지표유출수 분석을 통한 상습침수유역의 분산식 우수관리통로 설계 Designing a Decentralized Stormwater Management Corridor for a Flood-Prone Watershed using Surface Runoff Analysis원문보기
우리나라의 상당수의 도시지역에서 급격한 도시화로 인한 불투수면의 증가와 노후화된 하수관망으로 집중강우 시 상습적인 침수피해가 반복되고 있다. 그러나 하류지역의 하수관 크기를 확장하거나, 펌프장을 추가하는 등 배수계통의 수용량을 늘리는 기존의 중앙집중식 우수관리체계는 유역 전반에 걸쳐 일어난 도시화와 기후변화로 인한 강수량의 증가로 인한 지표유출수 문제를 근본적으로 개선하지 못하고 있다. 따라서 도시홍수 요인에 대응하는 지속가능한 우수관리방식으로 기존의 배수체계를 유지하면서 지표유출수를 최소화하고 지표면의 저류효과를 극대화하는 분산식 우수관리체계의 필요성이 요구된다. 본 연구에서는 최근 침수피해가 가중되고 있는 상습침수지역에 분산식 우수관리체계를 적용하는 것을 목적으로, 대상지의 조건에 적합한 다양한 우수유출저감기법을 활용하여 상류 중류 하류에 걸쳐 조성되는 우수관리통로(Stormwater Managemnt Corridor)를 제안하였다. 연구방법으로는 수정합리식(Modified Rational Method)을 이용하여 대상지 유역 전반의 지표유출수의 발생패턴을 정량적으로 도출하였고, 연구대상지인 동두천시의 중앙동 및 생연동 지역의 지형 및 토지피복, 토양의 자연적 특성과 수계를 분석하여 유역별 특성에 따라 6가지 유형의 설계전략을 적용하였다. 연구결과는 배치도와 단면도, 상세설계도로 제시하였고, 설계안을 통해 저류가 가능한 지표유출수량을 도출함으로써 설계의 예상효과를 검증하였다. 본 연구를 통해 주로 토목적인 측면에서 계획되어왔던 우수관리체계를 조경적 관점에서 계획, 설계, 검증함으로써 도시의 그린 인프라스트럭쳐로서의 오픈스페이스의 기능적 가치를 제고하고, 상습침수지역의 지속가능한 계획과 관리에 기여하고자 한다.
우리나라의 상당수의 도시지역에서 급격한 도시화로 인한 불투수면의 증가와 노후화된 하수관망으로 집중강우 시 상습적인 침수피해가 반복되고 있다. 그러나 하류지역의 하수관 크기를 확장하거나, 펌프장을 추가하는 등 배수계통의 수용량을 늘리는 기존의 중앙집중식 우수관리체계는 유역 전반에 걸쳐 일어난 도시화와 기후변화로 인한 강수량의 증가로 인한 지표유출수 문제를 근본적으로 개선하지 못하고 있다. 따라서 도시홍수 요인에 대응하는 지속가능한 우수관리방식으로 기존의 배수체계를 유지하면서 지표유출수를 최소화하고 지표면의 저류효과를 극대화하는 분산식 우수관리체계의 필요성이 요구된다. 본 연구에서는 최근 침수피해가 가중되고 있는 상습침수지역에 분산식 우수관리체계를 적용하는 것을 목적으로, 대상지의 조건에 적합한 다양한 우수유출저감기법을 활용하여 상류 중류 하류에 걸쳐 조성되는 우수관리통로(Stormwater Managemnt Corridor)를 제안하였다. 연구방법으로는 수정합리식(Modified Rational Method)을 이용하여 대상지 유역 전반의 지표유출수의 발생패턴을 정량적으로 도출하였고, 연구대상지인 동두천시의 중앙동 및 생연동 지역의 지형 및 토지피복, 토양의 자연적 특성과 수계를 분석하여 유역별 특성에 따라 6가지 유형의 설계전략을 적용하였다. 연구결과는 배치도와 단면도, 상세설계도로 제시하였고, 설계안을 통해 저류가 가능한 지표유출수량을 도출함으로써 설계의 예상효과를 검증하였다. 본 연구를 통해 주로 토목적인 측면에서 계획되어왔던 우수관리체계를 조경적 관점에서 계획, 설계, 검증함으로써 도시의 그린 인프라스트럭쳐로서의 오픈스페이스의 기능적 가치를 제고하고, 상습침수지역의 지속가능한 계획과 관리에 기여하고자 한다.
Many urban areas in Korea suffer from repeated flood damage during intensive rainfall due to an increase in impervious areas caused by rapid urbanization and deteriorating sewage systems. A centralized stormwater management system has caused severe flood damage in an area that has proven unable to a...
Many urban areas in Korea suffer from repeated flood damage during intensive rainfall due to an increase in impervious areas caused by rapid urbanization and deteriorating sewage systems. A centralized stormwater management system has caused severe flood damage in an area that has proven unable to accommodate recent climate change and a rise in precipitation. Most flooding prevention projects that have been recently implemented focus on increasing drainage system capacity by expanding the size of sewer pipes and adding pumping stations in downstream areas. However, such measures fail to provide sustainable solutions since they cannot solve fundamental problems to reduce surface runoff caused by urbanization across the watershed. A decentralized stormwater management system is needed that can minimize surface runoff and maximize localized retention capacity, while maintaining the existing drainage systems. This study proposes a stormwater management corridor for the flood-prone watershed in the city of Dongducheon. The corridor would connect the upstream, midstream, and downstream zones using various methods for reducing stormwater runoff. The research analyzed surface runoff patterns generated across the watershed using the Modified Rational Method considering the natural topography, land cover, and soil characteristics of each sub-watershed, as well as the urban fabric and land use. The expected effects of the design were verified by the retainable volume of stormwater runoff as based on the design application. The results suggest that an open space network serve as an urban green infrastructure, potentially expanding the functional and scenic values of the landscape. This method is more sustainable and effective than an engineering-based one, and can be applied to sustainable planning and management in flood-prone urban areas.
Many urban areas in Korea suffer from repeated flood damage during intensive rainfall due to an increase in impervious areas caused by rapid urbanization and deteriorating sewage systems. A centralized stormwater management system has caused severe flood damage in an area that has proven unable to accommodate recent climate change and a rise in precipitation. Most flooding prevention projects that have been recently implemented focus on increasing drainage system capacity by expanding the size of sewer pipes and adding pumping stations in downstream areas. However, such measures fail to provide sustainable solutions since they cannot solve fundamental problems to reduce surface runoff caused by urbanization across the watershed. A decentralized stormwater management system is needed that can minimize surface runoff and maximize localized retention capacity, while maintaining the existing drainage systems. This study proposes a stormwater management corridor for the flood-prone watershed in the city of Dongducheon. The corridor would connect the upstream, midstream, and downstream zones using various methods for reducing stormwater runoff. The research analyzed surface runoff patterns generated across the watershed using the Modified Rational Method considering the natural topography, land cover, and soil characteristics of each sub-watershed, as well as the urban fabric and land use. The expected effects of the design were verified by the retainable volume of stormwater runoff as based on the design application. The results suggest that an open space network serve as an urban green infrastructure, potentially expanding the functional and scenic values of the landscape. This method is more sustainable and effective than an engineering-based one, and can be applied to sustainable planning and management in flood-prone urban areas.
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문제 정의
, 2012). 따라서, 본 연구에서는 집중강우 시 발생하는 지표유출수를 일정시간 수용할 수 있는 저류공간을 유역 전반에 걸쳐 우선적으로 확보하고, 수용량을 초과하는 부분에 대해서 기존 하수처리체계와 연계하는 다중적인 구조의 우수유출저감시설을 제안하였다. 기존의 배수체계를 유지하면서 지표유출수를 최소화하고, 지표면의 저류효과를 극대화하는 목적으로 설계된 우수유출저감시설은 우수관 분리 및 확장이 어려운 대상지에 물리적인 측면에서의 수용량 확대와 더불어 유역 전체를 아우르는 통합적인 접근 방식을 제시하면서 기존 배수계통과 연계된 제 2의 배수시스템으로 도시의 그린 인프라스트럭쳐의 역할을 담당할 수 있을 것이다.
본 연구의 한계점은 지표유출수 분석을 위해 사용한 수정합리적 방식의 정밀도가 높지 않기 때문에, 제안한 우수저감시설의 규모가 실제 필요한 용량보다 큰 규모로 책정되었을 가능성이 높고, 따라서 구체적인 계획안을 실행하기 전에는 반드시 전문적인 수문학적 검토가 수반되어야 한다는 것이다. 본 연구를 통해 주로 토목적인 측면에서 계획되어왔던 우수관리체계를 조경적 관점에서 계획, 설계, 검증함으로써 도시의 그린 인프라스트럭쳐로서의 오픈스페이스의 기능적 가치를 제고하고, 상습침수지역의 지속가능한 계획과 관리에 기여할 수 있다는 점에서 연구의 의의를 찾을 수 있다.
본 연구에서는 동두천시의 상습적인 침수지역의 토지피복, 토양, 수계를 고려한 지표유출수의 분석을 통해 기존 우수처리시스템의 효율성을 높이고, 이를 보조하는 역할을 하는 분산식 우수저감시설인 우수관리통로(Stormwater Management Corridor)를 제안하였다. 새롭게 계획된 우수관리통로는 유역 전반에 걸쳐 지표유출수의 물리적인 저류공간을 확보하고, 투수성을 고려한 설계기법을 활용하여 도시의 그린 인프라스트럭처로서의 기능을 제고하는 것을 목적으로 한다.
, 2005). 본 연구의 목적은 유역 전체에서 발생하는 지표유출수의 부피를 기초로 한 다양한 형태의 우수유출저감 방안을 연구하는데 있으므로 수정합리식이 합리식보다 적합한 연구방법이라고 판단하였다.
본 연구에서는 동두천시의 상습적인 침수지역의 토지피복, 토양, 수계를 고려한 지표유출수의 분석을 통해 기존 우수처리시스템의 효율성을 높이고, 이를 보조하는 역할을 하는 분산식 우수저감시설인 우수관리통로(Stormwater Management Corridor)를 제안하였다. 새롭게 계획된 우수관리통로는 유역 전반에 걸쳐 지표유출수의 물리적인 저류공간을 확보하고, 투수성을 고려한 설계기법을 활용하여 도시의 그린 인프라스트럭처로서의 기능을 제고하는 것을 목적으로 한다. 이는 하수관의 규모를 늘리고 펌프장을 증설하는 것을 중심으로 하는 기존의 침수대응책에서는 얻을 수 없는 경관적인 측면과 녹지의 활용도를 높인 이용적인 측면을 동시에 얻을 수 있다.
예를 들면, 지표유출수의 발생량이 상대적으로 많은 B, C, I, P, O구역에서는 지표유출수의 흐름을 일시적 또는 영구적으로 지체시키는 방법이 중요한 부분으로 고려되었다. 유역 전체의 침수량을 해결하기 위해 본 연구에서는 각 소유역의 상호 작용을 활용하여 지표유출수 경로를 따라 유역 전체를 연결하는 선형의 분산식 우수저감시설인 우수관리통로(Stormwater Management Corridor)를 제안하였다(Figure 5 참조). 우수관리통로는 상류, 중류, 하류에 해당하는 각각의 공간적 특성에 따라 다양한 방식으로 기존 배수시스템을 보조하며, 우수관리의 효율성을 높이고, 고지대와 저지대의 식생과 경관을 연결하고, 지표유출수의 자연적 정화를 유도하는 오픈 스페이스의 역할을 수행한다.
제안 방법
합리식은 Q=CiA라는 간단한 수식을 기초로 하는데, 여기에서 Q는 첨두유량(Peak Discharge), C는 유출계수(Runoff coefficient), i는 강우강도(Rainfall intensity), A는 유역의 면적을 나타낸다.(Strom, 2010) 본 연구에서는 합리식을 기반으로 하는 수정합리식(Modified Rational Method)을 이용하여 대상지에서 발생하는 지표유출수의 유출량을 산출하고, 우수관리시설의 규모를 계획하였다. 미터법으로 단위를 환산하여 국내외에서 통용되고 있는 수정합리식은 식 1로 계산된다(Strom, 2010).
3단계에 해당하는 Stitching은 기존의 고지배수로와 우수관리통로의 연결에 집중한 전략이다. 1단계 전략이 미치지 않는 다른 범위에서 퇴적물이 흘러들어와 고지배수로가 만관될 경우를 대비하여 집중강우 시 범람하는 물이 연결되어 있는 투수성 포장면을 통해 우수관리통로로 유입될 수 있도록 계획하였다.
유역의 전체의 물흐름을 조절하기 위해서는 우수관리를 위한 전반적인 시스템의 구축이 필요하다. Netting 전략을 적용하는 대상지는 기존 도로와 보행로에 해당하는 영역으로 유역 전체를 대상으로 하는 대규모의 사업이므로, 앞에서 제안한 3단계의 전략이 먼저 실행된 후에 점차적으로 진행한다. Netting에서 제안하는 시스템은 정화 비오톱(cleansing biotope)의 개념이 적용된 트렌치로 보행로를 따라 선형으로 설계되며, 지표유출수를 임시적으로 저류하는 기능과 오염도를 저감시키는 효과를 가지고 있다.
Table 1의 유출계수(C)에 따른 면적값(A)과 16개 구역으로 재편성된 유달시간을 기준으로 재현기간 100년의 강우강도(I)자료와 100년 단위의 강우에 해당하는 선행강수량(CA)인 1.25를 수정합리식에 대입하여 각 구역에서 발생한 첨두유출량과 지표유출수의 최대량을 수정합리식 공식을 이용하여 Table 3과 같이 구하고, 이를 기초로 각 구역에서 우수저감시설 설계로 수용하려고 하는 목표저류량을 수식 Volume(m3)=Q × TC × 60으로 산출하였다.
대상지에 적합한 우수저감시설의 유형과 위치를 결정하기 위해서 한국수자원관리 종합정보시스템에서 제공하는 토양도를 이용하여 대상지의 토질과 투수성에 따라 Figure 4와 같이 구분하였다6). 상류지역의 토양은 대부분 사양질 또는 식양질로 구성되어 있어 비교적 배수가 원활한 지역이고, 고지배수유역의 유달경로 주변 지역은 자갈이 있는 사양질 토양으로 배수가 일부 제한적인 지역이다.
산지에서부터 내려온 지표유출수는 완만한 경사를 만나면서 운반해온 각종 이물질과 토사가 퇴적되고, 기존의 배수계통으로 유입되어 막힘 현상을 유발한다. 따라서 상류로 분류한 지역의 설계안은 기존 배수관에 영향을 주지 않는 범위에서 의도된 위치에 퇴적물을 안착시키고, 중류로 흘러드는 물을 일시적으로 저류하여 저지대의 하수관의 부하를 감소시키는 설계안을 제안하였다(Figure 6 참조).
지표유출수 발생 정도를 고려했을 때, 면상류 발생범위에서 임시저류시설을 만들어서 속도를 최대한 줄이고, 저류된 공간안에서 퇴적물을 침전시키는 방식의 설계가 요구된다. 따라서 상류지역의 수계가 3번의 흐름을 형성하기 전에 의도적으로 장애물을 배치하여 물의 흐름을 분산시키는 방법을 사용하였다(Figure 7b 참조). 이 때 의도적인 장애물이란 현재 대상지가 갖추고 있는 기반시설의 형태를 바탕으로 기존의 마을 구조와 보행로의 형태를 보완하고 수정하여 단절된 부분을 이어주는 그물망 형태로 구성한 것이다.
Braiding은 유역 내 가장 높은 지대에 적용되는 전략으로 직접적인 침수 피해는 없지만, 사방으로 높은 경사의 산지가 둘러싸고 있고, 가운데 위치한 면상류 발생 예상범위의 경계지점부터 완경사의 대지가 이어지므로 산지로부터 흘러내려오는 토사와 이물질이 퇴적되면서 배수관망을 막을 가능성이 크다. 따라서 수로의 흐름을 연결하고, 그물망 구조로 재구성하여 산지로부터 유입되는 물의 유속을 늦추는 동시에 퇴적물을 걸러낼 수 있는 방안을 제안하였다. Braiding은 면상류 발생의 근원을 해결하는 방법이므로 가장 우선적으로 행해져야 한다.
특히 수로배수에 의한 유역은 대부분의 유달시간이 5분 미만이므로 세분화된 유역으로는 해당 강우강도값을 구하기 어렵다. 따라서 작은 유역의 수계가 서로 만나는 지점을 중점으로 여러 갈래로 분화된 소유역들을 한 단계 넓은 범위의 유역으로 합쳐서 여러 개의 유달경로가 하나의 구역에 포함되도록 총 48개의 소유역을 A에서 P까지의 16개 구역으로 조정하였다(Table 3 참조). 이러한 조합방식에 따라 각 구역에서 가장 높은 지점에서 가장 낮은 지점까지의 거리가 가장 먼 경로를 찾아 조정된 구역을 해석하는 유달시간으로 선정하였다.
중류는 상류에서 발생한 유출수를 하류로 흘려보내는 길고 좁은 형태의 통로 역할을 하는데, 배수가 원활하지 못할 경우 막대한 양의 지표유출수가 발생한다. 따라서 주수로와 함께 보조수로를 계획하여 유출수량을 분담하고, 상류의 물이 중류로 유입되는 경로에 유출수가 저류될 수 있는 공간을 확보하였다. 구체적인 설계전략으로는 수계 1번에 해당하는 지류들이 수계 2번 또는 3번의 흐름을 형성하기 전에 생태저류수로(bio-retention swale)로 유입시킨다.
생태저류수로는 우수관리통로의 중앙 수로에 해당하는 공간으로 단면의 구성은 오염물 정화효과가 있는 여러 층으로 이루어져 있다. 또한 생태저류수로에서 이어지는 지점에는 습지공원을 배치하여 물의 흐름이 꺾이면서 발생하는 퇴적물을 수용하고, 유속 저감과 유출수 저감의 효과와 지표유출수의 저류공간을 확보하였다.
본 연구에서 제안하는 설계안은 집중강우 시 빈번하게 발생하는 하수관의 막힘 현상, 고지배수로의 만관, 펌프시설의 작동 중지 등의 상황이 발생했을 때 대상지에 발생하는 면상류(sheet flow) 관리에 초점을 맞추고 있기 때문에, 지면배수(Overland flow)와 지형에 의해 형성된 자연적 수로배수(Watercourse flow)의 경우로 분류하여 유달시간을 계산하였다. 물이 흘러가는 경로 중 최장거리에 해당하는 유달시간(time of concentration)을 찾아 강우재현기간의 강우강도에 따라 지표유출수의 최대속도와 양을 유역별로 도출한 결과, 지면배수영역의 경우 평균 유달시간이 자연적 수로배수영역에서의 유달시간보다 현저히 긴 것을 알 수 있다.
본 연구에서 활용한 우수저감설계기법으로 우수관리통로의 상류지역에 제안된 Braiding 전략은 영구저류연못(Retention pond), 투수성 임시저류시설(Detention/Infiltration basin), 안정화 연못(Settling pond) 등의 우수저감시설을 통해 대상지에 적용되었다. 중류지역에는 New Axis 전략인 생태저류수로(Bio-retention swale), Stitching 전략인 투수성 포장(Porous pavement), Networking 전략인 정화 비오톱 트렌치(Cleansing biotope trench)를 도입하였다.
동두천시는 하류지역의 하수관 크기를 확장하고 펌프장을 추가하는 대책사업을 착수하였으나, 이러한 해결방식은 유역 전반에 걸쳐 일어난 도시화로 인한 지표유출수 문제를 근본적으로 개선하지 못하기 때문에 지속가능한 해결책이 될 수 없다는 한계점을 가진다. 본 연구에서는 동두천시의 상습적인 침수지역을 포함하는 유역 전반을 중심으로 상류, 중류, 하류 지역의 지표유출수를 정량적으로 분석하고, 이를 근거로 유역별 분산식 우수관리체계의 규모와 형태를 계획하여 가용부지를 중심으로 배치한 저류형 오픈 스페이스 네트워크를 제안하였다.
이 때 의도적인 장애물이란 현재 대상지가 갖추고 있는 기반시설의 형태를 바탕으로 기존의 마을 구조와 보행로의 형태를 보완하고 수정하여 단절된 부분을 이어주는 그물망 형태로 구성한 것이다. 설계범위에 해당되는 대지는 현재 도시농업으로 이용되고 있는 전답지로, 유역 전체에서 밀도가 가장 낮고 현재 예정된 사업계획이 없기 때문에 현재의 프로그램을 최대한 유지하면서 강우 시 일부 대지가 일시적 저류공간으로 활용될 수 있도록 설계하였다.
수계번호에 따른 분석(Figure 3 참조)과 토양의 상태(Figure 4 참조), 그리고 지표유출수 발생 패턴을 기초로 대상지를 상류, 중류, 하류로 구분하였다. 유역 내 표고, 유달 경로, 경사도 등 각 유역이 가진 환경적 특성을 바탕으로 하여 설계 전략에서 제시한 6개의 유형을 각 유역에 적용하고, 다양한 전략의 조합과 상호작용을 배치도와 단면도, 상세설계도를 통해 유역별 우수저감 설계안을 제안하였다.
마지막 단계로 비오톱 트렌치를 거친 물은 hydro-corridor의 중심축인 생태저류수로(bio-retention swale)로 유입된다. 수로의 양쪽 가장자리를 따라 비오톱 조성 범위를 확보하여 도시지역과 중앙공원의 경계에 배치하였다. 이는 생태저류수로로 유입되는 지표유출수의 수질 관리와 범람원 확보를 위한 것으로 공원의 친수성 증진의 효과가 있다.
수정된 합리식을 통해 환경부에서 제공하는 토지피복도 중 가장 최근에 제작된 2009년도 토지피복현황을 사용하여 대상지의 지표유출수 발생과정을 분석하였다(Table 1 참조). 가장 큰 면적을 차지하는 피복분류는 경사가 급한 산지의 면적으로 고지배수유역에서 발생하는 지표유출수의 총량 중 산지로부터 유출되는 양이 상당함을 예상할 수 있다.
우수관리통로(Stormwater Management Corridor)의 개념을 설계안에 적용하기 위해서 본 연구는 다양한 우수저감설계기법을 유역별 특성에 따라 유형화하고, 이를 단계적 조성 과정을 위한 6개의 설계전략으로 제시하였다(Table 4 참조)
수계번호에 따른 분석(Figure 3 참조)과 토양의 상태(Figure 4 참조), 그리고 지표유출수 발생 패턴을 기초로 대상지를 상류, 중류, 하류로 구분하였다. 유역 내 표고, 유달 경로, 경사도 등 각 유역이 가진 환경적 특성을 바탕으로 하여 설계 전략에서 제시한 6개의 유형을 각 유역에 적용하고, 다양한 전략의 조합과 상호작용을 배치도와 단면도, 상세설계도를 통해 유역별 우수저감 설계안을 제안하였다.
첫 번째는 각 전략에 따라 계획된 우수저감시설을 통해 추가적으로 처리할 수 있는 저류용량을 증가시키는 것이고, 두 번째는 기존 하수관 시스템의 효율성 향상, 토지피복측면에서 투수면의 확장과 불투수면의 감소, 유달시간의 증가 등으로 지표유출수의 유입량을 축소시키는 것이다. 유입량의 축소에는 측정 불가한 다양한 비교 변수가 존재하기 때문에, 본 연구에서는 수정합리식을 이용하여 우수저감시설의 규모를 결정하는 일시적인 저류용량을 정량적으로 산출하고, 유역별 설계전략에 부합하는 다양한 우수저감기법을 활용하여 설계안의 효과를 예상하였다(Table 5 참조).
구체적인 설계전략으로는 수계 1번에 해당하는 지류들이 수계 2번 또는 3번의 흐름을 형성하기 전에 생태저류수로(bio-retention swale)로 유입시킨다. 이때 저류규모는 통수효과를 배제하고 일시적으로 저류가능한 최대용량을 기초로 산정하였다. 생태저류수로는 우수관리통로의 중앙 수로에 해당하는 공간으로 단면의 구성은 오염물 정화효과가 있는 여러 층으로 이루어져 있다.
따라서 작은 유역의 수계가 서로 만나는 지점을 중점으로 여러 갈래로 분화된 소유역들을 한 단계 넓은 범위의 유역으로 합쳐서 여러 개의 유달경로가 하나의 구역에 포함되도록 총 48개의 소유역을 A에서 P까지의 16개 구역으로 조정하였다(Table 3 참조). 이러한 조합방식에 따라 각 구역에서 가장 높은 지점에서 가장 낮은 지점까지의 거리가 가장 먼 경로를 찾아 조정된 구역을 해석하는 유달시간으로 선정하였다. Table 1의 유출계수(C)에 따른 면적값(A)과 16개 구역으로 재편성된 유달시간을 기준으로 재현기간 100년의 강우강도(I)자료와 100년 단위의 강우에 해당하는 선행강수량(CA)인 1.
임시 저류 비오톱은 임시저류시설과 정화효과가 있는 비오톱이 복합된 것으로 기능적인 측면에서는 빗물정원과 유사하며, 배수가 원활하지 못한 대지에 지표유출수를 임시로 저류했다가 서서히 배출시키는 시설이다. 주로 기존 하수관망의 교차 지점이나 막다른지점에 배치하여 소규모 공원의 형태로 설계가 가능하며, 집중강우 시 발생하는 유출수의 양이 하수관의 수용량을 초과할 경우, 넘치는 물이 임시저류 비오톱으로 유입되도록 설계하였다.
본 연구에서 활용한 우수저감설계기법으로 우수관리통로의 상류지역에 제안된 Braiding 전략은 영구저류연못(Retention pond), 투수성 임시저류시설(Detention/Infiltration basin), 안정화 연못(Settling pond) 등의 우수저감시설을 통해 대상지에 적용되었다. 중류지역에는 New Axis 전략인 생태저류수로(Bio-retention swale), Stitching 전략인 투수성 포장(Porous pavement), Networking 전략인 정화 비오톱 트렌치(Cleansing biotope trench)를 도입하였다. 하류지역에는 Thickening 전략의 정화 비오톱(Cleansing biotope)과 De-centralizing 전략의 임시저류 비오톱(Cleansing biotope/Detention basin) 및 지면배수로(detention swale)를 대상지에 적용하였다(Figure 5 참조).
따라서 하류는 직접적인 침수피해를 입는 지역으로 하수관의 용량미달로 인한 역류현상을 수용할 수 있는 단계적인 배수시스템 계획이 필요한 영역이다. 하류지역의 우수관리통로는 우수의 흐름을 다음의 3단계에 걸쳐서 관리하도록 제안하였다.
대상 데이터
5mm가 관찰되었다. 각 유역의 강우강도(I)에 따라 설계에 적용할 강우재현기간을 설정하기 위해서 국토해양부에서 제공하는 강우량과 강우강도에 관한 자료를 참고하였다4). 이 수치는 국토해양부의 확률강우량 자료를 기준으로 했을 때 100년 주기의 강우량과 가장 유사하므로, 본 연구에서도 대상지의 지표유출수 분석에 100년 재현주기의 수치를 강우강도로 이용하였다.
대상지인 경기도 동두천시 생연동과 중앙동 일대의 상습침수지역은 동쪽의 능선, 서쪽의 신천, 북쪽의 동두천천을 경계로 하여 합류식 하수관망으로 우수를 관리하고 있으며, 이는 남쪽의 분류식 우수관리시스템 유역과 구분된다. 대상지의 선정이유는 첫째, 건물 노후도가 높은 상습적 침수지역이나 거주민의 소득수준이 낮은 지역으로 구체적인 재개발계획이나 하수관망 개선방안이 부재하고, 둘째, 유입점과 유출점의 거리가 비교적 짧고, 유역구분이 명확하여 침수피해의 원인 규명과 계획의 검증이 가능한 지역이기 때문이다.
성능/효과
그 결과, 100년 주기의 홍수시 대상지에 발생하는 총 지표유출수량을 목표치로 하여 유형별 시설의 규모를 정한 후, 단계적으로 모든 전략을 실행에 옮겼을 때 목표수용량인 51,761m³을 충분히 수용하는 계획수용량 56,122m³이 확보되었음을 확인할 수 있다.
대상지의 강우량은 최근 해마다 증가하여 2012년 집중강우시기에는 약 10년 주기에 해당하는 1시간 최대 강우량 81mm과 약 100년 빈도로 추정되는 3시간 최대 강우량 206.5mm, 그리고 24시간 최대 강우량 449.5mm가 관찰되었다. 각 유역의 강우강도(I)에 따라 설계에 적용할 강우재현기간을 설정하기 위해서 국토해양부에서 제공하는 강우량과 강우강도에 관한 자료를 참고하였다4).
본 연구에서 제안하는 설계안은 집중강우 시 빈번하게 발생하는 하수관의 막힘 현상, 고지배수로의 만관, 펌프시설의 작동 중지 등의 상황이 발생했을 때 대상지에 발생하는 면상류(sheet flow) 관리에 초점을 맞추고 있기 때문에, 지면배수(Overland flow)와 지형에 의해 형성된 자연적 수로배수(Watercourse flow)의 경우로 분류하여 유달시간을 계산하였다. 물이 흘러가는 경로 중 최장거리에 해당하는 유달시간(time of concentration)을 찾아 강우재현기간의 강우강도에 따라 지표유출수의 최대속도와 양을 유역별로 도출한 결과, 지면배수영역의 경우 평균 유달시간이 자연적 수로배수영역에서의 유달시간보다 현저히 긴 것을 알 수 있다. 즉, 수로배수영역에서 발생한 지표유출수의 유속을 최대한 감소시키는 것이 지면배수영역에서 처리할 유출수를 최소화하여 저지대의 침수피해를 감소시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.
물이 흘러가는 경로 중 최장거리에 해당하는 유달시간(time of concentration)을 찾아 강우재현기간의 강우강도에 따라 지표유출수의 최대속도와 양을 유역별로 도출한 결과, 지면배수영역의 경우 평균 유달시간이 자연적 수로배수영역에서의 유달시간보다 현저히 긴 것을 알 수 있다. 즉, 수로배수영역에서 발생한 지표유출수의 유속을 최대한 감소시키는 것이 지면배수영역에서 처리할 유출수를 최소화하여 저지대의 침수피해를 감소시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.
후속연구
본 연구의 한계점은 지표유출수 분석을 위해 사용한 수정합리적 방식의 정밀도가 높지 않기 때문에, 제안한 우수저감시설의 규모가 실제 필요한 용량보다 큰 규모로 책정되었을 가능성이 높고, 따라서 구체적인 계획안을 실행하기 전에는 반드시 전문적인 수문학적 검토가 수반되어야 한다는 것이다. 본 연구를 통해 주로 토목적인 측면에서 계획되어왔던 우수관리체계를 조경적 관점에서 계획, 설계, 검증함으로써 도시의 그린 인프라스트럭쳐로서의 오픈스페이스의 기능적 가치를 제고하고, 상습침수지역의 지속가능한 계획과 관리에 기여할 수 있다는 점에서 연구의 의의를 찾을 수 있다.
이는 지표유출수의 물리적인 양에 초점을 둔 계획으로, 대규모의 유역 전반에서 발생하는 지표유출수를 저지대에 국한된 설비의 증량으로 해결하려는 계획이다. 하지만 현재 대상지의 배수관 용량이 지선 5년, 간선 10년 빈도 이하인 상황에서 2012년 집중호우와 같은 홍수가 재현될 경우, 배수능력이 향상되더라도 일부 저지대의 침수, 도로 등의 지속적인 노면침수현상은 불가피할 것으로 예상되어 도시홍수에 대한 보다 근본적이고 지속가능한 해결방안이 모색되어야 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
도시의 침수피해 가능성은 매년 상승하는 이유는?
도시화의 진행에 따른 불투수면의 급증과 기후 변화로 인한 강우량의 증가로 도시의 침수피해 가능성은 매년 상승하고 있다. 지난 40여 년 간 우리나라 도시의 불투수면은 지속적으로 증가하였고, 임야와 수계를 제외한 전 국토의 22.
기존의 배수체계의 문제점은?
4%가 불투수면으로 나타났다1). 또한 과거의 강수량을 기준으로 설계된 기존의 배수체계는 최근 발생빈도가 증가하고 있는 100년 주기 홍수의 강우량을 수용하지 못하고 있다. 이에 정부는 공공치수시설의 우수관 및 빗물펌프장의 신설과 수용량 증가를 위해 지하에 대형 저류조를 매설하는 방식으로 상습침수지역의 침수피해를 저감하려는 노력을 기울이고 있다2).
기존의 배수체계의 문제를 해결하기 위한 방안은?
또한 과거의 강수량을 기준으로 설계된 기존의 배수체계는 최근 발생빈도가 증가하고 있는 100년 주기 홍수의 강우량을 수용하지 못하고 있다. 이에 정부는 공공치수시설의 우수관 및 빗물펌프장의 신설과 수용량 증가를 위해 지하에 대형 저류조를 매설하는 방식으로 상습침수지역의 침수피해를 저감하려는 노력을 기울이고 있다2). 그러나 실제 도시에서의 홍수발생 과정을 검토해보면, 하수관 자체의 수용량 문제 이외에 지표유출수(surface runoff)가 지표면에서 하수관으로 흘러들어가는 과정에서 함께 유입되는 이물질에 의해 발생한 막힘 현상이 저지대의 역류를 발생시키고, 그 과정에서 고지대의 면상류가 저지대로 유입되는 경우가 빈번하다.
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