Efficient application of green infrastructure for improving air quality in residential complexes behind port area: Numerical analysis using computational fluid dynamics

Abstract

Korea is one of the countries with serious air pollution among OECD member countries. In particular, in port areas, large amounts of pollutants are discharged due to a large volume of maritime traffic, which accounts for a high proportion of air pollution in the area. Currently, policies to improve air quality mainly focus on regulating emission sources themselves. However, when examining the fluctuation trend of fine dust concentrations in major cities in Korea, the effectiveness of emission source regulation policies is being questioned, indicating the need for spatial management measures. This study focused on Busan Port, which handles more than half of the maritime traffic in the largest port city in Korea, and is expected to have poor air quality. More specifically, the study targeted the densely populated residential areas behind the port in Busan New Port. It was determined that a spatial measure is necessary to improve air quality in the Busan New Port area, moving away from the conventional approach of only regulating emission sources. In this study, green infrastructure, which is known to reduce various types of disasters and hazards, was utilized as a measure. The objective of this study is to quantitatively demonstrate the effectiveness of introducing green infrastructure in improving air quality in the residential areas behind the port in Busan, which is expected to have poor air quality due to processing more than half of the marine traffic in the city. Specifically, the study focused on densely populated residential areas within Busan New Port. To achieve the goal of improving air quality in the port area of Busan, it was deemed necessary to move beyond the conventional approach of regulating emission sources and adopt spatial strategies. In this study, various forms of green infrastructure were simulated in the target area, and computational fluid dynamics were utilized to quantitatively evaluate their effects and provide an optimal placement plan. In order to use the CFD model, a correlation analysis was conducted between field data such as air quality observation stations and meteorological information data, and it showed a correlation coefficient of 0.7 or higher, indicating that the data was reliable. The green infrastructure used in this study considered the vegetation form in the target area and utilized trees and shrubs, and simulations were conducted for a total of 30 cases by combining spacing and arrangement of green infrastructures. This study introduces green infrastructure as a spatial improvement strategy for the residential areas behind the port in the harbor area where fine dust pollution is high, but management measures are insufficient, and suggests a placement plan. This study is expected to serve as a fundamental basis for spatial improvement strategies for air quality in the port area in the future.

한국은 OECD 회원국 중 대기오염이 심각한 국가 중 하나이다. 한국 내에서도 항만지역의 경우 많은 해양 물동량으로 인해 다량의 오염물질이 배출되고 있으며, 이는 해당 지역의 대기오염의 주 원인으로 높은 비중을 차지하고 있다. 현재 국내의 대기질 개선을 위한 정책으로는 배출원 자체만을 규제하는 정책이 주를 이루고 있다. 하지만 국내 주요 도시의 미세먼지 농도의 변동 추이를 살펴보았을 때, 배출원 규제 위주 정책의 효용성이 의문시되고 있으며 보다 공간적인 측면에서의 관리 방안이 필요함을 시사하고 있다. 본 연구는 한국의 항만도시 중 규모가 가장 큰 부산의 절반 이상의 해상 물동량을 처리하여 대기질이 좋지 않을 것으로 판단되는 부산산항을 대상으로 하였다. 더 세부적으로는, 부산신항 내에서도 인구가 밀집되어 있는 배후 주거단지를 대상으로 연구를 진행하였다. 부산신항 지역의 대기질 개선을 위해 기존의 배출원만을 규제하는 방법에서 벗어나 공간적 측면에서의 대응 방안이 필요하다고 판단하였다. 본 연구에서는 그 대응 방안으로 다양한 재난재해를 저감해주는 것으로 알려져있는 그린인프라스트럭처를 활용하였다. 본 연구의 목적은 항만지역 배후 주거단지의 대기질을 개선하기 위해서 그린인프라스트럭쳐를 도입하였을 때, 정량적으로 얼마 만큼의 효과가 있는지 제시하고 나아가 그린인프라의 최적 배치안을 제시하는 것이다. 본 연구의 목적을 달성하기 위해서 대상지에 다양한 형태로 그린인프라스트럭처를 모의할 수 있고 그 효과를 정량적으로 나타낼 수 있는 전산유체역학을 활용하였다. CFD 모델을 활용하기 위해 미세먼지 관측소, 기상정보 데이터 등 현장 데이터와 상관성 분석을 진행하였으며, 결정계수 값이 0.7 이상으로 준수한 상관성을 보였다. 연구에 활용된 그린인프라스트럭처는 대상지역의 식재형태를 고려하여 교목과 관목을 활용하였고 식재 간격, 식재 배열을 조합하여 총 30개의 케이스에 대해 시뮬레이션하였다. 본 연구는 미세먼지 오염농도가 높지만 관리방안이 부족한 항만지역의 배후 주거단지에 대해 공간적 측면에서 개선 방안으로 그린인프라를 도입하였으며, 나아가 배치 방법을 제시하였다. 추후 본 연구가 항만지역 대기질의 공간적 개선 방안의 기초자료가 될 수 있을 것으로 판단된다.