[논문]GIS와 CFD 모델을 활용한 건설 현장 방풍벽 설치가 비산 먼지 확산에 미치는 영향 연구

김동주; 왕장운; 박수진; 김재진

doi:10.7780/kjrs.2018.34.5.5

초록
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본 연구에서는 지리정보시스템(GIS)자료와 전산유체역학(CFD) 모델을 사용하여 방풍벽이 건물 밀집 지역에 위치한 공사 지역에서 발생하는 대기오염물질의 확산에 미치는 영향에 대해 분석하였다. 부산 ASOS에서 10년 동안 관측된 풍속을 평균하여 기준 고도(지상 10 m)에서의 유입류로 사용하였다. 수치 실험은 방풍벽 건설 전과 5 m 및 10 m 높이의 방풍벽을 건설한 후에 대해 16 방위 풍향을 유입류로 진행하였고, 부산 ASOS에서 높은 빈도를 나타낸 북동풍과 남남서풍에 대한 상세 흐름을 분석하였다. 북동풍에서는 북동쪽에서 불어오는 흐름에 의해 비산 먼지가 확산되어 공사 지역 내부에 위치한 감천초등학교에서 대기오염물질 농도가 높게 나타났다. 5 m 높이의 방풍벽을 설치했을 때는 방풍벽 설치 전에 비해 풍속이 조금 감소했고 비산 먼지의 확산이 줄었다. 10 m 높이의 방풍벽을 설치한 경우, 초등학교에서의 평균 대기오염물질 농도는 37% 감소하였다. 남남서풍 유입류에서는 지형과 건물의 영향으로 공사 지역에서 복잡한 흐름 패턴이 형성되었다. 남쪽 공사 지역에서는 비산 먼지가 정체되어 농도가 높게 나타난 반면, 초등학교는 북풍의 흐름에 의해 대기오염물질 농도가 높게 나타났다. 방풍벽 건설 후에는 공사 지역 내부에서 풍속이 감소하면서 공사장 내부 농도는 높아졌지만, 초등학교에서의 농도는 감소했다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the effects of wind fences on the dispersion of the particles emitted from a constructing site located in the building-congested area in Busan, Korea, using geographic information system (GIS) and a computational fluid dynamics (CFD) model. We averaged the wind speeds observed for 10 ...

In this study, the effects of wind fences on the dispersion of the particles emitted from a constructing site located in the building-congested area in Busan, Korea, using geographic information system (GIS) and a computational fluid dynamics (CFD) model. We averaged the wind speeds observed for 10 years at the Busan automated synoptic observing system (ASOS) and we used the averaged wind speed as the wind speed at the reference height (10 m above the ground level). The numerical simulations were performed for 16 inflow directions, before and after the construction of wind fences with the heights of 5 m and 10 m (total 48 simulations). The detailed flows were analyzed for the northeasterly and south-southwesterly cases which predominantly observed at the Busan ASOS. In the northeasterly case, high concentration appeared at the elementary school next to the construction site due to transport by the airflow coming from the northeast. In the 5-m wind fence case, the wind speeds were slightly weaker and the spread of the fugitive dust was slightly less than those in the no wind fence case. In the 10-m wind fence case, the dust concentration at the elementary school has the maximum reduction of 37%. In the south-southwesterly case, the flow pattern became complicated in the construction site due to the terrain and buildings. Fugitive dust was stagnant at the south side of the construction site but rather spread to the north, increasing the concentration at the elementary school. After the wind fence was built, the concentrations inside the construction site became high as the wind speeds decreased inside, but, the concentrations in the elementary school rather decreased.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Satellite image for the target area around Gamcheon-dong, Busan (from Google Earth).
그림 Fig. 2. Computational configurations for the target area (a) before and (b) after the construction of the wind fence. The areas in orange represent the construction site.
그림 Fig. 3. (a) Wind rose and (b) quartile plot of the annual mean wind speeds based on the 1-hr wind speeds and directions observed during the daytime (07~18 KST) for 10 years at the Busan ASOS (159).
그림 Fig. 4. The ratios of (a) the wind speeds and (b) the nondimensionalized concentrations averaged over the construction site after the construction for 16 inflow directions.
그림 Fig. 5. (a) Distribution of the horizontal wind vectors and vertical wind components and (b) contours of the nondimensionalized concentrations near the surface (z = 2.5 m) in the northeasterly case with no wind fence. Middle and lower panels indicate the difference in wind speed [(c) and (e)] and nondimensionalized concentration [(d) and (f)] in the 5-m and 10-m wind fence cases, respectively. Red dashed lines in (a) and (b) represent the boundary of the construction site.
그림 Fig. 6. Streamlines and contours of the nondimensionalized concentration at x = 675 m (a) before and (b) after the construction of the 10-m wind fence, and (c) the difference of the nondimensionalized concentration after and before the construction for the northeasterly. White squares in (a), (b), and (c) represent Gamcheon elementary school. Gray squares in (b) and (c) represent wind fences.
그림 Fig. 7. The same as in Fig. 5 except for the south-southwesterly.
그림 Fig. 8. Streamlines and contours of the nondimensionalized concentration at x = 735 m (a) before and (b) after the construction of the 10-m wind fence, and (c) the difference of the nondimensionalized concentration after and before the construction for the south-southwesterly. White squares in (a), (b), and (c) represent Gamcheon elementary school. Gray squares in (b) and (c) represent wind fences.
그림 Fig. 9. Contours of (a) the nondimensionalized concentration averaged for 16 inflow directions and its difference between the (b) 5-m, (c) 10-m wind fence cases and the no wind fence case.

AI 본문요약
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문제 정의

(2017)은 다양한 조건의 방풍벽 설치에 따른 풍속 저감효과를 실제 지형에 적용하여, 강풍에 의한 피해를 감소시키기 위한 방안을 제시한 바 있다. 그러나, 실제 지형에서 방풍벽을 이용하여 비산 먼지 억제효과를 분석한 연구는 부족하다.　따라서, 본 연구에서는 CFD 모델을 활용하여 공사 현장에서 방풍벽 설치가 공사장 내 흐름 특성에 미치는 영향을 분석하고 공사장 주변 영역으로 확산되는 비산 먼지의 저감에 대한 효과를 정량적으로 분석하고자 한다.
본 연구에서는 전산유체역학 모델을 사용하여 부산 광역시 감천동에 위치한 주택 재개발 지역을 대상으로 공사 지역에 설치한 방풍벽이 대기오염물질 확산에 미치는 영향을 조사하였다. 이를 위하여, 대상 지역에 가장 인접한 기상관측소인 부산 ASOS에서 10년 동안 관측한 지상 바람 자료(2008년 1월 ~ 2017년 12월)를 사용하였다.

가설 설정

대기오염물질은 대기중 화학 반응이 일어나지 않은 비반응성 물질로 가정하였고, 매 격자점에서 100 μg m^-3 s^–1의 비율로 배출된 다고 가정하였다. 공사 중 발생하는 대기오염물질이 주변 지역의 대기오염물질 농도에 미치는 영향을 조사하기 위하여, 공사 현장 이외의 지역에서는 대기오염물질이 배출되지 않는 것으로 가정하였다. 본 연구에서는 배출량에 대한 의존성을 제거하기 위해 식 (6)과 같이 대기오염물질 농도를 무차원화하여 분석하였다.
대기오염물질 농도 계산을 위하여 먼저 계산한 바람장을 이용하고, 공사 현장 전체를 면오염원으로 가정하여 1초 간격으로 7,200초까지 수치 적분하였다. 대기오염물질은 대기중 화학 반응이 일어나지 않은 비반응성 물질로 가정하였고, 매 격자점에서 100 μg m^-3 s^–1의 비율로 배출된 다고 가정하였다. 공사 중 발생하는 대기오염물질이 주변 지역의 대기오염물질 농도에 미치는 영향을 조사하기 위하여, 공사 현장 이외의 지역에서는 대기오염물질이 배출되지 않는 것으로 가정하였다.
본 연구에서 사용한 CFD 모델은 Kim and Baik(2010)이 사용한 수치모형과 동일하다. 이 모델은 3차원 비정수, 비회전, 비압축 대기 흐름 계를 가정한다. RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes) 방정식을 기반으로 한 지배방정식 계는 SIMPLE(semi-implicit method pressure-linked equation) 알고리즘과 유한체적법(finite volume method) 을 사용한 엇갈림 격자계(staggered grid system)에서 풀이 되며, 벽면 경계에서의 난류 효과를 모수화하기 위하여 Versteeg and Malalasekera(1995)가 제안한 벽면 함수를 사용하여 난류 경계층을 효과를 잘 반영하도록 하였다.

제안 방법

4). 관측 풍향 빈도가 높게 나타나고 공사 지역에서의 대기오염물질 확산에 대하여 영향이 클 것으로 판단되는 두 풍향(북동풍과 남남서풍)에 대하여 흐름장과 농도장에 대한 상세 분석을 수행하였다.
방풍벽 설치가 주변 지역 흐름과 확산에 미치는 영향 변화를 상세하게 분석하기 위하여, 16방위 유입류 풍향에 대하여 수치 모의를 수행하였다. 그리고 높이가 다른 두 가지의 방풍벽(5 m, 10 m)을 설치한 수치 실험 수행을 통해 방풍벽 높이에 따른 영향을 분석하였다. 방풍벽 설치 전과 비교하였을 때, 5 m와 10 m 높이의 방풍 벽을 설치 후에 공사 지역에서의 16방위 평균 풍속은 각각 11.
격자 크기가 x, y, z 방향으로 각각 10 m, 10 m, 5 m 인 등격자계를 사용하였다. 대상 지역에서 방풍벽 설치가 흐름과 확산에 미치는 영향을 분석하기 위하여, 방풍벽 설치 전과 후에 대한 지표 입력자료를 구축하였다. 방풍벽 높이에 따른 영향을 분석하기 위해 두 가지의 다른 높이를 가지는 방풍벽(5 m, 10 m)을 고려하였다(Fig.
이 중에서 공사가 진행되는 주간(07 ~ 18 KST) 자료를 이용하여 바람 장미 분석을 수행하였고, 수치 모의 실험의 초기 및 경계 조건으로 사용하였다. 또한, 방풍벽 설치가 공사장 주변 지역의 대기 흐름과 대기오염 물질 확산에 미치는 영향을 조사하기 위하여, 16 방위 유입류에 대해 방풍벽 설치 전과 5 m, 10 m 높이의 방풍 벽을 설치한 후에 대한 수치 실험을 수행하였다. 방풍벽 설치 전에는 공사 지역에서 발생한 대기오염물질이 유입류에 의해 풍하측으로 수송되었다.
방풍벽 설치가 주변 지역 흐름과 확산에 미치는 영향 변화를 상세하게 분석하기 위하여, 16방위 유입류 풍향에 대하여 수치 모의를 수행하였다. 그리고 높이가 다른 두 가지의 방풍벽(5 m, 10 m)을 설치한 수치 실험 수행을 통해 방풍벽 높이에 따른 영향을 분석하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 부산광역시 사하구의 감천2구역 주택 재개발 정비사업이 예정되어 있는 공사 현장을 대상 지점으로 선정하였다(Fig. 1).
본 연구에서는 전산유체역학 모델을 사용하여 부산 광역시 감천동에 위치한 주택 재개발 지역을 대상으로 공사 지역에 설치한 방풍벽이 대기오염물질 확산에 미치는 영향을 조사하였다. 이를 위하여, 대상 지역에 가장 인접한 기상관측소인 부산 ASOS에서 10년 동안 관측한 지상 바람 자료(2008년 1월 ~ 2017년 12월)를 사용하였다. 이 중에서 공사가 진행되는 주간(07 ~ 18 KST) 자료를 이용하여 바람 장미 분석을 수행하였고, 수치 모의 실험의 초기 및 경계 조건으로 사용하였다.

데이터처리

관측 자료를 이용하여 대상 지역의 풍계 특성을 반영한 농도 확산 분포를 조사하기 위해 풍향 빈도를 고려한 가중 평균 농도를 분석하였다. Figure 9는 16 방위 풍향에 대한 각각의 대기오염물질 확산 모의 결과와 부산 ASOS 지점에서 관측된 풍향 발생 빈도를 고려하여 가중 평균한 지표 농도 분포를 나타낸다.

이론/모형

이 모델은 3차원 비정수, 비회전, 비압축 대기 흐름 계를 가정한다. RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes) 방정식을 기반으로 한 지배방정식 계는 SIMPLE(semi-implicit method pressure-linked equation) 알고리즘과 유한체적법(finite volume method) 을 사용한 엇갈림 격자계(staggered grid system)에서 풀이 되며, 벽면 경계에서의 난류 효과를 모수화하기 위하여 Versteeg and Malalasekera(1995)가 제안한 벽면 함수를 사용하여 난류 경계층을 효과를 잘 반영하도록 하였다.
본 연구에서 사용한 CFD 모델은 Kim and Baik(2010)이 사용한 수치모형과 동일하다. 이 모델은 3차원 비정수, 비회전, 비압축 대기 흐름 계를 가정한다.
본 연구에서는 국토지리정보원의 지리정보시스템(geographic information system, GIS)이 제공하는 1:5,000 축척의 수치 도엽과 Lee and Kim(2011)의 건물 구축 알고리즘을 이용하여 수치 도메인을 구축하였다. 수치 도메인 크기는 x와 y방향으로 1500 m, z방향으로 750 m 이다.

성능/효과

9(c)). 방풍벽의 설치에 따른 공사 지역에서의 확산 특성을 분석한 결과, 방풍벽 설치 전과 비교하여, 방풍벽을 설치한 후에 대기오염물질의 확산특성은 유입되는 풍향에 대한 의존도가 낮아졌고, 방풍벽 내부에서의 대기 오염물질 농도는 증가하였으며, 방풍벽 외부에서의 대기오염물질 농도는 감소하는 경향이 나타났다.
2%(북동풍) 감소하였다. 본 연구를 통해 공사 지역에서 설치한 방풍벽은 공사장에서 발생하는 비산 먼지와 같은 대기오염물질의 영향을 저감할 수 있음을 확인하였다. 또한, 방풍벽 높이에 따라 공사장 주변 지역의 흐름과 확산에 미치는 영향 범위가 다르게 나타남을 확인하였다.

후속연구

또한, 방풍벽 높이에 따라 공사장 주변 지역의 흐름과 확산에 미치는 영향 범위가 다르게 나타남을 확인하였다. 공사장 주변에 방풍벽을 설치함으로써 공사장에서 발생하는 대기오염물질 확산을 제어하여 교육시설 및 보호시설에 대한 피해를 감소할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 수치 모델을 이용한 사전 평가를 통해서 공사장 내부 및 외부에 대기오염물질의 농도가 높게 나타날 것으로 예상되는 지점을 대상으로 비산 방지 설비를 설치함으로써 보다 효과적인 방진 대책을 마련할 수 있을 것으로 기대된다.
공사장 주변에 방풍벽을 설치함으로써 공사장에서 발생하는 대기오염물질 확산을 제어하여 교육시설 및 보호시설에 대한 피해를 감소할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 수치 모델을 이용한 사전 평가를 통해서 공사장 내부 및 외부에 대기오염물질의 농도가 높게 나타날 것으로 예상되는 지점을 대상으로 비산 방지 설비를 설치함으로써 보다 효과적인 방진 대책을 마련할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비산 먼지에는 무엇이 포함되어 있는가?	건설 공사 현장에서는 비산 먼지, 소음, 진동 등의 문제가 나타나며, 비산 먼지에는 NOx, CO, PM 등의 대기 오염 물질이 포함되어 있다(Seo, 2016). 대기오염물질이 포함된 비산 먼지는 호흡기 질환 및 암 발생을 유발하여 인체에 악영향을 미친다(Lu et al.
	대기오염물질이 포함된 비산 먼지의 문제점은?	건설 공사 현장에서는 비산 먼지, 소음, 진동 등의 문제가 나타나며, 비산 먼지에는 NOx, CO, PM 등의 대기 오염 물질이 포함되어 있다(Seo, 2016). 대기오염물질이 포함된 비산 먼지는 호흡기 질환 및 암 발생을 유발하여 인체에 악영향을 미친다(Lu et al., 2015; Kim et al.
	비산 먼지 저감을 위한 연구와 그 문제점은?	그러나, 공사 현장에서 발생하는 비산 먼지 저감과 관련한 연구는 제도적 차원에서의 방안이 대부분이다. 사이클론과 같은 집진장비를 이용한 연구들이 이루어지고 있으나, 운영 및 설치 비용에 대한 부담과 낮은 집진효율의 문제점을 가지고 있다(Jeong et al., 2017).

참고문헌 (18)

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