유출곡선지수(CN)를 이용한 침투시설 간편 설계법 개발
Development of a Simple Design Method for an Infiltration Facility using Curve Number
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Abstract
최근 기후변화가 가속화되어 자연재해의 규모 및 강도가 커지고 있으며 특히 국지적 집중호우의 발생빈도가 급증하고 있다. 도시유역은 불투수면적 비율이 높아 집중호우 발생 시 상대적으로 침수발생가능성이 높으며 인구 및 물적자원이 집중되어 있어 대규모 피해를 야기할 수 있다. 홍수피해를 저감하기 위해서 기존에는 하천개수, 하수도정비, 우수저류지 설치 등의 방법을 사용하였으나 최근에는 저영향개발 기법의 사용이 제안되고 있다. 그러나 저영향개발(Low Impact Development, LID) 시설은 소규모로 여러 위치에 설치하며 강우유출 분석을 위한 매개변수가 많으므로 설계에 많은 인력과 시간이 소요된다. 따라서 본 연구에서는 보다 간편하고 효율적인 LID시설의 설계방안을 제시하기 위해 LID시설 규모에 따른 우수유출 저감효과를 분석하고 각 시설능력에 상응하는 유역의 유출곡선지수(Curve Number)를 추정하여 시설면적비와 유출곡선지수의 상관관계를 분석하였다. 결과적으로 LID시설 설치 전 유역의 유출곡선지수와 시설이 전체 유역에서 차지하는 면적비를 통해 LID시설을 설치한 것과 동일한 우수유출 저감효과를 가지는 유출곡선지수를 산정할 수 있는 관계식을 도출하였다. 이를 통해 LID시설을 SWMM에 직접 입력하지 않고 재산정한 유출곡선지수를 이용해 모델을 구축 및 분석하는 LID시설의 간편 설계법을 제시하고자 한다.
Trans Abstract
As climate change accelerates, the scale and intensity of natural disasters are increasing, and the frequency of localized heavy rains is increasing rapidly. Urban watersheds have a high ratio of impervious areas. So there is a high possibility of flooding in the event of torrential rain, and large-scale damage can occur because the population and material resources are highly concentrated. River improvements, sewerage maintenance, and rainwater storage installations are frequently used to reduce flood damage. More recently, low-impact development (LID) techniques have been proposed; however, LID facilities are installed on a small scale and in various locations. In addition, they require many parameters for a rainfall-runoff analysis; consequently, the design of these facilities require too much manpower and time. In this study, we analyze the rainfall-runoff reduction effect based on the size of a facility to present a simpler, more efficient design method. Next, the curve number (CN) corresponding to the capacity of each facility is estimated and the correlation between the facility’s area ratio and the CN is analyzed. As a result, a relational expression that can calculate the new CN with the same rainfall-runoff reduction effect as the installed LID facility was derived by using the CN before the installation of the LID facility and the facility area ratio. Thus, we present a simple design method using the recalculated CN without directly entering LID facilities into a storm water management model (SWMM).
1. 서 론
최근 기후변화가 가속화되며 자연재해의 규모및 강도가 급속히 커지고 있다. 특히 이상기후로 인해 시간당 30 mm 이상의 비가 쏟아지는 집중호우의 발생빈도가 꾸준히 증가하고 있다. 1910년대 연 0.7일이었던 집중호우 일수는 1970년대에 이르러 6.9일로 증가했으며, 2010년대에 이르러 12일로 증가하였다. 이러한 집중호우의 증가는 급격한 도시화로 인한 지표면의 불투수면적 증가와 함께 하천범람, 내수침수 등을 발생시키며, 특히 도심지는 많은 인구와 물적 자산이 집중되어 있어 자연재해 발생 시 대규모 인명피해 및 재산손실을 야기시킬 수 있다.
도시침수는 증가한 수문량에 비해 도시유역의 홍수방어능력이 작을 때 발생한다. 즉, 하천의 통수단면 부족, 하수관거의 통수능 부족, 배수체계의 낮은 설계빈도 등의 이유로 발생하게 된다. 기존에는 홍수방어능력을 향상시키기 위해 하천의 개수, 하수도정비, 배수개선사업, 우수저류지 설치 등의 방법을 사용해왔다. 이러한 수방시설물의 설치 및 확장은 제한적이며 규모가 커질수록 홍수방어에 소요되는 비용이 과대해 질 수 있다.
따라서 최근에는 유역의 홍수방어 능력을 상승시키고 물순환 왜곡을 개발 이전의 수준으로 회복하기 위해 지표면 유출을 침투 및 저류시킬 수 있는 저영향개발(Low Impact Development)이 대두되고 있다. 저영향개발 기법은 첨두유출량 및 총 유출량 감소, 지체시간의 증가 등의 홍수저감효과를 기대할 수 있고 비점오염의 감소 등 환경적인 측면에서도 긍정적인 효과가 있다.
다만 저영향개발 기법은 설계 시 많은 매개변수의 추정을 필요로 하고 설계자에 따라 다양한 결과를 도출할 수 있다. 국내외에서 가장 많이 사용되는 SWMM-LID 프로그램에서는 LID 시설종류를 8가지로 구분하고 있으며, 각 시설은 최대 5개의 층(Layer)으로 구성되고 각각의 층은 다양한 매개변수들로 구성되어 있다. 도시유역에서 LID시설은 대부분 소규모로 여러 위치에 설치하며 그 종류도 다양하기 때문에 LID시설의 설계는 많은 시간과 인력이 필요하며 시행착오법으로 수행되어 비효율적이고 주관적인 결과를 도출할 수 있다는 단점이 있다.
이를 보완하고자 최적화 기법을 이용하여 LID시설을 설치하는 방안(Baek et al., 2015; Park et al., 2016) 등이 제시되었으나, 최적화 기법은 실무에서 보편화되기 어렵고 다양한 시설물을 고려하는데에 한계를 가진다. 따라서 본 연구에서는 유출곡선지수를 이용한 LID시설의 간편 설계법을 제시하고자 한다.
이와 관련된 연구로 Yoo et al. (2010)이 소규모 저류시설의 유출저감효과를 유출곡선지수의 감소율로 정량화하였으며, 유출용적은 수정합리식을 이용하여 산정하고 저류조 수심에 따른 유출곡선지수의 감소율을 도표로 나타내었다. Yoo et al. (2013)은 위 방법을 안산, 마산, 성남에 적용하여 기존 연구(NIDP, 1999)와 비슷한 결과가 도출되는 것을 확인하였다. Sin et al. (2014)은 김천 평화지구에 Yoo et al. (2010)의 방법과 SWMM을 이용해 결과를 도출하여 비교 및 분석하였다.
본 연구는 실무에서 LID시설을 보다 효율적이고 간편하게 설계하는 방법을 제시하는 것을 목적으로 한다. 이에 강우유출 모의 및 LID시설 설계 시 가장 많이 사용되는 SWMM을 활용하여 침투시설 도입면적에 따른 우수유출 저감효과를 분석하고, 각 시설 능력에 상응하는 유출곡선지수를 추정하였다. 이를 기반으로 시설 규모에 따른 유출저감량과 유출곡선지수의 관계를 분석하여 유출곡선지수를 이용한 LID시설의 간편 설계법을 개발하였다. 이 방법은 기존 LID시설을 모형에 직접 입력하는 방법보다 모델 구축 단계가 간편하다는 장점이 있으며 시설의 객관적인 효과분석이 가능할 것으로 기대된다.
2. 연구방법
2.1 LID시설의 우수유출 저감효과
2.1.1 SWMM-LID
SWMM은 1971년 미국 EPA의 지원 아래 Metcalf & Eddy, Florida 대학과 Water Resources Engineers의 공동 연구로 도시유역 하수시스템 내의 유량 및 수질을 모의할 수 있도록 개발된 모델이다. SWMM은 저류시설, 침투시설 등 다양한 수리구조물을 고려하여 지표면과 배수시스템내에서의 강우-유출 해석 및 수질 모의가 가능한 종합적인 모형이다.
SWMM-LID 모형에서 시설의 종류는 Bio-Retention Cell, Rain Garden, Green Roof, Infiltration Trench, Permeable Pavement, Rain Barrel, Rooftop Disconnection, Vegetative Swale의 8가지로 구성되어 있으며, 시설종류에 따라 Table 1과 같이 Surface, Soil, Storage, Pavement, Drain의 층(Layer)으로 구성된다.
Layer by SWMM-LID
2.1.2 LID 시설
본 연구에서는 SWMM-LID 모형을 사용하여 LID시설 설치로 인한 우수유출저감량을 산정하였다. 그에 앞서 SWMM에 탑재되어 있는 LID모형을 시설종류에 따라 구분하고자 하였다. ｢저영향개발(LID) 기법 설계 가이드라인(Ministry of Environment, 2016)｣에 따르면 LID시설은 크게 침투시설, 식생형시설, 빗물이용시설로 구분할 수 있으며, 시설구분별 정의는 Table 2와 같고 그에 따라 SWMM-LID시설을 분류하면 Table 3과 같다.
Definition and Classification of LID Technique
Classification of SWMM-LID Facilities by LID Technique
이 중 강우-유출에 직접적으로 영향을 미치는 시설은 침투시설과 식생형시설이다. 침투시설과 식생형시설은 토양의 여과 및 흡착작용이 발생한다는 공통점이 있으나, 식생형시설에서 식물의 흡착작용이 발생한다는 차이점을 가진다. 따라서 침투 시설과 식생형시설은 다른 유출양상을 발생시키므로 본 연구에서는 침투시설인 침투트렌치(Infiltration Trench)와 투수성포장(Permeable Pavement)에 대해서 분석을 수행하였다.
2.1.3 시설규모에 따른 우수유출 저감효과 분석
강우-유출에 가장 많은 영향을 미치는 LID시설의 매개변수는 면적과 두께이고 시설 설치 시 가장 중요한 요소는 설치위치이며 설치면적은 시설의 설치위치에 따라 정해진다. 그래서 대상지구의 우수유출 목표저감량을 달성하기 위해서는 대상지구내에서 시설 설치가 가능한 여러 위치에 다양한 LID시설을 소규모로 설치하는게 대부분이다.
SWMM-LID시설은 시설종류에 따라 최대 5개의 층(Layer)을 가지며 각 층은 다양한 매개변수로 구성된다. 예를 들어 침투트렌치(Infiltration Trench)의 경우 Surface, Storage, Drain의 3개 층으로 구성되며, Surface 층의 매개변수는 Berm Height, Vegetation, Volume Fraction, Surface Roughness, Surface Slope이고, Storage 층은 Thickness, Void Ratio, Seepage Rate, Clogging Factor이며, Drain층은 Flow Coefficient, Flow Exponent, Offset, Open Level, Closed Level, Control Curve로 구성된다. LID시설의 모델링을 위해서는 이렇게 다양한 매개변수가 필요한데, 일반적으로 하나의 대상지구에 여러 개의 LID시설을 설치하며 설치가능한 위치와 면적에 따라 다양한 설치(안)이 제시된다. 따라서 설치(안)마다 각각의 LID시설의 종류별⋅층별 매개변수들을 입력해야 한다. 이 과정을 실무에서 대부분 시행착오법으로 수행하기 때문에 굉장히 비효율적이며 실무자에 따라 주관적인 결과를 도출할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 간편하고 효율적인 LID시설 설계 방안을 제시하고자 하며, 이에 앞서 SWMM-LID를 이용하여 LID시설의 면적비 증가에 따른 우수유출 저감량을 산정하였다.
2.2 시설규모에 따른 유출곡선지수 산정
2.2.1 NRCS 방법
NRCS 방법은 미국 자연자원보호청(Natural Resources Conservation Service)에서 유역특성을 통해 유효우량을 산정할 수 있도록 개발한 방법으로, 강우-유출 자료가 없는 미계측 유역에서도 사용할 수 있다는 장점을 가진다. 따라서 우리나라의 강우-유출 자료가 없는 미계측 유역에서 유효우량 산정 시 가장 많이 사용하는 방법이다. NRCS 방법은 토지특성 및 수문학적 조건을 이용하여 유출곡선지수(CN)를 산정한 후, 총 우량-유효우량 관계 모형을 통해 유효우량을 산정한다.
2.2.2 유출곡선지수
NRCS는 미국 전역의 농경지역 및 도시지역에 대해 총 우량-유효우량 관계에 영향을 미치는 인자들을 고려하여 수문학적 토양-피복형(hydrologic soil-cover complexes)별 유출곡선지수(Curve Number)를 결정 및 제시하였다. NRCS는 수많은 시범유역에서 수집한 자료를 통해 총 강우량과 유효우량의 관계를 도시해본 결과 여러 개의 관계곡선을 작성할 수 있었으며 이들 곡선을 표준화하여 0에서 100 사이의 값을 가지는 무차원의 유출곡선지수를 개개 곡선별로 부여하였다. 그 결과 농경지역과 도시유역을 구분하여 토지이용상태, 토지피복상태, 수문학적 조건, 토양형 등을 통해 유출곡선지수를 산정할 수 있다.
2.2.3 시설규모에 따른 유출곡선지수 추정
앞서 SWMM-LID를 이용하여 LID시설 면적비(전체 유역면적 대비 LID시설이 설치된 면적)에 따른 유출량의 변화를 확인하였다. 그 결과 LID시설 면적비가 증가함에 따라 유출량은 감소하는 경향을 나타내었다.
시설규모에 따른 유출량 변화와 대응되는 CN을 추정하기 위해, LID시설이 없는 가상유역에서 CN값의 변화를 통해 LID시설이 설치되었을 때와 유사한 유출량을 보이는 CN값을 추정하였다. CN값은 정수 단위를 기준으로 추정하였으며, CN값의 차이가 1보다 작은 경우 CN과 유출량 사이의 선형(비례)관계를 통해 CN값을 도출하였다.
2.2.4 CN을 이용한 LID시설 간편 설계법
LID시설 규모(면적비)와 CN값의 회귀분석 결과 선형적인 상관관계를 가지는 것을 확인하였으며, 이를 통해 LID시설(침투시설)의 간편 설계법을 도출하였다. 선형관계에 대한 신뢰성을 판단하기 위해 결정계수를 산정 및 확인하였으며 결정계수는 상관관계가 높을수록 1에 가까워진다. 즉, 결정계수의 값이 1에 가까울수록 회귀모형의 유용성이 높다고 할 수 있다(Kim, 2007).
3. 연구결과
3.1 모의조건
본 연구는 가상유역을 가정하여 모의를 수행하였으며 가상유역의 형상은 정사각형으로, 유역의 매개변수는 Table 4와 같이 가정하였다. LID시설 규모에 따른 유출량의 변화를 유출곡선지수와 대응시키기 위해 투수면적을 100% (불투수면적 0%)로 가정하여 모의를 수행하였다.
Parameters of Virtual Watershed
본 연구는 SWMM-LID모형의 침투시설(침투트렌치, 투수성포장)을 대상으로 분석을 수행하였다. 먼저 침투트렌치는 3개의 Layer로 구성되어 있으며 그 중 Storage 층이 유출에 가장 많은 영향을 미친다. Storage 층의 매개변수는 Table 5와 같이 가정하였으며, 침투강도(Seepage Rate)는 ｢지방자치단체 우수유출저감대책 세부수립 기준(Ministry of the Interior and Safety, 2018)｣에서 제시하는 설계침투강도를 사용하였다. 이 중 두께(Thickness)는 면적비와 더불어 유출에 가장 큰 영향을 미치는 매개변수이므로 추후 추가적인 보정이 필요할 것으로 보인다.
Parameters of the Infiltration Trench of the Storage Layer
투수성포장은 5개의 Layer로 구성되어 있으며 Pavement, Soil, Storage 층의 두께(Thickness)가 유출에 가장 많은 영향을 미친다. 각 층별 두께는 Table 6과 같이 가정하였다.
Thickness of each Layer of the Permeable Pavement
강우조건은 지속기간 1시간의 100 (mm/hr) 강우를 Huff 분포법을 이용하여 3분위로 분포시켜 사용하였다. 모델의 연속성 오류를 최소화하기 위해 모의시간은 1일, 모의간격은 1초로 설정하였다.
3.2 시설규모에 따른 유출량 변화
3.2.1 침투트렌치의 유출량 변화
침투트렌치의 면적비를 0~50%까지 증가시키며 유출량의 변화를 확인한 결과 Table 7과 같이 면적비가 증가할수록 유출량이 감소하는 경향이 나타났다. 시설이 없는 경우(case1)와 비교하였을 때 시설면적비가 2.5%인 경우(case7) 유출량이 약 9.43%, 5%인 경우(case8) 약 17.26%, 20%인 경우(case14) 약 50.70%의 저감율을 나타냈다.
Amount of Runoff according to Change by LID Facility Area Ratio (Infiltration Trench)
Fig. 1은 침투트렌치의 면적비 증가에 따른 유출수문곡선이며 이를 통해 면적비가 증가할수록 첨두홍수량과 총 유출량은 저감되고 유역 지체시간은 늘어나는 것을 확인할 수 있다. 첨두홍수량과 총 유출량의 저감은 유역의 홍수위험도를 낮추고 지체시간의 증가는 홍수대응 시간을 확보할 수 있는 등의 효과를 나타낸다.
Hydrograph according to Change by LID Facility Area Ratio (Infiltration Trench)
3.2.2 투수성포장의 유출량 변화
투수성포장도 침투트렌치와 마찬가지로 면적비가 증가함에 따라 유출량이 감소하는 경향을 보였으며, Table 8에서 보는 바와 같이, 면적비가 50%인 경우(case20) 유출량이 모두 저감되는 것을 확인할 수 있었다. 유출량 저감율은면적비가 15%인 경우(case12)까지는 상대적으로 침투트렌치가 효과적이었으나 면적비가 17.5%인 경우(case13) 동일한 효과를 보였으며 20%인 경우(case14)부터는 투수성포장이 더 효과적인 결과를 보였다. Fig. 2와 같이 투수성포장 시설의 유출수문곡선도 유출량이 저감되고 지체시간이 증가하는 등 침투트렌치의 유출수문곡선과 비슷한 양상을 나타내었다.
Amount of Runoff according to Change by LID Facility Area Ratio (Permeable Pavement)
Hydrograph according to Change by LID Facility Area Ratio (Permeable Pavement)
3.3 시설규모에 따른 유출곡선지수 추정
3.3.1 침투트렌치 규모에 따른 유출곡선지수 추정
LID시설 면적비(규모) 변화에 따른 유출량을 산정한 뒤, LID시설이 없는 경우에서 case별 유출량에 대응되는 CN값을 추정하였다. 추정한 CN값과 이를 입력값으로 SWMM을 통해 유출량을 재산정한 결과 Table 9와 같다. Table 9의 오차율은 LID시설이 설치되어 있을 때의 유출량과 추정한 CN값을 통해 재산정한 유출량의 차이를 비교한 것으로 오차율의 평균은 0.23%, 최대 오차율은 3.03%이다.
Estimation and Verification of CN according to LID Facility Area Ratio (Infiltration Trench)
Fig. 3은 추정한 CN값을 통해 SWMM을 이용하여 작성한 유출수문곡선으로 Fig. 1과 같이 첨두홍수량 및 총 유출량은 감소하나 지체시간의 변동은 거의 없는 것으로 나타났다.
Hydrograph according to Change by CN (Infiltration Trench)
3.3.2 투수성포장 규모에 따른 유출곡선지수 추정
투수성포장의 면적비(규모) 변화에 따른 유출량을 산정하고, 시설이 없는 조건에서 case별 유출량에 대응되는 CN값을 추정한 결과 Table 10과 같다.
Estimation and Verification of CN according to LID Facility Area Ratio (Permeable Pavement)
투수성포장의 유출량 오차율 평균은 0.06%, 최대 오차율은 3.23%로 나타났다. 투수성포장 시설의 CN 변화에 따른 유출수문곡선은 Fig. 4와 같으며, 침투트렌치와 비슷한 양상을 보인다.
Hydrograph according to Change by CN (Permeable Pavement)
3.4 선형회귀를 통한 간편 설계공식 제안
3.4.1 침투트렌치 간편 설계법
LID시설 면적비와 CN값이 선형관계를 가지는 것을 Fig. 5를 통해 확인하였으며, 결정계수(R2)는 0.9576으로 신뢰성이 높다고 할 수 있다. LID시설의 간편 설계법을 개발하기 위해 1차 추세식을 도출하였으며 x는 시설의 면적비(%), CN는 유역의 유출곡선지수, CN ’은 LID시설을 고려한 유역의 유출곡선지수이다. 즉, LID시설(침투트렌치) 설치 전 유역의 유출곡선지수(CN)와 시설이 전체 유역에서 차지하는 면적비(x)를 통해 LID시설을 설치한 것과 동일한 우수유출 저감효과를 가지는 유역의 유출곡선지수(CN ’)를 산정할 수 있는 관계식을 도출하였다. 이는 SWMM을 이용해 LID시설의 우수유출 저감효과 분석 시 LID시설을 SWMM에 직접 입력하지 않고 재산정한 유출곡선지수만을 입력함으로써 모델 구축이 가능하다. 결과적으로 LID시설의 면적, 두께, 설치위치 등 다양한 매개변수들을 고려하지 않기 때문에 간편하고 객관적인 LID시설의 효과분석이 가능할 것으로 판단된다.
LID Area Ratio - CN (Infiltration Trench)
4. 결 론
본 연구에서는 두 가지 LID시설(침투트렌치, 투수성포장)을 대상으로 시설물의 도입면적에 따른 우수유출 저감효과를 분석하였다. 이와 대응되는 유출량을 나타내는 CN을 추정하였으며, 시설면적비와 CN을 분석한 결과 선형관계를 가지는 것을 확인하였다. 전체 유역에서 시설물이 차지하는 면적비(x)와 유역의 유출곡선지수(CN)를 이용하여 LID시설 설치 후의 유출곡선지수(CN ’)를 산정함으로써 각 시설물의 간편 설계법을 제시하였다. 기존 LID시설물의 설계 방법은 다양하고 많은 매개변수가 필요하였으나 본 연구에서 제안한 방법은 유역의 유출곡선지수와 시설의 면적비만으로 우수유출 저감효과를 분석할 수 있다. 이는 시설 매개변수 추정 과정을 생략할 수 있고 모델 구축 시 매개변수를 일일이 입력하지 않아도 되기 때문에 효율적이고 간편하며 실무자의 판단을 최소화하여 객관적인 결과를 도출할 수 있다는 장점을 가진다. 다만 본 연구에서는 침투형시설에 대해서만 간편 설계법을 제시하였으므로, 식생형 시설에 대한 연구도 추가적으로 필요하다. 또한, 본 연구결과가 실무에서 사용되기 위해서는 LID시설이 설치된 다양한 유역에 적용하여 그 결과를 비교 및 검토해보아야 한다. 앞의 두가지 내용이 보완된다면 본 연구의 결과를 LID시설의 설치 타당성 조사, 우수유출 저감효과 분석 등에 실제 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
감사의 글
이 논문은 2021년도 대한민국 정부(과학기술정보통신부, 행정안전부)의 재원으로 한국연구재단 국민생활안전 긴급대응연구사업의 지원을 받아 수행된 연구임(2021M3E9A1103525).