강우특성을 고려한 배수로 유지관리 방안 연구
A Study on the Drainage Maintenance Plan with Considering Rainfall Characteristics
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Abstract
기후변화에 따른 강우발생의 증가는 토사 및 유송잡물의 배수로 퇴적을 가중시키고 있다. 이러한 배수로의 통수단면적 감소는 배수로 월류에 따른 토사재해가 발생하고 토사 및 유송잡물의 하수관거 유입으로 내수침수피해를 발생시킨다. 배수로의 기능을 확보하기 위한 토사 및 유송잡물을 처리하는 유지관리방안이 필요하나 설계기준은 미비한 실정이다. 본 연구에서는 실험유역의 모니터링을 통해 강우특성에 따라 배수로에 유입되는 토사와 유송잡물이 퇴적되는 관계를 분석하였다. 그 결과, 총 강우량이 30 mm 이상이거나 최대 강우강도가 9 mm/hr 이상 발생할 때 배수로의 유지관리가 필요하다고 제안하였다. 또한, 총강우량에 따른 유송잡물 퇴적량 산정식도 제안하였다.
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Climate change has increased rainfall events and, consequently, the sedimentation of soil and debris in drainage. The decrease of discharge cross-section can cause sediment disaster due to drainage overflowing. Moreover, it can create inundation damage due to the inflow of soil and debris into sewerage. Therefore, a maintenance plan is required to treat the soil and debris in order to secure the function of drainage. However, there are not enough design standards. This study analyzed the relationship between rainfall characteristics and the sedimentation of soil and debris flowing into drainage by monitoring an experimental basin. Monitoring results showed that drainage maintenance were required when total rainfall was equal to or larger than 30 mm or maximum rainfall intensity was equal to or higher than 9 mm/hr. In addition, a formula for estimating the amount of debris sedimentation according to total rainfall is suggested.
1. 서론
국지성호우 발생에 따른 유송잡물의 흐름은 배수로에 퇴적되거나 하수관거로 유입되어 통수능력저감으로 인한 침수피해가 발생한다. 이러한 유송잡물의 배수로 및 관거의 퇴적은 토사재해나 내수침수등을 유발한다. 2011년 7월에 발생한 서울시 우면산 산사태의 원인은 집중호우와 높은 지하수위, 토석류와 유송잡물에 의한 배수로 막힘등이 주요 피해원인이다. 그러나, 이러한 재해발생에도 국내외에 유송잡물에 대한 배수로의 유지관리 시설이나 기준은 미미한 실정이다.
국내외 선행연구로는 Takahashi(1980)은 하류부와 상류부 수로의 경사 비가 운동 내부마찰각과 정지 내부마찰각의 비보다 작을 경우 토사 및 유송잡물의 퇴적이 시작된다고 제시하였다. Ikeya(1981)은 수로의 경사가 10°이하부터 토사 및 유송잡물의 퇴적이 시작된다고 구체적인 값을 제시하였다. 상기 연구결과는 수로를 통해 토사재해 발생시 토사 및 유송잡물의 퇴적이 발생되는 구간의 경사를 제시하였을 뿐 퇴적된 토사 및 유송잡물을 관리하기 위한 방안은 연구되지 않았다. Caine(1980)은 사면붕괴에 대한 강우강도-지속시간 기준 설정연구를 통해 산사태가 발생되는 강우기준 설정 연구를 수행하였다. Ikeya(1981)의 산사태 발생위험은 강우가 24시간 내에 200 mm 이상이 발생하거나 또는 강우가 하루이상 지속되고 시간당 평균강우량이 10 mm 이상일 경우라 제안하였다. Finlay et al.(1997)은 홍콩에서 발생한 산사태에 대하여 1~12시간의 강우지속시간에 대한 산사태 발생 강우기준을 제안하였다. 상기 연구결과는 산사태가 발생하는 강우지속시간에 따른 강우량과 총강우량을 제시하였을 뿐 배수로의 유지관리를 위한 강우특성은 연구되지 않았다. Chae et al.(2007)은 강우강도와 사면경사 조건에 따른 수리모형실험을 진행하였으며, 간극수압은 상부, 중간부, 최하부 순으로 상승하며, 강우강도는 클수록 간극수압의 증가가 빠르게 발생하였다. Kim et al.(2010)는 토석류 흐름특성을 검토하기 위해 수리모형실험을 수행하였으며 급경사에서는 토석류가 유입되면 흐름의 수심을 증가시켰다. 상기 연구결과는 수리모형실험을 통해 사면경사에 따른 간극수압이나 토석류 흐름특성을 제시하였을 뿐 유송잡물의 퇴적이 발생하는 강우특성은 제시되지 않았다.
본 연구에서는 산지지역 및 도시지역이 공유하고 있는 실험유역을 선정하고 배수로에 18개의 저감시설을 설치하여 1년동안 모니터링을 실시하였다. 모니터링 관측결과를 통해 강우특성에 따른 유송잡물이 배수로에 유입되어 퇴적이 발생하는 총강우량과 최대강우강도를 제안하였다. 또한, 배수로에 퇴적된 유송잡물을 수집하여 총강우량과 유송잡물 퇴적량에 대한 산정식을 제시하였다.
2. 실험유역 현황
2.1 실험유역
본 연구에서는 산지지역 및 도시지역이 공유하고 있고 배수로가 설치된 지역을 실험유역으로 선정하였다. 실험유역은 ‘세종시 남세종로 한국개발연구원 게스트 하우스 인근’으로 과거 토사재해가 발생한 지역이다. 실험유역의 배수로 상류에는 사방시설이 설치되어 있으며 사방시설을 포함한 전체 면적은 169,726 m2이며 배수로의 총 길이는 900 m가 설치되어 있다. 사방시설을 기준으로 좌측에는 500 mm 배수로가 200 m, 300 mm 배수로가 250 m, 우측에는 500 mm 배수로가 200 m, 300 mm 배수로가 250 m에 걸쳐 배수로가 Fig. 1(a)와 같이 위치하고 있다.
Experimental Basin
실험유역 배수로의 유송잡물을 포착하는 저감시설을 설치하여 강우특성에 따른 유송잡물 유지관리방안을 수립하였다. 배수로 저감시설은 Song(2017)에서 개발한 저감시설 중 유송잡물의 포착효율이 45% 이상 발생되는 300 mm 배수로에서는 6×6 저감시설, 500 mm 배수로에서는 8×8 저감시설을 적용하였다. 각 저감시설의 제원은 Table 1과 같으며, 배수로 저감시설의 설치위치는 배수로의 크기, 경사, 유로변경등 흐름의 변화가 발생되는 지점을 선정하였다. 저감시설별 배수로의 설치지점은 Fig. 1(b)와 같다.
The specification of each reduction facility
실험유역 배수로의 저감시설 설치지점은 우측배수로 11개, 좌측배수로 7개로 총 18개의 저감시설을 설치하였다. 우측배수로의 저감시설은 총 11개이며 ①번부터 ⑤번까지는 500 mm, ⑥번부터 ⑪번까지는 300 mm 배수로, 좌측배수로의 저감시설은 총 7개이며 ①번부터 ③번까지 300 mm, ④번은 500 mm, ⑤번부터 ⑦번까지 300 mm 배수로의 저감시설이 설치되었다. 300 mm와 500 mm 배수로에 설치된 저감시설은 Fig. 2와 같다.
Installed reduction facilities for drainage
3. 유송잡물 발생특성
3.1 강우특성에 따른 유송잡물 발생특성
강우발생에 따른 배수로의 유송잡물 발생특성을 분석하기 위해 실험유역을 선정하여 2015년 10월부터 2016년 9월까지 1년동안 총 24회의 모니터링을 진행하였다. 모니터링 관측일은 약 한달에 2회 또는 강우발생시 현장을 방문하여 유송잡물을 수집하였다. 강우발생시 배수로로 유입되어 퇴적된 유송잡물은 관측일에 각 저감시설별로 수집하여 기존 배수로의 기능을 유지하였다. 1년 동안 실험유역의 모니터링은 총 24회의 관측을 실시하였으며 무강우 관측횟수가 3회, 강우발생 관측횟수는 21회가 발생하였다. 또한, 강우발생에 따른 관측횟수 21회 중 7회는 배수로의 유송잡물이 퇴적되었다. 관측일시에 따른 강우특성과 유송잡물 퇴적에 대한 유무는 Table 2와 같다.
Rainfall Characteristics and Debris Sedimentation Status
모니터링의 관측횟수는 총 24회로 배수로에 유송잡물이 퇴적된 횟수는 7회, 그 중 1차 모니터링에 대한 배수로 저감시설별 유송잡물 퇴적현황은 Fig. 4와 같다. 이후 6회차에 대한 배수로의 유송잡물 퇴적현황은 생략하였다.
Debris sedimentation by drainage reduction facility (After 2015.10.18.)
3.2 저감시설별 유송잡물 발생현황
실험유역에서 1년간의 모니터링을 통해 총 24회의 관측을 진행하였다. 총 24회의 관측 중 배수로 저감시설의 유송잡물 퇴적은 총 7회 관측되었으며 퇴적된 유송잡물의 총 무게는 57,968 g과 같다. 1번째로 가장 많이 퇴적된 유송잡물은 19차의 23,600 g으로 전체 중량의 40.71%이다. 2번째로 퇴적된 유송잡물은 1차의 13,158 g으로 전체 중량의 22.70%이다. 3번째로 퇴적된 유송잡물은 5차의 8,332 g으로 전체 중량의 14.37%이다. 4번째로 퇴적된 유송잡물의 무게는 16차의 4,730 g으로 전체 중량의 8.16%이다. 5번째로 퇴적된 유송잡물은 15차의 4,672 g으로 전체 중량의 8.06%이다. 6번째로 퇴적된 유송잡물은 22차의 1,902 g으로 전체 중량의 3.28%이다. 7번째로 퇴적된 유송잡물은 20차의 1,574 g으로 전체 중량의 2.72%이다. 모니터링에 따른 포착된 유송잡물의 배수로별 퇴적된 무게는 Table 3과 같다.
Ocurrence Situation of Debris by Each Reduction Facility
4. 강우특성에 따른 배수로 유지관리 방안
4.1 배수로 유지관리 방안
실험유역에 배수로 저감시설을 설치하고 1년동안의 모니터링 결과 총 24회의 관측을 진행하였다. 각 관측기간동안 발생한 강우특성을 총강우량과 최대강우강도 그리고 유송잡물 퇴적 유무에 대하여 Table 2와 같이 분석하였다. 모니터링 결과 총 24회 관측일 중 7회의 강우발생과 유송잡물 퇴적, 14회의 강우발생과 유송잡물 미퇴적, 3회의 무강우발생과 유송잡물 미퇴적이 관측되었다. 각 모니터링 관측일에 대한 총강우량과 최대강우강도에 따른 유송잡물 퇴적유무는 Fig. 5와 같다. 총 24회 관측일 중 강우가 발생하지 않은 3회를 제외하고 강우발생과 유송잡물이 퇴적되지 않은 14회 동안 분석된 총강우량은 3~29 mm, 최대강우강도의 범위는 2~ 24 mm/hr이다. 강우발생과 유송잡물이 퇴적된 7회 동안 분석된 총강우량은 35~317 mm, 최대강우강도의 범위는 6~35 mm/hr이다. 본 연구에서 선정한 실험유역에서의 1년간의 모니터링 분석결과 강우발생과 유송잡물 퇴적에 따른 강우특성을 분석하였다. 강우발생과 유송잡물 퇴적에 따른 배수로 저감시설의 유지관리가 필요한 강우특성은 총 강우량이 30 mm 이상이거나 최대 강우강도가 9 mm/hr 이상일 경우로 분석되었다.
Rainfall Characteristics according to Debris sedimentation
4.2 유송잡물 발생량 산정
실험유역의 전체 면적은 169,726 m2, 배수로 총 길이는 900 m로 1년간 모니터링을 통해 각 관측일에 대한 강우특성과 배수로 저감시설에 유송잡물 퇴적유무를 분석하였다. 강우발생과 유송잡물 퇴적은 총 24회 관측일 중 7회에 해당하며 배수로 저감시설별 유송잡물 퇴적량은 Table 3과 같다. 1년 동안의 실험유역 모니터링 결과 총 24회 중 29%인 7회에 걸쳐 유송잡물이 배수로에 퇴적되었으며 총 발생된 유송잡물의 무게는 59,968 g이다. 7회 관측일에 발생한 유송잡물 무게와 총 강우량에 대한 관계를 Fig. 6과 같이 선형회귀곡선을 산정하였다.
Captured Amount of Debris according to Total Rainfall
각 관측일에 대한 유송잡물 발생량과 총강우량의 선형회귀식은 Eq. (1)과 같으며 R-squared값은 0.70의 상관성이 분석되었다. 총강우량과 유송잡물 발생량에 따른 다차항 회귀분석도 고려하였으나 관측결과 총강우량이 증가할수록 유송잡물 발생량이 증가하는 선형관계가 분석되어 선형회귀분석을 통한 산정식을 제안하였다.
여기서, D : 유송잡물 발생량 (g), R : 총강우량 (mm)
5. 결론
본 연구에서는 강우특성에 따른 배수로 유지관리 방안을 수립하기 위해 산지지역 및 도시지역이 공유하고 있는 지역에 전체 면적은 169,726 m2, 배수로 총 길이는 900 m의 실험유역을 구축하고 1년 동안 모니터링을 진행하였다. 실험유역 배수로에 총 18개의 저감시설을 설치하였으며 강우특성에 따른 유송잡물 발생현황을 분석하였다.
실험유역의 모니터링 관측일 총 24회 중 7회는 강우발생과 유송잡물의 퇴적이 동시에 발생하였으며 유송잡물이 퇴적된 강우특성은 총 강우량이 30 mm 이상이거나 최대 강우강도가 9 mm/hr 이상으로 배수로 저감시설의 유지관리 방안을 제안하였다. 또한, 실험유역의 총 강우량에 따른 유송잡물 발생량 산정식도 ‘D = 59.48 × R + 2094.96’ 제안하였다.
본 연구에서 도출된 결과는 선행연구된 배수로 저감시설 개발에 따른 유지관리 방안을 수립하는 연구내용이다. 배수로 저감시설의 개발에 따라 유송잡물의 퇴적이 발생하면 저감시설의 기능을 유지하기 위한주기적인 관리가 필요할 것으로 예상된다. 따라서, 본 연구에서 제안한 강우특성에 따른 유송잡물 발생특성은 배수로 저감시설 설치에 따른 유지관리 지표 설정이나 참고자료로 활용 가능할 것으로 예상된다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원 건설기술연구사업의 연구비지원(13건설연구S04)에 의해 수행되었습니다.