SWMM-LID를 이용한 저탄소 녹색마을의 LID-분산형 빗물관리 계획에 따른 물순환 효과 분석 Analysis of Water Cycle Effect by Plan of LID-decentralized Rainwater Management Using SWMM-LID Model in a Low-carbon Green Village원문보기
신도시 A에 저탄소 녹색 마을(약 40만$m^2$)을 개발하고자 한다. 저탄소 녹색 마을의 조성을 위해서는 수문 순환의 복원 또는 물순환의 복원은 필수적이다. 저탄소 녹색 마을의 자연계 물순환 복원을 위해 LID-분산형 빗물 관리 시설의 설치를 계획하였다. 물순환에 미치는 영향 분석은 저탄소 녹색마을 개발 이전과 개발 후, 그리고 LID 시설(빗물정원, 인공습지, 빗물이용시설 등)을 설치한 후의 조건에서 EPA에서 개발된 SWMM-LID 모델을 이용하여 수행하였다. 개발 전의 침투 영역의 특성, 개발 후의 상당한 녹지 공간 탓으로, 수문 순환을 복원하기 위한 LID 설치 계획은 뚜렷한 효과를 보여주지 않고 있다. 그러나 LID 시설 설치에 의한 물순환의 가능성을 볼 수는 있었다. 이는 본 연구에서 제시한 LID 시설의 설치 계획이 해당 개발 지역의 물순환을 위해서는 더 확대되어야 함을 의미한다.
신도시 A에 저탄소 녹색 마을(약 40만$m^2$)을 개발하고자 한다. 저탄소 녹색 마을의 조성을 위해서는 수문 순환의 복원 또는 물순환의 복원은 필수적이다. 저탄소 녹색 마을의 자연계 물순환 복원을 위해 LID-분산형 빗물 관리 시설의 설치를 계획하였다. 물순환에 미치는 영향 분석은 저탄소 녹색마을 개발 이전과 개발 후, 그리고 LID 시설(빗물정원, 인공습지, 빗물이용시설 등)을 설치한 후의 조건에서 EPA에서 개발된 SWMM-LID 모델을 이용하여 수행하였다. 개발 전의 침투 영역의 특성, 개발 후의 상당한 녹지 공간 탓으로, 수문 순환을 복원하기 위한 LID 설치 계획은 뚜렷한 효과를 보여주지 않고 있다. 그러나 LID 시설 설치에 의한 물순환의 가능성을 볼 수는 있었다. 이는 본 연구에서 제시한 LID 시설의 설치 계획이 해당 개발 지역의 물순환을 위해서는 더 확대되어야 함을 의미한다.
There was a plan to develop a low-carbon green village(approximately $400,000m^2$) in A city, a new town. Restoration of water cycle is essential for creation of the low-carbon green village. Therefore, installation plan of LID-decentralized rainwater management facilities for natural wat...
There was a plan to develop a low-carbon green village(approximately $400,000m^2$) in A city, a new town. Restoration of water cycle is essential for creation of the low-carbon green village. Therefore, installation plan of LID-decentralized rainwater management facilities for natural water cycle was established for creation of the low-carbon green village. Analyses on effect of the water cycle were performed in conditions of before, after developing the low-carbon green village and after installing the LID facilities(rain garden, constructed wetland, rainwater harvesting facility, etc.) using SWMM-LID model developed by EPA. Due to the characteristic of permeable area before development and significant green spaces after development, installation plan of LID facilities to restore the water cycle did not show an obvious effect. However, potential of the hydrological cycle could be seen by the installation of the LID facilities.
There was a plan to develop a low-carbon green village(approximately $400,000m^2$) in A city, a new town. Restoration of water cycle is essential for creation of the low-carbon green village. Therefore, installation plan of LID-decentralized rainwater management facilities for natural water cycle was established for creation of the low-carbon green village. Analyses on effect of the water cycle were performed in conditions of before, after developing the low-carbon green village and after installing the LID facilities(rain garden, constructed wetland, rainwater harvesting facility, etc.) using SWMM-LID model developed by EPA. Due to the characteristic of permeable area before development and significant green spaces after development, installation plan of LID facilities to restore the water cycle did not show an obvious effect. However, potential of the hydrological cycle could be seen by the installation of the LID facilities.
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문제 정의
본 연구 수행을 위해 신도시 개발 지구 내 저탄소 녹색마을의 물순환을 복원하기 위한 LID-분산형 빗물관리 계획을 수립하였다. 본 연구에서는 이러한 LID-분산형 빗물관리 계획에 의해 LID 시설을 적용하는 경우 물순환에 미치는 영향을 검토하고자 한다.
본 연구 수행을 위해 신도시 개발 지구 내 저탄소 녹색마을의 물순환을 복원하기 위한 LID-분산형 빗물관리 계획을 수립하였다. 본 연구에서는 이러한 LID-분산형 빗물관리 계획에 의해 LID 시설을 적용하는 경우 물순환에 미치는 영향을 검토하고자 한다. 이를 위해 먼저 저탄소 녹색마을 지구의 개발 전․후 유출 특성을 분석하였으며, 분석에는SWMM-LID 모형을 사용하였다.
본 연구에서는 아산신도시 저탄소 녹색마을 시범지구에 대하여 개발 전 · 후 그리고 개발 후 LID 빗물관리시설 설치 계획에 따른 효과에 대해 SWMM-LID 모형을 사용하여 수문학적인 분석을 수행하였다. 이를 통하여 토지이용계획과 연계한 LID 빗물관리시설이 물순환에 미치는 효과와 적용 가능성을 확인하였다.
제안 방법
SWMM-LID 모형을 이용하여 대상유역에 대한 개발 전과 후의 유출특성을 분석하였다. 개발 후 유출특성 분석은 개발 전과 변경된 토지이용계획의 불투수율을 이용하였다.
본 시범지구 대상유역인 저탄소 녹색마을 유역의 개발 전 · 후 지표수, 지하수유출 및 수문순환인자에 대한 변화를 살펴보고자 물순환 분석을 수행하였다.
본 연구에서는 아산신도시 저탄소 녹색마을 시범지구에 대하여 개발 전 · 후 그리고 개발 후 LID 빗물관리시설 설치 계획에 따른 효과에 대해 SWMM-LID 모형을 사용하여 수문학적인 분석을 수행하였다.
본 절에서는 대상유역에 대해 SWMM-LID 모형으로 2000년에서 2009년까지 10년 동안의 장기유출 연속모의를 수행하였다.
저탄소 녹색마을 유역 개발 후의 LID 빗물관리시설 설치 전후에 대한 지표수, 지하수유출 및 수문순환인자에 대한 변화를 살펴보고자 물순환 분석을 수행하였다. 계획에 따른 LID-분산형 빗물관리시설 적용 후 유출 특성을 모델링한 대상 유역의 모식도, 지표 유출과 지하수 유출 수문곡선을 그림 4∼ 6에 나타내었다.
저탄소 녹색마을 지구에 LID-분산형 빗물관리 계획을 수립하였다. 본 지구에 적용을 계획한 LID 시설은 도랑, 침투형 홈통받이, 소형 빗물정원, 대형 빗물정원, Bio-retention, Muldenregolen, 인공습지, 수로 및 빗물이용시설 등이다.
대상 데이터
모형의 보정은 실측한 유량자료를 사용하였으며, 측정된 유량과 모형의 보정을 통한 유량은 표 1과 같다(현경학 외, 2010). 오차의 범위는 0.
저탄소 녹색마을 지구에 LID-분산형 빗물관리 계획을 수립하였다. 본 지구에 적용을 계획한 LID 시설은 도랑, 침투형 홈통받이, 소형 빗물정원, 대형 빗물정원, Bio-retention, Muldenregolen, 인공습지, 수로 및 빗물이용시설 등이다.
적용이 가능한 대상 유역은 도시유역, 인위적 배수계통을 갖는 소유역 등이다. 시간적 특성은 단일, 연속강우에 의한 계산이 가능하며, 강우간격은 임의로 설정할 수 있다.
이론/모형
물리적 특성으로 유출은 강우와 유출로 발생하고 지표면 유출은 비선형 저류방정식을 사용한다. SWMM 모형에서 침투량 산정에는 Horton식과 Green-Ampt식을 이용한다. 수로와 관로에 대해 RUNOFF 블록은 비선형 저류방정식, TRANSPORT 블록은 Kinematic 방정식, EXTRAN 블록은 Dynamic 방정식과 연속방정식, 저류추적방법은 수표면이 평행하다고 가정한수정 Pulse 방법을 사용한다.
SWMM-LID 모형을 이용하여 대상유역에 대한 개발 전과 후의 유출특성을 분석하였다. 개발 후 유출특성 분석은 개발 전과 변경된 토지이용계획의 불투수율을 이용하였다.
공간적 특성은 소배수유역에서 큰 배수유역까지 적용이 가능하다. 물리적 특성으로 유출은 강우와 유출로 발생하고 지표면 유출은 비선형 저류방정식을 사용한다. SWMM 모형에서 침투량 산정에는 Horton식과 Green-Ampt식을 이용한다.
SWMM 모형에서 침투량 산정에는 Horton식과 Green-Ampt식을 이용한다. 수로와 관로에 대해 RUNOFF 블록은 비선형 저류방정식, TRANSPORT 블록은 Kinematic 방정식, EXTRAN 블록은 Dynamic 방정식과 연속방정식, 저류추적방법은 수표면이 평행하다고 가정한수정 Pulse 방법을 사용한다.
본 연구에서는 이러한 LID-분산형 빗물관리 계획에 의해 LID 시설을 적용하는 경우 물순환에 미치는 영향을 검토하고자 한다. 이를 위해 먼저 저탄소 녹색마을 지구의 개발 전․후 유출 특성을 분석하였으며, 분석에는SWMM-LID 모형을 사용하였다.
성능/효과
LID-분산형 빗물관리 계획에 따라 LID 시설을 적용한 결과, 전반적으로 수문학적인 물순환이 회복되는 것으로 나타났다. 그 효과가 크지는 않았으나, 이는 개발 후 녹지 조성 계획의 영향이기도 하다.
개발 후 지하수 침투량은 211.6mm, 유출량은 124.5mm이며, 저류량은 19.9mm, 상 · 하층부 증발산량과 대수층 침루량은 각각 66.9mm, 0.6mm로 나타났다.
개발 후 토지이용 변화에 따른 불투수 면적의 증가에 의한 유출변화를 살펴보면 지표 유출량은 개발 전에 비해 개발 후에 약 45% 증가하였다. 또한, 지하수 유출량은 개발 전에 비해 개발 후에 약 32% 감소하여 물순환에 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
2mm이다. 개발 후의 침투량은 전체 강우량의 17.2%인 211.6mm이며, 지표증발량은 208.5mm, 지표 유출량은 812.6mm이다.
그러나 개발 전 유역전체가 투수지역이며, 개발 후 LID 빗물관리시설 설치 전의 토지이용계획에 이미 녹지 등의 투수 지역이 상당한 면적을 차지하는 것을 감안하면, 비교적 LID 적용에 의한 수문순환 효과가 있음을 확인할 수 있었다. 추후 불투수 면적이 상당히 넓은 유역에 대해 적용할 경우 보다 가시적으로 LID 적용에 의한 수문순환 개선효과를 확인할수 있을 것으로 보인다.
개발 후 토지이용 변화에 따른 불투수 면적의 증가에 의한 유출변화를 살펴보면 지표 유출량은 개발 전에 비해 개발 후에 약 45% 증가하였다. 또한, 지하수 유출량은 개발 전에 비해 개발 후에 약 32% 감소하여 물순환에 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
이러한 모형 분석결과를 보면, 저탄소 녹색마을에 설치할 LID-분산형 빗물관리시설의 계획을 확대하여야 할 것으로 보인다. 즉, SWMM-LID 모형에 의한 물순환 영향 분석 결과를 분석하여 계획단계에서 LID-분산형 빗물관리 계획 규모를 조절할 수도 있을 것으로 보인다.
지하수 유출량을 살펴보면, 개발 전 지하수 침투량과 유출량은 각각 882.2mm, 524.0mm, 저류량은 24.5mm, 상 · 하층부 증발산량은 332.9mm이고, 대수층 침루량은 0.8mm이다.
토지이용에 따른 유출변화를 살펴보면 지표 유출량은 개발전은 20.8%에서 개발 후 65.9%로 증가하였고, 지하수 유출량은 개발 전 42.4%에 비해 개발 후 10.1%로 감소하였다.
후속연구
또한, 향후 정량적인LID 빗물관리시설의 물순환 개선효과에 대한 개개 시설별 수문학적인 분석연구가 진행되어져야 할 것으로 판단된다.
그 효과가 크지는 않았으나, 이는 개발 후 녹지 조성 계획의 영향이기도 하다. 이러한 모형 분석결과를 보면, 저탄소 녹색마을에 설치할 LID-분산형 빗물관리시설의 계획을 확대하여야 할 것으로 보인다. 즉, SWMM-LID 모형에 의한 물순환 영향 분석 결과를 분석하여 계획단계에서 LID-분산형 빗물관리 계획 규모를 조절할 수도 있을 것으로 보인다.
그러나 개발 전 유역전체가 투수지역이며, 개발 후 LID 빗물관리시설 설치 전의 토지이용계획에 이미 녹지 등의 투수 지역이 상당한 면적을 차지하는 것을 감안하면, 비교적 LID 적용에 의한 수문순환 효과가 있음을 확인할 수 있었다. 추후 불투수 면적이 상당히 넓은 유역에 대해 적용할 경우 보다 가시적으로 LID 적용에 의한 수문순환 개선효과를 확인할수 있을 것으로 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
저탄소 녹색 마을의 조성을 위해서는 무엇이 필수적인가?
신도시 A에 저탄소 녹색 마을(약 40만$m^2$)을 개발하고자 한다. 저탄소 녹색 마을의 조성을 위해서는 수문 순환의 복원 또는 물순환의 복원은 필수적이다. 저탄소 녹색 마을의 자연계 물순환 복원을 위해 LID-분산형 빗물 관리 시설의 설치를 계획하였다.
저영향 개발은 어떤 개념과 비슷한가?
개발로 인한 영향을 최소화하도록 빗물을 관리하는 저영향 개발(LID)은 발생원 관리(Source Control) 또는 분산형 빗물관리(Decentralized Rainwater Management)와 비슷한 개념의 빗물관리이다(현경학과 이정민, 2010). 이러한 LID-빗물관리를 위해 설치되는 침투시설 등의 효과를 분석하는 연구 등이 그동안 국내외에서 진행되었다.
저영향 개발은 어떤 빗물관리 방식인가?
이러한 문제 해결을 위한 방안으로 개발 이전의 수문 순환 상태에 최대한 근접하도록 개발하여 개발로 인한 영향을 최소화 하는 저영향 개발(LID : Low Impact Development)이 있다. 이는 개발 이전의 수문학적 체계를 유지하거나 향상시키기 위해 토지 계획을 고려하는 빗물관리 방식이다. 또한, 발생원과 그가까운 곳에서 빗물을 관리함으로써 지표유출과 오염부하를 줄이는 시설과 그 관리방법이기도 하다(http://www.lowimpactdevelopment.org; U. S. EPA, 2007). 즉, 투수성 포장, 침투 트 렌치, 빗물통, 식생 수로 등의 시설을 설치하고, 지형을 이용함으로써 자연적인 물순환에 부응하면서 빗물 순환을 복원할수 있는 방법이다.
참고문헌 (9)
국토해양부(2009), 아산탕정지구 택지개발사업 실시계획(1단계) 승인서.
대한주택공사 주택도시연구원(2008), 아산신도시 물순환 도시 조성을 위한 우수관리 및 인공습지 시스템 적용 연구.
이정민(2007), 투수성 포장과 침투 트렌치를 고려한 수정 SWMM의 개발 및 적용, 박사학위 논문, 부경대학교.
현경학, 이정민(2010), "토지이용 변화가 물순환에 미치는 영향 과 침투트렌치 설치 효과 분석", 상하수도학회지, 24(6): 691∼701.
New York Department of Environmental Conservation (NY DEC) (2003), Stormwater Management Design Manual, Albany, NY.
North Carolina Division of Environmental Management (NC DEM) (1993), Stormwater Management Guidance Manual, Raleigh, NC.
U.S. Environmental Protection Agency (2007), Reducing Stormwater Costs through Low Impact Development (LID) Strategies and Practices, Available at: http://www.epa.gov/nps/lid
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