴적량이 감소하였다(Fig. 6).

Fig. 6. Comparison of amount of sediment on road between before and after road sweeping. “Before” means sediment before road sweeping and “after” means sediment after road sweeping.

Table 3의 분류기준에 따른 제거효율은 Table 8과 같다. Gravel의 제거효율은 81.5~89.6%(평균 85.5%), Corse sand는 65.7~93.3%(평균 78.9), Fine sand는 35.2~91.9%(평균 63.9%), Very fine sand는 29.2~68.5%(평균 43.6%), Silt loading은 18.8~58.0%(평균 40.2%), TSP는 9.6~58.8%(평균 39.8%), PM10은 13.0~56.5%(평균 39.7%), PM2.5는 15.4~61.1%(평균 38.0%)를 나타내었다.

입자크기에 따른 노면퇴적물 처리효율의 관계는 Fig. 7과 같다. 재비산먼지(Silt loading) 입경의 크기인 75 ㎛에서 뚜렷한 차이를 나타내는데, 75 ㎛이하에서는 도로청소에 의한 제거효율이 약 40% 내⋅외로 제거효율이 일정하였으나, 75 ㎛이상에서는 로그함수의 형태로 높은 결정계수(0.91)를 나타내었다. 로그함수임을 감안할 때 75 ㎛이상에서 노면퇴적물의 입경이 증가할수록 도로청소에 의한 제거효율은 급격히 증가하는 것으로 나타났다.

Fig. 7. The relationship between particle size and its removal efficiency (%).

3.5 노면퇴적량에 따른 도로청소 제거효과

도로청소에 따른 고속도로 노면 퇴적물의 제거효율은 고속도로에 따라 상이하게 나타났다(Table 9). 경부고속도로의 경우 83.3~96.4%(평균 88.7%)의 가장 높은 제거효율을 나타내었다. 가장 낮은 제거효율은 서해안고속도로이며 13.8~95.1%(평균 59.9%)를 나타내었다. 중부고속도로와 경인고속도로에서 도로청소에 의한 평균 제거효율은 각각 83.0%, 60.3%였으며 4개 고속도로 전체 도로청소에 의한 평균 제거효율은 69.0%인 것으로 나타났다(Table 9).

경인고속도로를 제외한 모든 지점에서 가장 많은 노면퇴적량에서 제거효율이 가장 높았으며, 비교적 적은 노면퇴적량에서 제거효율이 가장 낮았다. 경인고속도로의 경우 청소 전 노면퇴적량이 50 g/m²이하로 상대적으로 매우 작고 노면퇴적량의 변동폭 또한 작았기 때문에 뚜렷한 경향을 찾을 수 없었다.

도로청소 전 노면퇴적량에 따른 도로청소 제거효율 분석 결과는 Fig. 8과 같다. 도로청소 전 노면퇴적량 100 g/m² 이상일 경우에는 측정지점별 구분없이 노면퇴적량이 증가할수록 도로청소에 의한 제거효율은 증가하였으며 도로청소 전 노면퇴적량 100 g/m² 미만에서는 도로청소의 제거효율은 청소 전 퇴적량보다는 지역별 편차가 컸다.

Fig. 8. The relationship between SDR before road sweeping and removal efficiencies.

도로청소의 퇴적물 제거효율은 노면축적량, 청소차운영방식과 방법, 도로의 형태, 도로의 노후화 등에 영향을 받는다(^{Curtis, 2002}; ^{Jang et al., 2009}; ^{Sutherland and Jelen, 1997}; ^{U. S. EPA., 1999}). 중부고속도로와 경부고속도로의 경우 매끈한 반면, 경인고속도로와 서해안고속도로의 도로노면은 거칠기가 상대적으로 심한 편이었다(Fig. 9). 노면퇴적량이 적으면 도로노면의 틈 사이에 퇴적되어 도로청소차에 의한 제거효율을 떨어뜨리고 도로의 종류와 노후화에 따라 도로 노면의 틈 사이에 퇴적되는 양이 다르기 때문에 고속도로별 제거효율에 큰 차이를 보이며 퇴적량과 제거효율과의 상관성은 떨어지는 것으로 판단된다. 그러나 도로노면의 틈을 어느 정도 매울 수 있는 퇴적물의 양 이상이 축적된다면 도로청소에 의한 노면퇴적물의 제거효과가 증가되고 노면의 상태에 대한 영향은 감소하여 노면퇴적물의 축적량이 증가할수록 노면퇴적물 제거효과가 증가한 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 100 g/m² 이하에서는 도로의 종류와 노후화에 따른 도로노면의 상태가, 100 g/m² 이상에서는 노면축적량이 도로청소에 의한 노면퇴적물 제거효과에 영향을 미치는 것으로 나타났다.

Fig. 9. Road surface conditions.

환경적인 측면을 고려할 때, 노면퇴적물의 전체 제거효율을 증가시키는 것보다는 미세입자에 대한 제거효율을 증가시키는데 초점을 맞추어야 한다. ^{ME (2012)}의 연구 결과에 따르면 청소차에 의해 수거된 퇴적물의 TOC, TN, TP 분석결과 모래나 자갈보다는 점토나 미사에서 상대적으로 높은 오염물질 함량을 나타내는 것으로 보고하고 있다. ^{Jeong et al. (2020)}은 도로퇴적물의 입도별 중금속함량을 분석한 결과 입자크기 63 ㎛이하에서 중금속 13개 측정항목 모두 가장 높은 중금속 함량을 나타내는 것으로 보고하였다. PAHs 또한 입자크기가 작을수록 높은 PAHs의 함량을 나타내며 43 ㎛이하의 노면퇴적물에 함유된 고분자 PAHs는 250–841 μm의 입자에 함유된 양보다 약 10배 정도 높은 것으로 보고되었다(^{Lau and Stenstrom, 2005}). 대기환경측면에서는 도로노면에 쌓인 퇴적물 중 75 ㎛이하의 입자는 차량의 운행으로 인하여 재비산되어 대기오염을 유발시키며 노면퇴적량이 많을수록, 화물차 운행비중이 클수록 재비산되는 양은 많아지는 것으로 보고되고 있다(^{ME, 2008}). 국내 2017 대기오염물질 배출량 보고서에 따르면 연간 비산먼지 배출량(TSP 기준)은 422,420톤 중 도로재비산먼지량은 161,824톤으로 약 38%를 차지하고 있으며 2015년 이후 해마다 증가하고 있는 것으로 보고되고 있다(^{National Air Emission Inventory and Research Center, 2017}). 따라서, 비점오염측면에서나 대기오염측면에서 청소차에 의한 도로노면 퇴적물 수거시 미세입자에 대한 수거효율을 증가시킬 수 있는 도로청소차의 개선 혹은 도로청소차 운행방법 등의 개선이 이루어져야할 것이다.