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문제 정의
- 본 연구에서는 간단하게 우수 침투통 효과를 평가할 수 있도록 SWMM 모형 인터페이스 및 엔진을 수정하였다. 그러나 보다 정확한 우수 침투통 효과를 평가하기 위해서는 침투시설별 비침투량 및 적용가능한 각종 영향계수 등에 관한 연구결과가 뒷받침되어야 할 것이다.
- 본 연구에서는 그동안 친환경 도시개발을 위해서 시도되었던 LID IMPs 적용에 따른 유출, 첨두유량, 그리고 TSS 저감효과를 분석하였다. LID IMPs 중 연구 대상 지역인 춘천시 거두 농공단지에 적용하기 적합한 우수 침투통과 투수성 포장을 적용 하였을 때의 유출 및 수질개선효과를 분석하였다.
- 본 연구에서는 우수 침투통의의 침투효과를 복잡한 수리학적 계산을 통해 하지 않고 침투통의 투수계수와 침투통의 면적으로 투수효과를 평가하였다. Fig.
- 그러나 이 SWMM-GE에도 우수 침투통을 평가할 수 있는 모듈이 개발되어있지는 않다. 이러한 이유로 본 연구에서는 SWMM 5.0 시스템 인터페이스와 엔진을 수정하여 간단하게 우수 침투통 효과를 분석할 수 있도록 하였다. Fig.
가설 설정
- 3 %를 차지하였으나, 개발 후에는 불투수층이 95 %를 차지할 것이다. 본 연구에서는 향후 단지구획 내 토지이용을 불투수성으로 개발함을 가정하였다. 이러한 불투수층 면적의 증가로 인해 개발 후에는 유출 및 첨두유량, 그리고 비점오염 발생량이 급증할 것으로 판단된다.
제안 방법
- (a)) 이를 SWMM 모형의 “Steady Flow”와 “Kinematic Wave” routing 옵션에서 반영할 수 있도록 시스템 인터페이스와 엔진을 수정 (Fig.
- 6(b)), 그리고 택지 조성후 소구획별로 해당 면적의 40%를 주차장 및 기타 포장공간에 대해서 투수성 포장으로, 교통량이 그다지 크지 않은 단지내 도로를 투수성 포장으로 조성하고, 기존 맨홀을 대체해 우수 침투통을 적용하여 (시나리오 3; Fig. 6(c)) 친환경적 우수관리가 가능하게 조성하였을 경우, 이렇게 3가지 시나리오별 춘천시, 50년 빈도, 지속시간 240분, 334.15mm 강우 자료를 이용하여 유출, 첨두유량, 그리고 TSS 저감효과를 분석 하였다.
- 본 연구에서는 그동안 친환경 도시개발을 위해서 시도되었던 LID IMPs 적용에 따른 유출, 첨두유량, 그리고 TSS 저감효과를 분석하였다. LID IMPs 중 연구 대상 지역인 춘천시 거두 농공단지에 적용하기 적합한 우수 침투통과 투수성 포장을 적용 하였을 때의 유출 및 수질개선효과를 분석하였다. 이를 위해 도시지역의 유출 및 첨두 유출을 보다 정확하게 평가할 수 있는 SWMM 모형을 선정, 이용하였다.
- 6(c)) 친환경적 우수관리가 가능하게 조성하였을 경우, 이렇게 3가지 시나리오별 춘천시, 50년 빈도, 지속시간 240분, 334.15mm 강우 자료를 이용하여 유출, 첨두유량, 그리고 TSS 저감효과를 분석 하였다.
- 따라서 본 연구에서는 “Kinematic Wave” routing 방법을 이용하여 배수구역에서의 유입시간과 관거를 통한 유하시간을 고려하여 유출량 및 첨두유량, 그리고 오염부하량을 평가하였다.
- 이는 기존의 CN 기반의 모형의 한계점으로 지적되어 온도시유역에서의 유출수가 관거시스템을 통해 유하되는 것을 제대로 평가할 수 있기 때문이며, 합류식 및 분류식 관거 배수구역에 유출 및 수질을 제대로 평가할 수 있기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 CN 기반의 L-THIA/LID 평가 모형과 같이 유입 및 유하시간을 고려하지 않았을 때와 관거시스템을 고려하여 유입 및 유하시간을 고려하였을 때 (SWMM Kinematic Wave routing 옵션; Gironas et al., 2009) 첨두유출 특성을 비교 분석하였다. L-THIA/LID 모형은 소배수역별로 할당된 CN 값을 이용하여 유출량을 산정하고, 모든 격자에서 발생한 유출 수가 바로 유역의 출구로 흘러들어오는 것으로 최종 유출구에서의 수문곡선을 산정한다.
- 따라서 본 연구에서는 이러한 개념을 하도추적으로 하는 “Steady Flow” routing 옵션을 이용하여 L-THIA/LID 유출 특성을 평가하였다.
- 5(b))하였다. 또한 다수의 우수 침투통을 쉽게 모의하기 위하여 시스템 전체에서 적용할 수 있도록 기본값 설정 인터페이스를 수정하였다.
- 이를 통해 보다 정확한 LID 평가 모형이 개발될 수 있으리라 판단된다. 또한 본 연구에서는 소구획별 투수포장 면적으로 일률적으로 적용하였다. 그러나, 교통량, 토질 상태 등 대상 지역 여건에 따라 투수성포장 비율을 무한적 늘릴 수 없는 상황인 만큼 계획된 유출감소를 위한 우수저감시설의 적절한 이용이 필요하다.
- 위 3가지 시나리오 적용을 위해서 본 연구에서 개발한 간단한 우수 침투통 모듈 SWMM 을 이용하여 우수 침투통 효과를 분석하였으며, 투수성 포장의 효과를 분석하기 위해서 소배수 구역별 침투특성을 평가할 수 있는 Curve Number (CN) 방법을 이용하였다. 먼저 우수 침투통 효과를 모의하기 위하여 본 연구에서는 총 62개의 우수 침투통 맨홀을 설치할 것이라 가정하여 본 연구에서 개발한 간단한 우수 침투통 모듈 SWMM 을 이용하였다 (Fig. 7). 우수침투통의 크기와 제품의 종류에 따라 침투량이 달라지므로 침투통에 대한 선정이 우선 되어야 하나, 본 연구는 친환경적 우수관리시설 효과에 대한 수문경향을 파악하기 위해 일반적으로 요구되고 있는 기준 투수계수인 3.
- 따라서 본 연구에서는 “Kinematic Wave” routing 방법을 이용하여 배수구역에서의 유입시간과 관거를 통한 유하시간을 고려하여 유출량 및 첨두유량, 그리고 오염부하량을 평가하였다. 본 연구에서는 이렇게 구성된 모형을 이용하여 앞에서 기술한 L-THIA/LID모형 (SWMM Steady Flow routing 옵션)과 SWMM 모형 (SWMM Kinematic Wave Routing)의 예측 첨두유량을 비교분석하였다. 이러한 비교분석을 통해 SWMM 모형이 L-THIA 모형에 비하여 배수시스템을 고려한 도시지역의 유출 및 첨두유량을 평가하는데 있어 보다 적절함을 알 수 있다.
- 우수 침투통과 투수성 포장의 적용을 통한 유출 저감 및 수질개선효과를 평가하기 위하여 본 연구에서는 SWMM 모형에 간단한 우수 침투통 모듈을 추가하였으며, 이렇게 개선된 SWMM 모형을 이용하여 3가지 시나리오를 작성하여 유출량, 첨두유량, 그리고 TSS 저감효과를 평가하였다. 그 결과 초기 30분이내 첨두유출의 경우 또한 시나리오 2 (Post Dev.
- 우수 침투통과 함께 투수성 포장의 효과를 분석하기 위하여본 연구에서는 토지이용 및 하수관거 위치를 고려하여 대상유역을 총 66개의 소배수구역으로 구분하고 소배수구역별 CN 값을 아래 Table 1에 나열되어 있는 LID IMP 별 CN 값 (US, EPA, 2008) 에 따라 할당하였다.
- 우수침투통의 크기와 제품의 종류에 따라 침투량이 달라지므로 침투통에 대한 선정이 우선 되어야 하나, 본 연구는 친환경적 우수관리시설 효과에 대한 수문경향을 파악하기 위해 일반적으로 요구되고 있는 기준 투수계수인 3.0×10-1 cm/sec를 적용하였다.
- 이러한 이유로 관거시스템을 고려하여 유입 및 유하시간을 고려 하였을 때 유출특성과의 비교를 위해서 본 연구에서는 SWMM 모형의 “Steady Flow” routing 방법을 이용하여 L-THIA/LID 모형의 유출특성방법을 모의하였다.
- 9 (a)는 본 연구에서 개발한 간단한 우수 침투통 효과를 모의하기위한 입력 인터페이스이다. 이렇게 전체대상 유역에 대해서 우수 침투통의 입력변수를 함께 입력할 수 있도록 우수 침투통 인터페이스를 구축하였다. 본 연구에서는 총 62개의 우수 침투통에 대해서 동일한 입력변수를 Fig.
- 0×10-1 cm/sec를 적용하였다. 이와 같이 투수계수와 침투단면적을 이용하여 우수침투통의 침투율을 계산하여 유입량에서 설계침투량을 빼는 방법을 본 연구에 적용하였다.
대상 데이터
- 본 연구의 연구대상 지역은 강원도 춘천시 동내면 거두리 산 70번지 일원에 위치한 거두 농공단지이다. 거두 농공단지 연구 대상 지역의 면적은 26.
이론/모형
- L-THIA/LID 모형을 이용하였을 때와 SWMM 모형을 이용 하여 관거시스템을 고려하여 유입 및 유하시간을 산정하여 첨두유량을 산정하면 Fig. 8과 같다. 그림에서 보이는 바와 같이 SWMM 모형을 이용하여 유입 및 유하시간을 평가하면 첨두유출량이 약 25 %가량 감소한다는 것을 알 수 있다.
- 위 3가지 시나리오 적용을 위해서 본 연구에서 개발한 간단한 우수 침투통 모듈 SWMM 을 이용하여 우수 침투통 효과를 분석하였으며, 투수성 포장의 효과를 분석하기 위해서 소배수 구역별 침투특성을 평가할 수 있는 Curve Number (CN) 방법을 이용하였다. 먼저 우수 침투통 효과를 모의하기 위하여 본 연구에서는 총 62개의 우수 침투통 맨홀을 설치할 것이라 가정하여 본 연구에서 개발한 간단한 우수 침투통 모듈 SWMM 을 이용하였다 (Fig.
- LID IMPs 중 연구 대상 지역인 춘천시 거두 농공단지에 적용하기 적합한 우수 침투통과 투수성 포장을 적용 하였을 때의 유출 및 수질개선효과를 분석하였다. 이를 위해 도시지역의 유출 및 첨두 유출을 보다 정확하게 평가할 수 있는 SWMM 모형을 선정, 이용하였다.
성능/효과
- 결론적으로 우수침투시설을 이용한 LID 개념을 통한 개발은 단순한 유출량 및 첨두유량의 감소뿐만 아니라 초기우수를 제어함으로써 수질개선에도 효과가 있음을 알 수 있다. 즉 강우의 유출량 감소 및 비점오염 저감을 위해 저류지나 기타 비점오염저감 시설의 설치가 필요한 것은 당연할 수 있으나, 위 결과에서 보듯이 유량감소 및 오염부하량 감소에 대한 효과를 기대할 수 있는 우수침투시설을 적용함으로써 하수관거에 대한 과다설계나 우수관리를 위한 중복적인 시설의 설치를 막을 수 있다는 것을 의미한다.
- 8과 같다. 그림에서 보이는 바와 같이 SWMM 모형을 이용하여 유입 및 유하시간을 평가하면 첨두유출량이 약 25 %가량 감소한다는 것을 알 수 있다. 이는 LTHIA/LID 모형을 이용하게 되면 유역면적 및 유역형상, 관거 시스템 등에 따라 반대로 첨두유출량이 크게 산정된다는 의미이다.
- 그리고 TSS 저감효과를 분석하였다. 분석결과 Fig. 10과 같이 시나리오 1 (현재 택지 조성 완료후 나지 상태; Pre Dev.) 상태에서의 유출량은 23,956 m3, 시나리오 2 (불투수포장과 일반적인 배수 시스템을 적용; Post Dev.) 상태에서의 유출량은 31,676 m3으로 시나리오 1에 비해서 유출량 32.2 % 증가하였다. 이에 비해 다양한 투수성 시설 (시나리오 3 - 우수침투통과 투수성 포장; LID Dev.
- 본 연구에서는 향후 단지구획 내 토지이용을 불투수성으로 개발함을 가정하였다. 이러한 불투수층 면적의 증가로 인해 개발 후에는 유출 및 첨두유량, 그리고 비점오염 발생량이 급증할 것으로 판단된다. 따라서 농공단지 조성시 다양한 LID 기법의 적용을 통해 유출 및 비점오염 발생량을 개발 전 이전 수준이나 이와 비슷한 수준으로 되돌리기 위한 노력이 필요할 것으로 사료된다.
- 본 연구에서는 이렇게 구성된 모형을 이용하여 앞에서 기술한 L-THIA/LID모형 (SWMM Steady Flow routing 옵션)과 SWMM 모형 (SWMM Kinematic Wave Routing)의 예측 첨두유량을 비교분석하였다. 이러한 비교분석을 통해 SWMM 모형이 L-THIA 모형에 비하여 배수시스템을 고려한 도시지역의 유출 및 첨두유량을 평가하는데 있어 보다 적절함을 알 수 있다.
- 2 % 증가하였다. 이에 비해 다양한 투수성 시설 (시나리오 3 - 우수침투통과 투수성 포장; LID Dev.)을 적용하였을 때 유출량은 27,757 m3으로 택지 조성후 (시나리오 1)에 비해서 15.9 % 유출량이 증가하여 일반적인 개발 방법 (시나리오 2)에 비해 유출량이 12.4 % 감소하는 것으로 평가되었다 (Fig. 10). 본 연구의 결과에서 보이는 바와 같이 거두 농공단지내 다양한 LID IMPs를 적용한다면 개발 이전 수준으로 유출량을 감소시켜 다양한 비점오염 발생량도 줄일 수 있을 것으로 판단된다.
- 결론적으로 우수침투시설을 이용한 LID 개념을 통한 개발은 단순한 유출량 및 첨두유량의 감소뿐만 아니라 초기우수를 제어함으로써 수질개선에도 효과가 있음을 알 수 있다. 즉 강우의 유출량 감소 및 비점오염 저감을 위해 저류지나 기타 비점오염저감 시설의 설치가 필요한 것은 당연할 수 있으나, 위 결과에서 보듯이 유량감소 및 오염부하량 감소에 대한 효과를 기대할 수 있는 우수침투시설을 적용함으로써 하수관거에 대한 과다설계나 우수관리를 위한 중복적인 시설의 설치를 막을 수 있다는 것을 의미한다. 또한 대상지역의 교통량 및 용도, 지반상태 등 현장여건을 고려하여 최적의 우수저감시설을 설계단계에서 도출함으로써 친환경적 우수관리가 가능할 것으로 판단된다.
후속연구
- 9(b)는 이렇게 구축된 우수 침투통 모듈을 고려하여 관거 해석을 하는 것을 보여준다. Fig. 9에서 보이는 바와 같이 본 연구에서 개발한 간단한 우수 침투통 인터페이스/엔진 모듈은 다양한 LID 침투시설의 효과를 평가하는데 효과적으로 사용될 수 있을 것이다.
- 본 연구에서는 간단하게 우수 침투통 효과를 평가할 수 있도록 SWMM 모형 인터페이스 및 엔진을 수정하였다. 그러나 보다 정확한 우수 침투통 효과를 평가하기 위해서는 침투시설별 비침투량 및 적용가능한 각종 영향계수 등에 관한 연구결과가 뒷받침되어야 할 것이다. 이를 통해 보다 정확한 LID 평가 모형이 개발될 수 있으리라 판단된다.
- 이는 L-THIA/LID 모형으로는 LID 적용에 따른 유출 및 첨두유량 저감효과, 그리고 수질개선효과를 정확하게 평가하는 어느 정도 한계가 있다는 것을 의미하고, 이러한 이유로 과대 설계가 되는 단점이 있을 수도 있다. 따라서 검․보정된 SWMM 모형을 이용하여 LID를 평가하는 것이 보다 정확하게 LID 적용에 따른 수질개선효과를 평가할 수 있을 것으로 판단된다.
- 이는 우수 침투통을 개략적으로라도 평가할 수 있는 평가모듈이 없었기 때문이다. 따라서 이러한 우수 침투통을 고려할 수 있는 간단한 모듈이 개발된다면 개발 지역내 LID IMPs를 효율적으로 결정할 수 있어 과다 설계를 방지하고 불필요한 요소를 제거하여 친환경 도시 개발이 가능해질 것으로 판단된다.
- 즉 강우의 유출량 감소 및 비점오염 저감을 위해 저류지나 기타 비점오염저감 시설의 설치가 필요한 것은 당연할 수 있으나, 위 결과에서 보듯이 유량감소 및 오염부하량 감소에 대한 효과를 기대할 수 있는 우수침투시설을 적용함으로써 하수관거에 대한 과다설계나 우수관리를 위한 중복적인 시설의 설치를 막을 수 있다는 것을 의미한다. 또한 대상지역의 교통량 및 용도, 지반상태 등 현장여건을 고려하여 최적의 우수저감시설을 설계단계에서 도출함으로써 친환경적 우수관리가 가능할 것으로 판단된다.
- 우수 발생 및 비점오염물질에 관한 사후 처리보다 사전에 예방 및 처리가 가능한 다양한 우수 침투시설과 같은 소규모 시설의 적용을 통해 보다 효과적인 친환경 우수관리 효과를 기대할 수 있을 것이다. 또한 이러한 우수 침투시설을 통해 유출 및 첨두유량의 감소, 이를 통해 하수관거 시스템의 설계 배수량이 작아져 관거 축소를 유도하고, 오염부하의 감소로 인한 정화시설 등의 축소 및 환경복원 비용의 절감등의 간접적인 효과를 기대할 수 있을 것이라 판단된다.
- 10). 본 연구의 결과에서 보이는 바와 같이 거두 농공단지내 다양한 LID IMPs를 적용한다면 개발 이전 수준으로 유출량을 감소시켜 다양한 비점오염 발생량도 줄일 수 있을 것으로 판단된다. 특히 농공단지의 경우 우수 침투통 이외에도 침투 트렌치, 침투측구 등 현장 여건 상황이 충족된다면 좀 더 다양한 우수 침투 시설을 적용해서 도시개발에 따른 수문 및 수질 영향을 개발 구역내에서 흡수할 수 있을 것으로 기대되며, 이를 통해 관행적인 도시개발 기법으로 인해 증가될 수 밖에 없는 오염부하를 상당부분 줄일 수 있을 것으로 판단된다.
- 이는 결국 유출량 및 첨두유량의 감소형태가 침투능이 증대됨에 따라 강우초기에 곧바로 유출로 이어지지 않고 일시적으로 유출을 제한함으로써 초기우수에 의한 초기세척으로 인한 오염부하를 줄 일 수 있음을 알 수 있다. 본 연구의 결과에서 보이는 바와 같이 교통량이 그리 많지 않은 산업단지 및 농공단지 개발시에 현장 조건에 따라 우수 침투통과 투수성 포장, 침투 트렌치 등과 같은 투수성 시설을 많이 적용한다면 친환경 산업단지 및 농공단지 개발이 가능할 것으로 판단된다.
- 이를 위해서 정확한 평가가 가능한 모델을 이용한 설계 기법의 체계 및 기준이 성립되어야 할 것이다. 본 연구의 결과에서 보이는 바와 같이 기존의 도시개발의 경우 배수 위주의 시스템과 중앙집중식 정화시설에 의한 수질개선에 대해 고정관념을 가지고 개발되어 왔기 때문에 환경 및 경제적 관점에서 볼 때 그 효과가 그리 우수하지 못한 한계성을 가지고 있다. 우수 발생 및 비점오염물질에 관한 사후 처리보다 사전에 예방 및 처리가 가능한 다양한 우수 침투시설과 같은 소규모 시설의 적용을 통해 보다 효과적인 친환경 우수관리 효과를 기대할 수 있을 것이다.
- 본 연구의 결과에서 보이는 바와 같이 기존의 도시개발의 경우 배수 위주의 시스템과 중앙집중식 정화시설에 의한 수질개선에 대해 고정관념을 가지고 개발되어 왔기 때문에 환경 및 경제적 관점에서 볼 때 그 효과가 그리 우수하지 못한 한계성을 가지고 있다. 우수 발생 및 비점오염물질에 관한 사후 처리보다 사전에 예방 및 처리가 가능한 다양한 우수 침투시설과 같은 소규모 시설의 적용을 통해 보다 효과적인 친환경 우수관리 효과를 기대할 수 있을 것이다. 또한 이러한 우수 침투시설을 통해 유출 및 첨두유량의 감소, 이를 통해 하수관거 시스템의 설계 배수량이 작아져 관거 축소를 유도하고, 오염부하의 감소로 인한 정화시설 등의 축소 및 환경복원 비용의 절감등의 간접적인 효과를 기대할 수 있을 것이라 판단된다.
- 그러나, 교통량, 토질 상태 등 대상 지역 여건에 따라 투수성포장 비율을 무한적 늘릴 수 없는 상황인 만큼 계획된 유출감소를 위한 우수저감시설의 적절한 이용이 필요하다. 이를 위해서 정확한 평가가 가능한 모델을 이용한 설계 기법의 체계 및 기준이 성립되어야 할 것이다. 본 연구의 결과에서 보이는 바와 같이 기존의 도시개발의 경우 배수 위주의 시스템과 중앙집중식 정화시설에 의한 수질개선에 대해 고정관념을 가지고 개발되어 왔기 때문에 환경 및 경제적 관점에서 볼 때 그 효과가 그리 우수하지 못한 한계성을 가지고 있다.
- 그러나 보다 정확한 우수 침투통 효과를 평가하기 위해서는 침투시설별 비침투량 및 적용가능한 각종 영향계수 등에 관한 연구결과가 뒷받침되어야 할 것이다. 이를 통해 보다 정확한 LID 평가 모형이 개발될 수 있으리라 판단된다. 또한 본 연구에서는 소구획별 투수포장 면적으로 일률적으로 적용하였다.
- 본 연구의 결과에서 보이는 바와 같이 거두 농공단지내 다양한 LID IMPs를 적용한다면 개발 이전 수준으로 유출량을 감소시켜 다양한 비점오염 발생량도 줄일 수 있을 것으로 판단된다. 특히 농공단지의 경우 우수 침투통 이외에도 침투 트렌치, 침투측구 등 현장 여건 상황이 충족된다면 좀 더 다양한 우수 침투 시설을 적용해서 도시개발에 따른 수문 및 수질 영향을 개발 구역내에서 흡수할 수 있을 것으로 기대되며, 이를 통해 관행적인 도시개발 기법으로 인해 증가될 수 밖에 없는 오염부하를 상당부분 줄일 수 있을 것으로 판단된다.
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