EPA SWMM-LID를 이용한 저영향 개발 모형화

EPA SWMM-LID Modeling for Low Impact Development

Article information

J. Korean Soc. Hazard Mitig. 2017;17(2):415-424
Publication date (electronic) : 2017 April 30
doi : https://doi.org/10.9798/KOSHAM.2017.17.2.415
김정호*, 최성욱**, 주진걸
* Member, Researcher, College of Engineering, Colorado State University
** Master Student, Department of Civil Engineering, Dongshin University
***Corresponding Author, Member, Assistant Professor, Department of Civil Engineering, Dongshin University (Tel: +82-61-330-3137, Fax: +82-61-330-3138, E-mail: jgjoo@dsu.ac.kr)
Received 2017 March 13; Revised 2017 March 15; Accepted 2017 March 21.

Abstract

본 연구에서는 EPA SWMM-LID를 이용하여 저영향 개발 (Low Impact Development, LID)을 모형화하고, 이를 기반으로 유출저감효과를 검토하였다. LID 모형화는 실제 설치된 시설들의 특성과 설계도 검토를 바탕으로 수행하였다. 결과적으로 SWMM-LID은 설계도면의 반영이 용이하고, LID 시설에 적합한 SWMM-LID 기술요소 선정이 가능하여 모형화에 유용하였다. SWMM-LID 모형화를 통한 저감효과 평가는 시설별로 수행하였다. 전체 시설들의 평균 저감율은 76.6%로 LID 시설로 유입되는 지표수에 대한 저감효율이 상당한 것으로 나타났다.

Trans Abstract

This study implemented EPA SWMM-LID modeling for the low impact development, and examined the effect of LID on the runoff reduction. The SWMM-LID modeling was established based on the LID characteristics and the actual design plan. As a result, we found that the SWMM-LID model is useful to reflect the actual design plan and to select the technical contents corresponding to the installed LID facilities. Through the SWMM-LID modeling, we implemented the evaluation of the runoff reduction rate according to the LID facility-based. The mean of reduction rate in facilities is 76.6% which is considerable effect on the inflow into LID facility.

1. 서론

다양한 사회기반시설들의 건설로 인해 도시화가 급속도로 진행되고 있다(Grimmond, 2007; Damodaram et al., 2010). 불투수한 건설재료로 건축된 회색 기반시설들은 자연적인 물순환 과정을 악화시켜 빗물의 지표면 유출을 증가시키고, 비점오염원에 대한 배출 관리에 매우 취약하다(Dietz, 2007). 불투수면적의 증가는 지표수와 지하수의 단절을 발생시키고, 궁극적으로는 지하수위의 저하를 야기한다. 또한 홍수량의 규모를 증가시키고, 홍수량 발생시간을 단축시켜 큰 인명피해를 초래할 수 있다(Shuster et al., 2005; Shin et al., 2013). 결국, 도시화와 더불어 자연적인 물순환 과정을 구현시킬 수 있는 구조적/비구조적 장치마련이 필요하다.

국내 빗물관리는 2004년 비점오염원관리 종합대책 수립과 함께 2006년 비점오염원 설치신고 제도를 도입하였고, 2006년 국고보조사업 시행, 2012년 제2차 비점오염원관리 종합대책 마련 등으로 이어져 왔다(Ministry of Environment, 2014). 이와 더불어 90년대 미국을 시작으로 빗물관리의 일환 및 자연적인 물순환 회복을 위한 저영향 개발(Low Impact Development, 이하 LID)의 적용 필요성이 부각되었다. 빗물관리는 크게 비점오염원 배출 최소화와 강우-유출수 관리를 목적으로 하며, 물순환 회복, 수질관리, 빗물 재이용 및 방재(홍수 및 침수) 등의 목적을 동시에 만족하는 기법이다

LID에 대한 연구는 다양한 목적으로 선행되어져 왔다. 대표적으로 Perez-Pedini et al. (2005)는 도시유역의 투수성 포장이나 생태저류시설 그리고 침투시설 등을 이용하여 도시개발 이전의 수문학적 기능이 복원되도록 LID 기법을 적용하고, 침투기반의 최적관리기법을 제안하였다. Montalto et al. (2007)은 도시화된 지역을 대상으로 LID 기법이 적용된 합류식 하수관에서의 비용 효율성을 분석하였다. James (2012)는 유출곡선지수 방법과 SWMM 내 LID 모의기법을 LID 시설에 대한 유출량 및 오염부하량 감소분석을 실시하였다. Sharmsi (2011)은 SWMM의 LID 모의 기법을 이용한 소규모 배수구역에 대한 물순환 개선효과를 분석하였다. 국내의 경우, Joo et al. (2011)은 식재박스형 침투시설을 개발하고 이에 대한 효과분석을 수행하였다. Joo et al. (2012)는 가로수목 공간 침투시설의 침투거동을 최대한 실제와 유사하게 모의하기 위해 EPA SWMM을 적용하였다. Shin et al. (2013)은 하수처리구역 내 LID 기법의 적용에 따른 물순환 개선효과와 저감효과 분석 및 유역관리 측면에서의 적정 LID 설치면적 추정 방안을 검토한 바 있다. 이 밖에도 LID 시설과 관련된 연구로 Zimmerman et al. (2010), Pyke et al. (2011), Damodaram and Zechman (2012) 등이 있다.

물순환 회복의 일환으로 ‘빗물유출제로화 단지조성 시법사업 유지관리 및 효과평가’ 사업이 진행되고 있다. 이 사업은 도시지역 내 우수유출량 및 비점오염 저감을 위해 LID 설치 전⋅후의 효과분석을 통해 기술요소의 국내 적용 가능성을 분석하고, 이를 통한 LID 기술요소의 국내 조기정착 및 친환경적이고 체계적 사업의 방향 제시를 목적으로 한다. 산업단지에는 10개의 배수분구에 총 7개 종류의 LID 시설들이 설치하였다. 이 시설들은 침투, 여과, 저류, 증발산, 생태 서식처의 적용 가능성 그리고 지하수 함양기능을 통해 유출량과 오염 부하량을 저감시키는 기능을 한다. LID 사업을 통해 지속적인 유지/관리와 효과평가를 목적으로 여러 지점에 유량과 수질 모니터링을 수행하고 있지만, 모니터링이 갖고 있는 시간적⋅공간적⋅경제적인 한계점으로 인해 산업단지 전반에 대한 관측자료 수집이 원활하게 이뤄지지 못하고 있다. 결국, LID 시설을 고려할 수 있고, 모니터링 자료의 품질에 상응하는 유량모의가 가능한 LID 시설의 강우-유출 모형화가 필요하다.

본 연구에서는 EPA SWMM-LID를 이용하여 저영향 개발을 모형화하고, 이를 기반으로 유출저감효과를 검토하고자 한다. SWMM-LID은 기존 SWMM(Storm Water Management Model)에 LID시설을 추가하여 개발시킨 모형으로, 분포형 강우-유출 모형 기능을 수행한다는 점은 기존의 SWMM 모델과 동일하지만 LID시설을 추가함으로써 LID시설들의 성능구현이 가능하다. LID 모형화는 실제 설치된 LID 시설들의 특성과 설계도 검토를 기반으로 수행하였으며, LID 시설들의 설치 전⋅후 자료를 이용하여 SWMM-LID 모형의 검⋅보정을 하였다. 유출저감효과 평가를 2016년에 발생한 호우사상 자료를 이용하였다. 본 논문은 서론과 결론을 포함하여 총 6개의 절로 구성되어 있다. 2절에서는 SWMM-LID에 대한 배경이론을 설명하였으며, 3절에는 모델링에 적합한 강우해상도 선정내용 그리고 4절과 5절에는 SWMM-LID 모형구축과정에서부터 저감효과 평가 내용을 담고 있다.

2. EPA SWMM-LID

2.1 개요

SWMM은 1971년 USEPA(United States Environmental Protection Agency, US EPA)의 지원아래 Metcalf & Eddy 사가 플로리다 대학과 W.R.E와의 공동연구로 도시유역 하수시스템 내의 유량과 수질을 모의할 수 있도록 개발되었다(Barco et al., 2008). SWMM은 동적 강우-유출 모이 모형으로 단일 강우사상이나 장기모의가 가능한 특징을 가지고 있어서 다양한 시계열 시나리오가 고려된 모의 결과를 수집할 수 있다. SWMM의 모의과정은 배수구역에서 강우로부터 유출 및 오염물질의 발생으로 수리구조물 등을 이용하여 거동하는 일련의 프로세스를 진행할 수 있으며, 발생 및 수송 과정을 추적 및 비교가 가능하다는 장점을 지니고 있어 도시 유역 관리에 큰 기여를 할 수 있는 특징이 있다. EPA SWMM에 대한 보다 상세한 내용은 EPA SWMM에서 발행한 매뉴얼을 통해 확인할 수 있다(Abi Aad et al., 2009; EPA, 2015).

SWMM-LID은 기존 모형에 LID 시설관리 기능을 추가된 모형으로 분포형 강우-유출모의 기능을 수행한다는 점은 변함이 없다. SWMM-LID 모형 내 LID 시설에 대한 개념도(Fig. 1 (a))와 LID 시설의 기본 구조(Fig. 1 (b))를 Fig. 1에 나타내었다. SWMM-LID 모형에서 LID 시설은 Fig. 1(a)과 같이 불투수 면적에서 발생하는 지표수만을 유입수로 설정한다. 따라서 불투수 면적비율에 따라 LID 시설에 유입되는 유입수의 규모가 결정된다. SWMM-LID에서 제공하는 LID 기술요소들의 구조는 Fig. 1(b)처럼 크게 Surface layer, Soil layer, Storage layer로 나뉜다. 여기서, 기술요소는 SWMM-LID에서 제공하는 LID 시설 구현 요소를 말한다. 각 Layer는 설치된 LID 시설들의 설계도를 반영할 수 있도록 구성되어 있어, 실제 설치된 시설들의 규모특성을 고려할 수 있다. SWMM-LID 에서는 총 8가지의 LID 기술요소들을 제공하며, LID 시설에 유사한 기술요소가 없을 경우에는 기술요소들의 Layer와 해당 매개변수들의 수정을 통해 적절한 LID 기술요소를 구현할 수 있다.

Fig. 1

Conceptual Diagram of SWMM-LID Model

2.2 LID 시설별 SWMM-LID 기술요소

SWMM-LID 모형에서는 제공하는 8가지의 기술요소들의 모식도는 Fig. 2와 같다. (a) Bio-Retention Cell은 식생과 토양배합을 통해 강우와 유출수를 저류, 침투 그리고 증산시킨다. 도로변의 식재 공간 및 가로수, 옥상녹화 등을 모의할 수 있다. (b) Rain Garden은 지표층과 토양층으로 구성되었으며, 토양층 내 빗물 침투, 저류 그리고 저장 기능을 가지고 있다. 도로변의 식재공간, 가로수 그리고 식생공간 등을 모의할 수 있다. (c) Green Roof는 옥상녹화에 특화된 기술요소로써 지표층, 토양층, 그리고 배수매트로 구조가 구분되며, 빗물의 침투, 저류, 저장 그리고 배수 기능을 가지고 있다. 일반적으로 건물 내 옥상의 식생공간에 대해 모의를 할 수 있다. (d) Infiltration Trench는 지표층과 저장층으로 구성된 기술요소로써 빗물 저장과 배수가 주요 기능이다. 저장과 배수 기능이 주를 이루는 LID 시설에 대해서는 적용범위가 높다.

Fig. 2

LID Technical Contents in SWMM-LID

(e) Permeable Pavement는 투수포장재가 적용된 도로나 인도에 특화된 기술요소로써 지표층, 포장층, 토양층, 저장층으로 구성되어있다. 투수성이 있는 포장재를 통해 침투기능을 적용할 수 있으며, 토양층과 저장층을 통해 빗물의 저류 및 저장이 가능하다. 또한 저장층 내 설치된 배수관을 통해 빗물의 배수기능을 적용할 수 있다. (f) Rain Barrel은 대표적인 강우통으로써 강수의 저장이 주요기능이다. 대부분 저장층의 규모에 의해 기술요소의 성능이 결정되며, 배수기능 또한 고려할 수 있다. (g) Rooftop Disconnection은 일반 건물에 설치된 우수로이며, 우수 배수기능 개선효과를 반영을 위해 적용되는 기술요소 중 하나이다. (h) Vegetative Swale은 지표층으로만 구성된 기술요소로써 지표층의 피복상태에 따라 기술요소의 기능을 반영할 수 있다.

Table 1은 SWMM-LID 모형 내 LID 기술요소들의 수직 층들의 조합을 정리한 것이다. 총 4개 수직 층(지표층, 토양층, 저장층 그리고 투수포장)과 배수 기능에 대한 내용을 포함하고 있다. 표를 통해서 각 기술요소별 고려된 수직 층들의 조합을 확인할 수 있다.

Layer Structure of SWMM-LID Technical Contents

3. 강우 해상도 결정

본 연구에서는 SWMM-LID 모형화 및 모의에 앞서 10분과 60분 단위 강수자료를 이용하여 산업단지 유역에 적합한 강우 해상도를 결정하고자 한다. 이를 위해, 각 해상도 자료로부터 산정된 60분 최대 강수량을 비교하였다. 시간분해능별 60분 최대 강수량 결과를 Table 2에 연도별로 정리하였다.

Yearly Maximum 60 Minute Precipitation (mm) from 10-min. and 60-min. Temporal Resolution Data

검토한 17개년 결과에서 5개 연도(2002, 2006, 2008, 2010, 2011)를 제외하고는 모두 10분 해상도가 60분 해상도보다 60분 최대 강수량이 큰 것으로 확인되었다. 평균적으로 6.7 mm의 차이가 발생하였으며, 최대 17.0 mm(2000년의 경우)의 차이를 보였다. 해상도별 최대 강수량 산정방식에서 언급하였듯이 이러한 결과는 10분 해상도 자료는 임의시간으로 60분 강수량을 산정할 수 있고, 60분 해상도 자료는 고정시간만 가능하였기 때문이다. 결국, 최대 강수량의 차이는 대상유역의 규모에 따라 직접유출량 큰 차이를 유발시킬 수 있으며, 불투수면적 비율이 높은 산업단지의 경우에는 그 영향이 더 크게 작용할 수 있다.

호우사상별 상이한 해상도별 강수량 시계열을 Fig. 3에 비교하였다. 총 4개 호우사상을 적용하였다. 적용한 호우사상은 2015년에 발생한 7월 29일, 8월 25일, 10월 1일, 그리고 10월 27일 호우사상이다. 결과를 살펴보면, 10분과 60분 해상도 자료의 시계열 경향은 매우 유사하나, 10분 단위 자료가 60분 단위 자료보다 순간 최대 강수량에 민감하였다. 이는 시간적 변동성에 민감한 도시유역 강우-유출 현상을 모의하기 위해서는 60분 해상도보다 10분 해상도 자료가 적합함을 말한다. 10분 단위 강수량을 적용함으로써 보다 상세한 유출모의가 가능함을 의미하며, 이를 통해 강수발생에 즉각적인 유출발생특성을 갖는 도시유역에 대한 적용성이 높을 것으로 판단된다.

Fig. 3

Comparison of Time Series Data in the Different Temporal Resolution

4. SWMM-LID 모형구축

4.1 LID 시설별 SWMM-LID 기술요소 선정

설치된 LID 시설은 식생체류지(vegetation place), 식물재배화분(plants garden pot), 침투형 빗물받이(Infiltration rain-block), 침투통(rain barrel), 침투도랑(infiltration ditch), 나무여과상자(tree filter box), 그리고 투수블럭(permeable pavement) 등 총 7 가지이다. Table 3은 설치된 LID 시설에 적합한 SWMM-LID 기술요소 선정결과를 정리한 것이다. LID 시설의 기능(침투, 여과, 저류, 증발산, 생태 서식처의 적용 가능성, 지하수 함양)에 대한 유무, 적용 가능한 SWMM-LID 기술요소 그리고 본 연구에서 선정한 기술요소에 대한 내용을 포함하고 있다. 적용가능 기술요소 및 선정된 기술요소 항목의 기호는 Table 1에 기재된 기술요소와 동일하다.

The Selected SWMM-LID Technical Contents Corresponding to Installed LID Facilities in Ochang Industrial Complex

Table 3을 살펴보면, 식생체류지는 침투부터 지하수함양까지 모든 기능을 내재하고 있는 LID 시설로써, 이를 모두 고려할 수 있는 (a) Bio-Retention Cell을 선정하였다. 식물재배화분은 저류기능을 제외한 다른 기능들을 내재하고 있다. (a) Bio-Retention Cell, (b) Rain Garden, 그리고 (h) Vegetative Swales 중 (a) Bio-Retention Cell를 선정하였다. 침투형 빗물받이는 저류기능만을 가지며, 본 연구에서는 (d) Infiltration Trenches를 모의 가능한 기술요소로 선정하였다. 침투통은 (f) Rain Barrel로 선정하였다. 침투도랑은 생태서식을 제외한 다른 기능을 내재하고 있으며, (d) Infiltration Trenches를 기술요소로 선정하였다. 나무여과상자 또한 (d) Infiltration Trenches를 기술요소로 선정하였다. 투수블럭은 (e) Permeable Pavement 기술요소를 선정하였다.

4.2 SWMM-LID 기술요소별 초기 매개변수 선정

SWMM-LID 모형 내 LID 기술요소들의 매개변수 초기치는 실제 설계치를 고려하여 결정하였다. 각 LID 시설별 구조물의 설계수치를 기술요소의 요구조건에 맞춰 적용하였다. Fig. 4는 기 설치된 LID 시설들 중 대표적인 식생체류지에 대한 설계 단면도와 적용된 매개변수를 표기한 것이다.

Fig. 4

Design Plan of the Installed Vegetation Place (VP) LID Facility

시설별 적용된 매개변수는 준공보고서 및 설계 도면상에 제시되어 있는 값을 적용하여 구축하였다. 식생체류지와 식물재배화분은 설계도면에 기재된 지표층의 두께, 토양층의 두께 그리고 배수층 두께(예를 들면, 자갈층의 두께)를 이용하였다. 침투형 빗물받이와 침투통은 빗물받이 저장 공간의 깊이를 저장층의 깊이로 사용하였다. 나무여과상자의 경우, 우수가 유입되는 지표부분의 턱 높이를 지표면 턱 높이로 설정하였으며, 식생토가 적재되어 있는 공간은 저장층으로 간주하였다. 투수블럭은 설계도면에 명시된 값을 LID 매개변수 초기 값으로 이용하였다. 토양층의 인자값 경우 이전 보고서에서 토양그룹 A의 사질토로 제시되어 있어 Sandy Loam에 해당하는 매개변수를 입력하였다. LID 시설별 적용된 초기 매개변수는 Table 4에 정리하였다.

Initial Parameters for the Each LID Technical Content in SWMM-LID: (vegetation place, VP; plants garden pot, PG; infiltration rain-block, IR; rain barrel, RR; infiltration ditch, ID; tree filter box, TF; and permeable pavement, PP)

5. 적용결과

5.1 LID 시설별 검⋅보정 결과

LID 설치 이전 자료를 이용하여 LID 시설별 검⋅보정을 수행하였다. 2015년 7∼10월에 발생한 호우사상들을 적용하였으며, LID 시설별로 유출 유량이 관측된 경우에 한해서 관측과 모의 유량을 비교하였다. 대표적으로 나무여과상자와 침투형 빗물받이에 대한 결과를 Figs. 5-6에 각각 정리하였다. 적용된 호우사상은 2015년 7월 12일, 7월 29일, 8월 25일, 10월 1일 그리고 10월 27일 호우사상의 결과이다. 결과를 유입유량, 유출유량 그리고 전체 비교로 구분하였다. 결과를 살펴보면, 나무여과상자의 경우, 적용된 두 호우사상의 유입/유량 결과가 모두 관측유량과 유사한 것으로 나타났다. 침투형 빗물받이의 경우, 2015년 10월 27일 호우사상의 결과는 관측유량에 근사하게 모의된 반면에 10월 1일 호우사상은 유입/유출 모두 다소 과대 모의되었다.

Fig. 5

Comparisons of Inflow-ouflow Discharges from the Tree-Filter-Box: the First Row is for July 29st, 2015 Storm Event, and the Second Row is for October 1st, 2015 Storm Event

Fig. 6

Comparisons of Inflow-ouflow Discharges from the Infiltration Rain-Block: the First Row is for October 1st, 2015 Storm Event, and the Second Row is for October 27st, 2015 Storm Event

5.2 SWMM-LID 모형을 활용한 저감효과 평가

단일 호우사상 기반의 단기모의를 통해 LID 시설별 저감효과를 검토하였다. 호우사상으로 2016년 9월과 10월에 발생한 4개 호우사상을 적용하였으며, 각 호우사상에 대한 기본특성은 Table 5와 같다.

Characteristics of the Storm Events Applied to the Reduction Effect Evaluation

저감효과 평가는 LID 설치 유무에 따른 저감율을 이용하였다. 저감율(%)은 다음 공식을 이용하였다.

Reduction(%)=(NoLIDLID)/NoLID×100(%)

여기서, NoLID는 LID 시설이 없는 경우의 모의 값을, LIDLID시설이 존재하는 경우의 모의 값을 의미한다.

LID 시설별 저감율을 산정하여 Table 6에 정리하였다. 각 LID 시설별로 2개 지점을 선정하여 검토하였다. 2016년 9월 16일 호우사상의 경우, 식생체류지는 90% 이상의 유출 저감율을 보였으며, 나무여과상자, 식물재배화분, 침투도랑은 유출이 발생하지 않았다. 침투통은 19.0∼28.1%, 침투형 빗물받이는 16.0∼52.7%, 그리고 투수블럭은 87.1%의 저감율을 보였다. 이러한 결과는 호우사상별로 상이할 수 있으며, 2016년 9월 16일 호우사상의 경우 평균 1.92 mm/hr 강우강도로 21시간 동안 강우가 발생한 호우사상으로 모형의 검⋅보정에 가용된 일부 모니터링 자료와 같이 유입은 발생하였으나, 유출이 발생하지 않은 경우가 LID 시설별로 나타났다.

Reduction Rate (%) of LID Facilities for Four Storm Events

2016년 10월 3일 호우사상의 경우, 식생체류지는 58.2∼99.7% 이상의 유출 저감율을 보였으며, 나무여과상자는 68.6∼78.9%로 나타났다. 식물재배화분, 침투도랑은 유출이 발생하지 않았다. 침투통은 40.3∼59.6%, 침투형 빗물받이는 21.1∼58.0%, 그리고 투수블럭은 59.4%의 저감율을 보였다. 이러한 결과는 호우사상별로 상이할 수 있으며, 2016년 10월 3일 호우사상의 경우 평균 2.48 mm/hr 강우강도로 8시간 동안 강우가 발생한 호우사상으로 모형의 검⋅보정에 가용된 일부 모니터링 자료와 같이 유입은 발생하였으나, 유출이 발생하지 않은 경우가 LID 시설별로 나타났다.

2016년 10월 5일 호우사상의 경우, 침투통, 투수블럭, 식생체류지를 제외한 다른 시설들의 유출 저감율은 100.0%로, 모의결과에서 유출이 발생하지 않았다. 침투통은 27.2∼31.2%, 식생체류지 2지점은 82.3%, 그리고 투수블럭은 87.1%의 저감율을 보였다.

2016년 10월 7일 호우사상의 경우, 식생체류지는 73.4∼100.0% 이상의 유출 저감율을 보였으며, 나무여과상자는 85.1∼88.3%로 나타났다. 식물재배화분, 침투도랑은 유출이 발생하지 않았다. 침투통은 27.4∼37.7%, 침투형 빗물받이는 38.2∼52.0%, 그리고 투수블럭은 67.3%의 저감율을 보였다. 평균 유출량 저감율은 74.6%이다.

6. 결론

본 연구에서는 EPA SWMM-LID를 이용하여 저영향 개발을 모형화하고, 이를 기반으로 유출저감효과를 검토하였다. LID 모형화는 실제 설치된 LID 시설들의 특성과 설계도 검토를 기반으로 수행하였으며, LID 시설들의 설치 전⋅후 자료를 이용하여 SWMM-LID 모형의 검⋅보정을 하였다. 유출저감효과 평가를 2016년에 발생한 호우사상 자료를 이용하였다. 이를 통해 실무에서 산업단지 설계 시 활용할 수 있는 LID 모의 기법을 제시하였으며, 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.

시간해상도가 다른 10분과 60분 강수량 자료를 검토한 결과, 임의시간 60분 강수량 (10분 강수량 자료 이용)이 고정시간 60분 강수량 (60분 강수량 자료 이용)보다 최대 강수량이 크다. 이 같은 결과는 임의시간으로부터 산정된 60분 강수량은 강수가 집중되는 시간의 강수량을 고정시간과는 달리 유연하게 고려할 수 있기 때문이다. 결국, 이는 10분 강수량이 60분 강수량보다 보다 유연하게 최대강수량을 고려할 수 있어, 강수발생이 집중되는 기간의 강수영향을 도시유역에 보다 직접적으로 그리고 유연하게 전달/적용할 수 있음을 의미한다.

SWMM-LID 모형 내 LID 기술요소들의 매개변수 초기치를 설계치를 반영하여 결정하였다. SWMM-LID에서 제공하는 8개의 기술요소들은 산업단지에 설치된 LID 시설들의 구조를 그대로 고려할 수 있었으며, Layer 구조 수정을 통해 적합한 형태의 LID 반영이 가능하였다. 아울러, LID 시설별 설계도면에 설계 값을 그대로 매개변수 초기로 설정함으로써 SWMM-LID 검⋅보정을 수월하게 진행할 수 있었다.

2016년 호우사상에 대한 저감효과 평가 결과, 시설별 평균 저감율은 76.6%로 LID 시설로 유입되는 지표수에 대한 저감효율이 상당한 것으로 나타났다. SWMM-LID 모형화를 통한 저감효과 평가는 시설별 원하는 지점에 대한 저감효과 검토가 가능하여 매우 유용하였다. 지금까지의 결과를 통해 SWMM- LID 모형화는 모니터링 장비의 부재로 발생할 수 있는 유지/관리를 지원할 수 있으며, 다양한 시나리오와 단/장기 모의를 통해 유출량과 오염 부하량에 대한 LID 시설 및 유역의 저감효과 전망이 가능할 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 국민안전처 자연재해저감기술개발사업단(자연피해예측및저감연구개발사업)의 지원으로 수행한 ‘기후변화 적응을 위한 연안도시지역별 복합원인의 홍수 취약성평가기술 개발 및 대응 방안 연구’ [MPSS-자연-2015-77]과제의 성과입니다.

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Fig. 1

Conceptual Diagram of SWMM-LID Model

Fig. 2

LID Technical Contents in SWMM-LID

Table 1

Layer Structure of SWMM-LID Technical Contents

Symbol LID type Surface Soil Storage Drain Pavement
(a) Bio-Retention Cell O O O O -
(b) Rain Garden O O - - -
(c) Green Roof O O - O -
(d) Infiltration Trench O - O O -
(e) Permeable Pavement O O O O O
(f) Rain Barrel - - O O -
(g) Rooftop Disconnection O - - O -
(h) Vegetative Swale O - - - -

Table 2

Yearly Maximum 60 Minute Precipitation (mm) from 10-min. and 60-min. Temporal Resolution Data

Year Maximum 60 minute precipitation (mm) 10-min.-60-min. (mm)
10-min. 60-min.
1999 31.0 24.0 7.0
2000 69.0 52.0 17.0
2001 40.0 32.0 8.0
2002 97.0 97.0 0.0
2003 47.0 44.0 3.0
2004 60.0 46.0 14.0
2005 63.0 56.0 7.0
2006 37.0 37.0 0.0
2007 35.0 28.0 7.0
2008 51.0 51.0 0.0
2009 42.0 32.0 10.0
2010 46.0 46.0 0.0
2011 48.0 48.0 0.0
2012 62.0 48.0 14.0
2013 40.0 29.0 11.0
2014 63.0 54.0 9.0
2015 24.0 17.0 7.0
Mean 50.3 43.6 6.7
Maximum difference 17.0

Fig. 3

Comparison of Time Series Data in the Different Temporal Resolution

Table 3

The Selected SWMM-LID Technical Contents Corresponding to Installed LID Facilities in Ochang Industrial Complex

LID facility Function Evapotranspiration Ecology habitat Ground-waterrecharge Applicable SWMM-LID Selected SWMM-LID
Infiltration Filter Storage
Vegetation place O O O O O O (a) (a)
Plants garden pot O O - O O O (a), (b), (h) (a)
Infiltration rain-block - - O - - - (d), (f) (d)
Rain barrel O O O - - O (d), (f) (f)
Infiltration ditch O O O O - O (d) (d)
Filtering tree box O O - - - O (a), (d) (d)
Permeable pavement O O - O - O (e) (e)

Fig. 4

Design Plan of the Installed Vegetation Place (VP) LID Facility

Table 4

Initial Parameters for the Each LID Technical Content in SWMM-LID: (vegetation place, VP; plants garden pot, PG; infiltration rain-block, IR; rain barrel, RR; infiltration ditch, ID; tree filter box, TF; and permeable pavement, PP)

Layer Parameter LID type
VP PG IR RB IID TF PP
Surface Height (mm) 350 300 1,230 - 150 200 30
Vegetation density 0.1 0.1 - - 0 0.2 0
Roughness 0.25 0.25 - - 0.35 0.25 0.014
slop (%) 0.0 - - - - - -
Soil Height (mm) 300 400 - - - 100 -
Porosity 0.45 0.45 - - - 0.45 -
Moisture capacity 0.11 0.11 - - - 0.11 -
Willting coefficient 0.09 0.09 - - - 0.09 -
Hydraulic conductivity (mm/hr) 61.2 61.2 - - - 61.2 -
Conductivity slope 10.0 10.0 - - - 10.0 -
Suction head (mm) 110 110 - - - 110 -
Storage Height (mm) 400 300 500 700 1000 1030 500
Void ratio 0.32 0.32 0.32 - 0.32 0.32 0.32
Leach rate (mm/hr) 61.2 61.2 61.2 - 61.2 61.2 61.2
Drain Runoff coefficient 0.5 1 1 1.0 1 0.3 2
Runoff exponent 0.5 1.5 1.5 1.0 1.5 1.5 1.5
Offset height (mm) 350 100 100 100 100 530 150
Pavement Height (mm) - - - - - - 60
Void ratio - - - - - - 0.16
Impervious ratio - - - - - - 0.8
Permeability (mm/hr) - - - - - - 61.2

Fig. 5

Comparisons of Inflow-ouflow Discharges from the Tree-Filter-Box: the First Row is for July 29st, 2015 Storm Event, and the Second Row is for October 1st, 2015 Storm Event

Fig. 6

Comparisons of Inflow-ouflow Discharges from the Infiltration Rain-Block: the First Row is for October 1st, 2015 Storm Event, and the Second Row is for October 27st, 2015 Storm Event

Table 5

Characteristics of the Storm Events Applied to the Reduction Effect Evaluation

No. Storm beginning date (mm/dd/yyyy) Number of antecedent days with no rain Total rainfall (mm) Duration (hour) Mean intensity (mm/hr)
E01 09/16/2016 7 40.3 21 1.92
E02 10/03/2016 5 19.8 8 2.48
E03 10/05/2016 2 13.7 7 1.87
E04 10/07/2016 2 33.2 16 2.08

Table 6

Reduction Rate (%) of LID Facilities for Four Storm Events

LID installed \ Reduction (%) E01 E02 E03 E04 Mean
Vegetation place#1 99.7 99.7 100.0 100.0 99.9
Vegetation place#2 91.3 58.2 82.3 73.4 76.3
Tree filter box#1 100.0 68.6 100.0 85.1 88.4
Tree filter box#2 100.0 78.9 100.0 88.3 91.8
Plants garden pot#1 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0
Plants garden pot#2 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0
Infiltration ditch#1 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0
Infiltration ditch#2 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0
Rain barrel#1 28.1 59.6 31.2 37.7 39.2
Rain barrel#2 19.0 40.3 27.2 27.4 28.5
Infiltration rain-block#1 52.7 58.0 87.2 52.0 62.5
Infiltration rain-block#2 16.0 21.1 83.6 38.2 39.7
Permeable pavement 87.1 59.4 65.9 67.3 69.9
Mean 76.4 72.6 82.9 74.6 76.6