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문제 정의
- 본 연구에서는 우수유출수의 도시하천 유지유량 활 용을 위한 지하저류시스템을 개발하고 실험을 통하여 도시하천유지유량으로 활용에 대한 적용성을 검토하였다. 이를 위해 인천대학교내 5mx5m 크기의 유출면적에 인공강우장치와 지하저류시설을 설치하고, 인공강우 실 험과 실제강우 실험을 통하여 유출수의 오염도 저감 효 과와 저류 효과를 분석하였으며 일정유량 방류장치를 통한 지하 저류시스템 내 우수를 하천 유지유량으로 활 용하는 방법에 대한 연구를 수행하였다.
- 본 연구에서는 우수유출수의 도시하천 유지유량 활 용을 위한 지하저류시스템을 개발하고 실험을 통하여 적용성을 검토하였다. 지하저류시설의 설치를 통한 우 수유출수의 오염도 제거 및 저류 효과를 분석하기 위하여 인공강우장치 및 지하저류시설을 제작 및 설치하여 실험을 실시하였다.
- 첫째, 본 연구에서는 우수의 도시하천 유지유량 활용 을 위하여 우수유줄수를 오염부하가 큰 초기유출량과 오염부하가 감소된 활용가능량으로 구분하고, 활용가능 량을 처리하여 도시하천 유지유량으로 활용하기 위한 지하저류 시스템을 개발하였다.
제안 방법
- 그림 5는 설치된 지하저류시스템의 구조를 보여주고 있다. 강우 초기에 유출된 초기오염물질은 여과망을 통해 유출수에 포함된 비교적 큰 부유물질(낙엽, 나뭇가지 등)이 제거 된 후, 초기유출수분리조의 용량에 이를 때까지는 유출수가 초기유출분리조로 배출되도록 하였으며, 초기유출분리조 용량을 초과하면서 자동적으로 초기유출분리조로의 배출구가 폐쇄되고 지하저류 시 시 스템내로 유출수가 유입되도록 하였다. 지하저류시스템 내로 들어온 유줄수는 침전조를 거치면서 입자가 큰 모 래등이 침전 .
- 강우강도 변화에 따른 유출수의 오염특성 및 지하저 류조시설 설치에 따른 오염도 저감효과를 알아보기 위해 강우강도 20mi/hr, 30niiu/hr, 40min/hr, SOdidi/Ht 에 대한 인공강우실험을 실시하였다. 초기유출수가 초기유출 분 리조로 분리 된 후 10분 간격으로 1시간에 걸쳐 저류량 과 수질을 측정하였다.
- 강우강도에 따른 유출량과 저류량을 살펴보기 위하여 1시간 동안 인공강우실험을 실시하였으며, 이때 유 출은 그림 14~16에서 보이는 바와 같이 강우강도 20mm /hr, 30nim/hr, 40niin/hr일 때 강우 시작 후 약 3.6분, 3분,2.5분 후 유출이 시작되어 31분, 24분, 18.5분 경과 후 저류가 시작되었다.
- 그림 1에서 보는 바와 같이 유역 중심으로부터 4방향 측면으로 우수가 유출되도록 경사를 두고 반원형의 측 구를 통하여 유입된 물은 초기 유출수의 분리조를 통하여 초기유출수를 분리한 후에 침전조, 여과조, 침투조 등으로 유입되도록 하였다. 지하저류조의 용량을 초과 하는 강우가 발생하는 경우 잉여 유입수는 지하수로 유 입되도록 하였다.
- 지하저류시설의 설치를 통한 우 수유출수의 오염도 제거 및 저류 효과를 분석하기 위하여 인공강우장치 및 지하저류시설을 제작 및 설치하여 실험을 실시하였다. 또한 총 3회의 실제 강우사상에 있 어서의 유출수의 특성을 비교함으로서 지하저류시설의 설치 효과를 분석하여 다음과 같은 다섯 가지 결론을 도출하였다.
- 실험기간동안의 강우특성은 표 2와 같다. 본 실험에 서는 실험유역에서 인공강우실험을 병행하였으므로 선 행건기일수의 산정에 있어서 인공강우실험을 포함하였다.
- 본 실험에서는 강우시 여과조로 유입되는 유출수와 여과조를 통과한 여과수의 평균농도를 측정하여 지하저 류시설의 여과효율을 산정하였다. 조사항목은 생화학적 산소요구량(BOD, Biochemical Oxygen Demand), 화학 적 산소요구량(COD, Chemical Oxygen Demand), 부유 물질(SS, Suspended Solid), 총질소(T-N), 총인(T-P) 수온, 수소이온농도(pH)이었다.
- 지하저류시설은 유역보다 낮은 곳에 설치되어 위치 에너지 차이에 의해서 유입 및 여과과정이 이루어지므 로 보통 지하에 매설되게 된다. 본 실험에서는 시료의 채취와 실험과정의 확인이 용이하게 하기 위하여 절토 부에 지하저류장치를 설치하고, 강우시 빗물이 직접 실 험장치로 들어오지 못하도록 천막을 설치하였다. 그림 6은 지표면 유출시설과 지하저류시설이 설치된 모습이다.
- 따라서 초기유출수를 분리하여 전처리 과정을 거쳐 배출시키거나 침투시키면 우수유출수의 오 염부하를 상당히 줄일 수 있다. 본 실험에서는 초기유 출수의 유출량을 유역의 최상류지점으로부터 유출된 물 이 유출지점까지 도달하는 시간동안에 유출된 양으로 하여 초기유출분리조를 제작하였다.
- 초기유출수가 초기유출 분 리조로 분리 된 후 10분 간격으로 1시간에 걸쳐 저류량 과 수질을 측정하였다. 수질은 여과조로 유입되는 유출 수(여과전)와 여과과정을 거친 후, 저류조로 유입되는 여과수(여과후)를 채수하여 SS농도(mg/?)를 비교 분석하였다.
- 여과된 유줄수가 저류조로 저류된 후 일정한 유량으 로 하천에 방류되도록 하기 위해 그림 12와 같은 일정 유량 방류장치를 설치하였다. 여과조를 통과한 물이 1차 저류조에 저류된 후에 일정유량 배출을 위하여 2차 저류조로 이동하게 된다.
- 우수유출수의 특성과 여과장치의 여과효율을 분석하기 위해 2003년 10월 1일부터 11월 20일까지 총 10회 의 강우 중 여과시설을 통하여 유출수가 발생한 총 3회 에 걸쳐 실험을 실시하였다. 강우량은 실험유역 옆에 우량계를 설치하여 측정하였으며 인천기상대의 자료를 참고자료로 이용하였다.
- 실험유역 위에 노즐 1개당 분사범위를 Im'로 하여 25개의 노즐을 균등하게 배치하였다. 유량계를 통하여 인 공강우량을 파악하여 유입부에 연결된 5개의 밸브의 개 폐를 조절함으로써 유량을 조절할 수 있도록 하였다. 노 즐은 최대한의 분사범위를 가지면서 바람의 영향을 최대한 적게 받도록 하기 위하여 지상으로부터 80cm 높이에 설치하였다.
- 본 연구에서는 우수유출수의 도시하천 유지유량 활 용을 위한 지하저류시스템을 개발하고 실험을 통하여 도시하천유지유량으로 활용에 대한 적용성을 검토하였다. 이를 위해 인천대학교내 5mx5m 크기의 유출면적에 인공강우장치와 지하저류시설을 설치하고, 인공강우 실 험과 실제강우 실험을 통하여 유출수의 오염도 저감 효 과와 저류 효과를 분석하였으며 일정유량 방류장치를 통한 지하 저류시스템 내 우수를 하천 유지유량으로 활 용하는 방법에 대한 연구를 수행하였다.
- 본 실험에서는 강우시 여과조로 유입되는 유출수와 여과조를 통과한 여과수의 평균농도를 측정하여 지하저 류시설의 여과효율을 산정하였다. 조사항목은 생화학적 산소요구량(BOD, Biochemical Oxygen Demand), 화학 적 산소요구량(COD, Chemical Oxygen Demand), 부유 물질(SS, Suspended Solid), 총질소(T-N), 총인(T-P) 수온, 수소이온농도(pH)이었다. 분석방법은 수질공정시 험법과 Standard Methods(1995, 19th.
- 현장실험을 위하여 그림 1과 같이 5mx5m 크기의 실 험면적을 가진 지표면 유출시설을 설치하고 지하저류장 치를 연결하였다. 지면은 약 2%의 경사를 두어 우수유 출수가 집수관으로 원형관의 측면을 통하여 용이하게 집수되도록 하고 강우가 유역면적 외 지역, 즉 원형관 상부면에서 직접 유입과 주변 지면에서 튀어서 유입되는 것을 방지하도록 하였다. 그림 2는 지표면 유출시설 과 지하저류시설이 설치된 모습이다.
- 본 연구에서는 우수유출수의 도시하천 유지유량 활 용을 위한 지하저류시스템을 개발하고 실험을 통하여 적용성을 검토하였다. 지하저류시설의 설치를 통한 우 수유출수의 오염도 제거 및 저류 효과를 분석하기 위하여 인공강우장치 및 지하저류시설을 제작 및 설치하여 실험을 실시하였다. 또한 총 3회의 실제 강우사상에 있 어서의 유출수의 특성을 비교함으로서 지하저류시설의 설치 효과를 분석하여 다음과 같은 다섯 가지 결론을 도출하였다.
- 강우강도 변화에 따른 유출수의 오염특성 및 지하저 류조시설 설치에 따른 오염도 저감효과를 알아보기 위해 강우강도 20mi/hr, 30niiu/hr, 40min/hr, SOdidi/Ht 에 대한 인공강우실험을 실시하였다. 초기유출수가 초기유출 분 리조로 분리 된 후 10분 간격으로 1시간에 걸쳐 저류량 과 수질을 측정하였다. 수질은 여과조로 유입되는 유출 수(여과전)와 여과과정을 거친 후, 저류조로 유입되는 여과수(여과후)를 채수하여 SS농도(mg/?)를 비교 분석하였다.
- 현장실험을 위하여 그림 1과 같이 5mx5m 크기의 실 험면적을 가진 지표면 유출시설을 설치하고 지하저류장 치를 연결하였다. 지면은 약 2%의 경사를 두어 우수유 출수가 집수관으로 원형관의 측면을 통하여 용이하게 집수되도록 하고 강우가 유역면적 외 지역, 즉 원형관 상부면에서 직접 유입과 주변 지면에서 튀어서 유입되는 것을 방지하도록 하였다.
대상 데이터
- 우수유출수의 특성과 여과장치의 여과효율을 분석하기 위해 2003년 10월 1일부터 11월 20일까지 총 10회 의 강우 중 여과시설을 통하여 유출수가 발생한 총 3회 에 걸쳐 실험을 실시하였다. 강우량은 실험유역 옆에 우량계를 설치하여 측정하였으며 인천기상대의 자료를 참고자료로 이용하였다.
이론/모형
- 조사항목은 생화학적 산소요구량(BOD, Biochemical Oxygen Demand), 화학 적 산소요구량(COD, Chemical Oxygen Demand), 부유 물질(SS, Suspended Solid), 총질소(T-N), 총인(T-P) 수온, 수소이온농도(pH)이었다. 분석방법은 수질공정시 험법과 Standard Methods(1995, 19th. Ed.)에서 제시된 방법으로 분석하였으며, 수질항목 및 분석방법은 표 3에 나타내었다.
성능/효과
- 1차저류조에 유량을 공급하면서 배출구를 통하여 배 출되는 방류량을 측정한 결과, 그림 13에서 보는 것과 같이 약 30분이 지난 후 일정유량이 방류되는 것을 확인할 수 있었다. 이때 초기에 유출량이 적은 것은 유입 되는 유량이 적어서 2차 저류조 수위가 플로팅 밸브 폐 쇄 수위까지 이르지 못한 상태이며 이는 수문 곡선에서 수위가 상승하는 시기에 해당한다.
- 7 %의 여과 율로서 비교적 높은 여과효율을 보였다. 강우강도가 커짐에 따라 유출수의 SS농도가 커지는 경향을 보였으며, 50nun/hr의 강우강도에서 유출수의 SS 농도가 작아진 것은 실험유역에서 토사의 유출량이 더 이상 커지지 않는 반면 강우장치에 의해 공급되는 수량은 많아져 오염부 하가 낮아지는 것으로 판단된다.
- 넷째, 총 3회에 걸친 실제강우 실험에서는 BOD, CODMn, SS, T-N, T-P의 평균 여과율은 각각 30%, 42%, 68%, 39%, 26%로 나타났다. 본 실험과 같은 토양 조건에서 지하저류시설을 통해서 저류되는 저류수는 도 시하천 유지유량으로 사용이 가능할 것으로 판단된다.
- 다섯째, 우기와 건기, 기상이변 등을 고려할 수 있는 보다 다양한 강우조건에서의 지하저류시설 실험은 우수 유출수의 활용성을 크게 증가시킬 수 있다.
- 둘째, 유출수의 초기 SS농도에 비해 초기유출수가 초기유출분리조로 분리된 이후의 SS농도는 평균 37.5% 가 감소하였다. 이를 통하여 초기유출분리조를 활용하는 경우 오염부하량을 크게 감소시킬 수 있음을 확인하였다.
- 하천유지유량의 수질기준은 평균갈수량 또는 기준갈 수량을 유지하는 갈수기에 목표수질과 예측수질의 관계를 이용함으로써 하천 수질이 최악의 상태일 경우를 대상으로 하고 있다(한국수자원공사, 1995). 따라서 본 실 험과 같은 토양 조건에서 지하저류시설을 통해서 저류 되는 저류수는 우리나라 수질기준(하천) IV등급으로서 하천유지유량으로 사용이 가능할 것으로 판단된다.
- 지하저류시설로 유입되는 유줄수 중 저류조로 유 입되는 유량은 하천유지용량 등으로 사용되게 되며 나머지 유량 즉, 초기유출 분리조의 유량과 여과조 내 남 아있는 유량은 지하수로 침투된다. 본 실험에서 저류하여 사용할 수 있는 유량은 총 유출량의 42.8 %-79.9% 로 나타났으며 강우강도가 커질수록 저류율이 커지는 것으로 나타났다. 강우강도 40mm/hr에서 저류율이 약간 감소되는 것은 여과조내 여과능력의 한계때문에 저류조 로 유입되는 비율이 감소하기 때문이다.
- 본 실험유역에서의 유출율은 그림 17에서 보는 바와 같이 56 %~80 %로 강우강도가 커질수록 유출율이 커 지는 경향을 보였으며 평균 유출율은 약 70 %로 나타났다. 지하저류시설로 유입되는 유줄수 중 저류조로 유 입되는 유량은 하천유지용량 등으로 사용되게 되며 나머지 유량 즉, 초기유출 분리조의 유량과 여과조 내 남 아있는 유량은 지하수로 침투된다.
- 셋째, 강우강도를 20min/hr, 30mm/hr, 40mm/hr, 50min/hr 로 조절하여 인공강우 실험을 실시한 결과, 지하저류시스템에 의한 유출수의 SS 농도 저감은 평균 68%로써 비점오염의 저감에 상당한 효과가 있는 것으로 나타났다.
- 각 강우사상별 유출수와 여과수의 평균농도는 표 4와 같다. 여과조로 유입되는 우수유출수의 평균 BOD, CODmti 농도는 3.72mg/ 2, 5.65mg/ 7 이고, 여 과조를 통과 하여 여과된 여과수의 평균농도는 2.61m&//, 3.30m&// 로서 각각 약 30.0 %, 41.6%의 여과율을 보였다. 우수 유출수의 평균 SS 농도는 이고 여과수의 평균 SS 농도는 60.
- 6%의 여과율을 보였다. 우수 유출수의 평균 SS 농도는 이고 여과수의 평균 SS 농도는 60.55mg/l 로서 약 67.9 %의 여과율을 보였다. 우수유출수의 평균 t-N, T-P 농도는 0.
- 52 %의 여 과율을 보였다. 우수유출수의 평균 pH는 7.9이고, 여과 수의 평균 pH는 6.9로서 약 알카리성에서 중성의 값을 보였다.
- 5%가 감소하였다. 이를 통하여 초기유출분리조를 활 용하는 경우 오염부하량을 크게 감소시킬 수 있음을 확 인하였다. 또한 여과조를 통과한 유출수의 SS농도는 유 입수에 비하여 점차 감소하고 있으며 30분이 지난 후에는 여과후의 농도가 상당히 안정된 상태로 유지하였다
후속연구
- 넷째, 총 3회에 걸친 실제강우 실험에서는 BOD, CODMn, SS, T-N, T-P의 평균 여과율은 각각 30%, 42%, 68%, 39%, 26%로 나타났다. 본 실험과 같은 토양 조건에서 지하저류시설을 통해서 저류되는 저류수는 도 시하천 유지유량으로 사용이 가능할 것으로 판단된다.
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