석문 저류지의 수량 및 수질확보를 통한 물순환 체계 구축 연구
Investigations on Establishing a Water Circulating System for Securing the Quantity and Quality of Water at the Seok-mun Detention Basin
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Abstract
도시화와 산업화 등의 각종 개발활동을 통한 불투수 면적의 증가와 국지성 강우 등의 기후변화는 도시 홍수, 가뭄 등의 원인이 되어 자연 및 환경파괴와 나아가 인간의 생명까지도 위협받고 있다. 석문국가산업단지는 과거 개발방식인 획일적인 공장용지 위주의 산업단지를 지양하고 미래 산업단지 개발의 테스트베드를 구현하고자 지구내 저류지를 단순 홍수조절용 저류지가 아닌 이수·치수 및 수질환경을 종합적으로 고려한 친수공간으로 계획하였다. 저류지와 산업단지의 다양한 기능을 충족시키는 하이브리드형 친수공간 확보를 위해 석문국가산업단지 유역의 물순환 체계의 구축이 필요하다. 석문 저류지의 지속가능성 차원에서 수량 확보 방안 마련과 강우시 저류지 내로 유입되는 원수와 저류지내 유지용수의 수질 확보 방안이 요구되고 있다. 본 연구에서는 석문저류지의 일반현황, 자연현황 및 수리·수문조사를 통해 수량 및 수질 확보측면에서 물순환, 수원, 수처리시설을 종합적으로 검토하였다. 그 결과, 저류지와 수로를 분할하여 관리하는 물순환체계 구축방안이 가장 적절한 것으로 분석되었다.
Trans Abstract
Impervious surface area and regional precipitation has increased due to climate change as a result of various developmental activities associated with urbanization and industrialization; such changes are detrimental to and pose a threat to human lives. Unlike the previous factory-oriented model of the standardized industrial complex, the Seok-mun National Industrial Complex aims to establish a test-bed for developing a futuristic industrial complex. Besides being a water detention basin for flood control, the test-bed is a comprehensively designed waterfront for irrigation, flood control, and the ensuring of water quality. To ensure a hybrid-type waterfront, serving a variety of functions as a detention basin and other needs of an industrial complex, it is necessary to establish a water circulating system for the drainage area of this complex. To ensure the sustainability of the Seok-mun detention basin, solutions need to be explored for securing water and for assuring the quality of water inflow into the detention basin at time of precipitation need to be explored. In the present study, a comprehensive investigation was conducted on water circulation, water sources, and water treatment facilities to ensure the quantity and quality of water by examining. In the present study, we analyzed whether the establishment of a water circulating system, which could separately manage the detention basin and irrigation canal, would be the most appropriate approach.
1. 서론
도시화와 산업화 등의 각종 개발활동을 통한 불투수 면적의 증가와 국지성 강우 등의 기후변화는 도시 홍수, 가뭄 등의 원인이 되어 자연 및 환경파괴와 나아가 인간의 생명까지도 위협받고 있다. 인위적인 배수시스템의 적용으로 인한 자연적인 물순환 체계의 붕괴가 가장 큰 원인으로 환경부와 국토해양부 등의 정부기관에서는 증가하는 개발활동에 대한 대책으로 저영향개발(LID; Low Impact Development) 기법을 도입하여 개발에 따른 불투수 면적을 최소화하여 물순환 체계의구축 방안으로 활용하고 있다.
석문국가산업단지는 과거 개발방식인 획일적인 공장용지위주의 산업단지를 지양하고 미래 산업단지 개발의 테스트베드(공원+상업+관광+레저)를 구현하고자 중심부에 체육시설용지(골프장 27홀)를 비롯한 교육·연구시설과 상업시설을 배치하여 주변관광지와 연계성을 유도하였다. 이러한 개발구상에 따라 지구내 저류지를 단순 홍수조절용 저류지가 아닌 이수·치수 및 수질환경을 종합적으로 고려한 친수공간으로 계획하였으며 이는 석문국가산업단지 내 상징적인 호수공원(저류지)이다. 호수공원과 산업단지 두 공간의 만남을 통해 다양한 기능을 충족시키는 하이브리드형 친수공간 확보를 위해 석문국가산업단지 유역의 물순환 체계를 구축하고자 한다.
석문 저류지의 지속가능성 차원에서 수량 확보 방안을 마련이 필요하다. 석문 저류지로 유입되는 원수 대부분은 강우 시농경지에서 방류되는 빗물로 질소(N), 인(P) 등 화학비료 성분을 많이 함유하고 있으며, 평상시 관리수심이 1.5 m에 불과하여 수온상승에 따른 호소의 부영양화 및 조류발생 가능성이 매우 높아 이에 대한 수질 확보 방안이 요구되고 있다.
또한 조성원가 절감을 통한 사업성 확보를 위하여 저매립형 단지 조성 계획을 수립하고 강우시 유역 내에서 발생하는 우수를 저류하여 배제시킬 수 있도록 대규모 저류지를 계획(657천m2)하였으나, 갈수기 외부 유입 수원이 부족하여 지구 내로 유입될 수 있는 총 배수유역이 15.75 km2에 불과함에 따라 저류지 관리 수위(1.5 m)를 위한 수자원의 재활용 방안 등 안정적인 유지용수 확보방안도 필요한 실정이다.
이에 본 연구에서는 석문저류지의 일반현황, 자연현황 및 수리·수문조사를 통해 적정 홍수량 관리 방안, 최적 수량 및 수질 확보 방안을 제시하고자 한다. 또한, 최근 신도시·재생도시개발 및 산업단지 등에 적용가능한 새로운 기법으로 부각되고 있는 저영향개발 기법을 이용하여 석문국가산단에 도입방안과 물순환 개선방안을 검토하고 최적 물순환 체계도입안을 제시하고자 한다.
2. 연구방법
2.1 석문국가산업단지 현황
본 연구 대상 유역인 석문국가산업단지는 충청남도 최북단당진군에 위치해 있으며 지형은 대부분 평탄한 간척지로 과거 일부 섬지역을 제외하고는 농경지가 대부분을 이루고 있으며, 주거지구는 농경지와 임야로 구성되어 있다. Fig. 1은 석문국가산업단지의 위치를 나타내고 있으며, 자세한 조감도는 Fig. 2와 같다. 석문 저류지의 경우 호소 면적이 657,000 m2으로 최대 담수용량은 2,618,000 m3이다.
Map of Seok-mun National Industrial Complex
Aerial view of Seok-mun National Industrial Complex
2.2 관련 상위 계획 검토 및 기초자료 조사
석문국가산업단지 내 저류지의 최적 수량·수질 관리 방안모색에 있어 관련 상위 계획을 검토하였다. 상위계획으로는 제4차 국토종합계획(2000~2020, 국토해양부), 제3차 충청남도 종합계획(2000~2020, 충청남도)을 검토하였다. 또한 석문저류지와 비슷한 유형인 석문호, 삽교호, 평택호, 남양호, 시화호, 송도유수지, 남동공단 유수지, 영종도 유수지 등 국내사례조사를 수행하였으며 시사점을 도출하였다(Table 1).
Implications deduction from domestic case analysis
2.3 석문 저류지 최적 수량 확보 방안 검토
물순환체계 구축시 시설의 목적에 부합하기 위한 적정규모의 유지용수 확보는 가장 중요하게 검토하여야 할 사함이다. 석문 저류지가 가진 자연조건을 최대한 활용한 친환경적인 물순환체계 구축이 우선적으로 고려되어야 한다. 저류지 본연의 기능인 치수기능과 상업지구를 중심으로 한 친수기능의 강화를 위한 적정한 양질의 수원이 필요하며 저류지의 규모를 수용할 수 있는 용수가 필요하다고 판단된다.
2.3.1 저류지 유지용수 산정
유지용수 산정에 있어 서산관측소의 기상자료를 활용하여 물수지 분석을 수행하였다. 강수량, 증발량, 침투량을 고려하여 유입량, 저류지증발량, 누수량으로 저수지 내수량을 예측하였으며, 물수지 분석결과를 토대로 저류지 수량 변동에 따른 공급기간 및 비공급기간을 결정하였다.
석문 저류지는 기본적으로 치수시설인 저류지가 존재하지만 친수공간과 생태서식처에 적합한 수질을 확보하기 위해 유역에서 배출되는 오·폐수, 유출 우수 등이 저류지로 유입되지 않게 설계가 되었고, 상시 일정한 수위를 유지하기 위해 넓은 수면적을 이용하여 우수에 의한 유지용수를 확보하고자 하였다. 강수량은 유입 즉시 저류지 수면적과 대비하여 담수 되는 효과를 보이며, 강수량이 순간적으로 많아져 수위가 급격하게 상승하거나 홍수위 이하의 범위에서는 즉시 배제되거나 월류하는 경우는 없다. 따라서 수표면적과 월별 관측 강수량을 활용하여 Eq. 1을 통해 산출할 수 있으며, 산출결과를 아래에 제시하였다.
강수량을 통한 유입량 산정 결과 평균수위면적이 넓은 저류지에 강수 유입량이 수로와 비교하여 많은 것으로 조사되었으며, 우기 집중기간인 6~8월 사이에 강수량을 통한 유입량이 집중되는 것으로 나타났다. 그러나 강우가 적은 갈수기에는 공급이 적어 유입량이 상대적으로 적게 나타났으며 증발량과 침투량 대비 음의 값을 나타내는 시기에는 추가적인 용수의 공급이 필요할 것으로 사료된다.
저류지에 적용되는 분석방법은 강수에 의한 유입 대비 증발로 인한 유출량을 기본으로 하며 월별 일평균 증발량은 서산관측소 측정기준의 최근 10년간 자료를 월별로 평균한 관측증발량과 호수공원의 각 위치별 평균수위표면적을 활용하여 Eq. 2로 산출하였다.
식 2에서 증발접시계수(0.7)는 실제 증발접시의 증발량이 호수 표면의 증발량보다 크게 나타나기 때문에 이를 보정하기 위한 계수로 증발접시 증발량에 대한 호수 표면으로부터의 실제 증발량의 비를 나타낸다. 수면적이 넓은 다른 호수와 비교하여 증발량이 많았으며, 봄철과 가을철에 증발량이 강수량보다 많은 것으로 나타났다. 따라서 3월에서 5월, 10월에서 11월 동안은 증발을 통한 유출량과 강수에 의한 유입량을 파악 후 유입수량 및 순환수량을 충분히 공급해 주어 평균수위가 하락하여 정체수역이 되거나 수리학적 체류시간이 길어져 조류가 발생하는 부영양화 현상이 발생하지 않도록 해야 한다.
월별 일평균 침투량은 유체로 포화된 다공성 물질내의 흐름양을 설명해 주는 Darcy의 법칙을 활용하여 산출하였다. 즉, 저면 및 호안을 통한 침투량은 원지반 또는 다양한 차수재(고분자 계열 지오멤브레인, 점토차수재, 흙벤토나이트, Geosynthetic clay liner 등)의 투수계수(K)를 고려하고, 평균수위에 대한 원지반 및 차수재의 두께(Δl)를 통과시 수리수두손실(Δh)과 저면 및 호안의 담수된 단면적(A)을 활용해 Eq. 3을 통해 산출하였다.
저면과 호안으로 침투하는 누수량을 최소화 하고 외부로 부터의 지하수 및 불명수의 유입을 방지하기 위해 석문 저류지저면은 부지 조성시 굴착된 토양(가토제)을 활용하였으며, 이에 대한 침투계수 K는 1×10-7 cm/s이다. 침투량 산정 결과 월별 약 869 m3의 용수가 누수 되는 것으로 나타났으며, 석문저류지의 경우 담수 면적이 넓고 일정한 수위로 관리되기 때문에 비슷한 규모의 수심이 있는 호수들과 비교하면, 누수량이 더 많을 것으로 예측된다.
물수지 분석결과, 강우가 집중되는 여름철(5~9월)은 유입수량이 증발량 보다 많기 때문에 비공급기간이며, 결빙이 되는 겨울을 제외한 초봄과 늦가을(3~4월, 10~11월)은 유입수량보다 유출수량이 더 많기 때문에 용수 공급이 필요한 것으로 판단된다. 용수가 부족한 초봄과 늦가을에는 매월 평균 11,957m3의 유지용수가 필요하며, 일평균으로 환산하면, 약 400 m3/d의 용수가 요구된다.
2.3.2 저류지 보조수원 검토
석문 저류지의 경우 유입유량이 풍부한 여름철(5~9월)에는 추가적인 용수공급이 필요없으며, 결빙기를 제외한 늦가을과 초봄(10~11월, 3~4월)은 관리수위를 지속적으로 유지하기 위해서는 추가적인 용수공급이 필요 할 것으로 예측된다. 석문저류지의 관리수위는 E.L. (−)1.5 m이며, 저류지내 평균수심은 2 m로 상업지구 우측 부근이 2.5 m로 가장 깊은 수심을 가지고 있다(Fig. 6). 석문 저류지의 기본적인 목적은 재해방지용 저류지이며, 저류지 본연의 기능에 대한 방향과 전체적인 시설비용 및 유지관리 비용을 절감 등을 고려하여 보조수원의 타당성을 검토하였다.
Distribution of water levels by water level management
Amount of precipitation and evaporation (Seosan)
Water capacity of detention basin assessed through water balance analysis
Decision on the duration of supply and non-supply of maintenance water
저류지외 기타 수공간 조성 사례를 살펴보면, 인공습지의 경우에는 수심에 따라 수질적인 측면에서의 특징을 가지고 있었다(Table 2). 침사지는 유입수 중의 부유물 및 고형물을 제거하기 위한 시설로 수심 1.0 m~2.0 m, 체류시간 2~5시간으로 계획하는 것이 일반적이다. 인공습지의 경우는 습지전체에 균등하게 물이 흐르도록 계획하는 것이 중요하며, 수심은 0.3 m~0.6 m가 적당하다고 제시하고 있다. 석문 저류지의 경우 수면적이 넓고 습지와 같이 식생이 조성되어 있는 환경이 아니기 때문에, 1.0 m미만의 수심으로 관리 될 경우 질산화 및 탈질화 등의 작용이 발생하면서 악취 또는 바닥이 들어나는 미관상의 문제가 발생할 수 있어 최소 수심에 대해서도 고려되어야 할 것이다.
Depth-wise characteristics of the constructed wetland
기존 저류지의 관리수심 사례검토 결과, 현재 석문저류지의 관리 수위에 따른 수심이 1.5 m~2.5 m에 달하기 때문에 안정성적인 측면에서 문제가 될 수 있고, 수심을 활용한 기타 여가 시설 사용에도 한계성이 있는 것으로 나타났다. 이에, 일반적으로 관리수심으로 제시가 되고 있는 1.0 m 내외의 수준에서 경관상에 문제가 없도록 관리수위를 조절 하고자 한다. 관리수위를 E.L.(−)1.5 m에서 (−)2.0 m로 조정할 경우, 저류지의 수심범위는 1.0 m~2.0 m의 범위를 보이며, 안정성적인 문제점을 해결할 수 있을 것으로 예측된다. 단, 석문저류지의 수질관리를 위해서는 넓은 유역면적에서 유입되는 비점오염원을 원천적으로 차단하는 것이 중요할 것으로 고려된다.
2.3.3 최적 수량 확보 방안
석문저류지의 수원을 확보하기 위해 (1)용수공급량, (2)수질, (3)시설물 개략공사비용 및 유지관리비용, (4)기존의 취수시설 활용 가능성, (5)각 수원의 장단점, (6)수리권 관련 행정부처간의 협의 등을 종합 검토할 필요성이 있다.
석문저류지는 타 물순환체계와 비교하여 수면적이 넓은 장점이 있으며, 최근 물관리에서 외부수원이나 비용이 예상되는 유지용수의 도입은 비용 측면 등에서 여러 가지 불리한 점이 있기에 현 지형을 최대한 활용하는 우수저류가 일차적으로 고려되었다. 또한, 우수만으로도 저류지 수량 확보가 가능하며, 호수공원 유지용수의 원활한 공급 및 비상시 대책을 위해 주 수원이외에 대체수원(비상 수원)에 대한 대안이 필요하다.
석문저류지의 보조수원은 비상시를 위한 대책으로 필요성이 요구되어야 하고, 일상시 호수관리를 위해서는 추가적인 보조수원 공급은 불필요한 것으로 고려된다. 비상시 대책을 위한 저류지내 보조용수 공급은 석문산업단지 내에 공사비용및 유지관리 면에서 유리한 측면에서 검토하였다. 호수공원유지를 위한 대체 취수원(비상수원)을 수량, 수질, 시설공사비, 유지관리비 측면에서 검토한 결과, 사업지구 인근의 공업용수관에서 취수함으로써 관로비용을 절감할 수 있는 장점을 가지고 있으며, 다른 비상수원과 비교하여 시설비와 유지관리비가 저렴하여 중복투자 및 과잉투자를 예방할 수 있을 것으로 판단된다. 따라서 보조수원은 사업지구 인구의 공업용수를 활용하는 것이 적절한 방법으로 고려된다. 다른 안으로는 하상여과수, 지하수, 폐수처리방류수, 상수, 해수 등이 검토되었으나 설치비용의 과다 산정, 장기 사용 시 부영양화 발생 문제,지자체 협의 및 유지관리 문제, 해조류 발생으로 인한 미관 및 수질 악화 문제 등이 예상되기에 일차 선정에서는 배제하였다. 결론적으로 석문 저류지의 수원은 수면적을 활용한 우수를 주수원으로 사용하고, 보조수원은 산업단지내 관로를 직접적으로 활용한 공업용수를 선택함으로써, 시설공사비, 유지관리비용을 절감하는 최적의 안이라 판단된다.
공업용수의 관로 위치선정은 Fig. 7과 같으며, 저류지에서 가까운 공업용수 관을 활용하기로 하였다. 활용관은 저류지중간을 관통하는 공업용수관이며, 공사비용의 절약을 위하여 이송관로의 길이가 짧은 2안을 선택하였다.
Selection of ducts for utilizing the industrial water
2.4 석문 저류지 최적 수질 확보 방안 검토
호수공원과 산업단지의 만남을 통한 하이브리드형 친수공간 확보 목적에 부합시키기 위해 “상수원 수질조사자료”, “호소 수질환경기준”, 하천 수질환경기준”, “부영양화 기준치”,”위락시설 및 친수성 수질기준”, “기존 인공호수공원의 목표수질” 등을 종합 검토하여 수질관리 항목 및 목표를 설정하였다. 최근 조성되는 인공하천 및 호수는 친수공간 조성이라는 목적에 부합시키기 위해 “상수원 수질조사자료”, “호수 수질환경기준”, “부영양화 기준치” 및 “위락시설 및 친수성 수질기준” 등을 검토하여 상수원수로도 이용 가능한 수질환경기준상의 III급수 정도를 유지할 수 있도록 설정하여 적용하고 있다.
신도시 물순환 조성 도시의 공원 호수 수질 등급 사례를 보면 공원호수의 경우, 석문호와 마찬가지로 호수의 부영양화와 관련된 총인은 2등급, 그 외는 3등급을 기준으로 관리하고 있었다. 대부분의 호수에서 심미적 또는 악취에 영향을 주는 부영양화 억제에 대해 집중적으로 관리하고 있었고, 수원자체를 수질등급이 높은 물을 원수로 이용하고 있었다. 호수 주변의 하천, 강, 저수지에서 취수하여 고도처리 한 후 활용하는 사례가 대부분 있었다. 석문저류지의 경우에는 근처에 석문호가 근접하고 있으며, 석문호의 경우는 농업용 저수지로써 특별히 수질관리가 이루어지고 있지 않은 상태이다. 매년 부영양화가 발생하고 서해안에 근접한 호수와 마찬가지로 석문호 또한 영양상태가 높은 상태이다. 석문호를 원수로 이용할 때에는 다른 물순환 사례와 마찬가지로 고도처리시설이 요구되어질 것이며, 이로 인한 유지관리비용이 증가할 것으로 예측된다. 본 연구에서는 저류지의 넓은 면적을 활용하여 강우를 수원으로 활용하며, 대기에서 호수면으로 떨어지는 강우에는 오염원의 양이 미미하기 때문에, 양질의 수원을 확보할 것으로 예측된다.
2.4.1 수로를 활용한 초기우수 처리
초기우수는 강우초기의 우수가 지표면과 하수관거내를 흐르면서 불투수면에 퇴적되어 있는 오염물과 하수관거의 퇴적물을 세척해 상대적으로 고농도의 오염물질이 함유하게 되는 우수를 의미한다. 강우시 석문저류지로 유입되는 초기강우에 대해 석문에 계획된 초기우수처리시설만으로는 수질등급 유지에 한계가 있다. 이에, 강우시 발생하는 고농도의 초기우수를 원천배제하고자 수로를 활용하여 저류 및 방류를 통해 초기우수를 처리하고자 한다.
초기우수를 발생시키는 강우의 발생빈도를 파악하기 위하여 Fig. 8과 같이 당진시 최근 10년의 강우를 대상으로 강우량별로 발생량을 분석하였다. 최근 10년의 강우량 발생 빈도검토 결과, 0~5 mm의 강우량이 68.5%로 가장 높은 부분을 차지하였다. 누적강우량을 살펴보면 5 mm 이하가 68.5%, 10 mm 이하가 77.1%, 20 mm 이하가 86.1%, 30 mm 이하가 90.1%로 0~30 mm 수준의 일강우가 전체 강우 발생빈도에서 90%를 차지하는 것으로 나타났다.
Analysis of frequency and quantity of daily rainfall during the last 10 years
최근 10년동안의 각 강우범위별 발생빈도는 5 mm 이하의 강우는 감소, 5~20 mm의 강우는 증가, 20~50 mm의 강우변동 패턴은 특정하지 않고, 50 mm 이상의 강우는 증가하는 경향으로 나타났다. 초기우수의 최고농도가 봄철의 누가강우 12~15 mm일 때 발생한다(서울시정개발연구원, 2006). 초기강우 대처에 있어 초기 우수의 최고 농도를 고려하여 적정 배제 강우량 범위는 10~20 mm로 검토하였다(전체 강우 발생빈도의 86.1%).
2.4.2 초기우수배출
석문저류지의 초기우수 처리장치는 장치형 스크린류로 20%의 처리효율을 나타낼 것으로 예측하였다. 초기강우유입시 저류지 평균 인농도는 0.53 mg/L로 수질등급 6의 수준이며, 초기우수처리시설로 처리하여도, 평균 인농도가 0.43 mg/L로 나타나 처리효과가 미미하였다(Fig. 9). 저류지 수질 2등급을 위해서는 초기우수 배제가 반드시 필요할 것으로 확인되었다.
Monthly changes in the phosphorus concentration of precipitation inflow
2.4.2 저류지로 유입하는 후기강우수 처리
초기강우로 유입되는 인을 배제하고, 후기강우가 저류지로 유입할시 저류지 내의 평균 인농도는 0.04 mg/L(수질등급 3등급)로 석문사업지구에서 목표로 하는 0.03 mg/L보다는 약간 높은 수준으로 나타났다(Fig. 10). 오염원의 농도가 높은 초기우수는 해양 방류하여 배제하고, 이후 들어오는 후기강우유입원에 대해 초기우수처리시설과 수처리를 적용하면, 저류지내 인 농도가 평균 0.03 mg/L이하로 나타나는 것으로 예측되었다.
Monthly changes in the phosphorus concentration
수질모의 결과, 1월에서 4월 그리고 11월에서 12월은 초기우수 배제만으로도 수질 2등급(인농도 0.03 mg/L)을 만족 하는 것으로 나타났다. 5월에서 10월에 유입인 농도가 7월과 9월보다 낮은 이유는 20 mm이상의 비가 7월과 9월보다 적게 내려, 후는 강우량 증가에 따른 유입량 증가로 초기우수배제만으로는 인농도가 2등급 수준에 미치지 못했지만, 수질정화효과를 적용한다면, 2등급의 수질개선 효과를 기대 할 수 있을 것으로 예측된다. 그러나 강우가 집중되는 7월과 9월에는 수질정화 시설까지 적용시에도 일시적으로 수질 2등급을 만족하지 못할 경우가 있을 것으로 나타났다. 후기강우로 유입되는 오염원의 농도가 낮기 때문이다. 석문저류지의 항시 2등급 수질을 위해서는 수질정화 시설 외에 별도의 추가대안(간헐적 약품 살포 등)이 필요한 것으로 검토되었다.
3. 결과 및 고찰
3.1 물순환 체계 구축방안
석문 저류지의 물순환체계를 구축은 Fig. 11과 같은 절차로 이루어졌다. 물순환 체계 구축을 위한 기본 구성요소로 Fig. 12와 같이 순환방향, 수원, 수처리시설 3가지 안에 대해 검토하고, 구성요소별로 조합하여 물순환 체계를 검토하였다. 각 요소별 세부내용을 검토하고, 구성요소별 조합 후 적정 사례를 선정하였다. 그리고 적정사례로 선정된 5가지 사례에 대하여 검토 한 후 최종 물순환 체계를 구축하였다.
Procedures for establishing a water circulating system
Fundamental elements of a water circulating system
3.1.1 물순환
물순환 체계는 총 4가지에 대해서 검토하였다(Fig. 13). 첫 번째로 정체의 경우는 저류지 본연의 기능을 최대화 시키는 방안으로 추가적인 시설 설비가 불필요하다는 장점이 있다.그러나, 정체수역의 형성으로 인한 녹조발생 등의 수질 문제 등이 발생할 수 있다. 두 번째로 수문방향의 순환은 저류지의 하상고 및 펌프 시설을 활용하여 수로와 저류지에서 수문방향으로 순환하는 형태이다. 이 형태의 경우 치수적인 측면에서 관리가 용이하나, 상업지구 인근의 깊은 하상고로 인하여 해수문으로 순환을 위한 펌프와 같은 시설이 요구되며, 해수문 쪽으로 수로와 저류지의 물이 집중되기 때문에 하상고가 낮은 상업지구 쪽으로 오염원이 축적될 가능성이 높다. 세 번째로 저류지 방향의 순환의 경우 저류지 및 수로의 본래 하상고를 이용한 순환으로써, 상업지구 우측부근에 모든 오염원이 축적될 염려가 있다. 네 번째 조합의 경우는 저류지와 수로를 분할하여 관리하며, 수로부는 오염원을 최대한 차집하여 저류하는 기능을 가지고 있다. 수로부를 저류조로 활용할 경우 저류지에 축적되는 오염원의 감소와 더불어 수로자체에서 1차적으로 저류후에 해수문으로 방류되기 때문에 해양오염 방지에도 효과가 있을 것으로 예측된다.
Establishment of the direction of circulation in a water circulating system
3.1.2 수원
수원의 경우에는 총 6가지를 검토 하였으며, 6가지는 하상여과수, 지하수, 하수처리방류수, 우수, 해수, 상수이다. 하상여과수의 경우 태화강, 탄천 등에서 활용되고 있으며 근처의 하천에서 양질의 수원을 확보 할 수 있는 장점이 있다. 그러나, 석문 저류지의 경우 산업단지 주변에 하천은 전무한 상태이며, 하상여과수 자체가 양질의 대수층이 요구되고 추가적인 시설 설치가 필요하기 때문에 비용면에서 많은 부담이 있다. 지하수의 경우에는 사업지구 내에 풍부하게 분포되어 있고, 수질도 양호한 편이나, 해수 침투로 인한 염분상승 등의 문제로 수원으로써의 활용이 어려운 점이 있다. 하수처리 방류수는 하수처리장에서 7,000 ton/day가 재이용수로 공급되고 있으며, 이 재이용수는 고도처리 되어 수질이 양호 할 것으로 판단된다. 그러나, 환경영향평가서의 하수처리방류수 기준을 호수수질등급과 비교해보면 6등급 수준이기 때문에 2등급 수질을 유지해야하는 저류지의 수원으로써 활용하기에는 수질적인 측면에서 어려운 점이 있다. 상수의 경우는 기존의 관로를 활용하여 공사비 절감 등 양질의 수원확보의 장점이 있지만, 높은 유지관리 비용 발생할 수 있는 문제점이 있다. 해수의 경우에는 수량 확보면에서 다른 어떤 수원보다도 용이한 점이 있으며, 별도의 시설을 요하지 않는다. 그러나 해수와 담수가 혼합될 경우 영양염의 증가로 인한 수질 악화가 발생할 염려가 있다. 석문저류지의 수원으로써 우수를 염두하고 있는데, 우수의 경우는 양질의 수원 확보가 가능하며 해수와 마찬가지로 별도의 시설을 요하지 않는다. 우수의 경우 저류지내 수위 관리면에서 문제점이 발생 할 수 있으며, 이에 대하여 상위에서 저류지내 수위변동을 검토한 결과, 수위변동이 미미하기 때문에 석문 저류지의 적절한 수원이 될 것으로 예측된다.
3.1.3 수처리시설
수처리시설에 대해서는 6가지에 대하여 검토 하였으며, 6가지는 Disk-filter, DAF(dissolved air floatation), Membrane, 광촉매산화, 자연정화시설, 수류순환시설이다. 시설을 요하는 수처리 시설의 경우 석문산업단지 내에 유지확보부분, 시공비용, 유지관리 비용 등이 소요되며, 저류지의 용량이 일반적으로 수질관리 되는 공간보다 처리용량이 과다하기 때문에 비용 면에서 많은 약점이 있다. 수처리시설에 의한 처리 효율은 2등급으로 수질에 대한 보증여부는 확연하지만, 석문저류지의 모든 수량을 수처리 하기에는 한계성이 있다. 높은 비용이 소요되는 시설물 보다는 시설용지를 요하지 않는 호수내 적용할 수 있는 수처리 시설에 대하여 추가적으로 검토하였다. 이에 본 연구에서는 수류순환과 수면폭기가 동시에 이루어지는 형태의 부유 수처리 시설을 선정하였으며, 해당 시설물은 호내 자정작용 촉진 및 녹조발생 제어 등의 효과가 있는 것으로 검토되었다.
3.2 물순환체계 구축
각 요소별로 조합 및 검토하여 최종적으로 설계안을 Fig. 14와 같이 제시하였다. 물순환에 대해서는 수로부와 저류지부를 구획하여 수로부는 오염원의 저류지로써 역할을 그리고 저류지는 친수공간 및 수질확보 공간의 역할을 하도록 구축하였다. 수로부는 오염원 농도가 높은 초기우수의 20 mm까지 저류할 수 있는 공간을 확보하였고, 저류지내에는 정체수역 발생을 막기 위하여 수류 순환 장치를 설비하였다. 수원의 경우는 석문지역의 최근 10년간의 강우 및 증발량 자료를 분석하여, 저류지내 수위변동을 고려하여 우수를 활용하는 것으로 최종적으로 결정하였다. 저류지의 관리수위는 E.L.(−)2.0 m이며, 검토된 수위변동 폭은 26 cm로, 수위변동이 미미한 수준이다. 수처리시설은 공간확보가 필요없는 저류지내에 설치하는 시설을 선정하였으며, 저류지의 자연정화 기능 향상 및 수류발생으로 인한 녹조제어 등의 역할을 기대하고 있다. 또한, 관거 오접, 이상기후로 인한 대량의 폭우로 오염원이 대량발생하는 비상시에는 화학적 문제가 없는 응집제를 사용하여 수질을 개선하도록 계획하였다.
Establishment of a water circulating system in the Seok-mun detention basin
4. 결론
석문저류지의 물순환 체계를 구축하기 위하여 저류지의 수량 및 수질 확보 방안에 대한 검토 결과 다음의 결론을 얻을 수 있었다.
1. 석문저류지의 수원을 확보방안 검토결과, 타 물순환체계와 비교하여 수면적이 넓은 장점이 있으며, 외부 수원 활용에서 어려운 점이 있기에 우수저류지로 검토 되었으며, 추가적인 수원 확보를 위한 보조 수원으로는 산업단지내 관로를 직접적으로 활용한 공업용수를 선택함으로써, 시설공사비, 유지관리비용을 절감하는 최적의 안이라 판단된다.
2. 석문저류지의 항시 2등급 수질을 위해서는 수질정화 시설 외에 별도의 추가대안이 필요한 것으로 검토되었으며 이는 수류순환과 수면폭기가 동시에 이루어지는 형태의 부유수처리 시설을 선정하여 적용함으로 호내 자정작용 촉진 및 녹조발생 제어 등의 효과가 있을 것으로 검토되었다.
3. 석문저류지의 물순환, 수원, 수처리시설을 종합적으로 검토하여 물순환 체계 구축방안을 모색한 결과, 저류지와 수로를 분할하여 관리하는 방안이 가장 적절하다고 검토되었다.
감사의 글
본 연구는 LH 2012 수시과제 연구비 및 국토교통부/국토교통과학기술진흥원 건설기술연구사업의 연구비지원(13건설연구S04)에 의해 수행되었습니다.