Ecology and Resilient Infrastructure. December 2018. 219-228
https://doi.org/10.17820/eri.2018.5.4.219


ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 연구 방법

  •   2.1 조사지 개황

  •   2.2 조사 및 분석

  •   2.2.1 토지피복지도 갱신 및 LCZ 구분

  •   2.2.2 열환경 측정 및 분석

  • 3. 연구결과

  •   3.1 택지개발지구의 기후 특성 별 지역 구분

  •   3.2 기후지역별 열환경 특성

  • 4. 결 론

1. 서 론

최근 기후변화로 인해 한반도의 여름철 기온은 지속적으로 상승하고 폭염 일수 또한 점진적으로 증가하고 있다. 특히 기상청 보도에 따르면 올해의 여름은 관측 역사상 111일이라는 기록적인 폭염이 이어졌고 (Korea Meteorological Administration 2018), 이러한 기온 상승은 여름철에 발생하는 주요 재해 요소 중 하나로 보고 되고 있다 (Kim et al. 2006). 또한 이러한 기온 변화는 도시지역의 급속한 도시화와 함께 열환경을 변화시키는 중요한 요인으로 작용하였다. IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change)는 기후변화로 인해 도시 열파의 발생, 강도 및 기간이 지속적으로 증가할 것이라고 예측하였으며 (2007), 도시화에 따른 토지피복의 변화가 폭염 발생을 증가시키는 영향에 관한 연구 (Park et al. 2016), 도시의 구조적・공간적 지표를 활용하여 열환경의 취약성을 파악하는 연구 (Eum 2016) 등 다양한 연구 결과가 이를 뒷받침 하고 있다.

도시의 열환경 평가는 국제적으로 통용되고 있는 Physiological Equivalent Temperature (PET)를 활용하여 분석 가능하며, 우리나라에서의 관련 연구는 도시의 근린공원, 가로수, 조경 등 그린인프라를 활용한 열환경 관리에 관한 연구 (Kong et al. 2016, Park 2012)를 중심으로 이루어졌다. 도시의 공원, 수변, 경작지 등의 다양한 그린인프라 요소들은 경관・생태・물관리 및 자연환경 개선효과 측면에서의 긍정적 효과뿐만 아니라 열환경 관리 측면에서의 중요성도 부각되고 있는 것이다.

국내 택지조성사업은 수도권을 중심으로 안정된 주택공급을 목적으로 곳곳에서 이미 조성되었거나 진행중에 있다. 최근에 계획된 개발지구의 경우에는 공원・녹지의 면적이 과거에 비해 증가하였으며, 생태면적율 적용 지침의 제정 (환경부 2005)으로 환경영향평가 단계에서부터 어느정도 계획・관리가 이루어지고 있다. 하지만 열환경에 대한 부분은 별도의 관련 계획 및 정책이 부족한 실정이다.

따라서 본 연구에서는 수원시의 호매실 택지개발지구를 대상으로 기후적 특성에 따른 지역을 세분화하고, 각 지역별 미기후 측정을 통해 도시민이 체감할 수 있는 열환경 (PET) 특성을 파악하고자 했다 (Fig. 1). 또한 이러한 자료는 택지개발사업에 있어서 계획단계에서부터의 여름철 폭염을 대비 할 수 있는 공간계획 구상과 열환경에 효과적인 그린인프라 활용이 가능할 것으로 기대한다.

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Fig. 1.

Work flow process.

2. 연구 방법

2.1 조사지 개황

본 연구의 조사지는 수원시 권선구 금곡동, 호매실동 일원의 호매실 택지개발지구 북측 일부와 연접하고 있는 입북동 농경지를 대상으로 했다 (Fig. 2). 이는 그린벨트 해제 후 공공주택단지 조성이 완료된 지역으로서 최근 완료되었거나 현재 진행중인 택지개발지구의 특성을 잘 반영할 수 있으며, 시가화 지역을 비롯하여 초지, 수변, 농경지 등을 포함하는 다양한 토지피복 유형에 대한 열쾌적성 파악이 가능하기 때문이다. 대상지의 주변 여건은 수원시의 서쪽 끝자락에 위치하여 동쪽으로는 미개발된 농경지, 서쪽으로 칠보산이 위치하고 있으며, 북쪽으로 신규 택지개발지구인 당수지구의 개발이 계획 중에 있다.

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Fig. 2.

Current status of the study area.

2.2 조사 및 분석

2.2.1 토지피복지도 갱신 및 LCZ 구분

대상지는 2013년에 갱신된 환경부 중분류 토지피복지도를 기준으로 대부분의 지역이 택지개발로 인하여 피복의 변화가 발생했기 때문에 토지피복지도 작성지침 (환경부 2018)에 따라, 현재의 피복 상태를 반영하여 토지피복지도를 갱신했다 (Fig. 3).

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Fig. 3.

Land Cover Map in 2013 (a) and 2018 (b).

또한 시가화 건조지역에 해당하는 토지피복은 도시 내 기후적 특성을 고려한 공간 분류를 위하여 Stewart and Oke (2012)의 Local Climate Zone (LCZ) 체계에 따라 세분화 했다. LCZ은 전세계적으로 활용되고 있는 도시 기후의 유형화 방법으로서 도시내 피복의 상태 및 형태, 인공 구조물의 높이, 밀집도 등 기후에 영향을 미칠 수 있는 요소들을 기반으로 도시 지역을 세분화 하는 방법이다. 본 연구에서는 LCZ을 국내 실정과 택지개발지역인 대상지의 여건에 맞게 수정・보완하여 유형별 특성을 도출하고 지역을 구분했다.

2.2.2 열환경 측정 및 분석

대상지의 유형별 열환경 특성을 파악하기 위해 CNR-4 net radiometer, 온・습도계, 풍향・풍속계 등을 이용하여 태양복사 및 지구복사에너지, 기온, 습도, 풍향, 풍속을 측정했다 (Table 1). 측정은 여름철 폭염 시 도시지역의 기후 특성을 효과적으로 알아보기 위해 폭염주의보가 발령된 2018년 7월 19 - 20일 12:00시에서부터 16:00시까지 인간의 평균 가슴 높이인 1.2 m에서 태양 및 지구복사에너지는 5초단위로, 나머지 미기후 요소들은 1분 단위로 실시하였다. 측정장비운용의 제한 상 공원지역이 중첩되게 19 - 20일 양일간 총 9지점에서 미기후 자료를 측정하여, 공원지역 자료를 중심으로 Microsoft Office Excel 2014를 이용하여 보정하였다.

Table 1. Instruments for microclimatic data measurements

Instruments
Data Name Accuracy Manufacture
Radiation CNR4 Net Radiometer ≤ 1% (-40 - 80 ℃) Kipp & Zonen lnc
Air temperature and
Relative humidity
HMP155A Air temp.: ±0.3 ℃ (-80 - 60 ℃)
Relative humidity:
2 % (0 - 90 %)
3 % (90 - 100 %)
Campbell Scientific
lnc
Wind speed and
direction
Met one 034B-L
Windset
Wind speed:
±0.1 ms-1 ≤ 10.1 ms-1)
±1.1 % (≥ 10.1 ms-1)
Wind direction: ± 4°
Data logger CR1000 ±0.06 % (0 - 40 ℃)

현재 기상청에서 제공하는 열환경 관련 지수는 기온, 습도, 풍속 자료를 활용한 불쾌지수 및 체감온도이다. 하지만 도시에서 인간에게 영향을 줄 수 있는 기후 요소들은 기온, 습도, 풍속뿐만 아니라 하늘, 건축물, 수목 등 도시 내 다양한 시설과 공간에서 오는 태양 및 지구복사에너지도 있으므로, 본 연구에서는 이러한 요소까지 반영했다. 측정 데이터를 활용한 열환경 분석은 국내외적으로 가장 많이 사용하고 있는 PET를 활용하였다. 독일에서 개발된 PET 분석은 인간의 인체에 흡수되는 에너지양과 방출하는 에너지양을 정량적으로 계산하여 인간이 체감하는 열환경을 나타낸 지표로서 (Table 2), 기온의 형태로 계산한 평균복사온도 Tmrt (Mean radiant temperature)를 기온, 습도, 풍속과 함께 Rayman Pro (http://www.urbanclimate.net
/rayman)를 이용하여 산출한다 (Eq. 1).

Table 2. The indexes of PET (Matzarakis et al. 1999)

Thermal perception PET (°C) Grade of physiological stress
Very cold < 4 Extreme cold stress
Cold 4 - 8 Strong cold stress
Cool 8 - 13 Moderate cold stress
Slightly cool 13 - 18 Slight cold stress
Neutral 18 - 23 No thermal stress
Slightly warm 23 - 29 Slight heat stress
Warm 29 - 35 Moderate heat stress
Hot 35 - 41 Strong heat stress
Very hot > 41 Extreme heat stress

$$T_{mrt}=\left[\frac{f_pK_b\left(1-\alpha\right)+(K_d-K_r(1-\alpha)+\varepsilon L}{\varepsilon\sigma}\right]^{0.25}-273.15\left(℃\right)$$ (Eq. 1 from Park 2011)

여기서 fp는 태양직사광선이 도달하는 인체의 표면적 (projected area factor), Kb · Kd · Kr은 각각 태양의 직사광선・분사광선・반사광선이다. L은 지구복사에너지의 양, ε는 인체에서의 지구복사에너지 방사율 (emissivity), α는 인체의 태양복사에너지 반사율 (albedo), σ는 Stefan- Boltzman 상수 (5.67・10-8 Wm-2 K-4)이다.

3. 연구결과

3.1 택지개발지구의 기후 특성 별 지역 구분

연구대상지는 안정적인 주택 공급이라는 사업시행 목적에 따라 대부분의 대지가 공공주택을 중심으로 한 시가화건조지역, 그린인프라에 해당하는 공원, 산림, 수변지역으로 구성되어 있으며, 논, 나지 지역도 일부 포함하고 있다. 시가화 건조지역은 건축물의 높이, 밀집도, 그린인프라의 비율 등 다양한 지형지물의 상태와 기후에 영향을 미치는 조건에 따라 세분화하기 위해서 토지피복지도, 토지이용계획도 및 공간정보 오픈플랫폼 지도서비스 (국토교통부)에서 제공하고 있는 건축물 관련 지도 등의 데이터를 ArcGIS의 공간분석기법을 활용하여 분류했다. 이렇게 분류된 유형은 연구 대상지 외 최근 개발된 수원시의 타 택지개발지구와도 비교・ 분석하여 개발지역의 특성을 대표할 수 있도록 LCZ 유형을 도출했다.

Table 3은 Stewart and Oke (2012)의 LCZ 체계에서 제시하고 있는 기본적인 분류체계를 기반으로 국내 택지개발지구의 특성을 유형화한 모형이고, Table 4는 유형화된 4가지 유형이 대상지 이외의 택지 개발지구에도 잘 부합하는지를 타 지역의 개발 사례에 비교해본 결과이다.

Table 3. Urban development projects in Suwon

site classification Properties*
1 Open high rise http://static.apub.kr/journalsite/sites/kseie/2018-005-04/N0190050403/images/kseie_05_04_03_T3(1).jpg LCZ 4: openly arranged buildings tens of
stories tall trees and pervious cover (low plants)
concrete, steel and stone construction materials
2 Compact mid rise http://static.apub.kr/journalsite/sites/kseie/2018-005-04/N0190050403/images/kseie_05_04_03_T3(2).jpg LCZ 2: tightly packed buildings of 3 to 9 stories
tall few if any tree
little or no green space concrete construction
materials
3 Open low rise http://static.apub.kr/journalsite/sites/kseie/2018-005-04/N0190050403/images/kseie_05_04_03_T3(3).jpg LCZ 5: openly arranged buildings of 1 to 3
stories tall trees and pervious cover (low plants)
brick, stone and concrete construction materials
4 Transportation (Parking lot) http://static.apub.kr/journalsite/sites/kseie/2018-005-04/N0190050403/images/kseie_05_04_03_T3(4).jpg LCZ E: featureless landscape of rock or paved
cover few or no trees road, parking lot etc.
asphalt materials
*The LCZ framework of urban (Stewart and Oke 2012)

Table 4. Classification of urban development projects in Suwon

classification Development project
Gwanggyo Shindong Homaesil
Area 11.3 km2 295,635 m2 3,116,341 m2
Period 2004 - 2020 2006 - 2015 2006 - 2014
Open high rise Chamnurilake A.P.T. Lamian youngtong markwon A.P.T. Humansia A.P.T.
Compact mid rise 1322-5, Iui-dong 926-3, Sin-dong 1344-14, Homaesil-dong
Open low rise 1147-14, Sanghyeon-dong (Yongin-si) - 1063-3, Geumgok-dong
Transportation (Parking lot) 1307-3, Iui-dong 931-5, Sin-dong 1071, Geumgok-dong
http://static.apub.kr/journalsite/sites/kseie/2018-005-04/N0190050403/images/kseie_05_04_03_T4(1).jpghttp://static.apub.kr/journalsite/sites/kseie/2018-005-04/N0190050403/images/kseie_05_04_03_T4(2).jpghttp://static.apub.kr/journalsite/sites/kseie/2018-005-04/N0190050403/images/kseie_05_04_03_T4(3).jpghttp://static.apub.kr/journalsite/sites/kseie/2018-005-04/N0190050403/images/kseie_05_04_03_T4(4).jpg

LCZ의 4가지 유형은 그린인프라・오픈스페이스를 적절히 보유한 고층 아파트 지역, 상업 및 상가주택 유형의 건축물이 밀집되어 있는 상업지역, 화단・정원을 일부 보유한 단독주택 지역, 그 외의 주차장・도로 등의 교통시설로 구분되며 (Table 3), 이러한 분류 특성이 최근 진행된 택지개발사업에서도 적절히 반영될 수 있는지를 확인하기 위해서 연구 대상지인 호매실지구 이외의 수원시 광교신도시, 신동지구에서도 동일한 형태로 비교했다. 그 결과 Table 4에서 각 개발 사업의 제시된 위치들을 중심으로 LCZ의 4가지 유형이 적절히 반영되는 것을 확인할 수 있었다.

3.2 기후지역별 열환경 특성

3.1에서 도출된 LCZ의 4가지 지역, 그린인프라 및 기타 지역의 유형별 열환경 측정을 위해서 각각의 지역별 특징이 잘 반영될 수 있고, 4시간동안 지속적인 측정이 가능한 곳으로 연구대상지 내 총 9곳의 지점을 선정하였으며 (Fig. 4), 각 지점에서의 시간대별 측정 및 분석 결과는 Fig. 5와 같다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kseie/2018-005-04/N0190050403/images/kseie_05_04_03_F4.jpg
Fig. 4.

The nine locations for microclimatic data measurements.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kseie/2018-005-04/N0190050403/images/kseie_05_04_03_F5.jpg
Fig. 5.

Air temperature (a), Relative humidity (b), Mean radiant temperature (c) and PET (d) at the nine locations.

기온은 전체 9지점 중 산림에서 가장 낮게 나왔으며 (30.0°C), 그린인프라 지점 (논: 30.6°C, 수변: 31.1°C, 공원: 31.3°C)이 그레이인프라 지점 (시가화지역: 31.6°C- 32.4°C)보다 약 1°C 정도 낮은 결과를 보여 주었다. 상대습도는 그린인프라 지점 (56.7% - 65.0%)이 식물의 증발산효과로 그레이인프라 지점 (52.6% - 54.2%)보다 약 5% 높게 나왔다. 지점별 가장 큰 차이를 보인 미기후요소는 평균복사온도로서, 그레이인프라 지점에서 64.0 - 68.8°C가 나온 반면에 그린인프라 지점인 산림 (31.7°C), 논 (43.9°C), 수변 (52.8°C)에서 급격히 낮은 결과를 보여 주었다. 그러나, 공원은 61.1°C로 나타나 측정지점인 건조한 잔디밭의 복사에너지 저감 효과는 높지 않았다 (Fig. 5).

Fig. 6는 대상지의 가장 긴 축인 A (북동측) - A’ (남서측)를 기준으로 9곳의 측정 대상지점들을 일렬로 나열하여 표현한 그림으로서, 대상지내 지형지물의 분포 패턴과 인프라 (그린・그레이)의 종류에 따른 열환경의 차이를 보여준다. 폭염주의보가 발령된 혹서기의 택지개발 지구의 열환경 지수는 전체적으로 높은 수준으로 나타났다. 특히 그레이인프라에 속하는 시가화지역과 나지의 경우 열스트레스의 상태가 극한 (PET지수 44°C이상)에 달하는 결과를 보였으며, 반면 그린인프라로 구성된 산림, 논과 수변은 이에 비해 1 - 2단계 낮은 열스트레스 (PET 30.9°C, 34.9°C, 39.8°C)를 나타냈다. 그린인프라인 공원의 경우 논이나 수변에 비해 높은 열스트레스 (PET 43.3°C)를 보였는데, 이것은 그린인프라의 구성요소에 따라 열환경의 차이가 있기 때문이다. 조사지를 비롯한 신규 택지개발지구에 조성된 근린공원들은 잔디밭, 화단, 산책로 등 개방된 공간 비율이 높은 형태로 조성된 경우가 많은데 (Fig. 7), 이것은 토지이용상 공원이라 할지라도 폭염 시 수목이나 시설물에 의한 태양복사에너지의 차폐 효과가 적으므로 결과적으로는 열환경 개선에는 큰 영향이 없음을 알 수 있다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kseie/2018-005-04/N0190050403/images/kseie_05_04_03_F6.jpg
Fig. 6.

The distribution pattern of study area and diagram of PET.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kseie/2018-005-04/N0190050403/images/kseie_05_04_03_F7.jpg
Fig. 7.

Neighborhood parks of land development project site.

4. 결 론

본 연구에서는 택지개발지역에 대하여 기후특성별 지역을 구분하고 각각의 지역에 대한 열환경을 비교・분석했다. 이 결과를 토대로 여름철 폭염 및 이상기온에 대비해 보다 쾌적한 도시공간 조성을 목표로 계획단계에서부터 열환경 개선을 위한 방안을 제안하고자 했다.

연구 대상지인 수원시 호매실지구는 최근 사업이 진행되고 있는 택지개발지구들의 토지이용 유형별 대표적 특성을 고루 포함하고 있다. 이 지역을 대상으로 토지피복과 LCZ의 구분 체계를 국내 실정에 맞게 보완하여 지역을 세분화하고, 열환경 분석을 위해 폭염주의보가 발령된 시기에 기온, 습도, 풍속뿐만 아니라 태양 및 지구복사에너지를 측정했다. 측정한 자료는 현재 기상청에서 제공되고 있는 불쾌지수 등 생활기상지수보다 인간이 느끼는 열에 대한 구체적인 영향 파악을 위해 열쾌적성 분석을 시행했다. 이 결과, PET지수가 47.1°C인 나지와 47.0°C인 고밀도의 중층 지역 (compact mid rise)이 가장 극심한 열스트레스 상태를 보였으며, 개방된 고층・저층 지역 (open high・row rise), 교통지역 순으로 열스트레스가 높은 것으로 나타났다. 반면 산림지역 (30.9°C), 논 (34.9°C), 수변지역 (39.8°C)은 1 - 2단계 낮은 열스트레스 지수를 보였다.

분석 결과를 바탕으로 택지개발지구의 열환경 개선 방안을 제시하면 다음과 같다. 공원 조성 시 수목의 비율을 높여 누적되는 태양복사에너지의 양을 조절하면 열환경 개선 효과가 있을 것으로 나타났다. 그린인프라에 속하는 공원이라 할지라도 태양직사광선이 들어오는 개방된 형태일 경우 폭염 시 열환경 개선에는 큰 도움이 되지 못하는 것으로 나타났다. 현재 계획되고 이미 추진된 택지개발지역의 경우, 개발지구 전체면적 대비 공원의 비율은 예전에 비해 높아졌지만 수목의 비율이 높은 도시숲의 형태가 아닌 개방된 형태의 공원이 비교적 많은 편이다. 따라서, 개발 지역내 주민이 느끼는 열스트레스를 낮추기 위해서는 공원 내 수목의 차양효과를 극대화 하는 공원 계획을 통해 열환경을 개선 시킬 필요성이 있다.

또한 건축물의 밀도 조정을 통해서 열환경을 개선시킬 수 있음을 알 수 있다. Fig. 6에 따르면 건축물의 간격이 넓고 적당한 녹지가 있는 경우 조밀한 중층 지역 (compact mid rise)보다 미세하게 낮은 열스트레스값을 나타냈다. 즉, 공개공지, 공공공지, 화단 등 도시내 오픈스페이스의 충분한 배치를 통해 열환경을 개선 시킬 수 있는 것이다. 마지막으로 주차장, 나지와 같은 공지의 경우에는 잔디나 지피식물 등을 활용한 피복 재질의 변화를 주는 것이다. 이러한 재질의 변화만으로도 열스트레스를 한단계 정도 낮출 수 있는 개선 효과를 기대할 수 있다.

물론, 도시의 전체적 열환경 경향을 파악하기 위해서는 보다 대축척의 주변환경 인자를 고려한 측정과 분석이 필요하고 다년간 모니터링을 통하여 자료를 축적하는 것이 중요할 것이다.

본 연구결과는 현재 곳곳에서 추진되고 있는 택지개발사업에 있어서 계획 수립단계에서부터 열환경을 고려한 공간 계획과 중・장기적 정책이 수립된다면 그린인프라의 적절한 구성 및 효과적인 활용을 통하여 여름철 폭염 시 해당지역 주민의 열스트레스를 어느정도 경감시킬 수 있을 것으로 기대한다.

Acknowledgements

이 연구는 환경부 국립환경과학원의 ‘국토환경연동제 지원을 위한 그린인프라 적용 연구(I) (NIER-2018- 01-01-049)’ 과제로 수행되었습니다.

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