[논문]건축형 LID 시스템에서 Planter Box를 활용한 저류 및 유출저감 특성 분석

김병성; 김재문; 백종석; 신현석

doi:10.3741/jkwra.2019.52.3.219

건축형 LID 시스템에서 Planter Box를 활용한 저류 및 유출저감 특성 분석
An analysis of storage and runoff reduction characteristics using planter box in architectural LID system 원문보기

Journal of Korea Water Resources Association = 한국수자원학회논문집, v.52 no.3, 2019년, pp.219 - 226

김병성 (부산대학교 사회환경시스템공학과 토목공학과전공) , 김재문 (부산대학교 사회환경시스템공학과 토목공학과전공) , 백종석 (K-water 융합연구원) , 신현석 (부산대학교 사회환경시스템공학과)

초록
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최근 기후변화와 도시화로 인한 수재해 문제가 증가하고 있으며, 이에 대응방안인 저영향개발(Low-Impact Development, LID) 기법에 관한 연구가 확대되고 있다. LID 기법은 도시 내의 우수유출수를 저감시켜 다양한 수재해 문제를 친환경적으로 제어하고, 도시 개발 이전의 물순환 체계로 회복시키는 기술이다. 하지만 LID 기법에 관한 정량적 데이터가 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 저류형 LID 기술인 식생화분(Planter Box)의 Curve Number (CN)값을 산정하여, 물순환(침투, 유출, 월류수) 분석을 실시하였다. Planter Box의 물순환 분석에 관한 강우강도 시나리오(60.4 mm/hr, 83.1 mm/hr, 97.4 mm/hr, 108.2 mm/hr)는 부산시 확률강우강도표(2010)를 이용하여 선정하였다. 실험 결과는 건물화분3(BPB-3)과 거리화분3(SPB-3)에서 우수저류율이 각각 43.5%~52.9%, 33.4%~39.0%로 나타났다. 또한 BPB-3에서 CN값은 평균 83이 산출되었고, Horton 침투능 곡선식 적용에 따른 우수유출효과는 17%~96%로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, research about Low-Impact Development (LID) techniques has been expanded due to problems with the effects of climate change and urbanization that have been increasing. LID technology is used to control flood damage environmentally to reduce runoff and is reduce runoff on city also restore into previous water circulation system from present developed city. However, studies about quantitative data of LID techniques are insufficient. Therefore in this study, the Curve Number (CN) was calculated with the Planter Box, which is storage type LID technology to conduct the water circulation (infiltration, runoff, overflow) analysis. Rainfall intensity scenario (60.4 mm/hr, 83.1 mm/hr, 97.4 mm/hr, 108.2 mm/hr) about water circulation analysis of Planter Box is selected on the basis of probable rainfall intensity table. According to the experimental results, the storage rate of rainwater in Building Planter Box and Street Planter Box was 43.5% to 52.9% and 33.4% to 39%, respectively. In addition, CN value is estimated to 83 at the Planter box and the runoff reduction effect by applying Horton's infiltration capacity curve showed on 51% to 98%.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Building Roof-Planter box Linked-GI system of GI&LID-Outside experimental test bed
그림 Fig. 2. Structure of planter box in architectural LID system 3
그림 Fig. 3. Water cycle schematic diagram of architectural LID system 3
표 Table 1. Specification of building planter box 3 and street planter box 3 in architectural LID system 3
그림 Fig. 4. Measurement and composition of TDR-300
표 Table 2. Probable rainfall intensity of ministry of land, infrastructure and transport (MOLIT) in Busan (2010)
표 Table 3. Variable values with soil type of horton infiltration curve
그림 Fig. 5. The hydrograph of the architectural type LID system 3 according to each scenario
표 Table 4. Delay time, storage and storage rate according to each scenario
표 Table 5. Total discharge and discharge reducing rate according soil application on planter box
표 Table 6. CN values with soil type of horton infiltration curve for planter box

AI 본문요약
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문제 정의

2 mm/hr)를 갖는 4개의 시나리오(A, B, C, D)로 설정하였다. 강우강도는 DS-3에 유입되는 유량을 BPB-3의 면적으로 환산하여 산정하였고, BPB-3의 자체 효율성을 분석하고자 하였다. 시나리오 A, B, C, D에 맞는 강우강도를 모의하기 위해 유량을 15.
0%으로 나타났고, BPB-3에서 52∼85분의 지체시간을 확인하였다. 또한 본 실험에서는 Horton 침투능 곡선식 및 CN을 이용하여 우수유출저감 효과를 파악하고자 하였다. 기존의 불투수지역에 Planter Box를 적용한 결과 40%∼48%의 우수유출저감 효과를 확인하였고 토양종류별 변수값을 기존 BPB-3에 적용하여 기저지반으로 침투를 고려한 결과, 총 유출량은 31.
모의강우강도는 Ministy of Environment (2010)를 이용하여 5, 20, 50, 100년 빈도로 60분 강우강도를 선별하였으며, 강우에 의해 발생하는 침투유출, 저류수, 월류수의 관계를 분석하기 위해서 유출곡선지수(CN)값을 산정하여, 그 결과를 바탕으로 건축형 LID인 Planter Box의 저류 및 우수유출저감 특성을 분석하였다. 본 연구에서 활용한 Planter Box는 연구를 위해 기초콘크리트로 설치되어 기저지반으로 침투가 불가능한 시스템이지만 건축형 LID를 기저지반으로 침투하도록 가정하고 기저지반의 침투에 대한 영향 분석을 Horton 침투능 곡선식을 활용하여 우수유출저감 효과를 정량적으로 파악하고자 하였다.
본 연구에서는 기후변화와 도시화에 따른 도시 물 관리 문제를 해결하기 위한 저영향개발(LID) 기법 중 저류형 LID인 Planter Box의 저류 및 유출저감 특성을 분석하였다. 건축형LID 시스템3의 실험을 통해 우수저류, 우수유출저감 및 지체 시간의 효과를 확인하였다.
본 연구에서는 물순환 효율성 검증이 가능한 건축형 LID인식생화분(Planter Box)을 이용하여 물순환 실험을 실시하였다. 모의강우강도는 Ministy of Environment (2010)를 이용하여 5, 20, 50, 100년 빈도로 60분 강우강도를 선별하였으며, 강우에 의해 발생하는 침투유출, 저류수, 월류수의 관계를 분석하기 위해서 유출곡선지수(CN)값을 산정하여, 그 결과를 바탕으로 건축형 LID인 Planter Box의 저류 및 우수유출저감 특성을 분석하였다.
Horton 침투능 곡선식의 토양종류별 변수값을 이용하여 침투능 곡선식을 산정하였고, BPB-3의 콘크리트 기초에 침 투능 곡선식의 토양을 적용하여 유효유출량을 산정하였다. 본 연구에서는 산정된 유효유출량을 이용하여 우수유출저감 효과를 파악하고자 한다. Horton의 침투모형(Horton, 1940)은 침투현상을 구현하는데 잘 알려진 경험적인 모형이고 다음과 같은 침투능 곡선식 Eq.
GI&LID 센터의 Planter Box는 연구를 위해 기초콘크리트로 구축이 되어 있기 때문에 Planter Box에서 기저지반으로 우수가 침투되지 않는다. 이에 본 연구는 Planter Box에서 기초콘크리트가 아닌 자연 토사를 적용한 경우 침투 및 지하수로 인한 유출저감 특성을 평가하였다. 자연 토양을 BPB-3에 연계하여 총 유출량을 산출하였고 Table 5에서 나타내었다.
본 연구에서는 강우모의에 의한 유출량을 통해 유출곡선지수(CN)값을 산정하였다. 이에 산정된 CN값을 활용하여 건축형 LID 시스템3의 유출저감 효과를 분석하고자한다. 유출량 자료가 없는 경우에 유역의 토양 특성과 식생피복상태 및 선행강수조건 등에 대한 상세한 자료만으로도 총우량으로부터 유효우량을 산정할 수 있는 방법을 1972년에 미국토양보존청(U.

제안 방법

Horton 침투능 곡선식의 토양종류별 변수값을 이용하여 침투능 곡선식을 산정하였고, BPB-3의 콘크리트 기초에 침 투능 곡선식의 토양을 적용하여 유효유출량을 산정하였다. 본 연구에서는 산정된 유효유출량을 이용하여 우수유출저감 효과를 파악하고자 한다.
TDR-300의 정밀한 측정을 위해 증류수로 검보정을 실시한 다음 토양의 함수율을 측정한다. 함수비 측정 지점은 Planter Box 콘크리트 벽면의 영향을 고려하여 벽체에서 30 cm이상, 가로방향으로 각 지점의 간격은 150 cm이상, 세로방향은 가로방향과 평행하게 30 cm이상 거리를 두고 Planter Box별로 각각 8개의 지점을 선정하였다.
각 Planter Box의 저류량은 실험 전·후로 측정된 함수율을 통해 산정한 값과 모니터링을 통한 값을 비교·분석하여 산출하였다.
본 연구에서는 기후변화와 도시화에 따른 도시 물 관리 문제를 해결하기 위한 저영향개발(LID) 기법 중 저류형 LID인 Planter Box의 저류 및 유출저감 특성을 분석하였다. 건축형LID 시스템3의 실험을 통해 우수저류, 우수유출저감 및 지체 시간의 효과를 확인하였다. BPB-3과 SPB-3에서의 저류량이 각각 43.
본 연구에서는 물순환 효율성 검증이 가능한 건축형 LID인식생화분(Planter Box)을 이용하여 물순환 실험을 실시하였다. 모의강우강도는 Ministy of Environment (2010)를 이용하여 5, 20, 50, 100년 빈도로 60분 강우강도를 선별하였으며, 강우에 의해 발생하는 침투유출, 저류수, 월류수의 관계를 분석하기 위해서 유출곡선지수(CN)값을 산정하여, 그 결과를 바탕으로 건축형 LID인 Planter Box의 저류 및 우수유출저감 특성을 분석하였다. 본 연구에서 활용한 Planter Box는 연구를 위해 기초콘크리트로 설치되어 기저지반으로 침투가 불가능한 시스템이지만 건축형 LID를 기저지반으로 침투하도록 가정하고 기저지반의 침투에 대한 영향 분석을 Horton 침투능 곡선식을 활용하여 우수유출저감 효과를 정량적으로 파악하고자 하였다.
모의강우는 20 cm × 20 cm × 20 cm 유량버킷을 이용하여 각 시나리오의 유량을 실측한 후 실험을 실시하였다.
본 논문에서는 실제 강우를 재현하기 위해 부산시 확률강우강도표를 이용하여 재현기간(5, 20, 50, 100년)에 맞는 강우강도(60.4 mm/hr, 83.1 mm/hr, 97.4 mm/hr, 108.2 mm/hr)를 갖는 4개의 시나리오(A, B, C, D)로 설정하였다. 강우강도는 DS-3에 유입되는 유량을 BPB-3의 면적으로 환산하여 산정하였고, BPB-3의 자체 효율성을 분석하고자 하였다.
본 실험에서는 DS-3으로 유입되는 유량을 강우에 의해 발생하는 유입수로 가정했을 때, BPB-3, SPB-3에서 발생하는 침투(Infiltration), 유출(Runoff)등을 아래와 같은 수문학적 물수지 공식 Eq. (1)을 이용하여 분석할 수 있다.
따라서 함수비의 선행조건 파악을 위해 함수비를 측정하여 파악하는 것은 매우 중요하다. 본 실험에서는 시간영역반사법(Time Domain Reflectometry, TDR)으로 체적함수율이 측정되는 TDR-300을 사용하여 실험 전과 후로 Planter Box 토양층 내의 함수량을 측정하였다. Fig.
본 연구는 경상남도 양산시 물금읍 부산대학로 49에 위치한 한국형 GI&LID (Green Infrastructure & Low Impact Development) 센터에서 건축형 LID 시스템 3_건물옥상-화분 연계형 GI 시스템을 활용하여 효율성 분석을 실시하였다.
본 연구는 시나리오별로 강우를 모의하여 각 Planter Box의 유량계에서 계측된 유출량을 web상에서 1분 단위로 모니터링 하였다. 각 시나리오 모두 월류수는 발생하지 않았으며 web상의 서버시스템에서 모니터링 결과를 수문곡선으로 Fig.
건축형 LID 시스템3은 우수를 저류시켜 유출량을 저감시키고 지체시간을 지연시켜 유출로 인한 수재해 피해를 저감하는 역할이다. 본 연구에서는 강우모의에 의한 유출량을 통해 유출곡선지수(CN)값을 산정하였다. 이에 산정된 CN값을 활용하여 건축형 LID 시스템3의 유출저감 효과를 분석하고자한다.
본 연구에서는 고저수조에서 나온 유량이 호스를 통해 DS-3으로 유입되고, 유입되는 유량을 조절하여 원하는 강우 강도를 모의하였다. 이러한 과정에서 유량의 흐름을 등류로 가정하였을 때, 연속방정식 Eq.
CN값은 S에 영향을 미치며 S값은 해당 유역에서의 유출량과 밀접한 관계를 나타낸다. 본 연구에서는 시나리오별 강우모의를 통해 저감된 유출량으로 Planter Box의 CN값을 도출하고, BPB-3에서 Horton 침투능 곡선식의 토양을 고려한 CN값을 추정하였다.
강우강도는 DS-3에 유입되는 유량을 BPB-3의 면적으로 환산하여 산정하였고, BPB-3의 자체 효율성을 분석하고자 하였다. 시나리오 A, B, C, D에 맞는 강우강도를 모의하기 위해 유량을 15.0L/min, 20.5 L/min, 24.5 L/min, 27.0 L/min로 결정하였다. 모의강우는 20 cm × 20 cm × 20 cm 유량버킷을 이용하여 각 시나리오의 유량을 실측한 후 실험을 실시하였다.
물 순환 과정중 증발 및 증산과정은 수자원 시스템의 운영에 대단한 중요성을 가지지만 이는 단기간보다는 비교적 장기간의 수자원 양적 손실 정도를 판단하는 기준이 되며, 비교적 짧은 기간에 발생하는 호우의 경우 증발산율은 포화증기압과 실제증기압의 차이가 크지 않아 강우강도에 비해 대단히 작으므로 호우기간중의 증발산량은 거의 무시할 수 있다(Yoon, 2007). 이에 본 논문에서 증발량은 고려하지 않고 저류량을 산정하였다.

대상 데이터

TDR-300의 정밀한 측정을 위해 증류수로 검보정을 실시한 다음 토양의 함수율을 측정한다. 함수비 측정 지점은 Planter Box 콘크리트 벽면의 영향을 고려하여 벽체에서 30 cm이상, 가로방향으로 각 지점의 간격은 150 cm이상, 세로방향은 가로방향과 평행하게 30 cm이상 거리를 두고 Planter Box별로 각각 8개의 지점을 선정하였다. 각 Planter Box의 저류량은 실험 전·후로 측정된 함수율을 통해 산정한 값과 모니터링을 통한 값을 비교·분석하여 산출하였다.

성능/효과

BPB-3과 SPB-3에서의 저류량이 각각 43.5%∼52.9%, 33.4%∼39.0%으로 나타났고, BPB-3에서 52∼85분의 지체시간을 확인하였다.
GI&LID 센터 내의 Planter Box는 도시에 불투수지역일 경우 보다 40%∼48%의 저류효과를 가지는 것으로 나타났다.
기존의 불투수지역에 Planter Box를 적용한 결과 40%∼48%의 우수유출저감 효과를 확인하였고 토양종류별 변수값을 기존 BPB-3에 적용하여 기저지반으로 침투를 고려한 결과, 총 유출량은 31.92 L∼761.05 L이고 우수유출저감율이 51%∼98%에 해당하였다.
또한 BPB-3의 평균 CN값은 83로 산정되었고 A, B시나리오에서 우수유출이 발생하지 않은 Tooup sand를 제외할 경우, 우수유출저감 효율이 우수한 Cowarts loamy sand의 토양을 적용한 결과 불수투지역 보다 평균 CN값이 27 감소하였고, 59%∼77%의 우수유출저감 효과가 나타나 현장의 기저지반에 따라 Planter Box의 면적 또는 깊이 결정에 도움이 될 것으로 기대된다.
GI&LID 센터 내의 Planter Box는 도시에 불투수지역일 경우 보다 40%∼48%의 저류효과를 가지는 것으로 나타났다. 또한 Horton 침투능 곡선식의 토양종류별 변수값을 BPB-3에 적용하여 기저지반으로 침투를 고려한 결과 Tooup sand의 경우 총 유출량이 시나리오 A, B에서는 발생하지 않았으며 C, D에서 각각 31.92 L, 116.93 L로 나타났다. 시나리오별로 유출량이 발생한 토양 중에서 가장 우수유출저감 효율이 좋은 Cowarts loamy sand의 경우 각각 186.
도시에서 불투수지역(주차장, 지붕, 도로 등)의 CN값은 98이며, Tables 5 and 6에서 볼 수 있듯이 CN값에 따라 유출량이 감소하는 것을 확인하였다. 또한, BPB-3은 기저지반에 따라 우수유출저감에 효과적인 것을 확인하였다.
지체시간은 유역의 형상, 유로의 길이, 평균경사, 기하학적 특성, 하도의 조도 등에 영향을 받는다. 본 실험에서는 이러한 조건이 같음으로 시나리오 C 이상의 강우강도에서 지체시간 지연 효과가 감소하는 것을 확인할 수 있다.
불투수지역과 각 토양 종류에 따른 총 유출량을 비교하였을 때 우수유출저감율은 51%∼98%까지 나타났다.
시나리오별로 BPB-3의 저류율은 52.9%, 46.2%, 43.9%, 43.5%로 나타났고, SPB-3의 저류율이 39.0%, 37.8%, 33.4%, 33.8%인 것을 확인하였다. 총 유입유량의 증가에 따라 각 Planter Box의 저류량이 증가 하지만 저류율은 감소한다.
93 L로 나타났다. 시나리오별로 유출량이 발생한 토양 중에서 가장 우수유출저감 효율이 좋은 Cowarts loamy sand의 경우 각각 186.06 L, 389.95 L, 541.05 L, 629.97 L의 유출량이 산정되었다. 불투수지역과 각 토양 종류에 따른 총 유출량을 비교하였을 때 우수유출저감율은 51%∼98%까지 나타났다.
토양종류별 변수값을 적용할 경우 BPB-3의 CN값이 18∼56까지 감소하는 것을 확인하였다.

후속연구

하지만 현재 국내외에서 LID 기법에 관한 정량적 분석 연구가 미비한 실정이며, 이러한 분석을 통하여 모형의 매개변수 산정은 빗물관리에서 중요한 요소이다. 본 연구는 향후 모델링 모형의 정확성 평가 및 매개변수 산정을 위한 기초자료로써 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LID 기법은 우수에 의한 유출량을 어떻게 예측하는가?	이와 같이 LID 기법은 도시 물 관리에 있어 경제적이며 친환경적인 기술로 볼 수 있다. 또한 도시 LID 설계 시 빗물관리를 위해 우수에 의한 유출량은 유출모형을 통해 예측·분석할 수 있다. 하지만 현재 국내외에서 LID 기법에 관한 정량적 분석 연구가 미비한 실정이며, 이러한 분석을 통하여 모형의 매개변수 산정은 빗물관리에서 중요한 요소이다.
	LID 기법은 무엇인가?	최근 기후변화와 도시화로 인한 수재해 문제가 증가하고 있으며, 이에 대응방안인 저영향개발(Low-Impact Development, LID) 기법에 관한 연구가 확대되고 있다. LID 기법은 도시 내의 우수유출수를 저감시켜 다양한 수재해 문제를 친환경적으로 제어하고, 도시 개발 이전의 물순환 체계로 회복시키는 기술이다. 하지만 LID 기법에 관한 정량적 데이터가 부족한 실정이다.
	LID 요소 기술의 예로는 무엇이 있는가?	LID는 도시화에 의한 불투수면 증가로 발생하는 다양한 문제들을 완화하는데 크게 기여할 수 있다(Ministry of Environment, 2013). LID 요소 기술의 예로는 투수성 포장, 옥상녹화, 빗물정원, 침투도랑, 식생화분, 빗물통, 침투저류지 등이 있다.

참고문헌 (18)

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Yoon, Y. N. (2007). Hydrolgy. Cheong Mun Gak.

저자의 다른 논문 :

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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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