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1. 서론

저영향개발(Low Impact Development, 이하 LID) 기법은 우수유출 저감을 통한 재난관리, 도심 물순환시스템 회복, 빗물재이용 및 비점오염원 배출 저감을 통한 수질관리 등의 목적을 달성할 수 있어 최근 각광을 받고 있다(Ministry of Environment, 2014; Kim et al., 2017). 일반적으로 LID 기법은 지표면 및 지표하에서 물 순환 기능을 구현할 수 있는 우수유출저감시설을 도입하여 유출수와 오염수를 효과적으로 저감시킬 수 있으며, 친환경적으로 설계된 여러 종류의 LID 시설들의 적용이 가능한 것으로 알려져 있다(Dietz, 2007; Montalto et al., 2007; Yu et al., 2010; Ahiablame et al., 2012, 2013). LID 시설은 최초 설치 이후에는 최소한의 관리를 통해 장기적인 효과를 기대할 수 있어 도시지역에의 적용이 장려되고 있으나, 장기 우수유출 저감 효율에 대한 정량적인 평가는 이뤄지지 않고 있는 실정이다.

LID 기법의 도입과 다양한 LID 시설들의 수요가 증가함에 따라 LID 시설의 시공에 따른 효율성 평가의 중요성이 대두되고 있다. 앞선 많은 연구들에서 LID 시설들의 우수유출저감효과 평가는 계측장비를 이용한 모니터링 자료나 우수관망기반의 모델링을 통해 수행되었다. Qin et al.(2013)은 다양한 강수발생조건에 대해 LID 시설들의 홍수유출 저감성능을 모델링을 통해 검토하였으며, Zahmatkesh et al.(2014)는 기후변화에 따른 LID 시설들의 우수유출저감 성능을 EPA SWMM 모형을 사용하여 평가하였다. Dietz(2007), Ahiablame et al.(2012)은 선행연구들에서 도출한 결과들을 다양한 시각에서 정리 및 검토한 바 있다.

국내의 경우 Joo et al. (2011, 2012)에서 침투형 LID 시설을 EPA SWMM으로 모형화하여 우수유출저감 효과분석을 수행하였으며, Kim et al.(2017)은 7개 종류의 LID 시설에 대한 EPA SWMM5.1 모형을 LID 시설 설계도와 모니터링 자료를 기반으로 구축하고, 단기 호우사상으로 각 시설별 우수유출저감 성능을 비교하였다. 이들 연구 대부분은 모니터링 자료의 검토나 모델링 수행을 통해 단기적으로 발생하는 도시홍수에 대한 LID 시설들의 유출저감 성능 및 효과만을 검토하여 장기적인 측면에서의 정량적인 효과평가는 부족한 면이 있다.

장기적인 측면에서 LID 시설의 유출저감성능 검토 및 시설별 성능 비교는 유지관리와 장기 효율성 검증 및 전망에 대한 토대를 마련할 수 있어 큰 의의를 갖는다. 이에 본 연구에서는 식생체류지(vegetation place), 식물재배화분(plants garden pot), 나무여과상자(tree filter box), 투수블럭(permeable pavement), 침투도랑(infiltration ditch), 침투통(rain barrel), 침투형 빗물받이(infiltration rain-block) 등 총 7개의 LID 시설에 대하여 장기 우수유출저감 성능을 분석하고 각 시설간의 성능을 비교 평가하였다. 장기분석에 필요한 강우-유출 자료는 EPA SWMM LID로 구축된 모델링을 통해 생성하였다. EPA SWMM LID 장기모형은 시설들의 실제 설계값, 설치 전⋅후에 수집된 모니터링 자료 그리고 기후학적인 인자들을 고려하여 구축하였다. 장기모의기간은 2005년부터 2015년까지 총 11년에 대해 수행하였으며, 연도별/시설별 우수유출 저감율 산정을 통해 LID 시설들의 성능을 객관적으로 비교하고자 한다.

2. 적용대상 LID 시설의 종류 및 제원

본 연구에서는 식생체류지, 식물재배화분, 나무여과상자, 투수블럭, 침투도랑, 침투통, 침투형 빗물받이 등 총 7 종류의 LID 시설에 대한 우수유출저감 성능 비교를 수행하였다. 각각의 시설들은 고유의 기능과 설치환경을 적합한 지점에 각각 설치되어, 2015년부터 우수 및 비점오염원 유출저감을 목적으로 운영되고 있다. 설치된 LID 시설들의 개요 및 주요기능과 유역면적, LID 시설 면적 및 전체 유역면적 대비 LID 시설 면적의 비율은 Table 1과 같다.

Table 1

Overview of the Installed LIDs

LID 시설들은 시설별로 침투, 여과, 저류, 증발산, 생태서식처 그리고 지하수 함양 기능을 내포하고 있으며, 설치된 시설들은 기능에 따라 분류가 가능하다(Kim et al., 2017). 각 기능들은 자연적인 물 순환에 물리적 현상들을 구현한 것이다(EPA, 2015). 침투기능(infiltration)은 불투수면적으로 인해 소실된 자연적인 침투기능을 구현한 것으로써, 침투형 빗물받이를 제외한 모든 LID 시설들에 내재되어 있다.

침투기능은 각 시설별로 설계된 지표층, 토양층, 그리고 배수층의 설계특성과 그로 인해 결정된 침투율에 따라 그 성능이 다르다. 여과(filtering) 기능은 토양층 및 자갈층이 구비된 LID 시설에서 확인할 수 있다. 이 기능은 LID 시설로 유입된 오염물질이 토양 및 자갈을 통해 자연적으로 여과되는 현상을 구현한 것이다. 저장(storage)기능은 우수의 일시적인 저류 및 유출을 지체시킬 수 있는 기능을 의미한다. 대부분의 시설들은 토양층과 자갈층이 설계에 포함되어 있어 해당 입자의 공극에 유입수를 저류시킬 수 있다. 증발산(evapotranspiration, Evapo)은 LID 시설을 이용하여 초기우수를 유출시키지 않고 유역 내 저류시킴으로써 도시화로 인해 감소된 증발산량을 증가시키는 기능을 말한다. 생태서식지(supplying ecology habitat, Eco)기능은 친 자연적으로 LID 시설을 설계함으로써 다양한 생물에 서식처를 제공함으로써 자연과 도시를 이어주는 중요한 역할을 한다. 지하수(groundwater, Gw) 기능은 감소된 지하수를 LID 시설의 침투, 저류, 그리고 배수 기능을 통해 지하수 함량을 유도한다.

설치된 LID 시설들의 개략적인 제원을 Fig. 1에 정리하였다. 먼저, 식생체류지는 지표층(surface layer), 토양층(soil layer), 그리고 배수층(drainage layer)으로 구분된다. 지표층에는 다양한 식물들의 식생이 가능하도록 환경이 조성되어 있으며, 토양층은 우수의 저류기능을 담당한다. 지하수 함량과 자연적인 물 순환을 구현하기 위해 배수층은 자갈로 구성되었다. 식물재배화분은 식생체류지와 동일하게 3개의 층으로 구분되나, 두 가지 경로(지표와 관수로)로 유입되는 우수를 처리할 수 있다. 지표층은 우드칩으로, 토양층은 식생토로 구성되어있다. 배수층은 자갈과 우수관을 이용한다. 우수관의 경우, 유입수의 LID 시설로의 자연적인 침투를 유도를 목적으로 한다. 따라서 외부로 유입되는 부분은 무공관을, LID 시설 내에서는 유공관을 사용하였다.

Fig. 1

Design Plan of the LIDs

침투형 빗물받이는 투수기능을 가진 통 본체와 주변을 자갈로 충전한 시설이다. 이 시설은 유입된 우수를 통 본체의 측면과 바닥, 그리고 우수 연결관을 통해 지중으로의 침투와 배수가 가능하다. 침투통은 지표하에 설치된 통을 통해 우수의 저류, 유출지체, 그리고 배수 기능을 한다. 그림에서와 같이 지상에 설치된 우수관이 침투통에 우수를 유입시키고, 유공 침투통을 사용함으로써 일정규모를 초과하는 우수에 대해서는 자갈층으로 배수되도록 설계하였다.

투수블럭은 불투수면적 대신에 투수블럭을 사용하여 우수의 침투를 유도하는 시설이다. 침투도랑은 다른 자갈층으로 이뤄진 도랑을 이용하여 우수의 저류, 유출지체, 그리고 배수기능을 포함한다. 한 가지 특이사항으로는 다른 LID 시설과 다르게 배수관이 지표에 설치되어, 침투도랑의 저류용량을 초과하는 경우에 우수가 배수되는 구조로 설계되었다. 투수블럭 아래에는 자갈층을 설치하여 자연적인 배수 및 여과 기능이 구현되도록 하였다. 나무여과상자는 전반적으로 식물재배화분과 유사하게 설계를 기반으로 한다. 다만, 자갈 대신에 식생토를 설계에 포함시켜, 토양층이 상대적으로 깊다.

3. 적용 및 결과

3.1 장기모의를 위한 모형구축

본 연구에서는 실제 설치된 LID 시설의 제원을 기반으로 LID 기술요소와 실제 설치된 LID 시설들을 매칭시켰으며, LID 시설들의 설계치를 이용하여 EPA SWMM5.1 모형을 구축하였다. 다만, 본 연구의 목적은 장기적인 저감효율의 분석이기 때문에 장기모의에 필요한 다양한 기후인자들을 추가적으로 고려하였다. 장기모형 구축에 필요한 기후인자들은 LID 시설이 설치된 지역 인근인 기상청 청주관측소의 30년 평균값을 사용하였다. 연구에 사용된 자료로는 기온, 강수량, 증발량, 풍속 그리고 습도 등이 있으며, 이에 대한 월별 평균치는 Table 2와 같다.

Table 2

30 Years (1981~2010) Mean Climatological Data

장기모의에 필요한 강수량은 기상청 지역별 상세 관측자료(AWS)의 수집이 가능한 오창가곡 지점의 자료를 사용하였다. 2005년부터 2015년까지 총 11년간의 10분 강수자료가 분석에 사용되었다. Table 3은 장기모의에 가용된 강수자료의 월별 값을 정리한 것이다. 오창가곡 지점은 우기인 6월~9월에 69% 정도의 강수가 집중적으로 발생하였으며, 건기인 겨울(1. 2. 11, 12)월에는 8.4% 정도의 강수만이 발생하는 것으로 나타났다. 연도별로는 2008, 2014 그리고 2015년의 연강수량이 1,000 mm 미만으로, 11년 평균치인 1,214.0 mm를 크게 못 미치는 것으로 관측되었다.

Table 3

11 Years (2005~2015) Monthly Precipitation Data to Simulate the Long-term Simulation

3.2 장기모의 결과분석

각 시설별, 연도별로 LID 시설의 설치에 따라 우수유출이 저감되는 것으로 나타났으며, 2005년도의 분석 결과를 Fig. 2에 나타내었다. LID 시설의 설치에 따른 저감효과 평가는 LID 설치 유무에 따른 저감율을 이용하였으며 산정식은 아래와 같다.

Fig. 2

Runoff Reduction by Installed LID Facilities in 2005

R (%) = (Qw/oLID−Qw/LID)/Qw/oLID×100 (%)

여기서, Q_w/oLID는 LID 시설이 없는 경우의 유출유량을 나타내며, Q_w/oLID는LID시설을 설치하였을 때의 유출유량을 나타낸다.

식물재배화분과 침투도랑은 대부분의 강우강도에서 상대적으로 우수한 우수유출저감 성능을 보여주는 것으로 나타났다. 2005년에 대한 두 LID 시설들의 우수유출저감 효율은 각각 75.5%와 67.2%로 효과적이었다. 침투통의 경우, 설계된 우수저류 용량으로 인해 대부분의 강수조건에서 일정수준의 우수저감효과만이 있었으며, 우수유출저율은 8.4%로 가장 낮게 나타났다. Fig. 2에서 볼 수 있는 듯이 대부분의 LID 시설들의 유출저감(w/o LID와 w/ LID의 차이) 결과가 강수량에 따라 상이하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이는 강우강도와 총 강수량에 따라 LID 시설로의 유입된 우수의 양의 차이와, LID 시설의 용량 차이로 인한 결과로 판단된다.

연도별 우수유출저감효율을 산정하여 시설별로 비교하여 그 결과를 Fig. 3과 Table 4에 나타내었다. LID 시설별 평균 저감율을 살펴보면, 나무여과상자는 73.0%, 침투통은 11.5%, 식물재배화분은 77.7%, 침투형 빗물받이는 37.7%, 식생체류지는 39.8%, 침투도랑은 66.8%, 투수블럭은 38.6%로 나타났다. LID 시설들의 평균 저감율은 48.4%이다. 가장 효과적인 시설은 식물재배화분과 나무여과상자로 나타났다.

Fig. 3

Yearly Reduction (%) and Its Average Value Comparison Depending on the LID

Table 4

Yearly Reduction Results from Each LID

연도별 우수유출저감율은 연강수량이 가장 작았던 2015년에 가장 높게 산정되었으며, 2011년과 2012년의 우수유출저감율이 가장 낮은 것으로 나타났다. 연강수량별 저감율의 변동성은 침투도랑의 변동계수가 0.04로 가장 작았으며, 침투통이 0.32로 가장 크게 나타났다. 식물재배화분, 침투형 빗물받이 그리고 투수블럭은 변동계수가 동일하게 0.17로 산정되어 동일한 수준의 저감율 변동성을 보여줬다.

추가적으로 연강수량에 따른 LID 시설들의 저감율 경향을 검토하였다. 이를 위해 각 시설별로 산정된 우수유출저감율과 연강수량에 대한 산점도를 작성하고, 선형회귀선을 이용하여 경향을 검토하였다(Fig. 4). 결과를 살펴보면, 대부분의 LID 시설들의 우수유출저감율이 연강수량이 상대적으로 작을수록 증가하는 반비례적 경향을 보여주었다. 특히, 침투통의 경우, 결정계수가 0.9로 경향성이 가장 뚜렷하게 나타났으며, 반면에 침투도랑은 선형회귀선의 기울기가 0에 가장 가깝게 추정되어 연강수량과 무관하게 일정한 우수유출저감 수행이 가능한 것으로 나타났다. 나무여과상자, 투수블럭, 그리고 침투형 빗물받이는 상대적으로 선형회귀선의 기울기가 크게 산정되었기 때문에 연강수량에 따른 우수유출저감율의 변화가 큰 LID 시설들로 해석된다.

Fig. 4

Reduction Trend with Annual Precipitation Amount

4. 결론

본 연구에서는 7 가지 종류의 LID 시설들에 대한 장기 우수유출저감 성능비교를 EPA SWMM 5.1 모형을 이용하여 수행하였다. LID 시설들의 실제 설계도와 설치 전⋅후에 수집된 모니터링 자료를 기반으로 구축된 모형에 기후학적인 인자들의 고려를 통해 장기모의를 수행하였다. 모의는 2005년부터 2015년까지 총 11년에 대해 수행하였으며, 연도별/시설별 우수유출저감율 산정을 통해 LID 시설들의 성능을 객관적으로 비교하였다. 이에 대한 연구내용 요약 및 결과는 다음과 같다.

LID 시설의 설치 유/무에 따른 우수유출량 비교를 통해 LID 시설별 우수유출발생 특성을 검토하였다. 가장 두드러진 점은 다양한 강우강도에 따라 LID 시설의 설치에 따른 우수유출 저감량에 확연한 차이가 발생했다는 점이다. 특히, 식물재배화분과 침투도랑은 대부분의 강우강도에서 상대적으로 우수한 우수유출저감 성능을 보여주었다. 침투통의 경우, 설계된 우수저류 용량으로 인해 대부분의 강수조건에서 일정수준의 우수저감효과만이 있었으며, 우수유출저감율 또한 가장 낮았다. LID 시설별 상이한 우수유출량 차이는 강우강도와 발생된 총 강수량에 따라 LID 시설로의 침투된 우수의 양이 상이하고, LID 시설별로 다른 기능과 규모에 의한 결과로 해석된다.

연평균 우수유출저감율은 나무여과상자는 73.0%, 침투통은 11.5%, 식물재배화분은 77.7%, 침투형 빗물받이는 37.7%, 식생체류지는 39.8%, 침투도랑은 66.8%, 투수블럭은 38.6%이다. LID 시설들의 평균 저감율은 48.4%이다. 연강수량별 저감율의 변동성은 침투도랑이 가장 작았으며, 침투통이 가장 컸다. 아울러, 대부분의 LID 시설들의 우수유출저감율이 연강수량이 상대적으로 작을수록 증가하는 반비례적 경향을 보여주었다. 특히, 침투통의 경우 이 같은 경향성이 가장 뚜렷하게 나타난 반면에 침투도랑은 연강수량과 무관하게 일정한 우수유출저감 성능을 보여주었다. 지금까지 결과를 통해 LID 시설들의 객관적인 성능차이를 장기적인 측면에서 확인하였으며, 이 같은 결과는 향후 LID 시설의 설계에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 아울러, 강수량과 강우강도에 따라 LID 시설들의 성능이 차이가 확연한 만큼, 강우발생특성에 따른 LID 시설들의 성능검토가 필요할 것으로 판단된다.

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