[논문]도시지역에 적용된 LID 기법의 강우시 수문특성 및 물순환 평가

최혜선; 홍정선; 전민수; 케빈; 김이형

doi:10.17663/jwr.2019.21.3.191

도시지역에 적용된 LID 기법의 강우시 수문특성 및 물순환 평가
Assessment of Water Circulation and Hydro-characteristics with LID techniques in urbanized areas 원문보기

한국습지학회지 = Journal of wetlands research, v.21 no.3, 2019년, pp.191 - 198

최혜선 (공주대학교 건설환경공학과) , 홍정선 (공주대학교 건설환경공학과) , 전민수 (공주대학교 건설환경공학과) , 케빈 (공주대학교 건설환경공학과) , 김이형 (공주대학교 건설환경공학과)

초록
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도시지역의 높은 불투수면은 강우시 지표 유출량을 증가시키고 지하침투량을 줄이면서 물순환을 왜곡시킨다. 왜곡된 물순환은 도시침수와 가뭄, 비점오염유출로 인한 수질오염 및 수생태계 훼손 등의 다양한 도시환경 문제 등을 유발시킨다. 기후변화는 도시강우의 계절적 편중현상을 더욱 심화시키고 도시 미기후에 영향을 줌으로써 도시침수와 가뭄의 강도 및 빈도를 증가시킨다. LID(Low Impact Development) 기법은 도시내 자연적 물순환 체계를 회복함으로써 물로 인하여 발생하는 도시환경문제를 줄일 수 있는 기법으로 다양하게 적용되고 있다. 본 연구에서는 도시지역 내 적용된 다양한 LID 기법의 장기 모니터링 결과를 활용하여 LID 적용 이후 수문특성의 변화와 물순환 회복에 기여도를 평가하기 위하여 수행되었다. LID 시설의 높은 저류량과 침투능력은 강우시 첨두유출 저감과 유출지연에 크게 기여하는 것으로 나타났다. LID 시설에서 강우시 평균 유출저감효과는 60% 이상으로 나타났으며, 유역면적 대비 LID 시설 면적비(Surface area of Catuchment area, SA/CA)와 LID 저류 용량은 첨두유출 저감과 유출지연 효과에 영향을 끼치는 중요한 인자로 평가되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

High impervious surfaces increase the surface runoff during rainfall and reduces the underground infiltration thereby leading to water cycle distortion. The distortion of water cycle causes various urban environmental problems such as urban flooding, drought, water pollutant due to non-point pollution runoff, and water ecosystem damage. Climate change intensified seasonal biases in urban rainfall and affected urban microclimate, thereby increasing the intensity and frequency of urban floods and droughts. Low impact development(LID) technology has been applied to various purposes as a technique to reduce urban environmental problems caused by water by restoring the natural water cycle in the city. This study evaluated the contribution of hydrologic characteristics and water cycle recovery after LID application using long-term monitoring results of various LID technology applied in urban areas. Based on the results, the high retention and infiltration rate of the LID facility was found to contribute significantly to peak flow reduction and runoff delay during rainfall. The average runoff reduction effect was more than 60% at the LID facility. The surface area of the LID facility area ratio(SA/CA) was evaluated as an important factor affecting peak flow reduction and runoff delay effect.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Location of each LID facilities
표 Table 1. Design of low impact development (LID) facility
그림 Fig. 2. Meteorological characteristics of the Cheonan city in South Korea (20 years)
그림 Fig. 3. Statistics of monitored events in catchment area(Mean±S.D)
그림 Fig. 4. Runoff changes after LID application
그림 Fig. 5. Changes of peak flow after LID application
그림 Fig. 6. Runoff reduction rate for each LID and design criteria with SA/CA and SV/TV
그림 Fig. 7. Ratio of theoretical retention and actual retention

AI 본문요약
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문제 정의

도시 내 분산형 LID 시설의 적용은 도시침수를 저감하고 가뭄에 적응하는 중요한 정책이다. 따라서 본 연구는 도시 내 적용된 8개 LID 시설의 장기 모니터링 결과를 활용하여 요소기술별 강우시 유출저감효과, 첨두유출 저감 및 유출지연효과 등을 평가하고자 한다. 또한 비용효율적 LID 시설의 조성을 위한 고려 인자를 제시함으로써 향후 물순환 선도도시 등에 활용 가능한 정보를 제공하고자 한다.
따라서 본 연구는 도시 내 적용된 8개 LID 시설의 장기 모니터링 결과를 활용하여 요소기술별 강우시 유출저감효과, 첨두유출 저감 및 유출지연효과 등을 평가하고자 한다. 또한 비용효율적 LID 시설의 조성을 위한 고려 인자를 제시함으로써 향후 물순환 선도도시 등에 활용 가능한 정보를 제공하고자 한다.
LID 기법은 도시내 자연적 물순환 체계를 회복함으로써 물로 인하여 발생하는 도시환경문제를 줄일 수 있는 기법으로 다양한 목적으로 적용되고 있다. 본 연구에서는 도시지역 내 적용된 다양한 LID 기법의 장기 모니터링 결과를 활용하여 LID 적용 이후 수문특성과 물순환 기여도를 평가하기 위하여 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.

제안 방법

LID 시설은 2009∼2014년 동안 도로, 주차장 및 지붕에서 발생되는 강우유출수를 처리하기 위하여 조성되었으며, Table 1은 시설별 제원을 보여주고 있다. LID 기술별 수문학적 및 환경적 기능 향상을 위하여 모든 시설에 모래, 자갈 및 우드칩 등의 여재층을 조성하였다. 인공습지와 빗물정원은 식물에게 충분한 물을 공급하기 위하여 침투 기능을 배제하였으며, 침투도랑을 제외한 모든 시설에는 식생을 식재하였다.
, 2009). LID 시설별 모니터링은 시설의 유입 및 유출부에서 유량과 수질에 대하여 수행되었다. 모니터링은 초기강우현상을 반영하여 강우유출수 발생 초기 0분, 5분, 10분 15분, 30분, 짧은 간격으로 채수가 수행되었으며, 30분 이후 1시간 간격으로 시료를 채취하였다.
LID 시설별 모니터링은 시설의 유입 및 유출부에서 유량과 수질에 대하여 수행되었다. 모니터링은 초기강우현상을 반영하여 강우유출수 발생 초기 0분, 5분, 10분 15분, 30분, 짧은 간격으로 채수가 수행되었으며, 30분 이후 1시간 간격으로 시료를 채취하였다. 유량 측정은 모니터링 시작부터 유출종료 시점까지 5분 간격으로 수행되었으며, 강우는 천안지역의 강우량 자료를 활용하였다(Moon et al.
연구대상 시설의 모니터링은 2009년 이후 현재까지 지속적으로 수행하고 있다. 요소기술별 강우시 유출저감효과, 첨두유출 저감 및 유출지연효과 등을 평가를 위하여 Fig. 3과 같은 강우사상에서 모니터링을 수행하였다. 모니터링 된 강우사상의 선행 건기일수는 평균 6.
모니터링은 초기강우현상을 반영하여 강우유출수 발생 초기 0분, 5분, 10분 15분, 30분, 짧은 간격으로 채수가 수행되었으며, 30분 이후 1시간 간격으로 시료를 채취하였다. 유량 측정은 모니터링 시작부터 유출종료 시점까지 5분 간격으로 수행되었으며, 강우는 천안지역의 강우량 자료를 활용하였다(Moon et al., 2015). 식 (1)은 LID 시설별 물수지 분석 방법이며, 유입량(Vol_in)과 유출량(Vol_out)의 차는 저감량(Vol_ret)으로 증발산량(Vol_evap), 저류량(Vol_ret) 및 손실량(Vol_loss)을 의미한다.
이는 LID 시설내 공극의 막힘 현상과 함수량 등에 의하여 설계시 산정된 이론적 저류용량보다 실제 저류용량은 낮은 것이 일반적이다. 이러한 원인을 규명하기 위하여 Fig. 7과 같이 T/A를 강우량, 선행건기일수, 강우강도와의 관계를 분석하였다. T/A가 1보다 클 때 이론적 저류량이 더 큰 것을 의미하며, 1보다 작은 경우 실제 저류량이 더 큰 것을 의미한다.

대상 데이터

모니터링이 수행된 LID 시설은 국가 연구비를 통하여 충청남도 천안시의 대학교 캠퍼스에 조성된 인공습지(Small hybride wetland, SW1), 식생체류지(Bioretention, BI), 나무 여과상자(Tree box filter, TBF), 침투도랑(Infiltration trench, IT), 침투시설(Infiltration Garden, IG), 빗물정원(Rain garden, RG) 및 침투화분(Infiltration planter, IP) 등의 8개 시설이다(Fig.1). LID 시설은 2009∼2014년 동안 도로, 주차장 및 지붕에서 발생되는 강우유출수를 처리하기 위하여 조성되었으며, Table 1은 시설별 제원을 보여주고 있다.

성능/효과

1) 천안지역은 최근 10mm 이하의 소규모 강우가 줄어들고 20mm 이상 규모의 강우일수가 다소 증가하는 경향을 보여 도시침수 저감, 오염물질 유출저감 및 관거 통수능 개선을 위한 토양 내 저류량 기능을 가진 LID 기법의 적용이 필요한 것으로 분석되었다.
2) LID 기법은 강우시 유출량을 저감시키고 첨두유출유량도 감소시켰으며 첨두유출량 발생시간 지연에도 기여하는 것으로 나타났다. 유출량 저감에 끼치는 중요한 인자는 유역면적 대비 LID 시설 면적비(SA/CA)와 시설의 침투기능으로 분석되었으며, SA/CA가 크거나 저류와 침투능력이 매우 큰 시설일수록 효과가 높게 나타났다.
3) LID 시설용량 산정시 이용가능한 설계인자 도출을 위하여 SA/CA와 SV/TV를 상호 비교한 결과 유역면적과 LID 시설면적이 고려된 SA/CA가 LID의 시설용량만 고려한 SV/TV에 비해 설계에 효과적으로 이용 가능한 것으로 평가되었다.
4) 이론적 저류량/실제 저류량(T/A)는 강우량 및 강우강도와 연관성이 큰 것으로 나타났으며, 이는 시설내 적용된 여재와 저감된 오염물질의 양이 영향을 끼치는 것으로 나타났다. 이러한 T/A는 실제 저류 가능용량을 결정할 수 있는 값으로 향후 시설의 유지관리 기준 설정에 활용가능하다.
ADD 1일 이상의 강우발생 횟수는 5mm이하 약 25일, 5∼10mm의 강우횟수는 약 8일, 10∼20mm 약 8일, 20mm 이상은 16일로 강우계급별 차이를 보였다.
5 (c) 는 각 시설의 첨두유출 발생시간을 연구대상 시설(8개 시설) 중 첨두유출 발생시간이 최대인 시설로 나누어 일반화 한 값을 나타낸 것이며, 보조축의 경우 각 시설의 SA/CA를 SA/CA 값이 가장 큰 RG으로 나눈 비를 의미한다. IT, TBF, IP의 경우 첨두유출 발생시간의 일반화 값이 SA/CA 의 일반화 값보다 높은 것으로 분석되었다. 이러한 특성은 IT, TBF, IP가 다른 시설에 비해 상대적으로 침투 및 저류효율이 더 좋은 것을 의미하며, SA/CA가 LID시설 설계시 중요한 설계인자라는 것을 의미한다.
LID 기법 적용에 따른 유출량 저감 효과는 IG(97.9%) > BI(96.7%) > RG(97.7%) > IP(86.2%) > IT(40.3%) > TBF(32.5%) > SW1(32.4%) > SW2(15.3%) 순으로 조사되어 유역면적 대비 LID 시설 면적비(SA/CA)가 가장 크고 침투기능을 가진 시설이 높은 유출저감 효율을 보였다.
목표 저류량을 약 60% 정도로 설계할 시에는 SA/CA 값의 범위가 1∼3%가 적정한 것으로 평가되었다. LID 기법의 총 용량 대비 적정저류용량(ST/TV)는 저류 효과와 비례하는 것으로 나타났다. 목표 저류용량이 80% 일때 5mm이하의 강우시 SV/TV가 36.
LID 시설 도입 후 첨두유출 저감효과는 RG(92.1%) > IP(86.4%) > BI(81.6%) > IT(49.4%) > IG(24.6%) > SW1(18.9%) > TBF(17.7%) > SW2(7.6%) 순으로 조사되었으며, 집수면적 대비 LID 시설 면적비(SA/CA)가 2% 이상으로 큰 지역에서 높은 첨두유출 저감효과가 있는 것으로 나타났다.
SA/CA가 증가할수록 저류량은 증가하는 경향을 보였으며, SA/CA가 1%이고 20mm 이상의 강우시 약 56∼78%가 저류되는 것으로 분석되었다.
3분에서 약 400분으로 약 8∼76%의 유출발생 지연효과가 나타나는 것으로 분석되었다. SA/CA가 크거나 저류와 침투능력이 매우 큰 RG와 IP에서 첨두유출 발생 지연시간 효과가 높은 것으로 평가되었다. 그림 Fig.
T/A가 1보다 클 때 이론적 저류량이 더 큰 것을 의미하며, 1보다 작은 경우 실제 저류량이 더 큰 것을 의미한다. T/A는 강우량과 강우강도와 반비례하는 경향을 보이는 것으로 나타났으나, 선행건기일수(ADD)와는 상관관계가 없는 것으로 분석되었다. 강우량의 경우 17.
강우 발생일수(일강우 기준) 대비 발생 횟수(Antecedent dry day, ADD) 1일 이상 강우사상 횟수)는 계급별 0∼5mm 범위는 약 38%, 5∼10mm의 강우횟수는 약 59%, 10∼20mm 약 59%, 20mm이상은 83%로 분석되었다.
강우계급별 저류효과에서는 0∼5mm 범위의 강우에서 가장 높은 저류효율을 보이는 것으로 분석되었다.
모니터링 된 강우사상의 선행 건기일수는 평균 6.0±6.2일, 강우량 10.0±11.8mm, 강우지속시간은 3.9±2.9hr, 평균 강우강도는 4.0±8.2mm/hr, 강우 시작이후 유출 발생 시간은 1.7±2.7hr 로 분석되었다.
목표 저류량을 약 60% 정도로 설계할 시에는 SA/CA 값의 범위가 1∼3%가 적정한 것으로 평가되었다.
시설 내 목표 저류량을 80%로 한정할 경우 적정 SA/CA는 5mm 미만의 강우 발생 시 1.14%, 5∼10mm의 경우 2.67%, 10∼20mm의 경우 2.79%, 20mm 이상일 경우에는 4.21%가 적정범위인 것으로 분석되었다.
시설 도입 전의 첨두유출 발생시간은 최소 63.8분에서 최대 92.5분으로 나타났으나, 적용 후의 첨두유출 발생시간은 최소 77.3분에서 약 400분으로 약 8∼76%의 유출발생 지연효과가 나타나는 것으로 분석되었다.
2) LID 기법은 강우시 유출량을 저감시키고 첨두유출유량도 감소시켰으며 첨두유출량 발생시간 지연에도 기여하는 것으로 나타났다. 유출량 저감에 끼치는 중요한 인자는 유역면적 대비 LID 시설 면적비(SA/CA)와 시설의 침투기능으로 분석되었으며, SA/CA가 크거나 저류와 침투능력이 매우 큰 시설일수록 효과가 높게 나타났다.
또한 강우시 저류 가능량은 이전 강우에 의한 LID 시설내 함수량이 중요하다. 이론적 저류량/실제 저류량(Theoretical retention/Actual retention, T/A)을 산정한 결과 대부분 1 이상으로 나타나 실제 저류량은 이론적 저류량보다 현저히 낮게 나타났다. 이는 LID 시설내 공극의 막힘 현상과 함수량 등에 의하여 설계시 산정된 이론적 저류용량보다 실제 저류용량은 낮은 것이 일반적이다.
일강우 기준으로 산정한 강우계급별 강우일수는 0∼5mm에서 약 66일, 5∼10mm에서 약 14일, 10∼20mm에서 약 13일, 20mm 이상 약 19일로 조사되었으며, 5mm 미만의 소규모 강우일수가 약 60%(10mm 이하로 산정 시 약 71%)로 가장 많은 것으로 분석되었다.
3%) 순으로 조사되어 유역면적 대비 LID 시설 면적비(SA/CA)가 가장 크고 침투기능을 가진 시설이 높은 유출저감 효율을 보였다. 특히 침투능력이 없는 SW가 가장 낮은 유출저감 효율을 보였으며, SA/CA가 큰 IP, RG, BI에서 높은 유출저감 효율을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도시에 조성된 다양한 사회인프라는 무엇이 있는가?	도시는 인간 생활의 편의를 위하여 도로, 인도, 주차장, 빌딩 등의 다양한 사회인프라가 조성되어 있으며 대부분 높은 불투수 면으로 구성되어있다. 서울시의 불투수율은 서울시 전체면적 대비 54%에 달하고 있으며, 부산시는 30.
	서울시의 불투수율은 어떻게 되는가?	도시는 인간 생활의 편의를 위하여 도로, 인도, 주차장, 빌딩 등의 다양한 사회인프라가 조성되어 있으며 대부분 높은 불투수 면으로 구성되어있다. 서울시의 불투수율은 서울시 전체면적 대비 54%에 달하고 있으며, 부산시는 30.3%, 광주시는 27% 등으로 국내 모든 도시에서 불투수율은 매우 높다(MOE, 2013 a).
	도시화와 기후변화로 발생하는 도시환경문제를 줄이기 위한 외국의 정책에는 어떤 것들이 있는가?	, 2016; Jeju Development Institute, 2016). 미국은 2000년대 이후 도시환경 문제를 극복하기 위하여 저영향개발기법(LID) 및 토양인공함양 기술 등의 적극적 도입과 적용을 통하여 선도적으로 도시 물관리를 수행하고 있으며, 영국도 SUDs(Sustainable Urban Drainage System)을 도입하여 도시 내 지속가능한 물관리를 수행하고 있다. 또한, 호주도 WSUD(Water Sensitive Urban Design)를 통하여 도시내 물 문제를 해결하는 정책이 도입되어 적용되고 있으며, 독일도 미국과 같은 LID 시스템을 도입하여 운영 중에 있다(Coutts et al., 2013; Fletcher et al.

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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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