[논문]순환형 도시계획에 따른 LID기술의 물수지 분석

강승희; 허우명; 강상혁

doi:10.5322/jesi.2015.24.8.1065

순환형 도시계획에 따른 LID기술의 물수지 분석
Water Balance Estimate of LID Technique for Circulating Urban Design 원문보기

Journal of environmental science international = 한국환경과학회지, v.24 no.8, 2015년, pp.1065 - 1073

강승희 (강원대학교 방재전문대학원) , 허우명 (강원대학교 환경해양건설공학과) , 강상혁

Abstract ▼ AI-Helper

Urbanization can be significantly affected the hydrologic cycle by increasing flood discharge and heat flux. In order to mitigate these modifications in urban areas, Low Impact Development (LID) technique has been designed and applied in Korea. In order to estimate runoff reduction rate using SWMM LID model, the characteristics of five LID techniques was firstly analyzed for water balance. Vegetated swale and green roof were not reduce flood discharge nor infiltration amount. On the other hand, porous pavement and infiltration trench were captured by infiltration function. The flood reduction rate with LID is substantially affected by their structures and properties, e.g., the percentage of the area installed with LID components and the percentage of the drainage area of the LID components.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 먼저 다양한 형태의 LID요소에 대한 물수지 특성을 파악하였으며 이를 토대로 실제 적용지역을 대상으로 LID배치에 따른 유출율 저감효과에 대해 분석하고 물순환 도시계획 설계를 위한 최적 LID 기술의 설치방안에 대한 방안을 제시하였다.
본 지역은 향후 기후변동 및 저지대인 점을 고려하여 기존의 빈도 강우량보다 많은 30년 빈도의 강우를 대상으로 우수관로가 설계되었다. 또한 이 지역은 저지대이므로 배수가 원활하지 않은 점을 고려하여 식생수로, 투수성 포장, 침투화분 등과 같은 LID요소기술을 적용하여 강우에 따른 유출량을 발생원(on site)에서 저감하고자 계획하였다.

가설 설정

강우초기에는 자유수면을 가지는 개수로의 흐름에서 지속적인 강우가 발생하면 관로의 수위가 상승하여 압력차에 의한 흐름으로 전환되는 것을 고려할 때 적용한다. Dynamic wave법은 저류, Backwater등을 적절히 구현할 수 있으므로 연구에서는 완전 혼합류를 가정한 Dynamic wave법을 선택하였다.
SWMM모형의 흐름은 Steady state, Kinematic wave 및 Dynamic wave법 등의 3가지를 적용할 수 있으나 실제 적용은 Kinematic wave과 Dynamic wave을 채택한다(Daubney, 2014; Rossman, 2010). Kinematic wave 법은 사면구배가 비교적 급할 경우 마찰구배를 사면구배와 같다고 가정하고 하류단의 조건이 상류에 미치지 않음을 전제로 한다. Kinematic wave법은 큰 시간 계산 간격을 가지므로 장기적이 예측에 일반적으로 적용한다.
개발 전 단계에서 개발 후 LID기술을 적용하기 전과 여러 종류의 LID기술을 적용 후의 물수지를 분석하였다. 계산 조건으로는 소유역의 90 %는 불투수층으로 보았고 각각의 LID기술은 소유역 면적의 10 %를 적용하는 것으로 가정하였다.
Kinematic wave법은 큰 시간 계산 간격을 가지므로 장기적이 예측에 일반적으로 적용한다. 이에 비해 Dynamic wave법은 완전 혼합류를 가정할 경우를 가정한다. 강우초기에는 자유수면을 가지는 개수로의 흐름에서 지속적인 강우가 발생하면 관로의 수위가 상승하여 압력차에 의한 흐름으로 전환되는 것을 고려할 때 적용한다.

제안 방법

도시화의 확대에 따른 노면의 포장율 증가는 단기적으로 도시 내 물수지의 불균형을 초래하고 중, 장기적으로는 도시의 열수지 변화를 야기시켜 생태계 전반에 악영향을 주게 된다. LID는 이와 같이 왜곡된 도시의 물순환 체계를 완화하거나 개발 전과 유사한 수문환경을 조성하기 위해 도입되었으며 본 연구에서는 먼저 SWMM 모형에서 구현할 수 있는 개별 LID기술의 침투, 증발 및 유출의 물수지 분석을 동일한 강우와 면적비율을 고려하여 수행하였다.
적정 LID기술을 배치하기 위해서는 먼저 각 LID기술에서 구현할 수 있는 수리 및 수문학적 특성을 파악할 필요가 있다. SWMM5 모형에서 구현할 수 LID기술 중에서 서로 중복되는 기술을 제외한 나머지 5개의 LID기술 (빗물정원, 식생수로, 투수포장, 옥상정원 및 침투트렌치)에 대해 증발, 침투 및 유출량 등 도시 물순환에 관한 수문량을 구하였다. 이 지역은 상업지구이므로 불투수면적은 90 %로 설정하였다.
본 사업지는 현재(Pre-developed) 농경지로 되어 있으나 개발이 되면 일부 녹지 부분을 제외하면 대부분 불투수면으로 바뀌게 된다. 개발 전 단계에서 개발 후 LID기술을 적용하기 전과 여러 종류의 LID기술을 적용 후의 물수지를 분석하였다. 계산 조건으로는 소유역의 90 %는 불투수층으로 보았고 각각의 LID기술은 소유역 면적의 10 %를 적용하는 것으로 가정하였다.
또한 부산 Eco-delta city에 주로 계획된 식생수로와 투수성 포장을 대상으로한 LID기술의 적용 면적별 유출저감 효과분석을 수행하였다. 적용된 2개 기술 모두 적용 면적이 증가해도 우수 유출저감 효과는 유의할 만한 관계가 없는 것으로 분석되었다.
본 시범지구에 적용한 LID기술은 Fig. 4 및 Table 1에 제시한 바와 같이 식생수로와 투수성 포장재를 주로 응용하였으며 도심지의 토지이용 형태를 고려하여 식생수로와 투수성 포장과 같은 단일 LID기술 또는 2가지 기술을 병합한 LID기술을 적용하였다.

대상 데이터

강우자료는 기상청 관할 부산지역의 최근 10년의 강우자료를 이용하여 일강우량의 백분율(percentile)을 구하였다.
EPA의 기준에 따르면 LID의 설계는 95 Percentile에 대한 유출저감 효과를 평가하고 있으나 이 값은 우리나라의 경우와 비교해 볼 때 큰 범위의 강우 스텍트럼이므로 본 사업지구의 경우 80 Percentile의 일강우량을 적용하였다. 부산지역의 최근 10년 80 %에 해당되는 강우량은 Fig. 5와 같이 22.5 mm/d이며 실제 모형에 입력한 강우는 2009년 7월 21일 발생한 21 mm/d를 대상으로 하였다.
투수성 포장은 SWMM-LID에 있는 Porous pavement를 이용하여 구현하였다. Surface, pavement, storage의 값은 SWMM을 이용한 신도시 LID기법 적용에 따른 유출저감효과 분석(Yeon 등, 2014)에서 참고하였다.

이론/모형

투수성 포장은 SWMM-LID에 있는 Porous pavement를 이용하여 구현하였다. Surface, pavement, storage의 값은 SWMM을 이용한 신도시 LID기법 적용에 따른 유출저감효과 분석(Yeon 등, 2014)에서 참고하였다.
식생수로는 바닥 폭 2 m, 상단 폭 5 m, 높이 0.5 m이며, SWMM의 Vegetative swale tool을 이용하여 구현하였다. SWMM의 표준 식생 tool에서는 surface층만 구현 할 수 있으므로 식생수로 하부의 지하 저류 용량은 고려하지 않았다.

성능/효과

Fig. 6(b)의 투수성 포장재의 경우에 있어서는 LID기술의 점유율과 홍수 저감율과의 관계는 별도의 유의성이 없는 것으로 나타났다. 이와 같이 LID기술의 점유율의 증가에도 불구하고 홍수 저감량이 동시에 증가하는 추세를 보이지 않는 주요 원인은 LID기술을 적용하는 구역의 설정에 있다.
대상지역의 개발 전의 토지이용은 대부분 농경지이므로 유출량은 개발 후에 비해 많지 않으나 LID기술을 적용하기 전인 개발 후의 강우 유출량은 급격히 증가하게 된다. 각 LID기술의 물수지 계산 결과를 보면 투수성 포장재와 침투트렌치를 적용했을 경우는 유출량이 급격히 줄어들었지만 식생수로와 옥상정원의 경우는 유출량의 저감효과가 미미하였다. 빗물정원은 침투량과 유출량이 비슷하게 분포하는 것으로 계산되었다.
강우 유출량의 저감효과가 미미한 식생수로와 옥상정원의 경우 침투량도 크지 않은 것으로 나타나 홍수 저감에 있어 큰 기여가 없는 것으로 보인다. 그러나 침투트렌치와 투수성 포장은 유출량의 감소량이 침투량의 증가로 수문량이 전환되었음을 알 수 있었다.
분석 결과, 식생수로와 옥상녹화의 저류 및 침투되는 양은 미미하여 대부분 유출량으로 전환되었다. 그러나 침투트렌치와 투수성 포장은 침투량은 다른 LID기술에 비해 많음으로 유출 저감효과가 큰 것으로 계산되었다. 나머지 빗물정원은 유출과 침투량이 비슷한 분포를 보였다.
옥상정원은 불투수층에 식생 여재를 덮는 구조이므로 유출량의 억제보다는 수질을 정화하는 역할에 더 효율적이다. 반면에 투수성 포장 및 침투 트렌치는 지중 침투량이 표면 유출량보다 많은 것으로 계산되었고 빗물정원은 침투기능과 저류기능을 동시에 가지는 것으로 나타났다. 투수성 포장은 지중으로 우수를 침투시켜 지표수를 일시적으로 저장하도록 설계된다.
분석 결과, 식생수로와 옥상녹화의 저류 및 침투되는 양은 미미하여 대부분 유출량으로 전환되었다. 그러나 침투트렌치와 투수성 포장은 침투량은 다른 LID기술에 비해 많음으로 유출 저감효과가 큰 것으로 계산되었다.
6(a)의 식생수로의 경우 2UC, 3UB 등은 다른 소유역에 비해 LID면적이 차지하는 비율이 많음에도 불구하고 홍수 저감율은 이에 비례하여 크지 않았다. 오히려 LID점유율이 이보다 적은 1UA, 1UE등이 홍수 저감율이 큰 것으로 분석되었다. Fig.
이상의 결과로부터 개발지역의 최적화된 물순환 도시 계획을 수립하기 위한 최적 LID기술의 효과는 각 LID기 술의 특성에 따른 배치, 배수구역의 범위에 크게 영향을 받는 것으로 분석되었다. 그 밖에 LID 적용 배수구역의 토지이용 특성(Schwartz, 2010), LID기술의 수리적인 영향(Blażejewski와 Murat-Blażejewska, 1997).
또한 부산 Eco-delta city에 주로 계획된 식생수로와 투수성 포장을 대상으로한 LID기술의 적용 면적별 유출저감 효과분석을 수행하였다. 적용된 2개 기술 모두 적용 면적이 증가해도 우수 유출저감 효과는 유의할 만한 관계가 없는 것으로 분석되었다. 이에 대한 주된 원인은 LID기술이 설치된 배수 구역으로 유입되는 우수 유출수량이 LID배치 면적과 비례관계에 있지 않기 때문이다.

후속연구

그 밖에 LID 적용 배수구역의 토지이용 특성(Schwartz, 2010), LID기술의 수리적인 영향(Blażejewski와 Murat-Blażejewska, 1997). 등도 유출에 영향을 주는 것으로 보고되어 있으나 이에 대한 연구는 향후 추가적인 연구를 지속하고자 한다.
2와 같이 부산광역시 강서구 명지동, 강동구, 대저2동에 걸쳐 있으며 대부분 논, 밭과 같은 농경지로 구성되어 있어 개발 후에는 불투수층의 증가로 표면 유출량의 증가, 도시 생태계의 변화, 도시 열수지의 지속적인 변화 등 도시환경 전반에 걸쳐 변화가 불가피할 것이다. 본 지역은 향후 기후변동 및 저지대인 점을 고려하여 기존의 빈도 강우량보다 많은 30년 빈도의 강우를 대상으로 우수관로가 설계되었다. 또한 이 지역은 저지대이므로 배수가 원활하지 않은 점을 고려하여 식생수로, 투수성 포장, 침투화분 등과 같은 LID요소기술을 적용하여 강우에 따른 유출량을 발생원(on site)에서 저감하고자 계획하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도시화에 따른 불투수층의 증가가 초래하는 결과는 무엇인가?	도시화에 따른 불투수층의 증가는 강우의 저류, 침투, 증발산 그리고 지하수 함량 등과 같은 물순환시스템에 큰 변화를 초래하며 나아가 비점오염 증가, 도시 열환경의 변화, 생태계 악화 등 도시환경 전반에 걸쳐 자연적인 순환 기능을 변화시킨다.
	도시화에 따른 물순환 체계를 개선하는데 효과적인 방법은 무엇인가?	도시화에 따른 물순환 체계를 개선하기 위해서는 기존의 중앙집중식 우수배제 시스템보다 가능한 유역에 저 류나 침투시켜 도시 내에 순환시키는 우수관리가 개발에 따른 수문현상을 회복하는데 유익할 것이다(Liu 등, 2014). 현재 미국, 독일, 호주, 일본 등 세계 각 국가에서는 빗물을 발생원에서 저류, 침투, 여과시키거나 저류된 우수를 자연 배수하여 이용하는 순환식 우수관리를 지속 가능한 도시관리 차원에서 도입하여 왔다.
	저영향 개발과 유사한 도시 빗물관리 개념에는 무엇이 있는가?	이러한 배경으로 도입된 저영향 개발(Low Impact Development, LID)은 분산형 빗물순환 및 비점오염 저 감과 같은 직접적인 목적뿐만 아니라 부수적으로 친환경성, 지속가능성, 통합관리, 다기능성, 에너지 효율성을 달 성하고자 1990년대 초반 미국을 중심으로 도입하기 시 작하였다. 영국의 SUDS (Sustainable Urban Drainage System), 호주의 WSUD (Water Sensitive Urban Design), 뉴질랜드의 LIUDD (Low impact urban design and development), 일본의 DFCP(Distributed Flood Control Policy) 등은 LID와 유사한 도시 빗물관리 개념이다 .

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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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