[논문]단독주택단지의 빗물이용시설 적정 규모 설정 연구

백종석; 김형산; 신현석; 김재문; 박경재

doi:10.15681/kswe.2018.34.6.669

[국내논문] 단독주택단지의 빗물이용시설 적정 규모 설정 연구
A Study on the Optimum Size of Rainwater Utilization in Detached Residential Complex 원문보기

한국물환경학회지 = Journal of Korean Society on Water Environment, v.34 no.6, 2018년, pp.669 - 677

백종석 (K-water융합연구원 물순환연구소) , 김형산 (K-water융합연구원 물순환연구소) , 신현석 (부산대학교 사회환경시스템공학과) , 김재문 (부산대학교 사회환경시스템공학과) , 박경재 (울산광역시 도시계획과)

Abstract ▼ AI-Helper

Torrential rain and drought are repeated due to the increase in the unpredictable fluctuating of rainfall patterns. It is time for stabilize water resource management in terms of disaster prevention. Distributed control from sources is needed to minimize damages caused by torrential rains and droughts. Rain barrel can be used to reduce the runoff as they collect and store rainwater. In response to this situation, Seoul Metropolitan Government and other local governments implemented a project to support the installation of rain barrel and provided 90% of the cost of installing it in private areas. However, with limited budget, it is difficult to distribute rainwater to the city which is mostly covered by private areas. In this study, Samho-dong, Ulsan, where pilot projects of water cycle leading city are underway, analyzed the effects of reducing the runoff with respect to the amount of rainwater that can be used, and analyzed the economics of recoverable investment cost when installed. From the analysis, it was established that it is possible to show sufficient efficiency with a small capacity without the need to install large rain barrel effectively in the private sector, and to support the installation cost of less than 70 percent of the rainwater can be recovered.

Keyword

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Location of study area.
그림 Fig. 2. Design for SWMM model.
표 Table 1. Landuse of study area
표 Table 2. Design of SWMM model options
표 Table 3. Scenario classification by capacity of rain barrel
표 Table 4. Availability of rainwater reuse
표 Table 5. Estimate method of cost-benefit for LID application
표 Table 7. Calculation of actual cost of rain barrel support project of Ulsan in 2018
표 Table 6. Annual average for real discount rate
표 Table 8. Setting for installation cost of rain barrel
표 Table 9. Estimation method of direct benefit
표 Table 10. Water balance analysis of Samho in Ulsan
표 Table 11. Calculation of annual cost-benefit for rain barrel
표 Table 12. Cost-benefit curves for each scenario based on support ratio

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

공동주택단지 및 공공시설에서의 빗물이용시설 효과에 관련한 연구가 진행된 반면, 단독주택단지에 적정한 빗물이용시설의 설치 규모와 경제성에 관련한 연구가 전무하다. 본 연구에서는 빗물통의 규모에 따라 시나리오를 설정하여 단독주택단지에 설치시, 가능한 유출 저감량을 분석하고, 설치시 투자되었던 비용이 회수될 수 있는지에 대한 연구를 수행하여 빗물통 지원사업의 최적 규모 및 기준을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 빗물통의 규모에 따른 유출 저감량 분석을 통해 물수지 개선 효과를 확인하고, 비용-편익 분석을 통해 빗물통 설치비의 회수 기간에 대해 연구하고자 한다. 경제성 분석시 간접편익과 같은 주관이 개입될 수 있는 항목을 배제하였으며, 직접비용과 직접편익 등 객관적으로 정량화 할 수 있는 항목만을 설정하도록 하였다.
편익은 장기모의로 분석했던 유출 저감량을 빗물통에 저장되었던 양으로 고려하여, 이 저장량 중 단독주택의 생활용수로 이용이 가능한 양만큼에 대한 상수도 요금과 하수처리 비용 등으로 환산하여 산정한다. 시나리오별 경제성을 분석하여 가장 효율성 있는 빗물통의 최적 규모를 제시한다.
본 연구에서는 단독주택단지의 빗물통 설치시 적정 규모설정 및 비용-편익 분석에 대한 연구를 수행하였다. 연구결과를 바탕으로 다음과 같은 네 가지 결론을 도출하였다.

제안 방법

본 연구에서는 빗물통의 규모에 따른 유출 저감량 분석을 통해 물수지 개선 효과를 확인하고, 비용-편익 분석을 통해 빗물통 설치비의 회수 기간에 대해 연구하고자 한다. 경제성 분석시 간접편익과 같은 주관이 개입될 수 있는 항목을 배제하였으며, 직접비용과 직접편익 등 객관적으로 정량화 할 수 있는 항목만을 설정하도록 하였다. 연구 방법은 다음과 같다.
연구 방법은 다음과 같다. 10년 이상의 장기 강우사상 분석을 수행하고, 빗물통 설치 전후의 물수지를 비교하여 빗물통의 유출 저감량을 분석한다. 시나리오를 빗물통의 규모에 따라 설정하여 규모별 설치비를 비용 요인으로 설정한다.
2와 같이 구축하였다. 관망 정보와 유역 매개 변수는 대상지의 수리계산 및 토지이용에 따라 구축하였고, 빗물통의 입력값은 시나리오에 따라 용량별로 분류하였다. 울산시 기상청의 기상자료를 바탕으로 2008년부터 2017년까지 10년간의 물수지 분석을 수행하였다.
관망 정보와 유역 매개 변수는 대상지의 수리계산 및 토지이용에 따라 구축하였고, 빗물통의 입력값은 시나리오에 따라 용량별로 분류하였다. 울산시 기상청의 기상자료를 바탕으로 2008년부터 2017년까지 10년간의 물수지 분석을 수행하였다. 빗물통의 분석방법은 기존 도시에서의 설치 전 유출량과 설치 이후의 유출량 차이가 빗물통에서의 유출 처리량으로 고려하였다.
울산시 기상청의 기상자료를 바탕으로 2008년부터 2017년까지 10년간의 물수지 분석을 수행하였다. 빗물통의 분석방법은 기존 도시에서의 설치 전 유출량과 설치 이후의 유출량 차이가 빗물통에서의 유출 처리량으로 고려하였다.
일반적인 SWMM 모의 연구에서는 1990년대의 American Society of Civil Engineers(ASCE)에서 제시하는 매개변수를 사용하고 있으나, 본 연구에서는 Urban Drainage and Flood Control District(UDFCD, 2017)의 매개변수를 이용하여 입력값을 구성하였다. 대상지는 비교적 배수가 양호한 자갈섞인 사질토의 토양 분포로, 정밀토양도의 분석을 통해 수문학적 토양군 B에 해당하는 입력값을 적용하였다. 도시 유역의 조도계수 및 저류계수 또한 UDFCD (2017)에서 제공하는 매개변수를 적용하여 Table 2와 같이 정리하였다.
직접비용으로는 초기설치비와 설치후의 연간 유지관리비용을 선정하였다. 직접편익으로는 3가지를 고려하였다.
직접편익으로는 3가지를 고려하였다. 첫째는 빗물통에 저장되는 물재이용으로 절감할 수 있는 상수도 사용량 절감을 요금으로 환산하였고, 둘째는 첫째를 통해 절감되는 상수도의 생산원가를 고려하였다. 셋째로 강우가 옥상으로부터 빗물통에 차집 되므로 인해 절감할 수 있는 표면유출량에 의한 연간 하수처리비용 저감을 요금으로 환산하였다.
하수처리비용 절감은 연간 유출 저감량에 하수처리 생산원가를 고려하여 산정하였다. 전체면적 368,646 m²에서 시나리오별 연평균 유출 저감고를 고려하여 연간 유출 저감량을 산정하였다.
(2)와 같다. 산정식은 초기설치비는 최초 1회에 한정하였고, 유지관리비는 실질할인율을 고려하여 매년 추가되는 비용을 총합하도록 설정하였다.
(3)과 같다. 상수도 요금 절감과 상수도 생산원가 절감, 하수처리비용 절감 요금에 년별 실질할인율을 고려한 총합이 전체 편익이 되도록 산정식을 설정하였다.
비용은 빗물통의 초기설치비와 유지관리비를 고려하였고, 편익은 빗물이용량을 기준으로 상수도 요금 절감과 상수도 생산원가 절감, 하수처리비용 절감을 시나리오별로 분석하였다. 빗물 이용 가능량을 Table 9의 편익 금액 산정식에 적용하였고, 각각의 편익을 년별 원단위 금액으로 산정하여 Table 11과 같이 정리하였다.
이러한 문제점을 바탕으로 본 연구에서는 설치비의 지원비율을 0 %, 30 %, 50 %, 70 %, 90 %로 구분하여 분석하였으며, 분석한 결과는 Table 12와 같다. 시나리오에 따라 비교했을 때, A의 경우 70 % 이하의 지원에서는 사실상 투자비용을 회수 할 수 없다고 판단된다.
셋째, 본 연구에서는 상수도 요금 절감이라는 사적 편익과 상수도 생산원가 절감 및 하수처리비용 절감이라는 사회적 편익을 동시에 고려하여 비용-편익 연구를 수행하였다. 사적편익이 개인이 얻을 수 있는 경제적 혜택이라면 사회적 편익은 정부, 지자체 등의 범사회적으로 얻을 수 있는 우리 모두의 공동 혜택이다.

대상 데이터

1과 같이 태화강 하류에 위치한 도심지역으로서 불투수면적 비율이 높고, 외부 산림유역을 포함하고 있다. 대상지의 토지이용은 Table 1과 같고 외부유역을 제외하면 주거단지 비율이 40 % 정도로 높고, 이중 대부분이 단독주택단지로서 빗물통의 적용 연구에 적합하다고 판단하여 본 연구의 대상지로 선정하였다. 대상지는 997호의 단독주택에 8,935명이 3,830가구로 구성되어 있다.
대상지의 토지이용은 Table 1과 같고 외부유역을 제외하면 주거단지 비율이 40 % 정도로 높고, 이중 대부분이 단독주택단지로서 빗물통의 적용 연구에 적합하다고 판단하여 본 연구의 대상지로 선정하였다. 대상지는 997호의 단독주택에 8,935명이 3,830가구로 구성되어 있다. 대상지는 대부분 불투수면적이나, 경사가 완만한 투수성 외부유역을 포함하고 있기 때문에 유역 전체의 물순환에서 유출 대비 침투량이 타 도시유역에 비해 클 것으로 판단된다.
비용-편익의 기간은 시공되는 빗물통이 스테인레스 혹은 철골 구조이고, 유지관리 비용에 보수 금액 및 관리비용을 포함하였기 때문에 2011년 개정된 법인세법 시행규칙(MSF, 2011)의 최대 내용연수범위인 40년을 기준으로 분석하였다. 연차별 실질할인율은 한국은행 경제통계 관리시스템(BK, 2018)의 2008년부터 2017년까지의 최근 10년간 금리와 물가상승률을 이용하여 Eq.
개별 평균지원 금액은 2017년 500만원, 2018년 460만원으로 실제설치비용은 500 ~ 550만원으로 추정된다. 본 연구의 초기설 치비는 Table 7과 같이 2018년 울산광역시(UMC, 2018) 빗물이용시설 지원사업의 총 18곳 설치 대상지의 용량별 지원금액을 기준으로 설정하였다.
전체면적 368,646 m²에서 시나리오별 연평균 유출 저감고를 고려하여 연간 유출 저감량을 산정하였다. 2016년 울산시 하수도 통계에서 고시한 하수도요금 511원/m³에 현실화율 64 %를 고려한 하수 생산원가 799원/m³으로 설정하였고, 이를 시나리오별 연간유출 저감량을 고려하여 연간 하수처리비용 절감액을 산정하였다.
2008년부터 2017년까지 울산관측소 10개년의 시강우에 대한 물순환 분석을 수행하였다. 빗물통을 설치하기 이전의 기존 도심지의 물수지는 강우가 100 %일 때, 증발 7.

이론/모형

침투방정식으로는 수문 분석에서 대중적으로 사용되는 Horton’s equation을 사용하였다.
본 연구에서는 장기 강우사상에서의 도심지 전체 유출 모의 및 빗물통의 유출 처리량에 대한 분석을 동시에 수행이 가능한 모형의 선정이 필요하다. 유역의 관망해석을 통해 연속적인 장기 강우사상 모의가 가능하고, 수문학적 물수지 분석 및 LID Tool의 빗물통 적용 모의가 가능한 EPA-SWMM 5.1 모형을 선정하였다. SWMM 모형은 소규모 주거단지(Baek et al.
울산시 물순환 선도도시 계획과 설계도면을 따라 SWMM모형을 Fig. 2와 같이 구축하였다. 관망 정보와 유역 매개 변수는 대상지의 수리계산 및 토지이용에 따라 구축하였고, 빗물통의 입력값은 시나리오에 따라 용량별로 분류하였다.
침투방정식으로는 수문 분석에서 대중적으로 사용되는 Horton’s equation을 사용하였다. 일반적인 SWMM 모의 연구에서는 1990년대의 American Society of Civil Engineers(ASCE)에서 제시하는 매개변수를 사용하고 있으나, 본 연구에서는 Urban Drainage and Flood Control District(UDFCD, 2017)의 매개변수를 이용하여 입력값을 구성하였다. 대상지는 비교적 배수가 양호한 자갈섞인 사질토의 토양 분포로, 정밀토양도의 분석을 통해 수문학적 토양군 B에 해당하는 입력값을 적용하였다.
빗물이용시설 지원사업에 가장 적극적인 서울특별시와 같은 경우는 0.6 ~ 2.0 m³ 빗물통 규모를 권장하고 있으나, 본 연구에서는 빗물통 규모의 기준을 Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology (KICT)에서 제시한 녹색건축인증기준(KICT, 2016)에 따라 설치용량을 4등급으로 나누어 분류하였다. 녹색건축인증기준에 따르면 빗물관리면적은 대지면적에서 자연지반 면적을 제외한 면적을 말하며, 본 대상지에서는 건축면적과 일치한다.
삼호동의 전체인구 8,935명을 고려하면 대상지는 일평균 생활용수가 2,353 m³이 필요하다. 이 중 빗물통의 저장량으로 자급할 수 있는 용수량은 Kim et al. (2007)의 단독주택 용도별 생활용수 사용량을 참고하였다. Table 4에 제시한 용도 중 빗물로 대체할 수 있는 시설은 화장실용수 24 %와 기타용수 9 %로 한정할 수 있다.

성능/효과

첫째는 빗물통에 저장되는 물재이용으로 절감할 수 있는 상수도 사용량 절감을 요금으로 환산하였고, 둘째는 첫째를 통해 절감되는 상수도의 생산원가를 고려하였다. 셋째로 강우가 옥상으로부터 빗물통에 차집 되므로 인해 절감할 수 있는 표면유출량에 의한 연간 하수처리비용 저감을 요금으로 환산하였다. 그리고 녹색건축인증을 2급 이상 받으면 취득세 최대 15 %, 재산세 최대 10 %를 감면 받을 수 있는 경제적 편익이 있으나, 녹색건축인증은 물순환 관리뿐만 아니라, 총 8가지 전문분야를 동시에 만족해야 인센티브를 받을 수 있기 때문에 정량화가 불가하여 본 연구의 편익 사항에서는 제외하였다.
3 %로 분석되었다. 대상지 전체 면적의 41 %가 완만한 외부 산림이라 비율상 시가지에서의 표면유출이 적은 것으로 판단된다. 대상지에 적용한 빗물통의 크기에 따라 4가지 시나리오를 분석한 결과는 Table 10과 같다.
40년간의 분석결과, 시나리오 A, B, C는 40년이 지나도 B/C ratio가 1을 넘지 않고, 시나리오 D는 38년이 지나야 편익이 비용을 앞서는 결과가 도출되었다. 실질적으로 비용 대비 편익의 효율이 매우 낮은, 경제성이 낮은 시설이라고 판단할 수 있다.
D는 50 % 수준의 지원으로도 투자대비 편익의 효과를 얻을 수 있을 것으로 확인하였다. 설치비의 지원 비율에 따라 분석한다면, 설치비를 90 %까지 지원한다면 빗물통의 용량에 관계없이 7년 내에 B/C ratio가 1을 초과하여 투자비용에 대한 편익을 도출할 수 있는 것으로 확인되었다. 70 % 이하의 지원시에는 시나리오 D 이외의 A, B, C에서는 투자비용을 회수하기 어렵다고 판단된다.
첫째, 빗물통의 용량이 클수록 효율이 좋은 것은 아닌 것으로 분석되었다. 울산시 강우패턴을 백분위수로 나열하였을 때, 일강우 5 mm 이하의 강우사상이 60퍼센타일 이상이다.
둘째, 비용-편익의 분석결과 B/C ratio에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 빗물통의 초기설치비이다. 초기설치비를 얼마나 경감시킬 수 있는지가 빗물통 설치의 경제성을 확보할 수 있는 가장 중요한 요소이다.
넷째, 빗물통 지원사업은 예산이 한정되어 있어 지원 범위를 확대하기가 어렵다. 지원 금액을 대폭 감소하여 사업을 시행한다면 지원자의 규모가 감소하여 사업이 활성화되지 못할 우려도 있다.

후속연구

본 연구에서는 장기 강우사상에서의 도심지 전체 유출 모의 및 빗물통의 유출 처리량에 대한 분석을 동시에 수행이 가능한 모형의 선정이 필요하다. 유역의 관망해석을 통해 연속적인 장기 강우사상 모의가 가능하고, 수문학적 물수지 분석 및 LID Tool의 빗물통 적용 모의가 가능한 EPA-SWMM 5.
빗물통 용량에 따른 초기설치비 비교를 하면 자재비의 차이는 크게 나지 않는 반면, 배관설치 및 빗물통 운반비용 등의 인건비가 초기설치비의 많은 부분을 차지하는 것으로 판단된다. 지자체에서 신청을 받아 인접한 단지간의 빗물통 공동구매를 진행한다면 이러한 비용을 대폭 줄일 수 있을 것으로 기대한다.
지원 금액을 대폭 감소하여 사업을 시행한다면 지원자의 규모가 감소하여 사업이 활성화되지 못할 우려도 있다. 한정된 예산에서 지원할 시에 빗물통의 설치 규모에 상한선을 두고, 설치비 지원 비율을 90 %에서 점차적으로 하향한다면 더 많은 지원자들에게 경제성 있는 지원 사업이 가능할 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	단독주택단지의 빗물이용시설 보급에 가장 큰 요인이 경제성인 이유는 무엇인가?	단독주택단지의 빗물이용시설 보급에 가장 큰 요인은 경제성이다. 시설의 설치가 개인의 몫이기 때문에, 개인에게 주어지는 인센티브가 없다면 설치하고자 하는 노력이 있을 수 없다. 빗물이용시설의 투자비용 대비 회수할 수 있는 편익과 관련한 연구는 다음과 같다.
	환경부에서 의무화한 빗물이용시설의 보급 시설 설치의 현황과 한계점은 무엇인가?	정부부처에서는 환경부와 국토교통부를 중심으로 법과 규칙의 제정을 통해 빗물이용시설의 설치를 의무 및 권장하고 있다. 환경부에서는 2017년 물의 재이용 촉진 및 지원에 관한 법률(물재이용법)로서 공공청사, 공동주택, 학교 등과 같은 대규모 건축물에 한하여 지붕의 빗물 집수면적에 0.05 m를 곱한 규모 이상의 집수시설 설치를 의무화하고 있으나, 단독주택과 같은 작은 면적의 경우는 고시되어 있지 않다. 국토교통부와 환경부에서는 2016년 녹색건축 인증에 관한 규칙을 통해 단독주택의 빗물 집수면적과 강우 깊이를 고려한 처리용량에 따라 기준을 구분하여 인증등급을 배부하고 있다.
	설치 경제성 고려 시, 가장 효율적인 빗물통 용량은 무엇인가?	백분위수 90퍼센타일에 속하는 30 mm 이상의 강우를 처리할 수 있는 녹색건축인증기준 1등급은 빗물의 재이용 보다는 방재적 성향이 강하다. 물론 빗물통의 용량이 크다면, 강한 강우사상에서 더 많은 빗물을 저장할 수 있겠지만, 빗물통 설치의 경제성을 고려한다면 4등급으로 가장 큰 효율을 얻을 수 있다. 서울시의 소규모 빗물통 지원범위인 0.

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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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