Case Study Analysis on the Flood Mitigation Effects of Improving a Drainage System Using Low Impact Development Techniques

태욱 강; 정민 이

doi:10.9798/KOSHAM.2024.24.5.63

Abstract

Low-impact development (LID) techniques aim to minimize the hydrological and environmental impacts associated with watershed development by preserving the natural state as much as possible, reducing impervious surfaces, managing stormwater on a small scale at the point of generation, and promoting decentralized stormwater management. In this study, the flood reduction effects of LID techniques were analyzed using PCSWMM by comparing traditional development methods in the Songsan Green City development project. In this process, the LID technique considers nonstructural methods of diversifying drainage directions and structural methods of introducing vegetated swales to improve the drainage system. The results showed that the LID approach, introduced to improve the drainage system, had a significant effect on reducing floods and inundation compared to traditional development methods. The results of this study suggest the potential of using LID techniques in structural and nonstructural approaches to improve urban flooding and inundation problems.

Keywords: Low Impact Development, Drainage System, Non-structural Method, Vegetated Swale, PCSWMM

요지

저영향개발 기법은 유역개발에 따른 수문 및 환경적 영향을 최소화하기 위해 자연 상태를 가급적 보존하고 불투수 면적을 최대한 줄이며, 우수 발생 지점에서부터 소규모로 우수를 관리하고, 분산식 우수 배제 방식을 지향한다. 본 연구에서는 PCSWMM을 이용하여 송산 그린시티 개발 사업에 기존 개발 방식과 저영향개발 방식에 대한 홍수 및 침수 분석을 수행하여 저영향개발 기법에 의한 홍수 저감 효과를 분석하였다. 이때, 저영향개발 기법은 배수체계 개선의 관점에서 우수 배제의 방향을 다원화하는 비구조적 방법과 식생수로 도입의 구조적 방법을 고려하였다. 그 결과, 배수체계 개선을 위해 도입된 저영향개발 방식이 기존 개발 방식에 비해 홍수와 침수 저감에 유의미한 효과가 있는 것으로 분석되었다. 본 연구의 결과는 도시 홍수 및 침수 문제 개선에 구조적 및 비구조적 저영향개발 기법 활용의 가능성을 시사한다.

핵심용어: 저영향개발, 배수체계, 비구조적 방법, 식생수로, PCSWMM

1. 서 론

유역 개발에 따른 불투수 면적의 증가는 강우 발생 시, 직접유출량과 비점오염 부하를 증가시키고, 증발산량과 침투량을 감소시켜 하천의 건천화를 유발하는 등 유역의 물순환을 왜곡시킨다(Kang et al., 2018). 저영향개발(low impact development, LID) 기법은 이러한 유역 개발에 따른 홍수, 물순환, 환경적 영향을 최소화하기 위한 기법으로서, 자연상태를 최대한 보존하고, 개발이 요구되는 지역은 불투수 면적을 줄이기 위해 계획함으로써 가급적 본래의 자연상태에 가깝도록 모사하는 기법이다(Prince George’s County, 1999).

저영향개발 기법은 크게 비구조적 방법과 구조적 방법으로 구분된다. 비구조적 방법은 불투수 면적 최소화, 물길 개선, 토양 개량, 자연적인 우수유출 경로 훼손 최소화 등 토지이용계획 수립 단계에서 활용될 수 있다. 구조적 방법은 도로⋅교통시설, 주거⋅산업단지, 공공부지의 도시 인프라에 옥상녹화, 빗물정원, 투수성 포장, 식생도랑, 침투트렌치 등의 녹색 기반시설(green infrastructure)을 이용하는 방법이다(Lee et al., 2014; Lee, 2023). 특히, 저영향개발 기법은 우수 발생지점에서부터 소규모 단위로 우수를 관리하는 분산식 우수 배제 방식을 지향하므로 기존의 우수관망, 저류지, 빗물 펌프장 등의 대규모 방재시설을 이용하여 우수를 배제하는 집중형 우수 배제 방식과 차별된다(Kang et al., 2015). 또한, 개발로 인한 영향을 최소화하는 저영향개발 기법은 수문 환경의 조절뿐만 아니라 도시 경관 향상도 염두에 두는 개발 방식이며, 자연에 순응하는 우수관리 방법이다.

국내⋅외에서는 저영향개발 기법에 의한 우수유출 저감, 물순환 개선, 비점오염 저감 등의 효과를 분석하기 위해 많은 연구를 수행하였다(Trowsdale and Simcock, 2011; Gironás et al., 2010; Bae et al., 2012; Qin et al., 2013; Koo et al., 2013; Yeo and Jung, 2013; Cho et al., 2013; Jang et al., 2013, Lee et al., 2015, Zahmatkesh et al., 2015; Ahiablame and Shakya, 2016). 하지만 이들 대부분의 연구에서는 단지 시설물 도입 중심의 구조적 측면에서 저영향개발의 요소기술을 적용하여 달성되는 효과 분석에 관한 내용을 다루고 있다. 본 연구에서는 저영향개발 기법의 적용을 보다 확장하여 우수 배제의 방향을 다원화(물길 개선)하는 비구조적 방법과 구조적 방법을 함께 고려하였다.

한편, 일반적으로 구조적 방법으로 도입되는 저영향개발 시설은 시설물 자체의 우수유출 저감 효과는 크게 나타날 수 있다. 하지만 개별 시설물의 집수 면적은 전체 유역 면적에 비해 매우 소규모이기 때문에 유역 출구에서 나타나는 홍수 저감 효과는 미미할 수 밖에 없다. 본 연구에서는 저영향개발 기법을 도입함에 있어서 유역 전체의 배수체계 개선을 목적으로 구조적인 방법인 식생수로와 비구조적 방법인 물길 개선을 고려하였다. 그리고 이러한 저영향개발 기법 도입에 따른 홍수 및 침수 저감 효과를 정량적으로 분석하였다. 저영향개발 기법 도입에 따른 홍수 및 침수 저감 효과는 기존 개발 방식과 저영향개발 방식이 모두 고려되었던 송산 그린시티 조성 사업 부지의 일부를 대상으로 하였고, 분석에 활용된 모형은 저영향개발 기법의 요소기술과 침수 분석이 가능한 PCSWMM이다.

2. 연구 방법

2.1 대상유역

본 연구에서는 시화지구 개발 사업의 일환으로 추진되고 있는 송산 그린시티 조성 사업 부지의 일부를 대상 유역으로 하였다. 송산 그린시티 조성 사업은 시화호 주변 지역의 생태환경을 보전하면서 시화 방조제 건설로 생성된 대규모 간석지를 효율적으로 활용하여 자연과 환경 그리고 인간 모두를 고려한 합리적인 도시를 조성하는 것에 목적이 있다.

Fig. 1은 본 연구의 대상 지역인 송산 그린시티 동측 지구의 토지이용계획도이다. 개발지역은 저밀도 생태주거단지로 계획하고 있으며, 계획인구는 2만 명이다. 개발 면적은 354.34 ha이며, 전체 면적 중 주거단지가 44%, 공원 및 녹지가 38%로 구성되어 있어 생태주거단지로서 녹지 면적이 크다. 이에 따라 녹지 면적을 활용한 저영향개발 기법을 적용하기 용이한 지역이다.

Fig. 1

Land Use of the Study Area

2.2 기존 개발 방식과 저영향개발 방식

2.2.1 비구조적 요소

송산 그린시티 동측지구에는 당초 기존 개발 방식이 채택되면서 4개의 주 수로를 이용한 집중식 우수배제 방식이 계획되었다(Fig. 2(a)). 이에 반해 저영향개발에서는 분산식 우수 배제 방식을 지향한다. 본 연구에서는 저영향개발 방식을 고려하면서 기존 4개의 주 수로에 2개의 소규모 수로를 추가적으로 고려하는 등 물길 개선을 고려하였다. 또한, 우수관거는 연장이 길어짐에 따라 관거의 규모가 커지므로 유역 유출부에 인접한 지역은 직접 우수배제가 되도록 하였고, 우수의 배제 방향을 분산시킴으로써 관거의 규모가 비대해지지 않도록 하였다(Fig. 2(b)).

Fig. 2

Centralized and Decentralized Drainage Systems

2.2.2 구조적 요소

본 연구에서는 저영향개발 방식을 이용한 우수관리 계획에 송산 그린시티 동측지구의 높은 녹지 비율을 고려하여 많은 공간에 식생수로를 계획하였다. 이때, 식생수로는 우수관거를 대체하여 설치되고, 강우 시 지반으로 침투를 유도하기 때문에 유출 저감에 기여할 수 있다. 본 연구에서 고려된 식생수로의 총 길이는 7 km로서, 저영향개발 방식의 전체 배수체계(46.57 km)의 약 15%에 해당된다. Fig. 3은 저영향개발 방식을 고려한 배수체계에 도입된 식생수로의 설치 구간을 나타낸다.

Fig. 3

Stormwater Drainage System with Vegetated Swale in LID Method

한편, 저영향개발 방식의 우수관리 계획에서는 도로변에 350개의 침투 빗물받이를 설치하고, 17개의 인공습지가 계획되었다. 하지만 해당 시설들은 초기 우수의 비점오염 저감 목적의 시설로서 본 연구에서 대상으로 하는 홍수 저감에 기여하는 정도는 미미하다.

2.3 PCSWMM을 이용한 해석

PCSWMM은 캐나다의 CHI 사에서 EPA-SWMM의 수리/수문 해석 엔진을 기반으로 Windows용 사용자 편의환경을 도입한 유역 유출모형이다(Jin et al., 2015). 미 환경보존국(Environmental Protection Agency, EPA)의 지원 아래 개발된 EPA-SWMM은 유역에 내린 강우로 인해 발생하는 지표면 유출과 지하수 유출, 배수관망에 대한 유출을 추적할 수 있다(Huber and Dickinson, 1992). 그리고 저류지, 위어, 오리피스 등의 수공구조물을 고려할 수 있고, 과적(surcharge) 흐름, 배수(backwater), 압력류, 오염물질에 대한 계산과 처리 등을 모의할 수 있다. 또한, 미 환경보존국은 증가하는 저영향개발 기법의 적용 및 분석의 수요에 부응하기 위해 기존의 EPA-SWMM에 생태저류지, 빗물통, 투수성 포장, 침투 트렌치(infiltration trench), 식생수로 등을 모의할 수 있도록 기능을 개선하였다(Rossman, 2010).

PCSWMM은 이러한 EPA-SWMM의 기능에 추가적으로 침수 해석이 가능하도록 개발되었다. PCSWMM은 침수에 대한 수치 해석 시 모의하고자 하는 영역에 대하여 사용자의 정의에 따라 육각형의 격자를 생성하고, 격자의 중심에 각 격자의 평균 고도를 맨홀 바닥고로 하는 노드(node)를 생성하게 된다. 그리고 각 노드를 연결하는 개수로 흐름을 연속방정식과 1차원 점변 부정류 방정식을 이용하여 육각형의 여섯 방향으로 해석하고, 평면의 침수 분석을 수행한다(Jin et al., 2015).

Fig. 4는 본 연구에서 PCSWMM을 이용하여 기존 개발 방식과 저영향개발 방식에 대하여 구성한 배수체계를 나타낸 화면이다.

Fig. 4

Constructions of PCSWMM for Each Development Method

3. 연구 내용

3.1 홍수 모의

본 연구에서는 대상 유역에 대하여 기존 개발 방식과 저영향개발 방식에 의한 홍수량을 비교하였다. 홍수량 검토를 위해 사용된 강우량은 대상 유역의 설계 홍수를 고려하여 수원 지방기상청의 1시간 지속기간의 30년 빈도 확률강우량(82.66 mm)을 이용하였다.

Fig. 5는 기존 개발 방식과 저영향개발 방식을 적용한 유출부별 홍수 수문곡선을 나타낸다. 각각의 유출부 위치는 Fig. 4를 통해 확인할 수 있다. Fig. 5를 통해 대체로 저영향개발 기법을 적용하여 분석된 홍수 수문곡선이 기존 개발 계획에 의한 홍수 수문곡선에 비해 지체되고, 첨두 홍수량은 감소되는 경향을 보였다. Table 1은 저영향개발 기법의 적용에 따른 홍수 저감량을 정량적으로 분석한 것으로서, 유역 유출부의 첨두유량은 위치별로 6.9%~25.5% 감소하는 것으로 분석되었다. 참고로, 저영향개발 방식에 의한 유출부 ⓓ는 Fig. (b)4와 같이 ⓓ-1~ⓓ-3으로 구분된다. Fig. 5에 제시된 저영향개발 방식에 의한 유출부 ⓓ의 홍수 수문곡선은 각 유출부(ⓓ-1~ⓓ-3)의 시계열 합을 나타낸다. 그리고 Table 1에 제시된 유출부 ⓓ의 첨두 홍수량은 각각의 유출부에서 나타난 첨두유량의 합이다.

Fig. 5

Flood Hydrographs by Development Methods

Table 1

Analysis Results for Watershed Runoff Event Simulation

Outlet	Conventional development		Low impact development				Reduction rate of peak flow (%)
Outlet	Area (ha)	Peak flow (m³/s)	Area (ha)		Peak flow (m³/s)
ⓐ	45.53	18.71	35.56		13.93		25.5
ⓑ	45.27	16.25	43.50		15.13		6.9
ⓒ	112.38	37.31	123.58		29.58		20.7
ⓓ	105.43	44.25	93.93	ⓓ-1: 1.83	33.07	ⓓ-1: 0.88	25.3
				ⓓ-2: 65.56		ⓓ-2: 11.19
				ⓓ-3: 26.54		ⓓ-3: 21.00

3.2 침수 모의

3.1절에서 우수관거의 설계 빈도에 해당하는 30년 빈도 확률강우량에 대하여 저영향개발 방식에 의한 홍수량이 기존 개발 방식에 의한 홍수량에 비해 저감되는 것을 확인하였다. 최근, 도시지역에서는 우수관거의 설계 빈도 이상의 홍수가 빈번하게 발생함에 따라 침수 피해가 지속적으로 발생하고 있다. 이에 본 연구에서는 설계 빈도 이상의 확률강우량 조건에 대하여 침수 분석을 수행하였다.

Fig. 6과 Table 2는 50년 및 100년 빈도의 확률강우량 조건에 대하여 각각의 개발 방식에 대한 침수모의 결과를 나타낸다. 기존 개발 방식에 비해 저영향개발 방식을 적용하였을 때, 침수 면적이 각각 73.9%와 48.0% 감소하는 것으로 분석되었다.

Fig. 6

Inundation Areas by Development Methods (Left: Conventional Development, Right: Low Impact Development)

Table 2

Analysis Results for Inundation Simulation

Return period (yr)	Inundation area
Return period (yr)	Conventional development (ha)	Low impact development (ha)	Reduction rate (%)
50	22.11	5.77	73.9
100	35.49	18.46	48.0

3.3 결과 고찰

일반적으로 투수성 포장, 침투 트렌치, 식생 체류지, 옥상 녹화, 인공 습지 등 시설물 중심의 저영향개발 기술은 주로 도시 유역의 물순환 개선과 비점오염 저감을 목적으로 계획되고 있다. 실제로, 서울시의 ‘서울특별시 물순환 회복 및 저영향개발 기본 조례’는 도시화로 악화된 자연 물순환 회복과 물환경 보전을 위한 저영향개발의 기본방향을 제시함을 목적으로 제정되었다. 그리고 환경부의 ‘환경영향평가서 작성 등에 관한 규정’에서는 LID 기법 적용 등을 통해 비점오염이 수질에 미치는 영향을 저감할 수 있는 방안을 수립하도록 하고 있다.

시설물 중심의 저영향개발 기법은 빗물을 침투 또는 저류시키므로 시설물이 가지는 집수 면적에 한해서 우수유출 및 홍수 저감의 효과가 나타날 수 있다. 하지만 전체 배수유역의 관점에서 볼 때, 유역 면적 대비 시설물의 집수 면적은 매우 소규모이기 때문에 일반적으로 저영향개발 기법에 의한 홍수 저감에 기여하는 정도는 미미한 것으로 알려져 있다. 이에 반해, 본 연구의 결과는 저영향개발 기법의 도입을 통해 홍수 및 침수에 유의할만한 개선 효과를 가질 수 있는 것으로 분석되었으므로 고찰이 필요하다.

본 연구에서는 저영향개발 기법의 적용에 비구조적인 방법인 우수배제 방향의 다원화 방식을 채택하였고, 녹지 면적을 활용하여 식생수로를 도입하는 구조적인 방법을 고려하였다. 우선, 우수배제 방향의 다원화는 홍수 시 강우-유출수를 특정 지역(유출부 지점)에 집중시키지 않고, 다수의 유출부를 통해 가까운 수역으로 직접 배제하는 방법이다. 이에 따라 강우-유출수가 특정 지역에 누적되어 홍수량이 증가하는 현상이 완화되었고, 이는 결국 침수 발생의 정도를 감소시키는 것으로 검토되었다. 그리고 식생수로는 강우 시 강우-유출수를 이송하는 역할도 하지만, 지반으로 침투를 유도하기 때문에 유출 저감에 기여할 수 있다. 또한, 상대적으로 우수관거보다 경사가 완만하고, 식생으로 인해 조도계수가 크기 때문에 하도 저류와 지체 효과도 나타난다(Fig. 7 참조).

Fig. 7

Vegetated Swale

즉, 본 연구에서 도출된 저영향개발 기법의 적용에 따른 홍수 및 침수 저감 효과는 우수배제 방향 다양화를 통한 홍수의 공간적 분산과 식생수로를 이용한 강우-유출수의 침투, 저류, 지체에 따른 결과이다. 다만, 홍수량 저감 효과에 비해 침수 저감 효과가 매우 크게 나타난 것은 저영향개발 기법의 적용을 통해 홍수량이 작아진 반면, 식생수로로 대체되지 않은 우수관거의 크기는 동일하기 때문이다. 그리고 Table 1의 유출부별 홍수 저감 효과의 차이는 각 소 배수구역의 지역적 차이로 인해 물길 개선과 식생수로 도입이 다르기 때문인 것으로 검토되었다.

한편, 일반적으로 기존 개발 방식에 비해 저영향개발 방식이 비경제적인 것으로 인식된다. 이는 저영향개발 방식 도입에 따라 설치되는 추가적인 구조적 시설에 기인한다. 하지만 U.S. EPA (2007)는 Table 3과 같이 대부분의 사례에서 저영향개발 방식이 기존 개발 방식에 비해 공사비가 15~80% 절감되는 것으로 제시하였다. U.S. EPA (2007)에 의하면, 저영향개발 방식은 기존 개발 방식에 비해 주로 우수 관리와 포장 부분의 비용 감소가 큰 것으로 제시하고 있는데, 우수 관리 분야에는 식생수로와 같은 자연형 배수로를 이용함에 따른 우수관거, 측구, 홈통, 도로 연석 등의 설치 비용 감소가 포함된다.

Table 3

Examples Cost Comparisons between Conventional and LID Approaches^a (U.S EPA, 2007)

Project	Conventional development cost	LID cost	Cost difference	Percent difference^b
2nd Avenue SEA street	$868,803	$651,548	$217,255	25%
Auburn hills	$2,360,385	$1,598,989	$761,396	32%
Bellingham city hall	$27,600	$5,600	$22,000	80%
Bellingham bloedel donovan park	$52,800	$12,800	$40,000	76%
Gap creek	$4,620,600	$3,942,100	$678,500	15%
Garden valley	$324,400	$260,700	$63,700	20%
Kensington estates	$765,700	$1,502,900	–$737,200	-96%
Laurel springs	$1,654,021	$1,149,552	$504,469	30%
Mill creekc^c	$12,510	$9,099	$3,411	27%
Prairie glen	$1,004,848	$599,536	$405,312	40%
Somerset	$2,456,843	$1,671,461	$785,382	32%
Tellabs corporate campus	$3,162,160	$2,700,650	$461,510	15%

a The central park commercial redesigns, crown street, poplar street apartments, prairie crossing, portland downspout disconnection, and toronto green roofs study results do not lend themselves to display in the format of this table.

b Negative values denote increased cost for the LID design over conventional development costs.

c Mill creek costs are reported on a per-lot basis.

4. 결 론

본 연구에서는 도시의 홍수 관리 관점에서 집중식 우수 배제 방식을 활용하는 기존의 개발 방식과 분산식 홍수 관리와 유역의 침투, 저류, 지체 효과를 유도하는 저영향개발 방식을 송산 그린시티 동측지구에 적용하여 비교하였다. 저영향개발 방식을 도입하는 과정에서는 기존의 저영향개발에 관한 연구들에서 고려하지 않았던 우수의 배제 방향을 분산시켜 우수관거의 연장을 줄이고, 홍수량이 집중되지 않도록 유도하였다. 그리고 대상 지역의 높은 녹지 공간을 활용하여 우수관거를 대체할 수 있는 식생수로의 도입을 고려하였다.

각각의 개발 방식에 대한 배수체계는 PCSWMM을 이용하여 구현하였고, 30년, 50년, 80년 빈도에 대한 홍수 및 침수 저감 효과를 분석하였다. 우선, 우수관거의 설계 빈도에 해당하는 30년 빈도의 홍수 조건에서 저영향개발 방식에 의한 홍수량은 기존 방식에 비해 유출부별로 6.9~25.5%의 홍수 저감 효과가 나타나는 것으로 검토되었다. 유출부별 홍수 저감 효과의 차이는 지역적 특성에 따라 배수체계 개선과 식생수로의 도입 정도 및 조건이 상이한 것에 기인하였다. 한편, 저영향개발 방식에 의한 침수 면적은 기존 개발 방식에 의한 침수 면적에 비해 50년 빈도 홍수에서 73.9%, 100년 빈도에서 48.0% 감소하는 것으로 분석되었다. 저영향개발 방식을 도입함에 따라 침수 저감 효과가 홍수 저감 효과에 비해 크게 나타난 것은 저영향개발 기법의 적용을 통해 홍수량이 작아진 반면, 식생수로로 대체되지 않은 우수관거의 크기는 기존 방식에서 결정된 우수관거의 크기와 동일하기 때문이다.

본 연구는 시설물 설치 중심의 구조적인 저영향개발 기법과 분산식 배수체계를 고려한 비구조적 저영향개발 기법을 함께 활용한 연구로서 기존 연구와 차별된다. 또한, 기존 개발 방식 대비 저영향개발 방식의 홍수 저감 효과를 정량적으로 평가하였다. 본 연구의 결과를 통해 저영향개발 방식 도입을 통해 홍수에 대한 대응 능력을 키울 수 있는 것으로 분석되었는데, 이는 본 연구에서 도시 계획 단계에서 저영향개발을 고려하였기 때문에 배수체계의 변경과 녹지 공간을 이용한 식생수로의 도입 등이 가능하였다. 따라서 신도시와 산업단지 조성 등 신규 사업에 적극적으로 활용될 필요가 있다. 기존 도시의 경우, 본 연구에서와 같은 구조적/비구조적 저영향개발 기법 도입에 제약이 있을 수는 있지만, 최근의 지속적인 도시 침수 문제를 해결하기 위한 방안으로 고려될 필요가 있을 것으로 판단된다.