Development of Experimental Equipment for Water Balance Analysis of Planter Box

재문 김; 의혁 윤; 재록 박; 병성 김; 현석 신

doi:10.9798/KOSHAM.2017.17.6.87

Abstract

Due to the rapid urbanization, the existing water cycle system is distorted and the need for LID(low impact development) techniques is increasing. Among them, the architecture type LID facility is emphasized as a technology capable of effectively managing rainfall runoff. Research on building type LID facilities is underway at home and abroad, but there have been no studies evaluating the efficiency of the Planter Box, one of the building type LID facilities, and evaluating the applicability. In this study, we developed a Planter Box experimental system that can verify water cycle efficiency. This device quantitatively tested the feasibility of the system water cycle system through experiments on influent flow, runoff and storage. The verification results of the device can be used as a basic study to verify the efficiency of the Planter Box in the future, and it is expected that reliable results will be obtained.

Keywords: LID, Planter Box, Hydrological Balance, Runoff Reduction

요지

급격한 도시화로 인해 기존 물순환 체계가 왜곡됨에 따라 저영향개발(LID)기법의 필요성이 증가하고 있다. 그 중 건축물형 LID 시설은 강우유출수를 효과적으로 관리 할 수 있는 기술로 강조되고 있다. 국내외에서 건축물형 LID 시설에 대한 연구가 진행 중이지만, 건축물형 LID 시설 중 하나인 Planter Box의 효율성을 검증하고 적용성을 평가한 연구는 전무한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 물수지 분석이 가능한 Planter Box 검증기기를 개발하여 유출저감 효과분석을 실시하였다. 이 장치는 유입유량, 유출량 및 저류량 관계실험을 통해 장치 물순환 체계의 정량적 분석이 가능하다. 장치 검정 결과는 추후 Planter Box 효율성 검증시 기초연구로 활용될 수 있으며, 이를 통해 신뢰성 높은 결과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

1. 서론

급격한 도시화로 인해 도심지의 불투수면적은 지속적으로 증가하였고, 이는 자연의 물순환 체계를 왜곡함과 동시에 하천의 첨두유량, 도달시간, 지체시간 등 수문학적 인자에 많은 영향을 미치고 있다. 또한 기후변화로 인해 강우량, 강우강도, 국지성 호우 등이 증가함에 따라 홍수로 인한 도심지의 침수 피해가 증가하고 있다. 이에 따라 강우 유출량 및 비점오염원을 효과적으로 제어하고 도심지 물순환 체계를 개발 이전으로 회복시키기 위한 LID(Low Impact Development)기술의 필요성이 강조되고 있다. LID 기술이란 침투, 여과, 저류 및 증발 등과 같은 본래 자연의 기능을 최대한 유지하는 범위 내에서 개발하고 강우유출수를 효율적으로 처리하는 기술을 말한다(EPA, 2000). 이미 미국, 유럽 등 선진국에서는 LID 기술을 도입하여 도심지 물순환에 대한 연구를 실시하고 있으며, 현재 국내외에서도 LID 요소기술에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

Lee et al. (2006)은 옥상녹화 Test-bed를 구성하고 우수유출 저감 및 지연 효과를 입증했으며, Joo et al. (2011)은 식재박스형 침투시설을 개발하고 이를 구축된 가상도로 SWMM 모형에 적용하여 오염물질저감 및 유출저감 효율을 연구하였다. 또한 Kim and Sung(2011)은 Rain Garden 모형실험을 통해 식생유형인 관목류와 초본류에 대한 유출저감효과를 분석한 바 있다. Moon(2015)은 침투화분 Test-bed를 구축 및 운영하여 수문학적 분석을 통해 침투화분이 강우유출수 저감에 효과적임을 입증하였으며, Yu(2015)은 식생체류지 Test-bed를 설치하고 분석하여, 식생체류지의 물순환 효과가 높음에 따라 비점오염물질 저감효율 또한 높음을 알아냈다. 또한 Flores et al. (2015)은 실제 부지에 침투도랑 및 나무여과상자를 적용하여 수문학적 효과에 대해 평가함으로써 LID 설계시 저류능력과 배수면적이 중요한 설계인자가 됨을 알아냈다.

LID 요소기술 중 하나인 Planter Box는 도심 녹지공간이나 기존 수목이 식재된 화분 등의 공간을 활용하여 우수를 저류, 체류시키고, 오염물질저감, 도심지 경관 향상 등 녹지기능과 우수관리기능을 동시에 지니고 있는 친환경적 시설이다. 몇 몇 LID 요소기술에 대한 국내연구는 지금까지 계속 진행되어 왔지만, Planter Box 기법의 효율성 및 적용성에 대한 국내연구는 전무한 실정이다.

따라서 본 연구에서는 Planter Box 기법의 효율성 및 적용성을 평가하기 위한 Planter Box 모형실험 장치를 설계 및 제작하였고, Planter Box의 효율성을 검증하기에 앞서 정량적인 물수지 분석을 실시하였다.

2. Planter Box 모형실험 장치의 이론

Planter Box란 LID 요소기술로, 기존 화단이 갖는 식재기능과 함께 우수 체류, 여과, 침투의 기능을 가진 친환경적 우수관리 시설이다. 본 연구에서는 강우 발생 시 Planter Box로 지붕유출수가 유입되고, 이를 저류 및 침투시켜 물순환 과정의 수문학적 변화를 분석하기 위한 Planter Box 모형실험 장치를 설계하였다. Planter Box 모형실험 장치는 불투수면으로 구성된 옥상과 지붕유출수의 저류 및 침투를 위해 투수면으로 구성된 Planter Box 등 2개의 소유역으로 이루어져 있다. 수문순환의 과정 중 강우를 본 장치의 입력(input)성분으로 하고, 월류량 및 유출량을 출력(output)성분으로 하였다. 이를 통해 Planter Box에서 발생하는 강우 및 유출 관계에 대해 규명 할 수 있다.

본 장치를 이용하여 Planter Box 시설의 수문학적 효과를 분석하기 위해 입력 성분인 강우량과 출력 성분인 월류량(Overflow), 유출량(Outflow)을 계측하고, 수문시스템의 입⋅출력 값을 고려하여 저류량(Storage)을 계측하였으며, Eqs. (1), (2)와 같은 물수지(Water balance) 공식을 이용하였다.

(1)

I−O=ΔSΔt

(2)

(It+It+1)−(Ot+Ot+1)=(ΔSt+1−ΔStΔt)

여기서, I는 입력 성분인 강우량 또는 유입유량, O는 강우에 의하여 발생하게 되는 유출량, S는 저류량을 나타낸다. Fig. 1은 물수지 공식에 따른 Planter Box 모형실험 장치에 대한 개념도이다.

Fig. 1

Conceptual Diagram of Planter Box

3. Planter Box 모형실험 장치의 설계

3.1 Planter Box 모형실험 장치의 구성

Planter Box 모형실험 장치는 가로 1.5m, 세로 1.5m, 높이 1.5m로 구성되어 있으며 주요 구성요소로는 기초 프레임(frame), 옥상부분(1.5m(L) × 0.7m(W) × 0.06m(H)), 2개 구역의 Planter Box부분(1.5m(L) × 0.2m(W) × 0.2m(H)), Bucket 유량계, 수조로 이루어져 있다. 별도로 유량 공급은 물탱크에서 펌프를 통해 공급되며, 디지털 유량계를 이용하여 유입유량을 수치적으로 확인이 가능하다.

또한 밸브를 이용하여 유입유량 조절이 가능하며, 다양한 범위의 유량을 공급할 수 있다. Fig. 2는 제작이 완료된 Planter Box 모형실험 장치이다.

Fig. 2

Detailed Structure of Planter Box

Planter Box 모형실험 장치는 옥상-홈통 유출 시스템과 1차 Planter Box, 1차 Planter Box의 지하수 유출이 유입되는 2차 Planter Box, 각 Planter Box의 월류수 및 지하수유출 차집 시스템으로 구성되어 있다. 옥상으로 유량을 유입시키면 유입된 유량은 홈통을 통해 1차 Planter Box로 유입된다. 1차 Planter Box에 유입된 유량은 다시 지하수 유출을 통해 배출되고, 이를 Bucket 유량계를 통해 측정한 후 2차 Planter Box로 유입된다. 그리고 2차 Planter Box의 지하수 유출은 아래쪽의 수조로 차집 된다. 또한 월류수는 1차 및 2차 Planter Box의 지표면에 설치되어 있는 월류관을 통해 아래쪽 수조로 차집된다. Fig. 3은 Planter Box 모형실험 장치의 상세 시스템 및 구조를 나타낸 것이다.

Fig. 3

Shape of Planter Box

4. 장치 검정실험 방법 및 결과분석

4.1 장치 물순환 검정실험

Planter Box 모형실험 장치에 대한 효율성 분석에 앞서 보다 정확한 실험값 도출을 위해서는 장치의 물순환 검정이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 설정 유입유량과 유출량에 대하여 물수지 분석을 통한 손실오차 등을 측정하였다.

제작한 Planter Box는 물순환 평가를 위한 초기 실험 장치로서, 본 실험에서는 강우빈도에 따른 유입-유출량 관계에 대한 물수지 분석 검정실험을 실시하였다. 따라서 실제 시설에 적용 가능한 재료의 성능 평가 보다는 Planter Box의 제작과 이를 이용한 강우빈도별 유입-유출량에 의한 물수지 분석 장치개발목적에 초점을 맞추었다.

실험방법으로는 다음과 같이 옥상 1차 Planter Box 구간에 대한 검정을 실시하였고, 동일조건 하에서 다양한 강우조건에 대한 반복실험을 통해 진행하였다.

먼저 장치 검정실험은 불투수면으로 구성된 옥상 면적(1.5m × 0.7m)에 일정 강우가 발생하여 이로 인한 유출량이 우수 홈통으로 모두 유입된다는 가정 하에 진행하였다. 또한 옥상면적에 대한 강우강도 25, 50, 75, 100 mm/hr에 해당하는 유입유량을 디지털 유량계를 통해 계측한 후 옥상에 유입시켰다. 그리고 각 유량별로 20분간 Planter Box 장치에 유입시켜 Planter Box 옥상부분에서 발생하는 유출이 완전히 완료되는 시점까지 유출량을 측정하였다. 다음 Table 1은 강우강도별 유입유량을 나타낸 것이다.

Table 1

Application of Rainfall Intensity and Inflow

Area of Roof (m²)	Rainfall Intensity (mm/hr)	Inflow (L/min)
1.05	100	1.75
	75	1.31
	50	0.88
	25	0.44

4.2 장치 물순환 검정실험 결과

검정실험에 선정된 각각의 강우강도에 해당되는 유량을 20분간 유입시켜 최종적으로 수조에 집수된 유량의 수위를 환산하여 물순환 수문요소에 대해 검정하였다.

그 결과 4가지 강우강도 모두 월류수는 발생하지 않았으며, 강우강도에 따른 저류량은 25 mm/hr의 경우 5.43 L, 50 mm/hr의 경우 5.53 L, 75 mm/hr의 경우 5.76 L, 10 mm/hr의 경우 5.69 L로 강우강도와 상관없이 일정 수준의 저류량을 나타냈다. Planter Box의 구조적 문제로 인하여 발생된 유입-유출에 따른 손실률은 강우강도가 25 mm/hr인 경우에 1.89%로 가장 컸고, 강우강도가 75 mm/hr인 경우에 0.36%로 가장 작았다.

Fig. 4는 강우강도별 유입량에 대한 유출량 및 저류량을 나타낸 것이다.

Fig. 4

Results of Flow

Fig. 5는 강우강도별 유출량(a) 및 저류량(b)을 도시한 것으로 Fig. 5(a)의 유출곡선을 살펴보면 강우강도가 클수록 초기유출이 단시간에 발생하며, 초기유출 이후 유출량의 증가폭 또한 크게 나타났다. Fig. 5(b)의 저류곡선을 살펴보면 강우강도가 클수록 최대 저류량이 크게 나타났으며, 20분이 지나 유입이 차단되면 급격하게 감소하는 경향을 보였다. 이는 실제 Planter Box에서 모의시 실제상황과 유사한 조건을 구현하고 있는 것으로 판단된다.

Fig. 5

Rate of Outflow and Storage for Inflow

Fig. 6은 유입유량에 대한 유출량 및 저류량의 비율을 나타낸 그래프이며, Fig. 7은 강우강도별 유출곡선이다. Fig. 6의 유출 및 저류 특성을 살펴보면 초기유출이 발생한 이후 급격하게 유출량의 비율이 늘어났으며, 이후 최대 유출량의 비율이 86~90% 사이로 측정되었다. Fig. 7의 유출특성을 살펴보면 강우강도가 클수록 초기유출이후 유출량 증가율이 크게 나타났다. 위와 같은 Planter Box의 장치 검정 결과에 대한 자세한 측정값은 Table 2에 정리하였다.

Fig. 6

Results of Outflow and Storage Curve

Fig. 7

Curve of Outflow

Table 2

Results of Planter Box Experiments for Verification

	Case 1	Case 2	Case 3	Case 4
Rainfall Intensity (mm/hr)	25	50	75	100
Initial Runoff Time (min)	12.35	6.28	4.42	3.25
Total Inflow (L)	8.80	17.60	26.20	35.00
Total Storage (L)	5.43	5.53	5.79	5.69
Total Outflow (L)	3.20	11.92	20.32	29.16
Observed Flow (L)	8.63	17.45	26.11	34.85
Rate of Loss (%)	1.89	0.86	0.36	0.44
Peak Flow of Outflow (L/min)	0.40	0.80	1.16	1.52
Max Rate of Outflow (%)	86.86	88.55	90.91	90.91
Min Rate of Storage (%)	13.14	11.45	9.09	9.09

5. 결론

본 연구에서는 저영향개발(LID)기법 중 하나인 Planter Box의 모형실험장치를 설계하였고, 강우강도에 따른 장치의 수문학적 물순환 검정을 실시하였다.

(1) Planter Box의 효율성 검증을 위해 Planter Box 모형실험 장치를 설계하였다. Planter Box 모형실험 장치의 규격은 가로 1.5 m, 세로 1.5 m, 높이 1.5 m로 구성되어 있으며 주요 구성요소로는 기초 프레임(frame), 옥상부분(1.5×0.7 ×0.06 m), 2개 구역의 Planter Box부분(1.5×0.2×0.2 m), Bucket 유량계, 수조로 이루어져 있다. 별도의 유량 공급은 물탱크에서 펌프를 통해 이루어지며, 이때 디지털 유량계를 이용하여 유입유량을 수치적으로 확인할 수 있다. 또한 유입유량은 밸브를 이용하여 조절이 가능하고, 이를 통해 다양한 범위의 유량을 공급할 수 있다.
(2) 물순환 장치의 검정 실험 결과 손실률은 0.36 ~ 1.89%로 나타났으며, 전반적으로 유입유량이 클수록 손실률이 작게 나타났다. 그 중 강우강도 25 mm/hr인 경우 손실률이 1.89%로 가장 컸으며, 강우강도 75 mm/hr인 경우 손실률이 0.36%로 가장 작았다. 4가지 강우강도에 따른 물순환 검정결과 손실률은 2% 미만으로 측정되었다.
(3) 강우강도에 따른 초기유출 발생 시까지 소요되는 도달시간은 강우강도 100 mm/hr인 경우 3.25분, 강우강도 25 mm/hr인 경우 12.35분으로 강우강도가 클수록 단시간에 초기유출이 발생하며, 초기유출 발생 시 Planter Box의 저류량은 5.43 ~ 5.79L로 측정되었다. 저류량 측정시 디지털 유량계의 기기계측오차가 ±0.01 L/min 정도 발생한 것으로 보이나, 이는 기기계측오차의 허용범위기준인 ±1% 이내에 해당하므로 측정값은 적합하다고 판단된다.
(4) 수문학적 물수지 분석 결과, 저류량의 경우 초기에는 유입량의 100%가 모두 저류되었고, 초기유출 발생시점으로부터 5 ~ 10분이 경과한 후에는 유입량의 9.09 ~ 13.14%까지 저류되었으며, 유입량이 클수록 저류되는 비율이 높았다. 이에 반해 유출량의 경우 초기유출 발생시점으로부터 5 ~ 10분 경과한 후 분당 유입유량의 86.86 ~ 90.91%로 나타났으며, 유입유량이 클수록 유출되는 비율이 낮았다. 이는 유입량의 크기가 유공관을 통한 유출 한계치를 초과하면서 분당 유출량은 일정, 분당 저류량은 증가하기 때문에 결과적으로 유입유량에 대한 저류량의 비율 증가, 유출량의 비율은 감소하는 것으로 판단된다. 20분 이후에는 유량의 유입이 차단되므로 저류량의 감소율과 유출량의 증가율이 동일하게 측정되었다.
(5) 본 연구에서는 Planter Box의 효율성 검증을 위하여 Planter Box 모형실험 장치를 개발하였고, 이 장치에 대한 물순환 체계 검정을 실시하였다. 추후 본 검정결과를 이용하여 Planter Box의 효율성 검증 및 다양한 실험을 한다면 보다 신뢰성 높은 결과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
(6) 마지막으로 Planter Box 모형실험 장치를 이용하여 지피식물, 관목, 나무 등 식생피복 및 토양층의 깊이, 빈도별 강우량, 지속기간별 확률강우량, 유공관의 직경 등 투수성 포장의 재료들을 실제 시설에 적용하기 이전의 물순환 효율성 검증에 활용하고자 한다. 또한 본 장치를 이용한 여러 모형실험을 통해 Planter Box의 국내 적용 가능한 지붕 유출수 관리방안 및 설계요소 기준을 정립하고자 한다.