물수지 분석을 통한 빗물 저류조 비용편익 분석
Analysis on Cost-Benefit of Rainwater Storage Facility through Water Balance Analysis
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Abstract
일정 규모 이상의 공공건축물에 대하여 빗물저류조의 설치는 의무화 되어있으나, 빗물저류조의 용량 결정에 관한 기준은 부처별, 기관별로 상이하고, 동일 기관 내에서도 통일되지 않은 다양한 기준이 적용되는 경우가 많다. 또한, 빗물저류조는 일반적으로 Benefit-Cost ratio (B/C)가 낮게 산정되어 경제성 측면에서는 부정적인 평가를 받고 있다. 따라서 본 연구에서는 빗물저류조에 대한 기존의 비표준적인 용량 기준 문제를 개선하고, 보다 효율적인 용량 결정 방안을 제시하고자 하였다. 이를 위해 본 연구에서는 빗물저류조의 실사용 측면에서의 효용성을 고려하고자 물수지 분석을 통한 편익 산정 및 저류조 용량 결정 방안을 제시하였다. 실증 분석은 토지주택연구원 내 빗물저류조를 대상으로 하였으며, 대전광역시의 2019년 실제 강우 자료를 바탕으로 물수지 분석을 수행하였다. 그리고 빗물저류조의 편익 평가요소들로는 우수유출 저감, 폭염 저감, 미세먼지 저감, 조경 용수 사용 등을 선정하였다. 또한, 편익 분석은 저류조 용량 및 집수면적별로 이루어졌으며, 이에 따른 빗물저류조 최적 용량 결정을 위한 가이드를 제시하였다.
Trans Abstract
The installation of rainwater storage facilities is mandatory for public buildings over a certain size. However, the standards for determining the capacity of rainwater storage facilities vary by ministries and agencies. Even within the same institution, various unifying standards are often applied. In addition, rainwater storage facilities generally have a low B/C (Benefit-Cost ratio), which is negatively evaluated in terms of economy. Therefore, this study sought to improve the existing non-standard capacity reference problem for rainwater storage facilities and to suggest more efficient capacity determination measures. To this end, the study proposed a plan for calculating the benefits and determining the capacity of the reservoir through the analysis of the water balance in order to take into account the utility of the rainwater reservoir in terms of actual use. The empirical analysis was conducted on rainwater storage facilities in the Korea Land and Housing Institute, and the water balance analysis was conducted based on the actual rainfall data of 2019 by Daejeon Metropolitan City. Among the factors to evaluate the benefit and cost of rainwater storage facilities were the reduction of rainwater runoff, reduction of heat waves, reduction of fine dust, and use of landscaping water. In addition, the benefit analysis was conducted by the reservoir capacity and collection area, and the guide for determining the optimum capacity of the rainwater reservoir was presented accordingly.
1. 서 론
MLTM (2011)의 수자원장기종합계획에 따르면 우리나라의 경우 강우로 인한 연간 수자원 총량은 1,323억 m3로, 이 중 28%에 해당하는 372억 m3 댐, 하천, 지하수를 통해 사용 가능하며 손실량을 제외하면 바다로 유실되는 수자원이 약 30%에 해당한다. 이에 따라, 빗물의 재사용이 대두되고 있으며, 특히 빗물 관리를 통한 물의 재사용이 주목적인 빗물저류조는 호우 시 우수유출 저감을 통한 도시홍수 저감, 조경 및 청소용수로써 사용을 통한 도시 내 쾌적 환경 조성 등 많은 기대효과가 존재한다. ME (2016a)의 환경통계연감에 따르면 광역시들의 빗물 평균 산성도는 약 pH 5.0으로 조사되었다. 깨끗한 빗물의 pH가 5.6인 것을 감안 할 때 초기우수배제 및 수처리를 통해 다양한 부분에서 빗물의 활용이 가능하다. 또한, ME (2018a)의 물이용부담금 부과⋅징수 가이드에 따르면 2006년부터 2016년까지 물이용부담금은 매년 증가하는 추세로 빗물 이용을 통한 수자원 확보가 필요한 실정이다. ME (2018b)의 하수도 통계에 따르면 전국 1,560개소의 빗물저류조가 설치되어 있고, 저류조 용량은 4,562,836 m3이며, 연간사용량은 7,018,853 m3로 총 48억 원을 절감하는 것으로 조사되었다. 정부가 빗물저류조 설치사업을 적극 추진하여 2016년 기준 전국에 전년 대비 483개소가 늘어난 2,043개의 빗물저류조가 설치되었으나, 2018년 ME 국감자료에 의하면 이 중 시설의 효율측정에 필요한 계측정보가 제대로 파악되는 시설은 약 7% (152개소)에 불과하여 대부분 운영관리가 부족한 실정이다. 지자체에서는 지속적으로 소규모 빗물저류조 설치사업을 추진하는 등 빗물 관리를 적극적으로 추진하고 있으며, 대⋅소규모 사업에 있어서 빗물저류조의 설치가 지속되는 것과 반대로 빗물저류조를 통한 빗물의 활용은 부실한 실정이다. 따라서 정부 및 지자체에서는 빗물저류조의 설치를 의무화하는 동시에 점차 증가하는 빗물저류조를 효율적인 운영 및 관리할 수 있도록 사용처를 확대하고 지속적인 운영방안 구축에 대한 고민이 필요하다. 기존의 연구들은 장기간에 걸친 빗물저류조의 경제성 평가에 대한 연구가 다수 진행되었다. Mun and Han (2009)은 주상복합단지 내 저류 시설 설치비용과 유지관리비를 고려하여 35년에 걸친 경제성 분석을 하였다. Kim et al. (2014)은 섬 지역의 학교에서 학교 용수로써 10년에 걸친 경제성 분석을 하였다. 그러나 기존 연구들에서는 편익 분석 시 빗물 사용 목적이 상수도의 대체용수로써 국한되어 왔다. 따라서 본 연구에서는 빗물저류조의 다양한 빗물 이용을 고려하여 물수지 분석을 통한 비용 편익을 산출하고자 하였으며, 산출된 비용 편익을 기준으로 빗물저류조의 최적 용량을 결정하였다. 빗물 이용 목적 및 편익 평가요소로는 우수유출, 폭염, 미세먼지 저감 및 조경 용수로의 활용을 선정하였다. 본 연구는 기존의 비표준적인 용량 기준의 문제점을 보조하고, 효율적인 빗물저류조 용량 결정을 위한 기초자료로 활용가능하다.
2. 빗물 이용 비용-편익 평가요소
빗물저류조의 빗물 사용은 상수도 이용의 대체 효과에 국한되지만, 본 연구에서는 실효성 측면에서의 편익 분석을 위해 빗물 이용의 목적으로써 우수유출, 폭염, 미세먼지 저감 및 조경 용수로의 활용을 편익 평가요소로 선정하였다.
2.1 우수유출 저감
홍수기 빗물저류조의 가용 저류 공간 활용을 통한 침수저감효과를 분석하고, 그에 따른 편익을 산정하였다. 호우주의보 발령일에 대하여 빗물 저류 가능 여부 및 그에 따른 침수 저감 면적을 개략적으로 산정하여 그에 따른 편익을 분석하였다. 강우량만으로 호우주의보 발생일을 상회하는 날이 다수 있었으나, 빗물저류조의 사용 지역에 상관없이 일반적으로 사용할 수 있도록 기상특보 발령일을 우수유출 저감에 대한 효과 분석 기준으로 설정하였다. 호우 관련 기상특보 발표 기준은 6시간 강우량이 70 mm 이상 예상되거나 12시간 강우량이 110 mm 이상 예상될 때의 호우주의보와 6시간 강우량이 110 mm 이상 예상되거나 12시간 강우량이 180 mm 이상 예상될 때의 호우경보를 기준으로 한다. 호우에 따른 용량 5~700톤의 범위 내에 다양한 용량을 기준으로 비교 분석하였다. 우수유출 저감에 따른 편익 계산은 MOIS (2018)의 풍수해 보험료 산출방법에 따라 Fig. 1(a)와 같이 토지주택연구원에 설치된 빗물저류조로 인해 저감 되는 침수면적(m2)당 편익비용은 백만 원으로 산정하였다.
Rainwater Storage Facility and Installed Nozzles in Land & Housing Institute
2.2 폭염 저감
빗물저류조에 저장된 빗물로 미스트를 살포하여 온도 저감효과를 분석하고, 그에 따른 편익을 산정하였다. 폭염 저감효과의 적용 운영 시기는 1년 중 온도가 가장 높은 6월에서 8월로 설정하였다. 운영조건은 강우 발생을 제외한 최고 기온이 30 °C 이상인 경우로 선정하였다. 운영시간은 LH공사의 일반적인 도시운영 계획 등을 참조하여 10시부터 18시까지 총 8시간을 운영하는 것을 가정하였다. 1일 분사량은 토지주택연구원 내 폭염 및 미세먼지 저감 목적으로 설치된 기존 47개의 노즐(Fig. 1(b))의 성능을 고려하여 연구원 내 각 건물의 입구 주변 3개소에 총 9,360 L를 살포하는 것을 기준으로 하였다. 폭염 저감을 위한 미스트 살수 기준은 일 최고 기온이 33 ℃ 이상인 상태가 2일 이상 지속될 것으로 예상 될 때의 폭염주의보와 일 최고 기온이 35 ℃ 이상인 상태가 2일 이상 지속될 것으로 예상될 때의 폭염경보를 기준으로 한다. 폭염 저감으로 인한 편익 계산은 온도를 LH (2020)의 기후변화를 고려한 빗물이용 활성화 방안 연구 의 실험 결과를 적용하여, 3.4 ℃ 저감을 목표로 가정하였다. 이때, KEA (2018)의 에너지 편람에 따르면 2018년 기준 국내 연구소는 63개소로 1개 연구소의 평균 에너지 소비량은 4,070 toe로 추정되었다. Park et al. (2010)의 연구에서 공공기관 및 2,000 toe 이상 사용 건물의 평균 냉난방 에너지 소비율 54.5%이었으며, MOLIT (2019)의 2018 주거용 건물에너지 사용량 현황에 따라 주거용 건물에서 냉난방비 중 냉방비 비율인 9%를 본 연구에서는 10%로 적용하였다. 그러므로 냉방비 3.4 ℃ 조정에 따른 에너지 절감률은 28.8%로 계산되었다. KEA (2018)의 에너지 편람의 3년치 1차에너지 수입액 기준 단가를 기준으로 1 toe당 비용 339,056 원/toe를 적용하였다. 따라서 미스트 살수를 통한 빗물 1 L당 폭염 저감 편익은 리터당 8.70원의 값으로 산정되었다.
2.3 미세먼지 저감
빗물저류조에 저장된 빗물로 미스트를 살포하여 미세먼지 PM10농도를 기준으로 저감효과를 분석하고, 그에 따른 편익을 산정하였다. LH (2019)의 미세먼지 저감 도시 조성기법 및 사례 연구에 따라, 공기 중에 물입자를 분사하여 미세먼지를 습윤하게 하고 이때 발생한 점성에 의해 응결시키는 원리를 이용하여 미스트를 통한 미세먼지 발생을 억제할 수 있다. 미세먼지 저감을 위한 미스트 살포 시기는 1년 중 3월에서 11월로 설정하였다. 운영조건은 미세먼지 PM10농도가 미세먼지 나쁨인 81 μg/m3 이상인 날인 경우로 선정하였다. 운영시간은 LH공사의 일반적인 도시운영 계획 등을 참조하여 07시부터 19시까지 총 12시간을 운영하는 것을 가정하였다. 토지주택연구원 내 폭염 및 미세먼지 저감 목적으로 설치된 1일 분사량은 기존 47개의 노즐의 성능을 고려하여 연구원 내 각 건물의 입구 주변 3개소에 총 14,040 L를 살포하는 것을 기준으로 하였다. 미세먼지 예보 등급 기준은 다음의 Table 1과 같다. 미세먼지 저감에 따른 편익은 대기오염물질 중 총 부유먼지의 저감에 따른 편익비용으로 산정하였으며 Cho and Son (2004)의 대기오염 개선이 건강에 미치는 사회적 편익 추정연구에 따라 458,600 원/톤의 저감에 따른 편익으로 계산하였다. 또한, Gong (2017)의 제2차 수도권 대기환경관리 기본계획 변경(안) 마련을 위한 대책별 삭감량 산정 연구에 따라 도로 먼지 제거 장비의 분진 및 PM10의 제거량 추정치를 기준으로 미세먼지 1톤을 저감하기 위해서는 20톤의 살수량이 필요한데, 이를 적용하면 미세먼지 저감을 통한 사회적 편익은 리터당 22.93원으로 산출되었다.
Find Dust Forecasting Grade
2.4 조경 용수 활용
빗물저류조에 저장된 빗물을 조경 용수로 활용하는 경우, 점적 물주기 방식을 선정하였고, 그에 따른 편익을 산정하였다. 운영 시기는 1년 중 3월부터 11월을 산정하였으며, 운영조건은 7일 이상 무강우 발생 시 조경 용수로써 활용하였다. 운영시간은 07시부터 09시까지 총 2시간을 운영하였다. 살수 범위는 ME (2016b)의 생태면적률 적용지침에 따라 토지주택연구원 대지면적의 40%로 적용하였으며, 살수량은 1일 28,800 L로 계산하였다. 조경 용수 활용에 따른 편익은 Kim (2007)의 울산지역 도시공원의 가치측정의 1인당 평균 지불 의사 금액인 7,113원을 도시공원 가치를 계량화하여 편익으로 계산하였으며, 이때 평균 가구원 수는 2.4명으로 계산하였고 현재가치는 물가상승율을 반영하였다. 따라서 토지주택연구원 조경 및 근린공원으로 인한 지불 의사 금액은 근무자 수 200명으로 계산하여 조경 용수 이용을 통한 편익은 리터당 3.53원으로 산출되었다.
3. 적용 및 분석
3.1 대상 지구 및 시설 현황
본 연구에서는 적용 지역으로 대전의 토지주택연구원(Fig. 2(a))을 선정하였다. 집수면적은 하단 Fig. 2(b)에서 음영으로 표시된 부분인 3개의 건물 지붕 면적의 합으로 선정하였다. 살수 범위는 3개 건물의 입구 주변 3개소로 선정하였다. 토지주택연구원 전체 면적과 집수면적에 대한 정보는 Fig. 2와 같으며, 대상 지구 특성은 다음 Table 2와 같다.
Land & Housing Institute in Daejeon
Properties of Study Area
3.2 물수지 분석결과
본 연구에서는 빗물저류조의 편익 평가요소로써 우수유출 저감, 폭염 저감, 미세먼지 저감, 조경 용수를 설정하였다. 빗물저류조의 수질을 고려하여 저류가능량은 초기우수 5 mm를 제외한 양이며, 빗물저류조의 용량을 초과하는 강우에 대해서는 방류하였다. 2019년 총 62회의 용수사용일 중 용수 사용이 중복되는 경우에는 편익비용이 높은 미세먼지 저감, 폭염 저감, 조경 용수 순으로 빗물을 사용하였으며 부족한 수량에 한해서 수돗물로 보충하였다. 동일 용량의 빗물저류조라 할지라도 집수면적에 따라 운영양상은 달라질 수 있다는 것을 인지하여야 한다. 빗물저류조의 용도별, 사용빈도 및 총사용량은 다음 Table 3과 같다.
The Frequency and Rainwater Usage of Rainwater Storage Facilities
앞서 말한 빗물 사용 시 부족한 수량에 대해서는 수돗물을 사용하였다. 용수 사용 총량은 같지만, 빗물저류조의 용량이 줄어들수록 가용 빗물량이 줄어들기 때문에 해당 용수 사용을 위한 수돗물 사용량이 증가하였다. 빗물저류조의 용량별 저류율 및 빗물 사용량은 다음의 Tables 4, 5와 같다. 또한, 빗물저류조 용량 50 ton일 때 집수면적 별 물수지 분석결과는 다음의 Fig. 3과 같다.
Water Usage of Rainwater Storage Facilities (Catchment area 500 m2)
Water Usage of Rainwater Storage Facilities (Catchment area 1,000 m2)
Cost-Benefit Ratio According to Catchment Areas
3.3 저감효과 분석결과
2019년에 대전광역시에 호우와 관련하여 발표된 기상특보(호우관련)는 9월 5일 호우주의보 1건이 존재하였는데, 이에 따라 우수유출 저감효과를 분석하기 위하여 9월 5일의 강우사상을 적용하였다. 빗물저류조 용량 5~700톤에 대하 여 각 용량별 침수저감효과를 분석하였다. 그 결과 빗물저류조 설치로 인한 우수유출 저감효과는 빗물저류조 설치 전 침수면적이 38,800 m2인데 반하여 38,375 m2로 425 m2의 침수면적이 감소하였다. 이는 토지주택연구원 건폐율을 10%로 가정하면 건물침수면적 42.5 m2에 대한 침수저감효과가 발생하였다. 따라서 총 우수유출 저감 편익비용은 42,500,000원으로 산출되었다. 폭염 저감효과를 분석하기 위해 대전시 2019년 6~8월 중 최고 기온이 30 ℃ 이상인 41일을 적용하였으며, 이날 중 강우가 발생한 3일을 제외한 총 38일에 대하여 355,680 L 살수하였다. 이에 따라 적용 지역의 온도 3.4 ℃를 저감하는 데에 발생한 폭염 저감 편익비용은 총 21,659,819원으로 산출되었다. 미세먼지 저감효과를 분석하기 위해 대전시는 2019년 1년의 3~11월 중 PM10 농도가 81 μm/m3 이상인 15일을 적용하였다. 총 210,600 L를 미세먼지 저감을 위하여 빗물을 살수하였다. 총 미세먼지 저감 편익비용은 4,835,376원으로 산출되었다. 조경 용수 이용을 통한 효과를 분석하기 위해 대전시 2019년 3~11월 중 무강우일수가 7일 이상 지속된 횟수인 14회를 적용하였다. 총 403,200 L의 빗물을 조경 용수 목적으로 살수하였다. 총 조경 용수 이용 편익비용은 1,423,296원으로 산출되었다.
3.4 Benefit-Cost 분석 및 저류조 용량 결정
본 장에서의 B/C를 선정하기 위하여 토지주택연구원에 설치하는 빗물저류조를 기존 설치 사례 중 Cho (2005)의 빗물관리시설의 운영과 유지관리방안 연구에서 서울숲의 실제 설치비용을 적용하였다. 설치비용은 m3당 552,813.76원과, 연간 유지관리 비용인 1,914,007원을 적용하여 B/C값을 산출하였다. 우수유출 저감은 1,000,000 원/m2(침수면적 감소)의 편익이 산정되었으며, 폭염 저감은 8.70 원/L, 미세먼지 저감은 22.93 원/L, 조경 용수 활용은 3.53 원/L의 편익비용이 산정되었다. 단 폭염, 미세먼지 저감 및 조경 용수의 활용은 상수 사용 시 상수도 요금 절감인 1,060 원/톤을 내포한다. 물수지 분석을 통한 집수 용량 및 집수면적 별 빗물저류조의 B/C를 Fig. 3의 그래프들로 나타내었다. 그래프 초기에는 일괄적으로 시설 용량이 커질수록 설치비용이 상승하기 때문에, 크기 증가에 반비례하여 편익이 줄어들지만, 어느 순간 편익이 급상승한다. 이는 우수유출 저감효과의 개입으로 인한 편익 상승의 결과이다.
4. 결 론
일정 규모 이상의 공공건축물에 대하여 빗물저류조의 설치는 의무화 되어있으나, 빗물저류조의 용량 기준은 기관별로 상이하고 이에 따라 편차가 크게 발생한다. 또한, 빗물저류조는 일반적으로 Benefit-Cost ratio (B/C)가 낮게 산정되어 경제성 측면에서는 부정적인 평가를 받고 있다. 빗물이용의 활성화를 저해하는 원인을 분석하여 우리나라의 실정에 맞는 종합적이고 체계적인 빗물활용방안을 제시한다면 필수적인 설치요소로 자리하는 빗물저류조의 효율적인 운영이 가능하다. 따라서 본 연구에서는 대전광역시에 위치한 토지주택연구원을 대상으로 빗물의 다양한 용도별 효용성과 편익을 산출하고 물수지 분석을 수행하였다. 용량 및 집수면적별 B/C를 산정하여 최적 용량 결정을 위한 가이드를 제시하고자 하였다. 이를 활용하여 공사감독자는 현장여건의 허용범위 내에서 빗물저류조의 용량을 결정하는 것이 빗물저류조의 효율적 활용에 도움이 되리라 사료된다. 빗물저류조의 경제성은 용량에 따라 결정된다는 보편적인 관념이 존재하지만 물수지 분석결과, 용량보다는 빗물의 사용 용도와 사용량에 따른 편익비용의 중요도가 높음을 확인하였다. 이는 비경제적이라는 평가를 받아왔던 빗물저류조의 인식 전환을 위해서는 빗물저류조 감독자 및 시공자들이 빗물의 재사용 시 사용 용도와 그에 따른 사용량에 대한 중요도를 인지할 필요가 있다. 본 연구의 한계는 대전이라는 지역적인 제한과 2019년도의 기상 데이터를 사용한 기상학적 특수성에 있기에, 타 지역에 적용 시 빗물 이용 용도별 사용량별 편차가 크게 발생할 수 있다. 이에 따른 빗물 저류조 적정용량 판단기준이 지역별, 기후별로 매우 상이할 것으로 예상되며 향후 지역적⋅기상학적 특수성에 대한 보완 연구가 반드시 필요하다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원의 스마트시티 혁신성장동력 프로젝트 지원으로 수행되었음(과제번호 19NSPS-B154314-02).