[논문]도시유역의 물순환 및 수질 개선을 위한 저영향개발 시설의 비용 효율 분석

최정현; 김경민; 심인경; 이옥정; 김상단

doi:10.15681/kswe.2020.36.3.206

도시유역의 물순환 및 수질 개선을 위한 저영향개발 시설의 비용 효율 분석
Cost-Effectiveness Analysis of Low-Impact Development Facilities to Improve Hydrologic Cycle and Water Quality in Urban Watershed 원문보기

한국물환경학회지 = Journal of Korean Society on Water Environment, v.36 no.3, 2020년, pp.206 - 219

최정현 (부경대학교 지구환경시스템과학부 (환경공학전공)) , 김경민 (토지주택연구원 건설환경연구실) , 심인경 (주식회사 헥코리아 수자원부) , 이옥정 (부경대학교 환경공학과) , 김상단 (부경대학교 환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

As urbanization and impermeable areas have increased, stormwater and non-point pollutants entering the stream have increased. Additionally, in the case of the old town comprising a combined sewer pipe system, there is a problem of stream water pollution caused by the combined sewer overflow. To resolve this problem, many cities globally are pursuing an environmentally friendly low impact development strategy that can infiltrate, evaporate, and store rainwater. This study analyzed the expected effects and efficiency when the LID facility was installed as a measure to improve hydrologic cycle and water quality in the Oncheon stream in Busan. The EPA-SWMM, previously calibrated for hydrological and water quality parameters, was used, and standard parameters of the LID facilities supported by the EPA-SWMM were set. Benchmarking the green infrastructure plan in New York City, USA, has created various installation scenarios for the LID facilities in the Oncheon stream drainage area. The installation and maintenance cost of the LID facility for scenarios were estimated, and the effect of each LID facility was analyzed through a long-term EPA-SWMM simulation. Among the applied LID facilities, the infiltration trench showed the best effect, and the bio-retention cell and permeable pavement system followed. Conversely, in terms of cost-efficiency, the permeable pavement systems showed the best efficiency, followed by the infiltration trenches and bio-retention cells.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Configurated EPA-SWMM for study drainage catchment (Kim et al., 2019).
그림 Fig. 2. Conceptualization of flow network for CSOs modeling in EPA-SWMM.
그림 Fig. 3. Hydrology (stormwater depth) and water quality (TP load) calibration results (Kim et al., 2019).
표 Table 1. Number of rainfall event according to the range of rainfall
표 Table 2. Calibrated parameters for hydrology and water quality
표 Table 3. Major design parameter for each LID facility
표 Table 4. Treatment capacity of each LID facility
그림 Fig. 4. Selected subcatchments for study scenarios.
표 Table 5. LID facilities installation scenario in Oncheon stream watershed
그림 Fig. 5. Responses of hydrologic components to each LID facility.
표 Table 6. HCI for each LID facility
표 Table 7. Reduction of non-point source pollution loadings for each LID facility
표 Table 8. Reduction of CSOs loadings for each LID facility
표 Table 9. Cost efficiency of each LID facility for hydrologic and water quality components
그림 Fig. 6. Temporal behavior of water ratio in each LID facility.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 LID 시설 각각의 효과 및 효율을 비교하고자, 단일한 시설이 유역 전체에 적용되었을 경우에 대한 시설의 성능을 살펴보았다. 그러나 실제로는 다양한 LID 시설을 복합적으로 고려하기 때문에 실제 사업을 위한 LID 시설의 정확한 효과 또는 효율을 살펴보기 위해서는 LID 시설의 구성에 대한 시나리오를 현장여건에 맞게 설정하여 추가적으로 분석하는 연구가 필요할 것이다.
본 연구에서는 미국 뉴욕시의 Green Infrastructure Plan을 참고하여 목표 저감 강우유출수량을 산정하고, 이를 기반으로 부산시 구도심 지역인 온천천 배수분구를 대상으로 LID 시설의 처리용량을 제시하였다. 이를 기반으로 단일 LID 시설을 적용하였을 때 각 시설별 효과 및 효율을 정량화하였다.
본 연구에서는 부산의 구 도심지역을 관통하는 온천천의 배수 분구를 대상으로 LID 시설을 설치하였을 경우 기대되는 수문 및 수질 개선효과를 살펴보고자 하였다. 특히, 앞서 언급한 바와 같이 온천천 유역은 오래된 배수시스템으로 인한 CSOs에 의한 수질 악화가 현재 주요한 문제이기에, EPA-SWMM을 이용하여 수문요소뿐만 아니라 비점오염원 및 CSOs 부하량을 추가적으로 모의함으로써 CSOs에 의한 수질오염 저감 측면에서의 LID 시설의 효과 또한 함께 살펴보고자 하였다.
본 연구에서는 사전에 구축된 온천천 모델에 LID 시설을 적용하였을 때 기대되는 수문 및 수질 개선 효과를 확인하고자 하였다. EPA-SWMM에서 제공하는 LID 시설은 생태저류지, 식생지붕, 침투도랑, 투수성포장, 식생수로 등 총 8종류가 있으며(U.
4mm)를 LID 시설로 차집하는 것이다. 본 연구에서는 이를 참고하여 온천천 배수분구 대지면적 10%에서 발생하는 강우유출수 1inch를 저감하기 위해 필요한 LID시설 unit수를 산정해보았다. 온천천 배수분구의 총면적은 56,280,000m²이며, 대지면적은 27,575,847㎡다.
본 연구에서도 동일한 시나리오를 이용하여 생태저류지 외 침투도랑과 투수성포장 시설을 설치하였을 때 기대할 수 있는 수문학적인 요소 및 수질관리적인 요소의 개선 효과를 살펴보고, 비용-효율적인 측면도 함께 살펴보았다. 이때, 수문학적이 요소로 강우유출고, 증발산량, 침투량과 함께 각 LID 시설의 물순환 개선효과를 보다 직관적으로 확인하기 위해 강수량에서 증발산량과 침투량 합의 비율을 확인할 수 있는 물순환 지수(Hydrologic Cycle Index, HCI)를 정의하여 살펴보았다(Table 6).
본 연구에서는 부산의 구 도심지역을 관통하는 온천천의 배수 분구를 대상으로 LID 시설을 설치하였을 경우 기대되는 수문 및 수질 개선효과를 살펴보고자 하였다. 특히, 앞서 언급한 바와 같이 온천천 유역은 오래된 배수시스템으로 인한 CSOs에 의한 수질 악화가 현재 주요한 문제이기에, EPA-SWMM을 이용하여 수문요소뿐만 아니라 비점오염원 및 CSOs 부하량을 추가적으로 모의함으로써 CSOs에 의한 수질오염 저감 측면에서의 LID 시설의 효과 또한 함께 살펴보고자 하였다. LID 시설은 수문기상학적인 특성을 비롯하여 다양한 외부조건에 영향을 받기 때문에 LID를 효율적으로 설계하기 위해서는 현장의 고유한 조건을 반드시 고려할 필요가 있다(Johnson and Sample, 2017; Zahmatkesh et al.
미국 뉴욕시에서는 2002년부터 Green Infrastructure Plan을 통해 뉴욕시 전역에 LID 시설을 설치하기 위한 계획을 장기간에 걸쳐 진행 중에 있다(NYC-DEP, 2017). 해당 프로젝트의 주요 목표는 토지이용도 대분류 기준으로 대지의 10%에 해당되는 면적에서 발생하는 강우유출수 1inch (25.4mm)를 LID 시설로 차집하는 것이다. 본 연구에서는 이를 참고하여 온천천 배수분구 대지면적 10%에서 발생하는 강우유출수 1inch를 저감하기 위해 필요한 LID시설 unit수를 산정해보았다.

가설 설정

단, 본 연구에서는 기존토양으로 침루된 양은 지하수를 통해 하천으로 유입되기까지엔 상당한 시간이 소요될 것으로 판단하여 침루된 양은 시설에 의해 처리된 것으로 가정하였다. 따라서 침루된 양 또한 시설의 처리용량에 포함되었으며, 시설로 유입된 물은 조건에 따라 월류 또는 드레인유출로 다시 하천으로 유입되는 것만이 고려되었다.

제안 방법

2014년부터 2015년까지의 22개의 강우 사상에 대한 관측 유량 이용하여 SWMM과 Matlab을 연계한 모듈을 통해 자동 최적화 기법으로 대상 유역의 수문 매개변수의 보정을 수행하였다. 또한, 2016년부터 2018년까지 14개의 강우 사상에 대한 관측 유량을 이용하여 수문 매개변수의 검증이 수행되 었다.
본 연구에서는 사전에 구축된 온천천 모델에 LID 시설을 적용하였을 때 기대되는 수문 및 수질 개선 효과를 확인하고자 하였다. EPA-SWMM에서 제공하는 LID 시설은 생태저류지, 식생지붕, 침투도랑, 투수성포장, 식생수로 등 총 8종류가 있으며(U. S. EPA., 2015), 본 연구에서는 그 중 생태저류지 (Bio-retention cell), 침투도랑(Infiltration trench), 투수성포장 (Permeable pavement system)을 적용하여 효과를 살펴보았다.
LID 시설들의 적용에 앞서 표준 LID 시설들의 강우유출수 처리용량과 비용을 계산하였다. 각 시설의 처리용량은 시설의 저장용량과 침투에 의해 확보된 용량의 합으로 계산할 수 있다.
LID 시설의 설치에 따른 수질 개선효과는 TP를 대상으로 비점오염부하량과 CSOs 부하량의 변화를 비교하여 살펴보았다. 비점오염부하량은 소유역별 모의결과로부터 확인하여 합산하였으며, CSOs 부하량은 EPA-SWMM에서 설정된 차집관거의 flow-divider에서 발생하는 CSOs 부하량을 별도로 계산하여 결과를 분석하였다.
각 시나리오에 대해 강우유출수, 증발산량, 물순환 지수, 비점오염부하량, CSOs 부하량을 LID 시설 도입 전후로 계산하여 비교하였다. 그 결과, LID 시설의 적용을 통해 강우 유출수의 저감 및 증발산량과 침투량의 증가를 확인하였다.
LID 시설은 시설별로 선호되는 설치위치와 차집, 배수, 저류 등의 수문기작 및 특성에 차이가 있기에 적정 시설면적과 그에 따라 시설이 수용할 수 있는 영향면적이 다르다. 따라서 본 연구에서는 다수의 문헌을 조사하여 시설별로 표준 시설면적 및 영향면적을 설정하였다. Kim et al.
(2019)에서는 다수의 문헌으로부터 종합된 생태저류지와 침투도랑 등의 LID 시설에 대한 표준 매개변수를 제시하고 있다. 따라서 본 연구에서는 해당 논문에서 제시된 값을 생태 저류지와 침투도랑의 표준 매개변수로 설정하였다. 투수성포장의 경우 Jato-Espino et al.
따라서 일반적인 주차장 크기인 500m²을 시설 면적으로 가정하여, 영향면적을 1,000m²으로 설정하여 이를 투수성 포장의 1unit으로 규정하였다.
이를 위하여 사전에 구축된 부산시 온천천 배수분구의 EPA-SWMM을 이용하였다. 또한 미국 뉴욕시의 Green Infrastructure Plan을 참고하여 온천천 유역의 대지면적 10%에 해당하는 강우유출수 25.4 mm를 목표 저감 강우유출수량으로 설정하였다. 문헌조사를 통해 LID 시설들의 표준제원을 설정하고, 그에 따른 비용을 추정하였다.
그 결과, LID 시설의 적용을 통해 강우 유출수의 저감 및 증발산량과 침투량의 증가를 확인하였다. 또한 비점오염물질 부하량과 CSOs 부하량의 저감 효과를 확인하였다. LID 시설에 따른 효과를 살펴보면, 동일한 처리용량을 가지는 시설로 설치하였을 경우, 본 연구에서 적용된 LID 시설 중 침투도랑이 물순환 및 수질 개선에 가장 큰 효과를 나타내었다.
또한, 각 시설의 비용 대비 효율을 살펴보기 위해 각 시설별 소요비용을 산정하였다. LID 시설의 처리용량에 따른 소요비용은 Eq.
1 참고). 또한, 지리정보시스템(Geographic Information System, GIS) 자료인 토지이용도, 정밀토양도 등을 이용하여 소유역별 면적, 불투수면적률, 무차원 유출곡선 지수(Curve Number, CN) 등 소유역별 입력 매개변수를 산출하고 적용하였다. 참고로 토지이용도는 환경부에서 제공하는 중분류 토지 피복지도를 이용하였으며, 정밀토양도는 국립 농업과학원에서 제공하는 자료를 사용하였다.
4 mm를 목표 저감 강우유출수량으로 설정하였다. 문헌조사를 통해 LID 시설들의 표준제원을 설정하고, 그에 따른 비용을 추정하였다.
본 연구에서는 구축된 EPA-SWMM을 이용하여 기상청 부산지점의 최근 10년 강수량과 증발산자료를 입력하여 LID 시설 설치 전 온천천 배수분구의 물순환 요소(강우유출고, 증발산량, 침투량)와 수질 요소(비점오염부하량, CSOs 부하량)들을 모의하였다. 이를 기준으로 각 LID 시설을 앞서 구성된 시나리오에 따라 설치하여 모의된 결과를 이용하여 시나리오에 따른 LID 시설별 개선효과를 살펴보았다(Fig.
LID 시설의 설치에 따른 수질 개선효과는 TP를 대상으로 비점오염부하량과 CSOs 부하량의 변화를 비교하여 살펴보았다. 비점오염부하량은 소유역별 모의결과로부터 확인하여 합산하였으며, CSOs 부하량은 EPA-SWMM에서 설정된 차집관거의 flow-divider에서 발생하는 CSOs 부하량을 별도로 계산하여 결과를 분석하였다. LID 시설 설치에 따른 비점오염물질 및 CSOs 부하량의 변화를 Table 7과 8에 나타내었다.
HCI가 높을수록 유역에서 증발산 및 침투가 활발히 일어남을 의미한다. 수질관리적인 요소로는 비점오염 부하량 및 CSOs 부하량을 모의하여 살펴보았다.
시나리오별로 각 LID 시설의 물순환 개선효과를 직관적으로 확인하기 위해 강수량에서 증발산량과 침투량 합의 비율을 확인 할 수 있는 물순환 지수 살펴보았다(Table 6). Table 6에서 확인할 수 있듯이, 시설별로 비교하였을 때, 모든 시나리오에서 침투도랑이 다른 시설과 비교하여 월등히 높은 개선효과를 나타내고 있었으며, 생태저류지와 투수성포장은 비슷한 효과를 나타내는 것을 확인 할 수 있다.
본 연구에서도 동일한 시나리오를 이용하여 생태저류지 외 침투도랑과 투수성포장 시설을 설치하였을 때 기대할 수 있는 수문학적인 요소 및 수질관리적인 요소의 개선 효과를 살펴보고, 비용-효율적인 측면도 함께 살펴보았다. 이때, 수문학적이 요소로 강우유출고, 증발산량, 침투량과 함께 각 LID 시설의 물순환 개선효과를 보다 직관적으로 확인하기 위해 강수량에서 증발산량과 침투량 합의 비율을 확인할 수 있는 물순환 지수(Hydrologic Cycle Index, HCI)를 정의하여 살펴보았다(Table 6). HCI는 습윤량/강수량으로 정의되며, 습윤량은 증발산량과 지하로 침투된 물의 양을 합한 것이다.
본 연구에서는 미국 뉴욕시의 Green Infrastructure Plan을 참고하여 목표 저감 강우유출수량을 산정하고, 이를 기반으로 부산시 구도심 지역인 온천천 배수분구를 대상으로 LID 시설의 처리용량을 제시하였다. 이를 기반으로 단일 LID 시설을 적용하였을 때 각 시설별 효과 및 효율을 정량화하였다. 이를 위하여 사전에 구축된 부산시 온천천 배수분구의 EPA-SWMM을 이용하였다.
본 연구에서는 구축된 EPA-SWMM을 이용하여 기상청 부산지점의 최근 10년 강수량과 증발산자료를 입력하여 LID 시설 설치 전 온천천 배수분구의 물순환 요소(강우유출고, 증발산량, 침투량)와 수질 요소(비점오염부하량, CSOs 부하량)들을 모의하였다. 이를 기준으로 각 LID 시설을 앞서 구성된 시나리오에 따라 설치하여 모의된 결과를 이용하여 시나리오에 따른 LID 시설별 개선효과를 살펴보았다(Fig. 5).
즉, 모델링을 통해 대상지역을 구축하고 매개변수의 보정을 통해 현재의 수문 및 수질현상을 재현함으로써 구축된 모형에 해당 지역의 고유한 특성과 조건을 매개변수로 반영한 후, LID 시설의 설치에 따른 효과를 살펴보는 것이 필요하다.이를 위해 본 연구의 사전연구인 Kim et al. (2019)에 서 온천천 유역의 관측 기상자료, 유량 및 수질 자료를 이용하여 구축된 EPA-SWMM과 LID 시설 설치 시나리오를 기반으로 온천천 배수분구에 다양한 LID 시설(생태저류지, 침투도랑, 투수성포장 시스템)의 모의를 통해 각 시설의 효과 및 비용-효율을 수문학적인 요소(강우유출고, 증발산량, 침투량)와 수질 관리적인 요소(비점오염부하량, CSOs 부하량)에 대해 분석하였다.
따라서 영향면적 2,000m²을 기준으로 생태저류지 시설면적은 80m² 로 설정되었으며, 이를 표준 생태저류지 1 unit로 규정하였다. 이와 같이 본 연구에서도 생태저류지 외 침투도랑과 투수성포장의 표준시설 면적과 영향면적을 규정하기 위해 문헌조사를 수행하였다(RC, 2011; U. S. EPA., 2015; VWRRC, 2013; WMS, 2008). 침투도랑은 200m²에서 8,000m²가 영향면적으로 제시되고 있으며, 또한 시설면적은 영향면적의 3%로 권장된다.
4). 참고로, 시나리오별로 설치되어야하는 LID 시설의 unit 개수를 산정하기 위하여, 사용된 7개 소유역 각각의 대지면적을 이용하여 위와 동일한 방법으로 각 소유역별 LID 시설의 unit개수를 산출하였다. Table 5에 제시된 시나리오별 LID 시설에 따른 unit 개수는 각 시나리오에서 고려된 소유역들의 LID 시설별 unit 개수를 합산한 값이다.
(2019)의 후속연구로, 부산시 구시가 지역을 관통하는 온천천을 대상으로 연구를 수행하였다. 해당 연구에서는 부산시 도시정보시스템(Urban Information System, UIS) 및 하수도정비 기본계획의 자료를 바탕으로 온천천 배수분구를 EPA-SWMM을 이용하여 총 43개의 소유역으로 구성하였다(Fig. 1 참고). 또한, 지리정보시스템(Geographic Information System, GIS) 자료인 토지이용도, 정밀토양도 등을 이용하여 소유역별 면적, 불투수면적률, 무차원 유출곡선 지수(Curve Number, CN) 등 소유역별 입력 매개변수를 산출하고 적용하였다.

대상 데이터

참고로 계산에 활용된 환율은 Kim et al.(2019)과 동일하게 1,137원이 적용되었다.
참고로 토지이용도는 환경부에서 제공하는 중분류 토지 피복지도를 이용하였으며, 정밀토양도는 국립 농업과학원에서 제공하는 자료를 사용하였다. 관망자료는 부산시 하수도정비기본계획과 UIS를 참고하여 하천과 차집관거, 주요 관망을 구현하였다. 정확한 수질 모의를 위해 점오염원 및 유지용수에 따른 총인(Total Phosphorus, TP) 유입 자료를 구축하여 EPA-SWMM의 입력자료로 사용하였다.
본 연구는 Kim et al. (2019)의 후속연구로, 부산시 구시가 지역을 관통하는 온천천을 대상으로 연구를 수행하였다. 해당 연구에서는 부산시 도시정보시스템(Urban Information System, UIS) 및 하수도정비 기본계획의 자료를 바탕으로 온천천 배수분구를 EPA-SWMM을 이용하여 총 43개의 소유역으로 구성하였다(Fig.
또한, 2016년부터 2018년까지 14개의 강우 사상에 대한 관측 유량을 이용하여 수문 매개변수의 검증이 수행되 었다. 수질 매개변수의 경우 2013년 8월부터 2017년 8월까지 15개 강우 사상에서 관측된 TP 농도와 유량자료를 이용하여 보정이 수행되었다. 사용된 강우사상에 대한 정보를 Table 1에 정리하여 나타내었으며, 해당 연구의 수문 및 수질 검·보정 결과를 Table 2와 Fig.
본 연구에서는 이를 참고하여 온천천 배수분구 대지면적 10%에서 발생하는 강우유출수 1inch를 저감하기 위해 필요한 LID시설 unit수를 산정해보았다. 온천천 배수분구의 총면적은 56,280,000m²이며, 대지면적은 27,575,847㎡다. 여기서 대지면적은 대분류 토지피복지도를 기준으로 대지로 분류되는 면적을 의미하며, 본 연구에서 사용된 중분류를 기준으로 주거지역, 상업지역, 공업지역, 공공시설지역, 교통지역, 위락시설지역이 포함된다.
관망자료는 부산시 하수도정비기본계획과 UIS를 참고하여 하천과 차집관거, 주요 관망을 구현하였다. 정확한 수질 모의를 위해 점오염원 및 유지용수에 따른 총인(Total Phosphorus, TP) 유입 자료를 구축하여 EPA-SWMM의 입력자료로 사용하였다. 특히, CSOs 모의에 필요한 점오염원 입력자료의 경우 부산시 하수도정비 기본계획을 참고하여 하수처리분 구별 일 평균 계획 오수량을 기준으로 면적 가중 방식으로 할당하여 소유 역별로 오수량이 입력되었으며, 오수농도의 경우 공간적 변 동성은 없다고 가정하여 하수처리장으로 유입되는 T-P의 농도인 6.
또한, 지리정보시스템(Geographic Information System, GIS) 자료인 토지이용도, 정밀토양도 등을 이용하여 소유역별 면적, 불투수면적률, 무차원 유출곡선 지수(Curve Number, CN) 등 소유역별 입력 매개변수를 산출하고 적용하였다. 참고로 토지이용도는 환경부에서 제공하는 중분류 토지 피복지도를 이용하였으며, 정밀토양도는 국립 농업과학원에서 제공하는 자료를 사용하였다. 관망자료는 부산시 하수도정비기본계획과 UIS를 참고하여 하천과 차집관거, 주요 관망을 구현하였다.

데이터처리

각 시나리오별 결과는 해당 시나리오의 소유역들의 지표를 면적가중 평균하여 산정하였다. 전체 소유역에 LID 시설이 설치되는 시나리오 F를 제외한 모든 시나리오에서 생태저류 지는 설치 전후로 강우유출수를 평균 2.

이론/모형

모형 구축 및 검·보정에 대한 보다 자세한 사항은 Kim et al. (2019)을 참고할 수 있으며, 위의 과정을 통해 최종적으로 구축 및 보정된 모형을 이용하여 본 연구를 수행하였다.
이를 기반으로 단일 LID 시설을 적용하였을 때 각 시설별 효과 및 효율을 정량화하였다. 이를 위하여 사전에 구축된 부산시 온천천 배수분구의 EPA-SWMM을 이용하였다. 또한 미국 뉴욕시의 Green Infrastructure Plan을 참고하여 온천천 유역의 대지면적 10%에 해당하는 강우유출수 25.
따라서 본 연구에서는 해당 논문에서 제시된 값을 생태 저류지와 침투도랑의 표준 매개변수로 설정하였다. 투수성포장의 경우 Jato-Espino et al. (2016), Zhang and Guo (2015) 을 참고하여 표준 매개변수를 선정하였다. 각 시설의 표준 매개변수를 Table 3에 나타내었다.

성능/효과

현재까지의 결과를 종합하여 판단하였을 때, 예산이 충분할 경우 물순환 및 수질을 개선하기 위해서는 침투도랑을 위주로 설치하는 것이 가장 효과적인 것으로 판단된다. HCI를 통한 개선 효과, 비점오염물질 부하량 및 CSOs 부하량 저감량 모두 세 종류의 LID 시설 중에서는 가장 우수한 성능을 나타내었다. 그 뒤로는 생태저류지가 두 번째로 좋은 성능을 나타냈으며, 투수성 포장의 성능은 상대적으로 낮은 것으로 나타났다.
또한 비점오염물질 부하량과 CSOs 부하량의 저감 효과를 확인하였다. LID 시설에 따른 효과를 살펴보면, 동일한 처리용량을 가지는 시설로 설치하였을 경우, 본 연구에서 적용된 LID 시설 중 침투도랑이 물순환 및 수질 개선에 가장 큰 효과를 나타내었다. 그 다음 생태저류지, 투수성 포장 순으로 확인되었다.
시나리오별로 각 LID 시설의 물순환 개선효과를 직관적으로 확인하기 위해 강수량에서 증발산량과 침투량 합의 비율을 확인 할 수 있는 물순환 지수 살펴보았다(Table 6). Table 6에서 확인할 수 있듯이, 시설별로 비교하였을 때, 모든 시나리오에서 침투도랑이 다른 시설과 비교하여 월등히 높은 개선효과를 나타내고 있었으며, 생태저류지와 투수성포장은 비슷한 효과를 나타내는 것을 확인 할 수 있다. 이는 동일한 처리용량을 가지더라도 침투도랑은 자갈로 채워진 저류층으로 강우유출수가 직접적으로 유입되어 저류공간을 충분히 활용하는 반면, 토양층 또는 포장층 등을 거쳐 유입되는 생태저류지와 투수성포장의 경우 시설에 사용되는 토양 또는 포장재의 투과율과 지역의 강우특성 등에 따라 저류층의 공극을 활용하지 못하는 경우가 발생함에 따른 결과로 판단된다.
각 시나리오에 대해 강우유출수, 증발산량, 물순환 지수, 비점오염부하량, CSOs 부하량을 LID 시설 도입 전후로 계산하여 비교하였다. 그 결과, LID 시설의 적용을 통해 강우 유출수의 저감 및 증발산량과 침투량의 증가를 확인하였다. 또한 비점오염물질 부하량과 CSOs 부하량의 저감 효과를 확인하였다.
HCI를 통한 개선 효과, 비점오염물질 부하량 및 CSOs 부하량 저감량 모두 세 종류의 LID 시설 중에서는 가장 우수한 성능을 나타내었다. 그 뒤로는 생태저류지가 두 번째로 좋은 성능을 나타냈으며, 투수성 포장의 성능은 상대적으로 낮은 것으로 나타났다.
그 후, EPA-SWMM 상의 flow-divider를 이용하여 차집관 거의 설계용량을 넘을 경우 CSOs의 모의가 가능하게 하였다. 소유역으로부터 합류식하수관거를 통하여 flow-divider로 유입된 유량(Q_i)은 차집관거의 최대용량( 0)을 적용하였다. 따라서 각각의 표준 LID 시설 1 unit에 소요되는 비용은 생태저류지 6,960만원, 침투도랑 5,349만원, 투수성 포장 4,932만원으로 산정되었다. 참고로 계산에 활용된 환율은 Kim et al.
반면 예산의 한정을 고려하여 동일한 비용으로 LID 시설을 설치할 경우 투수성포장이 물순환 개선 및 비점 오염부하량 저감에는 가장 높은 효율을 나타내었으며, CSOs 부하량 저감에는 침투도랑이 효율적인 것으로 나타났다. 반면 생태저류지는 비용을 고려한다면 두 시설보다 효율이 낮은 것으로 확인되었다. 따라서 잦은 CSOs 발생으로 인한 하천의 수질오염이 심각한 온천천의 경우 CSOs 부하량 저감을 목적으로 한다면 침투도랑의 설치가 비용대비 가장 높은 효율을 가질 것이며, 부차적으로 물순환 개선과 비점오염원 저 감에 대한 높은 성능 또한 함께 기대할 수 있을 것이다.
그 다음 생태저류지, 투수성 포장 순으로 확인되었다. 반면 예산의 한정을 고려하여 동일한 비용으로 LID 시설을 설치할 경우 투수성포장이 물순환 개선 및 비점 오염부하량 저감에는 가장 높은 효율을 나타내었으며, CSOs 부하량 저감에는 침투도랑이 효율적인 것으로 나타났다. 반면 생태저류지는 비용을 고려한다면 두 시설보다 효율이 낮은 것으로 확인되었다.
또한, 앞서 확인한 바와 같이 비용적인 문제를 무시할 수 없을 것이다. 본 연구에서는 비용을 고려하였을 때 투수성포장이 강우유출수를 가장 효율적으로 저감하는 것을 확인하였다. 그러나 성능만을 두고 비교한다면 투수성포장은 침투 도랑의 약 절반의 성능을 보이고 있다.
본 연구의 결과를 토대로 살펴볼 경우, LID 시설의 기능 중 침투기능뿐만 아니라 저류기능 또한 중요한 부분임을 알 수 있다. 그러나 본 연구의 결과를 모든 지역에 대해 일반화하기에는 무리가 있다.
비용을 고려할 경우는 LID 시설 중 투수성포장이 가장 효율적인 방안으로 나타났다. 시나리오 F를 기준으로 1억원을 투입하여 투수성 포장을 설치할 경우 물순환 지수는 0.
Table 3에서 주의해서 살펴볼 사항은 공극률이다. 생태저류지의 토양층과 저장층, 침투토랑의 저장층의 공극률 중에서 생태저류지 토양층의 공극률이 가장 큰 것으로 조사되었다. 일반적으로 입자가 작고 고를수록 공극률이 작다고 생각하기 쉽지만, 입자의 크기보다는 입자의 크기가 다양할수록?공극률이 작다.
비용을 고려할 경우는 LID 시설 중 투수성포장이 가장 효율적인 방안으로 나타났다. 시나리오 F를 기준으로 1억원을 투입하여 투수성 포장을 설치할 경우 물순환 지수는 0.014% 증가, 비점오염물질 부하량은 연간 1.341kg 저감되어 타 시설에 비해 효율적인 것으로 나타났다. 반면 CSOs 부하량 저감만을 목적으로 할 경우에는 침투도랑의 설치가 효율적임을 알 수 있다.
시나리오별로 각 시설의 효율을 살펴보았을 때 모든 시설이 시나리오 A로 설치되었을 경우 가장 우수한 물순환 개선 효과를 나타냈다. 반면, 시나리오 F에서는 물순환 개선효과 가 가장 낮게 나타났으며, 이는 효율이 좋지 못한 소유역까지 모두 LID 시설이 설치되었기 때문이다.
앞서 비용을 고려하지 않고 동일한 용량으로 설치할 경우 본 연구에서 고려한 세 종류의 LID 시설 중에서는 침투도랑이 가장 큰 성능을 나타냈음을 살펴보았다. 그러나 재정 여건은 한정되어 있기에 비용-효율적인 측면을 고려한 시설의 효율을 살펴볼 필요가 있다.
이는 기후변화에 따라 요구되는 LID 시설의 처리용량 또한 증가함을 의미한다. 저류기능이 우수한 침투도랑이 가장 큰 성능을 나타낸 본 연구의 결과와 함께 이를 살펴보면 LID 시설이 가지는 저류기능은 미래 기후변화에 따라 강우 강도의 증가할 경우 그 중요성은 보다 더 커질 수 있음이 유추가능하다. LID 시설의 처리 용량은 LID 시설 자체의 용량과 침투능에 따라 결정되나, 침투능은 LID 시설 아래의 기존토양의 특성에 좌우된다.
각 시나리오별 결과는 해당 시나리오의 소유역들의 지표를 면적가중 평균하여 산정하였다. 전체 소유역에 LID 시설이 설치되는 시나리오 F를 제외한 모든 시나리오에서 생태저류 지는 설치 전후로 강우유출수를 평균 2.6%, 침투도랑은 3.9%, 투수성포장은 2.2% 저감할 것으로 분석되었으며, 증발산량은 각각 2.9%, 0.8%, 1.2% 정도 증가하는데 기여할 것으로 나타났다. 또한, 침투량은 각각 시나리오 별로 다양한 증가율을 나타냈지만, 일반적으로 침투도랑, 생태저류지, 투수 성포장 순으로 높은 증가율을 보여주었다.
앞서 HCI 와 동일하게 수질 개선측면에서도 침투도랑이 가장 높은 저감 성능을 보여주었다. 침투도랑에 이어 생태저류지가 좋은 성능을 나타내고 있으며, 투수성포장은 가장 낮은 저감량을 나타내었다. 특히, CSOs 부하량은 LID 시설의 강우유출수 저감 효과와 중첩되어 비점오염부하량 저감 효과보다 상대적으로 높은 저감 성능을 나타내고 있음을 살펴볼 수 있다.
, 2015). 특히 본 연구에서 온천천 배수분구를 대상으로 LID 시설의 성능을 확인하였을 때, 성능적인 측면만을 고려할 경우 타 시설과 비교하여 침투와 저류기능을 온전히 활용할 수 있는 침투도랑이 월등한 성능을 나타내었다.
정확한 수질 모의를 위해 점오염원 및 유지용수에 따른 총인(Total Phosphorus, TP) 유입 자료를 구축하여 EPA-SWMM의 입력자료로 사용하였다. 특히, CSOs 모의에 필요한 점오염원 입력자료의 경우 부산시 하수도정비 기본계획을 참고하여 하수처리분 구별 일 평균 계획 오수량을 기준으로 면적 가중 방식으로 할당하여 소유 역별로 오수량이 입력되었으며, 오수농도의 경우 공간적 변 동성은 없다고 가정하여 하수처리장으로 유입되는 T-P의 농도인 6.4 mg/L가 모든 소유역에 동일하게 적용되었다.
침투도랑에 이어 생태저류지가 좋은 성능을 나타내고 있으며, 투수성포장은 가장 낮은 저감량을 나타내었다. 특히, CSOs 부하량은 LID 시설의 강우유출수 저감 효과와 중첩되어 비점오염부하량 저감 효과보다 상대적으로 높은 저감 성능을 나타내고 있음을 살펴볼 수 있다.
현재까지의 결과를 종합하여 판단하였을 때, 예산이 충분할 경우 물순환 및 수질을 개선하기 위해서는 침투도랑을 위주로 설치하는 것이 가장 효과적인 것으로 판단된다. HCI를 통한 개선 효과, 비점오염물질 부하량 및 CSOs 부하량 저감량 모두 세 종류의 LID 시설 중에서는 가장 우수한 성능을 나타내었다.

후속연구

본 연구의 결과를 토대로 살펴볼 경우, LID 시설의 기능 중 침투기능뿐만 아니라 저류기능 또한 중요한 부분임을 알 수 있다. 그러나 본 연구의 결과를 모든 지역에 대해 일반화하기에는 무리가 있다. Kim and Joo (2017)에서는 연평균 강 우유출수 저감율이 생태저류지 39.
본 연구에서는 LID 시설 각각의 효과 및 효율을 비교하고자, 단일한 시설이 유역 전체에 적용되었을 경우에 대한 시설의 성능을 살펴보았다. 그러나 실제로는 다양한 LID 시설을 복합적으로 고려하기 때문에 실제 사업을 위한 LID 시설의 정확한 효과 또는 효율을 살펴보기 위해서는 LID 시설의 구성에 대한 시나리오를 현장여건에 맞게 설정하여 추가적으로 분석하는 연구가 필요할 것이다. 또한 앞절에서 언급한 바와 같이 LID 시설은 강우의 특성에 많은 영향을 받으며, 기후변화에 따른 강우특성의 변화가 예상되는 만큼 기후변화 시나리오를 이용하여 기후변화 대응전략으로서의 LID 시설 또는 LID 시설과 기존 그레이 인프라의 연계 시스템의 효과를 살펴보는 것 또한 진행될 필요가 있을 것이다.
따라서 침루된 양 또한 시설의 처리용량에 포함되었으며, 시설로 유입된 물은 조건에 따라 월류 또는 드레인유출로 다시 하천으로 유입되는 것만이 고려되었다. 그러나 지하수가 고려될 경우에는 지하수위가 시설에 미치는 영향과 시설에 서 침루된 물이 지하수를 통해 하천으로 도달하는 시간 및 유출량등에 따라 LID 시설들의 성능이 본 연구의 결과와 달라질 수 있기에 보다 자세한 시설의 성능을 분석하기 위해서 는 추후 연구를 통해 침투능에 의해 발생하는 지하수까지 고려하는 방안을 살펴볼 필요가 있다.
그러나 물순환 개선 또는 비점오염원 저감을 주요 목적으로 LID 시설을 설치하고자 할 경우에는 투수성포장이 비용효율 측면에서 가장 우수하지만, 단순 성능 측면에서는 세 시설 중 가장 낮은 성능을 보이기에 적용 시 이를 고려할 필요가 있다. 단, 본 연구에서는 시설별 소요비용 산정에 있어서 US EPA(2016) 등의 문헌을 참고하여 시설의 처리용량만을 고려하며 유지비용과 실제 현장에서 발생할 수 있는 다양한 비용 등은 고려되지 않기에 실제 현장에 적용하는 경우와 다소 차이가 발생할 수 있음을 인지하여야 하며, 소요비용 산정에 대 한 보다 정확한 방안을 제시할 수 있는 추가적인 연구가 필요하다.
반면 생태저류지는 비용을 고려한다면 두 시설보다 효율이 낮은 것으로 확인되었다. 따라서 잦은 CSOs 발생으로 인한 하천의 수질오염이 심각한 온천천의 경우 CSOs 부하량 저감을 목적으로 한다면 침투도랑의 설치가 비용대비 가장 높은 효율을 가질 것이며, 부차적으로 물순환 개선과 비점오염원 저 감에 대한 높은 성능 또한 함께 기대할 수 있을 것이다. 그러나 물순환 개선 또는 비점오염원 저감을 주요 목적으로 LID 시설을 설치하고자 할 경우에는 투수성포장이 비용효율 측면에서 가장 우수하지만, 단순 성능 측면에서는 세 시설 중 가장 낮은 성능을 보이기에 적용 시 이를 고려할 필요가 있다.
그러나 실제로는 다양한 LID 시설을 복합적으로 고려하기 때문에 실제 사업을 위한 LID 시설의 정확한 효과 또는 효율을 살펴보기 위해서는 LID 시설의 구성에 대한 시나리오를 현장여건에 맞게 설정하여 추가적으로 분석하는 연구가 필요할 것이다. 또한 앞절에서 언급한 바와 같이 LID 시설은 강우의 특성에 많은 영향을 받으며, 기후변화에 따른 강우특성의 변화가 예상되는 만큼 기후변화 시나리오를 이용하여 기후변화 대응전략으로서의 LID 시설 또는 LID 시설과 기존 그레이 인프라의 연계 시스템의 효과를 살펴보는 것 또한 진행될 필요가 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	건기동안 불투수 지역에 축적된 비점오염물질은 강우 시 어떠한 영향을 미치는가?	, 2014). 건기동안 불투수 지역에 축적된 비점오염물질은 강우 시 강우 유출수와 함께 하천으로 직접적으로 유입되어 도시지역의 하천에 악영향을 미친다. 이와 함께, 강우유출수의 증가와 불충분한 하수관거의 용량으로 인해 발생되는 합류식 하수관거 월류수(Combined Sewer Overflows, CSOs)는 도시하천오염의 주된 원인들 중 하나이다(Butler and David, 2000; Qin et al.
	물순환 지수란 무엇인가?	이때, 수문학적이 요소로 강우유출고, 증발산량, 침투량과 함께 각 LID 시설의 물순환 개선효과를 보다 직관적으로 확인하기 위해 강수량에서 증발산량과 침투량 합의 비율을 확인할 수 있는 물순환 지수(Hydrologic Cycle Index, HCI)를 정의하여 살펴보았다(Table 6). HCI는 습윤량/강수량으로 정의되며, 습윤량은 증발산량과 지하로 침투된 물의 양을 합한 것이다. HCI가 높을수록 유역에서 증발산 및 침투가 활발히 일어남을 의미한다.
	부산시의 하수도가 합류식 하수관거로 설치되어 있는것에 대한 부작용은 무엇인가?	, 2019). 실제로, 부산시의 도시하천인 온천천의 경우 매년 특정 크기 이상의 강우 발생 시, CSOs의 발생으로 인해 단기간에 수질이 악화되어 주민의 삶의 질을 심각하게 훼손하는 요인으로 작용하고 있다. 부산시 보건환경연구원에서는 2018년 일부 강우사상을 대상으로 온천천의 수질변화를 측정한 결과, 약 10 mm의 강우에도 CSOs가 발생하여 온천천 상·하류 전반에 걸쳐 수질이 악화되었다는 조사결과를 발표한 바 있다(BMC, 2019).

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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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