Article information

Abstract

Trans Abstract

1. 서론

저영향개발(low impact development, LID)은 불투수지역의 물 순환 기능회복을 위하여 개발된 기법으로서 LID 시설의 복합적인 도입을 통해 대상지역 전반에 걸친 우수 및 비점오염원 유출 저감을 가능하게 한다(Dietz, 2007; Montalto et al., 2007; Yu et al., 2010; Ahiablame et al., 2012, 2013, EPA, 2015; Kim et al., 2017a, 2007b). 국내에서는 정부 및 지방자치단체의 주도로 LID 기법의 점진적인 도입이 유도되고 있으며, 신도시나 불투수율이 높은 산업단지의 신규 개발시 LID 시설의 도입이 추진되고 있다(Ministry of Environment, 2014). 경기도 평택 고덕신도시는 총 8만 2,000 m²의 면적에 걸쳐 침투수로, 저류연못 그리고 투수성 포장 등의 LID 시설도입을 계획하였으며, 최근에는 오창과학 산업단지를 대상으로 ‘빗물유출제로화 단지조성 시법사업 유지관리 및 효과평가’ 사업이 진행되었다(KEC, 2014; Lee et al., 2015; Kim et al., 2017a). 전주시는 자연적인 물길을 최대한 보존하기 위하여 모든 도시개발사업에 저영향개발 기법을 도입하고 있다(Kim, 2013). 이러한 LID 시설의 대단위 도입은 시설단위를 넘어 유역전반에 걸친 복합적인 우수유출 저감을 가능케 하고 있다. 따라서 LID 시설 적용에 따른 유역전반에 걸친 장기적인 효과를 전망할 수 있는 유역단위 평가가 필요한 실정이다.

개별 LID 시설 적용에 의한 저감효과평가 연구는 국내⋅외에서 다수 찾아볼 수 있으나, 유역단위 평가사례는 부족한 실정이다. 국외의 경우, New York의 Brooklyn 일부지역 (면적 700 ha, 불투수면적비율 55%)을 대상으로 LID 시설도입에 대한 비용 효율성 검토를 수행한 사례(Montalto et al., 2007)가 있으며, 그 밖에는 LID 시설단위 혹은 소규모 배수면적에 대한 저감효과 평가를 수행한 사례들(Zimmerman et al., 2010; Sharmsi, 2011; Pyke et al., 2011; James, 2012; Damodaram and Zechman, 2012)이 있다. 국내의 경우, Kim et al. (2017a)은 식생체류지, 식물재배화분, 나무여과상자, 투수블럭, 침투도랑, 침투통, 침투형 빗물받이 등 총 7개 LID 시설에 대하여 각 시설별 단기 우수유출저감 성능을 비교하였다. Kim et al. (2017b)는 LID 시설의 장기 우수유출저감 성능을 분석하고 각 시설간의 성능을 비교 평가하였다. 이들 연구를 통해서 장⋅단기적인 측면에서 다양한 LID 시설들의 유출저감성능이 비교⋅평가된 점은 의미가 있으나, LID 시설별 배수면적에 국한된 연구결과이기 때문에 이 들 연구를 통해 유역단위 저감효과를 가늠하기란 어렵다. 이처럼 기존 LID시설 유출저감성능 관련 연구사례들은 시설별 평가가 주를 이루고 있으며, 유역(또는 배수분구)단위 평가는 부족한 실정이다.

본 연구에서는 LID 설치에 따른 유역단위 장단기 우수유출 저감효과를 분석하였다. 단기효과 분석은 단기호우사상의 우수유출 모의를 통해 수행하였으며, 장기효과 분석은 2005~2015년의 관측강우기록을 사용하여 수행하였다. EPA SWMM-LID 모형으로 모델링을 구축하였으며, 설치 이전의 모니터링 자료를 이용하여 배수분구별 검⋅보정을 수행하였다. 저감효과 분석은 설치 유무에 따른 저감율 산정을 통한 정량적인 비교방식으로 수행하였다.

2. 대상유역 및 적용자료

본 연구는 충청북도 청주시 청원군 오창읍 양정리에 위치한 오창 과학산업단지를 대상으로 수행하였다. 대상 지역은 A와 B 배수분구로 분류되어 있으며, 토지이용계획 및 유역 여건 등을 반영하여 LID 시설들이 설치되었다. 대상지역은 도로와 인도 폭이 넓고 광장 등이 곳곳에 다수 산재해 있어 LID 시설의 적용 및 설치가 용이하다.

총 유역면적은 41.1ha (411,183 m²)이며, LID 시설의 설치면적은 32,830 m²이다(KEC, 2014). 우수유출 저감을 위하여 식생체류지(vegetation place, 이하 VP), 식물재배화분(plants garden pot, 이하 PG), 나무여과상자(tree filter box, 이하 TF), 투수블럭(permeable pavement, 이하 PP), 침투도랑(infiltration ditch, 이하 ID), 침투통(rain barrel, 이하 RB), 침투형 빗물받이(infiltration rain-block, 이하 IR) 등 7종류의 시설이 적용되었다. 전체 유역은 A1∼A6과 B1∼B4 등 10개 소배수분구로 분할되어 있으며, 배수분구별 위치는 Fig. 1과 같다. 배수분구별 유역면적 및 설치된 LID 시설들의 면적과 수량을 Table 1에 나타내었다.

Fig. 1

Entire Application Domain with the Sub-basins

Table 1

The Installed LID Facility in the Applied Sub-basin

본 연구에서는 강우-유출 분석을 위하여 기상청 지역별상세관측자료 오창가곡(지점번호 683)의 지점의 AWS를 이용하였다. 모형 검보정 및 단기효과 검토를 위해 2016년에 발생한 5개의 호우사상(E01∼E04)을 적용하였으며, LID 설치 이전의 모니터링 자료로써 유역단위 모형의 검보정을 위해 2014년에 발생한 E00 사상을 사용하였다. 각 강우사상의 특성을 Table 2에 나타내었다. 장기모의를 위하여 총 11개년(2005~2011년)의 관측강수기록을 이용하였으며, 장기모의에 필요한 기후학적 인자들은 기상청의 30년 평균값을 이용하였다(Kim et al., 2017b).

Table 2

Characteristics of the Storm Events Applied to the Reduction Effect Evaluation

3. 유역단위 EPA SWMM-LID 모형구축

3.1 모형구축

EPA SWMM-LID 모델링은 실제 설계된 우수관망과 LID 설계도를 기반으로 구축하였다. 총 100여개의 관거와 140여개의 맨홀로 구성하였으며, 관거 평균 연장은 약 60.6 m, 평균 경사는 약 1.2%이다. SWMM 모형에 입력한 관망도를 Fig. 2에 나타내었다. 배수구역의 경사도는 모니터링 지점 내 측정된 고도자료를 이용하였다. ArcGIS 프로그램 내 공간분석 툴을 이용하여 거리별 내삽을 수행하고 배수구역별 평균 경사도를 산정하였다. 측정 외 지점은 국토지리정보원에서 제공하는 디지털 고도모형(Digital Elevation Model, DEM)을 이용하였으며, 내삽과정에 발생하는 오차를 최소화하고자 배수구역 경계를 설정하였다. 본 과정을 거쳐 산정된 유역의 평균 경사도는 약 2.53% (1.31~3.40%)으로 산정되었다.

Fig. 2

Overview of EPA SWMM-LID Model in the Application Watershed

3.2 모형 검보정

본 연구에서는 LID 시설의 설치 전 모니터링 자료를 이용하여 배수분구별로 EPA SWMM-LID 모형을 검·보정하였다. 배수분구 B1, B2, B3, B4, 그리고 A 배수분구 전체에 대한 모니터링 자료를 이용하여 검⋅보정을 함께 수행하였으며, 첨두유출량 뿐만 아니라 유역의 전반적인 유출 특성을 반영할 수 있도록 매개변수를 보정하였다. 모니터링 자료와 검·보정 결과를 비교하여 Fig. 3에 나타내었으며, 전반적으로 모의결과가 실제 유역의 유출특성을 적절하게 반영할 수 있는 것으로 나타났다.

Fig. 3

Comparison Results of the Observed and the Simulated Runoff Flows

4. 배수분구단위 우수유출저감효과

4.1 단기 우수유출저감 효과 분석

단기 호우사상 자료를 이용하여 유역단위 우수유출 저감효과를 검토하였다. 총 4개의 호우사상을 적용하였으며, 대표적으로 호우사상 E04에 대한 결과를 Fig. 4에 도식화하였다. 관측과 모의 유량곡선이 대체적으로 매우 유사한 경향 갖는 것으로 나타났다. 이에 본 연구에서는 해당 모델링 결과를 유역단위 우수유출저감 효과분석에 가용이 가능한 것으로 판단하였다.

Fig. 4

Comparison Results of the Observed and the Simulated Flows on October 7th, 2016

Table 3은 유역별 단기모의의 저감효과 결과를 정리한 것이다. 저감효과 평가는 LID 설치 유무에 따른 저감율을 이용하였다. 저감율(%)은 아래 공식을 이용하였다.

Table 3

Reduction Effect Results Depending on the Sub-divisions for Each Storm Event

Reduction(%)=(NoLID−LID)NoLID×100(%)

여기서, No LID는 LID시설이 설치되지 않았을 경우의 우수유출량 값을, LID는 LID시설을 설치하여 저감된 우수유출량을 의미한다.

호우사상별 그리고 배수구역별 저감효율은 4.2∼41.7% 범위로 산정되었다. 배수구역별로는 A05(식물재배화분과 투수블럭 LID 시설설치)가 평균 30.7% 저감효율로 가장 높았으며, A02(식물재배화분과 투구블럭 LID 시설설치)는 9.0%로 가장 낮았다. 비록 두 배수구역에 설치된 LID 시설의 종류는 동일하나, 시설의 규모나 배수면적의 차이 등으로 인하여 저감효율의 차이가 발생하였다.

호우사상별 전체 유역에 대한 저감효율은 14.8∼22.1%이다. 평균 강우강도가 가장 작은 E03에서 저감효율이 가장 높았으며, 평균 강우강도가 가장 큰 E02에서 저감효율이 가장 낮은 것으로 나타났다. 이 같은 결과는 전체유역 및 배수분구별 결과에서도 유사한 경향을 보여, LID 시설의 저감효율이 강우강도에 민감함을 보여준 결과로 사료된다.

4.2 장기 우수유출저감 효과 분석

2005년부터 2015년까지 총 11년간 유역단위 장기효과 분석을 수행하였다. 각 배수분구별 결과를 Fig. 5와 Table 4에 연도별로 정리하였다. Fig. 5는 2005년의 LID 설치 유무 에 따른 배수분구 B1~B4의 유출모의 비교결과를 도식화한 것이다. 배수분구에 따라 우수유출 저감율은 18.8~27.7% 범위로 나타났다. 가장 우수한 저감율을 보인 B2 배수분구는 총 유역면적 30,624 m² 중 40.6%가 LID 시설을 통해 우수유출이 저감되며, 이러한 비율은 전체 배수구역 중 가장 크다. 우수유출 저감율이 가장 낮은 A2 배수분구는 유역면적 중 12.9%가 LID 시설로 유입되며, 이는 전체 배수분구 중 가장 작았다.

Fig. 5

Comparison Result of Time Series Runoff Reduction of w/o LID and w/LID in 2005 Year

Table 4

Yearly Reduction Results from Each Drainage Area

배수분구 전반에 대한 결과를 Table 4를 통해 살펴보면, 배수분구들별 저감율은 12.9(A1, A2 배수분구)~46.2(B2 배수분구)%로 나타났으며, 2005~2015년에 대한 배수분군별 평균 저감율 범위는 16.5~31.9%로 산정되었다. A전체와 B전체 배수분구에 대한 저감율은 평균 20.9%와 24.6%로서 대략 4% 내외의 차이가 있는 것으로 나타났다. 연도별로 저감율 차이는 연강수량의 영향이 반영된 것으로 판단된다. Fig. 6은 연도별 산정된 배수분구들의 평균값을 연강수량과 함께 도식화한 한 것이다. 전반적으로 연강수량의 증감에 따라 평균 저감율이 반대로 증감하는 경향을 나타내는 것으로 확인되었다. 특히 2015년의 경우, 연강수량이 가장 작은 751.1 mm가 기록된 해로서 평균 저감율은 33.64%로 가장 높았으며, 이는 2015년을 제외한 연도별 평균 저감율인 22.2%에 대략 1.5배에 해당한다.

Fig. 6

Yearly Average Reduction from the Ten Drainages

배수분구별 전체 배수면적과 LID 시설의 배수면적에 따른 연평균 저감율을 비교하여 Table 5에 정리하였다. Table 5의 결과는 2005~2015년에 대한 평균값이다. 전체 배수면적 대비 LID 배수면적이 클수록 전체 배수면적에 대한 저감율이 높게 나타났다. 하지만, 설치된 LID 시설의 종류에 따른 개별 저감율이 상이한 만큼, LID 시설의 배수면적이 크더라도 저감율이 낮은 배수분구 결과도 있다. 대표적으로 배수분구 A4와 A6을 들 수 있다. 두 배수분구의 전체 배수면적 대비 LID 시설의 배수면적은 A4가 대략두배 정도 크나, 전체 배수면적에 대한 연평균 저감율은 24.2%와 24.3%로 거의 동일하였다.

Table 5

Stormwater Reduction (%) Depending on the Total Drainage Area and the LID Drainage Area in Average for 2005∼2015 Year

Fig. 7은 전체유역에 대한 연도별 유출량 저감율을 도식화한 것이다. 전체유역에 대한 유출량의 평균 저감율은 22.9%로 나타났다. 각 연도별 저감율은 연도별 총 강수량이 작을수록 높고, 클수록 낮은 것으로 나타났다.

Fig. 7

Yearly Reduction (%) in the Total Drainage Area

상시와 홍수시에 대한 유출량 저감율을 검토하기 위해 Fig. 8에 월별 유출량 저감율을 산정하여 검토하였다. 월별 유출량 저감율은 강수량이 집중적으로 발생하는 우기(6~9월)에 낮은 것으로 확인되었으며, 강수량이 상대적으로 작은 겨울철(1, 2, 11, 12월)에 높게 나타났다. 우기의 저감율은 평균 14.6%이며, 겨울철 저감율은 평균 31.7%로 나타나 저감율의 차이가 대략 2배 정도 차이가 나는 것으로 확인되었다. 결국 연도별 유출량 저감율에서 확인된 결과와 같이, 강수량의 규모에 따라 상시와 홍수시의 유출량 저감율이 발생하는 것으로 판단된다.

Fig. 8

Monthly Average Reduction (%) in the Total Drainage

5. 결론

본 연구에서는 LID 시설 설치에 따른 유역단위 장단기 우수유출 저감효과를 분석하였다. 단일호우사상의 우수유출 모의를 통해 단기효과 분석을 수행하였으며, 2005~2015년의 강우기록을 사용하여 장기효과 분석을 수행하였다. 저감효과 분석은 LID 시설의 설치 유무에 따른 유출율 변화를 통해 정량적인 비교방식으로 수행하였다. 이에 따른 결과를 정리하면 다음과 같다.

장기모의를 통해 산정된 배수구역별 평균 우수유출 저감율의 범위는 16.5~31.9%이었다. 배수분구별 우수유출 저감율은 연강수량의 규모에 따라 변동이 있었다. 또한 각 배수분구별 총 배수면적과 실제 LID 시설의 배수면적 비율, 설치된 LID 시설의 종류, 그리고 시설의 규모에 따라 배수분구간의 저감율 차이가 나타났다. 전체유역에 대한 평균 저감율은 22.9%로 나타났으며, 각 연도별 총 강수량이 작을수록 높고, 클수록 낮은 것으로 나타났다.

상시와 홍수시에 대한 유출량 저감율을 검토하기 위해 월별 유출량 저감율을 산정하여 검토하였다. 월별 유출량 저감율은 강수량이 집중적으로 발생하는 우기(6~9월)에 낮은 것으로 확인되었으며, 강수량이 상대적으로 작은 겨울철(1, 2, 11, 12월)에 높게 나타났다. 우기의 저감율은 평균 14.6%이며, 겨울철 저감율은 평균 31.7%로 나타나 저감율의 차이가 대략 2배정도인 것으로 확인되었다. 이는 강수의 발생특성에 따라 상시와 홍수시의 우수 유출저감효율에 차이가 발생한 결과로서, 다양한 강수특성에 따른 우수유출 저감율 평가가 향후 필요할 것으로 판단된다.

Article information Continued