도시 물 순환 건전성을 위한 유수지와 침투기반 저류지의 복합설계기법 An Hybrid Approach for Designing Detention and Infiltration-based Retentions to Promote Sound Urban Hydrologic Cycle원문보기
본 연구는 도시환경개선계획의 일환으로서 강우유출수 제어설비의 크기 결정과 관련된 복합 설계기법을 제안하고 있다. 제안된 복합설계기법의 목적은 도시 개발이전의 수문순환상태를 복원시키는 것에 있다. 먼저, 연속적인 강우기록으로부터 개개의 강우사상을 분리하기 위해 IETD를 결정한다. 그 다음에 NRCS-CN 방법을 적용하여 모든 강우사상에 대한 직접유출량과 침투량을 산정한다. 직접유출량과 침투량의 장기간 통계치는 개발이전, 개발이후, 개발이후 유수지 설계, 그리고 개발이후 제안된 복합설계의 경우에 대하여 각각 분석된다. 개발이전의 직접유출량과 침투량을 재현하기 위해서 유전자 알고리즘을 적용하여 유수지 및 침투기반 저류지의 크기가 산정된다. 제안된 복합설계기법은 자연 상태의 직접유출량과 침투량의 통계치를 재현하는데 매우 효과적인 것이 보여진다.
본 연구는 도시환경개선계획의 일환으로서 강우유출수 제어설비의 크기 결정과 관련된 복합 설계기법을 제안하고 있다. 제안된 복합설계기법의 목적은 도시 개발이전의 수문순환상태를 복원시키는 것에 있다. 먼저, 연속적인 강우기록으로부터 개개의 강우사상을 분리하기 위해 IETD를 결정한다. 그 다음에 NRCS-CN 방법을 적용하여 모든 강우사상에 대한 직접유출량과 침투량을 산정한다. 직접유출량과 침투량의 장기간 통계치는 개발이전, 개발이후, 개발이후 유수지 설계, 그리고 개발이후 제안된 복합설계의 경우에 대하여 각각 분석된다. 개발이전의 직접유출량과 침투량을 재현하기 위해서 유전자 알고리즘을 적용하여 유수지 및 침투기반 저류지의 크기가 산정된다. 제안된 복합설계기법은 자연 상태의 직접유출량과 침투량의 통계치를 재현하는데 매우 효과적인 것이 보여진다.
This article proposes a hybrid approach involved in determining the size of stormwater control facilities as part of a very large scale urban retrofit project. The objective of the proposed hybrid approach is to restore the pre-development hydrologic cycle. Firstly, an appropriate IETD is determined...
This article proposes a hybrid approach involved in determining the size of stormwater control facilities as part of a very large scale urban retrofit project. The objective of the proposed hybrid approach is to restore the pre-development hydrologic cycle. Firstly, an appropriate IETD is determined to isolate single storm events from the continuous rainfall record. Then, using the NRCS-CN method, direct runoff and infiltration volume are computed for every storm events. Long-term statistics of direct runoff and infiltration volume are analyzed in each case of pre-development, post development, post development with detention only, and post-development with the proposed hybrid approach. In order to preserve long-term statistics of direct runoff and infiltration volume in the case of pre-development, the size of detention and infiltration-based retention are estimated using the genetic algorithm. The result shows that the proposed hybrid approach is very useful for restoring statistics of natural direct runoff and infiltration volume.
This article proposes a hybrid approach involved in determining the size of stormwater control facilities as part of a very large scale urban retrofit project. The objective of the proposed hybrid approach is to restore the pre-development hydrologic cycle. Firstly, an appropriate IETD is determined to isolate single storm events from the continuous rainfall record. Then, using the NRCS-CN method, direct runoff and infiltration volume are computed for every storm events. Long-term statistics of direct runoff and infiltration volume are analyzed in each case of pre-development, post development, post development with detention only, and post-development with the proposed hybrid approach. In order to preserve long-term statistics of direct runoff and infiltration volume in the case of pre-development, the size of detention and infiltration-based retention are estimated using the genetic algorithm. The result shows that the proposed hybrid approach is very useful for restoring statistics of natural direct runoff and infiltration volume.
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문제 정의
12) 본 연구에서는 이들 방법 중 전문가적 지식 없이도 비교적 객관적으로 IETD를 결정할 수 있는 방법인 변동계수 분석법을 통하여 IETD를 산정하고자 하였다. 변동계수 Cv는 자료의 표준편차를 평균으로 나눈 값을 의미한다.
본 연구에서는 개발이후의 수문순환상태를 수문성분 구성비의 복원을 통해 개발이전의 수문순환상태로 복원하기 위한 방안으로 유수지와 침투기반 저류지의 복합설계기법을 제안하였다. 이를 위하여 개발이전 및 이후의 연간 직접 유출량 및 침투량을 주요 복원 수문성분으로 선택하였다.
본 연구에서는 유수지 설계가 목적이 아니므로, 비교적 간략한 방법을 통하여 유수지를 설계하도록 하였다. 즉, 24 시간 지속시간을 갖는 재현기간 2년에 해당하는 강수량을 설계 강수량으로 결정한 후, 이러한 강수량에 대하여 개발 이전과 개발이후의 지표면 유출량을 일치시키기 위한 유수지를 설계하였다.
이에 관한 여러 가지 토론이 있을 수 있겠으나, 자연 상태의 수문성분 구성비의 복원을 통해 자연 상태의 수문순환상태의 복원하는 것이 그 중 하나가 될 수 있을 것이다. 이에 본 연구에서는 개발이전 및 이후의 연간 직접 유출량 및 침투량을 평가해 보고자 하였다. 강우-유출 모형으로는 NRCS-CN 방법을 적용하였으며, 기존의 단일설계 호우사상에 의한 유수지 설계의 경우와 유수지-침투기반 저류지 복합설계의 경우를 비교함으로써 도시 개발이전의 수문성분과 개발이후의 수문성분을 일치시키기 위한 강우유출수 제어설비의 개략적인 크기를 결정할 수 있는 기법을 제공하고자 하였다.
가설 설정
fD는 전체배수분구면적에 대비 유수지가 설치된 면적의 비, DD는 실제 유수지의 깊이(mm)이다. 단, 이 경우 유수지에 집적된 강우유출수는 강우사상이 종료된 후에 방류되는 것으로 가정하였으며, 이는 강우에 따라 직접적으로 발생되는 유출이 아닌 것으로 간주하여 추후 직접 유출량의 연간 평균을 계산할 때 제외하였다. 그러나 유역 전체의 침투량의 경우 유수지 설치 유무와 전혀 관련이 없으므로 유수지가 없을 경우의 침투량 계산방법을 그대로 적용하여 연간 침투량을 산정하게 된다.
강우-유출 모형으로는 NRCS-CN 방법이 적용되었으며, 장기간의 강우사상에 대한 분석을 수행하기 위하여 IETD 개념을 도입하여 연속된 강우자료로부터 각각의 강우사상을 분리하여 적용하였다. 실제 적용을 위하여 기상청 부산지점 28년 연속 시간강우자료를 이용하였으며, 개발이전의 배수분구 CN값은 75, 개발이후 CN값은 85로 가정하여 분석을 수행하였다. 개발이전 및 개발이후, 그리고 개발이후 유역출구에 유수지를 단독으로 설계한 경우와 유역전반에 침투기반 저류지를 분산 설치하여 유역출구에 유수지를 설계한 경우(복합설계)를 비교 분석함으로서 제안된 기법의 적절성을 평가하였다.
개발이전 및 이후의 평균 CN값을 결정하기 위해서 온천천 지역 면적에서 산림지역의 영향을 최소화하고 도심지가 밀집된 고도 250 m 이하 배수분구를 통해 1975~2000년까지 5년 단위로 평균 CN값을 산정하였으며 이때 1975년과 2000년의 평균 CN값이 77, 84로 각각 산정되었다. 이를 근거로 대상 배수분구의 개발이전의 CN 값은 75, 개발이후의 CN값은 85로 가정하여 이후 분석을 수행하였다. Fig.
제안 방법
이에 본 연구에서는 개발이전 및 이후의 연간 직접 유출량 및 침투량을 평가해 보고자 하였다. 강우-유출 모형으로는 NRCS-CN 방법을 적용하였으며, 기존의 단일설계 호우사상에 의한 유수지 설계의 경우와 유수지-침투기반 저류지 복합설계의 경우를 비교함으로써 도시 개발이전의 수문성분과 개발이후의 수문성분을 일치시키기 위한 강우유출수 제어설비의 개략적인 크기를 결정할 수 있는 기법을 제공하고자 하였다.
실제 적용을 위하여 기상청 부산지점 28년 연속 시간강우자료를 이용하였으며, 개발이전의 배수분구 CN값은 75, 개발이후 CN값은 85로 가정하여 분석을 수행하였다. 개발이전 및 개발이후, 그리고 개발이후 유역출구에 유수지를 단독으로 설계한 경우와 유역전반에 침투기반 저류지를 분산 설치하여 유역출구에 유수지를 설계한 경우(복합설계)를 비교 분석함으로서 제안된 기법의 적절성을 평가하였다. 복합설계의 경우 침투기반 저류지의 면적비 최대값을 10%, 20%, 30%, 40%로 변경하여 설계하였다.
본 연구에서는 IETD를 결정하기 위하여 변동계수 분석법을 이용하였다. 기상청 부산지점의 1981년부터 2008년까지 28년간 시간 강우량을 대상으로 IETD를 1시간부터 2시간, 3시간 점점 늘려가면서 강우사상을 분리한 후, IETD별 무강우시간의 평균과 표준편차를 각각 계산하였다. 그 결과 Fig.
기존의 단일설계호우사상에 기초한 방법인 유수지(detention)만을 설계할 경우에 대한 유출 분석을 우선 수행하였다. 유수지가 감당해야할 설계 유출량을 결정하기 위해서는 먼저 단일설계호우사상을 분석해야 한다.
8Spost)가 RD,eff보다 큰경우에는 침투기반 저류지의 용량을 모두 채우게 되며, 그렇지 못한 경우에는 침투기반 저류지의 일부가 채워지게 되고 이 경우 유출은 발생하지 않게 된다. 무강우기간 동안에 침투기반 저류지 내의 물은 침투 및 증발산 과정을 통하여 점차 감소되는데, 본 연구의 경우 일정 손실율 개념으로 이를 모의하였다.
변동계수 Cv는 자료의 표준편차를 평균으로 나눈 값을 의미한다. 무강우시간의 확률분포는 대략적으로 지수분포를 따른다는 사실에 착안하여, 본 연구에서는 무강우시간들의 평균과 표준편차가 같아지는 시점, 즉 IETD를 변경시켜가면서 무강우시간의 변동계수가 1이 되는 결과를 주는 IETD를 찾아나가는 방법을 취하였다.
개발이전 및 개발이후, 그리고 개발이후 유역출구에 유수지를 단독으로 설계한 경우와 유역전반에 침투기반 저류지를 분산 설치하여 유역출구에 유수지를 설계한 경우(복합설계)를 비교 분석함으로서 제안된 기법의 적절성을 평가하였다. 복합설계의 경우 침투기반 저류지의 면적비 최대값을 10%, 20%, 30%, 40%로 변경하여 설계하였다. 이때 최적 설계값은 유전자 알고리즘을 이용하여 도출하였다.
6을 얻을 수 있다. 본 연구에서는 Fig. 6에서 두 번째로 작은 강수량을 지속시간 24시간 재현기간 2년에 해당하는 설계강수량으로 간주하여 이후 분석을 수행하였다. 참고로 보다 정확히 설계호우사상을 결정하려면 빈도해석 또는 IDF 분석 등과 같은 보다 복잡한 절차가 요구됨을 밝혀둔다.
본 연구에서는 침투기반 저류지와 유수지의 복합 설계기 법의 주요 설계인자인 저류지 설치면적비율(f), 저류지의 깊이(RD), 유수지 설치면적비율(fD), 유수지의 깊이(DD)를 산정하는데 유전자 알고리즘을 적용하였다. 이때 저류지 설치면적비율(f), 저류지의 깊이(RD), 유수지 설치면적비율 (fD), 유수지의 깊이(DD)는 다음과 같은 경계조건을 가진다.
이에 덧붙여서 보다 우수한 수문순환상태의 재현을 위하여 강우사상 당 지표면 유출량과 침투량의 표준편차 또한 개발이전과 이후를 일치시키도록 최적화 프로그램(유전자 알고리즘)을 구현하였다. 이 때 RD는 0~150 mm, fD는 0~0.05, DD는 0~275 mm로 그 범위를 제한하였으며, f의 최대 가능값 fmax를 10%, 20%, 30%, 40%로 변경시켜가면서 최적 해를 찾는 과정을 반복하였다. f 값의 적용 가능 범위를 변경시켜가면서 분석한 이유는 침투기반 저류지의 경우 단순히 하나의 생태저류지가 될 수도 있고, 아니면 침투 트렌치, 옥상녹화, 식생수로 등과 같은 다양한 분산형 강우유출수 제어설비가 될 수도 있기 때문이다.
0 mm임을 확인할 수 있다. 이러한 설계강우량을 대상으로 개발이전과 이후의 지표면 유출량이 같아지도록 유수지를 설계하였다. 유수지의 실제 용량은 fD·A·DD로서, 여기서 A는 배수분구의 면적이다.
본 연구에서는 개발이후의 수문순환상태를 수문성분 구성비의 복원을 통해 개발이전의 수문순환상태로 복원하기 위한 방안으로 유수지와 침투기반 저류지의 복합설계기법을 제안하였다. 이를 위하여 개발이전 및 이후의 연간 직접 유출량 및 침투량을 주요 복원 수문성분으로 선택하였다. 강우-유출 모형으로는 NRCS-CN 방법이 적용되었으며, 장기간의 강우사상에 대한 분석을 수행하기 위하여 IETD 개념을 도입하여 연속된 강우자료로부터 각각의 강우사상을 분리하여 적용하였다.
와 같은 매개변수들이 개발이전의 연간 유출량과 침투량의 평균을 모두 재현하는 방향으로 최적화하여 설계된다. 이에 덧붙여서 보다 우수한 수문순환상태의 재현을 위하여 강우사상 당 지표면 유출량과 침투량의 표준편차 또한 개발이전과 이후를 일치시키도록 최적화 프로그램(유전자 알고리즘)을 구현하였다. 이 때 RD는 0~150 mm, fD는 0~0.
3에 도시한 바와 같이 IETD가 증가할수록 무강수시간이 변동계수가 점점 1에 수렴함을 살펴볼 수 있었으며, 최종적으로 ITED = 24시간일 때, 거의 1에 가까운 변동계수 값을 얻을 수 있었다. 이에 따라 부산지점 강우자료의 IETD를 24시간으로 설정하여 각각의 강우사상을 분리하여 이후 분석을 수행하였다.
본 연구에서는 유수지 설계가 목적이 아니므로, 비교적 간략한 방법을 통하여 유수지를 설계하도록 하였다. 즉, 24 시간 지속시간을 갖는 재현기간 2년에 해당하는 강수량을 설계 강수량으로 결정한 후, 이러한 강수량에 대하여 개발 이전과 개발이후의 지표면 유출량을 일치시키기 위한 유수지를 설계하였다. 먼저 28년간의 시간강우자료에서 매년 24 시간 지속 강수량 중 최대 강수량 시계열을 추출하여 크기 순으로 나열하면 Fig.
이론/모형
이를 위하여 개발이전 및 이후의 연간 직접 유출량 및 침투량을 주요 복원 수문성분으로 선택하였다. 강우-유출 모형으로는 NRCS-CN 방법이 적용되었으며, 장기간의 강우사상에 대한 분석을 수행하기 위하여 IETD 개념을 도입하여 연속된 강우자료로부터 각각의 강우사상을 분리하여 적용하였다. 실제 적용을 위하여 기상청 부산지점 28년 연속 시간강우자료를 이용하였으며, 개발이전의 배수분구 CN값은 75, 개발이후 CN값은 85로 가정하여 분석을 수행하였다.
본 연구에서 유전자알고리즘은 Matlab 이용하여 적합도 함수값이 0에 수렴하는 방향으로 구현되었다. 이때 적합도 함수는 다음과 같다.
본 연구에서는 IETD를 결정하기 위하여 변동계수 분석법을 이용하였다. 기상청 부산지점의 1981년부터 2008년까지 28년간 시간 강우량을 대상으로 IETD를 1시간부터 2시간, 3시간 점점 늘려가면서 강우사상을 분리한 후, IETD별 무강우시간의 평균과 표준편차를 각각 계산하였다.
복합설계의 경우 침투기반 저류지의 면적비 최대값을 10%, 20%, 30%, 40%로 변경하여 설계하였다. 이때 최적 설계값은 유전자 알고리즘을 이용하여 도출하였다.
성능/효과
주로 홍수방어를 목적으로 개발된 이러한 설계호우사상에 따른 다양한 강우-유출 제어 관련 연구들은 당연히 도시화에 따른 홍수제어시스템에는 적절하게 적용될 수 있겠으나, 이를 직접적으로 평상시의 도시 물 순환 개선이라든가 비점오염원 관리 시스템에 적용하는 것에는 많은 무리가 따르게 된다.1) 이는 전체 강우사상 중에서 5% 미만의 강우사상만이 2년 빈도를 초과하며, 10년 빈도 강우량을 초과하는 경우는 1% 미만에 불과하다는 Guo and Urbonas의 연구만 보더라도 쉽게 짐작할 수 있다(Fig. 1).2)
fD와 DD의 최적 값도 유수지만을 설계하였을 경우보다 작은 값이 도출되어 바람직한 방향의 설계가 되었음을 확인할 수 있으며, fmax값이 증가할수록 유수지에 대한 의존도가 점점 낮아지는 경향을 보이고 있는 것도 살펴볼 수 있다. 연간 침투량의 경우 유수지만을 설계하였을 때보다 현저한 증가를 보이고 있어 개발이전의 수문순환상태를 복원시킬 가능성이 있음을 알 있다.
개발이전과 개발이후의 대상 배수분구의 연간 지표면 유출량과 침투량을 비교해 보면 연간 침투량은 개발이전에 996.5 mm/yr에서 개발이후 855.3 mm/yr로 141.2 mm/yr 감소한 것으로 계산되었으며, 이는 건기 시 하천유량 감소로 이어질 수 있음을 설명하고 있다. 반면에 연간 지표면 유출량은 개발이전에 197.
따라서 유수지의 깊이 DD가 추정해야할 설계 인자가 된다. 계산 결과 유수지의 깊이 DD가 275 mm일 경우에 개발이전과 이후의 지표면 유출량이 같아지는 것을 확인하였다. 개발이후에 DD = 275 mm, fD = 0.
기상청 부산지점의 1981년부터 2008년까지 28년간 시간 강우량을 대상으로 IETD를 1시간부터 2시간, 3시간 점점 늘려가면서 강우사상을 분리한 후, IETD별 무강우시간의 평균과 표준편차를 각각 계산하였다. 그 결과 Fig. 3에 도시한 바와 같이 IETD가 증가할수록 무강수시간이 변동계수가 점점 1에 수렴함을 살펴볼 수 있었으며, 최종적으로 ITED = 24시간일 때, 거의 1에 가까운 변동계수 값을 얻을 수 있었다. 이에 따라 부산지점 강우자료의 IETD를 24시간으로 설정하여 각각의 강우사상을 분리하여 이후 분석을 수행하였다.
분석결과 적절한 크기의 침투기반 저류지와 유수지가 동시에 설계될 경우 개발이후에도 개발이전의 연간 직접 유출량과 침투량을 잘 재현할 수 있었으며, 침투기반 저류지의 크기가 증가할수록 유수지에 대한 의존도가 점점 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 특히 유수지와 침투기반 저류지의 복합설계의 경우 강우사상별 수문성분의 평균값뿐만 아니라 침투량의 표준편차가 잘 재현됨을 확인하였다.
10은 개발이전, 개발이후, 유수지와 침투기반 저류지가 복합 설계된 개발이후에 대한 수문 성분의 연별 변화도를 보여주고 있다. 지표면 유출량의 경우 fmax값이 증가할수록 개발이전의 지표면 유출량을 잘 재현하고 있으며, 침투량의 경우에도 매우 우수한 일치도를 보이고 있음을 확인할 수 있다.
3 mm/yr). 지표면 유출량의 경우에도 단일한 설계호우사상에 대해서는 지표면 유출량을 일치시키도록 유수지가 설계되었으나, 장기간 연속 강우사상에 대한 분석 결과 개발 이전의 지표면 유출량보다 더 많은 유출량이 배출됨을 알 수 있다. 강우사상별 지표면 유출량 표준편차의 경우에도 유수지 설계 시 비록 다소 줄어들었다 할지라도 개발이전의 값보다 더 큰 표준편차를 보여주고 있으며, 이는 큰 강우사상이 발생할 때와 그렇지 않을 때의 유출량 편차가 개발이전보다 더 크게 벌어지고 있음을 의미한다.
추정된 매개변수를 토대로 하여 연속된 장기간 강우사상 들에 대한 유출분석을 실시한 결과 fmax에 상관없이 개발이 전의 연간 지표수 유출량을 아주 잘 재현되고 있다(Fig. 9).
분석결과 적절한 크기의 침투기반 저류지와 유수지가 동시에 설계될 경우 개발이후에도 개발이전의 연간 직접 유출량과 침투량을 잘 재현할 수 있었으며, 침투기반 저류지의 크기가 증가할수록 유수지에 대한 의존도가 점점 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 특히 유수지와 침투기반 저류지의 복합설계의 경우 강우사상별 수문성분의 평균값뿐만 아니라 침투량의 표준편차가 잘 재현됨을 확인하였다. 이 결과는 침투기반 저류지를 설치하면서 불투수층면적이 감소되며, 첨두유량제어, 개발이전의 도달시간 유지, 지하수 재충진 및 유출용적의 유지 등을 제어하는 LID 개념과 일치한다.
후속연구
개발이후에 침투기반 저류지를 도입하고, 부족할 경우 유수지를 추가하는 복합설계의 경우는 저류지 설치면적비율 f, 저류지의 깊이 RD, 유수지 설치면적비율 fD, 유수지의 깊이 DD와 같은 매개변수들이 개발이전의 연간 유출량과 침투량의 평균을 모두 재현하는 방향으로 최적화하여 설계된다. 이에 덧붙여서 보다 우수한 수문순환상태의 재현을 위하여 강우사상 당 지표면 유출량과 침투량의 표준편차 또한 개발이전과 이후를 일치시키도록 최적화 프로그램(유전자 알고리즘)을 구현하였다.
이 결과는 침투기반 저류지를 설치하면서 불투수층면적이 감소되며, 첨두유량제어, 개발이전의 도달시간 유지, 지하수 재충진 및 유출용적의 유지 등을 제어하는 LID 개념과 일치한다. 또한 침투기반 저류지의 설치면적 비율을 조절하면서 유출량을 제어할 수 있는 장점이 있기 때문에 도시하천의 수문순환상태 개선과 건천화 방지를 위한 정책과 이에 따른 비용측면에서 효율적인 설계를 할 수 있을 것으로 기대된다.
Table 4에 도출된 결과의 보다 상세한 수문성분 통계치를 수록하였다. 침투기반 저류지의 비중이 커질수록 개발이전의 침투량이 보다 잘 재현되고 있는 것을 살펴볼 수 있으며, 특히 강우사상별 침투량의 표준편차의 재현이 가능함에 따라서 개발에 따른 수문순환상태의 왜곡을 완화시켜 도시 하천의 건천화를 방지하는데 중요한 역할을 수행할 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
제안된 복합설계기법의 목적은 무엇인가?
본 연구는 도시환경개선계획의 일환으로서 강우유출수 제어설비의 크기 결정과 관련된 복합 설계기법을 제안하고 있다. 제안된 복합설계기법의 목적은 도시 개발이전의 수문순환상태를 복원시키는 것에 있다. 먼저, 연속적인 강우기록으로부터 개개의 강우사상을 분리하기 위해 IETD를 결정한다.
IETD를 결정하는 이유는 무엇인가?
제안된 복합설계기법의 목적은 도시 개발이전의 수문순환상태를 복원시키는 것에 있다. 먼저, 연속적인 강우기록으로부터 개개의 강우사상을 분리하기 위해 IETD를 결정한다. 그 다음에 NRCS-CN 방법을 적용하여 모든 강우사상에 대한 직접유출량과 침투량을 산정한다.
도시화에 따른 지형변화, 식생 및 토양의 변화, 불투수층 면적의 증가 등과 같은 유역의 수문학적 상태의 변화는 도시하천의 양적 질적 상태를 변경시키는데, 특히 주거지, 상업지 및 공업지의 개발 등에 따른 불투수층 면적의 증가는 무엇을 감속시키는가?
도시화에 따른 지형변화, 식생 및 토양의 변화, 불투수층 면적의 증가 등과 같은 유역의 수문학적 상태의 변화는 도시하천의 양적 질적 상태를 변경시킨다. 특히 주거지, 상업지 및 공업지의 개발 등에 따른 불투수층 면적의 증가는 유역의 지면보유량 및 침투량을 감소시켜 같은 기후상태에서도 보다 더 빈번한 지표면 유출을 발생시키게 되며, 건기 시도시하천의 건천화를 초래하게 한다. 지금까지의 도시화로 인한 수문순환의 변화에 대한 대응은 장기적이고 연속적인 접근법을 취하기보다는 설계호우사상의 개념을 적용하여 왔다.
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