[논문]도시우수 저류.침투시설에 대한 비용대비 유출저감효과 비교 분석

이경섭; 김환석; 박기정; 김덕우; 윤재영

[국내논문] 도시우수 저류.침투시설에 대한 비용대비 유출저감효과 비교 분석
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이경섭 (고려대학교 환경공학과) , 김환석 (고려대학교 환경공학과) , 박기정 (고려대학교 환경공학과) , 김덕우 (고려대학교 환경공학과) , 윤재영 (고려대학교 환경공학과)

최근 도시화로 인한 유역 내 불투수 면적의 증가로 인해 첨두홍수량이 증가하고 있으며 이 문제를 해소하기 위해 종래에는 인공적으로 하천폭을 증가시키고 제방을 높이는 대책 등이 시행되었으나 많은 문제점이 발생되어 대책의 단순적용에 어려움이 있다. 이러한 문제의 해결방안으로 강우유출수 저감 목적 최적관리기법(BMP)이 대두되었으며, 실제로 이러한 빗물을 저장하고, 침투시키는 우수 저류 침투시설에 대한 관심이 급증하여 정부 및 일부 지자체를 중심으로 우수 저류 침투시설의 도입이 점차 확산되고 있다. 본 연구에서는 우수 저류 침투시설중 저류지, 투수성포장, 옥상녹화를 EPA SWMM으로 모형화 하여 설치비용에 따른 첨두유출량 저감효과를 비교하였으며, 그 결과 투수성 포장이 비용 대비 첨두유출량의 저감효과가 가장 뛰어난 것으로 나타났다.

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문제 정의

본 연구에서는 BMP 설치규모에 따른 첨두유출 저감효과를 재현기간 별로 모의하였다. 목표저감율은 대상 배수유역의 재현기간 별 개발 전 첨두유출량 수준으로 낮추는데 필요한 저감율을 의미한다.
본 연구에서는 다양한 BMP(저류지, Green roof, 투수성 포장)에 대해 SWMM을 이용한 모형화 방안을 제시하고 대상유역인 군자배수구역에 적용하여 재현기간 별 비용대비 첨두유출량 저감효과를 모의하고자 한다.

제안 방법

SWMM에서 투수성 포장을 모의하기 위한 방안으로 기존의 Subcatchment 이외에 투수면 만으로 구성된 Porous Pavement Subcatchment를 추가하였다. James 등(2001)은 투수성 포장에 대하여 Green-Ampt 공식에 사용가능한 매개변수로 아래[표 1]과 같은 값을 제안하였다.
본 연구에서는 국내외 적으로 많이 사용되는 24시간을 설계강우지속시간으로 결정하였으며 서울관측소 지점에 대한 Huff 4분위법 연구결과(도시홍수재해관리기술사업단, 2006)를 참고하여 빈도가 가장 높은 1분위를 호우설계분위로 결정하여 2년, 10년, 50년, 100년의 설계강우에 대하여 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 미국환경청(EPA)에서 개발된 SWMM 모형을 이용하여 우수 저류시설 및 침투시설의 설치에 따른 도시유역의 유출저감효과를 모의하였으며 각 BMP 별 설치비용은 문헌을 참고하여 산정 비교하였다. BMP를 대상유역에 설치하여 모의한 결과는 다음과 같다.
저류시설과 침투시설의 경제적인 효율을 비교하기 위하여 개발로 인해 증가된 첨두유출을 개발전 수준으로 낮추기 위해 필요한 비용을 산정하여 비교하였으며 그 결과는 [표 2]와 같다.

대상 데이터

Green roof 설치에 의한 유출량 저감을 모의하는데 있어 그 매개변수가 되는 값은 CN이며 Green roof의 CN값은 2003년부터 2004년까지 미국 University of Georgia에서 31개의 강우사상을 통하여 실험한 결과를 토대로 추정한 86을(Carter와 Rasmussen, 2006) 적용하였다.
라고 제시하였다. 본 연구에서는 Paladino(2004)에서 제시한 Green roof 설치비용인 $12.5/ft²을 사용하였다. 현재 국내에서는 건물 옥상에 쾌적한 녹지휴식공간 조성을 위하여 옥상녹화 사업을 추진 중이고 설치비용은 75,000원/m²∼90,000원/m² (50%보조금 제외)이다.
본 연구에서는 서울시 군자동의 군자배수분구를 대상유역으로 선택하였다. 군자배수구역은 중랑천 좌안의 하류(군자교)에 위치하고 있으며 유역면적이 96.

이론/모형

본 연구에 사용된 모형은 US EPA에서 개발한 Storm Water Management Model(SWMM)로 도시유역을 모의하기 위해 다양한 수리·수문학적 개념을 사용하며(Roesner 등, 1998), 현재까지 개발된 모형 중 최적의 도시유출모형 중 하나로 알려져 있다.
본 연구에서는 Heaney와 Lee(2006)에서 제안된 $65,000/acre를 투수성 포장의 설치비용으로 사용하였으며 이를 환산하면 약 20,000원($1를 1,250원으로 계산)이다. 환산된 설치비용은 국내에서 사용되는 설치비용범위(13,700원/m² ～ 26,478원/m²)에 포함된다는 것을 알 수 있다.

성능/효과

Green roof의 경우 설치단가가 투수성 포장에 비해 4배 정도 비싸기 때문에 설치면적이 적고 그로 인해 본 연구에서 검토한 비용범위 내에서는 목표저감율에 도달할 수 없는 것으로 분석되었다.
① Green roof의 경우 다른 BMP와 비교하여 유출 저감효과가 작은 것으로 분석 되었으며 비용이 증가하여도 거의 일정한 유출저감효과를 보였다. 이는 유역의 불투수면이 감소하여 유출이 줄어들지만 Green roof를 포함한 투수지역에 대해 산정한 평균 CN값은 높아지기 때문인 것으로 판단된다.
② 투수성포장의 경우 설치비용이 증가함에 따라 첨두유출 저감효과가 선형적으로 증가하는 경향을 보이고 있으며, 이는 투수성 포장의 높은 포화수리전도계수의 영향으로 투수성 포장면에 떨어진 강우는 전량 침투되기 때문이라고 판단된다.
③ 재현기간 별 목표저감율을 설정하여 BMP 별로 이를 충족시키는데 소요되는 비용을 산정하여 비교하였으며, 그 결과 투수성 포장이 가장 경제적인 것으로 분석되었고 저류지 설치시보다 최대 90.5%까지 설치비용을 절약할 수 있다. 이는 투수성포장 설치초기상태가 유지된다고 가정했을 경우이나, SWMM 모형은 투수성 포장의 공극막힘현상을 고려하지 못하기 때문에 실제 유출저감율은 본 연구결과보다는 떨어질 수 있을 것으로 예상된다.
현재 국내에서는 건물 옥상에 쾌적한 녹지휴식공간 조성을 위하여 옥상녹화 사업을 추진 중이고 설치비용은 75,000원/m²∼90,000원/m² (50%보조금 제외)이다. 본 연구에서 사용된 Green roof 설치비용을 환산하면 약 168,000원($1를 1,250원으로 계산)이며 보조금을 고려하면 국내 설치비용범위에 포함된다는 것을 알 수 있다.
재현기간이 증가함에 따라 투수성포장은 목표 저감율 달성을 위해 소요되는 비용이 감소하는 경향을 보였다. 이는 투수성 포장의 설치면적이 증가함에 따라 첨두유출 저감율이 선형적으로 증가하는 반면 목표 저감율은 재현기간이 증가함에 따라 감소하기 때문이라고 판단된다.

후속연구

본 연구에서는 BMP 별 모의방법과 저감효과를 제시하고 그 결과를 비교ㆍ분석하였으나 이의 실질적인 검증을 위해서는 우수유출저감시설이 적용된 지역의 모니터링을 실시하여 수문모형에 의해 예측된 저감효과와의 비교ㆍ분석이 필요하다고 생각된다. 이를 토대로 BMP 별 적정 매개변수의 산정에 관한 연구가 이루어진다면 우수유출저감시설의 적용에 따른 유출특성 변화를 예측하고 이를 토대로 적정 시설규모 및 위치를 산정하는데에 효과적으로 이용될 수 있을 것으로 사료된다.
본 연구에서는 BMP 별 모의방법과 저감효과를 제시하고 그 결과를 비교ㆍ분석하였으나 이의 실질적인 검증을 위해서는 우수유출저감시설이 적용된 지역의 모니터링을 실시하여 수문모형에 의해 예측된 저감효과와의 비교ㆍ분석이 필요하다고 생각된다. 이를 토대로 BMP 별 적정 매개변수의 산정에 관한 연구가 이루어진다면 우수유출저감시설의 적용에 따른 유출특성 변화를 예측하고 이를 토대로 적정 시설규모 및 위치를 산정하는데에 효과적으로 이용될 수 있을 것으로 사료된다.

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