[논문]침투트렌치 시설의 유출저감 효과 분석

연종상; 장영수; 신현석; 김응석

doi:10.5762/kais.2014.15.9.5813

침투트렌치 시설의 유출저감 효과 분석
Analysis of Infiltration Trench Facility for Runoff Reduction Effect 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.15 no.9, 2014년, pp.5813 - 5819

연종상 (선문대학교 토목공학과) , 장영수 (부산대학교 토목공학과) , 신현석 (부산대학교 토목공학과) , 김응석 (선문대학교 토목공학과)

초록
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도시화로 인한 도시유역의 불투수면적 증가에 따른 우수유출수 증가를 저감하기 위해 저영향개발의 계획 및 적용이 활발하게 진행되고 있다. 본 연구에서는 LID 요소기술 중 침투트렌치의 국내 적용성 및 성능검증을 위해 침투트렌치 실험조건을 바탕으로 SWMM을 구축하여 유출량 및 비점오염원 저감효과를 분석하였다. SWMM의 침투트렌치 적용면적은 전체 유역면적의 5~15%의 면적에 적용하며 모의를 수행하였다. SWMM 모의결과 첨두유출량은 45.7~61.9%, 총유출량은 47.2~62.3%, BOD 부하량은 52.3~55.3%의 저감효율로 분석되었다. 실험결과와 비교하면 유출량의 경우 12~24% 크며, BOD 부하량의 경우 37~38% 작게 산정되었다. 추후 침투트렌치의 적용성 및 성능검증에 도움을 줄 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

LID planning and application has been actively developed to reduce the runoff volume at increased impervious areas due to rapid urbanization. In this study, a performance and applicability evaluation was performed in an infiltration trench using the SWMM model, based on the experimental conditions for infiltration trenches. The infiltration trench application area was applied to 5~15% of the drainage area. The SWMM results of discharge and the BOD reduction efficiency were analyzed at a peak discharge of 45.7~61.9%, total discharge of 47.2~62.3%, and BOD load of 52.3~55.3. The discharge and BOD was estimated to be 12~24% higher and 37~38% smaller than the experimental results. This study can help in the application and performance evaluation of infiltration trenches.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

침투트렌치를 모의할 대상유역은 지속적인 침수피해로 침투트렌치의 필요성과 설비가 가능한 가산 1 빗물펌프장을 대상유역으로 선정하였으며, SWMM모형으로 관망을 구축하여 침투트렌치의 성능분석을 수행하였다. SWMM을 이용하여 침투트렌치를 모의하기 위해 침투트렌치의 실내실험 일부조건을 바탕으로 입력 매개변수 및 강우조건을 적용하였다. 이후 침투 트렌치의 실험결과와 SWMM을 이용한 모의결과를 비교·분석하여 침투트렌치의 실제유역 적용 시 성능분석을 수행하였다.
강우조건은 침투트렌치 실험에서 적용한 강우강도 5mm/hr를 이용하여 적용하였다. 강우지속시간은 [10]의 IETD를 이용하여 서울시의 강우분석 결과인 평균 지속시간 약 13시간을 이용하여 모의를 수행하였다.
본 연구에서는 침투트렌치 실험결과를 바탕으로 SWMM-LID의 입력매개변수를 산정하였다. 그러나 침투트렌치 검증 시 실험모듈의 세부적인 규모 및 성능이 제시되지 않아 SWMM-LID 침투트렌치 모의에 필요한 총 11가지 입력매개변수 중 표면 경사 및 저류층 높이 등의 총 2가지 매개변수 실험조건을 바탕으로 입력하였다. Table 1과 같이 표면 경사를 5%, 저류층의 깊이는 700mm의 값을 입력하여 모의하였다.
본 연구의 대상지역인 가산 1 빗물펌프장 유역은 서울시의 대표적인 공업지역으로 분류된다. 따라서 [12] 와 [13]에서 제시한 공업지역의 BOD 원단위와 유량가중 평균농도(Event Mean Concentration, EMC)를 이용하여 모의를 수행하였다. Table 2와 같이 BOD의 가능최대축적량은 31.
Table 1은 침투트렌치의 입력매개변수 값을 나타내었다. 따라서 나머지 9개의 입력매개변수의 경우 [8]과 [11]에서 제시된 입력 매개변수 값과 침투트렌치의 표준단면 및 성능을 이용하여 매개변수를 선정하였다.
그러나 국내 실정을 고려한 침투트렌치의 성능검증 실험과 실험조건 및 결과를 바탕으로 실제유역에 적용하여 침투트렌치의 성능분석을 수행한 연구는 아직 미비하다. 따라서 본 연구에서는 침투트렌치의 실내실험을 통한 성능검증결과를 바탕으로 실제유역에 적용 시 유출저감 및 비점오염원의 저감효과를 비교 분석하여 침투트렌치의 적용성 및 성능 분석을 수행하였다. 침투트렌치를 모의할 대상유역은 지속적인 침수피해로 침투트렌치의 필요성과 설비가 가능한 가산 1 빗물펌프장을 대상유역으로 선정하였으며, SWMM모형으로 관망을 구축하여 침투트렌치의 성능분석을 수행하였다.
본 연구의 대상유역은 서울시 금천구에 위치한 유역면적 484,620m²의 가산 1 빗물펌프장 유역으로, 남서쪽으로 안양시와 광명시, 북동쪽으로는 구로구, 동작구와 경계를 이루고 있고 서울디지털단지 2, 3공단 등 소규모의 공장들이 위치해 있어 서울시의 대표적인 공업지역으로 알려져 있다. 또한 대상유역은 매년 침수피해가 발생하고 있기 때문에 소규모로 우수유출수를 처리할 수 있는 침투트렌치를 적용하여 성능검증을 수행할 수 있다고 판단하여 선정하였다. Fig.
또한 침투트렌치의 비점오염원 저감효과를 모의하기 위해서 SWMM의 수질모듈을 이용한 모의를 수행하였다. SWMM의 수질모의는 토지이용상태에 따른 오염물질의 축적(Buildup) 및 유실(Washoff)에 대한 입력매개 변수를 입력해야한다.
SWMM-LID에서 침투트렌치의 입력매개변수는 표면층의 표면저류 깊이, 식생, 조도계수, 표면경사 등과 저류층의 저류층 높이, 공극률, 포화수리전도도, 공극막힘 계수 등 그리고 마지막으로 암거층의 암거특성을 결정하는 지수 및 계수, 암거단차높이 등의 총 11개의 매개변수를 입력해야한다. 본 연구에서는 침투트렌치 실험결과를 바탕으로 SWMM-LID의 입력매개변수를 산정하였다. 그러나 침투트렌치 검증 시 실험모듈의 세부적인 규모 및 성능이 제시되지 않아 SWMM-LID 침투트렌치 모의에 필요한 총 11가지 입력매개변수 중 표면 경사 및 저류층 높이 등의 총 2가지 매개변수 실험조건을 바탕으로 입력하였다.
본 연구에서는 침투트렌치의 실내실험을 통한 검증결과를 바탕으로 SWMM-LID로 모의 시 침투트렌치의 성능을 비교 분석하였다.
본 연구에서는 침투트렌치의 실험결과를 바탕으로 SWMM-LID를 적용 후 비교분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
이후 침투 트렌치의 실험결과와 SWMM을 이용한 모의결과를 비교·분석하여 침투트렌치의 실제유역 적용 시 성능분석을 수행하였다.
SWMM에서 수질모의를 위해 축적은 Exponential 공식을 선정하였으며, 유실은 EMC(Event Mean Concentration)를 선정하여 모의를 수행하였다. 축적 및 유실의 입력매개변수는 대상지역인 가산 1빗물펌프장 유역의 토지이용상태를 고려하여 선정하였다. 본 연구의 대상지역인 가산 1 빗물펌프장 유역은 서울시의 대표적인 공업지역으로 분류된다.
따라서 본 연구에서는 침투트렌치의 실내실험을 통한 성능검증결과를 바탕으로 실제유역에 적용 시 유출저감 및 비점오염원의 저감효과를 비교 분석하여 침투트렌치의 적용성 및 성능 분석을 수행하였다. 침투트렌치를 모의할 대상유역은 지속적인 침수피해로 침투트렌치의 필요성과 설비가 가능한 가산 1 빗물펌프장을 대상유역으로 선정하였으며, SWMM모형으로 관망을 구축하여 침투트렌치의 성능분석을 수행하였다. SWMM을 이용하여 침투트렌치를 모의하기 위해 침투트렌치의 실내실험 일부조건을 바탕으로 입력 매개변수 및 강우조건을 적용하였다.

대상 데이터

침투트렌치의 경우 소규모 시설물로서 도시의 다양한 지역에 다양한 규모로 적용이 가능하다는 특징을 가지고 있다. 따라서 본 연구의 대상지역인 가산 1빗물 펌프장유역의 경우 공업지역으로 대부분의 지역이 공장 및 건물, 도로, 주차장으로 구성되어있다. 따라서 도로 주변과 건물의 홈통 밑 부분에 적용될 수 있다고 판단된다.
본 연구의 대상유역은 서울시 금천구에 위치한 유역면적 484,620m²의 가산 1 빗물펌프장 유역으로, 남서쪽으로 안양시와 광명시, 북동쪽으로는 구로구, 동작구와 경계를 이루고 있고 서울디지털단지 2, 3공단 등 소규모의 공장들이 위치해 있어 서울시의 대표적인 공업지역으로 알려져 있다.
본 연구의 대상유역인 가산 1 빗물펌프장 유역은, SWMM을 이용하여 32개의 절점과 33개의 관거, 그리고 1개의 유출구로 구축되었다. 대상지역이 공업지역임을 고려하여 불투수율을 80%로 적용하였고, 관거의 조도계수는 0.
축적 및 유실의 입력매개변수는 대상지역인 가산 1빗물펌프장 유역의 토지이용상태를 고려하여 선정하였다. 본 연구의 대상지역인 가산 1 빗물펌프장 유역은 서울시의 대표적인 공업지역으로 분류된다. 따라서 [12] 와 [13]에서 제시한 공업지역의 BOD 원단위와 유량가중 평균농도(Event Mean Concentration, EMC)를 이용하여 모의를 수행하였다.

이론/모형

SWMM의 수질모의는 토지이용상태에 따른 오염물질의 축적(Buildup) 및 유실(Washoff)에 대한 입력매개 변수를 입력해야한다. SWMM에서 수질모의를 위해 축적은 Exponential 공식을 선정하였으며, 유실은 EMC(Event Mean Concentration)를 선정하여 모의를 수행하였다. 축적 및 유실의 입력매개변수는 대상지역인 가산 1빗물펌프장 유역의 토지이용상태를 고려하여 선정하였다.

성능/효과

SWMM-LID를 이용하여 침투트렌치를 모의한 결과 대상유역의 전체면적의 5～15%에 적용 시 총유출량은 1.52～2.13m³, 첨두유출량은 0.15～0.21m³/sec, BOD부하량은 14.58~15.55kg으로 산정되었다.
SWMM을 이용하여 침투트렌치를 모의한 결과 Table 4 및 Fig 4와 같이 적용면적에 따라 전체면적의 0%(미적용) 적용 시 총유출량은 4.03m³, 첨두유출량은 0.39m³/sec, BOD 부하량은 32.60kg으로 산정되었다.
3%의 저감효율을 나타내었다. 또한 10%면적에 적용 시 총유출량은 56.4%, 첨두 유출량은 57.6%, BOD 부하량은 53.8%의 저감효율을 나타내었으며, 15%면적에 적용 시 총유출량은 61.9%, 첨두 유출량은 62.3%, BOD 부하량은 55.3%의 가장 큰 저감효율을 나타내는 것으로 분석되었다. Table 5은 침투렌치 시설에 관한 SWMM-LID 모형적용 결과와 실내실험 결과를 비교하여 나타내었다.
마지막으로 전체면적의 15%면적에 적용 시 총유출량은 1.52m³, 첨두유출량은 0.15m³/sec, BOD 부하량은 14.58kg으로 산정되었다.
이러한 이유는 전체 면적 중 침투트렌치가 차지하는 면적에 따라 우수유출수의 처리량이 크게 달라지기 때문에 정확한 적용면적 비율을 SWMM에 적용하여 모의해야 한다. 세 번째로 침투트렌치 실험에 사용된 오염물질의 정확한 양을 SWMM에 적용하지 못하였기 때문인 것으로 판단된다. 비점오염원 제거 효율을 경우 강우조건 및 침투트렌치의 규모에 따라 달라질 수 있으며, 오염물질의 적용 양에 따라서도 크게 변화될 수 있기 때문에 비교적 정확한양의 오염물질을 적용해야 된다고 판단된다.
전체면적의 5%면적에 침투트렌치를 적용 시 총유출량은 2.13m³, 첨두유출량은 0.21m³/sec, BOD 부하량은 15.55kg이 산정되었으며, 10%면적에 적용 시 총유출량은 1.71m³, 첨두유출량은 0.17m³/sec, BOD 부하량은 15.06kg으로 산정되었다.
첨두유출량과 총유출량의 경우 SWMM-LID를 이용하여 침투트렌치의 저감효율이 적용 면적에 따라 첨두유출량은 8.2～20.7%, 총유출량은 9.7～24.4% 더 큰 것으로 분석되었다. 반대로 비점오염원의 경우 실내실험을 통해 산정된 저감효율이 36.
55kg으로 산정되었다. 침투트렌치 실험결과와 비교한 결과 총유출량은 9.7～24.4%, 첨두유출량은 8.2～20.7% 크며, BOD부하량은 36.7～37.7% 낮은 저감 효율을 나타내었다. 이러한 결과차이가 발생한 원인은 첫 번째로 SWMM에 입력되는 침투트렌치 매개변수 11개 중 표면 경사 및 저류층 높이등의 총 2개의 매개변수만을 실험조건과 동일하게 입력하여 모의를 수행하였기 때문이다.
침투트렌치의 적용 면적에 따른 저감효율을 분석해보면 Table 5과 같이 미적용 시 보다 전체면적에 5%면적을 침투트렌치로 적용했을 때 총유출량은 47.2%, 첨두유출량은 46.2%, BOD 부하량은 52.3%의 저감효율을 나타내었다. 또한 10%면적에 적용 시 총유출량은 56.

후속연구

추후 연구에서는 SWMM의 침투트렌치 모의에 필요한 매개변수에대한 실험 및 계측이 필요할 것으로 판단되며, 실험 및 계측결과를 바탕으로 침투트렌치의 성능검증이 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도심지 내에 우수유출수의 유출량의 증가하는 원인은 무엇인가?	현대 도시는 급격한 도시화와 산업화로 인하여 도심지 내의 불투수면적의 증가, 증발량 감소, 유역 내 침투량 감소 등으로 인해 우수유출수의 유출량의 증가를 가져왔다. 또한 제 34차 기후변화에 관한 정부간 협의체(Intergovernmental Panel on Climate Change; 이하 IPCC) 총회에 따르면 21세기 후반의 폭염 증가 가능성은 90% 이상, 집중호우 발생빈도 증가 가능성은 66% 이상 발생할 수 있다고 발표하였다[1].
	SWMM-LID를 이용하여 침투트렌치를 모의한 결과와 침투 트렌치 실험 결과가 차이를 보이는 이유는 무엇인가?	7% 낮은 저감 효율을 나타내었다. 이러한 결과차이가 발생한 원인은 첫 번째로 SWMM에 입력되는 침투트렌치 매개변수 11개 중 표면 경사 및 저류층 높이등의 총 2개의 매개변수만을 실험조건과 동일하게 입력하여 모의를 수행하였기 때문이다. 두 번째로 침투트렌치 실험에 사용된 실험모듈 내 침투트렌치가 차지하는 정확한 면적비를 SWMM에 적용하여 모의하지 못하였기 때문이다. 세 번째로 실험에 사용된 정확한 오염물질의 양을 SWMM에 적용하여 모의하지 못하였기 때문에 유출저감효과 및 비점오염원 저감효과의 차이가 발생한 것으로 판단된다.
	LID는 무엇인가?	이처럼 도시화에 따른 유출량 증가와 기후변화로 인한 집중호우 및 폭염 등에 의해 발생할 수 있는 침수피해 및 가뭄 등의 자연재해를 예방하기 위한 구조적 대책인 저영향개발(Low Impact Development; 이하 LID)기술이 연구 및 적용되고 있다. LID는 자연에 미치는 영향을 최소로 하여 개발하는 것으로 홍수 및 수질오염 저감을 위한 우수의 침투, 저류, 물순환체계를 고려한 토지이용 계획기법을 의미한다[2-4]. 이러한 LID기술 중 침투형 LID요소기술은 침투통, 침투 트렌치, 침투측구 등의 소규모 시설물로써, 도시화 및 산업화로 인하여 별도의 부지확보가 어려운 도심지 내에서 적용이 용의한 LID요소기술이다.

참고문헌 (13)

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J. Dojoon, A. Seungsub, K. Yuntea, An Experimental study on the Application Method of Infiltration Trench, Korean Society of Hazard Mitigation, Vol.10, No.6, pp. 147-154, 2010
S. Joohwan, L. Inkyu, The Water Circulation Improvement of Apartment Complex by applying LID Technologies, Journal of Korean Institute of Landscape Architecture, Vol.41, No.5, pp. 68-77, 2013 DOI: http://dx.doi.org/10.9715/KILA.2013.41.5.068

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H. Kyounghak, L. Jungmin, Impacts on Water-Cycle by Land Use Change and Effects of Infitration Trenches in Asan New Town, Journal of Korean Society of Water and Wastewater, Vol.24, No.6, pp. 691-701, 2010
Municipality of Anchorage, Low Impact Development Design Guidance Manual, pp.68, 2008
National Emergency Management Agency, Runoff Reduction Facilities Type, Construction and Maintenance of Standards, pp. 1-152, 2010
K. Jeaho, Rainfall Analysis to Estimate the Amount of Non-point Sourse Pollution, Korea University, School of Civil, Environmental and Architectural Engineering, pp. 1-95, 2003
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National Institute of Environmental Research, Evaluation of Non-Point Sources Loading(1), pp. 1-87, 2006

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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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