[논문]저영향개발 시설의 요소기술별 연계 효과 분석

백종석; 이상진; 신현석; 김재문; 김형산

doi:10.15681/kswe.2019.35.1.35

저영향개발 시설의 요소기술별 연계 효과 분석
Analysis of the Linkage Effect by Component Technology in Low Impact Development Facilities 원문보기

한국물환경학회지 = Journal of Korean Society on Water Environment, v.35 no.1, 2019년, pp.35 - 42

백종석 (K-water융합연구원 물순환연구소) , 이상진 (K-water융합연구원 물순환연구소) , 신현석 (부산대학교 사회환경시스템공학과) , 김재문 (부산대학교 사회환경시스템공학과) , 김형산 (K-water융합연구원 물순환연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Urbanization has led to extreme changes in land use on urban watersheds. Most cities are becoming residential, commercial and industrial areas, making infiltration and storage of rainfall less favorable. The demand for LID (Low Impact Development) technology is increasing in order to mitigate this water cycle distortion and return to existing hydrological conditions. The LID technique is effective in reducing runoff by permeating the urban impervious area. However, considering the limit of the installation area and the financial requirement of the installation, there is not much research on the linkage of each LID component technology for optimum efficiency according to the appropriate scale. In this study, the effects of the LID facilities applied to the target site were simulated using the SWMM model, suggesting the optimal linkage method considering interconnectivity, and applying the effects as an existing installation of individual facilities. The water balance at the time of application of the LID technology, short-term and long-term rainfall event were compared. Also, the individual application and the linkage application were compared with each other. If each component technology has sufficient processing size, then linkage application is more effective than individual application.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Location of study area.
그림 Fig. 2. Design for SWMM model.
표 Table 1. Annual average precipitation in Suwon meteorological station
표 Table 2. Monthly average evaporation and temperature in Suwon meteorological station in 10 years
그림 Fig. 3. Applied component technologies by type.
표 Table 3. Design for SWMM option
그림 Fig. 4. Flowchart for LID linkage.
그림 Fig. 5. Precipitation by each percentile.
표 Table 4. Applied component technologies by type
표 Table 5. Linkage method of LID
그림 Fig. 6. Water balance analysis by each events.
표 Table 6. Water balance analysis by short-term rainfall events
그림 Fig. 7. Ratio of runoff by rainfall intensity.
표 Table 7. Water balance analysis for long-term rainfall events
표 Table 8. Water balance analysis by drought and flooding year

AI 본문요약
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문제 정의

저영향개발 기술의 개별적인 적용과 상호 연계를 통한 적용을 구분하여 모형을 구축하고, 대상지의 실제 강우자료를 적용하여 장단기 강우사상 모의를 수행한다. 결과 분석을 통해 저영향개발 기술의 개별적 적용과 연계시의 효과를 비교 정리하여, 해당기술의 적용이 대상지역의 물순환 시스템에 미치는 수문학적 개선 효과를 제시하고자 한다.
본 연구에서는 공간 및 경제적 한계점을 해결할 수 있는 저영향개발 요소기술 간의 연계 운영 방안에 대해 분석하였다. 강우를 접하는 면적에 따라 연계 방안을 고려하여, 건물에서는 옥상녹화와 소규모 지하저류조, 식생여과대를 연계하였으며, 도로 및 포장 면적에서는 투수성 포장과 침투 트렌치를 연계하여 직접적인 우수관망으로의 유출이 아닌 요소기술간의 연계를 통한 유출량의 우회 및 유출시간을 지연시키도록 하였다.
이와 같이 저영향개발을 통한 도시지역의 유출량 저감에 관한 연구는 지속적으로 진행중에 있으나 각 요소기술 간의상호 연계적인 부분을 고려한 최적 적용 계획에 관한 연구는 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 저영향개발 기술을 적용하여 불투수면적의 유출저감 분석 및 각 요소기술 간의상호 연계를 통해 연계 효과를 분석하고자 하였다. 유출량의 증가는 적정 저영향개발 설계를 통해서도 해결할 수 있으나, 개별적 요소기술의 운용보다는 요소간의 상호 연계성있는 효율적인 운용을 한다면 면적에 따른 설치량의 한계성을 극복하고 경제성있는 개발이 될 것이라 기대한다.

제안 방법

2008년부터 2017년까지 총 10년간의 시강우 자료를 기반으로 저영향개발 적용 전과 후, 그리고 저영향개발 요소기술간 연계시에 대한 3가지 시나리오를 모의하였다. 장기강우사상의 분석 결과를 연평균을 기준으로 Table 7과 같이 정리하였다.
2008년부터 2017년까지의 10년 강수량을 분석하여 Fig.5와 같이 80, 90, 95, 98 percentile의 각 백분위수에 해당하는 17, 34, 55, 95 mm/day의 일강우량을 선정하였으며, 확률강우량도 개선 및 보완연구(MLTMA, 2011)를 기반으로Huff 3분위에 따라 10분 단위 강우자료를 구성하고 시나리오를 구축하였다. 구축된 시나리오를 바탕으로 저영향개발기술의 적용 전, 적용 후 및 요소기술 간의 연계로 3가지시나리오를 구성하였으며, 분석을 수행하였다.
본 연구에서는 공간 및 경제적 한계점을 해결할 수 있는 저영향개발 요소기술 간의 연계 운영 방안에 대해 분석하였다. 강우를 접하는 면적에 따라 연계 방안을 고려하여, 건물에서는 옥상녹화와 소규모 지하저류조, 식생여과대를 연계하였으며, 도로 및 포장 면적에서는 투수성 포장과 침투 트렌치를 연계하여 직접적인 우수관망으로의 유출이 아닌 요소기술간의 연계를 통한 유출량의 우회 및 유출시간을 지연시키도록 하였다.
강우사상을 단기, 장기, 갈수기 및 풍수기로 구분하고, 저영향개발 시설의 적용 전후와 연계 운영에 대하여 분석을 수행하였다. 단기 강우사상의 경우, 저영향개발 기술의 개별적인 적용보다 연계시에 유출이 5.
공원·녹지에는 건식우물(Dry well), 연못(Pond), 식생여과대(Riparian buffer), 실개천(Swale), 나무여과상자(Tree box filter)를 적용하였으며, 건물에는 옥상녹화(Vegetated roof),소규모 지하저류조(Wet vault), 대규모 지하저류조(Underground detention)를 계획하였다.
5와 같이 80, 90, 95, 98 percentile의 각 백분위수에 해당하는 17, 34, 55, 95 mm/day의 일강우량을 선정하였으며, 확률강우량도 개선 및 보완연구(MLTMA, 2011)를 기반으로Huff 3분위에 따라 10분 단위 강우자료를 구성하고 시나리오를 구축하였다. 구축된 시나리오를 바탕으로 저영향개발기술의 적용 전, 적용 후 및 요소기술 간의 연계로 3가지시나리오를 구성하였으며, 분석을 수행하였다.
D지역은 실개천으로 유입된 유출수를 연못으로 차집하고, 연못이 일정 수위 이상에서 월류시에 지하저류조로 유출되도록 처리과정을 설정하였다. 나머지 대지의 포장면적을 따라 유출되는 유출수는 침투트렌치와 침투집수정을 통해 최종 유출되도록 계획하였다.
단기와 장기 강우사상에서의 결과를 재확인하기 위하여10년 연평균 강우자료를 토대로 강우가 가장 적은 갈수해와 가장 많은 풍수해를 선별하여 연별 모의를 수행하였다. 갈수해는 강우량 751 mm의 2015년, 풍수해는 1,976 mm의2011년으로 선정하였다.
대상지역의 실시계획과 수리계산서를 기반으로 Fig. 2와 같이 SWMM 모형을 구축하였다. 소유역의 저류깊이, 조도계수 등의 매개변수는 Koo and Seo (2017)의 실제 모니터링 및 검증 자료를 적용하여 Table 3과 같이 설정하였다.
도로·교통 부지에는 침투집수정(Infiltration collect well), 침투트렌치(Infiltration trench),LID 원형교차로(LID roundabout), 투수성포장(Permeable pavement), 식생처리장치(Street planter)를 적용하였다.
본 연구의 연구 방법은 다음 순서에 따른다. 먼저, 실제 저영향개발 기술이 적용되는 대상지를 선정하고, 적용될 요소기술들의 종류와 용량을 소개한다. 저영향개발 기술의 개별적인 적용과 상호 연계를 통한 적용을 구분하여 모형을 구축하고, 대상지의 실제 강우자료를 적용하여 장단기 강우사상 모의를 수행한다.
3의 (a) 대상지역에 표시된 A, B, C, D로 구분하였으며, 요소기술별 연계세부사항은 Table 5와 같다. 요소기술의 연계방안은 대상지의 고저차나 경사에 의해 자연적으로 처리될 수 있는 유출흐름 방향에 따라 설정하였다. A지역으로 유출되는 강우는 옥상녹화를 통해 1차 처리되고, 처리용량을 초과하는 월류수는 건물 외벽에 설치된 식생처리장치를 통해 2차 처리되며, 식생처리장치 옆에 설치된 소규모 지하저류조를 거친 후 최종 유출되도록 하였다.
먼저, 실제 저영향개발 기술이 적용되는 대상지를 선정하고, 적용될 요소기술들의 종류와 용량을 소개한다. 저영향개발 기술의 개별적인 적용과 상호 연계를 통한 적용을 구분하여 모형을 구축하고, 대상지의 실제 강우자료를 적용하여 장단기 강우사상 모의를 수행한다. 결과 분석을 통해 저영향개발 기술의 개별적 적용과 연계시의 효과를 비교 정리하여, 해당기술의 적용이 대상지역의 물순환 시스템에 미치는 수문학적 개선 효과를 제시하고자 한다.
6 % 증가하는 것으로 분석되었다. 저영향개발기술의 연계가 단기사상에서는 효과적이나 장기사상에서는 효율이 낮은 점을 확인하기 위해, 장기 분석기간 중 최다강우량을 기록한 2011년과 최소 강우량을 기록한 2015년을 비교 분석하였다. 갈수기인 2015년에는 기본 저영향개발 적용보다 연계시에 5.

대상 데이터

1 모형을 선정하였다. SWMM 5.1 모형은 도시 유역의 장기 연속 강우 모의가 가능하고 강우, 유출, 침투, 저류, 증발산 등 수문학적 물수지 산정 및 저영향개발 기술의 적용 모의가 가능하여 Baek et al,(2017), Baek et al. (2018), Kang et al. (2014), Suh andLee (2013)등 다수의 연구에서 적용되었으며, 본 연구의 대상지역에 설치되는 LID 시설물의 분석이 가능하여 대상모형으로 선정하였다.
단기와 장기 강우사상에서의 결과를 재확인하기 위하여10년 연평균 강우자료를 토대로 강우가 가장 적은 갈수해와 가장 많은 풍수해를 선별하여 연별 모의를 수행하였다. 갈수해는 강우량 751 mm의 2015년, 풍수해는 1,976 mm의2011년으로 선정하였다. 갈수해와 풍수해 모두 저영향개발의 적용으로 증발, 침투, 저장이 증가하고 유출이 감소하는 것으로 Table 8과 같이 나타났다.
대상지는 경기도 화성시에 위치한 교육 및 연구센터로 계획중인 시범지구로써, 저영향개발 기술을 적용하여 실증적인 물순환 시스템을 구현하도록 다양한 요소기술들이 적용되어 상호 연계성 확인에 적합하여 대상지로 선정하였다. 대상지는 Fig. 1과 같이 기상청 강우 관측소 중 수원시와 인접하여 수원관측소를 대상관측소로 선정하였다. 2008년에서 2017년까지 10년간의 관측자료를 대상으로 연간 강우량 평균과 월간 증발산 및 기온은 Table 1 및 Table 2와 같다.
대상지는 경기도 화성시에 위치한 교육 및 연구센터로 계획중인 시범지구로써, 저영향개발 기술을 적용하여 실증적인 물순환 시스템을 구현하도록 다양한 요소기술들이 적용되어 상호 연계성 확인에 적합하여 대상지로 선정하였다. 대상지는 Fig.

이론/모형

대상지의 토양은 자갈 섞인 사질토로 비교적 투수성이 양호한 수문학적 토양그룹 Type-B에 해당하며, 관련매개변수는 Urban Drainage and Flood Control District(UDFCD, 2017)의 Horton’s equation에서 제시한 값을 적용하였다.
저영향개발 효과 분석이 가능한 모형의 종류로는 단순알고리즘을 Excel 시트 상에서 간략 계산할 수 있는Spreadsheet 모형, 소규모 유역을 대상으로 설치 전후의 유출량 저감, 수질개선을 비교적 간단히 계산 가능한 Simple모형, 요소기술 간의 수리·수문학적 해석을 통해 유역의 유출을 복합적으로 분석이 가능한 Complex 모형으로 구분할 수 있다. 본 연구에서는 Complex 모형 중유역의 관망 모의를 통해 수문학적 분석이 가능한 EPA-SWMM 모형에 LID Tool을 추가한 SWMM 5.1 모형을 선정하였다. SWMM 5.
2와 같이 SWMM 모형을 구축하였다. 소유역의 저류깊이, 조도계수 등의 매개변수는 Koo and Seo (2017)의 실제 모니터링 및 검증 자료를 적용하여 Table 3과 같이 설정하였다. 대상지의 토양은 자갈 섞인 사질토로 비교적 투수성이 양호한 수문학적 토양그룹 Type-B에 해당하며, 관련매개변수는 Urban Drainage and Flood Control District(UDFCD, 2017)의 Horton’s equation에서 제시한 값을 적용하였다.

성능/효과

단기 강우사상에서는 저영향개발 기술간의 연계시를 통해 유출을 저감할 수 있는 것으로 분석되었다. 95.3 mm/day의 극한 강우사상에서 저영향개발 적용시 40.2 %, 연계시 34.5 %의 유출이 발생하는 것으로 확인되었고, 이는 저영향개발 적용전보다 각각 32.3 %, 38 %의 유출저감 효과가 있는 것으로 분석되었다. 강우강도의 증가에 따른 유출률 변화는 Fig.
1 %의 유출이 발생하는 것으로 확인되었다. 같은 강우사상에서 저영향개발의 개별적인 적용시 유출이28.6 %로 분석되어 37.5 %의 유출저감 효과가 발생하였고, 연계 적용시에는 22.0 %의 유출로 44.1 %의 유출저감 효과가 있는 것으로 확인되었다. 단기 강우사상에서는 저영향개발 기술간의 연계시를 통해 유출을 저감할 수 있는 것으로 분석되었다.
갈수해와 풍수해 모두 저영향개발의 적용으로 증발, 침투, 저장이 증가하고 유출이 감소하는 것으로 Table 8과 같이 나타났다. 개별 적용과 연계 적용을 비교한 결과 갈수해에는 연계로 인해 유출량을 5.1 % 추가 저감하였고, 풍수해에는 개별 적용시에 유출량이 1.4 % 증가 하는 것으로 분석되었다. 이는 평수기 시에는 개별 적용보다 연계 적용이 유출 저감에 효과적이나, 극한 강우시에는 연계로 인한 유출 저감 효과가 미미한 것으로 확인되었다.
일강수량이 증가할수록 증발, 침투 및 저장은 감소하고 유출량은 증가하는 것으로 분석되었다. 대상지는 일반적인 평시 강우사상으로 고려할 수 있는 17.1 mm/day에서, 저영향개발 적용 이전에 66.1 %의 유출이 발생하는 것으로 확인되었다. 같은 강우사상에서 저영향개발의 개별적인 적용시 유출이28.
2008년에서 2017년까지 10년간의 관측자료를 대상으로 연간 강우량 평균과 월간 증발산 및 기온은 Table 1 및 Table 2와 같다. 대상지역의 10년 평균 강수량은 1,345 mm로 분석되어, 국토교통부에서 발행한 수자원장기종합계획(MLIT, 2016)의 우리나라 연평균 강수량 1,300 mm 보다 다소 큰 강수량을 보이는 것으로 나타났다.
2 % 감소하였다. 요소기술간 연계시 저영향개발 적용시에 비해 증발산이 0.9 %, 침투가 1.0 % 증가하였고, 저장은 3.3 % 감소, 유출은 1.6 % 증가하였다. 저영향개발 적용으로 인해 유출량은 약 20 % 정도 저감되는 것으로 나타났으나, 개별적인 저영향개발 적용과 연계시의 적용에서는 물수지 증감차가 미미하게 나타났다.
8 % 감소하였다. 요소기술간 연계시 저영향개발 적용전보다 증발산이 3.8 %, 침투는 7.7 %, 저장은 6.7 % 증가하고, 유출은 18.2 % 감소하였다. 요소기술간 연계시 저영향개발 적용시에 비해 증발산이 0.
이는 평수기 시에는 개별 적용보다 연계 적용이 유출 저감에 효과적이나, 극한 강우시에는 연계로 인한 유출 저감 효과가 미미한 것으로 확인되었다. 원인 분석 결과, 극한 강우시에 소유역별로 설치된시설의 용량을 초과하는 월류량은 우수관망을 통해 배수되어야 하나, 연계된 요소기술로의 배수로 인해 각 시설의 처리 기능이 짧은 시간동안만 제 기능을 유지하고 이후의 강우는 모두 유출되기 때문이라고 판단된다.
4 % 증가 하는 것으로 분석되었다. 이는 평수기 시에는 개별 적용보다 연계 적용이 유출 저감에 효과적이나, 극한 강우시에는 연계로 인한 유출 저감 효과가 미미한 것으로 확인되었다. 원인 분석 결과, 극한 강우시에 소유역별로 설치된시설의 용량을 초과하는 월류량은 우수관망을 통해 배수되어야 하나, 연계된 요소기술로의 배수로 인해 각 시설의 처리 기능이 짧은 시간동안만 제 기능을 유지하고 이후의 강우는 모두 유출되기 때문이라고 판단된다.
6과 같다. 일강수량이 증가할수록 증발, 침투 및 저장은 감소하고 유출량은 증가하는 것으로 분석되었다. 대상지는 일반적인 평시 강우사상으로 고려할 수 있는 17.
장기강우사상의 분석 결과를 연평균을 기준으로 Table 7과 같이 정리하였다. 저영향개발 적용시, 적용 전에 비해 증발산은 2.9 %, 침투는 6.7 %, 저장은 10.0 %가 증가하였고, 유출은 19.8 % 감소하였다. 요소기술간 연계시 저영향개발 적용전보다 증발산이 3.
6 % 증가하였다. 저영향개발 적용으로 인해 유출량은 약 20 % 정도 저감되는 것으로 나타났으나, 개별적인 저영향개발 적용과 연계시의 적용에서는 물수지 증감차가 미미하게 나타났다. 이는 일반적인 강우량에는 유출저감에 효과적인 반면, 극한 강우사상에는 취약하기 때문인 것이라 판단하였다.

후속연구

대상지의 강우 처리 목표에 맞는 기술에 대한 충분한 처리용량의 설계가 우선된다면, 기술간의 연계로 인한 추가적인 유출 저감이 가능할 것으로 판단된다. 기술간의 적정 처리용량 설계를 위해 빗물통과 저류지와 같이 크기에 비례하여 계산할 수 있는 시설 이외에 식생을 통해 강우를 저장하고 침투시킬 수 있는 요소기술들의 처리용량 및 수질개선에 대한 검증에 관한 연구가 향후 필요할 것으로 생각한다. 추후 수문학적인 관점에서 도시화를 분산시키고 완화할 수 있는 물순환 설계를 수행할 때, 요소기술간의 처리 용량을 고려하여 순차적인 유출 연계를 유도한다면 공간적, 경제적인 한계성을 극복하는 방안으로 사용될 것으로 기대한다.
본 논문에서 수행한 연구는 기 설치할 요소기술간의 추가적인 연계이다. 대상지의 강우 처리 목표에 맞는 기술에 대한 충분한 처리용량의 설계가 우선된다면, 기술간의 연계로 인한 추가적인 유출 저감이 가능할 것으로 판단된다. 기술간의 적정 처리용량 설계를 위해 빗물통과 저류지와 같이 크기에 비례하여 계산할 수 있는 시설 이외에 식생을 통해 강우를 저장하고 침투시킬 수 있는 요소기술들의 처리용량 및 수질개선에 대한 검증에 관한 연구가 향후 필요할 것으로 생각한다.
본 연구에서는 저영향개발 기술을 적용하여 불투수면적의 유출저감 분석 및 각 요소기술 간의상호 연계를 통해 연계 효과를 분석하고자 하였다. 유출량의 증가는 적정 저영향개발 설계를 통해서도 해결할 수 있으나, 개별적 요소기술의 운용보다는 요소간의 상호 연계성있는 효율적인 운용을 한다면 면적에 따른 설치량의 한계성을 극복하고 경제성있는 개발이 될 것이라 기대한다.
기술간의 적정 처리용량 설계를 위해 빗물통과 저류지와 같이 크기에 비례하여 계산할 수 있는 시설 이외에 식생을 통해 강우를 저장하고 침투시킬 수 있는 요소기술들의 처리용량 및 수질개선에 대한 검증에 관한 연구가 향후 필요할 것으로 생각한다. 추후 수문학적인 관점에서 도시화를 분산시키고 완화할 수 있는 물순환 설계를 수행할 때, 요소기술간의 처리 용량을 고려하여 순차적인 유출 연계를 유도한다면 공간적, 경제적인 한계성을 극복하는 방안으로 사용될 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도시화의 진행은 도시의 환경에 어떤 영향을 미쳤는가?	도시화의 진행에 따라 기존의 투수면적들이 포장층으로 덮여 불투수화되고, 포장층에 내린 강우는 충분한 침투와 저류 없이 도시하천으로 방류되고 있다. 이로 인해 이전과 같은 강우량에도 도시 하천은 쉽게 범람하고, 상습 침수구역이 생기는 등 도시의 기존 물순환 체계가 변화되었다. 침투량 감소, 표면유출량 증가로 인한 도시하천의 범람, 상습 침수구역의 발생, 지하수 함량 및 유출량의 감소로 도시하천의 건천화 및 열섬현상의 심화 등이 진행되고 있다.
	저영향개발 기술이란 무엇인가?	저영향개발 기술은 미국, 호주, 유럽 등의 국가에서 활용하는 도시 유출 저감 기술로서 국내에 소개된 이후 꾸준한 관심과 연구가 진행되고 있다. 저영향개발 기술의 적용이유역의 유출에 어떤 영향을 미치는지에 관한 연구결과는 다음과 같다.
	침투량 감소, 표면유출량 증가는 어떤 문제를 야기하는가?	이로 인해 이전과 같은 강우량에도 도시 하천은 쉽게 범람하고, 상습 침수구역이 생기는 등 도시의 기존 물순환 체계가 변화되었다. 침투량 감소, 표면유출량 증가로 인한 도시하천의 범람, 상습 침수구역의 발생, 지하수 함량 및 유출량의 감소로 도시하천의 건천화 및 열섬현상의 심화 등이 진행되고 있다. 도시화에 따른 불투수면적의 확대로 인한 물순환 왜곡과 관련된 선행 연구를 살펴보면 Kim et al.

참고문헌 (17)

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저자의 다른 논문 :

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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