1. 서 론
도시지역은 불투수 면적의 증가로 호우가 발생되면 유출량 증가로 이어지며 인구집중 등으로 비점오염원의 축적이 가중되어 강우의 지표유출과 함께 하천 등의 오염원 배출량이 증가되어 수질악화 등으로 수인성 질병이 유발되고 삶의 질이 저하 되는 등의 많은 문제가 발생 된다. 따라서 유출량의 집중을 저감하기 위하여 큰 규모의 저류지 또는 하천 방류 전에 빗물펌프장 및 유수지 등을 설치하여 홍수피해의 저감을 위해 노력하여 왔다. 또한 비점오염원의 하천 유입을 저감하기 위하여 하수처리장의 설치 및 하천 유입 전에 오염원 저감시설 등으로 하천수의 수질악화를 최소화하여 왔다. 이러한 방안은 주로 유역의 유출수가 하천 유입 전에 차단하려는 노력이나 비교적 최근부터 유출량 및 오염부하량의 제어 및 관리 기법으로 저영향개발(LID) 시설의 필요성이 제기되었다. LID는 발생원에서부터 빗물의 유출과 오염부하 저감을 위한 시설과 관리로 정의되며(Ahiablame et al., 2012) LID 시설에 의한 저감효과 모니터링(Jia et al., 2015)과 효과검증이 이루어졌다(Guan et al., 2015). LID 시설은 유역면적에 비하여 설치면적이 크지 않아서 유출량 저감효율이 일정규모 이상에서는 감소 되는 것으로 알려졌다(Liu et al., 2016). 따라서 비용 대비 적정 설치 규모의 산정이 중요하다 대용량보다는 작은 용량의 분산 설치가 효과적이며(Loperfido et al., 2014) 유출량 저감에는 침투기능, 오염부하저감에는 저류기능이 적절한 것으로 제안된 바 있다(Park et al., 2013; Baek et al., 2015). 유역내 설치가능 후보지와 적정 시설의 선정을 위해서는 복잡한 과정과 설치 및 유지관리에 필요한 비용이 고려되어야 하는 어려운 문제가 있다. 이러한 문제 해결을 위해 HS 알고리즘(Geem et al., 2001)과 같은 탐색적 최적화 알고리즘이 적합하다. MOHS (Multi Objective Harmony Search)는 HS에 비지배 정렬(non-dominatied sorting; Fonseca and Fleming, 1993)과 집중거리법(crowding distance; Yoo et al., 2015)이 연계된 2개 이상의 목적함수을 갖는 최적화 기법이다. 모든 경우는 HM (Harmony Memory)에 기억되며 목적함수에 적합한 해를 찾아가는 과정으로 이루어진다. 상반(trade off)되는 목적을 만족하는 해법을 찾기 위해서는 파레토(Arora, 2012) 프로티어 개념이 도입된다. LID 시설에 의한 유출량과 오염원배량은 SWMM (Storm Water Management Model)과 연계되며 LID-control 옵션에서 8개 시설에 대한 모의가 가능하다.
본 연구는 LID 시설에 의한 최대 유출량 저감과 최대 비점오염원 배출량의 저감과 최소비용이 목적함수가 되는 MOO (Multi Objective Optimization) 모형을 HS 알고리즘과 연계한 MOHS-SWMM으로 LID 시설의 규모, 위치 등을 파레토 프로티어 개념을 도입하여 선정하는 과정이 제시되었다.
2. 연구 방법
2.1 연구 절차
다목적 최적화 모의를 위한 모형의 구성은 Fig. 1에 나타난 바와 같다.
Fig. 1에서 보는 바와 같이 적용된 MOO 모형을 중심으로 유출 모형인 SWMM을 이용하여 유출량을 모의하고 LID- control 옵션에서 4가지 타입의 LID 시설에 의한 비점오염부하량의 축척 및 배출이 모의 된다. 설치비용은 단위면적당 또는 단위별 설치비를 고려하여 비용함수에 의하여 계산되도록 구축되었다. 이때 최적 모의는 HS 알고리즘에 의하여 최적 조건에 적합하도록 모의 된다. 이때 비지배해(non- dominate solution)와 지배해(dominate solution)이 구분되며 각각의 경우에 선택되는 LID 시설의 타입별, 면적, 깊이가 설치 위치와 함께 HM에 저장되며 각각의 비용에 해당 되는 파레트 프로티어가 최종 후보군이 된다. 이로부터 이상해(Ideal Point, IP)를 선정하고 최종적으로 절충해(Compromise Solution Point, CSP)가 선택된다.
2.2 연구유역
연구유역의 토지이용현황은 Figs. 2 및 3과 같으며 위치는 경기도 신도시의 일부지역으로 정비가 잘 되어 있으며 유역면적은 42 ha이고 소유역은 202개로 분류되었고 우수관망은 원형관(D450)에서 암거(1.8 m × 1.5 m)까지 72개로 구성된다.
유역의 토지 이용 비율은 Fig. 3과 같이 아파트가 39.2%로 가장 큰 비율이며 그 외 도로, 주차장, 상업지역, 공원, 일반주거지 및 학교 등으로 구성이 되어 있는 계획 도시이다.
2.3 LID 시설
본 연구에서 적용된 LID 시설은 유역의 토지이용현황, 도시기반시설과 적용 가능 설치 면적 등이 고려되어 4가지 타입이 선정되었다.
선정된 LID는 투수성 아스팔트포장, 투수성 블록포장, 침투 도랑 및 필터형 나무상자로 연구유역에의 설치조건은 Table 1과 같다.
Table 1
LID Type with Installation Condition
| LID Type | Installation Condition |
|---|---|
| Porous Asphalt Pavement | Narrow road, Parking lot |
| Porous Block Pavement | Parking lot, Square |
| Infiltration Trench | Park, Square |
| Filter-type Tree Box | Wide sidewalk |
또한 적용된 LID 시설의 개념도는 Fig. 4와 같다.
Figs. 4(a) 및 4(b)와 같은 투수성 포장은 주차장, 소로, 주거지 도로, 보행 및 자전거 도로와 블록 포장 광장 등에 설치되도록 하였다. 또한 Fig. 4(c)와 같은 침투도랑은 자갈채움 저류, 침투, 배수 시설로 주거지, 상업지 등에 설치된다. Fig. 4(d) 형태의 필터형 나무박스는 여과 및 나무의 생화학적 반응으로 오염물질을 저감 시키는 시설로 가로수용으로 설치되며 단일규격(1.0 m × 2.0 m)에 간격은 10 m로 배치되었다. 금회 연구유역에서 전체 소유역 202개소에서 최대 설치가능 후보지는 125개로 선정되었다.
3. 연구 결과
3.1 모형 구성 조건
강우량은 20년 빈도 확률강우량(지속시간 1시간, 88.5 mm/hr)을 Huff 3분위로 분포시켜 적용하였다. 최적화 모형 구동전 계산된 LID 설치전 유출량은 30.135 m3/s, 오염물질 배출은 447.44 kg이었다. 최적화 모형은 LID 형식 4가지, 설치 소유역 선택 5-30개, 1개 소유역에 1개 형식의 LID가 선택되도록 제한되었다. HS의 매개변수는 기존연구와 시행착오를 참조하여 HMS 100, HMCR 0.9, PAR 0.7이고 최대반복횟수는 적절히 조정되었다.
목적함수는 첨두유량 및 비점오염원 배출량의 최대 저감효과 및 최소 설치비용(Eq. (1))으로 하였다.
LID 시설의 비용함수는 표준품셈 및 물가자료를 참조하여 각 LID 시설의 공정별 일위대가가 산출되고, 공정별 물량과 일위대가를 Eq. (2)로 계산된다.
여기서, N은 LID 시설 수, Pi는 시설 i의 설치공정 수, Vi,j는 시설 i의 설치공정 j의 설치물량, Ci,j는 시설 i의 설치공정 j인 일위대가를 의미한다. 단위 비용은 설치비용과 유지비용을 포함하여 Table 2와 같이 적용되었다. Table 2의 단위가격은 유지관리기간 10년으로 산출되었다. 일반적 투수성 포장은 교체주기 25년, 침투트렌치는 10-20년, 필터나무상자는 25년을 환산하여 적용되었다.
Table 2
Unit Cost of LID
Table 2의 단위가격은 유지관리기간을 10년으로 산출되었다. SWMM의 매개변수에서 미국 토양보존국(NRCS) 제시 유출곡선지수(CN)가 적용되었고 유역 대부분이 실트질 모래로 성토되어 수문학적 토양군을 Type C로 분류하였다. 소유역 면적, 유역 폭, 불투수계수, 불투수면적률, 평균경사, 평균고도, 조도계수 및 저류량 등은 설계자료로 구축되었다. 토지이용에 따른 CN값은 Table 3과 같다.
Table 3
CN-value
| Land use | Area (ha) | CN | Land use | Area (ha) | CN |
|---|---|---|---|---|---|
| Shelter | 3.28 | 83 | Park | 5.74 | 74 |
| APT | 16.47 | 77 | Parking lot | 1.09 | 98 |
| Commercial | 5.79 | 94 | Pavement | 6.12 | 98 |
| School Zone | 3.18 | 79 | etc. | 0.35 | 94 |
비점오염물질은 오염물질의 축적(Build up)과 배출(Wash off)로 모의된다. 축적함수는 지수함수(Exponential Function)를 배출은 지수부하량식(Exponential Wash-off)가 적용되었다. 축적 매개변수는 토지이용별 부유물질 부하량(Suspended Solid, SS)과 선행무강우일수 자료는 국립환경과학원(물환경정보시스템 등)을 참조하여 산정했으며, 오염물질배출 매개변수는 기존 문헌을 참조하였다(Modugno et al., 2015).
3.2 최적 모의 결과
MOO에 의한 모의 결과 비지배해 및 지배해 결과는 Fig. 5와 같았다. Fig. 5(a)는 유출량(Runoff)-비용(Cost)을 목적함수로 하는 경우 HM에 저장된 100개의 솔류션 중에서 84개가 비지배해 14개가 지배해로 선정되어 파레토 프론티어를 형성하였으며, Fig. 5(b)는 오염배출량(Pollutant)-비용(Cost)의 경우에서 9개의 지배해가 파레토 프론트가 형성된다.
Fig. 5와 같이 모든 가능해가 산정되며 설치비용 증가에 따라 유출량 및 오염물 배출량 감소가 이루어진다. Fig. 6은 가능해 중 비용별 적정해인 지배해에 따른 파레토 프론트 곡선식과 함께 나타내었다. Fig. 6(a)는 설치비용에 따른 유출량의 지배해에 대한 파레토 프론트이며, Fig. 6(b)는 오염원 배출량이다.
최적해 도출을 위한 이상해(IP)와 절충해(CSP)의 선정을 위해 유출량과 오염원 배출량을 저감효율과 비교하여 Fig. 7에 나타내었다.
Fig. 7(a)는 유출량에 따른 비용을 유출저감율과 비교된 것으로 두 개 곡선의 교차점이 이상해(IP)로 선정될 수 있으며 이상해로부터 HM에 저장된 결과인 가장 근접 결과가 절충해(CSP)로 결정된다. Fig. 7(b)는 비점오염원의 배출량과 저감효과가 비교된 곡선으로 이로부터 이상해 및 절충해를 선정한다. 이로서 최종적인 파레토 최적해가 결정될 수 있다. 다만, 결과와 같이 LID 시설은 전체 유역면적에 비하여 LID의 저류 가능 규모가 작아서 집중호우에서 유출량 저감 효율은 높지 않아서 목표하는 호우에서 첨두량 저감 등을 위해서는 저류지 등의 유역 분산 설치안이 함께 고려되어야 한다고 판단된다. 그러나 비점오염원 배출량 저감은 큰 호우에서 저감효율이 높지 않으나 발생원에서부터 오염물질의 배출을 저감하기 위해서는 평균강우에 대하여 지속적인 저감이 가능하므로 대안이 많지 않은 실정에서 LID 시설의 도입 및 확산이 필요할 것으로 사료 된다.
Table 4에 최종 선정 유출량 결과의 절충해(CSP)에 대하여 HM에 저장된 LID 시설(22개 소유역)이다.
Table 4
LID for the CSP (Runoff)
4. 결 론
본 연구는 MOO 모형으로 비용이 고려된 유출량 및 비점오염원 배출량 저감효과에 대한 최적해의 결정과정이 제시되었다. 최적화 알고리즘은 HS가 유출량과 오염부하량은 연동된 SWMM에 의해 모의 되었으며 결론은 다음과 같다.
첫째, 실무에서 LID 효과는 임의로 배치된 시설물을 SWMM 등으로 모의하고 설치비용이 산정되나 MOO 모형이 유출 모형과 연계되면 설치비용과 위치, 규모가 산출되어 비용별 최적 결과가 평가되므로 최적 LID 시설을 결정할 수 있게 된다.
둘째, LID 시설은 후보지가 제한적으로 유역면적 대비 설치가능 저류용적이 크지 않아서 유출 저감율이 높지 않으므로 집중호우 등에 대비한 목표 유출저감은 소규모 저류지의 분산 설치 등이 함께 고려되어야 할 것으로 판단된다.
셋째, 비점오염원 저감효과는 유역내에서 별도의 대안이 많지 않아서 LID 시설에 의한 발생원 차단이 적정하다. 최적 오염원 저감량이 비용과 함께 산출되므로 적용성이 높다고 할 수 있다.
넷째, MOO 모형으로 비용별 최적 저감량에 해당되는 파렌토 프론티어가 선정되고 저감량과 저감효과가 고려된 이상점(IP) 및 절충해(CSP)를 결정하면 적정 비용 및 설치 위치와 규모가 최종적으로 제시되므로 실무적으로 유용하다고 판단된다.
마지막으로 본 연구는 단일유역의 설계강우에 대한 LID 시설의 설계에 적용하는 과정을 제시한 것으로 추후 다양한 확률강우량 등과 다양한 유역에 적용하여 일반적인 민감도, 적용성에 대한 추후 연구가 필요하다고 판단됩니다.
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