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문제 정의
- 본 연구에서는 고속도로 노면 유입 및 유출수로 한정하여 비점오염원에 대한 저감을 최소화하기 위해 고속도로 현장의 특성별로 적용시험을 통해 효율성이 높은 저감시설을 선정하는 방안을 제시하고자 한다.
- 본 연구에서의 현장분류는 고속도로별로 분류하지 않고 대상 배수유역별 집수면적의 크기에 따라 현장분류를 하여 연구의 결과가 일률적으로 적용될 수 있도록 하였다. 대상배수유역은 강우시 고속도로에서 노면유출수가 발생되는 지역이며, 집수지역은 대상유역에서 발생된 노면유출수가 집수되어 저감시설을 설치할 수 있는 가용한 부지로 해석하였다.
제안 방법
- 현장별 적합한 저감시설 선정을 위해 5단계 평가 절차를 적용하였다. 1단계 대상배수유역 선정 평가 방법, 2단계 저감시설 부지선정 평가방법, 3단계 유지관리 용이성 평가 방법, 4단계 시설별 기술적 평가방법을 제시하였고, 5단계에서 저감시설을 최종 선정하여 모든 고속도로 현장에서 적용 될 수 있도록 하였다.
- 오염물질 제거효율 분석은 적용시험시 현장여건을 고려하여 유량측정이 불가능한 경우, 비정상적인 농도증가가 발생한 경우, 시설내 침전물이 재부상된 결과를 제외하고 오염물질 제거효율분석을 실시하였다. 고속도로에서 보다 효율적인 비점오염물질 저감을 위해 고속도로의 특성을 고려하여 집수면적이 넓은지역과 집수면적이 좁은지역, 교량지역으로 구분하여 적용시험을 하였으며, TSS, BOD, COD, T-N, T-P의 5개 분석항목으로 제거효율을 분석한 결과 표 3과 같다(한국도로공사, 2008).
- 본 연구에서의 현장분류는 고속도로별로 분류하지 않고 대상 배수유역별 집수면적의 크기에 따라 현장분류를 하여 연구의 결과가 일률적으로 적용될 수 있도록 하였다. 대상배수유역은 강우시 고속도로에서 노면유출수가 발생되는 지역이며, 집수지역은 대상유역에서 발생된 노면유출수가 집수되어 저감시설을 설치할 수 있는 가용한 부지로 해석하였다. 집수지역 크기의 기준은「비점오염원 최적관리지침」(국립환경과학원, 환경부, 2010)에서 집수면적이 4ha이하의 소유역에 설치하는 식생여과대와 2~4ha의 소규모 집수면적에 적용되는 소규모습지의 설치기준을 적용하여 집수면적이 4ha 이상인 지역은 집수면적이 넓은지역으로, 미만인 지역은 집수면적이 좁은지역으로 하였으며, 교량지역을 포함하여 3개 현장으로 분류하여 고속도로 모든 구간에서 적용할 수 있도록 하였다.
- 적용시험에 의하면 최대의 강우강도가 지난 후 오염물질의 유출량이 증가되었는데, 시간별 강우강도는 오염물질 유출시 오염물질 유출량과 더불어 유출량의 설계시 중요한 요인이 된다. 본 연구에서는 대상유역의 10년간 누적강수량을 제시하였는데 이러한 실측 강우자료는 월 평균 강우량과 년간 누적강우량을 예측해준다. 또한 도로에서의 비점오염원 최적처리관리방안(BMP)은 설계시 포함해야 할 필수적인 내용이다.
- 부지선정 적정성 고려사항은 9개의 부지선정 평가항목에 가중치를 부여하고 현장의 부지를 실사하여 항목별 평가결과를 점수화하여 적합성을 판단한 뒤 설계요소 평가를 실시한 뒤 최종 결정하도록 한다. 이와같이 적합한 부지선정을 하고 최적의 저감시설을 설치하는 것은 비점오염물질의 적극적인 저감대책의 중요한 요인이다.
- 오염물질 제거효율 분석은 적용시험시 현장여건을 고려하여 유량측정이 불가능한 경우, 비정상적인 농도증가가 발생한 경우, 시설내 침전물이 재부상된 결과를 제외하고 오염물질 제거효율분석을 실시하였다. 고속도로에서 보다 효율적인 비점오염물질 저감을 위해 고속도로의 특성을 고려하여 집수면적이 넓은지역과 집수면적이 좁은지역, 교량지역으로 구분하여 적용시험을 하였으며, TSS, BOD, COD, T-N, T-P의 5개 분석항목으로 제거효율을 분석한 결과 표 3과 같다(한국도로공사, 2008).
- 이러한 제거효율을 만족하기 위해 현장별 가장 적합한 저감시설을 선정하기 위해서는 그림 2와 같이 5단계의 선정단계로 접근하는 방안을 제시하였다.
- 적용시험 분석항목은 TSS, BOD, COD, T-N, T-P 등의 항목을 적용하고 선행건기 2일 이상의 유입수 및 유출수이며 총 6회의 강우분석으로 1회 강우시 시료채취는 12회 이상 실시하도록 하여 제거 효율을 분석하였으며, 적용시험 결과를 통해 현장별로 제거효율과 경제성, 유지관리 용이성 등을 고려하여 효율성이 큰 저감시설을 선정하도록 하였다.
- 대상배수유역은 강우시 고속도로에서 노면유출수가 발생되는 지역이며, 집수지역은 대상유역에서 발생된 노면유출수가 집수되어 저감시설을 설치할 수 있는 가용한 부지로 해석하였다. 집수지역 크기의 기준은「비점오염원 최적관리지침」(국립환경과학원, 환경부, 2010)에서 집수면적이 4ha이하의 소유역에 설치하는 식생여과대와 2~4ha의 소규모 집수면적에 적용되는 소규모습지의 설치기준을 적용하여 집수면적이 4ha 이상인 지역은 집수면적이 넓은지역으로, 미만인 지역은 집수면적이 좁은지역으로 하였으며, 교량지역을 포함하여 3개 현장으로 분류하여 고속도로 모든 구간에서 적용할 수 있도록 하였다.
- 특히 대민친화적인 시설로 주민의 민원을 사전에 예방하고 주변 환경과의 친화력을 유지하도록 한다. 토질상태에 따른 적용 가능성을 분석하여 지하수 및 토양오염을 방지하고 공공의 안정성 및 위생성으로 안전사고를 사전에 방지하고 해충 등의 발생을 사전에 차단하도록 한다.
- 현장별 적합한 저감시설 선정을 위해 5단계 평가 절차를 적용하였다. 1단계 대상배수유역 선정 평가 방법, 2단계 저감시설 부지선정 평가방법, 3단계 유지관리 용이성 평가 방법, 4단계 시설별 기술적 평가방법을 제시하였고, 5단계에서 저감시설을 최종 선정하여 모든 고속도로 현장에서 적용 될 수 있도록 하였다.
대상 데이터
- 고려요소는 시설의 장·단점, 소요 부지면적, 설치비용, 안정성, 지역사회 적용성 등 5개의 요소로 평가하여 3개 이상의 좋은 평가를 받은 시설을 적용 시험 시설로 선정하였다.
- 고려요소는 시설의 장·단점, 소요 부지면적, 설치비용, 안정성, 지역사회 적용성 등 5개의 요소로 평가하여 3개 이상의 좋은 평가를 받은 시설을 적용 시험 시설로 선정하였다. 국내의 적용사례는 한국환경공단에서 2006년 말 국내 처음으로 한강수계의 용인, 광주 및 이천 지역 등에 준공된 25개 시범 시설에 대한 모니터링과 유지관리를 시행한 결과와 2008년 한국도로공사에서 고속도로에 설치한 저감 시설 중 자연형 4개 시설, 장치형 9개 시설을 대상으로 적용하였으며, 외국의 사례는 미국을 중심으로 비점 오염저감시설 설치 적용사례를 분석하여 고속도로에 적용할 수 있는 적용시험 저감시설을 표 1과 같이 선정하였다.
- 본 연구에서 고속도로 현장별 적용시험을 위한 저감시설 선정은 고려요소의 평가로 선정한 결과와 국내·외 적용사례 분석 자료를 활용하여 선정하도록 하였다.
- 본 연구에서는 침투저류지와 식생여과대외에 여과형 장치시설 1개소를 선정하였으며, 침투저류지와 식생여과대는 고속도로에서 시험 설치자료가 제한되어 한강수계 모니터링 자료를 활용하였다. 현장별 적용시험시설 현황은 표 2와 같다.
- 침투여과조는 경부고속도로 부산방향 기흥IC 인근에 위치하고 있으며, U형개거 지역을 개선하여 조성하였다. 장치형시설은 경부고속도로 서울요금소 분당방면에 2개소를 선정하여 적용시험을 하였다.
- 집수면적이 좁은지역은 유역 이용자체가 도로라는 단일목적으로 이용되기 때문에 강우자료와 합리 식을 이용해서 발생 가능한 유출수의 양을 결정할 수 있다. 적용시험 대상유역은 인공습지의 경우 영동고속도로 강릉방향 여주 JCT인근에 위치하고 있으며, 당초 폐도지역을 이용하여 인공습지로 조성하였으며, 식생수로는 영동고속도로 강릉방향 북수원 IC 인근에 위치하고 당초 U형 개거를 개선하여 조성하였다. 침투도랑은 경부고속도로로 서울방향 신갈JCT 영동고속도로 아래에 위치하고 있으며, 녹지지역을 조성하였다.
- 집수면적이 넓은지역은 한강수계에서 모니터링한 7개 시설을 시험 적용 하였으며, 집수면적이 좁은지역은 고속도로에서 적용시험한 6개시설을 적용하고, 교량지역 3개 시설은 한강수계 및 고속도로에 설치한 시설을 적용시험 하였다.
- 적용시험 대상유역은 인공습지의 경우 영동고속도로 강릉방향 여주 JCT인근에 위치하고 있으며, 당초 폐도지역을 이용하여 인공습지로 조성하였으며, 식생수로는 영동고속도로 강릉방향 북수원 IC 인근에 위치하고 당초 U형 개거를 개선하여 조성하였다. 침투도랑은 경부고속도로로 서울방향 신갈JCT 영동고속도로 아래에 위치하고 있으며, 녹지지역을 조성하였다. 침투여과조는 경부고속도로 부산방향 기흥IC 인근에 위치하고 있으며, U형개거 지역을 개선하여 조성하였다.
- 침투도랑은 경부고속도로로 서울방향 신갈JCT 영동고속도로 아래에 위치하고 있으며, 녹지지역을 조성하였다. 침투여과조는 경부고속도로 부산방향 기흥IC 인근에 위치하고 있으며, U형개거 지역을 개선하여 조성하였다. 장치형시설은 경부고속도로 서울요금소 분당방면에 2개소를 선정하여 적용시험을 하였다.
성능/효과
- 3지점에서의 최근 10년간 월별 누적 강수량을 분석한 결과, 먼저 3지점 모두 여름인 6~8월의 강수량이 연강수량의 60~70%를 차지해 우리나라의 강우특성을 잘 나타내는 특징을 나타냈다. 3지점간 강수량을 비교해 보면, 여주AWS의 최근 10년간 연평균 강수량은 1,428mm로 수원기상대와 성남AWS보다 약 60~80mm 많은 강수량을 나타냈으며, 수원기상대는 1,365mm로 성남AWS보다 16mm 많은 강수량을 나타냈다. 월별 누적 강수량의 차이에서는 6월에 여주AWS의 평균 강수량이 190mm로 수원기상대와 성남AWS보다 약 60mm 많은 강수량으로 가장 큰 차이를 나타내었으나, 6월을 제외한 달에는 평균 약 10mm차이로 큰 차이를 나타내지 않았다.
- 3지점에서의 최근 10년간 월별 누적 강수량을 분석한 결과, 먼저 3지점 모두 여름인 6~8월의 강수량이 연강수량의 60~70%를 차지해 우리나라의 강우특성을 잘 나타내는 특징을 나타냈다. 3지점간 강수량을 비교해 보면, 여주AWS의 최근 10년간 연평균 강수량은 1,428mm로 수원기상대와 성남AWS보다 약 60~80mm 많은 강수량을 나타냈으며, 수원기상대는 1,365mm로 성남AWS보다 16mm 많은 강수량을 나타냈다.
- 교량지역 저감시설에 대한 제거효율 분석 결과, 침투저류지는 모든 항목을 만족하였으며, 여과형시설은 TSS, COD, T-N, 식생여과대는 TSS, T-N,T-P의 3개 항목을 만족하였다. 제거효율 만족도 우선순위는 침투저류조>여과형시설>식생여과대 순이며, 교량지역은 대부분 하천과 근접해 있어 적극적인 비점오염 저감대책이 요구되었다.
- 전체적인 분석은 집수면적이 넓은지역과 좁은지역은 자연형시설의 제거효율이 우수하였으며, 집수면적이 넓은지역은 자연형시설 중 침투저류지, 인공습지 등 가용부지가 많이 소요되는 시설의 제거효율이 높았으며, 집수면적이 좁은지역은 침투도랑, 식생수로, 침투여과조 등의 제거효율이 높게 나타났다. 교량지역은 침투저류조, 여과형시설, 식생여과대 순이며, 침투도랑은 부지면적이 넓은지역이나 좁은지역에서도 제거효율이 높게 나타나 가장 다양하게 설계에 반영하여 적용할 수 있는 시설로 확인되었다.
- 금번 적용시험시에는 장치형시설 시공업체에서 유지관리를 하여 유지관리비에 객관성이 부족하고, 유사 시험 결과는 2년간 수차례 현장정리 및 보수 등을 시행한 결과로, 두 결과의 연계성을 논하기에는 부족한 것으로 판단되나, 표 5에서와 같이 장치형시설은 년 1회 여재교환을 실시한다고 가정하여, 기 조사된 유사 시험 결과에 반영할 경우, 자연형시설의 1개소 당 유지관리비는 8,235천원/2년, 장치형시설의 1개소 당 유지관리비는 8,226천원/2년으로 추정되었다.
- 자연형시설의 경우 식생활착 및 시설보수시기를 제외하고는 특별히 전문인력의 투입이 요구되지 않으며, 현재 고속도로 유지를 위한 조직이 구성되어 운영중이므로 유지관리시 인건비 부분의 비용절감이 기대된다. 따라서, 자연형시설 유지관리비는 인건비부분을 제외할 경우 1개소당 1,490천원/2년으로 산정되어, 장치형시설 유지관리비용의 약 18%수준일 것으로 예측되었다.(한국도로공사, 2008)
- 3지점간 강수량을 비교해 보면, 여주AWS의 최근 10년간 연평균 강수량은 1,428mm로 수원기상대와 성남AWS보다 약 60~80mm 많은 강수량을 나타냈으며, 수원기상대는 1,365mm로 성남AWS보다 16mm 많은 강수량을 나타냈다. 월별 누적 강수량의 차이에서는 6월에 여주AWS의 평균 강수량이 190mm로 수원기상대와 성남AWS보다 약 60mm 많은 강수량으로 가장 큰 차이를 나타내었으나, 6월을 제외한 달에는 평균 약 10mm차이로 큰 차이를 나타내지 않았다.
- 자연형시설의 총 배수유역면적은 235,403m2, 총 설치비는 1,267,872천원이었고, 장치형시설의 총 배수유역면적은 218,211m2, 총 설치비는 6,175,274천원으로, 배수유역 단위면적당 설치비는 자연형시설 5.4천원/m2, 장치형시설 28.3천원/m2인 것으로 예측되었다. 저감시설 1개소당 평균 배수유역면적은 자연형시설 5,231m2이고, 장치형 시설은 1,616m2인 것으로 분석되었고, 저감시설 1개소당 평균 설치비는 자연형시설 28,175천원/1개소, 장치형시설 45,743천원/1개소로 분석되었다.
- 3천원/m2인 것으로 예측되었다. 저감시설 1개소당 평균 배수유역면적은 자연형시설 5,231m2이고, 장치형 시설은 1,616m2인 것으로 분석되었고, 저감시설 1개소당 평균 설치비는 자연형시설 28,175천원/1개소, 장치형시설 45,743천원/1개소로 분석되었다. 이는 동일 배수유역(5,000m2)에 저감시설을 설치할 경우 자연형시설의 설치비는 26,931천원, 장치형시설은 141,532천원이 소요될 것으로 분석되며,자연형시설이 장치형시설에 비해 설치비가 적게 소요될 것으로 검토되었다.
- 저감시설별 제거효율 만족도는 침투저류지>침투도랑>인공습지식', '> 식')">> 식생수로>식생여과대>여과형>와류형 순으로 나타났다.
- 저감시설에 대한 경제성 분석은 저감시설 1개소당 평균설치비는 자연형시설 28,175천원, 장치형시설 45,743천원으로 확인되었다. 이는 동일 배수유역(5,000m2)에 저감시설을 설치할 경우 자연형시설의 설치비는 26,931천원, 장치형시설은 141,532천원이 소요될 것으로 분석되어, 자연형시설이 장치형시설에 비해 설치비가 적게 되는 것으로 추정되었다.
- 저감시설의 유지관리비용은 저감시설 1개소 당 2년간의 유지관리비용을 분석하여 연간 평균비용으로 산출한 결과 자연형시설의 1개소 당 유지관리비는 4,117천원, 장치형시설은 4,113천원으로 확인되었으며, 도로공사에서 운영하고 있는 도로변 녹지관리조직 운영에 따른 인건비 절감을 고려할 경우, 자연형시설의 유지관리비는 1개소 당 745천원으로산정되어, 장치형시설 유지관리비용의 약 18%수준으로 분석되었다.
- 전체적인 분석은 집수면적이 넓은지역과 좁은지역은 자연형시설의 제거효율이 우수하였으며, 집수면적이 넓은지역은 자연형시설 중 침투저류지, 인공습지 등 가용부지가 많이 소요되는 시설의 제거효율이 높았으며, 집수면적이 좁은지역은 침투도랑, 식생수로, 침투여과조 등의 제거효율이 높게 나타났다. 교량지역은 침투저류조, 여과형시설, 식생여과대 순이며, 침투도랑은 부지면적이 넓은지역이나 좁은지역에서도 제거효율이 높게 나타나 가장 다양하게 설계에 반영하여 적용할 수 있는 시설로 확인되었다.
- 주요 오염원의 확인은 저감시설 선정시 중요한 기준이 되므로 거대폐기물, 낙엽류, 토사류, 타이어 분진, 오일 등의 성상을 정확하게 확인한다.
- 집수면적이 넓은지역에서의 TSS, BOD, COD, T-N, T-P의 5개 분석항목의 제거효율 분석결과 자연형시설이 장치형시설보다 높았으며, 모든 시설이 환경부 제거효율을 만족하였다. 저감시설별 제거효율 만족도는 침투저류지>침투도랑>인공습지식', '> 식')">> 식생수로>식생여과대>여과형>와류형 순으로 나타났다.
후속연구
- 본 연구는 고속도로에서 발생되는 비점오염원 중 노면유출수 처리를 위해, 어느 고속도로 현장에서든 부지면적에 따라 적정 저감시설을 선정하는 방안을 제시하였는데, 현장별 제거효율 만족도 및 경제성 분석 연구내용 등과 함께 효율적으로 적용을 할 경우 환경 친화적인 고속도로 건설에 크게 기여할 것으로 기대한다.
- 본 연구에서 제시한 바와 같이 제거효율과 경제성 분석을 고려한다면 현장별로 가장 효율적인 저감시설을 선정하여 적용할 수 있을 것이다.
- 2단계는 배수유역이 선정되면 저감시설에 대한 집수유역 부지선정을 하는 것이 중요하다. 집수지역 부지 선정시에는 부지선정 적정성 고려사항과 설치지역 토질분석을 통한 투수율 산정결과 및 지하수위 조사결과는 반영되어야 할 사항으로 부지선정시 이에 대한 조사를 병행실시한다. .
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