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1. 서 론

기후변화와 도시화에 따른 강우 양상의 변화는 도시를 비롯한 소규모 유역의 빗물관리 패러다임에 큰 변화를 일으키는 계기가 되었다. 기후변화로 인한 연평균 강우 일수의 감소와 사상 평균 강우량의 증가(한반도 기후변화 전망보고서 2020 (National Institute of Meteorological Sciences, 2020))는 도시 내 배수시설이 처리해야 하는 유출수를 증가시키며, 도시화에 따른 불투수 면적의 증가는 강우 사상에 대한 표면 유출의 증가와 함께 무강우시 지표면에 쌓이는 비점오염원(비점오염저감시설의 설치 및 관리운영매뉴얼 (Ministry of Environment, 2020))을 증가시킨다. 신도시를 제외한 기존 도심들의 빗물관리시설은 기후변화와 도시의 대규모화 이전의 설계기준에 맞게 설계⋅시공되었으며, 증가하는 강우 사상의 강우량에 대한 통수능력 부족, 인간 활동에 의한 빗물관리시설의 기능 상실 등은 내수 침수와 돌발홍수로 이어진다. 이에 따라 새로이 개발되는 지역의 빗물 관리를 위한 기법들이 개발되어지며, 저영향개발기법(Low Impact Development, LID)이 그 중 하나의 기술로 대두되었다. LID는 도시를 구성하는 인프라의 기능은 유지하되 자연적 물순환에 대한 영향(Impact)을 최소화(Low)하기 위한 개발 기법으로, 빗물의 침투⋅저류를 증가시키는 방향으로 각 요소 기술들이 적용된다. LID의 요소기술로는 식생수로, 나무여과상자, 투수성 포장 등이 있다. 투수성 포장은 포장을 구성하는 입자 사이 공극을 통해 빗물을 지표하로 침투시켜 지표 유출을 최소화하고 지반으로의 침투⋅침루를 유도함으로써 물순환 개선에 도움을 줄 수 있다. 그중 저류형 투수 블록 포장은 블록을 이용한 도로 포장 방법 중 하나로, 블록 내부 혹은 아래에 저류층을 조성하여 빗물이 일시적으로 모여 저장되며, 저장된 물은 천천히 지하로 침투된다. 이러한 저류형 투수 블록에 대한 연구로는 국내에서 Lee et al. (2012)가 분리형 투수 블록을 활용한 우수 유출 저감효과 분석을 실시하였다. 4 mm 직경의 소형 구멍을 가진 상판과 격자형 밑면, 침투의 극대화를 위해 직경이 40 mm인 구멍으로 구성된 분리형 투수 블록을 일반블록과 함께 설치하였으며, 100 mm/hr의 실내 강우 모의 시험과, 14 L/min의 유입으로 60분간 유출을 재현하는 실외 실험을 통해 2 m × 2 m의 면적에 대해 유출저감을 분석하였다. 실내의 경우 총 유출량의 36.2%를 저감하여 일반블록에 비해 약 30%의 우수유출 저감 효과를 확인하였고, 실외의 경우 90.1%의 유출을 저감하여 일반블록에 비해 30%의 우수 유출 저감 효과를 확인하였다. Park and Jeon (2018)은 투수성 블록 아래 별도의 저류 공간을 갖는 저류형 투수 블록이 설치된 현장에 직접 유출을 모사하여 일반 포장 대비 76~100%의 유출량 저감 효과를 확인하였다. Han and Gil (2020)은 불투수포장 대비 전면 투수 블록과 저류형 틈새 투수 블록의 유출 저감과 유출 지연 시간 비교를 위해 자연 및 인공강우에 대해 모니터링을 실시하여 불투수면 대비 총 유출 저감, 첨두 유출 저감, 지연 시간 증가량을 강우강도에 대해 분석하였다.

국외의 선행연구로는 Park et al. (2020)은 불투수면, 투수성 아스팔트콘크리트, 전면 투수 블록에 대한 실규모 주차장을 구성하여 4개 강우 시나리오에 대한 불투수면 지표 유출 대비 투수 포장 침투 유출비를 각각 1:0.9, 1:0.58로 분석하였다. 스페인의 Castro et al. (2007)은 투수성 블록의 틈새 형상에 따른 폐색 및 투수량 변화를 연구하여 틈새 형상에 따른 폐색 진행의 차이와 장방형 타원 형태의 틈새 형상이 침투에 최적화됨을 확인하였다. Park et al. (2014)은 2 m × 2 m의 면적에 대하여 줄눈과 하부 기층을 포함한 투수성 포장재의 저류 능력을 평가하였으며, 강우강도가 50~150 mm/hr로 상승함에 따라 첨두 발생 시간이 21~16분으로 측정되며, 블록의 강우수 저장량은 산술적인 계산과 95% 신뢰 구간 내에서 일치하는 것으로 나타났다.

국내연구에서는 단일 제품의 투수성 블록에 대한 불투수면 대비 총유출 저감, 첨두 유출량 저감, 첨두 유출 발생 지연 시간을 평가하였으며, 국외의 경우 블록의 형상, 물리적 특성에 따른 투수량, 저류량의 변화에 대한 연구가 진행되었다. 그러나 저류형 투수 블록의 크기, 저류 방식의 다양함에도 불구하고 지표하 침투에 대한 침투 분석을 실시하여 물순환 개선 능력을 정략적으로 비교⋅평가한 연구는 미비한 실정이며, 나아가 성능검증을 위한 기준이나 규격의 자리매김을 위한 연구가 필요하다.

2. 연구 목적

본 연구의 목적은 저류 부피를 가지는 틈새형 투수 블록 2종에 대하여, 저류 부피에 따른 침투 유출 곡선의 분석을 목적으로 총 유출 저감, 첨두 유출량 저감, 첨두 발생 지연 시간을 비교하는 것이다. 이를 위해 10.85 m × 2.3 m의 실규모 실증 대상지를 구축하였고, 인공 강우 모사기를 사용하여 50, 100 mm/hr의 강우 모의를 통해 우수의 거동을 확인 하였다. 대조군으로는 동일한 면적과 경사의 시멘트 콘크리트 포장의 불투수면을 활용하였다.

3. 실험 대상 및 방법

3.1 실험 대상

본 연구에서는 2종의 저류형 블록을 사용하여 인공 강우 모의 실험을 실시 하였다. Block A, B 모두 200 mm의 가로, 세로 정방형 블록으로 옆면의 요철을 활용하여 블록끼리의 결합 및 틈새를 유지한다. 블록 표면은 투수 능력이 없으며, 요철에 의해 생성된 블록 간 틈새를 통해 강우수를 지표하로 침투시킨다. Block A (Fig. 1)의 특징으로는 높이 16 cm, 제품 1개당 중앙 공동부의 부피는 2.17 L로 비교적 크게 설계되었으며 1 m² 당 54.31 L의 저류 공간이 있다. ASTM (2013) 1701 C Single ring 방법으로 측정된 표면 투수계수는 4.23 mm/sec이다. Block B (Fig. 2)의 경우 높이 80 mm, 블록 1개 당 공동부의 부피는 0.24 L로 1 m² 당 6 L의 저류 공간이 생성되며, Single ring을 활용한 표면 투수 계수는 6.59 mm/sec로 측정되었다. 2종의 저류형 블록의 저류 공간 부피(V_storage), 공극율(n)과 같은 물리적 특성치는 Table 1에 나타내었다.

Fig. 1

Crosssection of Block A (mm)

Fig. 2

Stereoscopic View of Block B (mm)

Table 1

Properties of Block A and B

3.2 실험 시설

한국그린인프라저영향개발 센터 내 실외 주차장형 성능검증 시설의 3개소에 각각 불투수포장을 재현한 시멘트 콘크리트(Impervious Pavement, IP), 저류형 블록 A, 저류형 블록 B를 시공하였으며, 각 시설은 Fig. 3과 같이 10.85 m × 2.3 m의 면적 및 높이 0.9 m의 콘크리트 박스로 이루어져 있다. 포장의 표면 경사는 1%이며, 각 포장체의 하부 기층은 Fig. 4와 같이 받침 안정층에 일반 강사 4 cm, 저류층에 쇄석 골재(D 19, 24 mm) 15 cm 깊이로 동일하게 설치하였으며, 강사와 골재 사이의 교반을 방지하기 위하여 투수성 부직포(100 g/m²)을 설치하였다.

Fig. 3

Longitudinal Section of Parking Lot LID Facility. All of the Parking Lot Has a 1% Slope (mm)

Fig. 4

Install Cross Section and Test Bed

3.3 강우모의장치

실험 현장에서의 강우 모의를 위하여 이동형 강우모 사기를 설치하였다(Fig. 5). 이동형 강우 모사기는 2개의 펌프와 1,000 L 용량의 수조, 노즐(KJ 1/4 FF-SS 12W), 전자형 유량계, Wind shield와 강우 모사 장치 프레임(2 m × 2 m × 2 m) 5개 유닛으로 구성되어 실증 대상지 전면에 동일한 강우를 분사할 수 있다. 노즐은 1열 직렬로 설치되었으며, 4 m² 당 3개의 노즐을 사용하여 강우를 모사한다. 노즐의 재원은 분사구 직경 3.3 mm, 분사각 120°로 분사되며, 분사된 물 입자의 크기는 0.51~3 mm로 분사된다(Fig. 6).

Fig. 5

Movable Rainfall Simulator

Fig. 6

Specification of Nozzle

3.4 모니터링

각 실험 대상 블록에 대하여 지표 유출과 배수 유출을 각각 측정하기 위하여 지표 유출구 1개소, 침투 유출구 1개소에 2개의 모니터링 박스를 설치하였으며, IP, Block A, Block B가 설치된 실증 대상지 3개소에 총 6개의 모니터링 박스를 활용하였다(Fig. 7). 각 박스의 내부에는 티핑 버킷형 유량계(500 ml/tipping)를 Fig. 8과 같이 설치하여 강우 모의 시작부터 180분 동안 1분 단위로 유량을 측정하였다.

Fig. 7

Test Bed Monitoring Point

Fig. 8

Tipping Bucket Flow Meter

3.5 강우 시나리오

실험을 위해 설치된 IP, Bloack A 와 B가 설치된 각 시설에 60분 지속시간의 강우를 모의하였다.첫 번째 시나리오의 경우 행복도시의 빗물관리 목표량(23.2 mm) 및 불투수율(53.5%)을 참고(행복도시 저영향 개발 기법 도입방안에 관한 연구(I) (Choi et al., 2017))하여 불투수면에서 발생하는 지표 유출이 동일한 면적의 투수성 포장을 통해 침투되는 상황을 고려하여 투수성 포장면에 46.4 mm의 강우가 발생하는 것으로 선정하였으며, 계산의 편의를 위해 최종 강우량을 50 mm로 설정하였다. 두 번째 시나리오는 지역별 방재성능목표 강우량(1시간, 장기계획)을 참고하여(방재저널 47호(Korea Disaster Prevention Association, 2014)) 제시된 17개 지역의 평균 강우량 89.4 mm를 선정하였으며, 계산의 편의를 위해 최종 강우량을 100 mm로 설정하였다. 면적을 고려한 각 시나리오의 실증 대상지 강우수의 유입량은 각각 20.8 L/min, 41.6 L/min으로 산정할 수 있다. 시나리오에 대한 강우강도는 Table 2에 정리하였다.

Table 2

Rainfall Simulate Scenario

4. 실험 결과

Fig. 9는 강우 모의 시나리오에 따른 IP와 Block A, B의 유출 곡선이다. IP의 경우 강우수의 침투가 이루어지지 않아 지표를 통한 유출을 표기하였으며, Block A, B의 경우 일부 강우수는 투수성 블록을 통해 침투되어 시설 배수관을 통해 배수되었으며, 일부 강우수는 지표를 통해 유출되었다.

Fig. 9

Runoff Curves for Block A and B under Two Scenarios

Block A에 모의한 강우의 일부는 침투되어 시설을 통과한 후 하부의 유공관을 통해 배수되었으며, 50 mm/hr 시나리오에서 총 유입 강우량의 30.0%, 100 mm/hr 시나리오에서 59.3%의 강우수가 배수율을 보였다. 지표를 통해 유출되는 유출율은 50 mm/hr일 때 0%, 100 mm/hr일 때 25.3%로 나타났다. 지표 유출 저감은 50 mm/hr에서 최대 100% 저감 되었으며, 100 mm/hr 시나리오에서는 74.7% 저감 되었다. 100 mm/hr 시나리오의 경우 지표 유출 및 배수 유량은 총 강우량의 84.6%로 측정되었으며, 15.4%의 경우 받침 안정층 및 저류층에 저류된 것으로 보여진다. 한편 분사한 강우로부터 유출되는 유량은 일정 시간 이후에는 강우강도와 같아지며, 이를 평형상태(Equilibrium condition)에 도달하였다고 할 수 있다. 평형상태에 도달한 유량을 평형유출량(Equilibrium flow)이라고 하며 우수 유출이 일정 수준에 이르기까지의 시간은 배수 유량을 기준으로 50, 100 mm/hr 각 시나리오 별 64분, 61분이 경과 된 이후 5.7 L/min과 16.7 L/min으로 측정되었다. Block B는 두가지 시나리오 모두 지표 유출이 발생하지 않았으며, 모든 강우수가 침투된 후 시설의 유공관을 통해 배수되었다. 50 mm/hr 시나리오에서 총 유입 강우량의 32.8%, 100 mm/hr 시나리오에서 84.5%의 강우수가 배수되었으며, 지표 유출 저감은 두 시나리오 모두 100%로 나타났다. 평형 유출의 발생은 각 시나리오 별 35분, 19분으로 나타났으며, 이때의 유출량은 18.3 L/min, 37.0 L/min으로 측정되었다. Block A와 B의 유출 체적 및 유출 발생 시각 데이터를 Tables 3, 4에 표기하였다.

Table 3

Equilibrium Flow and Occur Time

Table 4

Volume of Surface Runoff and Drainage

Block A와 B의 블록 한개 당 공동부 부피는 각각 2.17 L, 0.24 L로 약 9.04:1로 약 9배의 차이를 보이고 있으며, 1 m²에 대한 저류 용량은 각각 54.25 L, 6 L로 산정된다. 포장체를 통해 시설로 침투된 강우수의 배수량은 시나리오 1에서 0.91:1, 시나리오 2에서 0.70:1의 비율로 분석되어 공동부의 부피에 대한 영향이 없는 것으로 판단되나, 배수 시작 시간과 평형 유출의 발생 시간, 유출량에 차이를 보였다. 배수 발생 시각의 비는 각 시나리오 1에서 3.36:1, 시나리오 2에서 3.80:1로 3배 이상 지연되었다. 평형 유출 발생 시간의 경우 시나리오 1에서 Block A와 Block B의 비율은 1.83:1, 2.53:1의 비율로 나타났다. 평형 유출량의 비는 시나리오 1에서 0.31:1, 0.45:1로 나타났다. Block B에대한 Block A의 결과 비를 Fig. 10에 나타냈다.

Fig. 10

Performance Ratio of Block A and B

5. 결 론

최근 기후 변화에 의해 사상 강우의 강우량은 증가하고, 연 강우 일수는 감소하는 추세를 보이고 있다. 또한 도시화로 인한 불투수면의 증가는 지표 유출량을 증가시키고, 도시 유역의 침수 및 돌발홍수를 일으킨다. 이에 따라 유역 내 물순환 건전화를 위하여 저영향개발 기술이 도입되고 있다. 그 중 투수성 포장은 도로의 역할을 수행하며 불투수면을 감소시켜 신도시 및 개발 구역에 적용되고 있다. 하지만 투수성 포장은 포장체의 투수계수만으로 성능을 평가하고 현장에 적용되고 있으며, 하부 기층을 포함한 투수성 포장 시설 전체에 대한 유출 저감 성능의 실험적 평가와 연구는 미미한 상황이다. 따라서 본 연구에서는 투수성 포장의 한 종류인 투수성 블록 중 저류를 위한 공동부를 갖는 결합형 틈새 투수 블록 2종에 대하여 동일한 하부 기층 조건에서 공동부 크기에 따른 영향을 검토하고자 한다. 실증 대상지는 24.955 m²의 면적이며, 50 mm/hr와 100 mm/hr의 모의 강우를 분사하여 2종의 블록에 대한 지표 유출 및 배수 곡선을 생성하고 비교하였다. Block A와 B는 각각 2.17 L, 0.24 L의 공동부 부피를 가지며 1 m² 당 54.25 L, 6 L의 저류 공간을 생성할 수 있다(저류공간 비율 A:B = 9.04:1). 이에 따라 50 mm/hr의 강우 시나리오에서 배수량 비는 0.91:1, 배수 발생 시각 비 3.36:1, 평형 유출량 비 0.31:1, 평형 유출 발생 시각 비 1.83:1로 나타났다. 100 mm/hr 시나리오에서는 배수량 비 0.70:1, 배수 발생 시각 비 3.80:1, 평형 유출량 비 0.45:1, 평형 유출 발생 시각 비 2.53:1로 나타났다. 모의 강우 시작 후 180분의 모니터링을 통해 시설 내 잔존하는 강우수가 모두 배수됨에 따라 배수량 비는 공동부 비율과 달리 큰 차이를 보이지 않았으며, 배수 발생 및 평형 유출 발생 시간을 1.8~3.8 배 지연시킬 수 있었다. 유출 발생을 지연시키고 천천히 배수됨에 따라 평형 유출량 또한 약 31~45%로 감소하였다. 그러나, Block B의 저류 공간 내 저류수가 빠르게 증가할 경우, 포장 표면으로 수위가 상승하여 지표 유출이 발생하게 된다. 불투수면의 총 지표유출량(2,399.4 L)에 비해 74.7% 감소한 유량(631.1 L)이 지표로 유출되며, 첨두유량 또한 불투수면(42 L/min) 대비 30% 감소하는 것으로 나타났다(29.1 L/min). 따라서 공동부에서 하부 기층으로의 통수능력에 따라 강우수의 일부는 지표를 통해 우수관거로 배수하며, 일부는 지표하로 침투시킬 수도 있을 것으로 판단된다.

본 연구에서는 틈새 투수 블록의 공동부에 대한 침투 및 배수 영향을 평가하였으며, 실증 실험을 통해 2종의 투수 블록에 대한 지표 유출 저감 성능도 확인하였다. 그러나 공동부의 부피에 대한 물순환 건전화 성능을 검토하기에는 실험 시나리오 및 공동부 부피의 다양성에 대한 한계가 있었으며, 추후 공동부 부피와 지표 유출 저감, 배수 성능 관계 등의 수치 모델링을 접목한 다양한 검토가 필요할 것으로 사료된다.

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