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문제 정의
- 특히, 도서지역의 경우는 염전 및 수산양식장 등 어민들의 생활권이 연안에 집중되어 있어 국지적 기상환경의 변화에 따른 영향을 상세히 파악할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 우리나라의 최서남단에 위치하여 다수의 섬들로 구성되어 있으며 해상교량의 건설 사업이 매우 활발히 진행되고 있는 신안군의 도서지역을 대상으로, GIS 자료와 CFD 모델을 이용하여 해상교량 건설에 따른 접속도로 구간의 인공적 지형변화가 바람 차단 효과로 인한 풍속 저감 등 국지풍 변화에 미치는 영향을 평가하였다.
- 본 연구에서는 GIS 자료와 CFD 모델을 이용하여 인공적 지형변화가 국지풍에 미치는 영향을 평가하였다. 대상영역은 해상교량 건설로 인하여 인공적 지형변화가 진행되고 있는 신안군 하의도 남쪽의 접속도로 건설구간과 국지적 기상환경의 변화에 영향을 받을 수 있는 인근 염전지역을 포함하는 영역으로 설정하였다.
제안 방법
- CFD 모델링을 위한 대상영역의 3차원 지표 경계 자료(수치지형)는 격자 형식(Raster Format)의 GIS 자료를 기반으로 구축하였다. 이를 위하여, 본 연구에서는 2014년도에 제작된 1:5000 축척의 수치지도(Version 2.
- 대상영역의 3차원 수치지형은 GIS 자료를 기반으로 구축하였으며, 수치모델의 지표 경계 자료로 사용하기 위하여 수치모델에서 설정한 격자체계와 동일한 2.5m해상도를 적용하였다. Fig.
- 2). 등고선 자료에 대한 내삽법을 이용하여 모든 수평 격자점에 대한 건물 높이 자료를 구축하고(Lee et al., 2009), 생성된 등고선과 건물 높이자료 및 도로자료를 중첩한 다음, 해안선 자료를 이용하여 육지와 바다를 구분하여 대상영역의 3차원 수치지형을 구축하였다. 또한, 해상교량 건설 후의 지형은 앞서 구축된 자료를 기반으로 해상교량 및 접속도로 구간 건설의 조감도 및 도면 등을 참고하여 수치적으로 구현하였다.
- 본 연구에서는 앞서 구축된 대상영역의 수치지형과 관측자료로부터 설정된 계절별 유입류를 수치모델의 경계조건으로 하여, 해상교량 및 접속도로 구간 건설 전·후에 대하여 수치모의를 수행하였다. 또한, 접속도로 구간에 건설되는 성토에 의한 인공적 지형변화가 유발할 수 있는 바람 차단 효과와 이로 인한 인근 염전지역의 풍속 저감의 정도를 중점적으로 분석 및 평가하였다.
- , 2009), 생성된 등고선과 건물 높이자료 및 도로자료를 중첩한 다음, 해안선 자료를 이용하여 육지와 바다를 구분하여 대상영역의 3차원 수치지형을 구축하였다. 또한, 해상교량 건설 후의 지형은 앞서 구축된 자료를 기반으로 해상교량 및 접속도로 구간 건설의 조감도 및 도면 등을 참고하여 수치적으로 구현하였다.
- 수치모델의 지표 경계 자료로 사용되는 3차원 수치지형은 GIS 자료를 기반으로 구축하였다. 먼저, 인공적 지형변화가 발생하지 않은 현재 상태에 대하여 대상영역에 포함되는 지형, 건물, 염전, 도로, 해안선 등을 수치적으로 구현하였고, 이에 해상교량 및 접속도로 구간 건설에 따른 인공적 지형변화를 반영하였다. 수치모델의 기상경계 조건으로써 유입류는 하의도 AWS에서 관측된 풍향 및 풍속자료를 기반으로 한 계절별 주풍 분석을 통하여 설정하였다.
- 3 km지점에 위치한 하의도 자동기상관측소(Automatic Weather Station, AWS 716)에서 관측된 2014년도 1년 동안의 풍향 및 풍속자료를 기반으로 설정하였다. 본 연구에서는 대상지역의 계절별 국지풍의 특성을 고려하기 위하여, 1시간 간격의 관측 자료를 기반으로 봄(3월~5월), 여름(6월~8월), 가을(9월~11월), 겨울(12월~2월)에 대하여 평균적인 바람 특성을 분석하였으며, 16방위별 풍향 분류 및 풍향별 풍속 빈도 계산 등을 통하여 계절별 주풍(주된 풍향 및 풍속)을 도출하여 수치모델의 유입류를 설정하였다.
- 본 연구에서는 앞서 구축된 대상영역의 수치지형과 관측자료로부터 설정된 계절별 유입류를 수치모델의 경계조건으로 하여, 해상교량 및 접속도로 구간 건설 전·후에 대하여 수치모의를 수행하였다.
- 수치모델링은 해상교량 및 접속도로 구간 건설 전·후에 대한 대상영역의 3차원 수치지형과 계절별 유입류를 기반으로 2.5 m 간격의 초고해상도 등격자계를 적용하여 수행하였으며, 인공적 지형변화에 따른 국지풍 변화와 이로 인한 인근 염전지역의 바람 차단 효과(풍속 저감)의 정도를 계절별로 예측·평가하였다.
- 수치모델의 공간해상도는 초고해상도 미세규모 수치모의를 위하여, x, y, z 방향에 대하여 모두 2.5 m 간격의 등격자계로 설정하였으며, 이에 따른 대상영역의 수평 격자수는 x, y 방향으로 각각 250개로 구성하였고, z 방향의 연직층은 100개로 구성하였다. 수치실험(시뮬레이션)은 각 계절별로 해상교량 및 접속도로 구간 건설 전 · 후에 대하여 수행하였으며, 시간 간격을 1초로 하여 총 3,600초까지 수치 적분하였다.
- 먼저, 인공적 지형변화가 발생하지 않은 현재 상태에 대하여 대상영역에 포함되는 지형, 건물, 염전, 도로, 해안선 등을 수치적으로 구현하였고, 이에 해상교량 및 접속도로 구간 건설에 따른 인공적 지형변화를 반영하였다. 수치모델의 기상경계 조건으로써 유입류는 하의도 AWS에서 관측된 풍향 및 풍속자료를 기반으로 한 계절별 주풍 분석을 통하여 설정하였다. 봄철의 주풍향은 북풍과 북북서풍, 여름철의 주풍향은 북풍과 서남서풍, 가을철과 겨울철의 주풍향은 북풍과 북북동풍으로 설정하였고, 풍속은 주풍향에 대한 평균 풍속으로 봄, 여름, 가을, 겨울에 대하여 각각 2.
- 수치실험(시뮬레이션)은 각 계절별로 해상교량 및 접속도로 구간 건설 전 · 후에 대하여 수행하였으며, 시간 간격을 1초로 하여 총 3,600초까지 수치 적분하였다.
- 본 연구에서는 상기의 분석 결과를 바탕으로 수치모델의 계절별 유입류를 Table 1과 같이 설정하였다. 유입류의 풍향은 각 계절별로 가장 높은 빈도를 보인 두 개의 주풍향으로 설정하였고, 풍속은 주풍향에 대한 평균 풍속으로 설정하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 GIS 자료와 CFD 모델을 이용하여 인공적 지형변화가 국지풍에 미치는 영향을 평가하였다. 대상영역은 해상교량 건설로 인하여 인공적 지형변화가 진행되고 있는 신안군 하의도 남쪽의 접속도로 건설구간과 국지적 기상환경의 변화에 영향을 받을 수 있는 인근 염전지역을 포함하는 영역으로 설정하였다. 수치모델의 지표 경계 자료로 사용되는 3차원 수치지형은 GIS 자료를 기반으로 구축하였다.
- 본 연구에서는 현재 건설이 진행 중인 전라남도 신안군 하의도와 신의도를 연결하는 해상교량의 하의도 접속도로 지점을 대상으로 하였으며, 수치모의 및 평가 대상영역은 하의도 남쪽 연안 봉도리 및 오림리 등을 포함하는 동서 625 m × 남북 625 m 영역으로 설정하였다(Fig. 1).
- 수치모델의 유입류 경계 조건은 대상지역의 북쪽 약 4.3 km지점에 위치한 하의도 자동기상관측소(Automatic Weather Station, AWS 716)에서 관측된 2014년도 1년 동안의 풍향 및 풍속자료를 기반으로 설정하였다. 본 연구에서는 대상지역의 계절별 국지풍의 특성을 고려하기 위하여, 1시간 간격의 관측 자료를 기반으로 봄(3월~5월), 여름(6월~8월), 가을(9월~11월), 겨울(12월~2월)에 대하여 평균적인 바람 특성을 분석하였으며, 16방위별 풍향 분류 및 풍향별 풍속 빈도 계산 등을 통하여 계절별 주풍(주된 풍향 및 풍속)을 도출하여 수치모델의 유입류를 설정하였다.
- CFD 모델링을 위한 대상영역의 3차원 지표 경계 자료(수치지형)는 격자 형식(Raster Format)의 GIS 자료를 기반으로 구축하였다. 이를 위하여, 본 연구에서는 2014년도에 제작된 1:5000 축척의 수치지도(Version 2.0)로부터 추출된 대상영역의 등고선, 건물, 도로, 해안선 자료를 사용하였다(Fig. 2). 등고선 자료에 대한 내삽법을 이용하여 모든 수평 격자점에 대한 건물 높이 자료를 구축하고(Lee et al.
이론/모형
- 본 연구에서는 지형 및 인공 구조물에 의한 국지풍의 변화를 상세하게 예측하고 평가하기 위하여, 초고해상도의 수치모의가 가능한 CFD 모델을 사용하였다. 이 모델은 미국 아르곤 국립 연구소에서 1995년에 개발한 모델의 초기 버전을 기초로 지난 20여 년 동안 국내 · 외에서 지속적으로 개선되었으며, 국지적 기상현상의 재현 및 평가, 그리고 그 정확도가 수많은 연구를 통하여 검증된 모델이다(Kim and Baik, 2004; Kim, 2007; Kim and Baik, 2010; Kim et al.
- 대상영역은 해상교량 건설로 인하여 인공적 지형변화가 진행되고 있는 신안군 하의도 남쪽의 접속도로 건설구간과 국지적 기상환경의 변화에 영향을 받을 수 있는 인근 염전지역을 포함하는 영역으로 설정하였다. 수치모델의 지표 경계 자료로 사용되는 3차원 수치지형은 GIS 자료를 기반으로 구축하였다. 먼저, 인공적 지형변화가 발생하지 않은 현재 상태에 대하여 대상영역에 포함되는 지형, 건물, 염전, 도로, 해안선 등을 수치적으로 구현하였고, 이에 해상교량 및 접속도로 구간 건설에 따른 인공적 지형변화를 반영하였다.
성능/효과
- Fig. 4(a)에 보인 봄철의 경우, 주풍향은 북풍(N) 21.2% 및 북북서풍(NNW) 9.8%로 북풍과 북서풍계열의 바람이 우세하였고, 주풍향에 대한 주풍속은 1.6~3.3 m s-1의 바람이 28.2%로 가장 높은 빈도를 보였으며 평균 2.74 m s-1로 나타났다. 여름철의 경우는 Fig.
- 3(b)는 앞서 구축된 Fig. 3(a)의 수치지형에 해상교량 및 접속도로 구간 건설에 따른 인공적 지형변화를 반영한 것으로, 접속도로 구간의 성토 건설에 의한 인공구조물이 구현되었으며, 이설도로 및 봉도산 좌측 경사면을 지나는 해상교량의 형상 등도 구현되었다. 또한, 접속도로 성토 및 이설도로 등의 건설 구간과 중첩되는 위치에 있는 기존 건물들은 철거를 가정으로 제거하였다.
- Fig. 5(c)에 보인 가을철 주풍향이 북풍인 경우, 염전지역의 지표풍속변화는 지형의 변화가 있는 접속도로 건설 구간에 인접한 남서쪽 지역에서 최대 0.13 m s-1 감소하였고, 대부분의 지역에서 0.1 m s-1 이하의 비교적 작은 풍속 저감 현상이 나타났으며, 해상교량 및 접속도로 건설에 따른 염전지역 전체에 대한 지표풍속은 평균 0.04 m s-1 감소하였다. 가을철에 북북동풍이 부는 경우에는 북동쪽 일부 지역에서 근소한 풍속 증가가 나타났으나, 전반적으로 감소하는 양상을 보였다.
- 97 m s-1로 다른 계절에 비하여 상대적으로 강한 바람이 불었다. 결과적으로 대상지역의 계절별 바람은 모든 계절에 대하여 북풍계열의 바람이 우세하였으나, 여름철의 경우는 남서풍계열의 바람도 상대적으로 높은 빈도를 보였다. 또한, 주풍향에 대한 주풍속은 상대적으로 여름이 약하고 겨울이 강한 것으로 나타났으나, 전반적으로 1.
- 이는 지형의 굴곡으로 인한 연직흐름에 변화가 발생하면 수치해석의 측면에서 에너지(질량) 보존에 의해 대기의 수평적 흐름속도인 풍속에 영향을 미칠 수 있기 때문으로 사료된다. 결과적으로 접속도로가 건설되는 구간과 인접한 지역에서는 바람 차단의 영향이 다소 존재하였으나 전반적으로 그 정도는 매우 미미한 수준이었다. 이는 해상교량 및 접속도로 구간이 대상지역의 남서쪽에 거의 남북방향으로 건설되기 때문에 봄철 북풍계열의 국지풍 변화(바람 차단으로 인한 염전지역의 풍속 저감)에는 큰 영향을 미치지 못하는 것으로 사료된다.
- 결론적으로 본 연구의 대상지역은 주풍향이 모든 계절에 대해 전반적으로 북풍계열이기 때문에, 대상지역의 남서쪽에 거의 남북방향으로 건설되는 해상교량 및 접속도로 구간의 인공적 지형변화가 국지풍의 변화에는 큰 영향을 미치지 못하는 것으로 평가되었다. 그러나 접속도로가 건설되는 구간과 인접한 지역에서는 바람 차단 효과로 인한 풍속 저감의 영향이 다소 존재하였으며, 특히 접속도로 건설 구간과 직각 방향의 서풍계열의 바람은 상대적으로 인공적 지형변화의 영향이 크게 나타났다.
- 결론적으로 본 연구의 대상지역은 주풍향이 모든 계절에 대해 전반적으로 북풍계열이기 때문에, 대상지역의 남서쪽에 거의 남북방향으로 건설되는 해상교량 및 접속도로 구간의 인공적 지형변화가 국지풍의 변화에는 큰 영향을 미치지 못하는 것으로 평가되었다. 그러나 접속도로가 건설되는 구간과 인접한 지역에서는 바람 차단 효과로 인한 풍속 저감의 영향이 다소 존재하였으며, 특히 접속도로 건설 구간과 직각 방향의 서풍계열의 바람은 상대적으로 인공적 지형변화의 영향이 크게 나타났다. 따라서 인공 구조물의 형상, 위치, 외관비 등에 따른 주풍향별 영향에 대한 상세한 평가가 향후 지속적으로 이루어져야 할 것으로 사료된다.
- 그러나 최대 변동 지점에서 멀어질수록 풍속 차이는 점차 감소하는 경향을 보였고, 염전의 북서쪽 지역은 0.1 m s-1 이하의 풍속차로 거의 변화가 없었으며, 염전지역 전체에 대한 지표풍속은 평균 0.04 m s-1 감소하였다.
- 3%)이 상대적으로 높은 빈도를 보였다. 또한, 여름철의 주풍향에 대한 주풍속은 1.6~3.3 m s-1의 바람이 35.7%로 가장 높은 빈도를 보였으며, 평균 2.20m s-1로 다른 계절에 비하여 상대적으로 약한 바람이 불었다. Fig.
- 5 m s-1 정도의 풍속 감소가 나타났다. 또한, 염전의 서쪽과 동쪽 지역에서는 약간의 지형 굴곡의 영향으로 일부 풍속이 증가하는 영역이 나타났고, 동쪽 지역에서 최대 0.35 m s-1 이상의 풍속이 증가하였다. 그러나 최대 변동 지점에서 멀어질수록 풍속 차이는 점차 감소하는 경향을 보였고, 염전의 북서쪽 지역은 0.
- 결과적으로 대상지역의 계절별 바람은 모든 계절에 대하여 북풍계열의 바람이 우세하였으나, 여름철의 경우는 남서풍계열의 바람도 상대적으로 높은 빈도를 보였다. 또한, 주풍향에 대한 주풍속은 상대적으로 여름이 약하고 겨울이 강한 것으로 나타났으나, 전반적으로 1.6~3.3m s-1의 바람이 가장 높은 빈도를 보여 대상지역은 모든 계절에 대하여 평균적으로 3.0 m s-1미만의 미풍지역임을 알 수 있었다.
- 그러나 북동쪽으로 갈수록 풍속의 차이는 감소하였고, 일부 지역에서는 지형효과로 인하여 다소 풍속이 증가하는 영역도 존재하였다. 또한, 해상교량 및 접속도로구간 건설에 따른 염전지역 전체에 대한 지표풍속은 평균 0.02~0.06 m s-1(유입류 대비 약 2% 미만) 감소하는 것으로 나타났다.
- 5 m 간격의 초고해상도 등격자계를 적용하여 수행하였으며, 인공적 지형변화에 따른 국지풍 변화와 이로 인한 인근 염전지역의 바람 차단 효과(풍속 저감)의 정도를 계절별로 예측·평가하였다. 바람 차단 효과는 모든 계절에 대하여 지형의 변화가 있는 접속도로 건설 구간에서 가장 가깝게 위치한 염전의 남서쪽 지역에서 나타났으며, 지표풍속은 최대 0.1~0.5 m s-1(유입류 대비 약 5~20%)정도 감소하는 것으로 나타났다. 그러나 북동쪽으로 갈수록 풍속의 차이는 감소하였고, 일부 지역에서는 지형효과로 인하여 다소 풍속이 증가하는 영역도 존재하였다.
- 04 m s-1 감소하였다. 봄철에 북북서풍이 부는 경우에도 접속도로 구간 건설 전과 후의 염전지역의 지표풍속의 차이는 남서쪽 지역에서 상대적으로 크게 나타났으나, 북동쪽으로 갈수록 풍속 차이가 작아지는 경향을 보였고, 염전지역 전체에 대한 지표풍속은 평균 0.02 m s-1의 감소를 보였다. 또한, 염전지역은 대부분 평탄한 지형이나 부분적으로 약간의 굴곡이 존재하였으며, 이로 인한 지형효과가 반영되어 수치적으로 매우 미미한 수준이나 풍속이 다소 증가하는 영역도 존재하였다.
- 가을철에 북북동풍이 부는 경우에는 북동쪽 일부 지역에서 근소한 풍속 증가가 나타났으나, 전반적으로 감소하는 양상을 보였다. 최대 풍속저감은 0.31 m s-1로 북풍의 경우와 비교하여 상대적으로 큰 변화를 보였으며, 염전지역 전체에 대한 지표풍속은 평균 0.06 m s-1 감소하는 것으로 나타났다. 겨울철의 주풍향이 북풍과 북북동풍인 경우(Fig.
후속연구
- 그러나 접속도로가 건설되는 구간과 인접한 지역에서는 바람 차단 효과로 인한 풍속 저감의 영향이 다소 존재하였으며, 특히 접속도로 건설 구간과 직각 방향의 서풍계열의 바람은 상대적으로 인공적 지형변화의 영향이 크게 나타났다. 따라서 인공 구조물의 형상, 위치, 외관비 등에 따른 주풍향별 영향에 대한 상세한 평가가 향후 지속적으로 이루어져야 할 것으로 사료된다.
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