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J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 24(2); 2024 > Article
표면장력과 모세관 상승을 이용한 도시침수 방지

Abstract

In urban areas, flood damage often arises from urban inundation, particularly when stormwater accumulates in the lowlands during heavy rainfall. However, installing or upgrading rainfall-runoff reduction facilities in advanced land-use areas poses significant spatiotemporal and economic challenges. Therefore, an alternative approach is needed to manage runoff during periods of excessive rainfall without having to modify the existing facilities. In view of this, the rainfall-runoff reduction mechanism using the surface tension of water and capillary rise of porous materials was examined through experiments. Furthermore, the effect of flood prevention was evaluated within a study basin using the InfoWorks ICM model. The findings indicate that urban inundation can be reduced through the storage effect induced by capillary rise.

요지

도심지 저지대의 경우 호우 시 우수가 집중되어 도시침수로 인한 피해가 발생하고 있다. 그러나 토지이용이 고도화된 도심지에서는 우수유출저감시설의 설치나 기존 시설의 개선이 시⋅공간적, 경제적으로 어려워 기존 시설물을 존치하고 목표강우량 이상의 강우 발생 시 유출량을 저감할 수 있는 대안이 필요한 실정이다. 따라서 물의 표면장력과 다공성 물질 등의 모세관 상승 현상을 이용한 우수유출저감시설을 실험을 통해 검토하고 연구대상 유역에 InfoWorks ICM 모형을 이용해 적용하여 도시침수 방지효과를 검토한 결과 모세관 상승 현상으로 인한 저류효과를 통해 유역의 저지대 침수발생을 저감할 수 있을 것으로 판단된다.

1. 서 론

강우의 빈도와 도시화는 자연적⋅사회적 원인에 의해 점차 증가하고 있어 최근 10년간 호우와 태풍으로 인해 3조 1,946억 원의 재산피해와 사망 120명, 이재민 115,137명의 피해가 발생하여 최근 10년간 자연재해로 인한 피해 총액 대비 약 92.7%의 피해를 야기하였으며 이에 따른 복구비는 9조 9,366억 원으로 피해액 대비 약 3.1배가 소요된 것으로 나타났다(Ministry of the Interior and Safety, 2023).
이에 따라 우수를 배제하는 내수배제 시설이나 우수저류시설과 같은 수공 구조물의 계획빈도 또한 점차 상향되고 있는 추세이다.
최근의 우수유출저감과 도시침수방지에 대한 연구를 살펴보면 Lee et al. (2022)는 2000년대 이후 국내 주요 학술논문집에 수록된 도시침수 모의 관련 논문 160여편을 분석하여 기술의 발전 현황과 국내 도시침수 모의 기술의 활용목적별 동향, 국외 및 연관 분야 연구동향에 대해서도 분석하였다. 분석 내용에 의하면 도시지역의 유수지 규모 결정을 위한 배수펌프 용량 결정에 관한 연구와 도시화에 따른 도시유역 유출변화 특성에 관한 연구 등을 2000년대 초반 연구 사례로 들 수 있다. 이후 도시지역의 지하공간과 건물의 영향을 고려한 도시침수 해석에 관한 연구가 진행되었다.
2010년 이후에는 기후변화의 영향을 고려한 확률강우량 변화와 도시지역 배수시스템 능력 평가에 관한 연구들이 다양하게 전개되었다. Song et al. (2014)은 집중호우에 의한 내수침수를 방지하기 위해서 현재 도시유역에 설치되어 있는 빗물펌프장의 운영은 호우사상의 예측에 따라 치수안전성을 향상시킬 수 있도록 제시하였다. Park and Shin (2015)은 침수방지 시설만으로도 침수피해가 줄어들 수 있지만 그 대책은 한계가 있어 토지이용과 건축적 대책 등을 병행할 필요성을 언급하였으며, Shin and Park (2015)은 지역구분 방법을 통해 내수침수의 효과적이고 맞춤화된 방지대책을 마련하는데 유역 대상으로 사례분석을 실시하였다.
도시유역의 우수관망 해석 시 많이 적용하는 모형인 SWMM (Storm Water Management Model)을 통해서 Seo et al. (2019)은 도시의 실제 발생하는 이상강우에 의한 침수를 방지할 수 있도록 월류형 우수배수방법을 연구하였으며, Kim and Lee (2015)은 XP-SWMM 모형을 적용하여 효율성이 높은 저감대책은 대비할 수 있는 지하저류조를 설치하는 것이 좋다는 결론을 도출하였다. Park et al. (2019)은 유역의 침수방지를 위해 강우의 빈도를 살펴보고 XP-SWMM 모델을 이용하여 미계측유역의 침수해석도 수행하였다. 도시지역의 침수 모의와 더불어 우수유출저감시설에 대한 연구로 Im et al. (2006)은 SWMM을 이용하여 국내 우수유출저감시설의 저감효과의 정량화 검토 방안연구를 하였으며, 투수성포장과 침투-저류시스템 중 침투-저류시스템의 저감효과가 더 높다는 결론을 도출하였다. M. Kim et al. (2011)은 소규모 도시유역에서 우수저류지 용량을 결정하려면 On-line 방법과 Off-line 방법에 대해 유입량과 유출량 사이의 최대 저류량을 간편하게 구하는 방법을 제안하였으며 Kang et al. (2015), Lee et al. (2017)의 경우 우수유출저감시설에 따른 적정위치와 저감효과, 침수면적에 대해 검토하였다.
최근에는 InfoWorks ICM (Integrated Catchment Modeling) 모형을 이용하여 배수 시스템의 개선 방안을 최적화하는 방법과 실제 사례를 통해 적용하는 연구가 해외에서 수행되고 있으며 Yang et al. (2021)은 깊은 터널 공사 프로젝트의 수문학적 영향을 모델링하고, 터널의 운영 효과와 수위 변화를 분석하였다. 또한 국내의 경우 An et al. (2022)은 InfoWorks ICM을 이용하여 태화강 국가정원 일원의 수치모델링을 통해 둔치침수의 양상을 분석하고, 둔치 내 각종 기반시설물의 계획 및 유지관리와 예⋅경보 매뉴얼 구축 등 도시 재난 복원력 강화에 기여하는 연구를 수행하였다.
또한 최근에는 기후변화와 탄소배출량 저감에 대한 대응 방안으로 특히 도심지에서는 저영향개발(LID)과 그린인프라(Green Infrastructure)에 대한 필요성이 대두되고 있으며 Kim et al. (2014)은 LID 적용 면적에 따른 우수유출 저감효과에 대해 분석하여 설치 면적 대비 효율에 대해 제시하였으며 Kim (2016), Jeon et al. (2018)은 비점오염물질의 유출특성, 처리기술, LID 및 GI 기술, 관리방안 및 정책 분야에서 1980년대부터 수행된 연구동향을 검토하고 향후 연구방향으로 민간주도의 비점오염원 관리와 제도의 마련을, 한국형 신기술의 개발, 다분야의 협력과 협업, 교육과 홍보를 제시하였다.
다공성 물질의 모세관 현상에 대한 연구는 토목분야 보다는 기계나 전자, 환경 등의 분야에서 연구 및 활용되고 있으며 Lee and Kim (2011)는 다공성 물질의 구조, 표면 에너지, 기공 분포, 투과성 등을 측정하여 다공성 물질의 기공 크기와 분포를 조절하고 표면 에너지를 감소시켜 모세관 상승을 억제하고 투과성을 향상시키는 효과가 있음을 확인하였으며 D. Kim et al. (2011)은 토양환경에서의 지하수 거동의 물리화학적인 영향에 대한 기본적 현상을 파악하고자 자체제작한 모세관을 이용해 표면장력이 일정할 때 모세관 수주의 높이는 모세관의 내경과 반비례하는 것을 확인하였다. Kim and Kim (2013)은 다공성 물질 내에서의 모세관 흡입과 각진 종이에서의 모세관 오름 현상을 실험을 통해 정량적으로 확인하였다.
이와 같이 기존 선행연구는 대부분 기존의 저류나 침투에 의한 우수유출저감시설의 설치 위치나 방법에 따른 성능과 효과를 분석하고 있으며 도시침수 모의를 통해 침수피해 분석을 수행하여 구조적, 비구조적인 대책이나 저영향개발에 대한 필요성을 제시하고 있는 것으로 나타났다. 또한 다공성 물질에 대한 연구는 방재 및 토목분야 보다는 기계, 전자 분야에서 연구 및 활용되고 있는 것으로 나타났다.
현재 설치되어 있는 우수유출저감시설 중 우수저류지 및 지하저류조와 같은 저류시설과 우수관거 및 배수펌프장과 같은 내수배제 시설은 설계빈도가 대부분 30에서 50년 빈도이며 이를 상회하는 강우가 발생할 경우 우수유출저감 기능을 상실하거나 오히려 재해를 유발할 수 있다.
그러나 기 설치된 우수유출저감시설의 계획 빈도를 상향하여 재가설하거나 신설하는 것은 사회적 합의와 막대한 비용과 시간이 소요되는 대규모 토목공사가 필요하며 도심지에서는 공간적 제약이 크므로 기존 시설을 존치하고 목표강우량 이상의 강우 발생 시 유출량을 저감할 수 있는 대안이 필요한 실정이다.
강우 시 침수피해가 발생하는 원인에는 여러 가지가 있으나 가장 근원적인 원인은 우수가 중력에 의해 낮은 곳으로 유하하기 때문일 것이다. Fig. 1과 같이 침수피해를 발생시킨 강우가 겨울철에 발생하게 된다면 강설이 되어 인공적인 이동이 없이는 저지대로 집수되지 않기 때문에 침수피해가 발생하지 않을 것이다.
Fig. 1
Comparison of Low Areas During Rainfall and Snowfall
kosham-2024-24-2-29gf1.jpg
금회 연구에서는 유체의 성질과 중력에 의해 침수 피해가 발생하는 것에 착안하여 또다른 자연현상인 표면장력과 모세관 현상을 이용하여 강우가 마치 눈과 같이 쌓여 저지대로 유하 및 집수되지 않는 방법을 모색하였다. 다공성 물질의 모세관 현상을 통해 표면장력이 소실되지 않도록 유지하여 침수가 발생하는 도시유역의 상류에 부피가 큰 물방울을 만들 수 있다면 기존 저류 방식의 저류시설이나 투수시설을 대신하여 유출량을 저감하고 침수를 방지할 수 있을 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 새로운 형식의 우수유출저감시설인 표면장력과 모세관 상승 현상을 이용한 우수유출저감시설을 제안하고 저감효과를 실험을 통해 검토하였다. 또한 제안된 시설을 연구대상 유역의 적정한 위치에 배치하여 도시침수 방지 효과를 검토하고자 한다.

2. 우수유출저감시설 검토

2.1 기존 우수유출저감시설

현재 실무에서 주로 사용하는 홍수유출 저감시설은 저감방법에 따라 저류형과 침투형으로 대별되며 저류시설은 사용용도와 설치위치, 연결 형태에 따라 다음과 같이 구분된다.
「자연재해대책법시행령」에 따른 우수유출저감시설의 종류는 Table 1과 같다.
Table 1
Type of Current Rainfall Runoff Reduction Facility
Devision Reduction process
Storage type Infiltration type
Purpose Flooded storage facility Dedicated storage facility Reduce runoff total amount
Install location on-site storage
⇨Reduce runoff total amount
off-site storage
⇨Reduce peak discharge
Connection type on-line storage off-line storage
Type Stone pore storage facilities, playground storage, park storage, Natural storage facilities, parking lot storage, complex storage, building storage, construction site temporary storage, wetlands, etc. Infiltration pipe/ditch/trench, permeable pavement/ sidewalk/ block
기존 우수유출저감시설의 문제점으로는 저류시설의 경우 설계빈도 이상의 강우에서 기능이 저하되며 대부분 대규모 토목구조물로 설치 비용이 과다하고 토지이용계획 반영이 필요하여 토지이용이 고도화된 도심지의 경우 설치나 증설이 어려운 점이 있다. 또한 침투시설의 경우 선행강우 발생 시 투수기능이 저하되며 노후화나 유지관리 미흡 시 침투능 저하, 한정적인 설치 위치와 저류시설에 비해 저감능력이 현저히 떨어져 보조적인 기능만을 수행하고 있는 실정이다.

2.2 연구방향

본 연구에서는 기존 우수유출저감시설의 문제점을 보완하기 위해 Figs. 2, 3과 같이 기존의 중력에 의한 우수의 배수와 저류시설을 이용한 저류, 침투시설을 이용한 지표 하 침투 방식이 아닌 물의 표면장력과 다공성 물질의 모세관 상승 현상을 이용하여 중력을 거슬러 물을 상부로 저류시키는 우수유출저감시설에 대하여 연구하였다.
Fig. 2
Rainfall-runoff Reduction Facility (Current)
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Fig. 3
Rainfall Runoff Reduction Facility Using Capillary Rise
kosham-2024-24-2-29gf3.jpg

3. 이론적 배경

3.1 표면장력

표면장력은 유체의 응집력 즉 액체 내부 분자 간의 인력으로 인해 액체의 표면에서만 발생하는 현상이다. 표면장력은 물방울에 작용하는 대기압과 내부의 압력, 표면장력이 평형을 이루고 있을 때 유지가 되므로 다음과 같은 Eqs. (1), (2)와 같이 표현할 수 있다.
(1)
P(πr2)Pe(πr2)σ(2πr)=0
(2)
σ=ΔP(πr2)2πr=ΔPr2=ΔPD4
여기서, σ는 유체의 표면장력이다.
강우와 같은 물은 수소 결합에 의해 분자 간의 인력이 크기 때문에 다른 액체에 비해 표면 장력이 크며 온도가 낮을수록 크다.

3.2 모세관 현상

모세관 침투 현상은 Bell과 Cameron에 의해 처음 연구되었고 Lucas와 Washburn에 의해 확장되어 중력과 관성력이 무시되는 경우 일정한 단면적을 가진 모세관 침투 현상이 연구되었다. 이 연구에서 Washburn (1921)은 곡관 내부에서 유체가 이송하는 현상을 1차원 운동량방정식을 이용하여 수식화하였으며, 실험을 통해 이의 타당성을 증명하였다. 이 식은 점성력과 모세관력의 균형식 Ep. (3)으로 모세관 침투현상을 묘사한 것으로 관경이 일정한 수평 모세관의 경우 Eq. (4), 평판일 경우 Eq. (5)와 같이 모세관 상승고를 구할 수 있다.
(3)
σ(2πr)cosθρg(πr2h)=0
(4)
h=2σcosθρgr
(5)
h=2σcosθρgt
여기서, θ는 접촉각, h는 모세관 상승고, t는 평판사이의 거리이다.
이 식은 일반적으로 Lucas-Washburn 식이라 하며 모세관현상의 경우 관의 직경이 증가하면 물을 끌어올리는 힘도 증가하지만 물의 무게를 고려할 경우 물의 무게는 직경의 제곱에 비례하므로 모세관상승 높이는 모세관의 반경에 반비례한다. 모세관이나 평판의 경우 관거의 지름에 따른 물의 상승고를 산정할 수 있으나 섬유나 스펀지와 같은 다공성 물질의 경우 크기나 간격이 일정하지 않아 중력의 영향을 받거나 그렇지 않은 공극이 발생하게 된다. 스폰지나 섬유의 경우 공극의 높이를h라 할 때 액체가 채우는 기공의 크기(r)는 다음의 Jurinʼs law Eq. (6)에 의하여 구할 수 있으며 Jurinʼs height 는 Eq. (7)과 같이 표현할 수 있다(Jurin, 1718).
(6)
rσρgh
(7)
HJ=σρgrp
여기서, rp는 다공성물질 공극의 크기이다.
본 연구에서는 일상생활에서 다양하게 사용되는 다공성 물질을 선택하여 실험을 통해 얻은 모세관 상승고를 Eq. (6)을 통해 복잡한 다공성 물질 기공의 평균크기를 산정하였으며 담수 조건이 아닌 배수조건에서의 강우 시 모세관 상승 현상으로 인한 유입량과 저류량을 Eps. (8), (9)와 같이 산정하였다.
(8)
Q=wlϕu(h)
(9)
Qstorage=wlϕh
여기서, ∅는 다공도, u(h)는 유속이다.
다공성 요소의 다공도는 다공성 요소의 특성상 성형조건이나 성분, 사용용도에 따라 크게 달라지므로 제품의 일반적인 평균값을 적용하였으며 강우 시에는 상부에서 낙하하는 강우의 침투 또한 저류가 가능하므로 강우의 낙하에 의한 값은 강우강도와 강우지속시간, 실험에서 산정된 각 다공성 요소의 공극 크기를 Eqs. (7), (9)에 적용하여 저류량에 대한 Ep. (10)으로 표현하였다.
(10)
Qstorage=wl(ϕhj+I)(t)ηsat
여기서, I는 지속시간별 강우강도(mm/hr), ηsat는 다공성 저류시설의 효율(포화도), t는 강우지속시간(hr)으로 강우지속시간에 따른 상부 강우 침투량과 모세관 상승고를 Fig. 4와 같이 고려하였다.
Fig. 4
Schematic Diagram of Pporous Storage Facility
kosham-2024-24-2-29gf4.jpg

3.3 모형 이론(InfoWorks ICM)

InfoWorks ICM은 개선된 XP-SWMM으로 미국 Innovyze사에서 개발한 1, 2차원 완전 통합엔진(Mesh)으로 지표면 유출모델, 퇴적물 이송, 수질 모의, 3차원 보기가 가능한 모형이다.
InfoWorks ICM은 초기 강우량 손실 후 강우량 초과를 결정하는 방법은 Horton 등 7가지 대체 유출량 모델 사용할 수 있으며 우수관거에 유입되기 전 지표 배수 네트워크에 의한 초과 강우의 저장 및 운송을 시뮬레이션하기 위해 이중 준선형 저수지(DQLR) 모델, SWMM 비선형 저수지 라우팅 모델, Wallingford 유출 라우팅 모델 및 단위 수문 모델 등을 사용할 수 있다(Innovyze, 2022).
본 연구에서는 InfoWorks ICM을 사용하여 호우 시 도시침수가 발생하는 배수유역에 대한 침수해석을 수행하였다.
ICM 모형에서 사용된 지배방정식은 난류모델을 사용하였으며, 난류 모델의 수송방정식은 연속방정식 Eq. (11)과 운동량방정식 Eqs. (12), (13)과 같다.
(11)
ht+(hu)x+(hv)x=q1D
(12)
(hu)t+x(hu2+gh22)+(huv)y=gh(S0,xSf,x)+q1Du1D
(13)
(hv)t+x(hu2+gh22)+(huv)x=gh(S0,ySf,y)+q1Dv1D
여기서 x, y는 흐름 및 이에 직교하는 방향의 좌표축이고, h는 수심(m), t는 시간(s)이며, g는 중력가속도, u, v는 각각 x, y방향의 수심 평균유속(m/s)이다. S0,x.와 S0,y는 각각 x, y방향의 지반경사, Sf,xSf,y는 각각 x, y방향으로 작용하는 마찰경사, q1D는 단위면적당 유량, u1D, v1D는 각각 x, y방향의 유량 속도 성분이다.

4. 실험 장치 및 결과

4.1 실험장치

본 연구에서는 다공성 물질의 일반적인 시간에 따른 상승고, 즉 흡수능력에 대한 검토를 일정한 담수조건에서 수행하여 강우 시 낙하 또는 유하하는 강우를 신속하게 흡수할 수 있는 조건의 다공성 물질을 채택하였다.
채택한 다공성 물질에 대해 강우 시의 우수저류 효과를 검토하기 위하여 배수조건에서 인공적 강우 발생을 통해 집수구역에서 노면을 따라 유하하여 다공성 물질의 측면으로 흡수되는 양과 상부에서 강우로 인해 흡수되는 양을 강우 조건에 따라 측정할 수 있는 실험 장치를 설치하여 실험하였다. Fig. 5는 다공성 물질의 모세관 상승현상과 인공강우로 인한 상부 우수 침투를 실험할 수 있도록 고안한 실험 및 측정 장치로 강우는 유입 수조 내의 수중 펌프를 사용하여 실험 수조 상부에 발생하도록 하였으며 배수 밸브를 설치하여 담수 및 배수 조건을 구분할 수 있도록 하였다. 또한 공급 및 배수 수조를 통해 유입량과 유출량을 측정할 수 있도록 하였으며 결과 값의 저장과 검토를 위한 고속촬영 카메라와 입력 컴퓨터, 온습도계로 구성하였다.
Fig. 5
The Experiment System
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4.2 담수 조건 시 모세관 상승 실험

모세관 상승 실험 소재는 일상생활에서 널리 쓰이며 물의 흡수가 빠른 Cellulose Foam과 PVA (Poly Vinyl Alcohol) Form을 사용하였으며 일반적인 물성치는 다음 표와 같다. 다공성 물질의 경우 생산 시 소재의 농도 및 배합, 생산 방식에 따라 매우 다양한 공극크기, 밀도로 형성되어 있어 밀도 및 공극률 등을 범위로 나타내었다.
우수유출저감을 위한 다공성 물질의 상승실험은 Fig. 6과 같이 각 실험 재료를 1 cm의 깊이로 담수하여 시간에 따른 상승고를 검토하였으며 그 결과 Cellulose Foam에 비해 PVA Foam이 상승고가 높은 것으로 나타났다. Cellulose Foam의 경우 비균일한 형상으로 공극의 포화도가 낮아 상승고에 비해 유입되는 유량은 PVA Foam에 비해 적은 것으로 검토되었다. 또한 Table 2의 다공성 물질당 각 세차례씩 실험하여 시간에 따른 상승높이를 검토한 결과 모세관 상승이 빠르게 발생하는 구간과 중력의 영향을 받아 상승이 더뎌지는 구간을 Fig. 7과 같이 확인할 수 있었는데 이는 Washburnʼs law에 따라 다공성물질의 모든 기공을 채우는 Complete filling 구간과 기공의 일부만 채우는 Partial filling 구간으로 나누기 때문인 것으로 나타났다. PVA Form의 경우 약 모세관 상승높이 기준 약 7.5 cm 구간으로 나타났으며 상승시간은 3분으로 나타났다. 또한 2시간의 실험시간 동안의 최대 상승고는 10.0 cm로 나타났다.
Fig. 6
Results of Experiment Capillary Rise
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Table 2
Porous Media Specifications
Porous Media Density (g/㎤) Porosity (%) Absorption rate (%)
PVA Foam 0.08~0.16 88~92 700~1,300
Cellulose Foam 0.05~0.07 90< 1,500~3,000
Fig. 7
Plot of Capillary Rise In PVA Form
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4.3 배수 및 강우 조건 시 저류 실험

실험 장치를 이용하여 강우는 Fig. 5에서 ④의 유입수조 내 수중 펌프와 ②의 장치를 통해 실험 수조 상부에 발생하도록 하였으며 이때 강우지속시간에 따른 유입량으로 강우강도를 구하고 ③의 밸브를 개방해 배수 조건으로 하여 ⑤에서 배수된 유량을 측정하여 유출량을 검토하였다.
실험은 Table 3과 같이 실험장치 자체의 저류효과를 다공성 물질로 인한 저감효과에서 제외하기 위해 다공성 물질의 설치 여부로 구분하여 수행하였다.
Table 3
Storage Experiments in Porous Media
Devision None Ⓐ PVA Form Ⓑ
Railfall Duration (min) 10.0 11.3
Experiment Duration (min) 20:00 20:00
Inflow (ml) 1,650 1,900
Outflow (ml) 1,550 990
Storage (ml) 100 910
Railfall Intensity (mm/hr) 123.75 125.74
Porous Media Area (㎡) - 0.0084
Volume (㎥) - 0.0014
Pore size (mm) - 0.000076
Porosity - 0.9
Experiment Drain Area (㎡) 0.08 0.08
Storage Area Ratio (%) - 10.5%
Runoff Rate (%) 93.9% 52.1%
Storage Rate (%) 6.1% 41.8%
Porous Media Saturation (%) - 88.89
Top Infiltration (mm) - 24.0
Capillary Rise (mm) - 90.8
Storage by Ep.10 (ml) - 779
Ratio of Ep.10/Experiment - 96.2%
Surface Tension (g/cm) 0.0742
Density of Water ρ (g/㎤) 0.9998
우수유출량을 저감하기 위한 다공성 물질의 모세관 상승고와 상부로 침투되는 강우강도를 고려하여 Fig. 8과 같이 인공강우 발생 및 배수 조건 시의 실험 값을 금회 검토된 Eq. (10)에 의해 산정된 값과 비교한 결과는 Table 3과 같다. 차이가 발생하는 원인은 다공성 저감시설의 설치 없이 인공강우와 배수 시의 실험(Ⓐ)을 실시한 결과 실험 수조 내의 조도와 벽면의 물방울 맺힘 등으로 인해 유출율이 약 93.9 %로 나타나 실험장치 자체의 유출조건에 의한 것으로 나타났다. 또한 Ⓑ실험을 통해 산정된 다공성 물질 설치 시의 저류량에 실험장치 자체의 기본 저류율 6.1%를 제외한 저류량은 794.1 ml로 나타났으며 금회 우수유출저감시설의 저류용량에 관한 식인 Eq. (10)을 통해 산정된 용량은 779.0 ml로 이론 값과 실측 값의 차이는 15.1 ml로 나타났으며 이론 값 대비 실험 값의 비는 약 96.2%로 실험 값이 약 3.8% 높게 나타났다.
Fig. 8
Experiment of Storage
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5. 도시침수해석 및 다공성 저감시설 적용

5.1 대상유역 지형 및 강우분석

대상유역은 Fig. 9와 같이 서울특별시 강남구 삼성역 일원 지방하천 탄천 하류부 좌안의 상습 침수지역으로 선정하였으며 금회 검토한 우수유출저감시설의 도시침수 방지 효과를 도시유출해석모형인 InfoWorks ICM 에 적용하여 검토하였다.
Fig. 9
Study Basin
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유역의 지형적 특성을 Fig. 10과 같이 검토한 결과 유역의 평균표고는 EL.27.79 m, EL.25 m 미만 지역이 53.99% 로 대부분을 차지하고 있으며, 최고표고 EL.55.00 m, 최저표고 EL.12.12 m로 분석되었다. 경사분석 결과 10˚ 미만 지역이 94.29% 대부분을 차지하고 있으며, 평균경사 2.53˚의 평탄한 지형으로 분석되었다. 유역의 수문학적 토양군은 투수도가 낮은 Type D이 50.60%로 구성되어 있는 것으로 나타났으며 토지이용의 경우 유출율이 높은 주거 및 상업, 공공시설이 90.37% 위치하는 것으로 검토되었다.
Fig. 10
Topographical Characteristics of Basin
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강우자료의 경우 대상유역 지배관측소인 서울강우관측소의 62개년(1961~2022년)의 시강우 자료에 대한 강우분석을 실시하여 확률강우량을 산정하였다. 확률분포의 모수 추정은 전술한 바와 같이 모멘트법, 최우도법보다 자료수에 의한 영향이 적고 안정적인 확률가중모멘트법을 적용하였으며, 최적 확률분포형으로 Gumbel 분포에 의한 결과치를 채택하였다. 산정된 확률강우량을 선행연구 자료 및 서울특별시 방재성능목표 공표 자료(서울특별시 공고 제2022-34호)와 비교하여 금회 연구 자료를 채택하였으며 이를 통해 빈도별 강우강도식을 Table 4Fig. 11과 같이 결정하였다.
Table 4
Rainfall Probability
Freq. (yr) Dev. Rainfall Probability (㎜) Accept
60 min 120 min 180 min
10 I 73.6 107.7 130.1
II 74.0 108.4 135.7
30 I 91.2 134.4 162.4
II 89.9 133.0 168.2
50 I 99.2 146.6 177.1
II 97.1 144.3 183.0
80 I 106.6 157.8 190.6
II 103.8 154.6 196.5
100 I 110.0 163.0 197.0
II 106.9 159.4 202.9
200 I 120.9 179.4 216.8
II 116.6 174.5 222.8
III Gangnam Station Area 110 163 212

I : Research on probability rainfall (2011, Ministry of Land, Infrastructure and Transport)

II : This Study (1961-2022, ‘62s)

III : Disaster Prevention Performance Objectives

Fig. 11
Intensity-duration-frequency Curve
kosham-2024-24-2-29gf11.jpg
설계강우의 시간분포형은 대상지역의 과거 강우자료로부터 강우지속기간 동안에 총 강우량의 시간이 경과함에 따라 어떻게 분포하는가를 통계학적으로 분석하여 그 지역에 적합한 강우의 시간분포형을 수공구조물의 설계조건에 따라 결정할 수 있다.
금회 연구에서는 유출분석을 위한 설계강우의 시간분포는 Huff의 4분위법을 이용하였으며 강우기록을 통계학적으로 분석하여 강우량의 시간적 분포특성을 나타내는 무차원 시간분포 곡선을 지속시간을 4등분하여 각 구간의 강우량 가운데 제일 큰 값이 속해있는 구간을 택하고, 그 해당구간의 명칭에 따라 제1구간, 제2구간, 제3구간 또는 제4구간 호우로 분류하여 Fig. 12와 같이 제시하였다. 본 연구에서는 대상지역의 지배관측소인 서울관측소 강우자료를 Huff 분포 3분위를 이용하여 강우를 분포시켜 검토하였다.
Fig. 12
Huff Quartile Distribution
kosham-2024-24-2-29gf12.jpg

5.2 적용모형과 모형의 구성

표면장력과 모세관 현상을 이용한 우수유출저감시설을 호우 발생 시 침수 발생 이력이 있는 도시지역에 설치하였을 경우 저감효과를 검토하기 위해 InfoWorks ICM 모형을 이용하였다. 앞서 검토한 표고 및 경사 등의 지형자료와 배수유역 내의 우수관거 자료를 이용하여 지형자료를 Fig. 13과 같이 모형에 구축하고 침수해석을 위해 건축물이 위치하는 구간에 침수가 발생하지 않도록 건축물을 입력하여 Fig. 14와 같이 2D Mesh를 생성하였으며 금회 분석한 강우 및 지형자료를 수문자료 등을 Table 5와 같이 모형에 입력하였다.
Fig. 13
Calculating Model and Boundary Condition of Basin
kosham-2024-24-2-29gf13.jpg
Fig. 14
Calculating Mesh of Basin
kosham-2024-24-2-29gf14.jpg
Table 5
Boundary Condition/Input Data
Division Condition
Rainfall Scenario 10~200 yr Rainfall Probability
Calculating Model InfoWorks ICM
Effective Rainfall Runoff Coefficient
Basin Area 243 ha
Manning’s N 0.015
Simulation Time 5 min
Simulation Duration 5 hr
Concentration Time Continuous Kraven
Routing SWMM Nonlinear Reservoir Routing
Rainfall Distribution Huff 3
Links 266EA (L=21,800 m)
Nodes 264 EA
2D Mesh 29,596 EA
Porous Media Storage Facility 2,275 EA (A=29,890 ㎥)

5.3 분석결과

본 연구 대상지에 위치하는 2,706개소의 건물 중 상부 면적이 100 ㎡ 이상인 건물 2,275개소의 상부에 각 면적의 20% 규모로 총 14.9 ha에 0.2 m 높이의 다공성 저류시설을 설치하였을 경우 도시침수 방지효과를 모형을 통해 분석하였으며 다공성 저류시설의 적용은 해당하는 저류용량을 각 소유역 면적에 저류에 기여하는 면적으로 입력하였다. 분석결과는 관거의 유량, 침수심별 침수면적, 첨두유출량 등을 검토하였다. 침수면적 및 침수심은 Fig. 15와 같이 10 cm 미만의 침수심은 제외하고 나타내었다. 침수면적은 크게 감소하지 않은 것으로 보이나 침수용량은 Table 6과 같이 빈도별 평균 30.1% 감소하는 것으로 나타났으며 침수심은 최대 1.273 m 감소하는 것으로 나타났다. 또한 첨두홍수량은 Fig. 16과 같으며 평균 6.7% 감소하는 것으로 나타났다.
Fig. 15
Inundation Area by Frequency
kosham-2024-24-2-29gf15.jpg
Table 6
Results of Modeling
Freq. (yr) Peak Discharge (㎥/s) Overflow Discharge (㎥) Max Overflow Depth (m)
Current After Current After Current After
10 52.08 48.17 33,070 22,215 1.075 0.968
20 55.40 51.54 45,181 31,187 1.178 1.056
30 57.14 53.31 53,315 36,700 1.233 1.109
50 59.27 55.33 64,005 44,350 2.433 1.173
80 61.09 57.12 74,072 52,191 2.498 1.225
100 61.89 57.92 78,907 56,186 2.510 1.397
200 64.62 60.71 97,430 71,359 2.558 2.320
Fig. 16
Comparison of Peak Discharge
kosham-2024-24-2-29gf16.jpg

6. 결론

강우의 빈도와 도시화가 점차 가중되고 있어 호우와 관련된 피해가 매년 발생하고 있다. 이에 따라 우수유출저감시설의 추가나 보완이 필요하나 비용과 시간적, 환경적 요인으로 인해 제한되고 있는 실정이다. 본 연구에서는 기존 우수유출저감시설의 문제점을 보완하기 위해 기존의 방식이 아닌 물의 표면장력과 다공성 물질의 모세관 상승 현상을 이용한 새로운 방식의 우수유출저감시설을 제안하였으며 실험을 통해 저감능력을 검토하고 기존 시설물이나 도로, 유용부지 상부에 배치하여 우수유출과 도시침수를 저감할 수 있도록 하였다.
다공성 물질의 모세관 상승실험 결과, 상승높이와 공극의 포화도를 고려하였을 때 Cellulose 대비 PVA 소재의 저류효과가 높은 것으로 검토되어 인공 강우발생과 배수 조건으로 PVA Form의 저류량을 실험한 결과 값과 금회 유도한 다공성 물질의 저류량에 관한 Eq. (10)에 의해 산정된 저류량의 비율는 약 96.2%로 이론 값이 다소 낮게 산정된 것으로 나타났다. 따라서 모세관 상승에 의한 우수유출저감시설의 활용이 기대되어 침수가 발생하는 도시유역 건물 상부 면적의 20% 적용을 가정하여 강우사상별 침수해석을 수행한 결과 침수용량은 평균 30.1% 감소하였으며 침수심은 최대 51.8% 감소하는 것으로 나타나 도시침수 해소에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
향후 모세관 상승을 크게 기대할 수 있는 소재(섬유 등)에 대한 연구 필요할 것으로 판단되며 건물 옥상과 도로의 측구, 유역 상류의 집수부에 금회 연구한 우수유출저감시설을 설치할 경우 각 위치에 따라 연관되는 건축법 및 소방법, 도로교통법 등과 관련기준에 대한 검토가 필요할 것으로 판단된다.
또한 저감시설의 높이에 따라 하부 모세관 상승구간과 상부 침투 강우의 간섭이 발생할 수 있어 상부로 침투되어 중력에 의해 하부로 이동하여 모세관 현상으로 인해 상승하는 유량에 미치는 영향에 대해 연구가 필요할 것으로 판단된다.

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