1. 서 론
2. 연구 방법
2.1 연구 대상 지역 선정
2.2 투수 포장 성능 실험 방법
2.3 물순환 성능 검증을 위한 모형적용
3. 투수 블록 성능 실험 결과 및 물순환 효과 검증
3.1 투수 블록 성능 실험 결과
3.2 물순환 효과 검증 결과
4. 결론 및 고찰
1. 서 론
지속적인 기후변화의 영향으로 국내 강수 패턴이 빠르게 변화하면서 강수일수는 짧아지고 강수량은 증가하는 극한 강우 발생 빈도가 높아짐에 따라 전국적으로 침수 피해에 따른 도시물 문제가 심각해지고 있다. 특히 서울시의 경우, 연 강수량이 1,417.9 mm로 평년값 기준 전국 1위이며, 2022년 8월에는 시간당 최고 141.5 mm (489년 빈도)의 극한 강우가 발생하였다. 그러나 기존 하수관거의 용량 부족, 저층 주거지역의 밀집, 높은 불투수면적률과 인구밀도 등으로 인해 서울시는 도시침수에 매우 취약한 지역으로 평가된다. 이에 따라 침수 피해 예방을 위한 수자원·도시계획적 대응이 요구되며, 우수배수 시설 확충, 도시 방재 기능 강화, 시설물 유지관리 등의 대책이 제시되고 있다(KRIHS, 2022).
환경부는 자연 물순환에 미치는 영향을 최소화하는 개발 개념인 저영향개발(Low Impact Development, LID)을 도입하여, 도시지역의 물순환(증발, 침투, 저류, 유출)과 물환경 기능을 개선하고자 노력하고 있다. LID 기술로는 식생 체류지(Bio retetion), 옥상녹화(Green roof), 식물 재배화분(Tree box filter), 식생 수로(Bio swale), 침투도랑(Infiltration trench), 투수 포장(Porous pavement), 빗물통(Rain barrel) 등이 있으며, 전국적으로 확산되고 있다(ME, 2013).
서울시는 2014년부터 ｢서울특별시 물순환 회복 및 저영향개발 기본조례｣를 공포하고, ｢저영향개발 사전협의 제도｣를 시행하여 개발사업 추진 시 LID 시설 설치를 의무화하고 있다. 서울시 빗물관리시설 설치현황 통계에 따르면, 투수성 포장이 약 50%로 가장 많이 적용되고 있는 것으로 나타났다(Seoul, 2025a). 특히 투수 블록은 물 빠짐 성능이 우수하고 시공이 간편하여 선호도가 매우 높다.
국내에서는 2000년대 초부터 불투수면 개선을 위해 투수 포장이 도입되었으며, 다양한 연구에서 투수 블록의 유출 저감 효과 및 표면 유출 지연 효과가 실험적으로 검증되었다(Lee et al., 2009; Seo et al., 2015; Kim et al., 2015; Yoo et al., 2016, 2024; Lee, 2017; Jang et al., 2020; Han and Gil, 2020). 그러나 공극 막힘으로 인한 성능 저하 문제가 지속적으로 제기되었고, 이에 따라 국가기술표준원은 2009년 투수 블록의 막힘 실험 기준을 KS F 4419에 추가하였으며, 서울시는 2013년 ｢투수 블록포장 설계, 시공 및 유지관리 기준｣을 제정하였다. 이후 Nam et al. (2011)은 투수 콘크리트의 공극 막힘 현상을 실험적으로 규명하였고, Yun et al. (2019a, 2019b)는 구조적 안정성 평가와 수치 모형 개발을 통해 투수 블록의 성능 최적화 방안을 제시하였다. Yang et al. (2020)은 X-ray CT를 활용해 실제 사용 중인 투수 블록의 내부 공극과 막힘 물질 분포를 확인하였다. 서울시 또한 막힘을 최소화하기 위한 여러 기준을 제시하고 있으나, 협잡물 유입으로 인한 공극 막힘을 완전히 방지하는 데에는 한계가 있으며, 이는 시민들의 부정적 인식, 유지·관리 문제, 경제적 손실로 이어질 수 있다.
국외에서는 투수 포장의 막힘 문제를 해결하기 위한 유지관리 기술, 침투율 변화, 강우 영향에 관한 연구가 진행되고 있다(Zhu et al., 2023, 2024; Zhang et al., 2024; Chen et al., 2024). Razzaghmanesh and Beecham (2018)은 사용 2년 후 표면 침투율이 감소하며, 최대 1,000 mm/hr 수준까지 감소할 수 있음을 밝혔다. 이는 강우와 시간이 투수 포장 성능에 영향을 미친다는 점을 시사하며, 결국 투수 포장이 유역 물순환에 미치는 영향 분석이 필요함을 보여준다. 현재까지 투수 블록의 막힘에 따른 성능 저하가 유역 물순환 및 홍수 저감에 미치는 영향에 관한 연구는 부족하며, 이에 대한 논란은 지속되고 있다(Yoo et al., 2016).
따라서 본 연구는 투수 블록의 형태별 투수계수와 10년간 표면 협착물 증가로 인한 투수계수 저하 실험을 수행하고, 이를 도시 유출모형에 적용하여 도시 물순환(증발, 침투, 유출)에 미치는 영향을 분석하고자 한다.
2. 연구 방법
2.1 연구 대상 지역 선정
본 연구는 지속적으로 발생하는 집중호우로 인한 침수 이력이 있고, 약 70% 이상의 불투수 지역과 높은 인구밀도를 보유한 서울시 종로구를 연구 대상 지역으로 선정하였다. 종로구는 높은 불투수율과 더불어 배수시설의 부족 및 불량, 강우 시 노후 관거의 설계용량 초과, 다수의 저지대 지역분포 등으로 인해 침수 취약지역으로 분류된다. 그러나 모든 원인 시설을 일괄적으로 개선하는 것은 시간적·물리적·경제적 제약으로 인해 현실적으로 어려움이 있다. 이에 본 연구에서는 Fig. 1 및 Table 1에 제시된 바와 같이 종로구 일대를 총 13개 소유역으로 구분하여 투수 블록을 활용한 표면 우수유출 저감 대책을 수립하였다.
투수 블록 적용은 각 소유역별 교통 지역 면적의 20%를 대상으로 가정하였으며, 유역별 적용 면적은 Table 1에 제시하였다. 이는 Shin et al. (2013), Yoo et al. (2024) 등의 선행연구에서 전체 면적의 10~30% 수준의 LID 시설을 적용한 사례를 참고한 것으로, 본 연구에서도 유사한 범위 내에서 교통 지역 면적의 20%를 투수 블록으로 설정하였다.
Table 1.
Im-/pervious area of sub-catchment
서울시는 2022년 8월 10일 5:00부터 11일 13:00까지 총 258.5 mm의 극한 강우가 Fig. 2와 같은 패턴으로 발생하였다. 이 강우 사상은 시간당 최고 31.3 mm의 집중 강우가 2일간 지속되면서 서울 전역에 걸쳐 침수 피해를 초래했다. 이에 본 연구에서는 Table 2에 제시된 극한 강우 자료를 활용하여, 투수 블록 성능이 유역별 물순환에 미치는 영향을 검토하고자 한다.
Table 2.
Input data of precipitation
| Duration | Precipitation (mm) |
| 2022-08-08 5:00 ~ 2022-08-08 23:00 | 128.8 |
| 2022-08-09 0:00 ~ 2022-08-09 23:00 | 111.0 |
| 2022-08-10 0:00 ~ 2022-08-10 7:00 | 18.7 |
| Total | 258.5 |
2.2 투수 포장 성능 실험 방법
서울시에서는 2012년 11월부터 현장에 시공된 투수·배수성 도로포장의 투수 성능이 외부 환경에 노출된 후 시간 경과에 따라 얼마나 감소되는지 확인하고 검증하기 위해 투수 성능 지속성 검증 시험을 시행하고 있다(Seoul, 2022). 투수 성능 지속성 검증 시험은 Fig. 3과 같이 협잡물에 의해 투수·배수성 포장의 공극 막힘에 대한 환경을 모사하며, 시료를 거푸기에 고정하여 정해진 양의 협잡물을 도포·분산시켜 교반한 후 일정량의 물을 투입시켜 투수계수를 측정하는 방법이다. 이 방법은 투수 포장 자체의 성능뿐만 아니라 시간이 지남에 따라 협잡물에 의한 막힘(Clogging)에 따른 투수 포장 성능 변화도 함께 검증될 수 있다. 여기서 막힘에 따른 투수 포장 성능 검증에 투입된 협잡물은 Table 3과 같이 총 8가지 입도별 통과 중량백분율을 활용하였으며, 시료 종류에 따른 협잡물의 양을 제시하였다.
Table 3.
Rate of passage weight (%)
| Classification | 10 mm | 5 mm | 2.5 mm | 1.2 mm | 0.6 mm | 0.3 mm | 0.15 mm | 0.08 mm |
| Rate of passage weight (%) | 100 | 93~100 | 88~99 | 80~95 | 55~80 | 25~50 | 7~14 | 2~6 |
투수 성능 시험 결과는 Table 4 와 같이 총 5개 등급으로 분류하였다. 서울시에서는 투수 등급이 높은 블록을 우선 적용하고, 최소 3등급 이상 블록을 사용하도록 규정하고 있다.
Table 4.
Level of permeability factor (mm/sec)
2.3 물순환 성능 검증을 위한 모형적용
투수 블록의 물순환 성능 검증을 위해, 본 연구에서는 미국 환경청(Environmental Protection Agency, EPA)에서 개발한 SWMM (Storm Water Management Model)을 활용하였다. SWMM은 LID 기법을 반영한 도시 물순환 해석에 널리 사용되고 있으며, 식생 체류지, 빗물 정원, 침투트렌치 등 총 8가지 유형의 LID 시설 모의가 가능하다.
Fig. 4 는 SWMM-LID 모형 구축을 위한 유역 현황을, Table 5는 각 유역별 입력 매개변수를 나타낸다. 본 연구에서는 투수 블록의 특성상 막힘 현상이 주로 포장 표면에서 발생한다는 기존 연구(Razzaghmanesh and Beecham, 2018)에 따라, 표면 유출만을 고려하여 모의하였다.
Table 5에 제시된 유역별 투수 포장(Permeable pavement, PP) 면적은 총 유역면적 대비 투수 블록포장 비율을 의미하며, 실제 적용 가능성에 기반하여 도로변 보도, 주차장 등 교통 지역의 20%를 투수 블록으로 가정하여 모의하였다.
Table 5.
Input data for SWMM-LID
SWMM 내 LID 모의 기능에서 투수 포장은 Fig. 5와 같이 구성된다. EPA (2015)에 따르면, 하부 토양층은 자연지반이 아닌, 투수 포장 설치 시 포함되는 특수 토양 혼합물을 의미하며, 이는 항상 100%의 투수가 가능한 층으로 간주되므로, 본 연구에서는 해당 층을 모의 대상에서 제외하였다. 대신 본 연구의 목적이 투수 블록 자체의 물순환 기여 효과를 평가하는 데 있으므로, 포장 층의 물리적 특성에 집중하였다. 단, 모형의 프로세스에서 저류 공간은 필수 적용사항이므로 매뉴얼에서 제시되고 있는 인자값을 모든 형태의 블록에 동일하게 적용·분석하였다.
Table 6은 모형에 활용된 투수 포장 입력변수로 적용된 투수계수, 막힘 계수를 나타내고 있으며, Eq. (1)은 EPA (2015)에서 제시되고 있는 막힘 계수(Clogging Factor, )를 나타낸다. 여기서 Eq. (1)의 는 포장을 완전히 막는데 걸리는 유출수의 포장 층 공극 부피로 정의되며, 유출수의 누적 부피에 정비례하여 포장의 투과성을 점진적으로 감소시키는 것을 의미한다. 또한 는 사용 연수, 는 유역의 연평균강우량, 은 포장체의 유출 비율(포장 면에 유출수가 기여하는 면적과 포장면 자체의 면적 비율), 은 시스템의 공극 비율, 는 불투수성 면적 비율, 는 포장 층의 두께, 은 막힘 지수를 의미한다.
Table 6.
Parameter of permeable pavement
| Classification | Parameter |
| Pavement thickness (mm) | 60 |
| Void ratio | The size of each permeable block |
| Permeability (in/hr) | Experimental results |
| Clogging factor | Equation of clogging |
모형의 검·보정은 유출량 산정의 대표적인 경험 식인 NRCS- CN (Natural Resources Conservation Service-Curve Number) 방법을 활용하여 수행하였다(Kim et al., 2024). 동일한 강우 조건을 기준으로 각 유역의 불투수율에 따라 CN값을 설정하고 NRCS 방법에 의해 산정된 유출량을 SWMM-LID 모의 결과와 비교하였다. 두 결과 간의 상관성 분석 결과, 결정계수(R2)는 0.83으로 도출되어 모형의 유출 해석 결과에 대한 신뢰성을 확보하였다. 또한 본 연구는 모형의 절대적 정확도보다는 투수 블록 적용 전후 및 검증년수에 따른 물순환 성능 변화 경향 분석에 주안점을 두고 있다. 이에 따라, 유출량의 상대적 변화량과 시계열 상의 경향성을 중심으로 모형을 해석하였다.
3. 투수 블록 성능 실험 결과 및 물순환 효과 검증
3.1 투수 블록 성능 실험 결과
본 연구에서는 Fig. 6과 같이 세 가지 타입의 투수 블록(Type-A, B, C)에 대해 서울시 투수 성능 실험 방법에 따라 우선적으로 블록 자체의 투수 성능을 검증하였다. 이후, 협잡물로 인한 막힘 정도를 측정하기 위한 실내 모의실험을 추가로 시행하였다.
Table 7은 각 투수 블록의 규격을 정리한 것으로, 서울시 국내 표준규격(Seoul, 2020)과 비교하여 제시하였다. 사용된 투수 블록의 두께는 T60, T160 두 가지이며, 세 블록의 휨강도는 모두 4MPa 이상을 만족하였다. 각 블록의 공극률은 7.84%, 13.5%, 8.8%로 나타났으며, 이 중 Type-B와 C는 표준규격에서 제시하는 공극률 기준을 충족하지 못하는 것으로 분석되었다. 단, Type-C 블록은 하단에 저류 공간을 별도로 마련하여, 실제 투수 기능을 강화한 구조적 특성을 가지고 있다.
Table 7.
Standard and Experimentally Determined Specifications of Permeable Blocks
| Product specification |
Standard for sidewalks (Seoul, 2020) | Type-A | Type-B | Type-C |
| Width (mm) | ±200 | 200 | 200 | 200 |
| Length (mm) | ±200 | 200 | 200 | 200 |
| Thickness (mm) |
60(T60) 80(T80) | 60(T60) | 60(T60) | 160(T160) |
| Flexural strength (MPa) |
≥4(T60) ≥5(T80) | 7.84 | 6.67 | 17.2 |
| Porosity (%) | ≥20 | 20.0 | 13.5 | 8.8 |
Table 8은 시간 경과에 따른 투수계수 저하 실험에 투입된 협잡물 중량을 나타낸 것이다. 본 실험에서는 서울시 투수 성능 실험에서 제시하는 20 cm×20 cm 블록 면적 기준 협잡물 24 g (5년)을 토대로 이를 10년 누적 기준으로 확대 적용하였다. 이를 통해 장기 사용에 따른 실제 현장 여건을 모사하였다.
Table 8.
Accumulated clogging particles (Seoul, 2025b)
| Classification | Years of use | ||||||||||
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | |
| Accumulated clogging particles (g) | 0 | 19.2 | 38.4 | 57.6 | 76.8 | 96.0 | 115.2 | 134.4 | 153.6 | 172.8 | 192.0 |
Fig. 7은 투수 성능 실험을 통해 180초 동안 발생된 유량을 0.1초 단위로 자동 측정한 데이터를 바탕으로 작성한 유량-시간 그래프이다. 측정된 데이터를 활용하여 추세선을 도시하고, 이에 대한 선형 추세 식을 도출하였다.
여기서 시간 경과에 따른 투수계수 변화는 이론적으로 투수 블록의 사용에 따라 점진적인 막힘으로 인해 선형적으로 감소하는 경향을 보이는 것이 일반적이다. 특히 협잡물 투입 전(0년차) 및 투입 직후(1년차)에는 투수계수가 비교적 높게 측정되었으며, 이를 제외한 시점의 데이터를 대상으로 회귀분석을 실시한 결과, 선형 회귀모형(R2=0.85)이 지수형 회귀모형(R2=0.80)보다 더 높은 결정계수를 나타냈다. 이에 따라 이론적 기대치와 실측값 간의 정합성, 모형의 단순성, 해석의 용이성 등을 종합적으로 고려하여 본 연구에서는 선형 모형을 채택하였다.
또한 선형 추세식의 기울기는 유속(mm/sec)을 의미하므로, 이를 수조 면적(1,000 mm×1,000 mm)과 곱하여 총 발생 유량을 계산한 후, 시료 4장의 총면적(400 mm×400 mm)으로 나누어 투수계수를 산정하였다.
실험 결과, 투수 성능이 가장 우수한 Type은 C로 나타났으며, 투수계수는 9.12 mm/sec로 측정되었다. 다음으로는 A (3.49 mm/sec), B (0.43 mm/sec) 순으로 나타났다. 특히 Type-B의 경우, 시간에 따른 유량 변화에서 음(-)의 값이 관측되는 현상이 나타났다. 이는 투수 블록의 낮은 투수 성능으로 인해, 실험에 사용된 압력센서의 계측 안정성 확보를 위해 설정된 기준 수두 값보다 낮은 수위가 측정되면서 발생한 결과이다. 이러한 현상은 계측 데이터의 보정 과정에서 비롯된 것으로, 실제 역침투와는 무관하며, 해당 그래프는 시간에 따른 유량 변화 양상을 중점적으로 시각화한 것이다.
결과적으로 서울시 투수 등급 기준(Table 2)에 따라 실험에 사용된 투수 블록을 분류한 결과, Type-C와 A는 1등급, Type- B는 3등급에 해당하며, 모두 국내 설치 가능한 것으로 평가되었다.
앞서 수행된 투수 블록 형태별 성능 실험에 활용된 세 가지 타입의 투수 블록을 대상으로, Table 3에 제시된 통과 중량백분율 기준에 따라 혼합된 협잡물의 양을 점진적으로 증가시키며 총 10년에 걸친 물순환 성능 실험을 추가로 실시하였다. Fig 8은 협잡물에 의한 막힘 현상으로 인한 각 블록의 투수계수를 나타낸 것이다.
먼저 협잡물 투입 전 대비 1년 차 투수계수는 Type-A 6.18 %, Type-B 4.20%, Type-C 4.55% 각각 감소하였다. 이후 10년 경과 시점에서 투수 성능 저하율은 Type-A가 59.9%로 가장 높게 나타났으며, 이는 해당 블록이 가장 높은 공극률을 가져 협잡물이 내부 공극으로 더 많이 유입되었기 때문으로 판단된다. 그 뒤를 이어 Type-B 44.9%, Type-C 33.0% 순으로 투수 성능 저하가 관찰되었다. 특히 Type-C는 가장 낮은 공극률과 하부에 저류 공간을 확보한 구조적 특성 덕분에 투수 성능 저하 폭이 가장 작게 나타나는 것으로 판단된다.
Table 9는 검증 년수에 따른 투수 성능 실험 결과를 나타낸 것이다. Fig. 8에서도 확인되듯이, 실험을 통해 도출된 원시 데이터(*)는 협잡물 투입 초기(0년, 1년)에 비해 2년 이후 측정값에서 뚜렷한 차이를 보였다. 특히 일부 항목에서는 협잡물 투입량이 증가할수록 투수계수가 점진적으로 감소할 것이라는 일반적인 가정과는 상반된 결과가 관측되었다. 이러한 현상은 투입된 협잡물이 블록 내부 공극 사이로 직접 투입되지 않고, 유수에 의해 분산되거나 이동하면서 오히려 일부 막힘이 해소되는 효과가 발생했을 가능성에 기인한 것으로 추측된다. 즉, 입자가 고운 모래로 구성된 협잡물이 유수 흐름에 따라 밀리거나 고르게 퍼지며, 일시적으로 투수성이 향상되는 결과를 초래한 것으로 판단된다. 또한 협잡물이 특정 통로만을 막고, 그 외의 경로나 새로운 흐름 경로가 형성되면서 우회흐름(by-pass flow)이 발생했을 가능성도 배제할 수 없다.
Table 9.
Calibration of permeability factor results
| Classification | Years of use | |||||||||||
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | ||
|
Type-A (Grade 1) | * | 3.49 | 3.40 | 2.55 | 2.50 | 2.33 | 2.12 | 2.18 | 1.84 | 1.83 | 1.33 | 1.40 |
| ** | 2.27 | 2.13 | 2.12 | 2.11 | 2.10 | 2.08 | 2.07 | 2.05 | 2.02 | 1.99 | 1.95 | |
| *** | (2) | |||||||||||
|
Type-B (Grade 3) | * | 0.43 | 0.43 | 0.21 | 0.29 | 0.26 | 0.26 | 0.24 | 0.26 | 0.27 | 0.24 | 0.24 |
| ** | 0.25 | 0.24 | 0.24 | 0.24 | 0.24 | 0.24 | 0.24 | 0.23 | 0.23 | 0.23 | 0.23 | |
| *** | (3) | |||||||||||
|
Type-C (Grade 1) | * | 9.04 | 8.63 | 8.22 | 7.81 | 7.39 | 6.98 | 6.57 | 6.16 | 5.75 | 5.34 | 4.93 |
| ** | 6.30 | 6.01 | 6.00 | 5.98 | 5.97 | 5.95 | 5.93 | 5.91 | 5.88 | 5.85 | 5.81 | |
| *** | (4) | |||||||||||
뿐만 아니라 Type-C 블록의 경우 1년 치 협잡물을 투입 후 측정된 투수계수가 적용 전보다 높게 나타나는 특이한 경향이 관측되었다. 이는 해당 블록 하부에 저류 공간을 갖는 구조적 특성에 기인한 것으로, 실험 초기에는 침투수가 저류 공간에 일시적으로 머무르면서 상·하부 간 수두 차가 제한되고, 이로 인해 유출 유량이 감소하여 투수계수가 상대적으로 낮게 측정되는 현상이 발생했을 가능성이 있다. 반면, 1년 치 협잡물이 투입된 후에는 일부 공극이 막히면서 저류 기능이 저하되고, 유효 수두 차가 상대적으로 정상화됨에 따라 유출 유량이 증가하여 오히려 투수계수가 상승하는 결과를 보였다. 이러한 결과는 실험 방법의 오류가 아닌, 투수 블록의 고유한 구조적 특성에서 비롯된 것으로 해석된다. 따라서 이와 같은 특수 기능을 가진 블록에 대해서는 구조적 영향을 충분히 반영할 수 있는 추가적인 실험 및 분석이 필요하다. 본 연구에서는 이러한 특성을 고려하여, 실험 데이터를 바탕으로 도출한 선형 추정 식(Eqs. (2), (3), (4))을 이용해 투수계수를 보정(**)하여 모형에 적용하였다.
또한 투수 블록의 장기 사용에 따른 성능 저하 모의에서는, 앞서 수행된 10년간 블록 표면 협잡물 증가에 따른 투수계수를 Eq. (1)에 대입하여 연도별 를 산정한 후, SWMM-LID 모형에 반영하였다.
3.2 물순환 효과 검증 결과
물순환 효과 검증에서는 투수 블록 설치 전(Non-LID)과 유역별 총 교통 지역의 20%에 투수 블록을 적용한 시나리오(PP 20%)를 비교하여 물순환 효과를 검토하였다. 실험을 통해 산출된 각 투수 블록의 초기 투수계수(Type-A: 3.49 mm/s, Type- B: 0.43 mm/s, Type-C: 9.04 mm/s)를 SWMM-LID 모형에 적용하였으며, 총증발산량(Total Evapotranspiration, TE), 총침투량(Total Infiltration, TI), 총지표유출량(Total Runoff, TR), 첨두유출량을 검토하였다. 그 결과 Fig. 9에서 확인할 수 있듯이, 투수 블록 적용 초기에는 Type-C가 모든 유역에서 가장 우수한 물순환 개선 효과를 보였으며, 뒤이어 Type-A, B 순으로 효과가 감소하는 것으로 나타났다.
TE 및 TI는 대부분 유역에서 투수 블록 적용 후 증가하는 경향을 보였으며(Tables 10 and 11), 이는 투수 블록의 침투 및 증발 기능에 기인한 것으로 판단된다. 다만 sub-1 유역의 경우, 침투량이 오히려 소폭 감소하는 결과가 나타났는데, 이는 해당 유역 내 LID 적용 면적이 2%에 불과하고, 자연녹지 비율이 80% 이상으로 매우 높아 이미 토양이 포화상태에 가까웠기 때문으로 해석된다. 이러한 조건에서는 장기 강우로 인해 지표면 및 하부 토양층의 수분 포화 누적이 발생하면서 적용된 투수 포장이 실제 침투 기능을 충분히 발휘하지 못할 가능성이 있다. 이로 인해 유역의 물순환 개선 효과가 음(-)의 값으로 산정되었으며, 적용된 LID 시설 기능이 제한적으로 나타나는 것처럼 보이는 것으로 판단된다.
Table 10.
Result of total evaporation
Table 11.
Result of total infiltration
반면, sub-2에서 sub-13 유역의 경우, LID 적용 면적이 전체의 최소 4.5%에서 최대 15.7% 수준이었으며, 자연녹지 비율도 상대적으로 낮았다. 이에 따라 투수 블록은 유역 내 침투 및 저류 기능을 효과적으로 수행하였고, 유역 물순환 개선에 실질적인 기여를 하는 것으로 분석되었다.
TR은 Table 12에서 확인할 수 있듯이, Type-A의 경우 0.3% ~3.7%, Type-B는 0.1%~1.7%, Type-C는 0.5~4.9% 감소하였다. 이는 투수계수에 따른 침투 기능의 차이에 따라 지표유출 저감효과가 달라졌음을 보여준다.
Table 12.
Result of total runoff
한편, 첨두유출량은 모든 유역에서 뚜렷한 차이를 보이지 않았다. 이는 본 연구가 지표유출에 한정하여 모델링을 수행한 점, 대상 유역이 전반적으로 경사가 완만한 도시지역이라는 점, 적용된 강우 패턴에 따라 유출 속도가 제한되었던 점 등에 기인한 것으로 판단된다. 이러한 결과는 동일한 LID 기술이라 하더라도 적용 유역의 토지 이용 특성, 침투력, LID 시설의 공간적 분포에 따라 물순환 효과가 상이하게 나타날 수 있음을 시사한다.
3.2.2 투수 블록 막힘에 따른 물순환 효과 검증 결과
각 투수 블록 형태별 막힘에 따른 물순환 효과 분석 결과는 Figs. 10, 11, 12와 같다. 전반적으로 투수 블록의 검증 연도가 길어질수록 초기 설치 시점에 비해 유역 내 TE와 TI는 점진적으로 감소하고, 반대로 TR은 증가하는 경향을 보였다.
Fig. 10은 Type-A 블록의 막힘에 따른 물순환 변화를 나타낸다. 설치 전 대비 10년 경과 후에는 투수 블록의 성능 저하로 인해 TE는 11.5%, TI는 39.2%, TR은 2..6%의 개선 효과가 감소되는 것을 확인할 수 있었다. 특히 TI는 검증 초기에는 서서히 감소하다가 6년 차 이후부터 급격한 저하 양상을 보였다. TR 역시 검증 2년 후부터 저감량이 급격히 저하되면서, 10년 경과 후 일부 유역에서는 적용 전과 유사한 수준의 지표 유출량이 관찰되었다.
Fig. 11은 Type-B 블록의 성능 저하에 따른 물순환 변화를 보여준다. 앞서 수행된 투수계수 실험에서 Type-B는 다른 블록에 비해 초기 투수 성능이 낮은 것으로 평가되었으며, 이에 따라 전체적인 물순환 개선 효과도 제한적으로 나타났다. 10년 경과 시 TE는 0.3%, TI는 12.7%, TR은 0.32% 감소하여, 성능 저하 폭은 가장 작았으나 절대적인 개선 효과도 가장 낮았다.
Fig. 12는 Type-C 블록의 물순환 변화 양상을 나타낸다. 다른 블록에 비해 공극률은 가장 낮지만, 하단에 저류 공간을 확보한 구조로 인해 높은 초기 투수 성능을 보였으나, 10년 경과 후 TE는 14.0%, TI는 32.9% 감소하고, TR은 3.7% 증가하며 물순환 개선 효과가 감소하는 것으로 나타났다. 특히 유역 내 자연녹지 비율이 높은 sub-1, 2, 12, 5 등의 유역에서는 TE가 40% 미만, TI 10% 미만, TR은 1% 내외로 감소 폭이 상대적으로 더 컸다.
또한 대부분 유역에서 투수 포장 검증 5년이 경과한 시점부터 TE는 12.5%, TI는 32.5% 감소하고, TR은 2.8% 증가하여, 물순환 개선 효과가 급격히 저하되는 경향을 보였다. 이는 장기적 관점에서 투수 블록의 성능 저하와 이에 따른 물순환 기능 감소를 고려한 유지관리 및 계획 수립의 필요성을 시사한다.
종합적으로, 모든 유역에서 투수 블록 검증 초기부터 약 5년간은 물순환 개선 효과가 양호하게 유지되는 것으로 나타났다. 그러나 검증년수가 5년이 경과하면서부터 물순환 개선 효과는 급격히 감소하였고, 8년이 지나면 일부 유역에서는 투수 포장 설치 이전의 물순환 상태로 되돌아가는 경향이 확인되었다.
특히 투수계수가 가장 높은 Type-C 블록의 경우, 동일 등급인 Type-A와 비교했을 때 초기 성능은 우수하게 나타났으나, 검증년수가 8년 이상 경과한 시점부터는 일부 유역에서 오히려 Type-A보다 물순환 개선 효과가 낮아지는 현상이 관찰되었다. 이는 저류형 구조를 가진 Type-C 블록의 특성에 기인된 것으로, 저류 속도가 느리거나, 집중 강우가 발생되는 경우 블록 내부의 물을 신속히 배출시키지 못해 유역의 저류용량을 초과하게 되고, 이로 인해 지표면에 물이 고이거나 우수의 배출이 지연되어 국지적 침수를 유발할 수 있다. 또한 강우강도가 낮거나 지속시간이 짧은 강우에 최적화된 저류형 블록은, 본 연구에서 적용된 장시간 지속되는 집중호우와 같은 조건에서는 저류 기능의 한계에 도달함으로써 일반 투수 블록 보다 오히려 물순환 성능이 저하될 가능성이 있는 것으로 분석되었다.
4. 결론 및 고찰
전 세계적으로 LID 기법은 기후변화 대응 수단으로 주목받고 있으며, 국내에서도 2000년대 초 환경부의 도입 이후 도시 물순환 및 물환경 개선을 위한 노력이 지속되고 있다. 다양한 기능을 제공하는 LID 시설 중 투수 포장은 가장 널리 적용되고 있는 기술이나, 유역 물순환에 미치는 실질적인 효과에 관한 연구는 여전히 부족한 실정이다. 본 연구는 투수 블록의 형태별 성능과 막힘에 따른 성능 저하가 유역 물순환에 미치는 영향을 실내 실험과 SWMM-LID 모형을 통해 분석하였다.
실험 결과, 세 가지 형태의 투수 블록은 모두 서울시 기준을 만족하는 것으로 확인되었으며, 각 형태에 따라 투수계수 및 물순환 개선 효과에 차이를 보였다. Type-A 및 Type-C 블록은 비교적 높은 투수계수를 나타내어 침투량(TI)과 증발산량(TE)의 증가 폭이 크게 나타나는 반면, Type-B는 낮은 투수계수로 인해 물순환 개선 효과가 상대적으로 적었다.
특히 자연 침투력이 높은 sub-1 유역에서는 투수 포장 적용 이후 침투량이 오히려 소폭 감소하는 현상이 나타났다. 이는 해당 지역이 자연 침투가 활발한 지역으로, 하부 토양층이 수분 포화상태에 가까워 추가적인 침투수를 흡수하지 못했을 가능성이 있다. 따라서 유역 단위 LID 시설의 기능이 제한적으로 나타나는 것처럼 보이는 현상이 발견된 것으로 판단된다. 이러한 결과는 동일한 LID 기술이라 하더라도 적용 대상 유역의 토지 이용 및 지형·수문학적 특성에 따라 그 효과가 상이하게 나타날 수 있음을 시사한다.
막힘에 따른 장기 성능 저하 실험에서는 투수 블록의 투수계수가 전반적으로 감소하였으며, 그에 따라 유역의 물순환 개선 효과 또한 감소하는 경향을 보였다. 특히 Type-C는 초기 성능이 가장 우수하였으나, 성능 저하에 따른 유역 물순환 기능 감소 폭이 가장 크게 나타났다. 반면 Type-B는 초기 투수 성능이 낮았기 때문에 성능 저하에 따른 영향은 상대적으로 미미하였다. 또한 일부 유역에서는 침투량이 증가하는 이례적인 결과가 도출되었으며, 이는 모형 내에서 설정된 낮은 투수계수 및 막힘 지수로 인해 블록 포화 속도가 늦어지면서 침투가 지속된 결과로 해석된다. 향후 이러한 역 현상에 대한 실증 실험이 선행되어야 할 것이며, 이를 바탕으로 도시 유출모형에 대한 보정 작업도 필요할 것으로 판단된다.
종합적으로, 본 연구는 투수 블록의 형태 및 장기 사용에 따른 투수 성능 저하 특성을 실험적으로 검토하고, 이를 도시 유출모형에 적용하여 도시 물순환에 미치는 영향을 분석하였다. 그 결과, 투수 블록은 형태에 따라 투수계수 및 물순환 개선 효과에 차이를 보였으며, 유역의 토지 이용 특성 및 자연 침투력에 따라 적용 효과 또한 상이하게 나타났다. 이와 관련하여 투수 포장 적용에도 불구하고 일부 유역에서는 오히려 침투량이 감소되는 사례도 검토되었는데, 이는 자연 침투가 활발한 지역에서 LID 시설의 기능이 포화된 토양 조건에 의해 제한될 수 있음을 시사하였다. 이에 따라 단순한 LID 기술의 확산보다는 유역 특성에 기반한 적정 적용 지역 선별이 중요하며, 공간분석 기반의 설계 접근이 요구된다.
향후 연구에서는 보다 실질적인 설계 기준을 도출하기 위해 지형, 토지 이용, 불투수율, 토양특성, 교통량 등의 다양한 요소를 고려한 다층 GIS 기반 공간분석 체계가 적용되어야 할 것이다. 이를 통해 LID 시설의 효율성을 극대화할 수 있는 우선 적용 지역을 도출하고, 지역 맞춤형 물순환 개선 전략을 제시할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 정량적 가중치 설정, 중첩 분석, 민감도 분석 등을 포함한 종합적인 분석 프레임워크를 마련함으로써 LID 시설의 과학적·객관적 계획 및 설계 기준 정립에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
또한 공극률 기준을 충족하지 못하거나 특수 설계된 블록이 부적절한 지역에 적용될 경우, 성능 저하뿐만 아니라 시민의 부정적 인식, 유지관리 문제, 경제적 손실로 이어질 가능성이 크다. 따라서 기개발된 투수 블록의 특성을 검증할 수 있는 추가 실험과 도시 유출모형 개선이 필요하며, 이를 기반으로 한 토지 이용 특성 고려 지역 선정, 협잡물 유입 방지를 위한 제도 개선이 병행되어야 할 것이다.
