1. 서 론
전지구 평균 지표온도(Global Mean Surface Temperature, GMST)는 산업화 이전(1850년~1900년) 대비 2006년~2015년에 약 0.87 °C 지구온난화는 인간활동으로 인해 유발한 것으로 추정되고 있다(KMA, 2020). 기후변화로 인하여 지난 10년(2014년~2023년) 동안 해수면 상승 속도는 1993년~2002년 대비 2배 이상 증가하였으며, 해빙 면적 감소, 극심한 강수로 인한 홍수 등으로 심각한 사회⋅경제적 영향을 미치고 있다(WMO, 2024).
국제 사회에서는 기후변화 전 지구적 문제로 인식되면서 기후변화 영향을 평가하고 대책을 마련하기 위해 기후변화에 관한 정부 간 협의체(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)가 창설되었으며, 대기 중의 온실가스 농도를 안정시키기 위해 기후변화에 관한 국제연합 기본협약(United Nations Framework Convention on Climate Change, UNFCCC)에 서명하였다(ME, 2016). 이에 세계 각국은 온실가스 감축 목표와 관련 법령을 규정하고 있으며, 우리나라는 2021년 탄소중립 달성을 위해 ｢기후위기 대응을 위한 탄소중립⋅녹색성장 기본법(약칭: 탄소중립기본법)｣을 제정하고 2050년 탄소중립 시나리오를 수립하였으며, 탄소중립 전략은 6개 분야(에너지, 산업, 수송, 건물, 농⋅축산, 폐기물 등)를 중심으로 수립되어 있다(Carbon Neutrality Commission, 2021).
현재 물 부문에 관한 탄소중립 전략은 활발하지 않으나, 2018년 국가 온실가스 배출량 대비 물 부문 직간접 온실가스 총배출량이 2.52%~2.66%의 비중을 차지한다(Han and Jeong, 2021). 또한, 물은 취수, 정수, 배급 과정에서 에너지를 소비하는데 물관리 과정 전반에서 에너지-탄소배출 관계를 기반으로 물관리 분야 탄소 배출 인벤토리 및 탄소저감 목표를 명확히 할 필요가 있으며, 기후위기에 적극적으로 대응하기 위해 물관리 분야 전 과정 탄소중립 방안이 필요한 실정이다(Lee et al., 2022).
한편, UN 세계물개발보고서(United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization, 2019)에 따르면 물 소비량은 1980년대 이후 매년 약 1%씩 증가하여 세계의 물 수요는 2050년까지 계속 증가하여 현재의 물 소비량보다 20~30% 증가될 것으로 예상했으며, 약 40억 명은 연중 최소 한 달 이상 심각한 물 부족을 겪고 있고 기후변화의 영향이 커질수록 물 스트레스는 계속 증가할 것으로 예측되었다. 국가물관리기본계획(National Water Management Commission, 2021)에 따르면 우리나라 물수급 분석 결과 일부 취약지역 중심 약 1.00억 m3/년~2.57억 m3/년 수준으로 용수 부족 가능성을 전망하였다.
이와 물부족 현상을 해결하기 위하여 국내에서는 저영향 개발 기법을 활용한 물순환 개선 등 다양한 연구가 수행되고 있다. Kim et al. (2017)은 산업단지 유역을 대상으로 저영향개발을 통한 유출저감효과를 검토하기 위해 EPA SWMM-LID를 이용하여 저영향개발 시설별 저감효과를 평가하였으며, Kim (2020)은 물순환 왜곡 문제를 해결하기 위한 기법인 저영향개발을 연계하여 물순환 모의가 가능한 SWMM-LID를 이용하여 매개변수 범위에서 모의발생기법을 통해 100개의 시나리오로 민감도 분석을 수행하였다.
Kang et al. (2015)은 화장실 및 조경, 화훼단지 용수량을 기준으로 빗물이용시설의 계획을 위해 빗물 수요-공급을 반영한 설계 방법을 제시하였으며, Kim et al. (2020)은 빗물저류조에 대한 효율적 용량 결정을 위해 우수유출 저감, 폭염 저감, 미세먼지 저감, 조경 용수 사용 등의 평가요소를 선정하여 물수지 분석을 통해 편익 산정 연구를 수행하였다.
기존에 수행된 연구에서는 저영향개발 기법을 활용하여 물순환 개선 및 적정 용량에 관해 분석이 수행었으나, 현재 기후변화에 대응하기 위한 탄소중립 실현에 대하여 관심이 높아짐에 따라 물순환 관점에서의 탄소 저감 방안에 대한 연구가 필요한 실정이다.
이에 본 연구에서는 탄소중립 달성 및 용수 확보 방안을 위해 빗물 및 하수재이용수를 통한 농업용수 실증 시험을 수행할 수 있는 Test-Bed의 빗물 이용 시설 설계를 검토하여 빗물 저류지의 규모 및 효율성을 분석하고자 하였으며, 용수 생산 시 에너지-탄소배출 기반 빗물 저류지에 따른 빗물 사용량의 탄소배출 저감 특성을 분석하고자 하였다. 또한, Test-Bed 내 계획된 투수성 포장 적용 및 빗물 저류지의 빗물 사용에 따른 우수유출 저감 특성을 분석하고자 하였다.
2. 연구 방법
2.1 연구개요
본 연구에서는 경기 화성시에 위치한 물순환 Test-Bed를 대상지로 선정하였다. Test-Bed의 연구 분야는 물순환, 수환경, 하수재이용을 통한 농업용수 실증 시험(작물별 경작시험)을 수행할 수 있도록 설계되었다. 작물별 경작시험을 위한 생육시험장의 면적은 약 1,500 m3이며, 경작시험을 위해 필요한 농업용수는 Table 1과 같이 농촌진흥청(Rural Development Administration, 2014, 2018)에서 제시한 관수량을 참고하여 약 100 m3/day로 설정하였다.
Table 1
Irrigation Requirements by Crop
총 관수량은 빗물과 하수재이용수로 구분되며, 빗물 사용량은 빗물저류조 용량(300 m3, 900 m3, 1,500 m3)에 따라 대조군 경작시험을 위해 1일당 30 m3/day, 50 m3/day로 구분하고 용수필요일수 대비 빗물사용일수로 사용 효율 및 탄소 저감 특성을 분석하고자 하였다. Test-Bed의 빗물 집수면적은 생태면적(8,327.17 m2), 주차장면적(2,351.88 m2), 도로면적(1,457.00 m2)으로 총 12,136.05 m2이며, 강우 모의를 위한 강우자료는 수원 기상관측소의 2014~2023년(10년) 동안 일 단위 강우자료를 적용하였다(Table 2).
2.2 SWMM 기반 투수성포장 및 빗물저류조
Test-Bed 내에 적용된 투수성포장은 도로면적에 적용되어 생태면적, 도로면적, 주차장면적에서 발생한 강수를 빗물저류조에 집수하기 위해 도로 전체에 계획하였으며(Fig. 1), 주차장면적 아래 매립하여 빗물저류조를 계획하였다. Test-Bed의 물순환 흐름은 주차장면적에 발생하는 유출수가 직접적으로 빗물저류조에 저류되며, 생태면적에서 발생하는 지표면 유출수는 생태면적의 구배를 통해 도로면적으로 유입되어 침투되어 유공관을 따라 빗물저류조로 저류된다.
본 연구에서 Test-Bed의 물순환 모의를 위해 사용한 SWMM은 미환경부(Environmental Protection Agency, EPA)에 의해 개발되었으며, 도시 내 각 유역의 장⋅단기 강우에 따라 우수관망을 통한 우수유출을 GI & LID (Green Infrastructure & Low Impact Development)와 연계하여 종합 물순환 모의가 가능하다. SWMM의 모의는 배수구역에서 강우로 인해 발생하는 유출 및 오염물질을 수리구조물 등에 따라 거동하는 일련의 프로세스를 수행할 수 있으며, 발생 및 수송 과정에서 추적 및 비교가 가능하여 도시 유역의 물순환 관리에 기여할 수 있는 특징이 있다(Kim et al., 2017). 현재 Test-Bed는 설계⋅시공 단계로써 생태면적, 주차장면적, 도로면적, 투수성포장, 빗물저류조 등을 이용하여 강우-유출 모의를 통해 유출량을 예측하기 위해 설계 시방서를 기초로 SWMM을 이용하여 구축하였다(Table 3).
Table 3
Parameter Value by Land Use
SWMM에서 적용한 투수포장은 포장층과 보조기층으로 구분되어 Test-Bed 내 도로면적에 전면적으로 적용하였으며, 투수성 포장 연구 사례 및 설계 시방서를 참고하여 적용하였다(Table 4). SWMM을 통해 구축된 Test-Bed 내 기상자료는 수원 기상관측소의 2014~2023년(10년) 동안 일 강우자료를 적용하였으며, Test-Bed에서 발생하는 유출수를 빗물저류조에서 집수하여 사용한 빗물의 이용량 및 투수포장 적용에 따른 우수유출 저감 특성을 분석하고자 하였다.
2.3 빗물 사용량에 따른 효율성 및 탄소저감
빗물 사용의 효율성이 80% 이상 도달하기 위한 빗물저류조의 규모를 설정하기 위해 집수면적과 빗물저류조의 규모의 관계를 분석하였으며(Fig. 2), 집수면적이 확보되어도 빗물을 저장할 수 있는 용량이 부족하게 되면 빗물 사용에 대한 효율적 운영은 제한되게 된다. 이에 빗물 사용량에 대해 적절한 효율성에 도달하기 위해 Test-Bed 내 집수면적을 통한 빗물저류조의 적정 규모를 파악하고자 하였다. 2014~2023년(10년) 동안 상시 빗물을 사용하는 경우와 농업용수를 위한 빗물 사용을 고려하여 매년 4월~10월까지 빗물을 사용하는 경우로 구분하여 빗물 사용 효율성을 분석하기 위해 저류방정식 Eqs. (1), (2)을 적용하였다.
여기서, I는 강우 발생에 따른 유입량, O는 빗물 사용에 따른 유출량, S는 빗물저류지 규모에 따른 저류량을 나타낸다. Test-Bed 내 2014~2023년(10년)간의 강우에 따른 우수유출량을 산정하기 위해 합리식을 이용하였으며, 각 면적의 유출계수는 한국상하수도협회에서 제시한 하수도시설기준(Korea Water and Wastewater Association, 2011)을 참고하여 생태면적은 0.60, 주차장면적과 도로면적은 0.95를 적용하였다.
유공관을 통한 우수유출을 산정하기 위해 도로면적 내 적용되는 투수성포장 및 쇄석골재의 단위 부피당 공극률을 고려하여 일 단위 강우량 16 mm 이하는 전량 침투되어 유출량이 발생하지 않는 것으로 가정하였으며, 일 단위 강우량이 16 mm를 초과하는 경우 우수유출이 발생하는 것으로 가정하였다. 또한, 용수 생산 과정에서 발생하는 탄소 배출량은 대부분 간접배출로 나타나며, 직접적인 온실가스 배출이 아닌 취수, 정수, 용수공급 등에 의한 전력 사용량에 따른 온실가스를 배출하게 된다. 한국환경공단(Korea Environment Corporation, 2017)에서 제시한 간접 온실가스 배출량은 전력 사용량에 전력 간접 배출계수를 곱하여 산정하게 되며, 산정식은 Eq. (3)과 같이 나타내었다.
여기서, (t CO2 eq./yr)는 연간 전력 사용량에 따른 온실가스 배출량, (Qa)는 부문별 전력 사용량(kWh/yr), (EF)는 전력 간접 배출계수(t CO2 eq./MWh)를 나타낸다. 상수도 통계(National Waterworks Information System, 2023)에 따르면 취수장, 정수장, 가압장의 연간 전력 사용량은 총 5,600,381,094 kWh로 나타났으며, 환경부에서 제시한 2021년 승인 국가 온실가스 배출⋅흡수계수에 따르면 간접배출 온실가스 배출⋅흡수계수는 0.4781 t CO2 eq./MWh로 나타났다(Greenhouse Gas Inventory and Research Center, 2022).
상수도 통계(National Waterworks Information System, 2023)에 따르면 총 급수량은 6,807,909,020 m3로 나타났으며, 위의 산정식에 따라 전국단위 1 m3 급수량 생산 시 온실가스 배출량은 0.39 kg CO2 eq./m3로 산정되었다. 2014~ 2023년(10년) 동안 빗물저류조(300 m3, 900 m3, 1,500 m3)의 규모 기반 빗물 사용량(30 m3/day, 50 m3/day)에 따라 용수 생산 시 전력 사용량에 따른 탄소배출량의 저감 특성을 분석하고자 하였다.
3. 연구 결과
3.1 투수성포장 및 빗물저류조를 통한 우수유출 저감
2014~2023년(10년) 동안의 일 단위 강우자료를 통해 Test-Bed 내 생태면적, 주차장면적, 도로면적를 통해 발생하는 우수유출량 대비 투수성 포장 및 빗물 저류조 적용에 따라 발생하는 우수유출량을 비교분석하였다(Fig. 3).
투수성 포장 및 빗물 저류조 적용에 대해서는 도로면적에 투수성 포장을 전면 적용한 경우와 투수성 포장 및 빗물 저류조(300 m3, 900 m3, 1,500 m3)의 규모 기반 빗물 사용량(30 m3/day, 50 m3/day)을 적용한 경우로 구분하여 우수유출량을 산정하였다. 2014~2023년(10년) 동안 총 강수량은 12,335 mm이며, 투수성 포장 및 빗물 저류조가 적용되지 않은 Test-Bed 내 면적을 통한 우수유출량은 112,182 m3로 나타났다. 도로면적에 투수성 포장을 전면 적용한 경우 우수유출량은 51,368 m3이며, 투수성 포장 및 빗물 저류조(300 m3, 900 m3, 1,500 m3)의 규모 기반 빗물 사용량(30 m3/day, 50 m3/day)에 따른 우수유출량은 9,261 m3~23,713 m3로 나타났다(Table 5).
Table 5
Runoff by Permeable Pavement and Rainwater Storage Unit: (m3/%)
3.2 투수성포장, 빗물 저류조를 통한 빗물 사용 효율 및 탄소 저감
빗물 저류조의 규모에 따른 빗물 사용량의 효율성은 2014~2023년(10년) 동안 빗물 사용량(30 m3/day, 50 m3/day)에 따라 총 필요한 우수량 대비 빗물 저류조를 통해 사용한 빗물의 양으로 산정하였으며, 2014~2023년(10년) 동안 총일수는 3,633일로 빗물 사용량 30 m3/day, 50 m3/day의 경우 총 필요한 빗물은 각각 108,990 m3, 181,650 m3으로 산정되었다. 300 m3의 빗물 저류조는 30 m3/day의 빗물을 사용 시 3,633일 대비 1,140일(31.4%) 동안 총 34,200 m3의 빗물을 사용할 수 있으며, 50 m3/day의 빗물을 사용 시 3,633일 대비 753일(20.7%) 동안 총 37,650 m3의 빗물을 사용할 수 있는 것으로 나타났다. 900 m3의 빗물 저류조는 30 m3/day의 빗물을 사용 시 3,633일 대비 1,447일(39.8%) 동안 총 43,410 m3의 빗물을 사용할 수 있으며, 50 m3/day의 빗물을 사용 시 3,633일 대비 988일(27.2%) 동안 총 49,400 m3의 빗물을 사용할 수 있는 것으로 나타났다. 1,500 m3의 빗물 저류조는 30 m3/day의 빗물을 사용 시 3,633일 대비 1,604일(44.2%) 동안 총 48,120 m3의 빗물을 사용할 수 있으며, 50 m3/day의 빗물을 사용 시 3,633일 대비 1,072일(29.5%) 동안 총 53,600 m3의 빗물을 사용할 수 있는 것으로 나타났다(Table 6).
Table 6
Rainwater Usage and Utilization Efficiency Based on Storage Capacity (Daily)
용수를 위한 빗물 상시 사용에 대한 빗물 저류지 운영 효율성은 낮은 것으로 판단되었으며, 농업용수를 위한 빗물 사용을 고려하여 매년 4월~10월까지 2014~2023년(10년) 동안 빗물을 사용하는 경우 총일수는 2,140일로 빗물 사용량 30 m3/day의 경우 총 필요한 빗물은 64,200 m3, 빗물 사용량 50 m3/day의 경우 총 필요한 빗물은 107,000 m3으로 산정되었다. 300 m3의 빗물 저류조는 30 m3/day의 빗물을 사용 시 2,140일 대비 992일(46.4%) 동안 총 29,760 m3의 빗물을 사용할 수 있으며, 50 m3/day의 빗물을 사용 시 2,140일 대비 667일(31.2%) 동안 총 33,350 m3의 빗물을 사용할 수 있는 것으로 나타났다. 900 m3의 빗물 저류조는 30 m3/day의 빗물을 사용 시 2,140일 대비 1,401일(65.5%) 동안 총 42,030 m3의 빗물을 사용할 수 있으며, 50 m3/day의 빗물을 사용 시 2,140일 대비 961일(44.9%) 동안 총 48,050 m3의 빗물을 사용할 수 있는 것으로 나타났다. 1,500 m3의 빗물 저류조는 30 m3/day의 빗물을 사용 시 2,140일 대비 1,573일(73.5%) 동안 총 47,190 m3의 빗물을 사용할 수 있으며, 50 m3/day의 빗물을 사용 시 2,140일 대비 1,056일(49.3%) 동안 총 52,800 m3의 빗물을 사용할 수 있는 것으로 나타났다(Table 7).
Table 7
Rainwater Usage and Utilization Efficiency Based on Storage Capacity (Form April to October)
또한, 상수도 통계(National Waterworks Information System, 2023)에서 수도 운영관리 현황의 업종별 부과량 분석에 따르면 전국단위 수도 요금 평균단가는 747.83 원/m3으로 나타났다. 2014~2023년(10년) 동안 30 m3/day, 50 m3/day의 용수를 상시 사용할 경우 각각 108,990 m3, 181,650 m3의 용수가 필요하며, 필요한 용수에 대해 수도 요금 평균단가를 적용하여 수도 요금을 산정한 결과 각각 81,505,992원, 135,843,320원으로 나타났다. 빗물 저류조(300 m3, 900 m3, 1,500 m3)의 규모에 따라 2014~2023년(10년) 동안 상시 빗물(30 m3/day, 50 m3/day)을 사용한 결과 34,200 m3~53,600 m3의 용수를 빗물로 공급할 수 있으며, 빗물 사용량에 대해 평균단가를 적용하여 수도 요금을 산정한 결과 25,575,786원에서 40,083,688원까지 절약되는 것으로 나타났다(Table 8).
Table 8
Reduction of Fee and Greenhouse Gas Emissions Based on Rainwater Usage (Daily)
빗물 저류조(300 m3, 900 m3, 1,500 m3)의 규모에 따라 2014~2023년(10년) 동안 빗물(30 m3/day, 50 m3/day)을 매년 4월~10월에 사용한 결과 34,200 m3~53,600 m3의 용수를 빗물로 공급할 수 있으며, 빗물 사용량에 대해 평균단가를 적용하여 수도 요금을 산정한 결과 22,255,421원에서 39,485,424원까지 절약되는 것으로 나타났다(Table 9).
Table 9
Reduction of Fee and Greenhouse Gas Emissions Based on Rainwater Usage (Form April to October)
빗물 사용량에 따른 탄소 저감은 상수도 통계를 통해 1 m3 급수량 생산 시 필요한 전력 사용량에 따라 온실가스 배출량은 0.39 kg CO2 eq./m3으로 나타났으며, 2014~2023년(10년) 동안 빗물 사용으로 인해 절약되는 전력 사용량를 통해 탄소 배출 저감량을 산정한 결과는 Tables 8, 9에서 나타내었다. 2014~2023년(10년) 동안 상시 빗물을 사용하여 공급한 용수량은 34,200 m3~53,600 m3으로 나타났으며, 빗물 사용량에 따른 온실가스 배출량은 13,338.0 kg CO2 eq.에서 20,904.0kg CO2 eq.까지 저감되는 것으로 나타났으며, 2014~2023년(10년) 동안 매년 4월~10월에 빗물을 사용하여 공급한 용수량은 29,760 m3~52,800 m3으로 나타났으며, 빗물 사용량에 따른 온실가스 배출량은 11,606.4 kg CO2 eq.에서 20,592.0 kg CO2 eq.까지 저감되는 것으로 나타났다.
4. 결 론
본 연구에서는 Test-Bed 조성을 위해 과거 2014~2023년(10년) 동안 일 단위 강우량 기반 투수포장 및 빗물 저류조의 적용에 따른 우수유출 저감 및 빗물 사용 특성을 분석하였으며, 빗물저류조 적정 규모 산정방안을 모색하고자 하였다.
Test-Bed 내 계획된 투수성 포장 및 빗물 저류지 적용에 따른 물순환 개선 효과를 위해 우수유출 저감을 분석하였다. Test-Bed 내 투수성 포장 및 빗물 저류지 미적용에 따른 우수유출량은 112,182 m3로 나타났으며, 빗물 저류지 규모 1,500 m3, 빗물 사용량 30 m3/day 기준 10년 동안 총유출량은 13,039 m3로 88.4%까지 저감되는 것으로 분석되었다.
작물별 경작시험을 위한 생육시험장 면적(약 1,500 m3)을 고려하여 총 필요 관수량은 100 m3/day로 설정하였으며, 빗물 사용량은 대조군 경작시험을 위해 1일당 30 m3/day, 50 m3/day으로 설정하여 빗물 저류지 규모(300 m3, 900 m3, 1,500 m3)별 빗물 사용 효율성을 분석하였다. 빗물 사용량 30 m3/day 기준 10년 동안 빗물을 상시 사용하는 경우 필요한 수량은 108,990 m3이며, 빗물 저류지 규모 1,500 m3을 적용한 총 빗물 사용량은 48,120 m3으로 빗물 사용 효율성은 44.2%로 나타났다. 또한, 농업용수 사용을 고려하여 10년 동안 매년 4월~10월에 빗물 사용하는 경우 필요한 수량은 64,200 m3이며, 빗물 저류지 규모 1,500 m3을 적용한 빗물 사용량은 47,190 m3으로 빗물 사용 효율성은 73.5%로 나타났다. 이는 빗물 저류지 규모 900 m3의 빗물사용량 효율성보다 8.0% 증가된 수치이며, 빗물 저류지 규모 900 m3의 빗물 사용량 효율성은 65.5%로 빗물 저류지 규모 300 m3의 빗물 사용량 효율성보다 19.1%가 증가된 것으로 나타났다. 이러한 결과는 빗물 사용량 효율성을 향상을 위해 빗물 저류지 규모와 빗물 집수면적에 관계가 있으며, 효율성 향상을 위해 저류지 규모-집수면적의 관계를 고려할 필요가 있다. 현재 Test-Bed 내 빗물 사용 효율성을 80% 달성을 위해 생태 면적 조성 계획과 유공관을 조사하여 추가 집수면적을 분석할 필요가 있다고 판단하였다.
용수 생산을 위한 전력 사용량 및 단가를 통해 농업용수를 위한 빗물 사용으로 탄소 배출량 저감 및 비용 절감을 분석하였다. 빗물 사용량 30 m3/day 기준 10년 동안 매년 4월~10월 약 7개월 동안 빗물 사용하는 경우 빗물 저류지 규모 1,500 m3을 적용하여 18,404.1 kg CO2 eq. 저감되는 것으로 분석되었으며, 35,290,098원의 비용이 절감되는 것으로 나타났다.
본 연구를 통해 투수성 포장 및 빗물 저류지를 통해 우수유출 저감 특성과 빗물 사용에 따른 탄소저감 분석방안을 제시하였으며, 빗물 사용 목표량에 따른 빗물 저류지 규모 및 탄소저감량을 위한 계획의 적정성 분석이 필요하다. 향후 투수성 포장 및 빗물 저류지 분석을 통해 Test-Bed 조성한 후 농업용수 사용에 따른 빗물 사용량, 작물별 수확량, 탄소저감 시험을 통해 최적 시스템 구축을 위한 기초자료로 활용될 것으로 판단된다.
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