최근 도시의 확대와 팽창에 따라 불투수층 증가에 따른 물순환의 건전성 약화, 녹지 등 생태계의 파괴 등 사회적인 문제를 해결하기 위한 방안으로 LID 기법이 활용되고 있다. 본 연구에서는 신도시인 아산탕정 분산형 빗물관리 시범지구를 대상으로 SWMM 모텔을 구축하여 LID시설 적용 전후의 유출량 및 오염부하 저감효과에 대한 평가를 실시하였다. 2016년 강우를 대상으로 모의한 결과 배수구역 기준 12.2%, 집수구역 기준 62.0%의 유출저감효과가 있는 것으로 평가되었다. COD오염부하 저감효과 평가 결과 배수구역기준 15.5%, 집수구역 기준 74.9%, TP의 경우 배수구역기준 9.2%, 집수구역 기준 71.4%의 효율을 나타내었다. 아산탕정 지구 내에 설치된 4가지 시설물에 대한 효과분석 결과 효율은 식생수로가 가장 높고 측구형 침투시설이 가장 낮은 것으로 검토되었다. 하지만 이는 시설물의 개소수, 체적을 고려하지 않은 결과로 실제 시설물의 효율을 비교를 위해서는 시설물의 공극률을 고려한 체적을 산정하여 비교하는 것이 합리적이며, 집수면적당 시설물의 공극률을 고려한 체적(V/A)이 낮은 침투도랑 및 측구형 침투시설이 가장 낮은 효율을 나타내었다. SWMM 모델의 LID모듈을 이용하여 물순환 및 오염부하 저감효과를 검토한 결과 정량적인 해석이 가능하였으며, 다양한 시나리오의 검토를 통해 효과적인 LID시설을 설계하는데 활용 기능할 것으로 평가된다.
최근 도시의 확대와 팽창에 따라 불투수층 증가에 따른 물순환의 건전성 약화, 녹지 등 생태계의 파괴 등 사회적인 문제를 해결하기 위한 방안으로 LID 기법이 활용되고 있다. 본 연구에서는 신도시인 아산탕정 분산형 빗물관리 시범지구를 대상으로 SWMM 모텔을 구축하여 LID시설 적용 전후의 유출량 및 오염부하 저감효과에 대한 평가를 실시하였다. 2016년 강우를 대상으로 모의한 결과 배수구역 기준 12.2%, 집수구역 기준 62.0%의 유출저감효과가 있는 것으로 평가되었다. COD오염부하 저감효과 평가 결과 배수구역기준 15.5%, 집수구역 기준 74.9%, TP의 경우 배수구역기준 9.2%, 집수구역 기준 71.4%의 효율을 나타내었다. 아산탕정 지구 내에 설치된 4가지 시설물에 대한 효과분석 결과 효율은 식생수로가 가장 높고 측구형 침투시설이 가장 낮은 것으로 검토되었다. 하지만 이는 시설물의 개소수, 체적을 고려하지 않은 결과로 실제 시설물의 효율을 비교를 위해서는 시설물의 공극률을 고려한 체적을 산정하여 비교하는 것이 합리적이며, 집수면적당 시설물의 공극률을 고려한 체적(V/A)이 낮은 침투도랑 및 측구형 침투시설이 가장 낮은 효율을 나타내었다. SWMM 모델의 LID모듈을 이용하여 물순환 및 오염부하 저감효과를 검토한 결과 정량적인 해석이 가능하였으며, 다양한 시나리오의 검토를 통해 효과적인 LID시설을 설계하는데 활용 기능할 것으로 평가된다.
Urbanization can be remarkable affected flood, pollutant loading, ecological system, and green infrastructure by distortion of hydrologic cycle. In order to mitigate these problems in urban, Low Impact Development(LID) technique has been introduced and applied in the world. SWMM model was calibrated...
Urbanization can be remarkable affected flood, pollutant loading, ecological system, and green infrastructure by distortion of hydrologic cycle. In order to mitigate these problems in urban, Low Impact Development(LID) technique has been introduced and applied in the world. SWMM model was calibrated with sets of field monitoring data and applied for calculation of runoff and pollutant loading in Asan-tangjung LID city under 2016 rainfall. Runoff reduction of watershed and catchment basins were showed efficiency 12.2% and 62.0%, respectively. Reduction of COD and TP loading also high efficiency in catchment basins were evaluated 74.9 and 71.4%. The results of this study can be used effectively in decision making processes of urban development project by comparing watershed runoff and pollutant reduction by designs of sort of LID technique, LID volume and location.
Urbanization can be remarkable affected flood, pollutant loading, ecological system, and green infrastructure by distortion of hydrologic cycle. In order to mitigate these problems in urban, Low Impact Development(LID) technique has been introduced and applied in the world. SWMM model was calibrated with sets of field monitoring data and applied for calculation of runoff and pollutant loading in Asan-tangjung LID city under 2016 rainfall. Runoff reduction of watershed and catchment basins were showed efficiency 12.2% and 62.0%, respectively. Reduction of COD and TP loading also high efficiency in catchment basins were evaluated 74.9 and 71.4%. The results of this study can be used effectively in decision making processes of urban development project by comparing watershed runoff and pollutant reduction by designs of sort of LID technique, LID volume and location.
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제안 방법
LID기법에 대한 효과를 검증하기 위해서, 아산탕정지구에 적용된 LID 적용 전과 후의 모의결과를 이용하여 분석하였다. 대상강우는 2016년 1년간 관측자료를 이용하였다.
Q유역 ②지점의 모니터링 보정결과는 표 2에 제시하였으며 유출고는 보정지점의 유출량을 유역면적(외부 유역을 포함하여 369, 337nf)으로 나누어 산정하였으며, 강우량 대비 유출고의 비율로 유출률을 산정하였다.
SWMM.LID에서 3개의 Layer 분석이 가능한 Controle Bio-Retention CeU 과 Permeable Pavement 로 Permeable Pavement의 경우 투수성 포장에 적용하므로 이를 제외하면 Bio-Retention Cell이 가장 적합한 것으로 판단되어 이를 모델에 적용하였다 (표 2).
1). 각 유역의 경우 실시설계(한국토지주택공사, 2011)에서 제시한 유역명인 K, Q, R, S로 통일하여 모델을 구축하였다. K 유역의 경우 지구내 저류지를 통해 장재천으로 유출되며, Q 유역은 장재천으로 직접 유출되고 R 유역과 S 유역은 외부 관로로 유출되며 모니터링 위치는 그림 3과 같다.
본 연구에서는 아산탕정지구의 LID시범도시에 SWMM모델을 적용하여 2016년 강우를 대상으로 LID기법 적용에 따른 유출 및 오염부하 저감량을 산정하였다.
아산탕정지구는 총 362개의 소유역으로 분할하였으며, 모델에 적용된 LID시설물은 총 990개소(침투도랑 805, 식생수로 135, 측구형 침투시설 50)를 적용하여 그 효과를 평가하였으며(그림 2), 총 4개의 배출구를 통해 외부로 유출되게 구성하였다(표 1). 각 유역의 경우 실시설계(한국토지주택공사, 2011)에서 제시한 유역명인 K, Q, R, S로 통일하여 모델을 구축하였다.
나눌 수 있다. 유역과 관련한 입력자료는 유역면적, 유역폭, 유역경사, 불투수면적버I, 조도계수, 지면저류량, 침투와 관련한 Curve Numbet(CN), 지하수, LID 모듈 등이 있으며 이 중 유역면적, 유역폭, 유역경사 불투수면적비는 정확한 산정과 관련 식들로 적용이 가능한 물리적 매개변수로 분류되며, 조도계수, 지면 저류 등은 수문학적 매개변수로 범위 또는 경험 등에 의한 제시 값들로 산정하였다.
유역모델의 보정결과는 표 3에 유출률로 비교하여 제시하였으며, 외부유역을 제외하여 평가하였다. 유출율의 차이는 각각 3.
침투시설이 가장 낮게 평가되었다. 효과분석을 위하여 각 시설물별로 소유역을 별도로 구분하였으며 설치 전후에 발생하는 차이를 효과로 제시하였다.
전.후에 대하여 단기연속유출 모의에 의한 효과분석을 실시하였다. 집수구역은 LID시설로 직접 유입되는 구역을 집수구역으로 정의하였으며, 배수구역은 LID시설의 집수구역을 포함한 유역전체의 면적으로 정의하였다.
대상 데이터
유역 유출지점, K 유역 저류지 유출지점이다. K 유역 저류지 유출지점의 경우 배수암거 2련이며 유량계가 각각 1개소씩 2개 설치되어 있으며, 본 연구에서는 2개에서 측정된 각각의 유량을 합산하여 사용하였다.
대상강우는 2016년 1년간 관측자료를 이용하였다.
모니터링 위치는 총 3개 지점으로 Q 유역 외부 유입지점, Q 유역 유출지점, K 유역 저류지 유출지점이다. K 유역 저류지 유출지점의 경우 배수암거 2련이며 유량계가 각각 1개소씩 2개 설치되어 있으며, 본 연구에서는 2개에서 측정된 각각의 유량을 합산하여 사용하였다.
모델의 보정은 유기물의 지표인 COD와 조류성장에 제한인자인 T-P를 대상으로 하였다 보정모니터링 자료는 매우 높은 농도를 나타낸 6월 24일 데이터를 제외한 2회의 모니터링 자료를 활용하였다.
본 연구는 대단위 도시개발사업 중 분산형 빗물관리시스템을 적용하여 자연적 물순환 체계 복원 및 친환경 도시를 조성하는 국내 최초의 LID시범사업 지구를 대상으로 실시하였다. 아산탕정 지구에 대해서는 관련 연구(현경학과 이정민, 2010; 현경학 등, 2008; 현경학 등, 2010; 현경학 등, 2012; 현경학 등, 2012) 등이 꾸준하게 진행되어 왔다.
지점 ①을 제외하였다. 본 연구에서는 Q 유역 유출부(모니터링 지점 ②)와 K 유역 유출부(모니터링 지점 ③, ④) 총 2개 지점에 대해서 모델 보정을 실시하였다.
본 연구에서는 모니터 링자료의 유무를 고려하여 전체유역의 94.7%에 해당하는 Q와 K유역을 대상으로 수행하였다.
본 연구의 대상지역은 그림 1에 제시한 바와 같이 충남 천안시 불당ㆍ백석ㆍ신방동 및 아산시 배방ㆍ탕정면 일원에 위치하는 총 사업면적 5,170,487m2 중 약 40%인 1,753,385m2이며 2007년 공사를 착공하여 조성공사는 2015년 말에 완료하였다. 다만, 공동주택 및 상업ㆍ무시설 등은 현재도 공사 중이다.
수질모니터링은 배수구역 말단 2개 지점에서 실시하였으며, COD, TP 종 2개 항목에 대해 3회 모니터링 자료를 활용하였다.(한국토지주택공사, 2016).
아산탕정지구의 유량 모니터 링은 2016년 2월 1일부터 201612월 6일까지 측정된 연속유량자료를 활용하였다.
연구대상지구의 기상자료는 지구 내에 설치되어 있는 강우량계를 통해 수집된 10분 단위 강수량 자료를 이용하였다.
이론/모형
본 연구에서 사용한 침투량 산정방법은 Curve Number(CN) 방법을 선택하여 사용하였으며, 토지피복도, 토양도, 소유역구분도를 중첩하여 산정하였다.
성능/효과
0%의 유출저감 효과가 있는 것으로 평가되었다. COD오염부하 저감효과 평가 결과 배수구역 기준 15.5%, 집수구역 기준 74.9%, TP의 경우 배수구역 기준 9.2%, 집수구역 기준 71.4%의 효율을 나타내었다.
COD의 시설물별 집수면적당 체적과 효율과의 상관성을 분석한 결과 침투도랑의 경우 시설면적 대비 효율이 낮은 것으로 검토되었다. TP의 경우에는 COD와 유사하게 침투도랑이 낮은 수준이었으며, 식생수로 5m의 경우에 집수면적당 체적이 0.
하지만 이는 시설물의 개소수, 체적을 고려하지 않은 결과로 실제 시설물의 효율을 비교를 위해서는 시설물의 공극률을 고려한 체적을 산정하여 비교하는 것이 합리적이며, 집수면적당 시설물의 공극률을 고려한 체적(V/A)이 낮은 침투도랑 및 측구형 침투시설이 가장 낮은 효율을 나타내었다. LID 시설물 규모를 증가시켜 효율을 분석한 결과 설계규모증가에 비하여 효율 증가는 크지 않은 것으로 검토되었다. 측구형 침투시설은 시설물 규모가 증가할 경우 효과를 기대할 수 있을 것으로 보인다.
SWMM 모델의 LID모듈을 이용하여 물순환 및 오염부하저감효과를 검토한 결과 정량적인 해석이 가능하였으며, LID 시설설계에 활용 가능할 것으로 평가된다. 다만, 수질보정결과의 불확실성, 그리고 시설물별 모니터링 결과를 통한 보정이 이루어지지 않았기에 시설물별 유출 및 오염물질 저감에 대한 추가모니터링과 연구가 필요할 것으로 보인다.
이는 집수면적당 체적을 지속적으로 증가시킬 경우 유출 및 오염부하저감효과는 지속적으로 증가할 수 있지만, 경제적인 부분을 고려한다면 적절한 집수면적당 체적을 고려하여 설계하는 것이 바람직하다. 또한 표 1에서 언급한 바와 같이 전체유역에서 약 11.5%만 LID시설로 유입되는 집수구역으로 분석되었는데, 집수구역을 보다 넓게 설계할 경우보다 높은 물순환 개선효과 및 수질저감 효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
모델의 보정은 단수시행착오법을 이용하여 실시하였으며 보정결과 Q유역 및 K유역의 경우 모두 동일한 매개변수를 적용하였으나 모니터링 결과와 비교하여 Q유역의 경우 다소 낮게 K유역의 경우 다소 높게 모델이 보정되었다. 아산탐정지구의 경우 건축물 공사가 있어 지하 터파기에서 펌프 등을 통해 발생하는 유출량 영향이 있는 것으로 보이며 향후 공사 완료후 이에 대한 보완이 필요할 것으로 보인다.
배수구역단위에서 LID 설치 전후의 오염물질 저감효과를 분석한 결과 Q유역과 K유역에서 COD의 경우 각각 17.2, 15.2%의 저감효과가 있는 것으로 분석되었으며, TP의 경우에는 8.5, 9.4%의 저감효과가 있는 것으로 분석되었다.
3.2 모델의 수질보정
수질모니터링 결과는 첫 모니터링 시기별로 큰 농도의 편차를 나타내었으며, 특히 6월24일의 경우 매우 높은 COD와 TP의 농도를 나타내었는데, 이는 모니터링 시기에도 아산탕정지구의 택지개발 등 공사에 의한 영향인 것으로 판단된다. (표 4).
시설물별 공극률을 고려한 면적대비 체적을 검토한 결과 식생 수로 10m의 경우가 0.0736으로 집수구역면적 대비 가장 체적이 큰 것으로 분석되었으며, 측구형 침투시설이 0.0128로 가장 낮았다 (표 8).
시설물별 집수면적당 체적과 효율과의 상관성을 분석한 결과 침투도랑의 경우 시설면적 대비 수질저감 효율이 낮은 것으로 검토되었으며, 유출량 저감효과와 마찬가지로 식생수로 10m가 가장 높은 처리효율을 나타내었다 (표 10).
시설물별 집수면적당 체적과 효율과의 상관성을 분석한 결과침투도랑의 경우 시설면적 대비 효율이 낮은 것으로 검토되었다. 침투도랑의 경우 집수면적당 체적이 0.
아산탕정 지구 내에 설치된 4가지 시설물에 대한 효과분석 결과 효율은 식생수로가 가장 높고 측구형 침투시설이 가장 낮은 것으로 분석되었다. 하지만 이는 시설물의 개소수, 체적을 고려하지 않은 결과로 실제 시설물의 효율을 비교를 위해서는 시설물의 공극률을 고려한 체적을 산정하여 비교하는 것이 합리적이며, 집수면적당 시설물의 공극률을 고려한 체적(V/A)이 낮은 침투도랑 및 측구형 침투시설이 가장 낮은 효율을 나타내었다.
집수구역은 LID시설로 직접 유입되는 구역을 집수구역으로 정의하였으며, 배수구역은 LID시설의 집수구역을 포함한 유역전체의 면적으로 정의하였다. 아산탕정 지구 전체에 대하여 LID 설치로 인하여 배수구역 기준 Q와 K유역에서 집수구역 기준으로 각각 69.4%와 60.6%의 저감효과가 발생하는 것으로 분석되었다 (표 6).
아산탕정 지구에 설치된 LID 시설물은 침투도랑, 식생수로 10m, 식생수로 5m, 측구형 침투 총 4가지 시설물에 대한 효과분석을 실시하였으며, 분석결과 식생수로 10m가 가장 높고, 측구형 침투시설이 가장 낮게 평가되었다. 효과분석을 위하여 각 시설물별로 소유역을 별도로 구분하였으며 설치 전후에 발생하는 차이를 효과로 제시하였다.
오염물질저감 효과 분석결과 유출저감 효과보다 높은 효율로 평가되었으며 특히 T-P의 경우 식생수로 5m이 경우와 같이 집수면적당 체적이 0.037 수준으로 적용할 경우 효과적인 설계가 될 것이다.
유출률을 관측결과와 모의결과를 비교해본 결과 강우 일자별로 각각 대상강우에 따라 차이가 있으나 각각 18.1%, 13.1% 차이를 나타내었으며 (표 3), 그 결과는 그림 5와 같다.
집수구역 단위의 저감효과 분석결과는 COD와 TP 모두 70% 이상의 높은 저감효율을 나타내었다.
것으로 분석되었다. 하지만 이는 시설물의 개소수, 체적을 고려하지 않은 결과로 실제 시설물의 효율을 비교를 위해서는 시설물의 공극률을 고려한 체적을 산정하여 비교하는 것이 합리적이며, 집수면적당 시설물의 공극률을 고려한 체적(V/A)이 낮은 침투도랑 및 측구형 침투시설이 가장 낮은 효율을 나타내었다. LID 시설물 규모를 증가시켜 효율을 분석한 결과 설계규모증가에 비하여 효율 증가는 크지 않은 것으로 검토되었다.
후속연구
활용 가능할 것으로 평가된다. 다만, 수질보정결과의 불확실성, 그리고 시설물별 모니터링 결과를 통한 보정이 이루어지지 않았기에 시설물별 유출 및 오염물질 저감에 대한 추가모니터링과 연구가 필요할 것으로 보인다.
수질보정결과 진행되고 있는 공사상황으로 인해 충분한 보정이 어려웠으며, 향후 지속적인 모니터링 과정을 통해 모델을 보완하는 작업이 필요할 것으로 판단된다.
경우 다소 높게 모델이 보정되었다. 아산탐정지구의 경우 건축물 공사가 있어 지하 터파기에서 펌프 등을 통해 발생하는 유출량 영향이 있는 것으로 보이며 향후 공사 완료후 이에 대한 보완이 필요할 것으로 보인다.
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