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문제 정의
- 대전시 서남부지구 택지개발과 관련하여 집수면에서의 집수 방법 개선, 집수 전에 여과망과 필터를 설치하여 유기물질 등 이물질의 유입을 사전에 차단하는 친환경적인 빗물 활용 시설 시스템 개선을 적용한 빗물을 집수하여 수질을 분석하고 장기간 저장시의 수질의 변화를 조사하여 빗물 수질 개선에 대한 방안을 연구하였다.
제안 방법
- BOD, COD, pH, SS, T-N, T-P 외에도 Al, As, Cr, Cu, Cd, Fe, Mn, Pb, Zn 등 9가지 중금속 함량도 측정하였고, 일반세균, 대장균수 등을 분석하였으며 그 결과는 Table 6과 Table 7과 같았다.
- 개발 전 토지이용에서 답은 관개중인 경작지 중토로 구분하되 수치를 보정하여 0.30, 임야는 완경사 산지로 감안하여 0.45 전은 작물이 있는 중토로 감안하여 0.30, 대지는 단독주택으로 감안하여 0.40, 기타는 공공지역, 도로 등을 고려하여 0.60으로 유출계수를 적용하였다. 개발후의 적용 유출계수는 하천설계기준상의 기준을 적용하되, 중간값을 적용하였다.
- 개발 전, 현 상태에서의 화산천과 진잠천의 수질을 파악하기 위하여, 2006년 4월부터 2006년 9월에 걸쳐서, 화산천은 상류지역 1개소, 진잠천과의 연결 지점 1개소, 진잠천 상류지역 1개소, 진잠천에서 갑천으로의 유입 지점 1개소에서 강우 전후로 청정시 3회 시료 채취(하천의 수심이 1 m 이상 확보된 지점에서는 TMB 채취 방법 적용)하여 BOD, COD, SS, T-N, T-P, pH, 일반세균 등 기본적인 수질 항목을 분석하였으며 회전식 유속계를 사용하여 하천의 유속을 각각의 4개 지점에서 3회 측정하여 자료를 분석하였다. 유속 측정지역은 하천 유역의 수심이 얕으므로 수심비의 60%에 해당하는 유속으로 1점법을 사용하여 측정하였다.
- 60으로 유출계수를 적용하였다. 개발후의 적용 유출계수는 하천설계기준상의 기준을 적용하되, 중간값을 적용하였다.
- 대전 서남부권 개발기본계획을 입수하여 지구별 부지 용도와 면적, 도로 포장 재질 등을 조사하고, 개발 전/후로 구분하여 지형 변형 요소 조사, 수계 형성의 변화, 불투수면의 증가 요소, 우수 및 하수 처리 설계 방법을 조사하였다.
- 목원대학교 도안동 캠퍼스 내 설치한 지하수정에서 지하 120 m에서 양정한 지하수의 수질과 빗물의 수질을 46개 측정항목으로 비교·분석하였다.
- 독일의 경우 대부분 우수 저장 탱크를 지하에 매설하고 있다. 베를린 스타디움의 경우도 대규모 지하 우수 저장조를 설치하여 잔디살수용, 화장실용 등으로 사용하고 있으며, 쾰른시에 위치하는 힐튼호텔에서도 지하 매설 우수 저장조를 설치하여 역시 객실의 화장실용으로 사용하고 있으며, 베를린의 소니시티의 건물은 건물 지하 1층에 대규모 콘크리트 우수 저장조를 설치하여, 홍수예방용, 방화수용, 화장실용, 청소수용, 화훼용 등 여러 목적의 용도로 사용하고 있는 것을 직접 방문하여 조사 확인하였다. 이와 같이 우수 저장조를 지하에 매설시키는 가장 근본적인 이유는 빗물의 수질 악화 방지가 목적인 것으로 확인되었다.
- 부족토량은 공동주택 미성토량, 구조물 잔토량 활용 및 건설폐기물중 콘크리트 재활용으로 공급할 계획을 수립하였다.
- 빗물 집수시스템은 빗물의 수질을 원수(초기강우 자체, 강우 후 1시간 후의 우수), 강우 1시간 이후에 간이시스템 집수조로 필터를 통과한 빗물, 빗물 저장조에서 장기간 저장한 빗물의 3가지 형태로 구분하여 분석하였으며, 서남부권 개발지역 내에 위치한 목원대학교의 테크노과학관 건축물 지붕(집수면), 우수배관 등을 그대로 이용하고 우수관에 조정밸브 등을 설치하였으며, 활성탄여과, 소독 등의 장치는 제외한 간이집수조 인입부에 여과 장치, 시료채취구 등을 부착하는 간이 시스템을 제작하여 실험하였다.
- 빗물 활용 시스템을 제작, 설치하여 정기적으로 서남부지구 택지개발 예정지역 내에 강우하는 빗물을 빗물 저장조 인입전 집수면에서의 초기 빗물, 강우 개시 후 30분, 1시간 후(초기 강우량의 강우 정도에 따라 다르지만) 빗물을 집수면에서 유하되어 배관 인입 연결구의 흐름 초입에서 샘플링하고, 저장탱크내의 빗물 수질을 정기적으로 채취하여 장기적 저장 시수질의 변화 추이를 분석하였다.
- 사업지구의 개발전후 불투수면의 증가를 한국수자원학회 등에서 2002년에 제시한 유출계수 등[8,9]을 반영하여 불투수면의 증가에 따른 평균유출계수를 산정하였다. 공종구성을 기초로 하여 모든 기초공종으로부터의 유출을 합하여 구하는 유출계수는 아래 식을 적용하였다.
- 서남부지구 택지개발 기본계획을 입수하여 우수 및 하수 처리 설계 방법, 지구별 부지 용도와 면적, 도로 포장 재질 등을 조사하고, 개발 전/후로 구분하여 지형의 변형 요소 조사, 수계 형성의 변화, 우수 및 하수처리 계획, 불투수면의 증가 요소를 조사하였다.
- 우수 활용 시스템을 제작, 설치하여 빗물을 집수면에서 유하되어 배관 인입 연결구의 흐름 초입에서 시료채취하고, 저장탱크내의 우수 수질은 일정 간격으로 시료채취를 실시하여 장기 저장 시 수질변화 추이를 분석하였다.
- 하수배제방식은 우수와 오수가 별개의 관거 계통을 배제하는 분류식이 채택되었다. 우수유출계통은 지구여건을 감안하여, 5개의 배수구역으로 나누어 기존우수 박스와 사업지구 동측 갑천과 갑천의 지류인 진잠천으로 방류하도록 계획되었다.
- 개발 전, 현 상태에서의 화산천과 진잠천의 수질을 파악하기 위하여, 2006년 4월부터 2006년 9월에 걸쳐서, 화산천은 상류지역 1개소, 진잠천과의 연결 지점 1개소, 진잠천 상류지역 1개소, 진잠천에서 갑천으로의 유입 지점 1개소에서 강우 전후로 청정시 3회 시료 채취(하천의 수심이 1 m 이상 확보된 지점에서는 TMB 채취 방법 적용)하여 BOD, COD, SS, T-N, T-P, pH, 일반세균 등 기본적인 수질 항목을 분석하였으며 회전식 유속계를 사용하여 하천의 유속을 각각의 4개 지점에서 3회 측정하여 자료를 분석하였다. 유속 측정지역은 하천 유역의 수심이 얕으므로 수심비의 60%에 해당하는 유속으로 1점법을 사용하여 측정하였다.
- 장기 저장하는 경우, 수질의 악화 요인 분석과 장기 저장에 따른 수질의 변화 추이를 분석하기 위하여 2006년 8월 21일 강우된 빗물을 간이 집수시스템의 저장탱크로 유입시켜 저장하여 2006년 12월 31일까지 4개월에 걸쳐서 지하 저장조에 집수 저장된 우수의 수질을 일정 간격으로 시료를 채취하여 분석하였다.
- 중금속 분석은 Perkin Elmer DRCⅡ ICP/MS 장비를 사용하였으며, 장비운전조건은 다음의 Table 1과 같다. 측정금속의 각 원소가 0.
- 지역 내의 지하수를 채취하여 수질에 대한 비교 분석 시험을 실시하였다. 지하수 채취정의 신규 설치는 과다한 예산 투입이 소요되므로 지양하고, 기존의 지하수 이용 시설을 현장 조사한 후 적합한 지하수정을 활용하였으며, 지하수정으로부터 지하수를 채수하여 수질 분석을 하였다.
- 지역 내의 지하수를 채취하여 수질에 대한 비교 분석 시험을 실시하였다. 지하수 채취정의 신규 설치는 과다한 예산 투입이 소요되므로 지양하고, 기존의 지하수 이용 시설을 현장 조사한 후 적합한 지하수정을 활용하였으며, 지하수정으로부터 지하수를 채수하여 수질 분석을 하였다.
- 집수된 우수의 활용은 화장실 용도, 화훼용, 청소수용 등으로 감안하여, 대장균군수, 외관, 탁도, BOD, COD, TSS, 냄새, 수소이온농도, 전기전도도를 분석 항목으로 정하고 분석하였으며, 분석 결과는 다음의 Table 8과 같았다.
- 집중 강우시에 강수량, 초기강우의 수질, 강우 개시 1시간 후의 수질을 파악하기 위하여, 2006년 4월부터 2006년 12월에 걸쳐서, 대전 서남부지구 지역 내에 제작 설치한 간이 우수 집수시스템에서 샘플링하고 수질의 성상을 분석하였으며, pH, BOD, COD, SS, T-N, T-P 외에도 Al, As, Cr, Cu, Cd, Fe, Mn, Pb, Zn 중금속 함량도 측정, 일반세균, 대장균수 등을 분석하였다.
- 중금속 분석은 Perkin Elmer DRCⅡ ICP/MS 장비를 사용하였으며, 장비운전조건은 다음의 Table 1과 같다. 측정금속의 각 원소가 0.1, 0.5, 1.0, 5.0, 10, 100 mg/L 함유된 용액을 사용하여 1차적으로 측정 검량선을 작성하였다. 수질항목 분석방법은 수질공정시험법을 적용하여 분석하였다.
대상 데이터
- 빗물의 집수면과 우수배관 등은 서남부지구 개발지역 내에 위치한 목원대학교의 테크노과학관 건축물 우수 유출 시설을 그대로 이용하였다. 우수관에 조정 밸브 등을 설치하고 간이 집수조 인입부에 여과 장치, 시료채취구 등을 부착하는 간이 시스템을 Figure 1과 같이 2 Ton 규모 FRP 저장조 제품을 개조하여 실험에 사용하였다.
- 빗물의 집수면과 우수배관 등은 서남부지구 개발지역 내에 위치한 목원대학교의 테크노과학관 건축물 우수 유출 시설을 그대로 이용하였다. 우수관에 조정 밸브 등을 설치하고 간이 집수조 인입부에 여과 장치, 시료채취구 등을 부착하는 간이 시스템을 Figure 1과 같이 2 Ton 규모 FRP 저장조 제품을 개조하여 실험에 사용하였다. 강우 개시 1시간 이후에 집수조로 채수하였다.
- 지하수 채취정의 설치는 과다한 예산 투입이 소요되므로 지양하고, 기존의 목원대학교 내에 설치된(저장조 용량 500 m3) 지하수 펌핑 시설을 활용하여 지하 120 m에서 용출시킨 지하수를 채취하여 분석하였다. Table 7은 지하수와 우수의 중금속 함유량을 분석한 결과이다.
이론/모형
- 0, 10, 100 mg/L 함유된 용액을 사용하여 1차적으로 측정 검량선을 작성하였다. 수질항목 분석방법은 수질공정시험법을 적용하여 분석하였다.
- 지형도상으로는 명확하게 토지용도의 구분이 되지 못하지만 환경영향평가 시에 산정된 용도를 기준하였고, 자연유역의 유출계수 산정은 한국수자원학회의 하천설계기준상의 기준[8]을 적용하였다.
성능/효과
- 1) 대전서남부지구의 개발 전 빗물 유출계수는 0.40이었으나 개발 후의 유출계수는 0.59로 산정되었다.
- 110일 이상 장기간 우수를 장기 저장할 때에 저장조 내에 집수된 우수 수질을 분석한 결과, 장기 저장하더라도 화장실 용수, 조경용수, 살수용수로는 적합한 것으로 확인하였다.
- 2) 필터를 통과한 우수의 Cu, As, Cr, Fe, Mn 등 중금속 함량은 지하수의 중금속 함량보다 양호하였으며, 집수된 빗물의 수질은 경도, 과망간산칼륨소비량, 염소이온, 증발잔류물, 황산이온, 질산성질소 등의 항목에서는 지하수의 수질보다 양호한 것을 보여 주었으며, 중수도 수질기준을 충족시키는 것으로 확인하였다.
- 3) 100일 이상 장기 저장 시에도 화장실 용수, 조경 용수 등으로 적합하며, 종전의 빗물집수 시스템에 덮개가 있는 홈통 설치, 적합한 필터 사용 및 저장조의 지하설치 등으로 시스템을 개선하면 집수되는 수질을 100일 정도 양호하게 유지할 수 있는 것을 확인하였다. 빗물을 화장실용수, 도심열섬 완화용수, 청소용수 등으로 활용하는 경우에는 수도법에서 규정하고 있는 중수도 수질기준 내에서 우수의 수질 기준을 설정하는 것이 바람직하다고 판단되었다.
- 4) 집수면을 유리와 같은 비다공성 재질로 선택하고, 양호한 상태 유지를 위한 덮개가 있는 홈통 설치, 적합한 필터의 사용 및 저장조의 지하설치 등을 적용하여 집수되는 빗물은 장기 저장하더라도 수질의 변화를 방지할 수 있다고 판단되었다.
- Geographic Information System 프로그램을 활용하여 대전지역의 토양중금속 함량을 조사한 결과[11]에 의하면, 지하수정이 위치한 대전 서구와 인접한 유성구 지역의 33개 시료의 평균값을 적용한 토양에서의 원소별 총 평균 함량은 Zn > Pb > Cu > Ni > As > Cd > Hg 순으로 높게 나타난 반면, 본 실험 지하수의 중금속 함량 분석 결과는 Cu > Zn > Fe > Al > Mn > Cr > Ni > As > Pb > Cd를 나타내고 있어, 토양의 성분은 지하 100 m 이하의 층과 토양 표토층의 중금속 함량은 본 실험결과에서는 상관성이 낮은 것으로 판단되었다.
- Table 7은 지하수와 우수의 중금속 함유량을 분석한 결과이다. Table 7에서 보는 바와 같이 필터를 통과한 우수의 Cu, As, Cr, Fe, Mn 등 중금속 함량은 지하수의 중금속 함량보다 양호하였으며, 집수된 빗물의 수질은 경도, 과망간산칼륨소비량, 염소이온, 증발잔류물, 황산이온, 질산성질소 등의 항목에서는 지하수의 수질보다 양호한 것을 보여 주었으며, 중수도 수질기준을 충족시키는 것으로 확인하였다. 단, Al, Pb, Zn 성분은 오히려 증가된 결과를 보이고 있는 바, 이는 대기질의 영향과 비산되어 퇴적된 이물질의 영향에 의한 것으로 판단되며, 집수장치의 배관, 여과망, 여과막, 저장조 등의 재질과도 연관성이 있으며 원인을 알 수 없는 요소로 인한 것으로 판단되었다.
- 계획 오수량은 가정오수, 영업오수, 공공오수를 모두 포함하는 생활오수와 지하수량을 감안하여 일 최대 오수량은 376 L/인·일으로 산정하고 있으며, 지하수량을 고려하여 29,954 m3/일로 산정하였다.
- 그러나 불순물의 정도를 측정할 수 있는 전기전도도는 감소되는 것으로 결과를 보여주고 있는 바, 최적의 장치를 설계하여, 여과망이나 필터를 적절히 사용하면, 불순물 제거가 용이하여 장기보관 시 우려되는 수질의 악화를 저감시킬 수 있는 것으로 판단되었으며, 집수된 빗물의 수질은 중수도 수질기준을 충족시키는 것으로 확인되었다.
- 그러나 불투수면의 증가로 표토층을 통하여 지하로 유입되는 지하수 형성은 절대적으로 감소할 것으로 예측되며, 포장재질에 따른 수투율의 상이로 인하여 지하수의 흐름의 형태는 바뀔 것으로 예측되었다.
- 그러나 집수과정에서 홈통유입부에 퇴적된 유기, 무기성 물질이 집수되는 우수로 혼입되었으며, 바람에 의해 비산된 또는 홈통유입부 시멘트 바닥에서 발생한 모래 등 무기성 이물질이 많아서 집수 여과막의 막힘 현상이 발생하는 등 설치 시스템의 문제점을 확인할 수 있었다.
- 미세한 세공에 유기물이 유입되며 미생물이 번식하게 된다. 따라서 집수면 표면은 매끄러운 비다공성 상태의 재질, 무기소재 중에서 유리와 같은 재질이 적합하다고 판단되었다.
- 따라서 집수면의 개량, 집수방법의 개선, 정밀한 필터의 적용 등 집수 및 저장 시스템을 개선한다면, 보다 양호한 우수를 집수하고, 장기 저장하여 화장실 용수, 조경용수, 청소용수, 살수용수 등으로 사용하여도 수질에는 적합한 결과를 도출할 것으로 판단되었다.
- 7%)이었다. 보행자 도로를 포함한 전체 도로 면적은 개발 지역 면적의 24.9% 차지하며, 공원, 완충녹지 등 자연녹지는 1,498,964 m2로 전체 면적의 24.8% 차지하였다.
- 빗물 수질이 지하수 수질보다 양호한 경과를 보였으며 암모니아성 질소 함량 등 몇 가지 항목을 제외하면 양호한 결과를 보였다. 빗물은 탁도가 지하수보다 다소 높게 나왔으며, 저장된 빗물에 톨루엔이 0.05 mg/L 함유된 것은 저장조 설치 시 일부 함유된 미량으로 판단하며 암모니아성 질소, 아연, 망간 등이 다소 높게 나온 것은 우수의 집수 단계에서 유입된 것으로 추정되어, 우수 집수 시스템을 개선한다면 가능한 더욱 양호한 수질확보가 가능할 것으로 판단하였다.
- 수소이온농도는 7.5 mg/L이었으며, 검출되지 아니할 것으로 판단한 염소이온농도가 0.4 mg/L로 분석되었다.
- 그러나 BOD의 경우는 채취시점에 따라서 다르게 나타났다. 실험 결과가 일관성이 없게 오차가 크게 나타나므로 채취시점별로 채취 방법에 문제가 있었던 것으로 판단하며, BOD 관련의 문제는 채취 시점에서 유기성물질의 유입을 차단시키는 시스템을 적용할 경우 제어가 가능한 것으로 확인되었다.
- 우수의 집수과정에서 유입되는 유기물질 등 오염원의 영향으로 우수의 장기 보관에 따른 수질에 대한 문제점이 야기되므로, 근원적으로 집수시스템 초기에 오염원의 차단으로 1차적인 해결이 가능하다고 판단되었다.
- 유기성물질의 근본적인 차단은 종전의 개방형 홈통유입부를 덮개가 있는 홈통유입장치를 도입하면 가능하다고 판단하였으며, 이와 같은 방법도 서남부지구의 아파트, 단독주택, 공동주택, 공공기관의 건물 등에 적용하면 보다 양호한 수질의 확보가 가능할 것으로 판단되었다.
- 이와는 별도로 지붕위의 홈통 바닥을 청소한 후에 집수 홈통을 통하고 필터를 적용하여 집수한 결과, BOD 함량을 0.5 mg/L 이하로, COD를 2.0 mg/L 이하 수준으로 낮추고, TSS를 3.5 mg/L 이하로 저감시킬 수 있었다.
- 일반세균의 균수가 시일이 경과함에 따라서 줄어드는 현상을 나타냈다. 하절기에 집수한 우수가 동절기로 전환해 가는 과정에서 집수된 우수에 세균의 성장에 필요한 미생물 성장 영양요소가 거의 존재하지 않기 때문에 사멸된 것으로 판단하며, 별도의 소독 공정을 거치지 않아도 화장실 용수 등 중수로 사용이 가능한 것으로 확인되었다.
- 저장 초기인 8월 22일에 집수한 우수의 수질을 분석한 결과, 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 크실렌 등 유기성 물질은 전혀 검출 되지 않았다. 그러나 납 성분이 0.
- 일반세균의 균수가 시일이 경과함에 따라서 줄어드는 현상을 나타냈다. 하절기에 집수한 우수가 동절기로 전환해 가는 과정에서 집수된 우수에 세균의 성장에 필요한 미생물 성장 영양요소가 거의 존재하지 않기 때문에 사멸된 것으로 판단하며, 별도의 소독 공정을 거치지 않아도 화장실 용수 등 중수로 사용이 가능한 것으로 확인되었다.
후속연구
- 이상과 같은 맥락에서 신도시 개발의 경우, 빗물의 활용으로 물순환 체계의 개선을 유도하고 도시 개발에 따른 물 환경 관련 문제의 해결을 도모할 필요가 대두되고 있으며, 기후변화대응 정책으로 에너지 절약 차원에서도 빗물의 활용은 필요하다고 판단된다. 온실가스 저감을 위한 기술 개발 및 연구가 국가차원에서의 과제로 그동안 꾸준하게 추진되어 오고 있다[7].
- 집수 과정에서 유기 및 무기물질이 퇴적하는 홈통 구조를 Figure 2와 같이 개선하고, 여과 시스템의 적용 등 좀 더 정밀한 시스템을 적용한다면, BOD, COD를 저감시킬 수 있으며, TSS, 탁도, 색도 등을 낮출 수 있을 것으로 확인되었다.
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