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J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 16(2); 2016 > Article
SWMM을 이용한 자연형 비점오염 저감 시설의 모의 방법

Abstract

Recently, adapting facilities of natural type for non-point pollution is being proliferated to replace reduction facilities of manufactured type. However, integrated removal efficiency of the reduction facilities of natural type for non-point pollution is difficult to estimate because those facilities are distributed on several locations in a basin. The facilities of natural type also reduce pollutant load by storage, infiltration, and lag of stormwater. The study suggested a simulation method for the reduction facilities of natural type for nonpoint pollution using the SWMM. The method was applied to a study area, and it was evaluated whether the planned reduction facilities of manufactured type for non-point pollution may be replaced with facilities of natural type. Consequently, reduction facilities of natural type for non-point pollution with artificial wetland and vegetative swale could remove 93.6% of the non-point pollution that is planned to treat with the reduction facilities of manufactured type for non-point pollution. The results from the study will be used to plan natural stormwater treatment devices.

요지

최근, 장치형 비점오염 저감 시설을 대체하기 위해 자연형 시설의 도입이 확대되고 있다. 하지만 자연형 시설은 소규모로 유역 내에 분산되어 설치되므로 여러 시설물들을 종합한 비점오염 저감 효율의 산정이 어렵다. 또한, 장치형 시설과 달리 자연형 시설은 우수를 저류, 침투, 지체시킴으로써 유량 저감에 따른 추가적인 오염부하량의 저감 효과를 가진다. 이에 본 연구에서는 SWMM을 이용한 자연형 비점오염 저감 시설의 모의 방법을 제시하였다. 그리고 해당 방법을 장치형 시설이 기 계획된 대상유역에 적용하여 자연형 비점오염 저감 시설의 대체 가능성을 검토하였다. 그 결과, 인공습지와 식생수로를 이용한 자연형 비점오염 저감 시설은 기존의 장치형 비점오염 저감 시설에 의해 제거되는 비점오염의 93.6%를 제거할 수 있는 것으로 분석되었다. 본 연구의 결과는 향후 자연형 비점오염 저감시설의 계획에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

1. 서론

환경부는 수질 및 수생태계 보전에 관한 법률 제53조에 의거하여 다량의 비점오염 물질을 배출할 가능성이 있는 개발사업과 폐수 배출시설 설치 사업장에 대하여 비점오염 저감시설을 설치하도록 하는 비점오염원 설치신고 제도를 시행하고 있다(Ministry of Environment, 2006a). 이에 국내의 많은 개발 사업장에서는 비점오염 저감 시설로서 여과, 와류, 스크린 등의 장치형 시설을 계획·설치하고 있다.
이러한 장치형 시설은 고가이고, 성능을 유지시키기 위해 지속적인 유지관리가 필요한 단점을 가진다. 이에 Ministry of Environment(2014)는 비점오염원 관리에 관하여 기존의 습지, 침투성 지역, 식생지역 등 자연적인 관리방안을 최대한 활용하고, 불가피하게 시설을 설치하는 경우에는 최소한의 유지관리가 필요한 시설을 설치하도록 권장하고 있다. 이에 따라 최근에는 장치형 비점오염 저감 시설을 대체하기 위해 자연형 시설이 많이 계획되고 있다.
일반적으로 장치형 시설은 주로 처리 대상 유역의 말단부에 단독으로 설치되고, 유역에서 발생하는 비점오염원을 일괄적으로 처리한다. 또한, 장치형 비점오염 처리 시설은 비점오염처리 대상의 용량에 따라 시설 용량이 결정되므로 해당시설의 처리 효율은 곧 대상유역에 대한 비점오염 처리 효율이 된다. 반면에 자연형 시설은 대부분 유역 내에 분산시켜 계획되므로 유역의 종합적인 처리 효율을 평가할 필요가 있다. 한편, 장치형 비점오염 저감 시설은 시설의 성능에 따라 오염물질만을 처리하고, 유입된 물은 그대로 방류한다. 따라서 장치형 비점오염 저감 시설의 처리 효율은 시설물의 성능에 따라 결정된다. 하지만 자연형 시설의 경우, 시설 자체에 의한 오염물질의 처리뿐만 아니라 강우-유출수가 자연형 시설을 통과하면서 침투, 저류되어 유량이 감소하게 되므로 시설물 자체의 비점오염 처리 효율 이상의 효과가 나타난다. 따라서 이를 정량적으로 평가할 수 있는 방법이 요구된다.
실제로 대부분의 연구에서 자연형 시설에 의한 비점오염의 저감을 분석하면서 시설물 고유의 비점오염 처리 효율과 자연형 시설에 의한 유량 저감에 의한 개선을 모두 고려하지 못하였다. 예로서, Cho et al.(2013)Lee et al.(2014)는 SWMM(storm water management model)을 이용하여 자연형 비점오염 저감 시설을 포함한 저영향개발(low impact development)기법에 의한 비점오염 저감 효과를 분석하였다. 하지만 SWMM 내에 탑재된 저영향개발 요소기술의 경우, 비점오염저감을 모의할 수 있는 기능이 구현되어 있지 않다. 즉, 해당연구들에서는 시설물에 의한 우수의 저류, 침투, 지체를 통해 우수 저감에 의한 비점오염 부하량 저감을 분석한 것으로서, 각각의 시설이 가지는 고유의 비점오염 처리 효과를 고려하지 못하였다. 반면에 Lee et al.(2008)은 SWMM을 이용하여 비점오염 저감 시설의 효율을 입력하여 모의하였지만, 해당연구에서는 시설물에 의한 유량 저감에 의한 비점오염의 저감을 고려하지 않았다.
본 연구에서는 National Institute of Environmental Research(2009)의 자료를 이용하여 자연형 시설에 의한 유역 차원의 비점오염 처리 효율을 종합적으로 분석하는 방법을 제시하였다. 그리고 분석된 비점오염 처리 효율을 SWMM에 입력하고 자연형 비점오염 저감 시설을 직접 모의하여, 자연형 비점오염 저감 시설로부터 달성될 수 있는 실질적인 효과 분석 방법을 기술하였다. 본 연구에서는 자연형 비점오염 저감 시설의 모의 방법을 시화지구 개발사업의 일환으로 추진되고 있는 송산 그린시티 조성 사업 부지의 일부에 적용하여 기 계획된 장치형 저감 시설이 자연형 저감 시설로 대체될 수 있음을 보였다.

2. 연구 방법

2.1 SWMM의 수질 모의와 수 처리 기능

2.1.1 SWMM의 수질 모의 기능

본 연구에서는 장치형 및 자연형 비점오염 저감 시설의 모의에 미국 환경보존국(U.S. Environmental Protection Agency; EPA)에서 제공하고 있는 SWMM Ver. 5.1(이하 SWMM)을 이용하였다. SWMM의 수질 모의는 유역 내 오염물질의 축적(buildup)과 유실(washoff) 현상을 개념적인 수식을 정의하여 수행된다(James et al., 2005). SWMM 내에 탑재된 축적과 유실에 관한 수식은 Table 1과 같다. 축적과 유실에 관한 수식가운데 동일한 개념의 변수가 사용됨에도 적용되는 단위(unit)가 상이한 변수가 있으므로 주의해서 사용할 필요가 있다(Kang and Lee, 2014).
Table 1
Equations and variables for buildup and washoff in the SWMM
Buildup/washoff Type Equation Variable
Buildup Power B = Min(b1b2tb3) B: Buildup load (mass per area or curb length)
b1: Maximum buildup possible (mass per area or curb length)
b2: Buildup rate constant (mass/days)
b3: Time exponent (dimensionless)
b4: Buildup rate constant (1/days)
b5: Half-saturation constant (days to reach half of the maximum buildup)
Exponential B = b1 (1-exp-b4t)
Saturation B=b1tb5+t
Washoff Exponential W = w1qw2B W: Washoff load (Exponential: mass per hour, Rating curve: mass per sec)
ω1: Washoff coefficient (dimensionless)
ω2: Washoff exponent (dimensionless)
ω3: Washoff coefficient (mass per liter)
q: Runoff rate per unit area (e.g., mm/hr)
B’: Pollutant buildup load (mass)
Q: Runoff rate in user-defined flow unit (e.g., m3/s)
Rating curve W = w1Qw2
Event mean concentration (EMC) W = w3Q
유실에 관한 수식에서 오염물질의 축적의 정도를 반영하는 것은 지수(exponential)식을 사용하는 경우이다. 즉, 유량 관계 곡선(rating curve)식 또는 유량 가중 평균 농도(event mean concentration; EMC)식을 이용하는 경우, 강우-유출수에 포함되어 있는 오염물질의 농도는 축적과 상관없이 유량의 함수로만 결정된다. 그리고 유량 가중 평균 농도식은 유량관계 곡선의 지수(w2)가 1인 경우에 해당하는 수식이다.

2.1.2 SWMM의 수 처리 기능

SWMM에서 수 처리는 두 가지의 방법으로 정의될 수 있다.첫 번째는 SWMM의 절점(node) 성분에 포함되어 있는 처리(treatment) 기능을 이용하는 것이다. 절점 성분에 있는 처리기능은 오염물질의 제거 효율 또는 유출수의 농도를 상수로 정의할 수 있는 기능을 갖추고 있을 뿐만 아니라, 유량, 수심,체류시간, 다른 오염물질의 제거 효율 등을 이용하여 수식으로 다양하게 설정하는 기능을 포함한다(Fig. 1의 (a)). 두 번째는 유실에 관한 수식을 정의하면서 오염물질의 제거 효율을 백분율로 설정하는 것이다. 오염물질의 제거 효율은 Fig. 1의(b)에 제시되어 있는 BMP 효율(BMP Effic.)에 해당된다.
Fig. 1
Water quality treatment function of the SWMM.
KOSHAM_16_02_123_fig_1.gif

2.2 자연형 시설의 비점오염 저감 효율 산정 방법

비점오염 저감 시설은 수질 및 수생태계 보전에 관한 법률시행규칙 제8조에 따라 자연형 시설과 장치형 시설로 구분된다. 자연형 시설에는 저류형, 침투형, 식생형 시설 등이 포함되고, 장치형 시설에는 여과형, 와류형, 스크린형, 응집·침전처리형 시설 등이 포함된다. 이러한 비점오염 저감 시설은 시설물의 종류에 따라 처리 효율이 매우 다양한데, Ministry of Environment(2006b)는 이 가운데 대표적인 비점오염 저감 시설들의 효율을 Table 2와 같이 제시하였다. Table 2에서 대부분의 비점오염 저감 시설의 효율이 범위로서 제시되고 있는데, 이는 동일한 비점오염 저감 시설이라 할지라도 설치되는 지역의 특성과 수문 상황에 따라 상이한 효율이 도출되기 때문이다.
Table 2
Removal efficiency of reduction facilities for non-point pollution (Ministry of Environment, 2006b)
Classification Treatment efficiency (%)
BOD COD SS T-N T-P Remark
Natural type Storage Detention storage 30 30 70~90 20~60 10~60 Detention time: 10~12 hours
Artificial wetland (High level processing) 64~86 20~80 73~93 15~40 47~80 Detention time: 4~14 days
Artificial wetland (Oxidation pond) 40~60 10~40 40~60 ~25 ~12 Detention time: 24~48 days
Pond 10~70 10~70 50~70 10~70 20~70 Detention time of SS: more than 2 days Detention time of TN, TP: more than 14 days
Infiltration Pervious pavement 60~90 60~90 60~90 60~90 60~90 Drainage time: 6~72 hours
Infiltrative storage 50~80 50~80 50~80 50~80 50~80 Depth: 1~3.5 m
Vegetation Infiltrative trench 50~90 50~90 50~90 50~90 50~90
Filter strip ~50 ~50 40~60 20~30 30~60 Slope: less than 5%
Vegetative swale ~25 ~25 20~40 10~30 20~40
Manufactured type Screen type 20 20 60 10 20
Filter type 60 40~70 60~90 20~40 ~~80
Vortex type - 5~10 10~25 5~10 5~10 High removal efficiency of oil, grease, and residue
Waste water treatment type (coagulation and settlement process) 80 60 85 20 85 Installation of by pass for exceeded inflow
Table 2의 다양한 비점오염 저감 시설 가운데 장치형 또는 시설형 비점오염 저감 시설은 주로 유역 말단부에 설치되고, 단일한 시설이 계획되므로 비점오염 처리 효율을 단순하게 계산하고 적용할 수 있다. 하지만 침투 포장, 식생수로, 식생저류지와 같은 자연형 시설의 경우, 유역 내에 소규모로 다수의 시설이 포함되므로 해당 시설물들에 의한 종합적인 효율을 계산할 할 필요가 있다. National Institute of Environmental Research(2009)에서는 다양한 시설에 의한 비점오염 처리 효율을 Eq. (1)과 같이 제시하고 있다.
(1)
ET= 11(1E1)(1E2)(1EN)
여기서, E1~EN은 배수유역 내에 설치된 자연형 시설의 개별 비점오염 처리 효율이고, N은 설치된 시설의 개수, ET는 종합적인 비점오염 처리 효율이다. 즉, Eq. (1)에 따라 단일한 배수구역 내에 설치된 자연형 시설들에 의한 종합적인 비점오염 처리 효율을 결정할 수 있다.

2.3 대상유역과 비점오염 처리 시설 계획

2.3.1 대상유역

본 연구에서는 시화지구 개발사업의 일환으로 추진되고 있는 송산 그린시티 조성 사업 부지의 일부를 대상유역으로 한다. 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 조성하는데 목적이 있다.
Fig. 2는 송산 그린시티 전체 사업지역 중 동측지구(3.54 km2)와 본 연구에서 다루고 있는 대상유역을 표시한 그림이다. Table 3은 송산 그린시티 동측지구의 토지이용계획으로서, 송산 그린시티 동측지구는 43.9% 주거용지와 38.1%의 공원 및 녹지 비율을 가지는 생태 주거단지로 계획되고 있다(K-water, 2011).
Fig. 2
Eastern site of Songsan Green City and study area.
KOSHAM_16_02_123_fig_2.gif
Table 3
Landuse plan for eastern site of Songsan Green City (K-water, 2011)
Classification Ratio (%) Classification Ratio (%)
Total 100.00 Park Sub-total 8.42
Residential area Sub-total 43.88 Neighborhood park 2.08
Single family house 19.01 Mini park 0.41
Mid to high-rise apartment 24.87 Children’s park 0.59
Commercial area Sub-total 1.54 Sports park 5.35
General commercial area 0.88 Green area Sub-total 29.69
Neighboring commercial area 0.66 Buffer green 2.90
Public facility area Sub-total 2.47 Green area connecter 26.79
Educational facility 1.58 Stream 2.55
Public institution 0.14 Road Sub-total 11.42
Social welfare facility 0.11 Carriageway 9.76
Religious facility 0.18 Pedestrian mall 1.66
Library 0.22 Wastewater treatment Sub-total 0.03
Parking lot etc. 0.24 Mediation pumping station 0.03

2.3.2 비점오염 저감 시설의 변경 계획

대상유역에는 2개의 유출부가 계획되어 있고(Fig. 3의 outle A와 B), 당초 각각의 유출부에는 부유사(suspended solid; SS)를 80% 저감시킬 수 있는 모래 여과 시설이 계획되었다. 이는 비점오염원 설치신고 제도에 근거한 계획이다. 하지만 모래 여과 시설과 같은 장치형 시설의 경우, 고가이고 유지관리 비용이 많이 소요되는 단점이 있으므로 이를 자연형 시설로 대체하고자 계획하였다.
Fig. 3
Replacement of reduction facilities for non-point pollution.
KOSHAM_16_02_123_fig_3.gif
기 기술한 바와 같이 송산 그린시티 동측지구에는 많은 녹지 면적이 계획되어 있다. 따라서 이를 충분히 활용할 수 있도록 인공습지와 식생수로를 통해 장치형 비점오염 저감 시설을 대체하도록 계획하였다. 즉, Fig. 3에서와 같이 유출부 A와 B 지역에 각각 인공습지를 1개소씩 설치하고, 유출부 B의 배수구역 내에는 식생수로를 추가로 조성하도록 계획을 변경하였다. Table 45는 각각 유출부별로 설치 계획된 인공습지 및 식생수로의 제원과 관련 정보를 나타낸다. 배수구역 면적을 고려하여 유출부 B지역의 인공습지의 규모가 A지역의 인공습지보다 4배 이상 큰 것을 볼 수 있다.
Table 4
Information and dimension of artificial wetland
Location Dimension Seepage rate (mm/hr)
Bottom area (m2) Top area (m2) Height (m)
Outlet A 406 519 1.5 0.1
Outlet B 702 944 2.0 0.1
Table 5
Information and dimension of vegetative swale
Location Dimension Seepage rate (mm/hr) Roughness
Length (m2) Bottom width (m) Top width (m) Height (m)
Outlet B 309.72 1.0 5.0 1.0 3.3 0.04
Outlet B 183.35 1.0 7.0 1.5 3.3 0.04
Rawls et al.(1983)에 의하면, 점토질 흙의 침투율은 0.25 mm/hr이고, 양토(loam)의 침투율은 3.3 mm/hr이다. 본 연구에서는 습지의 특성을 고려하여 침투가 거의 발생하지 않도록 인공습지의 침투율을 0.1 mm/hr로 적용하였다. 그리고 식생수로의 경우, 대상지역이 매립지이지만 모래로 성토됨을 감안하여 양토의 침투율을 적용하였다. 한편, 식생수로의 조도계수는 Chow et al.(1988)와 Rossman(2009)이 제시한 자연 하도에 대한 조도계수 값을 참고하여 0.04로 적용하였다.

3. 연구내용

3.1 SWMM을 이용한 비점오염 저감 모의 방안

3.1.1 수질 모의 방법

2.1.1절에서 기술한 바와 같이 SWMM은 유역의 수질 모의시 오염물질의 축적과 유실에 관한 개념적 수식을 이용한다. 본 연구에서는 대상유역에서 측정된 수질자료가 없으므로 오염물의 축적의 정도를 고려하지 않는 유량가중 평균 농도 방법을 이용하였다. 이때, 유량가중 평균 농도는 부유사 농도를 기준으로 100 mg/L가 되도록 임의로 설정하였다. 본 연구는 특정한 유역의 유출수 수질을 정량적으로 평가하는 것이 아니라 두 가지 비점오염 저감 시설에 의한 처리 효과를 상대적으로 비교하기 위함이므로 이러한 가정은 결과를 도출하는데 유효한 것으로 판단된다.
한편, SWMM은 수질 모의 시 비점오염 저감 시설에 의한 처리 효율을 사용자가 직접 입력하도록 하므로 각각의 시설에 대한 비점오염 저감 효율을 적용할 필요가 있다. 이에 장치형 시설을 사용하는 경우, 유출부 A와 B에서 각각 비점오염을 80% 제거하도록 설정하였다. 이는 기 계획된 모래 여과시설의 처리 효율을 반영한 것이다. 자연형 시설을 설치하는 경우, Table 2에 제시된 시설별 평균값과 Eq. (1)을 이용하여 산정하였다. 다만, 식생수로의 부유사 처리 효율은 상대적으로 낮으므로, 하부에 쇄석을 채운 침투도랑형 식생수로로 계획하였다. 이에 따라 유출부 A에 설치된 인공습지에 의한 부유사 처리 효율은 50%이고, 인공습지와 침투도랑형 식생수로가 설치된 유출부 B의 부유사 처리 효율은 85%이다.

3.1.2 SWMM에 의한 비점오염 저감 모의 방법

Fig. 4는 3.1.1절에서 기술한 SWMM을 이용한 비점오염 저감 모의 방법을 모식화한 그림이다. 우선, 강우 시 유역에 비점오염을 발생시키기 위해 수질 모의 기능 중 유실의 유량가중 평균 농도 방법을 이용하였다. 즉, 강우 시 100 mg/L의 농도를 가진 부유사가 발생되도록 하였다.
Fig. 4
Schematic diagram for water quality simulation by the SWMM.
KOSHAM_16_02_123_fig_4.gif
비점오염 저감을 위한 설정은 장치형 시설과 자연형 시설에 대하여 각각 2.1.2절에서 제시한 절점의 처리 기능과 BMP 효율을 입력하여 정의하였다. 장치형 시설의 비점오염 저감의 경우, SWMM으로 구현된 유출부 A와 B에 해당하는 절점에서 처리 기능을 이용하여 해당 지점으로 들어오는 오염물질을 일괄적으로 80% 처리하도록 설정하였다. 자연형 시설의 경우, 유실에 관한 수식을 정의하면서 BMP 효율을 입력하여 설정하였다. 즉, 유출부 A 지점으로 유출이 발생하는 유역에서는 BMP 효율을 50%로 정의하였고, 유출부 B 지점으로 유출이 발생하는 유역에는 85%의 BMP 효율을 입력하였다.

3.2 SWMM을 이용한 유역유출 및 수질 모의

3.2.1 강우 조건

Ministry of Environment(2014)는 비점오염 저감 시설의 규모 및 용량 결정에 시설의 유형에 따른 기준 강우량을 제시하고 있다. 즉, 저류 및 침투 시설과 식생형 시설(식생체류지, 식물재배화분, 나무여과상자)의 경우 누적 유출고를 기준으로 최소 5 mm 이상을 사용하도록 제시하고 있고, 장치형 시설과 식생형 시설의 일부(식생여과대, 식생수로)는 2.5 mm/hr의 강우강도를 사용하도록 권고하고 있다.
비록, Ministry of Environment(2014)는 비점오염 저감 시설의 유형에 따라 기준 강우량을 달리 제시하고 있지만, 본 연구의 목적이 장치형 시설과 자연형 시설에 의한 비점오염의 저감 정도를 비교하는 것이므로 연구에서는 동일한 강우조건을 사용하였다. 즉, 본 연구에서는 상기의 저류 및 침투시설의 강우 조건(최소 5 mm 이상)과 장치형 시설의 강우 조건(2.5 mm/hr)을 모두 포함할 수 있도록 비점오염 처리 대상강우를 5 mm/hr로 하였다. 그리고 대상지역에 인접한 수원기상관측소의 지배 Huff 분위를 고려하여 Huff 3분위로 5 mm의 강우량을 1시간의 지속시간으로 분포시켜 적용하였다. 이 때, 분포된 강우자료의 시간 간격은 1분 단위이다.

3.2.2 유역유출 모의 결과

Fig. 5는 장치형 비점오염 저감 시설을 설치하는 경우와 식생수로와 인공습지를 고려한 자연형 시설을 설치하는 경우의 유역유출 모의 결과를 나타낸다. 자연형 시설을 설치하는 경우의 유역유출이 장치형 시설을 설치하는 경우의 유출에 비해 첨두부의 발생시간은 지연되고 첨두유출은 작아지며, 기저유출의 지속기간과 기저유출량은 증가하는 것을 볼 수 있다. 특히, 인공습지와 식생수로가 모두 계획된 유출부 B는 인공습지만 계획된 유출부 A보다 유출의 개선 폭이 훨씬 큰 것으로 분석되었다.
Fig. 5
Flow hydrographs by stromwater treatment facilities.
KOSHAM_16_02_123_fig_5.gif
Table 6은 이를 정량적으로 제시한 결과로서, 장치형 시설을 자연형 시설로 대체하는 경우, 유출부 A와 B의 첨두유량은 각각 44.3%와 80.5% 작아지는 것으로 나타났다. 또한, 총유출량도 유출부 A와 B에서 각각 10.9%와 23.2% 감소하는 것으로 분석되었다. 감소된 총 유출량은 식생수로와 습지를 통해 저류되거나 침투된 양으로 판단할 수 있다.
Table 6
Comparison of flow by type of reduction facilities for non-point pollution
Site Peak flow Occurrence time of peak flow Total runoff volume
Manufactured type (m3/s) Natural type (m3/s) Reduction ratio (%) Manufactured type (hh:mm) Natural type (hh:mm) Lag time (min) Manufactured type (m3) Natural type (m3) Reduction ratio (%)
Outlet A 0.097 0.054 44.3 00:52 00:57 5 155.4 138.5 10.9
Outlet B 0.159 0.031 80.5 00:56 01:27 31 296.9 228.1 23.2

3.2.2 수질 모의 결과

Fig. 6은 모래 여과 시설을 이용한 장치형 시설을 설치하는 경우와 식생수로와 인공습지를 이용한 자연형 시설을 설치하는 경우에 대한 수질 모의 결과를 나타낸다. 본 연구에서는 SWMM의 수질 모의를 유량가중 평균 농도 방법을 이용하여 모의하였고, 두 계획에 의한 유량이 서로 상이하므로 유량과 농도를 곱한 오염물질의 부하량으로 비교하였다.
Fig. 6
Pollutographs by type of reduction facilities for non-point pollution.
KOSHAM_16_02_123_fig_6.gif
유출부 A의 경우, 모래 여과 시설을 대체하는 시설로서 인공습지만이 계획되었다. 모래 여과 시설의 부유사 제거 효율은 80%인 반면, 인공습지의 경우 부유사 제거 효율은 50%이므로 인공습지를 통해 배출되는 부유사 부하량은 모래 여과시설에 의해 처리된 오염부하량에 비해 커지는 것을 볼 수 있다. 반면에, 인공습지와 식생수로가 함께 고려된 유출부 B의 부유사 부하량은 모래 여과 시설에 의한 부유사 부하량 보다 매우 작아지는 것으로 분석되었다.

3.3 비점오염 저감 효과 분석

Table 7은 장치형 시설과 자연형 시설의 설치에 따른 최대부하량과 총 부하량을 지점별로 비교하기 위해 정량적으로 제시한 표이다. 자연형 시설로서 인공습지만을 계획한 유출부 A에서는 장치형 시설을 설치하는 경우에 비해 최대 부하량이 23.8% 증가한 반면, 인공습지와 식생수로를 함께 계획한 유출부 B에서는 90.4% 감소하는 것으로 분석되었다. 총 부하량의 경우, 자연형 시설을 설치하는 경우가 장치형 시설을 설치하는 경우에 비해 유출부 A에서는 112.7% 증가하였고, 유출부 B에서는 46.0% 감소하는 것으로 검토되었다. 이를 전체대상유역 차원에서 비교할 경우, 인공습지와 식생수로 설치에 따른 부유사 발생 부하량은 모래 여과 시설의 설치에 따른 부하량에 비해 6.4%만이 증가하는 것으로 분석되었다.
Table 7
Comparison of removal efficiency for non-point pollution by type of facilities
Site Maximum load Total load
Manufactured type (g/s) Natural type (g/s) Reduction ratio (%) Manufactured type (g/s) Natural type (g) Reduction ratio (%)
Outlet A 0.101 0.125 -23.8 84.6 180.0 -112.7
Outlet B 0.163 0.016 90.4 171.7 92.8 46.0
Total 256.3 272.8 -6.4
본 연구에서는 단지계획 차원에서 유역 외부에 설치 가능한 식생수로와 인공습지만을 고려하였다. 따라서 투수성 포장과 옥상녹화와 같이 발생원 관리 차원의 시설이 유역 내에 분산적으로 고려될 경우 충분히 모래 여과 시설의 효과를 기대할 수 있는 것으로 판단된다.
한편, 유출부 B에 계획된 인공습지와 식생수로의 비점오염제거 효율은 기존 모래 여과 시설의 효율에 비해 단지 5% 높다. 하지만 자연형 시설에 의한 총 부하량의 감소율은 46.0%에 이른다. 이러한 영향은 자연형 시설에 의한 비점오염 제거효율 못지않게 강우 시 저류와 침투를 통한 유출 억제의 역할이 크기 때문이다.

4. 결론

본 연구에서는 비점오염 저감 시설로 사용되고 있는 장치형 시설을 대체할 수 있는 시설로서 자연형 시설의 도입에 관한 기술적 검토를 다루었다. 장치형 시설은 고가이면서 유지관리의 어려움이 있으므로 Ministry of Environment(2014)에서는 장치형 시설의 단점을 보완하면서 생태적 기능을 갖춘 자연형 시설의 설치를 장려하고 있다.
자연형 시설의 경우 소규모로 유역 내 다양한 위치에 분산적으로 설치되므로 비점오염 처리 효율을 정의하기 어렵다. 이에 본 연구에서는 다수의 자연형 시설에 의한 비점오염 처리 효율 산정 방법을 제시하였다. 또한, 자연형 시설의 경우, 시설에 의한 우수의 저류, 침투, 지체 등의 효과를 가지므로 강우 시 우수 저감이 발생한다. 따라서 모형을 통해 이를 모의하는 것이 적절하므로 본 연구에서는 SWMM을 이용하여 자연형 시설의 비점오염 저감 효과를 분석하는 방법을 제시하였다.
연구에서는 장치형 비점오염 저감 시설인 모래 여과 시설이기 계획된 송산 그린시티 조성 사업 부지의 일부에 자연형 비점오염 저감 시설의 적용 가능성에 대하여 SWMM을 이용하여 정량적으로 분석하였다. 해당 지역에 도입된 자연형 비점오염 저감 시설은 인공습지와 식생수로이고, 이들 자연형 비점오염 저감 시설을 이용할 경우, 기존 장치형 비점오염 저감시설로 처리할 수 있는 비점오염의 93.6%를 저감할 수 있는 것으로 분석되었다.
본 연구에서는 자연형 비점오염 저감 시설로서 단지계획 차원의 식생수로와 인공습지만을 고려한 것으로 투수성 포장과 옥상녹화와 같이 유역 내에 분산적으로 설치 가능한 자연형 시설을 추가적으로 고려할 경우 장치형 시설의 효과를 충분히 기대할 수 있는 것으로 판단되었다. 특히, 자연형 시설은 시설물 자체의 비점오염 제거 효율뿐만 아니라 강우-유출수의 저류와 침투를 통해 직접 유출을 억제하기 때문에 실질적인 비점오염의 제거 효율은 시설물 자체의 비점오염 제거 효율에 비해 커지는 것으로 분석되었다.
본 연구의 결과는 향후 자연형 비점오염 저감 시설을 이용한 다양한 우수관리 계획 수립에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 국토교통부 물관리연구사업의 연구비지원(12기술혁신C04)에 의해 수행되었습니다.

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