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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 도시지역 거리협곡 내부의 대기오염 확산예측을 위한 모델을 개선/제안하고자 하였다. 이를 위해 도시거리협곡을 재현한 모형이 제작되어 풍동실험에 이용되었으며, 다양한 기류 조건이 실험과정에 적용/검토되었다.
- 본 연구에서는 도시거리협곡의 자동차에서 배출되는 대기오염물질의 확산 특성 파악과 배출된 대기오염물질의 농도 예측을 위한 도시거리협곡 모델의 적용 가능성을 검토 하고자 하였다. 풍동실험결과를 토대로 하여 도시거리협곡 에서 자동차에 의한 대기오염물질 농도 예측 모델식을 제시하고, 풍동 실험치와 비교하여 제안한 모델식의 적정성을 평가한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
제안 방법
- 3) 기존의 STREET 모델에서 식 (2)와 (5)의 경험상수 K 를 보완하기 위하여 협곡의 형상비 W/H와 도로와 바람각 WD을 고려한 식 (7) K' 모델을 개발하고 이를 포함하는 모델을 제안하였다. 또한 도시거리협곡의 내부에 대기오염물질이 정체 및 재순환 되도록 하는 와류가 형성되는 협곡의 축과 이루는 바람각이 30° 이상인 수직 바람인 경우(식 (8)과 (9))와 바람각이 30° 미만인 평행한 바람인 경우(식 (10))로 모델식을 각각 구분하여 제안하였을 때 도시거리협곡 내의 자동차에서 배출된 대기오염도의 예측성을 좀 더 향상 시킬 수 있는 것으로 평가되었다.
- 도로 협곡 내 오염확산에 미치는 영향을 파악하기 위하여 먼저 협곡의 형상비(W/H = 2.38, 1.39, 0.64)에 따른 협곡 내의 대기오염변화를 파악하였다. Fig.
- 7은 넓은 협곡, 보통 협곡, 깊은 협곡에 대하여 바람 각이 30° 이상인 경우와 30° 미만의 도로축과 평행한 바람에 대하여 앞에서 제안한 모델 예측치와 풍동 실험치에 대한 상관관계를 나타낸 것이다. 바람각이 30° 이상인 경우는 leeward 측과 windward 측 모델식에 대한 예측치와 풍동 실험치를 구분하여 적용하였다. 모델식의 예측농도는 전체적으로는 상관성이 양호하게 나타났으며, 넓은 협곡(W/H = 2.
- 64)에 해당하는 지역을 선정하고 이를 바탕으로 하여 1/500의 축소 모형을 각각 제작하였다. 본 연구에 이용된 풍동은 Fig. 3에 나타난 바와 같이 개방 토출형 환경풍동(wind tunnel)으로 형상 부의 바람 재현은 경계층 상층부의 풍속 2 m/s를 기준으로 하였다. 이때 생성된 경계층의 높이는 24 cm이고, power- law에 대한 지수 값은 약 0.
- 본 연구에서는 풍동실험을 통하여 협곡 내부의 농도에 큰 영향을 미치는 인자로 협곡의 형상비(W/H)와 도로와의 바람각(WD)임을 확인하였다. 따라서, windward 측과 leeward 측의 농도 예측식에서 선행 연구자들에 의해 경험적으로 제시된 경험상수 K에 대하여 W/H 값과 WD의 변화에 대한 각각의 실험결과를 토대로 Uehara 등(1997)의16) 방법을 적용하여 W/H 값이 0.
- 따라서, 본 연구에서는 도시지역 거리협곡 내부의 대기오염 확산예측을 위한 모델을 개선/제안하고자 하였다. 이를 위해 도시거리협곡을 재현한 모형이 제작되어 풍동실험에 이용되었으며, 다양한 기류 조건이 실험과정에 적용/검토되었다.
- 제작된 협곡모형을 순서에 따라 풍동내의 회전판에 설치/ 실험이 수행되었으며, co 추적가스를 협곡 중심부에서 선상으로 발생시켜 움직이는 자동차로부터의 오염발생을 재현 하였다. 풍동 모형실험에서 협곡 내부는 leeward side, center, windward side로 구분하여 각각의 지점에서 측정된 농도 값은 표준화(normalization)하여 나타내었으며, 본 연구에서는 다음 식 (6)과 같이 풍동에서 측정된 농도 값을 이용하여 무차원화 하여 사용하였다.
- 제작된 협곡모형을 순서에 따라 풍동내의 회전판에 설치/ 실험이 수행되었으며, co 추적가스를 협곡 중심부에서 선상으로 발생시켜 움직이는 자동차로부터의 오염발생을 재현 하였다. 풍동 모형실험에서 협곡 내부는 leeward side, center, windward side로 구분하여 각각의 지점에서 측정된 농도 값은 표준화(normalization)하여 나타내었으며, 본 연구에서는 다음 식 (6)과 같이 풍동에서 측정된 농도 값을 이용하여 무차원화 하여 사용하였다.心3)
- 본 연구에서는 도시거리협곡의 자동차에서 배출되는 대기오염물질의 확산 특성 파악과 배출된 대기오염물질의 농도 예측을 위한 도시거리협곡 모델의 적용 가능성을 검토 하고자 하였다. 풍동실험결과를 토대로 하여 도시거리협곡 에서 자동차에 의한 대기오염물질 농도 예측 모델식을 제시하고, 풍동 실험치와 비교하여 제안한 모델식의 적정성을 평가한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 실제 현장에서 넓은 협곡(W/H = 2.38), 보통 협곡(W/H = 1.39), 좁은 협곡(W/H = 0.64)에 해당하는 지역을 선정하고 이를 바탕으로 하여 1/500의 축소 모형을 각각 제작하였다. 본 연구에 이용된 풍동은 Fig.
데이터처리
- 4의 범위로 나타났다. 또한, 이 결과를 Design ease 3.0의 분산분석을 통하여 상수 K 값을 W/H와 WD에 따른 모델식 K' 식 ⑺을 도출하였다.
성능/효과
- 1) 협곡 내의 오염농도는 W/H 값이 작은 깊은 협곡(deep canyon)일수록 증가하고, W/H 값이 큰 넓은 협곡(wide can- yon)일수록 감소하는 것으로 나타나 넓은 협곡일수록 자동차에서 발생한 대기오염물질의 확산이 양호한 것으로 나타났다.
- 2) 도로 축과 이루는 바람각(WD)의 실험에서는 WD가 90° (바람각이 직각)에서 오염농도는 감소하고, 0°에서는 오염농도가 증가하는 것으로 나타나 바람각이 도로 축과 평행할 때보다는 직각에 가까울수록 협곡 내부의 오염물질 확산은 유리한 것으로 나타났다.
- 특히, 풍향이 거리 협곡과 평행인 경우에는 협곡 내에서 발생된 오염물질이 협곡 외부로 배출되기 전에 긴 협곡을 따라 이동하면서 고농도 영역을 형성하기도 하는데 이를 계 곡효과(valley effect)라고도 한다.7) 따라서 협곡내의 유리한 환기조건을 위해서는 협곡이 대상지역의 주 풍향과 큰 각 (즉 90º)을 이루도록 하는 것이 바람직한 것으로 나타났다.
- 본 연구에서는 풍동실험을 통하여 협곡 내부의 농도에 큰 영향을 미치는 인자로 협곡의 형상비(W/H)와 도로와의 바람각(WD)임을 확인하였다. 따라서, windward 측과 leeward 측의 농도 예측식에서 선행 연구자들에 의해 경험적으로 제시된 경험상수 K에 대하여 W/H 값과 WD의 변화에 대한 각각의 실험결과를 토대로 Uehara 등(1997)의16) 방법을 적용하여 W/H 값이 0.64~2.38의 범위에서 WD가 0°~90° 일 때 K 값은 6.1~9.4의 범위로 나타났다. 또한, 이 결과를 Design ease 3.
- 3) 기존의 STREET 모델에서 식 (2)와 (5)의 경험상수 K 를 보완하기 위하여 협곡의 형상비 W/H와 도로와 바람각 WD을 고려한 식 (7) K' 모델을 개발하고 이를 포함하는 모델을 제안하였다. 또한 도시거리협곡의 내부에 대기오염물질이 정체 및 재순환 되도록 하는 와류가 형성되는 협곡의 축과 이루는 바람각이 30° 이상인 수직 바람인 경우(식 (8)과 (9))와 바람각이 30° 미만인 평행한 바람인 경우(식 (10))로 모델식을 각각 구분하여 제안하였을 때 도시거리협곡 내의 자동차에서 배출된 대기오염도의 예측성을 좀 더 향상 시킬 수 있는 것으로 평가되었다.
- 바람각이 30° 이상인 경우는 leeward 측과 windward 측 모델식에 대한 예측치와 풍동 실험치를 구분하여 적용하였다. 모델식의 예측농도는 전체적으로는 상관성이 양호하게 나타났으며, 넓은 협곡(W/H = 2.38)에서 상관성이 상대적으로 낮게 나타났다.
- 이상의 결과를 종합해 보면 동일한 주풍 조건하에서 협곡 내의 오염농도는 W/H 값이 작은 깊은 협곡에서 증가하고, 바람이 도로와 평행하게 불면 오염도가 증가함을 알 수 있다. 바꾸어 말하면 큰 W/H의 협곡에 대한 직각풍이 협곡내 대기오염확산에 유리하다는 것을 의미하기도 한다.
후속연구
- 4) 본 연구에서는 대칭형 협곡에 대한 오염물질의 확산 특성과 농도 예측에 대한 연구였지만, 앞으로는 비대칭형 도시거리협곡에 대한 확산 특성과 이에 대한 대기오염 농도 예측식의 제안도 필요한 것으로 나타났다.
- 따라서, 바람각에 따라 협곡 내의 완전한 와류가 형성되는 30° 이상에서는 leeward 측과 windward 측의 대기오염 물질 확산 특성을 고려한 모델식과 30° 미만의 평행풍을 고려한 모델식으로 각각 구분하여 적용한다면, 협곡 내의 자동차에서 배출된 대기오염도의 예측성을 높일 수 있을 것으로 판단된다.
- 먼저, 수직 바람인 경우 leeward 측에는 식 (8)과 windward 측에는 식 (9)과 같이 제안하였으며, 도로와 평행한 바람인 경우 발생원에서 이류거리와 수직적인 농도감소를 고려하기 위하여 식 (10)과 같이 제안하였다. 특히, 도로와 평행한 협곡 내의 평행풍에 대한 모델식을 제안함으로써 도시협곡 내부의 좀더 세밀한 예측결과를 제시 할 수 있을 것으로 판단된다.
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