[국내논문]도시 물 문제 저감을 위한 회복탄력적 사회기반시설 구축: 1. 도시 홍수 문제 구조적 대안의 내구성 평가 Establishment of Resilient Infrastructures for the Mitigation of an Urban Water Problem: 1. Robustness Assessment of Structural Alternatives for the Problem of Urban Floods원문보기
도시 내 인구집중과 기후변화로 인해 다양한 형태의 도시 물 문제가 발생한다. 이에 대한 피해 예방과 사회적 손실 최소화를 위해 회복탄력적인 대안 수립이 필요하다. 본 연구는 도시 물 문제 저감을 위한 회복탄력적 사회기반시설 구축 전략 수립에 관한 기초연구로서, 대표적인 도시 물 문제 중 하나인 도시홍수를 사례로 하여 구조적 대안의 내구성을 평가하였다. 내구성 평가를 위한 지표로 내구성 지수 (robustnessindex, RI) 및 비용지수 (cost index, CI)를 결합한 내구성-비용지수 (robustness cost index, RCI)를 제안하고, 이를 강남역 상습침수구역에 적용하여 기존 기반시설과 구조적 대안 (하수관거 확충, 저류조 설치, 옥상녹화)을 평가하였다. 그 결과, 2~20년 빈도의 강우강도범위에서 저류조와 옥상녹화설치가 상대적으로 높은 RCI 값을 나타내었고 두 대안 중 RCI가 보다 높은 대안은 강우강도에 따라 달라지는 경향을 보였다. 30년 빈도 강우강도에 대하여는 저류조와 옥상녹화를 병용 설치하는 대안이 가장 높은 RCI 값을 나타내어 가장 회복탄력적인 대안으로 확인되었다. 최종적으로 재해의 계획규모에 따른 현행 사회기반시설의 내구성 평가 및 최적의 구조적 대안 선택 절차를 수립하여, 도시홍수 문제에 대한 회복탄력적 사회기반시설 구축 전략을 제시하였다.
도시 내 인구집중과 기후변화로 인해 다양한 형태의 도시 물 문제가 발생한다. 이에 대한 피해 예방과 사회적 손실 최소화를 위해 회복탄력적인 대안 수립이 필요하다. 본 연구는 도시 물 문제 저감을 위한 회복탄력적 사회기반시설 구축 전략 수립에 관한 기초연구로서, 대표적인 도시 물 문제 중 하나인 도시홍수를 사례로 하여 구조적 대안의 내구성을 평가하였다. 내구성 평가를 위한 지표로 내구성 지수 (robustness index, RI) 및 비용지수 (cost index, CI)를 결합한 내구성-비용지수 (robustness cost index, RCI)를 제안하고, 이를 강남역 상습침수구역에 적용하여 기존 기반시설과 구조적 대안 (하수관거 확충, 저류조 설치, 옥상녹화)을 평가하였다. 그 결과, 2~20년 빈도의 강우강도범위에서 저류조와 옥상녹화설치가 상대적으로 높은 RCI 값을 나타내었고 두 대안 중 RCI가 보다 높은 대안은 강우강도에 따라 달라지는 경향을 보였다. 30년 빈도 강우강도에 대하여는 저류조와 옥상녹화를 병용 설치하는 대안이 가장 높은 RCI 값을 나타내어 가장 회복탄력적인 대안으로 확인되었다. 최종적으로 재해의 계획규모에 따른 현행 사회기반시설의 내구성 평가 및 최적의 구조적 대안 선택 절차를 수립하여, 도시홍수 문제에 대한 회복탄력적 사회기반시설 구축 전략을 제시하였다.
Current cities encounter various types of water problems due to rapid urbanization and climate change. The increasing significance of urban water problems calls for the establishment of resilient alternatives to prevent and minimize social loss that results from these phenomena. As a background rese...
Current cities encounter various types of water problems due to rapid urbanization and climate change. The increasing significance of urban water problems calls for the establishment of resilient alternatives to prevent and minimize social loss that results from these phenomena. As a background research for establishing resilient infrastructures for the mitigation of urban water problems, we evaluated the robustness of structural alternatives for urban flood as a representative case. Combining the robustness index (RI) and the cost index (CI), we suggested the robustness-cost index (RCI) as an indicator of the robustness of structural alternatives, and applied the index to assess the existing infrastructures and structural alternatives (i.e., sewer network expansion, additional storage tank construction, and green roof construction) at a site prone to floods located around Gangnam-station, Seoul, Korea. At a rainfall intensity frequency range of 2 to 20 years, the usage of a storage tank and a green roof showed relatively high RCI value, with a variation of an alternative showing greater RCI between the two depending on the size of design rainfall. For a rainfall intensity frequency of 30 years, installing a storage tank with some green roofing was the most resilient alternative based on the RCI value. We proposed strategies for establishing resilient infrastructures for the mitigation of urban floods by evaluating the robustness of existing infrastructures and selecting optimal structural alternatives with the consideration of scales of design disaster.
Current cities encounter various types of water problems due to rapid urbanization and climate change. The increasing significance of urban water problems calls for the establishment of resilient alternatives to prevent and minimize social loss that results from these phenomena. As a background research for establishing resilient infrastructures for the mitigation of urban water problems, we evaluated the robustness of structural alternatives for urban flood as a representative case. Combining the robustness index (RI) and the cost index (CI), we suggested the robustness-cost index (RCI) as an indicator of the robustness of structural alternatives, and applied the index to assess the existing infrastructures and structural alternatives (i.e., sewer network expansion, additional storage tank construction, and green roof construction) at a site prone to floods located around Gangnam-station, Seoul, Korea. At a rainfall intensity frequency range of 2 to 20 years, the usage of a storage tank and a green roof showed relatively high RCI value, with a variation of an alternative showing greater RCI between the two depending on the size of design rainfall. For a rainfall intensity frequency of 30 years, installing a storage tank with some green roofing was the most resilient alternative based on the RCI value. We proposed strategies for establishing resilient infrastructures for the mitigation of urban floods by evaluating the robustness of existing infrastructures and selecting optimal structural alternatives with the consideration of scales of design disaster.
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문제 정의
본 연구에서는 다양한 도시 물 문제 중 대표적인 도시 홍수 사례인 강남역 인근 상습 침수구역을 중심으로 기존 시설과 후보 대안시설 (구조적 대안)의 내구성을 평가하였으며, 그 기준으로 내구성 지수 (robustness index, RI), 비용지수 (cost index, CI) 및 내구성-비용 지수 (robustness-cost index, RCI)를 제시하였다. 이를 이용하여 재해의 규모 (강우강도)에 따른 각 구조적 대안의 도시 홍수 저감 능력을 평가함으로써 회복탄력적인 사회기반시설 구축 및 나아가 회복탄력적 도시 (resilient city) 건설을 위한 기초연구를 수행하고자 하였다.
본 연구에서는 도시 홍수 문제를 대상으로 현 기반시설과 구조적 대안들에 대한 회복탄력성을 평가하고자 내구성 지수 (RI), 비용 지수 (cost index, CI) 및 내구성-비용 지수 (RCI)를 제안하였다 (Eq. 1-3). 제안한 지표들은 계획범위 이내의 재해에 의한 피해를 저감시키는 내구성만을 평가하며 (예, 기반시설이 재해에 대하여 견디는 속성), 계획범위를 초과하는 재해 발생 시 그 피해의 복구 신속성에 대한 항목을 포함시키지는 않으므로 회복탄력성을 온전히 반영한다고 보기는 어렵다.
본 연구에서는 실제 강남역 인근 지역의 침수피해 방지 대책으로 수립되어 있는 저류조 설치 및 하수관망 개선 공사와 함께 도시 우수 침투시설의 하나인 옥상녹화 (green roof)를 고지 배수지역 유출량 저감기법으로 선정하였으며, 이들 구조적 대안에 대해 회복탄력성 평가를 위해 내구성-비용 지수를 적용해보았다.
가설 설정
옥상녹화는 건축물 옥상녹화 시스템 유형 결정과 관리 매뉴얼 (Seoul 2007)과 Nam et al. (2013)이 제시한 분류 중 기존의 건축물에 시공이 용이한 경량형 (토심 < 20 cm, 오목형) 기법을 적용한다고 가정하였다.
5 mm hr-1로 설정하였다. 한편, 강남대로 하수관 설계 관련도서 검토보고서 (KFEM 2013) 내 자료를 이용하여 하수관망 및 저류조의 설치비용 및 시스템 용량을 가정하였다 (Table 2). 옥상녹화는 건축물 옥상녹화 시스템 유형 결정과 관리 매뉴얼 (Seoul 2007)과 Nam et al.
제안 방법
본 연구에서는 다양한 도시 물 문제 중 대표적인 도시 홍수 사례인 강남역 인근 상습 침수구역을 중심으로 기존 시설과 후보 대안시설 (구조적 대안)의 내구성을 평가하였으며, 그 기준으로 내구성 지수 (robustness index, RI), 비용지수 (cost index, CI) 및 내구성-비용 지수 (robustness-cost index, RCI)를 제시하였다. 이를 이용하여 재해의 규모 (강우강도)에 따른 각 구조적 대안의 도시 홍수 저감 능력을 평가함으로써 회복탄력적인 사회기반시설 구축 및 나아가 회복탄력적 도시 (resilient city) 건설을 위한 기초연구를 수행하고자 하였다.
기존 및 대안 시스템의 용량이 강우를 수용할 수 있어야 침수피해가 발생하지 않을 것이기 때문에, 일차적으로 계획 재난의 규모를 감당할 수 있는 대안 (RI> 1)을 선택해야 하며, 내구성이 확보된 대안들에 대해 경제적 요인을 반영한 비교를 위해 건설비 등의 소요비용을 감안한 내구성-비용 지수를 활용하였다.
강남역 인근 지역 내수침수 방지 대안들의 내구성 평가를 위한 기초자료 조사 및 가정수립을 수행하였다. 현 강남대로 사거리 우수배제 시스템의 최대 허용 강우강도는 2012년 하수관거 개선공사 이후 침수피해 발생사례 중 하나인 51.
하수관거 통수능 개선 및 저류조 설치 방안과는 다르게, 옥상녹화의 경우 배수구역 단위의 계획이 아니기 때문에, 유역 내 옥상녹화 면적이 중요한 인자 중 하나이다. 이에 따라 옥상녹화 면적에 따라 재해의 규모에 따른 영향이 어떻게 변화하는지 관찰하기 위해, 확률 강우강도를 합리식을 통해 환산한 유량 값을 옥상녹화 평가 시 활용하였다. 옥상녹화 설치비용은 공사비, 운영 및 유지관리비, 안전관리비 및 환경비를 포함하여 옥상녹화 설치에 따른 경제성 평가를 수행한 Kim et al.
한편, 30년 빈도 강우강도에 대해 모든 대안들 (예, 25,000 m3 용량 저류조 1기 설치, 1,300 m 규모 하수관거 개선, 경량 및 저관리형 옥상녹화)에서 침수피해가 발생할 것으로 예상되기 때문에, 저류조 2기 설치안과 저류조 1기와 옥상녹화 (배수구역 면적 대비 20%) 병용 설치안을 추가 대안으로 선정하여 비교하였다 (Fig. 2). 비교 결과, 각각 2, 3, 5, 10, 20, 30년 빈도 강우강도에 대해 저류조 2기 설치안의 RCI는 1.
성능/효과
계획 재해의 규모가 현 기반시설의 용량을 초과하여 (RI < 1) 구조적 대안을 추가적으로 모색해야 할 경우, RI를 1보다 크게 만드는 후보 대안 (AA)들에 대해 비용을 고려한 RCI 값을 산정하여 최적의 대안 (RCI가 클수록 우수한 대안)을 선택할 수 있다.
2년 빈도 강우강도에 대해 배수구역 면적 대비 80%의 옥상녹화를 진행하는 대안이 가장 큰 내구성-비용 지수 값을 보였으며, 2년 초과 30년 미만 빈도 강우강도에 대해 저류조 설치안이 가장 큰 내구성-비용 평가지수 값을 보였다 (Fig. 1). 규모가 작은 강우의 경우, 이를 충분히 감당할 수 있는 저렴한 옥상녹화 설치안의 내구성비용 평가지수가 높다.
계획 재해의 규모를 기준으로 현재 기반 시스템의 성능을 평가함으로써 재해 취약지역을 선정할 수 있고, 구조적 대안을 설치하여 재해의 규모를 경감할 필요가 있을 경우에 후보 대안들에 대해 내구성-비용 평가를 수행해야 한다. 본 연구에서는 도시 홍수 문제에 대해 내구성비용 분석을 수행하여 최적의 구조적 대안을 선정하는 사례를 살펴보았는데, 모듈화 되어있는 대안 (혹은 소규모 설치 가능한 대안)이 합리적임을 알 수 있다.
2). 비교 결과, 각각 2, 3, 5, 10, 20, 30년 빈도 강우강도에 대해 저류조 2기 설치안의 RCI는 1.91, 1.61, 1.37, 1.15, 1.00, 0.93으로 나타났고 저류조 1기와 옥상녹화 20% 병용 설치안의 RCI는 2.78, 2.32, 1.96, 1.64, 1.41, 1.31으로 나타났다. 따라서 저류조 추가설치에 비해 시공 단위가 작은 옥상녹화를 통해 계획 재해의 규모 증가를 감당하는 것이 보다 효과적인 대안으로 판단된다.
후속연구
의 강우대응 수준을 보인다. 서울시 중장기 치수계획에 따르면, 향후 10년간 침수취약지역에 기반시설 확충 (예, 저류조 건설, 하수관거 확충, 빗물 펌프장 신설)을 통해 95mm hr-1의 강우에 대응할 수 있는 구조적 대안을 수립할 계획이다. 한편, 서울의 기왕 최대강우인 118.
옥상녹화를 포함한 그린인프라의 경우, 열섬 효과 저감 및 에너지 절약, 자외선 직접 노출 방지에 따른 지붕 차수막 수명 연장, 우수 유출수 수량 및 수질 제어, 소음 저감, 화재 저항성, 어매니티 (amenity) 확보 및 주민참여 증진, 작물생산, 대기오염물질 저감, 온실가스 배출 저감 및 생물서식처 제공을 통한 생물다양성 증진과 같은 다양한 효과를 가진다 (Peck and Kuhn 2003). 따라서 극한 강우사상에 대비하기 위한 회복탄력적 대안 선택 과정에 있어서 저류조와 같이 비용 대비 내구성이 뛰어난 대형 구조물의 설치도 반드시 필요하나, 대형 구조물로 일률화된 대안보다는 옥상녹화와 같은 소규모 분산형 시설을 병용하는 대안을 통해 보다 효과적인 도시 우수배제 시스템을 구축할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 생태적 기능을 획득할 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
회복탄력성은 무엇을 의미하는가?
회복탄력성은 어떤 시스템이 내/외부의 간섭에 의해 본연의 기능을 상실하였을 경우, 정상 상태로 되돌아가는 능력을 의미한다 (Vugrin et al. 2010).
SDG에서 회복탄력성(resilience)을 지닌 사회기반 시설의 구축을 강조하는 이유는 무엇인가?
SDG는 빈곤해소, 양질의 교육 보장, 양성평등 달성 및 위생문제 해결 등을 포함한 17개의 목표와 169개의 세부목표로 구성된다 (SIWI 2015). 특히, 증가하는 인재 및 자연재해에 대해 효과적인 대응이 가능한 사회를 구현하기 위해 제 9항에서는 회복탄력성 (resilience)을 지닌 사회기반시설의 구축을 강조하고 있다.
SDG는 어떻게 구성되는가?
2015년 9월 제 70차 UN 총회에서는 국제사회가 향후 15년간 (2016-2030년) 추진할 새로운 개발목표인 유엔 지속가능발전목표 (sustainable development goal, SDG)를 채택하였다. SDG는 빈곤해소, 양질의 교육 보장, 양성평등 달성 및 위생문제 해결 등을 포함한 17개의 목표와 169개의 세부목표로 구성된다 (SIWI 2015). 특히, 증가하는 인재 및 자연재해에 대해 효과적인 대응이 가능한 사회를 구현하기 위해 제 9항에서는 회복탄력성 (resilience)을 지닌 사회기반시설의 구축을 강조하고 있다.
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