[논문]단기 강우 시 소규모유역에서 생태저류지의 유출 저감효과 분석

천종현; 김재문; 장영수; 신현석

doi:10.5762/kais.2019.20.2.434

단기 강우 시 소규모유역에서 생태저류지의 유출 저감효과 분석
An Analysis of the Outflow reduction effect of Bio-retention in Small watershed during Short-term rainfall 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.2, 2019년, pp.434 - 442

천종현 (부산대학교 사회환경시스템공학과) , 김재문 (부산대학교 사회환경시스템공학과) , 장영수 (부산대학교 사회환경시스템공학과) , 신현석 (부산대학교 사회환경시스템공학과)

초록
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도시 내 빈번히 발생하는 홍수 피해를 해결하기 위한 대응 방안으로 자연상태의 수문순환 체계를 회복하기 위한 저영향개발(Low Impact Development, LID) 기법이 대두되고 있다. LID 요소기술 중 하나인 생태저류지는 유역에서 발생하는 유출수를 저류 및 침투하여 우수 유출수 및 비점오염물질 저감효과를 갖는 시설로 다양한 연구가 진행되고 있으나, 유출저감효과에 대한 분석은 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 수문 해석이 가능한 K-LIDM을 이용하여 소규모유역에서 생태저류지의 유출 저감효과를 분석하였다. 시나리오를 구성함에 있어 생태저류지의 저류용량을 증가시키거나 유역과 생태저류지를 분할하였고 확률강우량을 활용하여 단기강우를 모의하였다. 분석결과 저류용량 증가에 따라 20%, 분산형 시스템에서 5~15% 이상의 유출 저감효과를 나타냈으며 향후 생태저류지의 저류깊이, 지반의 침투능 및 유출부의 직경과 높이 등 다양한 시나리오에 대한 연구가 수행된다면 생태저류지의 물순환 효율성에 관하여 보다 정량적인 분석이 가능할 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Low Impact Development(LID) techniques has been attracting attention as a countermeasure to solve frequent flood damage in urban areas. LID is a techniques for returning to the natural hydrological cycle system by infiltrating the runoff from the impervious surface into the soil. The Bio-retention, one of the LID element technology has outflow reduction effect by reserving and infiltrating storm water runoff from watersheds. Recently, a number of studies have been carried out as interest in the reduction of storm water runoff and non-point pollutants in Bio-retention has increased. However, quantitative analysis on the outflow reduction of Bio-retention applied to small watershed is insufficient. In this study, Bio-retention model was constructed in a small watershed using K-LIDM which is capable of hydrologic analysis. When the storage capacity was increased or dividing the Bio-retention and watershed, the outflow reduction effect was 20% according to the storage capacity increase and 5~15% in the distributed Bio-retention system. The results of this analysis will be used as the basic data of future Bio-retention research related to watershed characteristics, vegetation type and soil condition.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Bio-retention in Korea GI & LID Center
그림 Fig. 2. Inflow and Outflow
그림 Fig. 3. Change of outflow-frequency
그림 Fig. 4. Operation of K-LIDM
그림 Fig. 5. Graphs of observation and simulation
표 Table 1. The results in evaluation of model
그림 Fig. 6. Diagram of two scenarios
표 Table 2. Bio-retention system Case
표 Table 3. Peak flow(m³/s) and Time to Peak(min) of Increasing Bio-retention Storage
그림 Fig. 8. Process of outflow reduction in distributed Bio-retention system
그림 Fig. 7. Outflow hydrographs according to Bio-retention scenarios (BR)
그림 Fig. 9. Outflow hydrographs according to Bio-retention scenarios (DBR)
표 Table 4. Peak flow(m³/s) and Reduction rate(%) of Distributed Bio-retention System

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 소규모 유역에서 생태저류지의 정량적 유출 저감효과 분석을 위하여 K-LIDM을 이용하여 저류 용량 증가에 따른 유출 저감효과와 분산형 생태 저류지 시스템에서 유출 저감효과를 분석하였다.
불투수유역을 분할하여 병렬식으로 소규모 저류지를 설치하였을 경우 각 저류지의 저감계수는 낮아지지만 부하되는 유입량이 감소함으로 총 유출저감효과는 높아질 것으로 예상된다. 따라서, 본 연구에서는 유역의 소규모 단위화 및 생태저류지의 분할을 통해 유출량저감 효과를 분석하였다.
본 연구에서는 도시화에 따른 수문순환체계 왜곡현상을 해결하기 위한 저영향개발(Low Impact Development, LID) 기법의 요소기술인 생태저류지를 이용하여 단기 강우 시 소규모유역에서 생태저류지의 유출 저감효과를 분석하였다.
본 연구에서는 생태저류지의 저류특성을 반영하는 유입유량과 수위에 대하여 검보정을 실시하였다. 모형의 검정 및 보정에는 생태저류지의 저류량 산정 실험을 통해 얻은 유입유량과 수위 관측값을 이용하였다.

제안 방법

(1) 5000m²불투수유역에서 발생하는 우수를 생태저류지에 저류 후 유출하여 첨두유출량 저감 및 첨두유출 시간의 지연효과를 분석하였다. K-LIDM 을 이용하여 모형을 구축했고 부산지점의 30년, 10년 발생빈도에 대하여 60분, 120분, 180분 지속시간의 확률강우를 이용하였다.
(2) 생태저류지의 저류용량 증가에 따른 유출 저감효과 분석을 위하여 저류용량을 2배, 3배, 4배씩 증가시켰다. 첨두유출량 저감효과를 분석했을 때 저감율은 5.
(3) 소규모 유역으로 구성된 분산형 생태저류지 시스템의 유출 저감효과 분석을 위하여 유역과 생태저류지를 2분할, 3분할, 4분할하였다. 분산형 생태 저류지 시스템에서 11.
불투수유역에서 발생하는 우수를 생태저류지에 저류 후 유출하여 첨두유출량 저감 및 첨두유출 시간의 지연효과를 분석하였다. K-LIDM 을 이용하여 모형을 구축했고 부산지점의 30년, 10년 발생빈도에 대하여 60분, 120분, 180분 지속시간의 확률강우를 이용하였다.
K-LIDM의 기본 유출 모의는 Hydrological Simulation Program-Fortran(HSPF)를 기반으로 하고, 투수유역의 유출은 PERLND, 불투수유역의 유출은 IMPLND 모듈로 계산한다. PERLND 모듈은 투수유역에서의 유출과 수질을 계산하며, 주요 부 모듈로는 융설을 계산하는 SNOW, 지표면의 토양유실을 계산하는 SEDMNT, 유출을 계산하는 PWATER, 수질을 계산하는 PQUAL이 있다.
LID 기술요소의 수리· 수문학적 거동 해석은 WWHM을 기초로 하였고, 본 연구에서 적용한 생태저류지는 침투·저류형 시설로 RCHRES 모듈의 HYDR을 이용하여 유입 유량을 수리· 수문학적으로 추적한다.
의 불투수유역에서 유출수가 생태저류지에 저류 후 유출할 경우 저류용량을 증가(2배, 3배, 4배)하여 저류용량 증가(BR) 에 따른 첨두유출 저감효과 및 첨두시각 지연효과를 분석하였다. 또한 유역을 소규모로 분할(1/2배, 1/3배, 1/4배)하여 분산형 생태저류지 시스템(DBR)의 우수 저감효과를 분석하였다. 두 시나리오(BR, DBR)에 대한 모식도는 Fig.
본 연구에서는 생태저류지의 저류특성을 반영하는 유입유량과 수위에 대하여 검보정을 실시하였다. 모형의 검정 및 보정에는 생태저류지의 저류량 산정 실험을 통해 얻은 유입유량과 수위 관측값을 이용하였다. 유량 계측이 가능한 호스로 0.
본 연구는 K-LIDM 모형을 이용하여 5000m²의 불투수유역에서 유출수가 생태저류지에 저류 후 유출할 경우 저류용량을 증가(2배, 3배, 4배)하여 저류용량 증가(BR) 에 따른 첨두유출 저감효과 및 첨두시각 지연효과를 분석하였다. 또한 유역을 소규모로 분할(1/2배, 1/3배, 1/4배)하여 분산형 생태저류지 시스템(DBR)의 우수 저감효과를 분석하였다.
생태저류지 저류용량이 증가함에 따라 유역의 유출 저감효과를 정량적으로 파악하기 위하여 저류지 크기를 2배(BR-2), 3배(BR-3), 4배(BR-4)씩 증가시킨 후 생태 저류지에서 발생하는 유출 저감을 비교 분석하였다. 우선 강우 시나리오별 생태저류지의 설치 유무에 따라 첨두유출량 저감효과를 살펴보았을 때 Table 2에서 기존의 생태저류지(BR-1)가 설치된 경우 5.

대상 데이터

Fig. 1은 본 연구에 적용된 부산대학교 양산캠퍼스 KOREA GI&LID Center 내의 생태공원형 LID 시설이다.
IMPLAND의 유출을 계산하는 부 모듈인 IWATER는 물의 저류와 추적, 증발을 모의하고 침투를 포함한 지표하 유출이 발생하지 않는 점을 제외하면 PERLND 모듈의 PWATER와 거의 동일하다. PERLND와 IMPLND 두 모듈은 유역의 토양, 식생 및 경사에 따른 특성을 각각 15개, 37개 내장하고 있으며, 사용자가 입력한 유역 자료를 기초로 모듈을 호출한다. LID 기술요소의 수리· 수문학적 거동 해석은 WWHM을 기초로 하였고, 본 연구에서 적용한 생태저류지는 침투·저류형 시설로 RCHRES 모듈의 HYDR을 이용하여 유입 유량을 수리· 수문학적으로 추적한다.
6을 통하여 나타내었고 Table 2는 생태저류지 시나리오 Case를 정리하였다. 단기 강우의 발생빈도-지속시간별 확률 강우량은 환경부(2018)에서 제공하는 한국 확률강우량정보를 이용하여 부산지점의 확률강우량을 선정하였다. 30년, 10년 발생빈도에 대하여 60분, 120분, 180분 지속시간의 강우를 Huff 3분위법을 이용하여 5분 단위로 입력하였다.

데이터처리

95m까지 상승하고 그 때까지의 저류 용량이 약 140m³임을 산정하였다. 실험 결과값을 이용 하여 생태저류지의 모형을 구축하였고 5분단위의 유입 유량과 수위를 모의값과 비교하였다.(Fig.

이론/모형

실험 결과값을 이용 하여 생태저류지의 모형을 구축하였고 5분단위의 유입 유량과 수위를 모의값과 비교하였다.(Fig. 5) 모형에 대한 평가는 RMSE(Root Mean Square Errordimensionless)와 NSE(Nash-Sutcliffe efficiency) 기법을 적용하였고 결과는 Table 1에 나타내었다.
단기 강우의 발생빈도-지속시간별 확률 강우량은 환경부(2018)에서 제공하는 한국 확률강우량정보를 이용하여 부산지점의 확률강우량을 선정하였다. 30년, 10년 발생빈도에 대하여 60분, 120분, 180분 지속시간의 강우를 Huff 3분위법을 이용하여 5분 단위로 입력하였다.
RCHRES의 부 모듈인 HYDR은 하도나 혼합 저수지에서 발생하는 수리학적 과정을 모의하는 것으로 홍수추적, 저수지 거동 등을 수행한다. LID 시설 내부의 방류 수리계산의 경우 위어(weir) 식 및 오리피스 (orifice) 식을 사용하고, 시설 하부에서의 침투량은 단위 시간당 침투율(mm/hr)을 이용하여 계산한다.

성능/효과

DBR-1과 비교하여 DBR-2 에서 저감율이 크게 증가하였고 DBR-3과 비교하여 DBR-4에서 저감율이 5∼15% 이상 크게 증가하였다.
Table 4에서 생태저류지가 설치되지 않은 불투수유역과 비교하였을 때 DBR-2의 경우 11.79∼56.55%, DBR-3의 경우 12.83∼59.05%, DBR-4의 경우는 19.13∼65.38%의 저감효과가 나타났다.
분산형 생태 저류지 시스템에서 11.79∼65.38%의 첨두유출량 저감효과가 나타났다.
38%의 저감효과가 나타났다. 유역과 생태저류지를 많은 소규모 유역단위의 분산형 시스템으로 나눌수록 첨두유출량 저감효과는 크게 나타났다. 분할되지 않은 DBR-1과 비교하여 2분할(DBR-2)일 경우에 저감율은 6.
첨두유출 시간은 1.13∼1.86배를 지연하는 효과가 나타났다.
(2) 생태저류지의 저류용량 증가에 따른 유출 저감효과 분석을 위하여 저류용량을 2배, 3배, 4배씩 증가시켰다. 첨두유출량 저감효과를 분석했을 때 저감율은 5.77%에서 100%까지 나타났고, 저류용량의 증가에 따라 20% 이상의 저감효과가 발생했다. BR-4의 경우 30년 빈도, 10년 빈도의 지속시간 60분 강우에서 우수가 모두 저류되어 유출이 발생하지 않았다.

후속연구

LID 기법의 핵심 요소기술인 생태저류지는 침투·저류형 시설로 효율성에 관한 정량적인 연구가 많이 진행되지 않아 설계 기준이 미비한 실정이다. 본 연구는 단기 강우 시 소규모 유역에서 생태저류지의 유출 저감효과를 분석하였고, 향후 이를 활용하여 생태저류지의 저류깊이에 따른 분석, 지반의 침투능을 고려한 토양특성에 대한 분석, 유출부의 관경이나 수직높이를 고려한 분석 등 다양한 시나리오에 대한 연구가 추가적으로 수행된다면 생태저류지의 유출 저감효과에 대한 정량적인 분석이 가능할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SWMM을 LID 시설에 적용하였을 때 생기는 한계는 무엇인가?	4에 보이는 한국형 저영향개발 해석모형(Korea Low Impact Development Model, K-LIDM)은 LID 시설의 수리·수문학적 거동 해석이 가능한 모형으로 강우-유출 과정에서 복합적인 LID 시설의 적용이 가능하다. 기존의 연구에 많이 사용되었던 Storm Water Management Model (SWMM)은 도시유역에서 발생하는 유출량 및 오염물질 산정에는 효과적이지만 LID 시설 적용 시 한계가 발생하게 되는데, LID를 유역면적에 따른 비율로 적용함으로써 LID 시설간의 연계 부분이 미흡하여 연계 시 발생하는 수리·수문학적 거동 해석에 어려움이 있다. 또한 Western Washington Hydrology Model(WWHM)은 유역유출 연속모의를 통해 LID의 효과분석에 특화된 모형이지만 적용이 미국에 한정되어 국내에서 적용의 한계가 발생한다.
	생태저류지란 무엇인가?	자연상태의 강우-유출 현상이 발생하도록 하여 빗물이 우수관으로 들어가기 전 침투, 여과 및 저류 과정을 통해 유출량과 오염물질을 저감할 수 있다. LID의 요소 기술 중 하나인 생태저류지는 도시화된 유역의 빗물관리를 위한 자연 및 공학적 요소가 결합된 시설로 강우-유출 발생 시수량 및 수질을 동시에 조절할 수 있는 분산형 저류지이다. 생태저류지는 빗물유출 저감시설 중 저류형 시설로써 소규모 유역의 부지 내 건물, 공원, 공공시설 등에 설치되어 홍수량을 분담하게 하는데 우수를 저류하여 첨두유량 감소 및 첨두시간을 지연한 다음 천천히 방류하여 홍수조절의 효과를 갖는다.
	생태저류지의 효과는 무엇인가?	생태저류지란 강우 시 유출 발생 지역에서 우수의 침투 및 일시적인 저류를 통해 첨두유출량을 저감하고 도달시간을 지연하여 유역 내 침수피해와 하류지역의 홍수 피해를 예방하는 분산형 저류지이다. 또한 초기 우수유출수에서 발생하는 오염물질을 여과시켜 수질개선에도 기여하고 땅속으로 침투된 우수는 지하수를 함양하는 효과가 있다.

참고문헌 (12)

Lee, J. J., Kwak, C. J., "A Development of Simplified Design Method of the Detention Pond for the Reduction of Runoff.", Journal of Korea Water Resources Association, vol. 41, no. 7, pp. 693-700, June, 2008. DOI: https://doi.org/10.3741/jkwra.2008.41.7.693

원문보기 상세보기
Lee, J. J., Kim, H. N., "Analysis of Rainfall Runoff Reduction Effect Depending upon the Location of Detention Pond in Urban Area.", Journal of the Korean Society of Civil Engineers, vol. 28, no. 5B, pp. 535-546, September, 2008.
Choi, C. H., Choi, D. G., Lee, J. K., Kim, S. D., "An Hybrid Approach for Designing Detention and Infiltration-based Retentions to Promote Sound Urban Hydrologic Cycle.", Journal of Korean Society of Environmental Engineers, vol. 33, no. 1, pp. 1-8, January, 2011. DOI: https://doi.org/10.4491/ksee.2011.33.1.001

원문보기 상세보기
Byeon, C. W., Park, H. J., Lee, H. C., "A Monitoring of Reduction of Peak Runoff, Ecological and Environmental Effectiveness of Dispersal Detention System in Apartment Complex.", Journal of KOSHAM, vol. 13, no. 1, pp. 327-336, February, 2013. DOI: https://doi.org/10.9798/kosham.2013.13.1.327
Lee, O. J., Jang, S. H., Kim, H. T., Kim, S. D., "Size Determination Method of Bio-Retention Cells for Mimicking Natural Flow Duration Curves.", Journal of Wetlands Research, vol. 18, no. 4, pp. 424-431, November, 2016. DOI: https://doi.org/10.17663/jwr.2016.18.4.424

원문보기 상세보기
Hong, J. S., Kim, L. H., "Assessment of Performances of Low Impact Development(LID) Facilities with Vegetation.", Ecology and Resilient Infrastructure, vol. 3, no. 2, pp. 100-109, June, 2016. DOI: https://doi.org/10.17820/eri.2016.3.2.100

원문보기 상세보기
Davis, A. P., "Field Performance of Bioretention: Hydrology Impact.", Journal of Hydrologic Engineering, vol. 13, no. 2, pp. 109-117, February, 2008. DOI: https://doi.org/10.1061/(asce)1084-0699(2008)13:2(90)
Brown, R. A., Hunt, W. F., "Impacts of Construction Activity on Bioretention Performance.", Journal of Hydrologic Engineering, vol. 15, no. 6, pp. 386-394, June, 2010. DOI: https://doi.org/10.1061/(asce)he.1943-5584.0000165

상세보기
Denich, C., Bradford, A., "Estimation of Evapotranspiration from Bioretention Areas Using Weighing Lysimeters.", Journal of Hydrologic Engineering, vol. 15, no. 6, pp. 522-530, June, 2010. DOI: https://doi.org/10.1061/41009(333)96

상세보기
Winston, R. J., Smolek, A. P., Dorsey, J. D., Hunt, W. F., "Modeling Bioretention Hydrologic Performance using DRAINMOD under Current and Future Climate Scenarios.", Modelisation/Models Proceedings of Novatech 2016.
Park, J. P., "Development and application of a low impact development analysis model based on HSPF.", Pukyong National University Graduate School Doctor's Thesis, pp. 1-186, February, 2018. DOI: http://www.riss.kr/link?idT14729036
Jang, Y. S., Shin, H. S., "The study on Installation Areas of Permeable Pavement for Stormwater Control.", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, vol. 18, no. 11, pp. 104-109, November, 2017. DOI: https://doi.org/10.5762/KAIS.2017.18.11.104

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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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