Application of Ventilation Corridor to Mitigate Particulate Matter for the Sejong-Si

미세먼지 저감대책으로서 바람길 적용 방안 : 세종시를 대상으로

Abstract

The purpose of this study is to verify the effects of ventilation corridor and derive adequate policy alternatives to its application for the city of Sejong, which is located in an inland of Korean Peninsula. In order to introduce the ventilation corridor in the city, it is necessary both to understand change on fresh air flow affected by the construction of new cities and to show its effects which are able to circulate air flow of the city. The study identified ventilation effects using computational fluid dynamics models. In particular, it analyzed change on wind speed and direction after constructing of a new town and cool air flow along the lowlands generated after sunset. In addition, it identified those of reducing particulate matter when arranging buildings conforming to the ventilation corridor at block level. The policy implications derived from simulation can be summarized as follows. First, it is desirable to plan ventilation corridors so that fresh air from mountains, forests, and valleys can flow into cities and mitigate the concentration of particulate matter. Furthermore, public facilities covering parks, plazas, and playgrounds should be installed preferentially to attract safe outdoor activities near to areas with low levels of particulate matter. Finally, it is adequate to prepare for a number of alternative plans by analyzing ventilation corridors when setting out district unit plan.

본 연구에서는 내륙 분지에 위치하여 대기 정체율이 높은 세종시를 대상으로 미세먼지의 저감을 위한 바람길의 적용방안을 도출하고 정책적 대안을 제시하였다. 도시내 바람길의 도입을 위해서는 첫째, 신도시 건설에 따른 신선한 대기의 변화 흐름을 파악하고 둘째, 도시공간에서 바람길을 확보함으로써 대기순환을 촉진해야 함을 밝혀낼 수 있었다. 본 연구에서는 미세먼지 저감 효과를 검증하기 위하여 전산유체역학모형을 활용하였다. 구체적으로는 도시 건설 전과 후의 탁월풍의 풍속, 풍향 변화와 일몰 후 생성된 시원한 공기가 낮은 지대를 따라 흐르는 특성이 분석되었다. 이와 더불어 블록단위에서 바람길과 순응하는 건축물을 배치 시 미세먼지 저감 효과를 정량적으로 검증하였다. 모의실험을 통해 제시 가능한 정책적 함의는 다음과 같다. 첫째, 산, 숲, 골짜기에서 내려오는 신선한 공기가 도시 안으로 원활히 유입, 분산되어 미세먼지 농도를 낮출 수 있도록 바람 통로를 조성하고, 적절한 건축물 배치계획을 수립한다. 둘째, 미세먼지 농도가 낮은 지역에는 공원, 광장, 놀이터 등 공공시설들을 우선적으로 설치하여 미세먼지로부터 안전한 옥외활동을 유인하도록 한다. 마지막으로, 지구단위계획 등 도시계획 수립 과정에서 바람길 분석을 통해 최적의 대안을 마련할 것을 제안한다.

I. 서론

도시화 및 산업화, 그리고 중국에서 유입되는 미세먼지로 인해 국민의 건강이 위협받고 있다. 국내 미세먼지(PM10) 농도는 WHO 권고기준(20㎍/㎥)보다 약 2배 이상 높은 수치를 보이고 있으며 [1], 미세먼지 농도와 초미세먼지(PM2.5) 농도는 정체 상태이나, 미세먼지 및 초미세먼지 주의보 일수는 증가하였다 [2]. 특히 우리 국민들은 환경문제 중 대기환경의 악화를 심각하게 받아들이고 있으며, 범죄 발생, 국가안보와 함께 환경오염을 3대 사회불안 요소로 인지하고 있어 [3], 이들 문제에 대응하기 위한 다양한 어젠다와 실천방안이 요구되고 있다.

지금까지 다양한 분야에서 미세먼지 배출 저감 및 관리를 위한 정책들을 추진하여 왔는데, 노후 경유 차량 교체, 친환경차 보급 확대, 도로 청소차 보급, 먼지 총량제 등 배출원 관리가 주를 이뤄온 것이 사실이다 [4]. 도시계획 분야에서도 미세먼지를 이동시키고 빠르게 분산시킬 수 있는 공간계획과 설계 기법을 활용한 전략들을 수립하고 이를 실제 도시공간에 구현하기 위한 많은 시도들이 이루어져야 한다. 이러한 미세먼지 저감을 위한 계획적 시도와 함께, 과학적 분석 방법을 이용한 검증이 이루어짐으로써 계획 수립 과정에서 대안적 모델들이 제시될 수 있어야 한다.

그리하여 본 연구에서는 미세먼지 저감과 분산을 위한 도시계획적 기법을 발굴하고, 이를 통해 바람직한 대안을 제시하는 것을 목적으로 한다. 도시계획적 기법은 도시공간에서 건조물에 의해 정체된 미세먼지를 빠르게 분산시킬 수 있는 바람길 또는 바람통로를 형성하는 것을 목표로 한다.

Ⅱ. 연구의 범위 및 방법

1. 연구의 범위

본 연구에서는 세종시 전체 중에서 현재 활발한 개발이 발생하고 있는 건설지역을 대상으로 바람길의 효과를 분석하였다 [그림 1]. 전체 건설지역을 대상으로 일몰 이후에 발생하는 바람의 흐름을 분석하였으며, 첫 마을 지역(2 생활권)을 대상으로 국토교통부에서 제공하는 건축물 자료를 활용하여 건설 전·후의 풍향과 풍속 변화 예측을, 신규로 조성예정인 6-3 생활권 B1블럭을 대상으로는 건축물 및 오픈스페이스의 배치와 미세먼지 농도와의 상관성을 모의실험 하였다.

그림 1. 연구대상지

분석대상지역은 북풍과 북서풍이 주풍으로 서해안 등에서 미세먼지 유입 가능성이 높고, 4계절 동안 안개와 결합한 스모그 발생 빈도가 높다 [5]. 특히 분지에 위치한 전형적인 내륙 도시로 대기가 정체될 가능성이 높으며, 인구 50만을 목표로 개발이 진행 중인 도시로 미세먼지 대책 수립의 필요성이 높은 지역이다 [6]. 무엇보다도 대규모 신도시 건설이 활발히 진행되고 있어 건설 전과 후의 풍향 및 풍속 및 농도 변화 분석이 수월하고, 모의실험을 통한 연구결과의 적용 가능성이 높아 분석 대상지로 선정하였다.

2. 연구의 방법

본 연구는 이론적 고찰을 통해 바람길의 정의, 효과, 그리고 공간계획에서 바람길 적용의 필요성 등을 논하고, 해외 도시들의 바람길 조성 사례들을 살펴봄으로써 바람길 효과의 모의실험과 계획 기법 적용 방향에 대한 시사점을 도출하였다. 도출된 시사점을 바람길 조성에 따른 미세먼지 저감 및 분산 효과를 검증하고, 미세먼지 저감을 위한 바람길 도입을 위한 도시계획적 고려요소들을 도출하기 위해 전산 유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 모형을 이용한 미세먼지 영향 모의실험을 통해서 바람길을 고려한 도시계획 가이드라인의 적정성을 검증하였다.

그림 2. 연구의 흐름도

Ⅲ. 이론적 고찰 및 사례 연구

1. 바람길의 정의와 바람길의 효과

도시 바람통로(urban ventilation corridor) 혹은 바람길은 Kress(1979)가 처음 사용한 ‘Ventilationbahn’이라는 독일어에서 유래되었다 [7]. 바람길은 ‘녹지와 물, 오픈 스페이스의 네트워크’로 이를 통해 산이나 바다로부터의 신선한 공기가 도시로 흐르게 함으로써 [8], 물리적으로 개방된 공간이자 대기오염 개선 혹은 차단을 위해 식재된 수목, 대기오염 개선시설, 대기 환기에 도움을 주는 공간을 포함할 수 있다.

바람길 혹은 바람 통로는 야간에 산지 등 자연지역에서 생성된 신선하고 차가운 공기가 도시 내 유입됨으로써 도시의 환기와 미세먼지의 분산에 기여하며, 궁극적으로는 도시 내 공기의 질을 개선시키는 역할을 한다 [9].

이렇듯 도시공간에서 신선한 공기의 유입을 위해 바람길을 도입하고, 그 효과를 실증한 연구들이 다수 수행되었다. 그 중에서도 전산유체역학의 분석 방법론을 활용하여 도시지역에서의 바람길과 대기환경의 영향 관계를 정량적으로 분석한 연구[10], 도시 건설에 따른 대기환경 변화[11]와 건물 배치 형태별 바람길의 변화를 파악한 연구들이 주요하게 이루어졌다 [12][13].

미세먼지 농도를 분석 대상으로 한 연구로는 이건원(2019)이 경기도 판교를 대상으로 건축물의 배치 및 높이에 따른 미세먼지 농도의 공간적인 차이를 실증한 연구를 수행한 바 있는데, 실증 결과로 아파트 단지 내 대기 순환이 원활하지 않은 지점은 미세먼지 농도가 높아지고, 고도가 낮을수록 바람의 속도가 낮아지는 경향을 보이며, 이때에는 미세먼지 수치가 높은 패턴을 보였다 [14].

2. 대기질 관리를 위한 계획 내 바람길 적용사례

중국 쓰촨성(四川省, Sichuan province)의 청두시(成都市, Chengdu city)는 과학적인 분석 평가로부터 시작하여 도시기본계획을 수립하였다. 또한, 공간계획으로서 관리할 수 있도록 도시기본계획 내 제1통로(주요한 바람길) 및 제2통로(부수적인 바람길)를 통해서 바람길 분석 지도를 상세화 하였다 [15][그림 3].

그림 3. 중국 청두시의 바람길 분석·계획 지도

독일의 슈투트가르트(Stuttgart)는 독일 남부의 대표적인 산업도시로, 도심은 분지에 위치하여 도시의 평균 풍속이 약하여 (2m/sec) 대기오염 물질이 정체되는 특성이 있었다. 그리하여 1970년 후반 토지와 건물의 형태를 제한하여 ‘바람길’을 조성하고, 신성한 공기를 도심으로 유입하기 위해 F플랜(토지이용계획), B플랜(지구단위계획)에서 바람길 계획을 포함하였다 [16][표 1].

표 1. 슈투트가르트의 바람길 조성을 위한 세부 지침

미국 샌프란시스코는 1965년부터 1983년까지 급속한 도시화를 겪으며 초고층 오피스가 두 배 이상 증가하게 되는 소위 맨해튼화(Manhattanization) 현상을 겪었다. 도심 내 저층부의 쾌적성이 크게 저하되면서, 이를 보완하기 위해 1985년의 다운타운 계획 수립 시 도심지 내 바람의 영향의 최소화 및 바람에 의한 쾌적성 등과 관련된 규정이 포함되었다 [17][표 2].

표 2. 샌프란시스코 조닝 규정 내 요소별 바람 관련 규정

홍콩은 2003년 중증 급성 호흡기 증후군 발생으로 대기 통풍이 중요한 도시환경문제임을 인식하게 되었다. 그 뒤로 2005년까지 연구를 수행한 결과를 바탕으로 도시 내 대기 통풍을 위한 도시계획 표준지침을 작성하였다. 홍콩에서의 대기 통풍을 위한 주요한 계획 요소는 오픈스페이스, 가로배치 등으로 이를 도시계획·설계 가이드라인에 반영하고 있다 [18][그림 4].

 

그림 4. 홍콩 시의 도시계획·설계가이드라인(안)

오사카시는 향후 도시계획 및 재생 등에 활용하기 위한 바람길 네트워크를 구축하기 위해 도로·건축물, 하천, 공원녹지를 대상으로 바람길 시뮬레이션을 수행하였다. 분석 결과를 통해 오사카만으로부터 해풍이 불고 있을 때 지표면 가까이에서도 바람이 불 것이라고 생각되는 주요 하천과 도로, 쿨스팟이 되는 주요 공원녹지를 표시하여 이들의 네트워크를 환경축으로 설정함으로써, 도시계획 및 재생에 있어서 바람을 배려한 도시 만들기 추진에 활용하였다 [19][그림 5].

그림 5. 오사카시 바람길 네트워크 계획(안)

3. 소결

국외 사례를 검토한 결과 바람길 도입을 위하여 고려해야 할 사항을 다음과 같이 도출할 수 있었다. 첫째, 도시 내 바람길 도입을 위해서는 도시 주변의 차고 신선한 공기를 끌어들일 수 있는 방안을 모색하여야 한다. 둘째, 도시 내 바람길에 영향을 미칠 수 있는 주요한 인자로는 건축물 및 오픈스페이스의 배치를 고려할 수 있다. 셋째, 바람길 도입을 위해서는 지구단위계획 등 법제도 내 바람길 도입을 위한 공간적인 방안을 마련하여야 할 것이다.

Ⅳ. 바람길 적용을 위한 가이드라인의 적용가능성 검토

1. 세종시 건설지역의 찬 공기흐름

분석 결과, 서대산 일대(영대리, 달전리, 대박리 박산리 등)와 장군면 일대에서 많은 양의 찬 공기가 생성 및 유동되는 것으로 나타났다. 가장 많은 양의 찬 공기가 생성, 유동되는 지역은 서대산과 장군면 일대로, 비교적 많은 양의 찬 공기가 생성되나 시가화 지역의 높은 건폐율, 용적률에 의해 도심으로의 유동은 낮은 것으로 분석되었다. 세종시의 경우 도시개발이 급격하게 진행되고 있어, 시간이 지남에 따라 바람 유동은 더욱 악화될 것으로 예상되므로, 세종시 바람권역 설정이나 바람길 계획 등을 통하여 적절한 바람 유동 관리가 필요하다 [그림 6].

그림 6. 일몰 1시간뒤 찬 공기 생성

2. 바람길의 정의와 바람길의 효과

첫 마을 개발 전의 풍향 분석 결과, 남서쪽에서 지형의 영향으로 다소 흐름의 왜곡이 발생하는 것을 제외하면 유입되는 흐름과 유사한 방향의 흐름이 나타나고 있고, 수치 도면의 중심에서 흐름이 강하게 나타나고 있다 [그림 7]. 풍향을 고려한 평균 풍속은 유입류 대비 2-1 생활권에서 15%, 2-2 생활권에서 17%, 2-4 생활권에서 16%로 나타나고 있다(영역 평균).

그림 7. 첫마을 조성 전후 풍속변화 모의 결과

첫 마을 개발 후에는 공동주택 건설지역에서 건물의 영향에 의해 유입 흐름에 비해 풍향 변화가 크게 나타나며, 수치 도면의 중앙에서의 풍속이 가장자리에 비해 낮게 나타났다. 풍향을 고려한 평균 풍속은 유입류 대비 2-1 생활권에서 14%, 2-2 생활권에서 9%, 2-4 생활권에서 13%로 나타나, 2-2 생활권에서 풍속 감소가 두드러졌다.

3. 바람길 도입을 통한 미세먼지 저감 효과 검증

바람길 분석을 위해 북서측(연서면)에 입지한 녹지지역과 골프장에서 도시지역보다 미세먼지 농도가 낮은 신선한 바람이 생성되며, 생성된 신선한 바람이 도시지역으로 유입된다고 가정하였다. 공원․녹지 등 공공부지와 민간부지 내 공개공지․보행통로 등 바람길 확보에 기여 가능한 부지를 고려한 녹지축이 조성되어 있으며, 시뮬레이션을 실시하는 해당 대지의 현재 세대수 기준을 준용하여 약 1,500 세대의 200% 용적률로 설정하였다.

바람길 도입을 위한 건축 배치 타입은 현행 공동주택 건설에 따른 주동 형태 및 배치 특성을 참조하여 3가지로 유형화하였고, 판상형 유형에서 2가지 분석 형태, 타워형과 혼합형에서 각각 1가지 형태씩 총 4가지 형태의 분석모델을 설정하였다. 그리고 실험 모델의 주동 배치는 「세종시 건축조례」제40조(일조 등의 확보를 위한 건축물의 높이 제한) 제3항의 인동거리 규제(1:1)를 준용하였다 [그림 8].

그림 8. 바람길 시뮬레이션을 위한 단지배치

6-3생활권 B1 블록에 건축물이 건설되었을 때 지상 0.5m의 위치에서 풍속의 변화 정도를 분석한 결과, 판상형(바람길과 수직 방향)의 배치에서는 중앙녹지(바람길) 지역은 유입류 대비 130% 정도 풍속이 증가하고 있으나, 건축물 단지 내부의 풍속은 약해져(파란색으로 표현), 대기오염 물질 분산이 어려워질 것을 추정할 수 있었다. 판상형(바람길과 수평 방향)의 배치에서는 중앙녹지(바람길) 지역은 유입류 대비 143% 정도 풍속이 증가하고 있으며, 대기가 정체되어 있는 면적은 상당히 작아, 대기오염 물질 분산에 유리할 것으로 판단할 수 있었다. 타워형(V형) 배치에서는 중앙녹지(바람길) 지역은 유입류 대비 170% 정도 풍속이 증가하고 있으나, 여전히 건축물 단지 내부의 풍속은 약해짐을 알 수 있었으며, 혼합형(판상형 + 타워형) 배치에서는 중앙녹지 (바람길) 지역은 유입류 대비 156% 풍속이 증가하고 있으나, 건축물 단지 내부의 풍속은 상당히 약해져 대기오염 물질이 정체할 가능성이 높았다 [그림 9].

그림 9. 6-3 생활권(B1 블록) 풍속 및 풍향 변화 분석 결과

6-3생활권 B1 블록에 건축물이 건설되었을 때 지상 0.5m의 위치에서 3시간 후의 미세먼지 농도의 변화를 분석하기 위하여 현재의 농도를 초미세먼지가 ‘매우 나쁨’ 수준인 80μg/㎥으로 가정하고, 유입되는 대기의 미세먼지 농도는 5μg/㎥으로 보다 청정한 것으로 설정하였다. 판상형(바람길과 수직 방향)의 배치에서는 중앙녹지(바람길) 지역은 9.8μg/㎥(배경 농도 대비 12.2%)로 미세먼지가 상당히 분산되었으나, 대상지역 우측의 미세먼지는 여전히 정체되어 있는 것으로 나타났다. 판상형(바람길과 수평 방향)의 단지 배치에서는 중앙녹지(바람길) 지역은 6.5μg/㎥(배경 농도 대비 8.1%)로 미세먼지가 상당히 분산되었으며, 대상지역 전반적으로도 개선되었다. 타워형(V형) 배치에서는 중앙녹지(바람길) 지역은 6.2μg/㎥(배경 농도 대비 7.7%)로 미세먼지가 상당히 분산되었으나, 대상 지역 우측의 미세먼지는 여전히 정체되어 있는 것으로 나타났다. 마지막으로 혼합형(판상형 + 타워형) 배치 형태에서는 중앙녹지(바람길) 지역은 8.9μg/㎥(배경 농도 대비 11.2%)로 미세먼지가 상당히 분산되었으나, 대상지역 우측의 미세먼지는 여전히 정체되어 있는 것으로 나타났다[그림 10].

그림 10. 6-3 생활권(B1 블록) 미세먼지 농도 분석

결과적으로, 유형(b)와 유형(c)는 바람길을 확보함으로써 신선한 공기를 유입시키고 대상지 내 미세먼지의 분산과 배출이 원활히 이루어진 형태이며, 유형(a)와 유형(d)는 바람길과 수직 방향인 건물 배치로 병풍 역할을 하여 미세먼지 유입·분산을 어렵게 하는 형태로 해석할 수 있다.

Ⅴ. 바람길 구현을 위한 도시계획 대안 제시

CFD 모형을 활용한 단지 배치별 시뮬레이션 결과를 적용하여 바람길 구현을 위한 도시계획 대안을 다음과 같이 제시하고자 한다. 세종시 생활권에 대한 바람길 조성과 단지 배치 등의 사항은 지구단위계획을 통하여 실현되므로 지구단위계획 수립 시 이를 반영하도록 한다.

바람길 구현을 위해서는 단지 중심부 오픈스페이스를 확보하여 바람의 주통로를 확보해야 한다. 그리고 [그림 11]에서 제시하고 있는 유형(a)와 같이 바람길과 수평 방향으로 건물을 배치하거나, 유형(c)와 같이 타워형 건물의 배치를 통해 바람길이 차단되는 것을 지양하고 바람이 흐름을 원활히 해야 한다.

그림 11. 바람길 구현을 위한 도시계획 대안

또한, 개별 지구단위계획 수립 시 바람길(통로)이 계획 내용에 적절히 반영되어야 하며, 이를 위해서는 국토교통부의 「지구단위계획 수립 지침」에 [표 3]과 같이 바람길 확보를 위한 세부지침이 도입되어야 할 것이다.

표 3. 바람길(통로)이 반영된 지구단위계획 지침 개선안

Ⅵ. 결론

본 연구에서는 세종시를 대상으로 도시 조성 전과 후의 탁월풍의 풍속 및 풍향의 변화 과정을 분석하고, 일몰 후 생성된 찬 공기가 저지대를 따라 유동하는 특성을 파악함으로써 도시계획 수립 시 실질적으로 활용될 수 있는 있는 환경정보를 분석하였다. 나아가 블록단위에서 바람길과 순응하는 건축물을 배치하였을 경우 시간의 경과에 따라 미세먼지 저감 효과를 정량적으로 제시하여, 바람길이 미세먼지 저감에 효과가 있다는 사실을 검증하고 이를 통해 바람길 구현을 위한 도시계획 대안을 제시하였다는 점에 그 의의가 있다.

신도시 건설이나 생활권 규모의 도시계획 수립 시 바람길 도입을 위해 다음과 같은 계획기법들을 강조하고자 한다. 첫째, 산, 숲, 골짜기에서 내려오는 맑은 공기가 도시 내에서 원활히 유입되고 분산되어 미세먼지 농도를 낮출 수 있도록 계획 수립구역 내 바람통로를 조성하도록 한다. 둘째, 바람통로를 통해 유입되는 미세먼지 농도가 낮은 신선한 대기를 차단하지 않고 도시 내로 빠르게 유입․분산시킬 수 있도록 건축물 형태를 정하고 이를 적절하게 배치하도록 한다. 셋째, 바람 속도가 빠르고, 미세먼지 농도가 낮은 지역에 공원, 놀이터 등 이용자가 많은 시설을 우선 설치하도록 하여 미세먼지 로부터 안전한 옥외활동을 유도한다. 마지막으로 바람길의 필요성이 높은 지역에 대해서는 가급적 지구단위 계획 수립 시 3D 형상을 구체화할 수 있도록 지침을 마련해야 하며, 지침 마련 이전에 반드시 3D 모델링에 의한 CFD 등의 시뮬레이션에 의한 분석을 수행함으로써 바람길이 계획에 반영될 수 있도록 하는 과정을 수행할 것을 제안한다.

최근 들어, 봄철, 겨울철 고농도 미세먼지 일수가 증가하고 있어 이러한 원인과 지속기간 등에 대한 면밀한 분석이 필요하나, 본 연구에서는 미세먼지를 발생시키는 다양한 요소 및 인자를 고려하지 않고 도시 내 바람길을 활용한 미세먼지 저감 효과만을 다룬 한계가 있다. 이에 따라 후속적으로 고농도 미세먼지 발생 일수가 증가하고, 지속기간이 증가한 원인에 대한 연구가 이루어져야 할 것이다. 또한 건축물의 배치에 영향을 미치는 다양한 인자들을 고려한 건축물 배치 가이드라인에 대한 추가적인 연구가 필요할 것이다.

* 본 연구는 “박종순 외. 2019. 미세먼지 저감을 위한 국토· 환경계획 연계 방안 연구: 바람길의 적용을 중심으로. 세종: 국토연구원(2020년 3월 발간 예정)”의 일부 내용을 활용하여 작성되었습니다.