1. 서 론
최근 도시화가 급격히 진행됨에 따라 강우 시 물이 빠르게 배수되어 도시 홍수 현상이 일어나며 평상시에는 도심하천에 물이 흐르지 않는 하천건천화 현상이 일어나고 있다. 이런 왜곡된 도시 물순환 문제는 이상기후 현상과 맞물려 해결해야 할 도시 문제로 부상하였다. 이에 대응하여 자연에 최소한의 영향을 주며 개발하는 저영향개발(Low Impact Development, LID) 기술이 대두되고 있다.
LID 기술은 자연의 저류, 침투, 여과, 증발산 등의 기작을 모방하여 개발 이전의 수문순환 상태에 최대한 유사하게 개발하는 기법으로 크게 저류형 시설, 침투형 시설, 식생형 시설이 있다. 식생형 시설 중 하나인 벽면녹화는 구조물의 벽면을 피복 녹화하는 시설로 도시 내에 짧은 시간에 녹지 면적을 만들 수 있으며 구조물의 벽면에 내린 빗물이 천천히 배수되도록 하여 강우유출수를 저감하는 효과가 있다. 또한, 식물을 피복함으로 복사열의 감소와 지하 수분의 증산작용으로 건축물을 화재로부터 보호할 수 방화기능이 있으며, 식물로 인해 열 손실을 줄여 온도⋅습도 조절 및 에너지 절약 기능, 대기 정화 기능의 여러 가지 이점이 있다.
벽면녹화의 기능에 대한 국내의 선행 연구로 Lee (1997)은 도시생태계 및 환경 개선을 위한 방안으로 벽면녹화를 연구하였고, Kim et al. (2012)은 식생의 종류에 따른 벽면녹화의 선호도를 분석하였다. Lee et al. (2011)은 생태면적률 적용지침에 따라 대학 캠퍼스의 건물을 중심으로 생태면적률을 증가시키는 방법으로 벽면녹화 설치에 따른 생태면적을 산정하였다. 또한, 벽면녹화의 온도 조절 성능에 대하여 Kim et al. (2016)은 3가지 유형의 도심지 거리협곡을 만들어 미기상을 측정하여 열환경 평가인자를 사용하여 열환경 개선 정도를 평가하였고, Ko et al. (2022)은 건물 외피를 통해 실내외로 열이 전달되는 매커니즘을 확인하였다. 이외에도 Seok et al. (2008)은 벽면녹화와 옥상녹화의 적용 유무에 따른 에너지 저감 성능을 분석하고 시뮬레이션을 통하여 설치 효과를 단열재로 환산하여 수치화하였고, Moon and Lim (2018)은 벽면녹화의 방화기능에 주목하여 원예식물을 사용한 화재확산 방지용 벽면녹화 시스템을 구축하여 그 효과를 입증하였다.
벽면녹화의 강우유출수 저감효과를 증명하기 위한 연구는 크게 실제 벽면녹화를 설치하여 저류량을 산출하는 방법과 모델링을 통해 효과를 입증하는 방법으로 나뉜다. Barry et al. (2014)은 벽면녹화를 이용한 빗물관리 측면에서의 효과를 옥상녹화와 비교하기 위해 초기강우유출수 저장능력과 총 저류량을 사용하였고 그 결과 벽면녹화는 옥상녹화와 비슷한 효율을 보임을 확인하였다. Ostendorf et al. (2011)은 실제 18개의 원형 그린 월을 설치하여 자연강우가 내렸을 때의 유출량을 측정하여 강우량과의 차이로 감소량을 계산하였다. 그 결과 벽면녹화는 작은 강우사건에서 첨두도달시간을 지연하는 효과가 큰 것을 확인하였다. 이후 Ostendorf et al. (2021)은 식물 종과 설치 벽면에 따른 저류량을 비교하였다. Daniel et al. (2008)은 벽면녹화의 유출량을 계산하기 위해 물순환 과정을 기반으로 증발산량을 유출감소량을 가정하여 저감량을 계산하였다. 그리하여 옥상녹화, 그린 도로와 연계하여 설치하여 전체 감소율이 13%일 경우, 옥상녹화는 3% 벽면녹화 6%, 그린 도로 3%의 영향을 미친다는 결과를 얻었다. Lau and Mah (2018)은 실제로 높이 700 mm × 넓이 700 mm × 깊이 200 mm인 모듈을 총 17개 벽면에 설치하여 첨두유량을 계산하였다. 또한, SWMM (Stormwater Management Model) 모델링을 통해 토양 종류, 재현기간, 강우시간에 따른 우수유출량 저감률을 비교하였다. 이와 같이 외국에서는 벽면녹화의 강우유출수 저감에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있지만 국내의 경우 주로 녹화에 따른 온도 조절 성능이나 식생에 관한 연구로 강우유출수 저감 및 첨두유출량 저감에 관한 연구는 미비한 상태이다.
따라서, 벽면녹화의 저류 효과를 정량적으로 도출하기 위해 벽면녹화 설치에 따른 강우유출수 및 지체시간 지연효과를 실험을 실증하고, 관측 데이터를 사용하여 구축된 SWMM 모델을 통해 벽면녹화의 저류 효과를 정량적으로 분석하였다.
2. 이론적 배경
2.1 LID
LID는 도시개발 이전의 자연상태의 수문특성과 유사하도록 개발이 자연에 주는 영향을 최소로 하는 기술이다. 과거 도시 물관리는 신속하게 빗물을 배수하는 것을 목표로 하였으나 심각해지는 이상기후, 집중호우에 따라 하천의 유량이 단시간에 집중되는 피해가 증가하게 되었다. 이에 강우를 발생하는 현장에서 소규모 단위로 지하로 저류, 침투시킴으로 강우유출수를 저감하는 LID 기술이 개발되었다(Water Environment Federation & American Society of Civil Engineers, 1992).
LID는 강우유출수 및 비점오염을 저감하는 기능과 함께 첨두유량 감소, 첨두도달시간 지체의 수문학적 기능과 함께 도시열섬현상 완화, 식생으로 인한 심미적 기능 및 자연친화적 공간 제공 등의 기능을 한다.
2.2 물순환 분석이론
토양층을 통해 침투되어 유출된 수량을 관측하여 강우유출수 저감을 확인할 수 있다. 벽면녹화의 강우유출수 저감실험에서 발생한 침투, 유출, 저류와 같은 수문시스템의 입력 및 출력은 Eq. (1)과 같은 수문학적 방정식을 사용해 계산한다.
여기서, I는 벽면녹화에 뿌려진 강우량, O는 유출량, S는 벽면녹화 내의 저류량을 표시한다.
물 순환과정 중 증발 및 증산과정은 수자원 시스템의 운영에 대단한 중요성을 가지지만 이는 단기간보다는 비교적 장기간의 수자원 양적 손실 정도를 판단하는 기준이 되며, 비교적 짧은 기간에 발생하는 호우시의 증발산율은 포화증기압과 실제증기압의 차이가 크지 않아 강우강도에 비해 대단히 작으므로 호우기간 동안의 증발산량은 거의 무시할 수 있다(Kim, 2019).
2.3 SWMM-LID 모델링
SWMM-LID 모형은 기존 SWMM 5.0 버전에 LID Control이 결합된 것으로 침투 및 저류 등 LID 기술 요소를 적용하여 강우유출수 모의 및 효율성 분석이 가능하다. SWMM-LID 모형으로 모의할 수 있는 LID 기술요소는 빗물정원, 식생체류지, 식생수로, 침투도랑, 옥상녹화, 우수홈통, 빗물통, 투수성 포장이 있다. 모형에서 LID 기술요소는 단위면적별로 기작이 정해진 층의 조합으로 표현되어 위에 제시된 LID 기술 요소 이외에도 기술요소의 각 층과 매개변수, 입력자료를 조절하여 구현할 수 있다(Shin et al., 2013; Kim et al., 2017).
LID 기술요소는 총 4개의 수직층(지표층, 토양층, 저류층, 투수포장)과 배수층의 조합으로 구현가능하며 각 기술요소들의 수직층 조합은 Table 1과 같다.
Table 1
Layers of LID Facility
3. 연구 방법
3.1 벽면녹화 현장실험 개요
본 연구의 벽면녹화 현장실험 대상지는 경상남도 양산시 물금읍 부산대학교 양산캠퍼스에 위치한 한국그린인프라저영향개발센터이며, Fig. 1과 같은 플랜터형 벽면녹화를 적용하였다. 플랜터형 벽면녹화는 건축물 외벽에 프레임을 설치하고 프레임에 식생플랜트를 부착하는 형식으로 건축물 외벽에 식생플랜트를 직접 부착하지 못하는 곳에 주로 사용된다. 식재 모듈은 길이 3 m × 높이 0.75 m의 테스트베드에 5열 12개로 총 60개의 모듈이 설치되었다. 각 모듈당 2개의 맥문동 화분이 설치되었으며 300 ml 크기의 화분에 토양과 함께 식재되었다.
벽면녹화의 LID 시설로서의 성능은 저류량으로 강우츄출수 저감효과를, 총 유출시간으로 지체시간 지연효과를 확인하는 방법으로 검증하였다.
3.2 강우 시나리오 선정
강우량의 백분위수 분석을 통한 빗물관리 목표량 설정은 대상 지역에 대해 최소 10년 이상의 유효강우(2 mm 이상)를 대상으로 최소 강우부터 최대 강우까지 나열한 후 특정 백분위수에 해당하는 강우량을 목표량으로 정하는 방법이다.
백분위수 빗물관리 목표량의 상세한 설정 방법은 다음 절차와 같다. ① 대상 지역의 최소 10년의 실강우 자료를 수집한다. ② 대상 기간의 전체 강우량 중 유효강우(2 mm 이하의 강우사상은 배제)이상 최소 강우까지 강우사상을 정렬하여 백분위로 나타낸다. ③ 관리하고자 하는 백분위수 강우량을 결정한다.
3.3 강우모사기 개요
본 연구에 사용된 강우모사기는 실제 규모의 LID형 시설로 수리적 기작 및 침투 특성을 분석할 수 있는 검증시험기기이다. 사형 및 지하경사형 및 지하수위 조건 상태에서의 LID 요소기술의 물순환 성능을 평가할 수 있으며 모델링의 기초 자료로 사용해 모델링을 통한 효율성 검증하는 데에 활용될 수 있다. 사용된 강우모사기의 구조는 Fig. 3과 같다.
강우모사기를 사용하여 벽면녹화의 저류 성능을 확인하는 방법은 다음과 같다. ① 시험하고자 하는 강우강도에 적합한 노즐을 선정한 후 강우량계를 균등배치하여 LID/W-스마트모니터링 시스템에 연결한다. ② 약 10분 강우를 분사하여 구현된 강우량이 목적하는 강우강도와 일치하는지 확인 한 후, 오차가 허용범위 이내일 경우 강우량계를 제거하고 강우모사기의 수로 끝에 집수시스템 수조를 설치한다. ③ 시험하고자 하는 강우를 검증기기의 강우분사 프레임을 통해 분사한 후 모니터링 시스템에 출력된 유출량을 기록한다.
3.4 SWMM 모델링 검보정
SWMM 모형 결과를 평가하기 위해 불투수면 실험 데이터를 바탕으로 검정하였으며 벽면녹화 설치 시의 데이터로 보정하였다. 검보정 과정의 정확성을 결정계수 R2를 사용하여 판단하였다. 결정계수 R2는 독립변수가 종속변수를 사용하여 예측할 수 있는 정도를 수치화한 것으로 값이 1에 가까울수록 독립변수가 종속변수인 결과값을 잘 나타냄을 의미한다. 본 연구에서는 모형의 결과값이 실험 관측값과의 유사 정도를 판단하기 위해 사용하였으며 그 식은 Eq. (2)와 같다.
여기서, yi 는 실제 실험 유량 관측값, xi 는 모형 결과값을 의미한다.
4. 연구 결과
4.1 벽면녹화 현장실험 결과
백분위 강우사상 관리기법을 기준으로 채택한 강우 30 mm/hr, 50 mm/hr, 70 mm/hr 시나리오를 1시간에 걸쳐 벽면녹화가 설치된 테스트베드에 모사하여 실험하였다. 유출수 저감효과를 확인하기 위하여 불투수면의 지표면유출을 대조군으로 설정하여 불투수면의 지표면 유출이 종료되는 시점까지 벽면녹화의 지표면 유출을 모니터링하였다. 또한, 유출 지체효과를 총 유출시간을 비교하였고 그 결과는 Table 3과 같다.
Table 3
Analysis of the Outflow Characteristics of Green Wall and Impervious Surface
30 mm/hr, 50 mm/hr, 70 mm/hr 시나리오별 유출률은 91.76%, 92.18%, 94.54%로 벽면녹화 설치 전에 대비하여 유출이 적게 발생하였다. 총 유출시간은 모두 벽면녹화 설치전 대비 47분, 88분, 58분 증가하여 지체효과가 있음을 확인할 수 있다.
4.2 SWMM 모델링
SWMM 모델을 구축하기 위해 필요한 입력자료는 유역폭, 유역평균경사, 유역면적, 조도계수 등이 있다. 유역은 똑같은 면적의 총 5개의 소유역으로 분할하였으며, 각각의 유역은 1열 12개의 모듈을 의미한다. 각 유역은 가로 3 m, 세로 0.15 m으로 총 면적은 가로 3 m, 세로 0.75 m 면적 2.25 m2이다. 유역경사는 모듈이 설치된 경사를 따라 0.02%를 적용하였다. 이렇게 구축한 모식도는 Fig. 4와 같다.
대조군인 불투수면은 불투수면 비율을 100%로 하였으며, Dstore-Imperv는 Water Environment Federation & American Society of Civil Engineers (1992)가 Design & Construction of Urban Stormwater Management Systems에서 제시한 값을 참고하여 1.27 mm를 사용하였다. % Zero-Imperv는 불투수면에서 요지저류가 거의 발생하지 않으므로 90~100의 값을 사용하였다. 조도계수로는 McCuen et al. (1996)이 제안한 매끄러운 아스팔트와 콘크리트면의 0.011~0.012와 Vieux et al. (2004)가 제안한 시가화 지역의 조도계수인 0.015과 비슷한 0.01을 사용하였다. 벽면녹화면은 LID control에서 지표층과 토양층이 있으며 저류층이 있는 생태저류지 시설을 사용하여 나타내었다. 초기토양포화도는 수분이 거의 없는 토양으로 가정하여 0%~10% 값을 사용하였다. 식생모듈을 설치하면 벽면의 대부분의 벽면이 식생이므로 불투수면은 20%~30%로 설정하였다. 식물의 생육에 필요한 토양의 공극률은 40%~60%이므로 50%로 설정하였다(Kim, 2020). 모델링에 사용된 유역과 생태저류지의 매개변수는 Tables 4와 5로 나타내었다.
Table 4
Subcatchment Properties
| Factor | Value |
|---|---|
| Area (m2) | 2.25 |
| Width (m) | 3 |
| % Slope | 0.02 |
| % Imperv | 100 |
| N-Imperv | 0.01 |
| Dstore-Imperv | 1.27 |
| % Zero-Imperv | 100 |
Table 5
Bioretention Properties
| Factor | Value |
|---|---|
| % of Area | 71.1~100 |
| % Initially Saturated | 0~10 |
| % of Impervious Area Treated | 20~30 |
| % of Pervious Area Treated | 70~80 |
| Soil Thickness (mm) | 8~10 |
| Soil Porosity | 0.5 |
| Storage Thickness (mm) | 5 |
벽면녹화 설치 전 SWMM 모형의 R2는 0.96~0.98, 벽면녹화 설치 후 모형의 R2는 0.93~0.94이며, 각 모델의 유출곡선은 Fig. 5와 같다.
시나리오 30 mm/hr, 50 mm/hr, 70 mm/hr 별 유출 종료시간은 99분, 109분, 110분, 총 유출량은 116.29 L, 163.49 L, 191.43 L, 유출저감률은 4.41%, 6.64%, 3.77%로 나타났다. 벽면녹화의 특성상 소량의 저류수가 긴 시간에 걸쳐 지속적으로 유출되므로 저류능력은 불투수면의 총 유출시간 동안으로 제한하였다. 저류량은 시나리오별 12.60 L, 13.76 L, 14.80 L로 유입량이 증가함에 따라 저류량이 증가하는 것으로 보인다. 하지만 유출저감율은 50 mm/hr 사상에서 가장 높게 나타난 것으로 보아 유입수의 일정량을 초과하면 저감효율이 감소되는 것으로 보인다.
효율이 극대화되는 강우강도를 얻기 위해 30 mm/hr, 50 mm/hr, 70 mm/hr 이외의 강우 시나리오에 대해 모의하였다. 40 mm/hr와 60 mm/hr 시나리오에 대해 모의한 결과 60 mm/hr의 효율이 40 mm/hr보다 높았다. 이후 55 mm/hr에 대해 모의한 결과 효율이 7.04%로 가장 높은 효율을 보임을 확인하였다. 모의한 강우강도와 저류율은 Fig. 6과 같다.
5. 결 론
벽면녹화의 강우유출수 저감 및 지체시간 지연효과를 확인하기 위해 현장실험 및 도시지역 유출해석모형 SWMM 모델링을 사용하여 저류 성능을 분석하였다.
1) 벽면녹화 현장실험 및 SWMM 모델링에서 유출종료시간이 지연되었다. 현장실험에서는 유출종료시간이 114분, 158분, 126분으로 불투수면일 경우와 비교하여 47~88분의 시간이 증가하였다. SWMM 모델에서는 99분, 109분, 110분으로 18분~48분 유출종료시간이 지연되었다.
2) 벽면녹화는 강우유출수가 식생을 거쳐 소량의 유출수가 계속 배출되는 특성이 있어 불투수면의 유출시간과 같은 시간 동안의 저류량을 비교하였다. 그 결과 현장실험은 저류량 10.71 L, 13.68 L, 12.29 L SWMM 모델링 12.60 L, 13.76 L, 14.80 L로 모두 저류량이 불투수면에 비해 증가됨을 확인하였다.
3) 현장실험과 모델링으로 벽면녹화의 강우유출수 저감 및 지체시간 지연효과를 저류량과 유출종료시간으로 확인하였다. 지연효과와 저감효과는 30 mm/hr와 50 mm/hr의 결과를 바탕으로 강우량이 증가함에 따라 증가하는 것으로 판단되지만, 70 mm/hr 시나리오에서 모두 효과가 감소하는 것으로 보아 일정량을 초과하면 시설 효율이 감소하는 것으로 보인다.
4) 본 연구는 유출량, 유출시간 측면에서 LID 시설로서의 벽면녹화의 성능을 평가한 결과 유출량이 감소하고 유출시간이 증가하는 효과가 우수함을 확인하였다. 추후 다양한 벽면녹화의 제원, 강우사상의 조건에서 실험이 이루어진다면 벽면녹화의 수문학적 성능을 정량화하여 설치 가이드라인으로 활용될 수 있을 것으로 보인다.
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