[논문]도시지역에 적용하기 위한 소규모 인공습지 Test-bed 시설 평가

강창국; 이소영; 조혜진; 이유화; 김이형

doi:10.17663/jwr.2011.13.3.455

도시지역에 적용하기 위한 소규모 인공습지 Test-bed 시설 평가
Test-bed evaluation of developed small constructed wetland for using in urban areas 원문보기

한국습지학회지 = Journal of wetlands research, v.13 no.3, 2011년, pp.455 - 463

강창국 (공주대학교 건설환경공학부) , 이소영 (공주대학교 건설환경공학부) , 조혜진 (한국건설기술연구원 도로연구실) , 이유화 (한국건설기술연구원 도로연구실) , 김이형 (공주대학교 건설환경공학부)

초록
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기존의 건설기술 대부분은 주변 환경을 고려하지 않은 채 개발 적용되어 왔으며, 이는 일부 시설을 혐오시설로 받아들이는 지역주민들과의 마찰, 불투수층의 증가로 인한 도시내 환경수리학적문제 등과 같은 다양한 문제점을 야기하고 있다. 이와 더불어, 국내 강우유출수 관리에 대한 관심과 인식이 높아지면서 도시의 경제적인 측면뿐만 아니라 심미적인 측면, 환경적인 측면 등을 동시에 고려한 지속가능한 개발 및 친환경 건설기술이 요구되고 있다. LID(Low Impact Development)는 기존의 수리학적 기능을 최대한 유지하면서 강우시 발생되는 비점오염물질을 효율적으로 관리하는 기술로 국내외적으로 이에 대한 연구와 기술개발이 지속적으로 이루어지고 있다. 본 연구는 도시지역(도로, 주차장 등)에 적용하기 위한 소규모 인공습지 기술을 개발하고자, Test-bed 시설 설치 및 모니터링을 실시하였다. SCW-1의 경우, TSS 65.9%, $COD_{Cr}$ 52.9%, TN 45.6%, TP 55.4%, Total Fe 67.2%, Total Pb 50.4%의 평균저감효율을 보이는 것으로 나타났으며, SCW-2는 TSS 82.4%, $COD_{Cr}$ 61.9%, TN 51.4%, TP 48.2%, Total Fe 73.8%, Total Pb 41.9%로 나타나, 도시지역의 주된 비점오염물질인 입자상물질과 중금속물질의 저감효과가 비교적 뛰어난 것으로 분석되었다. 본 연구결과는 소규모 인공습지가 향후 도시내 효율적인 물순환 시스템을 구축하고, 수생태계 보전에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Conventional construction technologies have been continually applied without consideration of its impact to the environment. This resulted to various problems including the negative responses of local citizens that regarded some constructed facilities as aversive facilities causing environmental and hydraulic problems in the urban area, etc. To prevent these problems, therefore, alternative methods should be undertaken. A new approach termed "Low Impact Development (LID)" technology is currently adapted in developed countries around the world. This study aims to investigate the efficiency of the developed small constructed wetland (SCW) with horizontal subsurface flow as a LID technique applicable in urban areas. Two test-bed facilities were constructed and monitoring had been conducted between July 2010 and June 2011. Based on the findings, the removal efficiencies achieved for TSS, $COD_{Cr}$, TN, TP, Total Fe, Total Pb for the SCW-1 were 66, 53, 46, 55, 67 and 50%, respectively. On the other hand, the SCW-2 attained 82, 62, 51, 48, 74 and 42% efficiency for TSS, $COD_{Cr}$, TN, TP, Total Fe, Total Pb, respectively. The results indicated that the removal of particulate matter and heavy metals which are considered as main pollutants from stormwater runoff in urban areas was satisfactory in the system. Therefore, the test-beds proved to be appropriate for the treatment of pollutants in urban landuses such as road, parking lot, etc. The results of this study can contribute to the conservation of aquatic ecosystems and restoration of natural water cycle in the urban areas.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 도시 및 도로가의 자연적인 물순환 구축 및 비점오염물질 저감을 위한 소규모 인공습지를 개발하고자, Test-bed 시설에 대한 모니터링을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
따라서 강우 시 발생된 비점오염물질을 처리함과 동시에 설계용량을 넘어서는 유량에 대해서 신속한 배수가 가능하게 만드는 기술개발이 필요하다. 본 연구에서는 도시 및 도로가에 존재하는 조경공간을 활용하여 개발 후 발생되는 환경수리학적 문제점을 해결하기 위한 소규모 인공습지 기술을 개발하고자 Test-bed 시설을 설치하여 모니터링을 수행하였으며, 모니터링 결과를 토대로 기술평가 및 시설의 적용가능성을 살펴보았다.

제안 방법

Fig. 2(a)는 Test-bed 시설의 설치 지점을 보여주고 있으며, 강우시 발생되는 비점오염물질을 처리하기 위하여차량의 통행이 빈번한 도로 및 주차장의 주변조경공간을 활용하여 설치하였다. Test-bed 시설 설치 전, 강우유출수는 도로의 경사를 따라 유역면적 인근에 존재하는 우수맨홀을 통해 우수시스템으로 직유입되는 시스템이었으나, Test-bed 시설설치 후, Fig.
Test-bed 시설에 대한 모니터링 결과를 바탕으로 SCW-1과 SCW-2의 오염물질별 평균저감효율을 산정하였으며, Table 3은 산정 결과를 정리한 것이다. SCW-1의 경우, TSS 65.
또한 시설내 유체의 자연스러운 흐름을 유도하기 위한 경사를 길이방향으로 1∼2%정도 두었으며, 습지부 식생으로 창포를 식재하였다.
유역면적 내에서 발생되는 강우유출수에 대한 Test-bed 시설의 거동 및 수질정화능력을 평가하기 위하여 강우시 모니터링을 실시하였으며, 시료 채취는 강우유출수가 시설 내부로 유입되는 시간을 기준으로 0분, 5분, 10분, 15분, 30분, 1시간, 1시간 이후부터는 1시간 단위로 유입 및 유출부에서 수행되었다. 시설 모니터링에 의하여 채취된 시료는 실험실로 신속하게 운반되었으며 TSS, COD_Cr, TN, TP, Total Fe, Total Pb에 대하여 수질오염공정기준에 준하여 수질분석을 실시하였다(Maniquiz et al.
1). 침강지와 습지부 사이에 우드칩을 충진한 수직여재층을 두어 입자성 물질과 중금속의 저감능력 및 유지관리의 편의성을 도모하였으며, 집중호우시 발생할 수 있는 초과우수량을 신속하게 배제시키기 위하여 우측면에 길이방향으로 우회수로를 설치하였다. 또한 시설내 유체의 자연스러운 흐름을 유도하기 위한 경사를 길이방향으로 1∼2%정도 두었으며, 습지부 식생으로 창포를 식재하였다.

대상 데이터

소규모 인공습지는 HSSF(Horizontal Subsurface Flow) 형태로서, 기술의 적용성, 설치효과, 용이성 등을 평가하기 위하여 Test-bed 시설 SCW-1과 SCW-2를 제작하여 공주대학교 천안캠퍼스 교내에 설치하였다. 두 개의 시설을 설치한 이유는 서로 다른 HRT와 유역면적에서의 소규모 인공습지 적응성을 평가하기 위해서다.
또한 시설내 유체의 자연스러운 흐름을 유도하기 위한 경사를 길이방향으로 1∼2%정도 두었으며, 습지부 식생으로 창포를 식재하였다. 습지부 식재 가능한 식물군으로는 갈대, 억새, 애기부들, 창포 등이 있으나, 조경공간의 의미를 고려하고 건기시에도 충분히 자생할 수 있는 식물군이 조성되어야 하기에 창포를 선정하였다.
이와 같은 기능을 장기간 지속시키고 시설을 효율적으로 관리하기 위하여, 간편하고 신속한 여재교체가 가능하도록 여재 Pack을 적용하였으며, 정기적인 퇴적물 및 협잡물 제거작업이 필요하다고 판단된다. 현재까지 2010년 12월(SCW-1)과 2011년 2월(SCW-2)에 퇴적물 제거 및 여재교체 작업을 실시하였으며, Fig. 4는 2010년 12월에 수행된 SWC-1에서의 여재교체 모습을 보여준다. 본 Test-bed의 경우, 침강지와 수직카트리지에 대한 여재교체 시기를 연 2회로하여 시설에 대한 유지관리를 지속적으로 실시할 예정이며, 이는 시설의 성능 및 수명연장에 크게 기여할 것으로 보여진다.

이론/모형

유역면적 내에서 발생되는 강우유출수에 대한 Test-bed 시설의 거동 및 수질정화능력을 평가하기 위하여 강우시 모니터링을 실시하였으며, 시료 채취는 강우유출수가 시설 내부로 유입되는 시간을 기준으로 0분, 5분, 10분, 15분, 30분, 1시간, 1시간 이후부터는 1시간 단위로 유입 및 유출부에서 수행되었다. 시설 모니터링에 의하여 채취된 시료는 실험실로 신속하게 운반되었으며 TSS, COD_Cr, TN, TP, Total Fe, Total Pb에 대하여 수질오염공정기준에 준하여 수질분석을 실시하였다(Maniquiz et al., 2010).

성능/효과

1. 유입 및 유출수내 대부분의 오염물질은 초반에 비교적 높은 농도값을 보이는 것으로 나타났으며, 시간이 경과함에 따라 농도가 서서히 감소한 후, 일정한 농도범위를 보이며 유입 및 유출되는 경향을 보였다. 본 연구지점은 포장지역의 대표적인 유출특성인 초기강우현상을 보이는 것으로 나타났으며, 도로 및 주차장에 대한 Test-bed 시설의성능평가를 위한 적절한 위치선정이 이루어졌다고 판단된다.
2. Test-bed 시설의 저감효율 산정결과, 대부분의 오염물질은 50%이상의 높은 평균저감효율을 보이는 것으로 나타났으며, 특히 TSS와 Total Fe에 대한 평균저감효율이 다른 오염물질에 비해 높게 나타나 포장지역의 주된 비점오염물질인 입자성물질과 중금속물질에 대한 저감효과가 뛰어난 것으로 나타났다. 또한 SCW-1에 비해 SCW-2가 비교적 높은 저감효율을 보이는 것으로 나타났는데, 이는 SCW-2가 SCW-1에 비해 유역면적이 적어 비교적 안정적으로 유입수가 유입되었을 뿐만 아니라, 시설용량에 따른 체류시간의 차이가 복합적으로 영향을 미친 것으로 보여진다.
Test-bed 시설에 대한 모니터링 결과를 바탕으로 SCW-1과 SCW-2의 오염물질별 평균저감효율을 산정하였으며, Table 3은 산정 결과를 정리한 것이다. SCW-1의 경우, TSS 65.9%, COD_Cr52.9%, TN 45.6%, TP 55.4%, Total Fe 67.2%, Total Pb 50.4%의 평균저감효율을 보이는 것으로 나타났으며, SCW-2의 경우, TSS 82.4%, COD_Cr 61.9%, TN 51.4%, TP 48.2%, Total Fe 73.8%, Total Pb 41.9%의 평균저감효율을 나타내는 것으로 분석되어 대부분의 오염물질은 50%이상의 높은 평균저감효율을 보이는 것으로 나타났다. 특히 TSS와 Total Fe에 대한 평균저감효율이 다른 오염물질에 비해 높게 나타나, 소규모 인공습지 조성 기술이 포장지역에서 발생되는 주요 비점오염물질(입자성물질, 중금속물질)을 처리함에 있어서 효과적임을 보여준다.
개발 전 강우 시에 발생된 강우유출수는 주변의 식생, 나무, 농작물 등에 의한 유속 저하 및 저류 현상, 토양에 의한 여과 및 침투 과정에 의해 오염물질 중 일부분이 제거된 이 후 수계 내에서 처리가능한 적정양이 수계로 유입되어 왔다. 그러나 개발 후 도시 내의 불투수율의 증가는 침투, 증발산, 여과, 저류 등과 같은 자연적인 물 순환 시스템의 왜곡을 야기했으며, 첨두유량의 증가, 도달 시간 및 오염부하량에도 큰 변화를 초래하였다. 개발로 인한 불투수면의 증가는 짧은 시간동안 많은 양의 물을 발생시켜 도시내 침수 및 하천 범람을 유발하며 하천 수로의 침식 및 확대, 침전물의 퇴적, 제방의 침식, 수생태 동물의 서식지 훼손 등 인간과 자연 환경에 커다란 영향을 미친다.
농도곡선은 입자성 물질(TSS), 유기물질(COD_Cr), 영양염류(TN, TP), 중금속(Total Fe, Total Pb)에 대한 유입 및 유출 특성을 보여주고 있으며, 가로축은 강우지속시간, 세로축은 오염물질의 농도, 유입 및 유출량을 나타낸다. 농도곡선에서 보여주듯이, 유입 및 유출수내 대부분의 오염물질은 초반에 비교적 높은 농도값을 보이는 것으로 나타났으며, 시간이 경과함에 따라 농도가 서서히 감소한 후, 일정한 농도범위를 보이며 유입 및 유출되었으며, 유입 및 유출량 또한 이러한 경향을 보이는 것으로 분석되었다. 도로 및 주차장 등과 같은 포장지역에서 유출되는 비점오염물질의 가장 큰 특징은 초기강우현상이며, 이러한 초기강우가 끝나고 난 이후에는 유출수내 오염물질의 농도는 급격하게 감소하는 경향을 보인다(Bertrand-Krajewski et al.
Test-bed 시설의 저감효율 산정결과, 대부분의 오염물질은 50%이상의 높은 평균저감효율을 보이는 것으로 나타났으며, 특히 TSS와 Total Fe에 대한 평균저감효율이 다른 오염물질에 비해 높게 나타나 포장지역의 주된 비점오염물질인 입자성물질과 중금속물질에 대한 저감효과가 뛰어난 것으로 나타났다. 또한 SCW-1에 비해 SCW-2가 비교적 높은 저감효율을 보이는 것으로 나타났는데, 이는 SCW-2가 SCW-1에 비해 유역면적이 적어 비교적 안정적으로 유입수가 유입되었을 뿐만 아니라, 시설용량에 따른 체류시간의 차이가 복합적으로 영향을 미친 것으로 보여진다.
하지만 VF(Vertical Flow)와 HSSF를 결합한 Hybrid 인공습지라는 점과 유입농도 및 부하량 등에서 본 연구와 차이를 보이고 있어 보다 확실한 비교를 위해서는 향후 다양한 종류의 실험 및 모니터링을 추가적으로 수행할 필요가 있을 것으로 판단된다. 또한 SCW-1에 비해 SCW-2가 비교적 높은 저감효율을 보이는 것으로 나타났는데, 이는 SCW-2가 SCW-1에 비해 유역면적이 적어 비교적 안정적으로 유입수가 유입되었을 뿐만 아니라, 시설의 길이 또한 길어 오염물질들이 시설내 비교적 오랜 시간동안 체류한 결과로 보여진다. SCW-1의 2010년 8월 20일 강우사상의 경우 짧은 시간안에 매우 큰 강우가 발생하여 평균강우강도가 매우 높아 오염물질의 희석현상이 두드러져 오염물질 저감효율이 크게 감소하는 것처럼 나타났지만 이는 낮은 농도로 인한 영향이다.
유입 및 유출수내 대부분의 오염물질은 초반에 비교적 높은 농도값을 보이는 것으로 나타났으며, 시간이 경과함에 따라 농도가 서서히 감소한 후, 일정한 농도범위를 보이며 유입 및 유출되는 경향을 보였다. 본 연구지점은 포장지역의 대표적인 유출특성인 초기강우현상을 보이는 것으로 나타났으며, 도로 및 주차장에 대한 Test-bed 시설의성능평가를 위한 적절한 위치선정이 이루어졌다고 판단된다.
, 1998). 수리수문농도곡선 분석 결과, 본 연구지점 또한 포장지역의 대표적인 유출특성인 초기강우현상을 보이는 것으로 나타났으며, 도로 및 주차장에 대한 Test-bed 시설의 성능평가를 위한 적절한 위치선정이 이루어졌다고 판단된다.
9%의 평균저감효율을 나타내는 것으로 분석되어 대부분의 오염물질은 50%이상의 높은 평균저감효율을 보이는 것으로 나타났다. 특히 TSS와 Total Fe에 대한 평균저감효율이 다른 오염물질에 비해 높게 나타나, 소규모 인공습지 조성 기술이 포장지역에서 발생되는 주요 비점오염물질(입자성물질, 중금속물질)을 처리함에 있어서 효과적임을 보여준다. Herrera Melian 등 (2010)의 연구결과를 살펴보면, TSS와 COD에 대한 저감효율이 각각 75%, 40%로서, 본 연구결과와 비슷하거나 약간 못 미치는 것으로 나타났다.

후속연구

3. 시설에 대한 퇴적물 제거 및 여재교체작업을 실시한 결과, 침강부에 대하여 연 2회정도 실시할 경우, 시설의 성능저하를 최소화하면서 수명 또한 연장이 가능할 것으로 판단되나, 여재교체에 대한 객관적 판단지표에 대해서는 충분한 연구가 필요하다.
4는 2010년 12월에 수행된 SWC-1에서의 여재교체 모습을 보여준다. 본 Test-bed의 경우, 침강지와 수직카트리지에 대한 여재교체 시기를 연 2회로하여 시설에 대한 유지관리를 지속적으로 실시할 예정이며, 이는 시설의 성능 및 수명연장에 크게 기여할 것으로 보여진다.
Herrera Melian 등 (2010)의 연구결과를 살펴보면, TSS와 COD에 대한 저감효율이 각각 75%, 40%로서, 본 연구결과와 비슷하거나 약간 못 미치는 것으로 나타났다. 하지만 VF(Vertical Flow)와 HSSF를 결합한 Hybrid 인공습지라는 점과 유입농도 및 부하량 등에서 본 연구와 차이를 보이고 있어 보다 확실한 비교를 위해서는 향후 다양한 종류의 실험 및 모니터링을 추가적으로 수행할 필요가 있을 것으로 판단된다. 또한 SCW-1에 비해 SCW-2가 비교적 높은 저감효율을 보이는 것으로 나타났는데, 이는 SCW-2가 SCW-1에 비해 유역면적이 적어 비교적 안정적으로 유입수가 유입되었을 뿐만 아니라, 시설의 길이 또한 길어 오염물질들이 시설내 비교적 오랜 시간동안 체류한 결과로 보여진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	강우시 발생한 강우유출수는 무엇을 초래하는가?	도시화가 진행될수록 건물의 옥상 및 교통관련 시설물은 증가하는 반면 식생공간은 감소하여 도시내 불투수면이 증가한다. 결국 강우시 발생한 강우유출수는 불투수면을 통해 빠르게 이동되기 때문에 증발산량, 침투량은 감소하고 유출량의 증가를 초래하게 된다(U.S.
	개발로 인한 불투수면의 증가는 어디에 영향을 미치는가?	그러나 개발 후 도시 내의 불투수율의 증가는 침투, 증발산, 여과, 저류 등과 같은 자연적인 물 순환 시스템의 왜곡을 야기했으며, 첨두유량의 증가, 도달 시간 및 오염부하량에도 큰 변화를 초래하였다. 개발로 인한 불투수면의 증가는 짧은 시간동안 많은 양의 물을 발생시켜 도시내 침수 및 하천 범람을 유발하며 하천 수로의 침식 및 확대, 침전물의 퇴적, 제방의 침식, 수생태 동물의 서식지 훼손 등 인간과 자연 환경에 커다란 영향을 미친다. 결국 도시 및 도심 내 하천은 수질 문제 뿐만 아니라 홍수, 건천화, 수생태계 질의 저하 등다양한 형태의 수환경 문제에 직면하게 된다(최지용, 2004).
	HSSF(Horizontal Subsurface Flow) 형태로서 용이성 등을 평가하기 위해 두개를 설치하는 이뉴는?	소규모 인공습지는 HSSF(Horizontal Subsurface Flow) 형태로서, 기술의 적용성, 설치효과, 용이성 등을 평가하기 위하여 Test-bed 시설 SCW-1과 SCW-2를 제작하여 공주대학교 천안캠퍼스 교내에 설치하였다. 두 개의 시설을 설치한 이유는 서로 다른 HRT와 유역면적에서의 소규모 인공습지 적응성을 평가하기 위해서다. 시설의 규모는 설계강우량을 5mm로 하여 비점오염관리 업무편람(2006, 환경부a)의 자연형 시설의 용량 산정식인 식(1)을 적용하여 산정하였으며, Table 1은 각각의 시설에 대한 제원을 정리한 것이다.

참고문헌 (13)

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원문보기 상세보기
강성원, 김석구, 김영임, 윤상린, 김소정, 도시지역 불투수면의 오염물질 유출특성 평가, 대한환경공학회 2005 추계학술연구발표회 논문집, pp. 813-818, 2005.
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Wu, J. S., Allan, C. J., Saunders, W. L. and Evett, J. B., Characterization and Pollutant Loading Estimation for Highway Runoff, J. of Environmental Engineering, 124(7), pp. 584-592, 1998.

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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