도심 도로변의 지역의 건물은 공기의 환기 및 오염물질 확산을 저해하여 고농도로 존재하게 하는 요소 중 하나다. 그리고 도심 도로변은 차량의 통행량이 많은 지역이다. 차량에서 주요 배출되는 오염물질은 질소산화물(Nitrogen oxides, NOx)이 53%로 가장 많이 배출되고 있으며 인체에 악영향을 주는 것으로 알려져 있다. 또한, 도심 도로변 지역은 건물 외에 가로수도 존재한다. 가로수의 효과 중 공기역학적 효과는 가로수 주변 공기의 흐름을 방해한다. 건식 침적 효과는 나뭇잎의 기공 또는 표면을 통해 다양한 오염물질 농도를 흡수하여 감소시킨다. 따라서, 가로수의 효과와 건물 구조를 반영한 연구가 필요하며 이를 연구하기 위해서는 건물 구조와 가로수, 기상조건 등 다양한 상호작용을 고려할 수 있는 수치 모델이 필요하다. 많은 선행연구에서는 이를 반영할 수 있는 수치 모델 중 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 모델을 이용하고 있다. 가로수 효과를 반영한 선행연구 결과에 따르면 이상적 건물 구조에 가로수 존재 시 오염물질 농도를 증가시켰고 가로수의 공기역학적 효과가 건식 침적 효과보다 큰 것으로 나타났다. 하지만, 실제 도심 도로변은 건물이 이상적이지 않고 다양한 구조로 되어있으므로 도로변 내 가로수가 도로변 대기질에 긍정적 또는 부정적인 기여를 제공할 가능성이 있는지에 대한 논쟁의 여지가 남아있다. 따라서, 본 연구는 가로수의 효과를 반영한 CFD 모델을 이용하여 건물 구조가 다른 도심 도로변 지역을 선정하고 가로수 존재로 인한 NOx 농도를 비교하였다. 그리고 공기역학적 효과와 건식 침적 효과를 따로 분리하여 NOx 농도에 영향을 분석하였다. 또한, 가로수 존재 시 NOx 농도 증가 및 감소 효과가 가장 큰 기상 조건 및 건물 구조에 대해 제언하고자 한다.
연구 지역은 도로 폭과 건물의 밀집도에 따라 각 도로의 특성을 구분하여 서울특별시의 종로, 을지로, 세종대로다. 연구 기간은 2019년 1월 28일 07시, 09시와 29일 14시, 16시다. 현장 측정은 이동형 측정 차량을 이용하여 연구 지역의 NOx 농도 현황을 파악하였다. CFD 모델의 도메인은 현장 측정 지역과 같으며 식생의 공기역학적 효과와 건식 침적 효과를 반영하여 수행하였다. 모의 대상 오염물질은 NOx다. 시나리오는 가로수가 없는 경우, 가로수가 있는 경우, 가로수의 공기역학적 효과만 고려한 경우, 건식 침적 효과만 고려한 경우로 구분하였다.
가로수로 인한 NOx 농도 감소율은 세종대로, 을지로, 종로 순으로 높았다. 감소율이 높았던 시간대에서는 공기역학적 효과와 건식 침적 효과가 NOx 농도를 감소시키는 역할을 했다. 그리고 건식 침적 효과보다 공기역학적 효과로 인한 NOx 농도 감소가 컸다. 감소율이 낮았던 시간대에서는 공기역학적 효과가 NOx 농도를 증가하는 역할을 했다. 따라서 가로수로 인한 NOx 농도 감소율은 건식 침적 효과보다 공기역학적 효과가 지배적이었다. 가로수의 공기역학적 효과는 건물의 밀집도가 높은 지역일수록 NOx 감소율이 낮았다. 그리고 공기역학적 효과는 풍속이 강할수록 NOx 농도 감소율이 낮았다. 건물의 비율이 낮은 지역일수록 가로수로 인해 NOx 농도가 증가한다. 가로수로 인한 NOx 농도 영향은 공기역학적 효과가 건식 침적 효과보다 지배적이므로 공기역학적 효과를 좀 더 고려해야 하며, 건식 침적 효과는 침적 속도에 따라 크게 변동하기 때문에 정확한 침적 속도를 이용하여 고려해야 한다. 도심지에 가로수를 심는다면 건식 침적 효과보다 공기역학적 효과를 좀 더 고려해야 하고 세종대로 지역처럼 건물의 비율이 낮고 바람이 약하게 부는 지역에 심는 것이 좋은 조건이었다. 건물의 비율이 높고 종로처럼 건물 구조로 인해 가로수 주변에 바람이 강하게 부는 지역은 가로수로 인해 오염물질 농도가 증가하는 조건이었다. 따라서, 도심 도로변에 가로수를 심는다면 건물의 비율이 낮은 지역이거나 바람이 약하게 부는 지역이 가장 좋은 조건이라고 볼 수 있다

Buildings along the roadside in urban areas are one of the factors that hinder the ventilation and diffusion of contaminants to make them present at high concentrations. In addition, the roadside of inner cities is an area with heavy traffic. Nitrogen oxides (NOx) account for the largest proportion(53%) of the main pollutants emitted from vehicles and are known to adversely affect the human body. Meanwhile, roadside areas in cities have street trees besides buildings. Among the effects of street trees, the aerodynamic effect interferes with the flow of air around the trees. The dry deposition effects reduce pollutants at various concentrations by absorbing them through the pores or surfaces of the leaves. Accordingly, a study that reflects the effects of street trees and building structures is necessary, and in order to study them, a numerical model that can take into account various interactions such as building structures, street trees, and weather conditions, etc. is required. Many precedent studies have used Computational Fluid Dynamics (CFD) models among the numerical models that can reflect such factors. According to the results of precedent studies reflecting the effects of street trees, when the ideal building structures had street trees, the concentration of pollutants increased and the aerodynamic effects of street trees were found to be greater than those of dry deposition. However, actually, the buildings of urban roadside are not ideal, and have various structures, so, there remains controversy over whether roadside trees are likely to provide positive or negative effects to the air quality of roadside. In this context, this study selected the roadside areas of inner cities with different building structures, using the CFD model reflecting the effects of street trees, and compared NOx concentrations according to the presence of street trees. Then, the aerodynamic effects and dry deposition effects were separated and the effect on the NOx concentration was analyzed. In addition, this study would like to suggest the weather conditions and the building structures that significantly increase and decrease NOx concentration in the presence of street trees.
The study areas were Jong-ro, Eulji-ro, and Sejong-daero in Seoul, and the characteristics of each road were classified according to the width of the road and the density of buildings. The study was conducted at 07:00, 09:00 on January 28, 2019, and at 14:00, 16:00 on January, 29. For field measurement, the current status of NOx concentration in the study areas was checked using a mobile measurement vehicle. The domain of the CFD model is the same as the field survey areas, and was performed by reflecting the aerodynamic and dry deposition effects of vegetation. The simulated pollutant was NOx. The scenarios were divided into the following cases; where there were no street trees, where there were street trees, where only aerodynamic effects of street trees were considered, and where only dry deposition effects were considered.
The reduction rate of NOx concentration brought by street trees was highest in the order of Sejong-daero, Eulji-ro, and Jong-ro. In the time period when the reduction rate was high, the aerodynamic effect and the dry deposition effect played a role in reducing the NOx concentration. In this case, the aerodynamic effect reduced the NOx concentration more than the dry deposition effect. In the time period when the reduction rate was low, the aerodynamic effect played a role in increasing the NOx concentration. Accordingly, for the reduction rate of NOx concentration brought by street trees, it was dominated by aerodynamic effects rather than dry deposition effects. For the aerodynamic effect of street trees, the higher the density of buildings, the lower the reduction rate of NOx concentration. In terms of the aerodynamic effect, the higher the wind speed, the lower the reduction rate of NOx concentration. In the areas with lower building proportions, NOx concentrations increase due to street trees. For the effect of street trees on NOx concentration, since the aerodynamic effect is more dominant than the dry deposition effect, we need to consider the former more. The dry deposition effects fluctuate greatly with the deposition rate so a correct deposition rate should be applied. In conclusion, if we plant trees in urban areas, we should consider aerodynamic effects more than dry deposition effects. The areas where the ratio of buildings is low and the wind is weak, such as Sejong-daero, was found to be a good condition for planting trees. In the areas where the ratio of buildings is high and the wind is strong around the trees due to the structure of buildings, such as Jong-ro, the concentration of pollutants increased due to the street trees.