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문제 정의
- 본 연구의 목적은 금강 수계에 위치한 도시 유역에 대표적인 토지이용 유형에서 불투수면 영향 저감을 위한 다양한 LID 기법을 적용하고, 그 효과를 모의함으로써 유출량과 오염부하 특성에 미치는 영향을 분석하는데 있다. 시범유역은 갑천 유역내에 위치한 관평천 유역과 도시 지역에 대표적으로 나타나는 토지이용 유형인 복합용지를 선택하였다.
제안 방법
- 관평천유역 불투수면에 물순환 관리기법을 적용할 경우 유출량과 수질에 미치는 영향을 분석하기 위해 시나리오 모의를 수행하였다. 2009년 8월 11일 단일 강우사상에 대해서 현재의 토지이용상태를 기초로 물순환 관리기법을 단계적으로 적용한 시나리오를 구성하였다(Table 5).
- 또한, 불투수면 저감기법 효과 분석을 위해, 갑천유역 내 다양한 지목의 토지유형에 대한 현장 조사를 통하여 불투수율의 기여도가 현저히 높은 대지를 관심토지유형으로 선정하였다. 주요관심토지유형에 대한 물 순환 관리기법의 적용성 평가를 위해 관평천유역내의 H 아파트 일대 복합용지를 선정하였다.
- 복합용지의 불투수면에 대해서 토지이용에 따라 물순환 관리기법을 적용하여 유출량 및 수질에 미치는 영향을 분석하였다. 2008년의 시간별 강우사상에 대해 모의 시나리오를 구성하였으며, Table 6에 나타내었다.
- 본 연구에서는 대상유역의 토지이용 특성, 수리·수문학적 특성 등 유역 내 특성 인자들의 균일성이 보장되는 범위 내에서 소유역 분할을 실시하였다. 모형의 비교 평가를 위해 위성사진을 이용하였으며, 현재의 토지이용 및 배수관망 시스템을 고려하여 해당 유역의 유출체계를 구성하였다.
- 본 연구에서는 도심하천인 관평천 유역을 대상으로 SWMM 모형을 구축하고, 유역의 불투수면 관리 대안으로 저영향개발기법(LID)을 적용할 경우 유출량과 오염부하량에 미치는 영향을 모의 분석하였다. 또한, 도시화된 유역에서 빈번하게 나타나는 토지유형인 아파트, 학교, 공원 등을 포함한 복합용지를 대상으로 불투수면 저감기법을 적용하여 효과를 분석하였으며, 본 연구결과를 통해 도출된 결론은 다음과 같다.
대상 데이터
- SWMM 모형의 구동을 위해서는 기상자료, 대상지역의 특성 자료, 관망 자료, 수질 자료가 필요하다. 기상자료는 대상 유역으로부터 약 7 km거리에 있는 대전 기상대에서 매시 관측한 2009년의 강우자료를 사용하였으며, 대상지역의 특성 자료는 위성사진과 지적도로부터 GIS를 이용하여 소유역의 면적, 기울기, 유역폭 등을 산정하였으며 관망자료는 대전시 하수시설물 자료에서 우수관에 해당하는 정보를 추출하여 모형에 적용하였다.
- 대상 유역의 특성 자료 및 모형에 필요한 입력 자료는 지적도, 농업과학기술원의 1:25,000 정밀토양도, 대전시 하수시설물, 대상유역의 위성사진 자료로부터 ArcGIS 9.2 프로그램을 이용하여 추출하였다.
- 7 %가 불투수율로 나타났다. 대상 유역의 특성 자료 및 모형에 필요한 입력데이터는 선행연구(주명호, 2009)에서 연구된 자료를 이용하였으며, 대상 유역의 인공위성 전경과 SWMM 유출모의 구조는 Figure 1과 같다.
- 대상지역은 복합용지인 H 아파트 주변 일대로, 총 면적 및 투수면적과 불투수면적은 각각 125,675.83 m2, 24,662.40 m2(19.62 %), 101,013.43 m2(80.38 %)이고, 투수면적의 이용현황은 아파트내 운동장 및 화단, 학교 운동장, 공원으로 사용하고 있고 불투수면적은 도로, 보도, 아파트 건물, 학교 건물, 주차장으로 이용하고 있다. 대상지역의 토지이용현황은 Table 2에 나타내었으며, 대상 유역의 위성사진은 Figure 2(a)에 나타냈다.
- 본 연구의 대상유역은 대전광역시 유성구 관평동에 위치한 대덕 테크노 밸리로써 2001년 11월에 착공하여 2007년 12월에 준공된 환경 친화적인 복합단지이며, 대덕 테크노 밸리의 중앙으로 갑천 제 1지류인 관평천이 흐르고 있다. 관평천 유역은 유역면적이 10.
- 본 연구의 목적은 금강 수계에 위치한 도시 유역에 대표적인 토지이용 유형에서 불투수면 영향 저감을 위한 다양한 LID 기법을 적용하고, 그 효과를 모의함으로써 유출량과 오염부하 특성에 미치는 영향을 분석하는데 있다. 시범유역은 갑천 유역내에 위치한 관평천 유역과 도시 지역에 대표적으로 나타나는 토지이용 유형인 복합용지를 선택하였다. 관평천 유역은 2007년 12월에 준공된 주거, 상업 및 산업단지로 도시화과정에서 나타나는 전형적인 토지이용 형태를 보여주며, 지금도 도시의 확장에 의한 불투수면적률이 증가하는 추세이다.
- 또한, 불투수면 저감기법 효과 분석을 위해, 갑천유역 내 다양한 지목의 토지유형에 대한 현장 조사를 통하여 불투수율의 기여도가 현저히 높은 대지를 관심토지유형으로 선정하였다. 주요관심토지유형에 대한 물 순환 관리기법의 적용성 평가를 위해 관평천유역내의 H 아파트 일대 복합용지를 선정하였다. 대상 유역의 불투수면 분석 결과는 Table 2에 나타내었다.
데이터처리
- 모형의 보정기간은 2009년 7월 17일, 검증기간은 2009년 8월 11일로 하였으며, 주명호(2009)의 선행 연구에서 측정한 관평천 유역의 실측 자료와 시간별 모의 결과를 비교하여 Figure 4와 Figure 5에 나타내었다. 모형의 오차와 신뢰성 평가는 모의값과 실측값의 선형회귀분석을 통해 상관관계를 판단하는 결정계수(coefficient of determination, R2)와 모의결과에 대해 평균오차를 나타내는 예측오차(Root Mean Square Error, RMSE), Nash and Sutcliffe(1970)에 의해 제안된 모형 효율성 지수(Efficient Index, EI)를 이용하여 평가하였다. R2는 피어슨 상관계수의 제곱으로 표현되며, 실측유량과 모의유량의 분산정도를 설명할 수 있다(Legate and McCabe, 1999).
이론/모형
- 관평천 유역의 SWMM 모형에 적용한 CN값은 미계측 유역의 유효우량 산정에 널리 이용되고 있는 SCS-CN법(USDA-SCS, 1986)을 적용하여 산정하였다. 불투수저감기법 모의에 적용한 CN값은 미국 환경부에서 제시한 LID IMPs별 CN(U.
- 모형에서의 수질모의는 소유역의 토지이용현황에 따른 오염물질의 축적(Build up)과 쓸림(Wash off) 기작에 의해 모의된다. 본 연구에서는 오염원의 축적 모의는 Power Function, 쓸림은 Exponential Washoff 방법을 사용하여 모의하였으며, 유역특성에 맞게 보정을 통하여 Table 8과 같은 값을 입력하였다.
성능/효과
- (1) SWMM 모형은 관평천 유역에서 모형의 보정과 검증 기간에 유출량과 오염물질 농도의 시계열 변화를 적절히 모의하였다. 그러나, 모의대상 유역과 강우관측 지점의 공간적 차이(7km)로 인해 모형 보정 기간에는 유출량 EI 값이 음의 값을 보였으며, 모형의 신뢰도를 높이기 위해서는 대상유역 내 실측 강우 자료를 사용할 필요가 있다.
- (2) 관평천 유역의 불투수면에 대해 투수성 포장과 옥상녹화 기법을 단계별로 적용하고 유출량 및 오염부하 저감에 미치는 영향을 모의한 결과, 유역 내 불투수면이 투수면으로 전환되는 비율이 증가함에 따라 저감 효과가 큰 것으로 나타났다. LID 기법 적용의 정도에 따라서 유출량은 37~89 %의 저감효과를 보였고, TSS, BOD, COD, TN, TP 등의 부하량도 항목별로 최대 60~62 %의 저감효율을 보였다.
- (3) 대상 하천의 대표적 토지이용 형태인 아파트, 학교, 공원 등을 포함한 복합용지에 대해 다양한 LID 기법 적용 효과를 모의한 결과, 관평천 유역과 유사하게 LID 적용 면적 비율이 증가함에 따라 저감효과가 크게 나타났다. 총 유출량은 15~61 %의 저감효과를 보였으며, 오염부하량에 대해서는 TSS 22~72 %, BOD 23~71 %, COD 22~71 %, TN 15~79 %, TP 9~64 %의 저감효율을 나타냈다.
- (4) 불투수면 영향 저감을 위한 LID 및 GI 기법들은 이미 개발이 완료된 도시지역에 적용할 경우 부지확보 등 여러 가지 제약이 있을 수 있으므로, 물 순환 개선을 위한 기존 도시의 재개발과 신도시 설계에 유용하게 적용 가능할 것으로 판단된다.
- (2) 관평천 유역의 불투수면에 대해 투수성 포장과 옥상녹화 기법을 단계별로 적용하고 유출량 및 오염부하 저감에 미치는 영향을 모의한 결과, 유역 내 불투수면이 투수면으로 전환되는 비율이 증가함에 따라 저감 효과가 큰 것으로 나타났다. LID 기법 적용의 정도에 따라서 유출량은 37~89 %의 저감효과를 보였고, TSS, BOD, COD, TN, TP 등의 부하량도 항목별로 최대 60~62 %의 저감효율을 보였다. 그러나 불투수면에 축적된 오염물질의 배출특성이 주로 강우 초기 쓸림 현상(First flush)에 의해 발생하여, 첨두 유량 이후 기저유출이 발생하는 기간에는 부하량의 저감효과가 감소 또는 오히려 부하량이 증가하는 경향을 보였다.
- LID 기법 적용의 정도에 따라서 유출량은 37~89 %의 저감효과를 보였고, TSS, BOD, COD, TN, TP 등의 부하량도 항목별로 최대 60~62 %의 저감효율을 보였다. 그러나 불투수면에 축적된 오염물질의 배출특성이 주로 강우 초기 쓸림 현상(First flush)에 의해 발생하여, 첨두 유량 이후 기저유출이 발생하는 기간에는 부하량의 저감효과가 감소 또는 오히려 부하량이 증가하는 경향을 보였다.
- (3) 대상 하천의 대표적 토지이용 형태인 아파트, 학교, 공원 등을 포함한 복합용지에 대해 다양한 LID 기법 적용 효과를 모의한 결과, 관평천 유역과 유사하게 LID 적용 면적 비율이 증가함에 따라 저감효과가 크게 나타났다. 총 유출량은 15~61 %의 저감효과를 보였으며, 오염부하량에 대해서는 TSS 22~72 %, BOD 23~71 %, COD 22~71 %, TN 15~79 %, TP 9~64 %의 저감효율을 나타냈다.
후속연구
- (5) 본 연구의 결과는 유역의 불투수면 관리 정책개발을 위한 기초정보로 활용될 수 있을 것으로 기대되며, 도시유역의 물순환 개선과 비점 오염부하량 저감을 위한 정책 및 제도 개발을 위해서는 오염총량관리와의 연계가 필요하다. 그리고 국내 실정에 맞는 SWMM 모형의 중요 입력 변수(LID 기법별 CN값, 오염물질 축적 및 쓸림 매개변수 등) 제시를 위한 실험적 연구가 지속적으로 요구된다.
- (5) 본 연구의 결과는 유역의 불투수면 관리 정책개발을 위한 기초정보로 활용될 수 있을 것으로 기대되며, 도시유역의 물순환 개선과 비점 오염부하량 저감을 위한 정책 및 제도 개발을 위해서는 오염총량관리와의 연계가 필요하다. 그리고 국내 실정에 맞는 SWMM 모형의 중요 입력 변수(LID 기법별 CN값, 오염물질 축적 및 쓸림 매개변수 등) 제시를 위한 실험적 연구가 지속적으로 요구된다.
- 따라서 도시화 지역의 불투수면 토지피복 분류 중 가장 높은 비율을 차지하는 주거지역에 대한 상세한 모의가 필요하여 2개의 대상지역을 선정해 모의를 수행 하였습니다. 본 연구 결과는 유역의 불투수면 관리 및 건전한 물순환 시스템 구축을 위한 기초정보를 제공하며, 향후 불투수면 저감관리 기법의 적용에 따른 유역의 수문 및 수질에 미치는 영향 평가, 물 순환 시스템 해석 및 불투수면 저감방안 수립 등 여러 방면으로 활용될 것으로 기대한다.
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