도시형 빗물관리 시스템의 용수공급 적정성 분석
Analysis of Water Supply Feasibility of Urban Rainwater Harvesting Systems
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Abstract
기후변화 대응의 일환으로 물순환 분야에서 탄소중립 달성을 위한 방안이 주목받고 있으며, 특히 도시 내 빗물 재이용 시스템의 활용 가능성이 재평가되고 관련 연구가 활발해지고 있다. 본 연구는 실증 Test-Bed 지역을 대상으로, 빗물저류조 용량과 일일 사용량에 따른 연간 빗물 사용에 따른 용수공급 가능성을 시뮬레이션 하였다. 분석 결과, 저류조 용량이 클수록 연중 빗물 사용일 수가 증가하고 사용률도 향상됨을 확인하고 적정 용수공급량(농업)을 산정하였다. 다양한 규모의 저류조는 1년 상시 활용시 60% 이하의 사용률을 보여주는 데 반해, 농업용수 집중 공급 시기에는 적정규모 설계시 거의 상시 활용한 것으로 분석되었다. 또한 저류조 용량이 클수록 시기적 사용 효율이 높아지며, 하루 사용량이 적을수록 효율이 더 우수한 것으로 나타났다. 월별, 계절별 편차를 고려할 때 연간 강수량이 크다 하더라도 연간 강수량은 적지만 시기별 편차가 크지않고 갈수기가 적을 때 지속적 공급 적정성 측면에서 효율성와 지속가능성이 상대적으로 더 높은 것으로 분석되었다. 본 연구는 도심 물순환 건전성 확보와 더불어 빗물 사용에 따른 용수공급 가능성을 분석함으로써 수자원 계획 수립 시 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
Trans Abstract
This study conducted a simulation on a test-bed area to evaluate the feasibility of water supply based on annual rainwater usage, depending on the capacity of rainwater storage tanks and daily consumption levels. The analysis showed that larger storage tank capacities led to an increase in the number of days rainwater could be used annually and improved utilization rates, which allowed for the estimation of an appropriate water supply quantity (for agricultural use). Although the rainwater utilization rates remained below 60% for year-round use across various storage tank sizes, the systems were nearly fully utilized during periods of concentrated agricultural water demand when designed at an appropriate scale. Additionally, the larger the storage tank, the higher the seasonal usage efficiency. Also, lower daily usage led to better overall efficiency. Considering monthly and seasonal variability, the study found that an efficient and sustainable continuous supply was relatively better in areas with lower total annual rainfall but minimal seasonal fluctuations and fewer drought periods than in areas with higher but uneven rainfall. This study is expected to provide foundational data for water resource planning by assessing both the soundness of urban water circulation and the feasibility of water supply through rainwater use.
1. 서 론
기후변화 문제가 큰 이슈로 인식되면서 기후변화 영향을 평가하고 대책을 마련하기 위한 방안이 전 지구적으로 수행되고 있다. 기후변화에 관한 정부 간 협의체(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)가 창설 이후 대기 중 온실가스 농도 저감을 위해 국제기구들이 연합하고 있다(ME, 2016). 우리나라의 경우 탄소중립 목표 달성을 위해 ｢기후위기 대응을 위한 탄소중립⋅녹색성장 기본법(약칭:탄소중립기본법)｣ 2021년도에 제정하여 2050년 목표 탄소중립 시나리오 전략을 수립한 바 있다. 에너지, 산업, 수송, 건물, 농⋅축산, 폐기물 등 6개 분야를 중심이며, 물 부문에 관한 시장은 아직 매우 크지 않은 실정이지만 그 영향에 대한 연구는 증가하고 있다. 2018년 국가 온실가스 배출량 대비 물 부문 직간접 온실가스 총배출량이 2.52%~2.66%의 비중을 차지한다(KEI, 2021). 수자원은 물순환 과정에서 발생하는 에너지를 소비하는 물-에너지-탄소 배출 관계를 기반으로 탄소 배출 인벤토리 및 탄소저감 목표를 구체적이고 정량적으로 규정 할 필요가 있다. 이러한 관점에서 물관리 방안 모색과 함께 탄소중립 도시를 달성하기 위해 물순환 분야에서는 수자원 확보 차원의 빗물 재이용에 관한 관심과 이슈를 반영하여 도시 내 용수공급과 활용의 적절한 규모, 적용성 및 달성 목표를 설정하여 도시 물순환 건전성을 확보해야 한다.
도시화가 진행될수록 물 수요는 증가하는 반면, 지표면 불투수화로 인한 빗물의 유실과 도시홍수 위험은 더욱 커지고 있다. 이러한 도시 물순환 문제에 대응하기 위한 전략으로 빗물의 저장 및 재이용 시스템이 주목받고 있다. 특히, 일정 규모 이상의 옥상이나 보도면을 활용하여 강우 시 유출되는 빗물을 저장하고, 이를 일정 용도로 상시 활용할 수 있다면, 물 자원의 효율적인 재활용뿐 아니라 도시 인프라의 지속가능성까지 확보할 수 있다.
Mwenge Kahinda et al. (2007)은 글로벌 농업용 빗물 활용 연구 동향을 분석하고, 다양한 지역에서의 적용 사례와 효과를 종합적으로 검토하였다. Campisano et al. (2017)은 빗물 활용 시스템의 모델링 및 구현에 대하여기술적 활용성을 분석하였다. Abdulla and Al-Shareef (2009)는 요르단의 주거지에서의 빗물 수집 가능성을 평가한 연구로, 도시 확장성을 고려하여 2016년부터 2025년까지의 빗물 수요량과 활용성에 대한 전망을 제시하였다. Zhang et al. (2014)은 도시 수경재배 작물 생산을 위한 지속 가능한 해결책으로서의 빗물 활용성을 분석하였다. de Gois et al. (2019)은 빗물 활용 시스템의 최적화 기법과 최신 동향을 인도 지역을 중심으로 사례연구로 분석하였다. Muszyński (2025)는 폴란드 크라쿠프 도시 유역에서 SWMM 기반의 모델링을 통해, 빗물 완화를 위한 분산형 그린인프라(빗물정원, Bio-retention cell)의 효율성을 분석하였다. 평균 피크 유출량은 94%, 유출총량은 86%를 저감하는 효과를 도출하였다.
Lee et al. (2023)은 지역별 기후특성을 고려한 빗물이용시설의 적정 저류용량 산정하여 제시하였다. 이 연구에서는 지역별 기후 특성과 빗물 사용 조건을 반영하여 물수지 분석을 수행하였고, 경제성 분석을 통해 지역별⋅집수면적별 비용편익 회귀곡선을 도출하였다. Han and Kim (2021)은 집수면적에 따른 빗물이용시설의 최적 저류 용량을 결정하기 위해 다양한 집수면적 조건에서의 빗물 수집량과 사용량을 분석하여 최적의 저류 용량을 제시하였다. Lee and Jung (2020)은 최적화 기법을 이용한 빗물이용시설의 저류 용량 결정 연구에서 Python을 활용한 입자 군집 최적화 알고리즘(pyswarm)을 적용하여 빗물이용시설의 저류 용량을 효율적으로 산정하는 방법을 제시하고, 청라지구의 사례를 통해 해당 방법의 효율성과 정확성을 검증하였다. Kim and Kim (2022)은 빗물이용시설의 저류 용량을 경제적으로 결정하기 위한 방안을 제시하였습니다. 청라지구의 사례를 통해 경제성 분석을 수행하여, 순현재가치(NPV)와 비용편익비율(B/C)을 활용하여 최적의 저류 용량을 도출하였다. Kim and Hong (2004)은 서울시 초⋅중⋅고등학교의 지붕면적을 활용한 빗물저류시설 설치를 통해 물이용 및 홍수재해를 저감하는 방안을 제시하였다. 각 학교에 20 m3 규모의 빗물저류시설을 설치할 경우, 총 23,840 m3의 빗물을 저류하여 사용할 수 있으며, 이는 연간 1,634천 m3의 수돗물 절약과 10.6억원의 상수요금 절감 효과를 가져올 수 있는 것으로 분석하였다. Yu et al. (2023)은 스마트팜 환경에서 빗물을 활용해 지하수 사용을 얼마나 대체할 수 있는지 실험적으로 분석한 결과 멜론 재배 시 전체 용수 수요의 약 40%를 빗물로 충당 가능했으며, 빗물을 사용한 멜론은 단수 지하수 사용 시보다 품질성능은 증가하였다. Khan et al. (2024)은 국내에 이미 설치된 여러 유형의 수중저장 시설(stormwater harvesting storage facilities)을 대상으로 빗물 수집 잠재력을 분석하였다. 특히 겨울과 홍수기 등 특정 조건을 제외한 상황별로 분석했으며, 일부 시설은 기존 빗물 이용 시설 대비 최대 53.5배 더 많은 연간 활용이 가능한 것으로 분석하였다.
도시 내 물 부족 문제와 기후 변화에 대응하기 위한 대안 중 하나로, 빗물의 활용이 점점 더 주목받고 있다. 특히 강우-유출 전 직접적인 빗물 집수는 지속가능한 수자원 확보 방안으로서 효과적인 방법으로 평가되고 있다. 이에 본 연구는 실증 Test-Bed 지역을 대상으로 중 365일 하루 30~50 m3의 빗물을 사용하는 시스템의 가능성을 평가하였다. 특히 빗물저류 규모별(300, 900, 1,500 m3)로 시뮬레이션을 수행하여, 각 용량이 실제 빗물 수요를 충족할 수 있는지를 정량적으로 분석하였다. 연구의 주요 목적은 빗물저류조의 용량에 따라 연중 취수 가능한 날의 수와 실제 빗물 사용율이 어떻게 달라지는지를 비교하여, 수자원 확보차원에서의 용수 생산 및 공급 활용의 적정성을 검토하고자 하였다.
2. 연구 방법
2.1 연구개요
연구 대상지는 Fig. 1과 같이 경기도 화성시에 위치한 물순환-물이용 Test-Bed를 대상으로 하였다. 총 16,314.02 m2의 면적으로 구성되어 있으며, 용도별 면적은 생태면 7,235.14 m2, 도로 4,002.00 m2, 주차장 2,352.88 m2, 옥상 2,725.00 m2이다. 전체 면적에는 투수성 포장을 적용하여 강우 시 지표유출을 최소화하고 침투를 유도하여 빗물을 저류하는 시스템으로 구성되어 있다. 빗물의 저류 이동 경로는 강우 → 공원⋅주차장⋅옥상 → 지표면유출(침투도랑-집수정) → 침투(투수포장) → 유공관 → 빗물저류조로 연결되며, 이를 통해 자연 물순환 기능을 최대한 회복하고자 하였다.
Location of the Study Area and Bird’s-Eye View of the Water Cycle Testbed
모의를 위한 강우자료는 2014~2023년(최근 10년간) 일단위 강우자료(수원시)를 활용하였다. 모의 저류조 용량은 300 m3, 900 m3, 1,500 m3으로 구분하고, 일일 사용량 기준은 30 m3/day 및 50 m3/day를 적용하였다.
2.2 빗물 사용량에 따른 효율성
빗물 사용의 효율성이 80% 이상 도달하기 위한 빗물저류조의 규모를 설정하기 위해 집수면적과 빗물저류조의 규모의 관계를 분석하였으며(Fig. 2), 집수면적이 확보되어도 빗물을 저장할 수 있는 용량이 부족하게 되면 빗물 사용에 대한 효율적 운영은 제한되게 된다. 이에 빗물 사용량에 대해 적절한 효율성에 도달하기 위해 Test-Bed 내 집수면적을 통한 빗물저류조의 적정 규모를 파악하고자 하였다. 2014~2023년(10년) 동안 상시 빗물을 사용하는 경우와 농업용수를 위한 빗물 사용을 고려하여 매년 4월~10월까지 빗물을 사용하는 경우로 구분하여 빗물 사용 효율성을 분석하기 위해 저류방정식 Eqs. (1), (2)을 적용하였다.
Simulation Results of Annual Continuous Rainwater Utilization
여기서, I는 강우 발생에 따른 유입량, O는 빗물 사용에 따른 유출량, S는 빗물저류지 규모에 따른 저류량을 나타낸다. Test-Bed 내 2014~2023년(10년)간의 강우에 따른 우수유출량을 산정하기 위해 합리식을 이용하였으며, 각 면적의 유출계수는 하수도시설기준(KWWA, 2011)을 참고하여 생태면적은 0.60, 주차장면적과 도로면적은 0.95를 적용하였다. 유공관을 통한 우수유출을 산정하기 위해 도로면적 내 적용되는 투수성포장 및 쇄석골재의 단위 부피당 공극률을 고려하여 일 단위 강우량 16 mm 이하는 전량 침투되어 유출량이 발생하지 않는 것으로 가정하였으며, 일 단위 강우량이 16 mm를 초과하는 경우 우수유출이 발생하는 것으로 가정하였다.
3. 연구 결과
3.1 빗물의 연간 지속 사용 효율 및 적정성
2014년은 빗물을 집수하기 시작한 해로, 실제 집수가 가능한 최초의 날부터 연말까지를 분석 기간으로 설정하였고, 이후 2023년 말까지의 데이터를 분석하였다.
Table 1과 같이 300 m3 규모의 저장조를 적용했을 때, 2014년에는 총 338일 중 129일 동안 빗물 사용이 가능하였으며, 전체 10년간은 총 3,625일 중 1,488일에서 취수가 가능하였다. 이는 전체 기간 대비 41.0%의 사용율을 의미한다. 같은 방식으로 900 m3 용량의 저장조를 적용한 경우에는 2014년에 160일, 10년 전체 기간 중 1,860일에서 취수가 가능했으며, 사용율은 51.3%로 나타났다. 마지막으로 1,500 m3 용량을 적용했을 때는 2014년 기준 180일, 10년간 총 2,055일에서 빗물을 사용할 수 있었고, 이 경우 사용율은 56.7%로 상승하였다. Fig. 2는 위의 최근 10년 동안 1년단위 빗물 활용 시뮬레이션 결과를 나타낸 것으로, 그래상 붉은실선은 빗물 저류 및 이용가능 일수를 나타내며, (a)~(f)는 각각 빗물저류용량 300 m3, 900 m3, 1,500 m3일 때 일단위 사용량을 30 m3/day과 50 m3/day으로 구분하여 분석한 것이다. 농업경작 기간에 상관없이 연간 상시 활용, 즉 365일 연속적으로 저류한 빗물의 활용가능 여부를 분석하였다.
Annual Rainwater Utilization Days and Efficiency by Storage Capacity and Daily Demand
분석 결과, 저장조의 용량이 증가할수록 연중 취수 가능한 날의 수가 꾸준히 증가하는 경향을 보였다. 이는 곧, 저장조의 용량이 커질수록 강우 이벤트와 무관하게 더 오랜 기간 동안 빗물을 안정적으로 사용할 수 있음을 의미한다. 특히 1,500 m3 저장조를 기준으로 할 경우, 전체 기간의 절반 이상에서 빗물 사용이 가능하다는 점은, 연중 상시 빗물 활용 시스템을 구축하는 데 있어 매우 중요한 시사점을 제공한다.
결론적으로, 본 연구는 도심 내에서 옥상면적을 활용한 빗물 집수 시스템이 충분히 실현 가능하며, 특히 저장조 용량이 클수록 안정성과 사용 가능성이 현저히 향상된다는 점을 확인하였다. 향후에는 빗물의 실제 수질 특성이나 집수 효율, 그리고 강우의 지역별 변동성을 포함한 보다 정교한 분석이 추가로 필요할 것이다. 이러한 연구 결과는 도시 수자원 계획 수립 시 중요한 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.
3.2 용수공급 시기를 반영한 빗물 사용 효율 및 적정성 분석
우리나라의 빗물 특성상 비수기와 홍수기간 빗물량이 시기별로 큰 차이가 있다. 본 분석은 연중 4월부터 10월까지, 즉 빗물 수요가 집중되는 214일 동안 하루 30 m3 또는 50 m3의 빗물을 사용하는 시나리오를 기준으로, 저장조 용량에 따라 실제 이용 가능성을 평가한 결과이다. 이 시기는 빗물의 농업용수 공급에 맞추어 11월부터 3월까지의 강우를 저장해 두고, 이 월동 기간 동안 저장된 빗물을 4월 이후에 사용하는 방식으로, 연중 공급 사용 체계를 시뮬레이션하였다. 즉 Fig. 3은 Fig. 2와는 달리 농업경작 기간을 고려하여 빗물의 활용가능 여부를 분석한 것이다. 국내 강우 특성과 농번기 등을 고려할때 주로 빗물이 농업용으로 활용되는 시기는 주로 4월~10월이라고 할 수 있으며, 이 기간 동안 빗물을 연속적으로 공급할 수 있는 저류용량 결정과 이에 따른 사용가능량을 분석하였다.
Annual Rainwater Utilization (April-October) Simulation Results Considering the Agricultural Period
Table 2와 같이 하루 사용량을 30 m3로 설정했을 경우, 10년간 총 2,140일 중 빗물 사용이 가능한 날은 저장조 용량이 300 m3일 때 1,223일로 전체의 57.1%였다. 저장조를 900 m3로 늘릴 경우 사용 가능일수는 1,695일로 증가하며 사용율은 79.2%에 달했고, 1,500 m3 저장조를 적용했을 경우 1,911일로 무려 89.3%에 해당하는 기간 동안 안정적인 빗물 사용이 가능한 것으로 나타났다. 이는 거의 농업용수 기간의 상시 사용이 가능하다는 것을 의미한다. 반면, 하루 사용량을 50 m3로 확대했을 경우, 저장조가 작을수록 효율성이 낮아지는 양상이 관찰되었다. 300 m3 저장조에서는 사용 가능일수가 831일(38.8%)로 감소했고, 900 m3일 때는 1,198일(56.0%), 1,500 m3일 때는 1,368일(63.9%)로 나타났다.
Rainwater Utilization Efficiency by Storage Capacity and Daily Demand (April-October)
Fig. 4는 연도별로 저장조 용량(300 m3, 900 m3, 1,500 m3) 과 하루 사용량(30 m3/day, 50 m3/day)에 따른 빗물 사용일수의 변화를 나타낸 것이다. 각 조건별로 10년간 사용일수 추세를 비교함으로써, 저류규모가 클수록, 하루 사용량이 적을수록 사용 가능일수가 많아지는 경향을 직관적으로 확인할 수 있다. 즉 저류조 용량이 클수록 시기적 사용 효율이 높아지며, 하루 사용량이 적을수록 효율이 더 우수함을 확인할 수 있다. 또한 월별, 계절별 편차를 고려할 때 연간 강수량이 크다 하더라도 지속적 공급 적정성은 연간 강수량은 적지만 시기별 편차가 크지않고 갈수기가 적을 때 효율성와 지속가능성이 높은 것으로 분석되었다.
Long-Term Rainwater Utilization Simulation Results (2014-2023) by Storage Capacity and Usage Volume
4. 결 론
도시 환경 속에서 물 자원의 안정적인 확보와 활용은 기후 변화 시대의 중요한 과제로 떠오르고 있다. 그중에서도 강우에 의존하는 빗물 자원의 활용은 단순한 물 절약을 넘어 도시 물순환의 회복과 자립형 수자원 체계 구축이라는 측면에서 더욱 주목받고 있다. 특히 옥상, 주차장, 생태면과 같은 도시 내 유휴공간을 활용한 빗물 저장 및 이용 시스템은, 설계와 운영에 따라 연중 상당한 기간 동안 상시 사용이 가능한 수준에 도달할 수 있다.
본 연구는 실증 Test-Bed 지역을 대상으로, 빗물저류조 용량(300, 900, 1,500 m3)과 일일 사용량(30, 50 m3)에 따른 연간 빗물 사용에 따른 용수공급 가능성을 시뮬레이션 하였다. 분석 결과, 저류조 용량이 클수록 연중 빗물 사용일 수가 증가하고 사용률도 향상됨을 확인하고 적정 용수공급량(농업)을 산정하였다. 적정규모(저류용량 1,500 m3, 일사용량 50 m3)로 설계하여 1년 상시 활용시 약 57%의 사용률을 보여주는 데 반해, 농업용수 공급 시기(4월~10월) 기준으로는 거의 100%의 사용률로써 상시 활용 가능성을 확인하였다. 또한 수류조 용량이 클수록 시기적 사용 효율이 높아지며, 하루 사용량이 적을수록 효율이 더 우수함을 확인할 수 있다. 또한 월별, 계절별 편차를 고려할 때 연간 강수량이 크다 하더라도 지속적 공급 적정성은 연간 강수량은 적지만 시기별 편차가 크지않고 갈수기가 적을 때 효율성와 지속가능성이 높은 것으로 분석되었다. 도시 내 연중 상시 빗물 이용 체계는 이론적인 개념을 넘어 수요을 정확히 고찰하여 적정규모를 산정한다면 실질적 구현이 가능한 수준에 도달할 것으로 판단된다. 적절한 저장조 용량을 확보하고, 기후 조건에 맞는 운영 전략을 수립한다면, 단순한 대체 수자원을 넘어 자립적 도시 물순환 시스템으로의 전환이 가능할 것으로 보인다. 이러한 기술적 접근은 향후 도시 회복력 증진과 기후위기 대응 전략의 중요한 솔루션이 될 수 있을것으로 기대한다.
감사의 글
본 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 연구비 지원(NRF-RS-2023-00259995)에 의해 수행되었습니다.