[논문]저영향개발 시설 설계 기준에 따른 용량 평가 방법 연구

임지열; 길경익

doi:10.17663/jwr.2022.24.1.59

저영향개발 시설 설계 기준에 따른 용량 평가 방법 연구
Research on Design Capacity Evaluation of Low Impact Development according to Design Criteria 원문보기

한국습지학회지 = Journal of wetlands research, v.24 no.1, 2022년, pp.59 - 67

임지열 (고양시정연구원 도시정책연구실) , 길경익 (서울과학기술대학교 건설시스템공학과)

초록
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전 세계적으로 도시화로 인해 파괴된 자연물 순환시스템 회복을 위해 저영향개발 (Low Impact Development, LID) 시설에 대한 관심이 커지고 있다. 하지만, LID 시설 용량 적정성 평가를 위한 종합적인 분석이 이루어지지 않아 LID 시설 도입에 많은 어려움이 제기되고 있다. 본 연구에서는 LID 시설 4개소(식생수로, 식생여과대, 식생체류지 및 투수블록)의 강우 모니터링 결과를 바탕으로 저감 효율 및 적정 용량 산정 방안을 분석하였다. WQV과 WQF을 설계 기준으로 하는 LID 시설의 강우 유출수(37%) 및 오염물질(TSS, BOD, TN 및 TP) 별 저감 효율(20% ~ 37.1%)이 차이를 보이는 것으로 나타났다. 이를 바탕으로 용량 적정성 평가를 위한 SA/CA 그래프 도출 결과 모든 항목에서 결정계수 0.5 이상(비선형회귀모형 기준)으로 나타났으며, 특히 강우 유출수 및 TP에서 높은 결정계수를 보였다. 그리고 본 연구에서 제안하는 LID 시설의 구조적 차이를 고려한 'SA/CA & L/CA' 그래프 도식 결과, 'SA/CA'보다 강우 유출수, TSS 및 TP 결정계수가 향상됨을 확인하였다. 본 연구를 통해 LID 시설의 용량 적정성 평가를 위한 'SA/CA & L/CA' 적용 가능성을 확인하였으며, 향후 일반화 및 표준화를 위한 추가적인 연구를 수행할 필요가 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

The interest in LID facilities is increasing worldwide for recovery of natural water cycle system to destroy by urbanization. However, problems are raised when installation of LID because comprehensive analysis about design capacity adequacy of LID facilities was not conducted completely. In this research, removal efficiency and design volume adequacy of LID facilities were analyzed based on rainfall monitoring data in four LID facilities(Vegetated Swale, Vegetative Filter Strip, Bio-Retention and Permeable Pavement). As a result, group of LID facility designed on WQV was shown higher flow(37%) and pollutants(TSS, BOD, TN and TP) removal efficiencies(20 ~ 37%) than group of LID facility designed on WQF. SA/CA graph was drawn for evaluation of design volume adequacy based on rainfall monitoring data. In this SA/CA graph, coefficient of determination show over 0.5 in all parameter, especially, Flow and TP were show over 0.95. And, 'SA/CA & L/CA' graph considering difference of structure mechanism in LID facility suggested in this research was confirmed that improved coefficient of determination in flow, TSS and TP than SA/CA graph. According to this research results, feasibility of applying 'SA/CA & L/CA' graph for evaluation of design volume adequacy in LID facility, and it is necessary to follow up research for generalization and normalization.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Location of monitored LID facilities
표 Table 1. Characteristics of Monitored LID facilities
표 Table 2. Statistical summary of monitored rainfall
그림 Fig. 2. Inflow pollutants load of monitored LID facilities
그림 Fig. 3. Flow and pollutants removal efficiency of monitored LID facilities
그림 Fig. 4. Comparison of removal efficiency (Flow and pollutants) according to design Factor
그림 Fig. 5. Regression curve between SA/CA and removal efficiency
그림 Fig. 6. Regression curve between 'SA/CA & L/CA' and removal efficiency
표 Table 3. Gap of Coefficient of determination between SA/CA and 'SA/CA & L/CA'

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 국내에 도입된 대표적인 LID 시설인 식생수로(Vegetated swale, VS), 식생여과대(Vegetative Filter Strip, VFS), 식생체류지(Bio-retention, BR) 및 투수블록(Permeable Pavement, PP)에서 현장 효율 평가 모니터링을 실시하였다. 모니터링 결과를 바탕으로 WQF와 WQV로 설계하는 시설의 유량 및 비점오염물질 저감 효율 차이를 분석하였으며, 설계 기준별 특성을 고려한 적정 면적 산정 방안을 검토하고자 한다.

제안 방법

FIg. 2에서는 본 연구 대상 LID 시설인 의 강우 모니터링 결과의 유입 및 유출 오염부하량(TSS, BOD, TN 및 TP)을 정리하였다. Fig.
3절의 SA/CA의 경우 공통적으로 시설 면적을 변수로 활용하였기에 LID 시설의 구조적 차이를 고려하지 않은 분석이라 할 수 있다. 따라서 본 절에서는 LID 시설의 구조적 차이를 SA/CA 분석에 적용하고자 WQV를 설계 용량 산정 기준으로 하는 시설(식생체류지 및 투수블록)은 SA/CA 그리고 WQF를 설계 용량 산정 기준으로 하는 시설(식생수로 및 식생여과대)은 L/CA를 적용하여 저감 효율과의 상관성을 분석하였다. 식생체류지와 투수블록의 SA/CA는 3.
식생체류지와 투수블록에서 인공강우로 실험을 진행한 이유는 식생체류지의 경우 유역면적이 인도이지만 100% 투수블록으로 구성되어있어 유역면적에서 강우 유출수의 유입이 이루어지지 않기 때문이다. 또한 투수블록의 경우에도 유역면적이 시설 자체 면적과 동일하기 때문에 인공강우를 통한 실험을 실시하였다. 즉, 유역면적의 차이로 시설의 효율 평가를 위한 충분한 강우 유출수의 유입이 불가능한 시설에서는 인공강우를 통한 효율 분석을 실시하였다.
본 연구에서는 국내에 도입된 대표적인 LID 시설인 식생수로(Vegetated swale, VS), 식생여과대(Vegetative Filter Strip, VFS), 식생체류지(Bio-retention, BR) 및 투수블록(Permeable Pavement, PP)에서 현장 효율 평가 모니터링을 실시하였다. 모니터링 결과를 바탕으로 WQF와 WQV로 설계하는 시설의 유량 및 비점오염물질 저감 효율 차이를 분석하였으며, 설계 기준별 특성을 고려한 적정 면적 산정 방안을 검토하고자 한다.
본 연구의 모니터링 대상 시설은 식생수로, 식생여과대, 식생체류지 및 투수블록 총 4개소로 유역 특성, 설치 및 현장 상황 등을 고려하여 모니터링 방법을 도출하였다. 식생수로는 유입부 이후 30m 지점을 유출부로 하여 모니터링을 실시하였으며, 유역이 100% 도로인 특징을 반영하여, 유출 시작과 동시에 5분 간격으로 시료를 채취하고 1시간 이후 강우강도, 유입유량 및 탁도를 기준으로 시료를 채취하였다. 식생여과대는 시설 유입부와 유출부에서 모니터링을 실시하였으며, 토지이용 형태가 대부분 임야 및 논의 형태로 이루어져 있어 현장에서 강우강도, 유입 유량 및 탁도를 기준으로 시료 채취 시기를 정하였다.
또한 투수블록의 경우에도 유역면적이 시설 자체 면적과 동일하기 때문에 인공강우를 통한 실험을 실시하였다. 즉, 유역면적의 차이로 시설의 효율 평가를 위한 충분한 강우 유출수의 유입이 불가능한 시설에서는 인공강우를 통한 효율 분석을 실시하였다.

대상 데이터

선정된 기술은 용량 설계 기준으로 식생수로와 식생여과대는 수질 처리 유량 그리고 식생체류지와 투수블록은 수질 처리용량을 적용하여 본 연구의 목적을 달성할 수 있는 기술을 선정하였다(환경부, 2016). 모니터링 대상 시설을 선정하기 위해 각 기술의 특징을 명확히 파악할 수 있으며 중앙정부에 의한 관리가 이루어지는 시설을 선정하였다. 선정된 시설은 경기도 용인시에 위치한 식생수로와 식생여과대 그리고 전라북도 전주시에 위치한 식생체류지와 투수블록 4개 시설이다.
본 연구의 모니터링 대상 시설은 식생수로, 식생여과대, 식생체류지 및 투수블록 총 4개소로 유역 특성, 설치 및 현장 상황 등을 고려하여 모니터링 방법을 도출하였다. 식생수로는 유입부 이후 30m 지점을 유출부로 하여 모니터링을 실시하였으며, 유역이 100% 도로인 특징을 반영하여, 유출 시작과 동시에 5분 간격으로 시료를 채취하고 1시간 이후 강우강도, 유입유량 및 탁도를 기준으로 시료를 채취하였다.
본 연구의 연구 대상 LID 기술은 식생수로, 식생여과대, 식생체류지 및 투수블록을 선정하였다. 선정된 기술은 용량 설계 기준으로 식생수로와 식생여과대는 수질 처리 유량 그리고 식생체류지와 투수블록은 수질 처리용량을 적용하여 본 연구의 목적을 달성할 수 있는 기술을 선정하였다(환경부, 2016).
본 연구의 연구 대상 LID 기술은 식생수로, 식생여과대, 식생체류지 및 투수블록을 선정하였다. 선정된 기술은 용량 설계 기준으로 식생수로와 식생여과대는 수질 처리 유량 그리고 식생체류지와 투수블록은 수질 처리용량을 적용하여 본 연구의 목적을 달성할 수 있는 기술을 선정하였다(환경부, 2016). 모니터링 대상 시설을 선정하기 위해 각 기술의 특징을 명확히 파악할 수 있으며 중앙정부에 의한 관리가 이루어지는 시설을 선정하였다.
모니터링 대상 시설을 선정하기 위해 각 기술의 특징을 명확히 파악할 수 있으며 중앙정부에 의한 관리가 이루어지는 시설을 선정하였다. 선정된 시설은 경기도 용인시에 위치한 식생수로와 식생여과대 그리고 전라북도 전주시에 위치한 식생체류지와 투수블록 4개 시설이다. 각 기술의 공통적인 유량 및 오염물질 저감 기작은 침투 및 여과이며, 투수블록을 제외한 나머지 시설의 경우 식생에 의한 영향도 기대할 수 있다.
식생수로와 식생여과대는 실 강우를 대상으로 모니터링을 수행하였으며, 식생체류지와 투수블록은 인공강우 및 실 강우+인공강우를 통해 강우 모니터링을 수행하였다. 이와 같은 강우 모니터링 방법의 차이를 둔 것은 상대적으로 식생체류지와 투수블록의 유역면적이 작아 시설 내 유출이 발생할 수준의 강우 유출수를 확보할 수 없기에 인공강우를 대상으로 실험을 실시하였다. 강우 모니터링은 식생수로 8회, 식생여과대 8회, 침투저류지 12회, 투수블록 12회로 총 30회 수행하였다.

데이터처리

Table 3에서는 ‘SA/CA’와 저감 효율 상관성과 LID 시설의 구조적 차이를 반영하고자 본 논문에서 제시한 ‘SA/CA & L/CA’와 저감 효율 상관성을 개선 효과를 분석하고자 항목별 회귀곡선의 결정계수를 비교하였다

성능/효과

1) 모니터링을 실시한 LID 시설별 강우 유출수 저감 효과 분석 결과, 식생체류지(95%), 투수블록(86%), 식생수로(60%) 그리고 식생여과대(52%) 순으로 나타났으며, 최대와 최소 효율 간 43%의 차이를 보였다. 오염물질 저감 효율의 경우, 모니터링을 수행한 4개 시설 모두 중앙값 기준 TSS 70%, BOD 60%, TN 60% 그리고 TP 60% 이상의 효율을 보였으며, 상대적으로 식생체류지와 투수블록 저감효율이 높은 것으로 분석되었다.
Fig. 2 (a) VS의 경우 TSS, TN, BOD 그리고 TP 순으로 유입 오염부하량이 높은 것으로 분석되었으며, 이는 VS 유역 토지 이용 현황이 도로로 건기에 차량 통행으로 인한 다량의 분진이 노면에 축적된 것에 영향을 받은 것으로 판단된다. Fig.
2) 연구 대상 LID 시설을 용량 설계 기준인 WQV와 WQF로 그룹화하여 강우 유출수 및 오염부하량 저감 효율 분석 결과 상대적으로 WQV를 기반으로 설계되는 시설의 효율이 높은 것으로 나타났다. 두 그룹의 효율 차이는 강우 유출수의 경우 37.
3) 연구 대상 LID 시설을 재원을 기반으로 적정 LID 시설 용량 및 면적 산정을 위한 SA/CA 분석 결과 강우 유출수, TSS, BOD, TN 및 TP 항목 모두 결정계수 0.5 이상(비선형회귀모형 기준)을 보였으며, 특히, 강우 유출수 및 TP에서는 약 0.95의 결정계수를 보였다. 반면, 본 연구진에서 제안하는 WQV와 WQF 시설의 구조적 차이를 고려한 ‘SA/CA & L/CA’ 분석 결과 강우 유출수, TSS 및 TP의 결정계수가 향상된 것을 확인하였다.
3.2절 분석 결과 LID 시설의 경우 기본 구조에 따라 설계용량 산정 기준에 따라 저감 효율이 다소 차이를 보이는 것으로 나타났다. 하지만, 3.
반면, 본 연구진에서 제안하는 WQV와 WQF 시설의 구조적 차이를 고려한 ‘SA/CA & L/CA’ 분석 결과 강우 유출수, TSS 및 TP의 결정계수가 향상된 것을 확인하였다
분석 결과 SA/CA와 유사하게 ‘SA/CA & L/CA’와 저감 효율은 양의 선형관계를 보이며, 비선형회귀 곡선의 결정계수가 선형회귀곡선에 비해 높은 것으로 나타났다
1) 모니터링을 실시한 LID 시설별 강우 유출수 저감 효과 분석 결과, 식생체류지(95%), 투수블록(86%), 식생수로(60%) 그리고 식생여과대(52%) 순으로 나타났으며, 최대와 최소 효율 간 43%의 차이를 보였다. 오염물질 저감 효율의 경우, 모니터링을 수행한 4개 시설 모두 중앙값 기준 TSS 70%, BOD 60%, TN 60% 그리고 TP 60% 이상의 효율을 보였으며, 상대적으로 식생체류지와 투수블록 저감효율이 높은 것으로 분석되었다. 이처럼 각 LID 시설별 강우 유출수 및 저감 효율이 차이를 보인 것은 SA/CA 및 구조적 차이에 의한 것으로 판단된다.
이와 같은 차이는 두 그룹의 구조적 차이에 영향을 받은 것으로 판단된다. 하지만 본 결과를 일반화시키기에는 다소 무리가 있지만, 용량 산정 기준에 따라 LID 시설의 효율에서 다소 차이가 있을 가능성을 확인할 수 있다. 향후 추가적인 연구를 통해 이에 대한 검증을 실시할 필요가 있다.

후속연구

본 분석 자료의 경우 앞서 언급한 대로 분석에 활용한 데이터의 개수가 상대적으로 많지 않아 일반화하여 적용하기에는 다소 무리가 있다. 하지만, Flow, TSS 및 TP에서 결정계수가 증가한 것을 근거로 WQF를 설계 기준으로 하는 시설에서는 기존의 SA/CA가 아닌 L/CA를 적정 면적 산정을 위한 설계 인자로 활용하는 것을 충분히 검토할 필요가 있을 것으로 판단된다.
하지만 본 결과를 일반화시키기에는 다소 무리가 있지만, 용량 산정 기준에 따라 LID 시설의 효율에서 다소 차이가 있을 가능성을 확인할 수 있다. 향후 추가적인 연구를 통해 이에 대한 검증을 실시할 필요가 있다.

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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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