[논문]도심 하천 복원에 따른 주변지역 열환경 변화 특성 분석

도우곤; 정우식

doi:10.5322/jesi.2019.28.2.235

도심 하천 복원에 따른 주변지역 열환경 변화 특성 분석
Analysis of the Characteristics of Thermal Environment Change Due to Urban Stream Restoration 원문보기

Journal of environmental science international = 한국환경과학회지, v.28 no.2, 2019년, pp.235 - 248

도우곤 (부산광역시 보건환경연구원) , 정우식 (인제대학교 대기환경정보공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to quantitatively analyze the effects of a restoration project on the decrease in the temperature in the surrounding areas. The thermal environment characteristics of the investigation area were analyzed using the meteorological data from the Busanjin Automatic Weather System which is closest to the target area. The terrain data of the modeling domain was constructed using a digital map and the urban spatial information data, and the numerical simulation of the meteorological changes before and after the restoration of the stream was performed using the Envi-met model. The average temperature of the target area in 2016 was $15.2^{\circ}C$ and was higher than that of the suburbs. The monthly mean temperature difference was the highest at $1.1^{\circ}C$ in November and the lowest in June, indicating that the temperatures in the urban areas were high in spring and winter. From the Envi-met modeling results, reductions in temperature due to stream restoration were up to $1.7^{\circ}C$ in winter, and decreased to $3.5^{\circ}C$ in summer. The effect of temperature reduction was seen in the entire region where streams are being restored.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이 지역은 부산의 대표적인 도심지역으로 최근에 대규모 하천복원계 획이 수립 중에 있다(Busan metropolitan city, 2017). 본 연구는 대도시 도심지에서의 하천복원이 주변 도심지 일대의 기온에 미치는 영향의 정도를 진단하는 것을 목적으로 한다. 이를 위하여 먼저 연구대상 지역의 열 환경 특성을 분석하고 미기상 수치모형을 사용하여 하천복원 전후 기상요소들의 변화를 수치적으로 분석하였다.
본 연구는 우리나라 대도시 도심지에 위치한 복개하천이 자연하천으로 복원되는 경우, 주변 지역의 기온에 어떠한 영향을 미칠 것인지에 대하여 분석을 수행한 것이다. 본 연구에서는 부산광역시 도심지에 설치된 기상청 AWS의 기상자료를 이용하여 연구대상 지역의 열 환경 특성을 분석하고 수치지도와 도시공간정보 자료를 이용하여 수치모의 영역의 지형자료를 구축하고 이를 바탕으로 미기상 수치모형인 Envi-met을 활용하여 분석을 수행하였다.
이를 위하여 먼저 연구대상 지역의 열 환경 특성을 분석하고 미기상 수치모형을 사용하여 하천복원 전후 기상요소들의 변화를 수치적으로 분석하였다. 이를 바탕으로 도심지의 자연형 하천복원이 기온 감소와 도시 열섬 해소에 어느 정도 영향을 미치는지에 관한 과학적 정보 제공으로 실제 많은 곳에서 시행되고 있거나 계획 되고 있는 정부 및 지방자치단체의 하천복원이 도심지열 해소 측면에서 가질 수 있는 의미를 고찰해 보고자 하였다.
3(a)의 전체 도로면적 중에서 약 13%가 하천으로 바뀌게 된다(Table 2, stream). 즉, 도로에서 하천으로 바뀐 면적은 전체 수치모의 영역에서 약 6.7% 정로로열 환경적인 측면에서는 중요한 의미를 가질 수 있으므로 이 면적에 해당하는 도심지 도로가 자연환경인 하천으로 복개되었을 경우, 나타날 수 있는 미기상학적 변화를 살펴보고자 하였다.

제안 방법

도심 하천복원이 주변지역의 기온에 미치는 정도를 분석하기 위하여 연구대상 지역을 중심으로 미기상 수치 모의 수행을 위한 입력자료를 구축하였다. Fig.
본 연구는 우리나라 대도시 도심지에 위치한 복개하천이 자연하천으로 복원되는 경우, 주변 지역의 기온에 어떠한 영향을 미칠 것인지에 대하여 분석을 수행한 것이다. 본 연구에서는 부산광역시 도심지에 설치된 기상청 AWS의 기상자료를 이용하여 연구대상 지역의 열 환경 특성을 분석하고 수치지도와 도시공간정보 자료를 이용하여 수치모의 영역의 지형자료를 구축하고 이를 바탕으로 미기상 수치모형인 Envi-met을 활용하여 분석을 수행하였다.
PMV는 기온, 상대습도, 풍속, 평균 복사온도의 환경적 요소와 활동지수, 의복 지수 등의 개인적 요소를 통해 산출된다 (Atthajariyakul and Leephakpreeda, 2005). 본 연구에서는 하천 복원 전, 후 연구대상 지역의 열 쾌적성 변화를 평가하기 위하여 Envi-met 모형을 이용하여 PMV지수를 계산하고 각 격자별로 계산된 PMV지수 값을 Table 1의 PMV값에 따른 열 쾌적성 개념과 비교하여 하천 복원 전, 후의 열적으로 쾌적한 상태를(-0.9이상, 0.9 이하) 보이는 격자수의 변화를 분석하였다.
본 연구에서는 하천복원 시행 전후의 지표면 상태를 격자화하고 Envi-met 모형에 입력하여 하천복원으로 인한 주변 지역의 기온 변화와 열 쾌적성지수의 변화를 분석하였다.
부산광역시의 도심지인 연구대상 지역에는, 현재, 상시적으로 운영되는 기상관측지점이 없어, 대상지역과 가장 가까운 곳에 위치한 ‘부산진’ 지점(연구대상 지역에서 서쪽으로 약 3.5 km 지점)의 자료를 사용하여 도심지 기상 특성을 분석하였다(Fig.
부전천 복원에 따른 주변 지역의 영향을 파악하기 위하여 Fig. 3의 지면조건과 도시 열섬 현상이 가장 심했던 2016년 11월과 기온이 가장 높았던 7월 부산진 AWS의 평균 기상조건을 적용하여 Envi-met 모델을 수행하였다. Table 4는 케이스별 모델의 초기 기상조건을 나타낸다.
연구대상 지역과 같은 대도시의 도심지 지역과 대도시 지역이지만 도심지에서는 일정 거리 벗어난 지역의 열환경에 어떤 차이가 있는지 살펴보기 위하여 연구대상 지역 인근의 도심지에 설치되어 있는 기상청 ‘부산진’ AWS 지점과 부도심지인 ‘금정’ AWS 지점을 비교, 분석하였다(Fig.
본 연구는 대도시 도심지에서의 하천복원이 주변 도심지 일대의 기온에 미치는 영향의 정도를 진단하는 것을 목적으로 한다. 이를 위하여 먼저 연구대상 지역의 열 환경 특성을 분석하고 미기상 수치모형을 사용하여 하천복원 전후 기상요소들의 변화를 수치적으로 분석하였다. 이를 바탕으로 도심지의 자연형 하천복원이 기온 감소와 도시 열섬 해소에 어느 정도 영향을 미치는지에 관한 과학적 정보 제공으로 실제 많은 곳에서 시행되고 있거나 계획 되고 있는 정부 및 지방자치단체의 하천복원이 도심지열 해소 측면에서 가질 수 있는 의미를 고찰해 보고자 하였다.
이와 더불어, 비교자료로 활용하기 위해 연구대상 지역에서 북동쪽으로 약 15 km 떨어진 ‘금정’ AWS 지점의 기상 자료를 분석하였다.
주로 봄철과 겨울철을 중심으로 도심지역인 부산진 기온이 교외 지역의 기온보다 높게 유지되고 있어 최근까지도 부산지역에는 도시 열섬 현상이 있음을 알 수 있다. 하천복원이 주변지역의 미기상에 미치는 영향을 분석하기 위한 수치모의는 도심지역 기온이 가장 높았던 11월과 도심지와 교외 지역의 기온차이가 가장 적었던 7월의 기상조건을 활용하여 각각 수행하였다.

대상 데이터

2(c)) 국토정보플랫폼에서 1:1,000 수치 지도를 활용하여 구축하였으며(2018년 기준) 건물의 높이는(Fig. 2(d)) 부산광역시 도시 공간정보 업무포탈에서 사용된 2010년 지적자료를 참고하여 구축하였다(Busan UIS system, 2017; Land information platform, 2017). Fig.
Table 4는 케이스별 모델의 초기 기상조건을 나타낸다. 2016년 11월과 7월 부산진 AWS의 평균 기상조건을 Envi-met 모델의 초기 입력자료로 사용하였으며 각각 현재 상태와(base) 하천복원 후(stream)의 지형조건에 대하여 모델링을 실시하였다. Table 5에는 Envi-met 수행을 위한 기본적인 모델링 옵션을 제시하였다.
PMV 값은 열로 인한 스트레스가 없는 상태인 –0.9에서 0.9사이의 값을 가지는 격자를 분석 대상으로 하였다.
부전천은 부산광역시 도심지에 위치한 도심하천으로 대부분 구간이 복개되어 있다(Naver knowledge encyclopedia, 2017). 본 연구의 대상 지역은 부산광역시 부전동 일대의 약 750 m 구간(Busan metropolitan city, 2017)으로, 이 지역은 부산의 대표적인 상업지역인 동시에 교통량과 유동인구가 많은 지역이며 고층건물이 밀집해 있어 도시협곡 사이로 복잡한 기류가 나타나는 지역이다(Fig. 1). Fig.

이론/모형

본 연구 대상 지역과 같이 미세규모 영역에서의 기상 요소 변화를 예측 및 진단하기 위해서는 수 m에서 수십 m 단위의 미세한 격자체계를 구성하여 도심의 기상장에 크게 영향을 미치는 건물들의 영향을 고려하여야 한다 (Choi, 2016). 본 연구에서는 도심지에 위치한 건물과 식생 등 상세한 지표면 상태를 고려할 수 있는 미기상 예측 및 진단 모형인 Envi-met을 사용하였다. Envi-met은 3차원 미기상 수치모의 프로그램으로 독일 Bochum university의 Michael Bruse에 의해 1998년 개발된 것으로, 본 연구에서는 지속적으로 개선된 Envi-met V3.

성능/효과

1. 하천복원 대상지역을 포함하는 X 방향 45개, Y 방향 74개(10 m × 10 m)의 수치모의 영역을 구축하고 하천복원 전 후의 지표면 상태를 변화를 분석하면, 현재 수치모의 영역의 51.2%는 도로, 48.8%는 콘크리트 건물로 구성이 되어 있으나 하천복원이 시행되면 아스팔트 도로 중 약 13%가 하천으로 바뀌게 되는 것으로 나타났다.
2. Envi-met 모형을 사용하여 하천복원 전 후의 기온 변화를 분석한 결과, 겨울철의 경우 최대 1.7℃까지 기온이 감소하였고 남북방향으로는 하천 구간 전체, 동쪽으로는 약 100 m 까지 기온이 감소하여 겨울철 도시 열섬을 해소에 도움이 될 것으로 판단되었다. 여름철의 경우 최대 3.
4℃까지의 기온 감소 효과가 있는 것으로 나타났다. 모델에 입력되는 주풍향의 영향으로 사업지역의 오른쪽으로 건물을 지나 중앙로까지 최대 13개의 격자(130 m)에 대하여 약하지만 0.1℃ 이상의 기온 감소가 나타나고 있으며 남북방향으로는 전체 하천 구역에서 기온이 감소한 것을 알 수 있었다. 본 사례 모델링은 전형적인 여름의 평균 기상조건을 적용한 경우로 모델링 결과 전체 도메인의 평균 기온도 33.
1℃이상의 기온 차이가 나타나고 있으며 동쪽으로 최대 10개의 격자 (100 m)까지 약하지만, 기온이 감소하는 것을 알 수 있었고 남북방향으로는 전체 하천구역에서 기온이 감소한 것으로 나타나고 있다. 본 사례 모델링은 11월의 평균 기상조건을 적용한 경우로 모델링 결과 전체 도메인의 평균 기온도 17.8℃로 폭염이나 열대야 등 고온으로 인한 문제가 없는 계절이지만 도심에 있는 사업지역은 교외지역보다 1℃ 이상 온도가 높은 도시 열섬이 생성되는 계절이므로 사업지역에서의 기온 감소는 도시 열섬을 해소 하는 데 도움이 될 것으로 판단된다.
1℃ 이상의 기온 감소가 나타나고 있으며 남북방향으로는 전체 하천 구역에서 기온이 감소한 것을 알 수 있었다. 본 사례 모델링은 전형적인 여름의 평균 기상조건을 적용한 경우로 모델링 결과 전체 도메인의 평균 기온도 33.2℃로 매우 높게 나타나고 있다. 연구대상 지역은 다양한 인공열원 등의 효과로 여름철 폭염이나 열대야 등이 빈번할 것이 예상되는 지역으로 부전천 복원을 통하여 하절기 열 환경을 개선하는 데 도움이 될 것으로 판단된다.
11월과 마찬가지로 사업지역의 왼쪽으로 기온이 높은 지역들이 나타나고 있으며 건물의 위치에 따라 약 31℃에서 37℃이상까지의 기온분포를 보여 전형적인 여름철의 기온을 나타내는 것으로 판단할 수 있다. 부전천 복원 후 경우와 기온 차이를 살펴보면 하천이 생기는 위치에서 기온 차이가 가장 크게 나타났으며 최대 3.4℃까지의 기온 감소 효과가 있는 것으로 나타났다. 모델에 입력되는 주풍향의 영향으로 사업지역의 오른쪽으로 건물을 지나 중앙로까지 최대 13개의 격자(130 m)에 대하여 약하지만 0.
9℃까지 기온이 감소한 것으로 나타났으며 풍하 방향인 하천복원 지역 오른쪽 건물 뒤쪽에서 높이 약 20 m까지 기온이 감소한 지역이 발생하였다. 열대야나, 폭염이 발생하는 여름철에는 하천복원 지점의 상공 약 40 m까지, 풍하 방향으로 약 80 m까지 광범위 하게 기온 감소 효과가 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
9(b)는 11월의 평균 기상을 적용한 경우의 PMV 지수변화를 나타낸 그림이다. 열적으로 쾌적한 상태를 보이는 격자수가 하천 복원 전에는 751개에서 하천 복원 후 756개로 약간 증가한 것으로 나타났다. 지점별로는 중앙부 영역에 위치한 하천복원 주변 6개 지점에서 (파란색 사각형) 열 쾌적성이 개선되었고 1개 지점(옅은 초록색)에서 열 쾌적성이 악화되는 것으로 나타났으며 나머지지점들은 동일한 상태를 유지하는 것으로 나타났다.
7℃까지 나타났다. 주풍향의 영향으로 사업지역 오른쪽 건물 뒤까지 0.1℃이상의 기온 차이가 나타나고 있으며 동쪽으로 최대 10개의 격자 (100 m)까지 약하지만, 기온이 감소하는 것을 알 수 있었고 남북방향으로는 전체 하천구역에서 기온이 감소한 것으로 나타나고 있다. 본 사례 모델링은 11월의 평균 기상조건을 적용한 경우로 모델링 결과 전체 도메인의 평균 기온도 17.
지점 별로 보면 하천복원 지역과 주변으로 3개의 격자에서(파란색 사각형) 열 쾌적성이 개선되었고 도메인 중앙 2개 지점에(옅은 초록색)서 열 쾌적성이 악화되는 것으로 나타났으며 나머지 초록색 지점들은 열 쾌적성의 변화가 복원 전후 동일하게 쾌적한 상태를 보이는 것으로 나타났다.
열적으로 쾌적한 상태를 보이는 격자수가 하천 복원 전에는 751개에서 하천 복원 후 756개로 약간 증가한 것으로 나타났다. 지점별로는 중앙부 영역에 위치한 하천복원 주변 6개 지점에서 (파란색 사각형) 열 쾌적성이 개선되었고 1개 지점(옅은 초록색)에서 열 쾌적성이 악화되는 것으로 나타났으며 나머지지점들은 동일한 상태를 유지하는 것으로 나타났다.

후속연구

2℃로 매우 높게 나타나고 있다. 연구대상 지역은 다양한 인공열원 등의 효과로 여름철 폭염이나 열대야 등이 빈번할 것이 예상되는 지역으로 부전천 복원을 통하여 하절기 열 환경을 개선하는 데 도움이 될 것으로 판단된다.
이러한 결과를 바탕으로 본다면, 도심지 기온상승에 영향을 미치는 것으로 잘 알려진 아스팔트나 콘크리트 재질의 표면으로 복개되어 있는 도심지 하천이 현재의 연구에 제시된 바와 같이 자연상태인 수표면의 하천으로 복원되는 경우 발생 가능한 도심지 기온 저감효과와 더불어, 실제 도심지 복개하천의 자연하천 복원에 동반되는 여타의 하천주변 식생군락 및 조경조성 등의 친수공간 조성과 같은 도심기 기온 저감에 기여할 수 있는 하천 주변 정화사업이 동반되는 경우, 대도시 도심지 복개하천 복원에 따른 도심지 기온저감 효과는 충분히 그 효과를 나타낼 가능성이 있다고 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	복개, 콘크리트형 하천 정비 형태의 문제점은 무엇인가?	더불어 하천에 대한 인식도 변화하여 도심 내부의 하천은 단순히 치수나 이수의 문제뿐만이 아니라 환경적, 생태적 으로 중요한 가치를 지닌 인간의 생활과 문화에서의 중심적인 역할을 하는 것으로 여겨지고 있다(Ministry of Environment, 2011). 치수와 공간활용을 주요 목적으로하는 복개, 콘크리트형 하천 정비 형태는 식물이나 수생 생물이 살기 어려운 하천환경을 유발할 뿐만 아니라 하천 수량의 부족과 하천으로 유입되는 오염물질의 증가 등으로 수질 악화의 문제도 일으킨다. 도심내부 또는 상류지역 하천의 내부 또는 주변의 환경정비를 통한 수질 개선의 효과는 국, 내외적으로 다양한 연구를 통하여 알려진 사실이다(Filoso and Palmer, 2011; Thompson et al.
	Envi-met이란 무엇인가?	본 연구 대상 지역과 같이 미세규모 영역에서의 기상 요소 변화를 예측 및 진단하기 위해서는 수 m에서 수십 m 단위의 미세한 격자체계를 구성하여 도심의 기상장에 크게 영향을 미치는 건물들의 영향을 고려하여야 한다 (Choi, 2016). 본 연구에서는 도심지에 위치한 건물과 식생 등 상세한 지표면 상태를 고려할 수 있는 미기상 예측 및 진단 모형인 Envi-met을 사용하였다. Envi-met은 3차원 미기상 수치모의 프로그램으로 독일 Bochum university의 Michael Bruse에 의해 1998년 개발된 것으로, 본 연구에서는 지속적으로 개선된 Envi-met V3.
	하천복원이 필요한 이유는?	이러한 연구결과들은 공통적으로 하천복원으로 인한 지표면의 피복상태 변화가 도시열환경 개선에 효과적임을 지적하고 있다. 결국 도심지역에 형성되는 녹지와 하천은 환경적, 생태적인 가치와 더불어 주변의 온도를 낮추어 도시열섬 해소를 위한 최적의 방법으로 인식되고 있다. 부전천은 부산광역시 백양산 동쪽에서 발원해 동천에 합류하는 도심하천이다.

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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