1. 서 론

도시화로 인한 불투수층의 증가는 우수의 침투를 저해시켜 지표유출을 증가시키며, 많은 양의 우수가 단기간에 하천으로 유입되며 도시유역 물순환에 왜곡을 발생시킨다(Sharma et al., 2008). 서울시의 경우 도시화로 대지와 도로의 비중이 크게 늘어나 홍수 및 비점오염원 증가에 큰 영향을 미쳤다(Yoo et al., 2006). 이로 인해 침투량이 급격하게 줄어들고 지하 수위의 저하로 이어져 하천 건천화 및 지반 약화 문제가 발생하며, 반대로 직접유출은 급격하게 증가하여 홍수를 가중시켰다.

국내에 발생한 기상재해는 지구온난화로 인한 기후변화에 기인하며, 강수량 변화는 도시형 홍수를 발생시켜 도시침수와 하천 하류에 심각한 문제를 야기하고 있다(Yoon et al., 2020). 선진국들은 분산식 우수관리기법을 도입하여 수역의 생태 및 자연을 최대한 보호하는 데 힘쓰고 있다. 국내에서도 물순환 선도도시를 선정하고 본격적인 LID (Low Impact Development) 사업을 시행하였다(ME, 2013a). 빗물관리 측면에서는 2004년 비점오염관리 종합대책 수립을 시작으로, 2006년 비점오염원 설치신고 제도를 도입하였고, 같은 해 국고보조사업이 시행되었다. 이후 2012년에는 제2차 비점오염원 관리 종합대책이 마련되었다(ME, 2013b). 2013년에는 환경부에서 『저영향개발 기술요소 가이드라인』을 수립하였으며, 2016년에는 5개 지자체를 물순환 선도도시로 선정하여 각 지자체가 물순환 회복 조례를 제정하고 물환경의 오염과 훼손을 방지하는 정책을 추진하고 있다.

선정된 도시 중 안동시는 태백산맥과 소백산맥을 경계로 하는 내륙 분지 지형으로 낙동강 수계의 상류에 위치하고 있고 수계를 따라 안동호와 임하호가 형성되어 대기 중의 수분 등이 기상 요소에 영향을 미쳐 하절기와 동절기에 양극화된 기후양상을 나타낸다(ME, 1999). 2016년 안동시 시청과 탈춤공원 등에 물순환 회복 프로젝트가 진행됨에 따라 이에 대한 물순환 개선 효과를 분석하고자 하였다. 따라서, 도시화가 진행되고 있는 안동시의 불투수 지역에서 LID 기술을 적용시키고자 SWMM (Storm Water Management Model)을 사용하여 LID 시설을 적용 전·후의 물수지(증발량, 침투량, 유출량) 변화를 분석하고, LID 기법별 효과를 비교한다. 기존 SWMM 모형을 활용한 LID 연구는 도시 전반에서 LID 기법의 효과를 평가하였으나(Arjenaki et al., 2021; Lee et al., 2012), 본 연구에서는 안동시 내 안동시청과 탈춤공원과 같은 특정 지역에 초첨을 맞추어, 안동시 상황에 맞는 맞춤형 LID 기법 적용을 평가한다.

본 연구와 관련하여 국내에서는 불투수면적의 증가로 인한 문제를 해결하기 위해, 강우 유출수 발생 단계에서 침투와 저류를 통해 수생태계에 영향을 최소화하고자 하였으며, 물순환 기능뿐만 아니라 녹지공간 및 친수공간 형성을 통한 경관적 기능 및 구조적 최적 관리방안을 대상지의 여건과 목표량에 맞추어 선택적으로 적용하는 토지 이용계획과 LID 기법이 제안되었다(Bae, 2017). 또한, LID 기법의 효율성을 검증하기 위해 연구를 수행하였는데, 이를 통해 LID를 적용하면 대상 유역의 개발 전, 개발 후 LID 적용 후에 대한 유출량과 첨두유출량이 약 20% 감소하며(Shin et al., 2013), 최대 약 29%의 총유출량과 첨두유출량의 저감효과를 제시한 결과도 있다(Park, 2018). 또한, LID 적용에 따른 SCS-CN값 변화를 시나리오별로 작성하여 강우-유출 특성에 미치는 영향을 모의한 결과, 강우유출량, 강우유출빈도, 월류량, 월류빈도 등이 LID 적용에 의한 CN값 변화에 따라 최대 30~50%로 감소하는 결과가 나왔다(Kwon et al., 2010).

또한, 해외에서는 도시에서 폭우로 인한 침수 피해 예방을 위해 LID 기법을 기반으로 유출량, 첨두유량, 오염물질 부하 등을 저감한 사례가 있었으며(Liu et al., 2021), 또한 미국 Oklahoma 중부 지역을 대상으로 도시 개발이 환경에 미치는 악영향을 저감시키고자 LID 기법을 이용하여 유출수와 하천으로부터 오염물질의 부하를 줄인 사례가 있었다(Martin-Mikle et al., 2015). 그리고 도시화가 진행된 지역에서 LID 기법을 활용하여 유출수의 침투를 촉진시키고 생태계를 복원하고자 하였으며(Saadat and Malekmohammadi, 2020), 강우로 인한 피해를 저감하고 효율적인 인프라를 구축하고자 LID 시스템을 적용하였다(Kim et al.. 2017a; 2017b). 또한 지리적, 기후적으로 다른 각 지역에 대해 도시 생태계 및 유출수 관리 차원에서 LID 기법은 굉장한 이점이 있다는 부분을 분석하였으며(Sohn et al., 2017; Tredway and Havlick, 2016), 강우-유출 과정간 LID 시설의 유출량 감쇠 능력을 평가하기 위해 1차원 및 2차원 통합 모델 기반 스폰지 시티의 효율성을 평가하였다(Yin et al., 2020).

2. 연구 방법 및 내용

2.1 연구내용 및 절차

연구는 안동시청과 탈춤공원에 대한 LID 사업의 효과분석을 위해 대상 지역의 기초자료를 수집하고 하수관망도를 이용하여 소유역을 분할하였다. 분할된 소유역을 ArcGIS를 이용하여 배수특성과 지형을 분석한 후 대상 지구에 적합한 LID 기법을 선정하여 SWMM-LID 모형을 구축하였다. 강우 시나리오에 따른 물수지(증발량, 침투량, 유출량) 변화를 분석하였다. 이를 위해 15년간의 장기강우(2001~2015년) 및 2021년 안동지역에서 발생한 5개의 실제 강우 사상과 재현기간 2년, 10년 빈도의 확률강우량을 적용하였다. Fig. 1에 SWMM을 활용한 기법별 유출 저감 효과분석 연구 과정을 모식도로 나타내었다.

Fig. 1.

Flowchart for analyzing runoff reduction effects using SWMM-LID

도시화로 인해 불투수면적이 증가하면서 물순환 체계가 왜곡되어 수질과 수생태계 악화, 하천의 건천화, 지하수 고갈, 열섬현상 악화, 도시유역에 홍수 발생 등 다양한 물환경 문제가 발생하고 있다. 이에 따라 환경부는 도시화로 발생하는 물환경 문제를 해결하기 위해, 저영향개발 기법 도입을 통해 2016년 안동시를 포함한 물순환 선도도시 5개소를 선정 후 저영향개발 기법을 적용하여 물환경 문제를 해결하기로 하였다(Andong City, 2016). 이에 따라 안동시는 2018년에 『안동시 물순환 회복 조례』와 『안동시 물순환 기본계획』을 수립하였으며, 선정된 5개 지자체에서는 현재 물순환 개선 시범사업을 시행하고 있다(Andong City, 2018). 안동시 물순환 선도도시 전체 사업계획은 시간적 범위는 2018년부터 2065년까지, 공간적 범위는 안동시의 국가기초구역(161개소) 기준으로 총면적 1,528.49 km²를 대상으로 하였다(Andong City, 2020).

Table 1은 안동시의 물순환도시 사업에 대한 물순환 상태평가 및 목표를 보여주고 있다. 물수지는 상대적 비율로 계산되는 지표로, 총강수량 중 증발, 침투, 유출이 차지하는 비율을 나타낸다. 이와 마찬가지로 물순환 회복률은 물순환 기준에 근접한 정도를 백분율(%)로 표시한 지표이며, 또한, 물순환 목표는 재원 여건과 시간적 범위(2065년) 내에 달성하고자 하는 물수지, 물순환 회복률, 불투수면적의 비율을 의미한다. 물순환 기준은 시가화 지역에서는 불투수면적률이 25%(수생태계를 회복하는 상태), 비시가화 지역에서는 0%(자연 상태)가 되었을 때의 물수지와 물순환 회복률을 기준으로 한다. 이때의 물순환 회복률은 100%로 설정한다.

$$\begin{gathered} E:증발량(Evaporation`volume) \\ Q:유출량(Runoff) \\ I:침투량(Infiltrationvolume) \end{gathered}$$

또한 표에서 안동시 도시화가 진행된 지역에서 증발량과 유출량 그리고 침투량의 물수지는 35:23:42로 나타났으며 LID 시설 적용 후 물수지를 37:27:36으로 개선하고자 하였다. 마찬가지로 물순환 회복률은 61.15%에서 73.51%로 붙루수면적의 비율은 55.05%에서 45.49%로 개선하여 수해 피해 저감을 목표로 하였다.

2.2 연구대상 지역 현황

연구 대상 지역으로 명륜동 중심 시가지인 안동시청, 탈춤공원, 음식의 거리에 LID 시설을 설치 계획하였다. Fig. 2(a)에서 안동시청과 Fig. 2(b)에서 탈춤공원에 계획된 LID 시설과 Fig. 2(c)에서 안동시 물순환 선도도시 사업의 전체 위치도를 나타내고 있다. 그리고 Table 2에서는 위치별 개요를 나타내고 있는데 도로는 2.07 km², 안동시청은 0.028 km², 탈춤공원 0.160 km², 음식의 거리 0.016 km²의 면적을 차지하고 사용된 주요 LID 시설을 나타내고 있다.

Fig. 2.

Major LID facilities in Andong city hall and Talchum park

안동시는 2065년까지 계획되어 불투수율이 높은 지역부터 확대하여 본래의 자연적인 물순환을 회복하는 물순환 선도도시로 연구대상지는 불투수율이 높은 안동시청과 탈춤공원으로 선정되었다. 연구대상지의 유역특성 파악을 위해 표고분포도, 경사도, 토지피복도, 토양도 등을 고려하였다. 불투수율은 도시화로 인해 증가하고 이로 인해 홍수 지체시간 감소, 첨두 및 총 유출량 증가, 수질악화, 침투능 및 증발산량 감소 등의 문제가 발생하기에 대상지의 불투수층 면적 조사를 통해 모델을 구축하고자 한다(ME, 2013a; 2013b). 표고와 경사도는 국토정보플랫폼에서 제공하는 1:5,000의 지형자료를 활용하였으며, 연구대상지의 평균 표고는 EL. 96.3 m, 평균 경사도는 약 1.5°로 나타났다. 이후 시추 조사를 통한 토양도 결과를 기반으로 모의에 활용하였다. 조사 위치로는 계획평면도 및 현황도 상 조사 위치를 계획한 후 현장 답사를 통해 위치를 선정하였다. Fig. 3에 연구 유역의 위치와 시추 위치를 나타내어 위성지도 상에 표시하였다.

Fig. 3.

Location map of study area

안동시청의 경우 약 4.6 m, 탈춤공원은 약 9.3 m의 모래층으로 나타났고 안동시청에서는 2.1 m의 퇴적층 점토로 구성되었다. 그리고 현장 투수시험의 결과 안동시청에서는 35.53 mm/hr 탈춤공원은 87.63 mm/hr의 투수 계수로 LID 설치에 적합한 토양으로 분석되었다. 그리고 구역별 안동시청의 토지이용현황은 도로 10,075.4 m² (35.2%), 교육행정시설 6,748.8 m² (23.6%)로 대부분 불투수면인 것으로 나타났으며, 탈춤공원도 도로가 111,492.4 m² (69.6%), 기타 초지가 21,354.1 m² (13.3%), 문화체육시설이 16,963.8m² (10.6%)로 대부분 불투수면으로 구성되어 있었다.

2.3 연구 대상 지역 모형 구축

2.3.1 SWMM 모형 구축

SWMM은 미국 EPA의 지원 아래 개발된 모델로, 도시유역 내의 상하수도 우수체계와 배수구역의 유량과 수질에 대한 모의를 할 수 있다(Lim, 2022). 그리고 강우주상도, 기상자료, 소유역의 자료, 하수관거 자료를 입력자료로 유량과 수질을 예측하고 오염물질 처리를 모의할 수 있다(Baek et al., 2019). SWMM은 유출 추적에 비선형 저류방정식을 사용하고, 최대 3000개의 소유역과 2000개의 수로 또는 관거를 적용할 수 있다(Kim, 2020). 또한 SWMM 모형은 RUNOFF, EXTRAN, TRANSPORT 및 STORAGE/TREATMENT 등 4개의 실행블록과 RAIN, TEMPERATURE, COMBINE 및 STATISTICS 등 6개의 보조블럭으로 구성되어 있으며, 126개의 다양한 부 프로그램들이 포함되어 연구 목적에 맞게 적용하였다(Cho, 2012).

강우유출해석 모형을 위한 기초자료 구축을 위해서는 강우발생, 지표유출, 관로흐름, 홍수발생 등의 과정을 모의하여야 한다. 이를 위해 연구대상지역 내 지형 특성과 배수체계 문제를 분석하여 기초자료를 구축하였고 2016년 안동시 하수도정비 자료를 기반으로 모형을 구축하였다. 그리고 GIS 자료와 관망 자료 그리고 현장조사를 통해 소유역을 구분하고 면적을 산정하였다. 이때 표고점, 관로의 유하 방향, 배수계통 등을 고려하여 분할 하였으며, 소유역 면적(A), 소유역 폭(B), 소유역 경사(I)와 불투수율 등을 모의에 활용하였다. 경사 산정에는 상류 지점의 고도(EUP)와 하류 지점의 고도(EDOWN) 그리고 상류 지점에서 하류 지점까지 수평거리(L)을 활용하였다. 불투수율은 실제 토지이용도에 따른 유출계수를 적용하여 유역별 평균 불투수율을 산정하였고 Eq. (3)에서 소유역폭을 Eq. (4)에서 경사를 산정하였다. Fig. 4과 Table 3에서는 분할된 소유역 정보를 나타내고 있다.

Fig. 4.

Study area sub-basin division

강우가 발생하여 유역에 도달하면 일부는 유출되지 못하고 저류되어 지하에 스며들며 증발에 의해서 강우가 손실된다. 강우가 손실된 양을 고려하여 유효유출량을 산정하며 주요 인자로는 침투, 저류, 증발에 의해 손실된 양을 고려하였다. Fig. 5에는 안동시에 발생한 과거 강우 사상을 나타내고 있다. 적용된 강우 사상으로 과거 15년간의 강수와 2021년에 발생한 5가지 사례의 강우 사상을 활용하여 유출량을 분석하였다. Fig. 5(a) 3월 1일 발생한 강우 사상으로 일강수량 56.8 mm를 기록했고, Fig. 5(b)는 4월 4일 발생한 28.9 mm의 강우사상을, Fig. 5(c)는 5월 16일로 61.9 mm를, Fig. 5(d)는 7월 8일로 37.8 mm, Fig. 5(e)는 8월 23일 일강수량 41.3 mm를 기록하였고, 마지막으로 Fig. 5(f)는 과거 15년(2001~2015) 발생한 강우를 그래프로 나타내고 있다.

Fig. 5.

Record of rain events in Andong City (KMA, 2001-2015, 2021)

또한, 적용된 지점확률 강우량은 『전국하천유역 홍수량산정 보고서』에서 안동시 지속기간별-재현기간별 확률강우량을 활용하였으며(ME, 2020a; 2020b), 그 중 재현기간은 2년 빈도, 10년 빈도, 지속시간은 60분, 120분, 180분을 선정하여 LID시설 적용 전과 후의 물수지(증발량, 침투량, 유출량) 변화를 분석하였다. Table 4에서 지속기간별-재현기간별 확률강우량을 나타내고 있다.

확률강우의 강우분포 산정을 위해 국내에서 주로 사용되는 Huff 방법을 이용하였으며 이는 무차원 시간분포곡선에서 강우량의 최대 분위를 기준으로 1부터 4까지의 분위를 산정한다. ｢홍수량 산정 표준지침｣에서 제공하는 안동관측소의 무차원 누가곡선을 분석하여 회귀식으로 산정하였다(ME, 2019). Huff 방법에서 최적 분위는 기존에는 최빈 분위를 사용하도록 권장되었지만, 2019년 환경부의 홍수량 산정 표준지침에서는 실무적인 안전을 고려하여 홍수량 산정결과를 종합적으로 고려하여 3분위를 제시하고 있다. 따라서 본 연구에서는 3분위를 선정하여 확률강우에 대한 LID 기법 효과를 분석하였다.

분석 결과에 대한 검 보정 방법으로 민감도 분석을 거쳐 선정된 매개변수를 이용하여 총 유출량을 기준으로 보정하여 모형의 적용성을 평가하였다. 이때 모형의 적용성 평가 기준으로 결정계수(R²), 평균제곱근오차(Root Mean Square Error, RMSE), Nash-Sutcliffe 효율성계수(The Nash-Sutcliffe efficiency Coefficient, NSE), 절대평균오차(Mean Absolute Error, MAE), 평균절대백분위오차(Mean Absolute Percent Error, MAPE), 일치도(Index of Aggrement, IOA)등이 있으며 본 연구에서는 RMSE와 NSE를 이용하여 비교하였다.

RMSE는 모형이 모의한 유량 값과 실제 관측된 유량 값의 차이를 평가하기 위해 사용한다. Eq. (5)의 Pi는 i번째 Time step에서의 모의된 유량 결과를 나타내고 Qi는 i번째 Time step에서 관측된 유량 결과를 나타낸다. 그리고 n은 전체 데이터 수를 나타낸다. 또한 NSE는 모의값과 관측값 간의 예측 성능을 평가할 수 있는 지표이다. Eq. (6)의 Pi는 모의 값을 Qi는 관측값을 나타내며 Q는 관측값의 평균을 나타낸다. 관측값과 모의값과의 오차의 분산을 관측값의 분산 값으로 나눠 모의값과 관측값간의 상대적 성능을 평가한다. NSE 값은 1에 가까울수록 모형이 관측값과 일치하는 것을 의미하고, 0 이하일 경우 모형의 예측 성능이 낮음을 나타낸다(Nash and Sutcliffe, 1970).

$$\begin{gathered} Qi:Actualflowrate \\ Qi¯:Averageofactualflowrate \\ Pi:Simulatedflowrate \end{gathered}$$

$$\begin{gathered} n:Numberofactualandsimulatedflowratedata \\ i:Timestep \end{gathered}$$

2.3.2 SWMM-LID 모형 구축

연구대상 유역은 공공시설로 대부분이 불투수면으로 구성되어 있다. 이에 따라 환경부에서 제시하는 LID 기술 요소를 시설 특성에 적합하게 선정 후 배치하였다. 안동시청의 경우 침투측구, 침투도랑, 빗물정원 등 7가지의 LID 기법을 선정하여 배치하였고 탈춤공원의 경우 투수블록포장(보도)과 식물재배화분 그리고 투수아스콘포장 등 8가지 기법을 선정하여 배치하였다. Fig. 6에서 안동시청과 탈춤공원에서의 LID 시설배치를 나타내고 Tables 5 and 6에서 안동시청과 탈춤공원에서의 LID 시설별 면적 및 집수면적을 나타내고 있다.

Fig. 6.

Andong city hall & Talchum park layout

3. 모의 결과 분석

연구에서는 LID 기술 요소를 SWMM 모형에 적용하여 안동시 탈춤공원과 안동시청에 대한 물수지(증발량, 침투량, 유출량) 및 LID 시설별 유출량 저감효과를 분석하였다. 연구에서 사용된 강우 사상에는 2021년 안동에서 발생한 5개 실강우 이벤트와 15년 장기강우(2001~2015년)를 사용하였으며, 지속기간별-재현기간별 확률강우량 데이터로 첨두홍수량 저감효과를 분석하였다.

3.1 장기강우 조건

15년간의 장기강우 조건, 누적 약 16,272 mm의 강우에서 LID 시설 적용 전후 안동시청에서의 유출량은 기존 약 342,800 m³에서 약 225,840 m³로 116,960 m³ 가량 저감되었고 탈춤공원에서는 기존 약 1,798,580 m³의 유출량이 LID 시설 적용 후 약 1,077,170 m³로 721,410 m³ 가량 저감되었다. Fig. 7과 Table 7에서 장기강우 조건 하 LID 시설 적용 전후 유출량 변화를 나타내고 있다.

Fig. 7.

Changes in runoff (Long-term rainfall)

3.2 실강우 조건

2021년 발생한 실강우 조건에서 안동시청 LID 시설의 집수면적이 9,253.5 m²로 전체면적 28,561 m²의 약 32.3%를 차지하였고 증발량과 침투량이 각각 41%, 93% 가량 증가하였으며 유출량은 26%가 감소하였다. 그리고 탈춤공원에서는 LID 시설의 집수면적이 67,418 m²로 전체면적 160,231 m²의 약 42.1%를 차지하였으며 증발량과 침투량이 각각 47%, 121% 가량 증가하였고 유출량은 42%가 감소하였다. Table 8에서 지역별 LID 시설에 의한 강우 저감효과를 비교하였다.

3.3 확률강우 조건

확률강우 조건 2년 빈도, 10년 빈도 재현기간의 강우에서 60분, 120분, 180분의 지속시간으로 적용하여 모의 결과 증발량과 침투량에서 LID 설치 전후 9.8%~12.5%, 111.0%~139.2 % 가량 증가하였고 유출량은 31.8%~38.8% 가량 감소하였다. 재현기간과 지속기간이 짧을수록 LID 시설의 효과가 큰 것으로 나타났다. Fig. 8에서는 연구지역 전체, 재현기간 2년 빈도에 대한 LID 시설 적용 전후의 첨두홍수량 감쇠효과를 나타내고 있다. 이때 LID 시설 적용을 통해 0.59~1.15 cms 정도의 저감효과를 나타내었다. 또한 Fig. 9에서는 장기강우 조건 하 연구지역별 총유출량 변화를 Table 9에서는 동 조건 하 LID 시설에 의한 물수지 변화를 비교 분석하여 나타내었다.

Fig. 8.

Analysis result of peak reduction effect before and after applying LID

Fig. 9.

Comparison of water balance before and after applying LID (probability rainfall)

3.4 모형의 검 보정

모형의 검·보정은 강우 시 계측 유출량과 모의 유출량 결과를 비교하여 모형의 신뢰도를 높이고자 하였다. 이때 2019년 3월 20일에 발생한 강우로 모형을 보정하였고 동년 4월 9일 발생한 강우로 모형을 검증하였다. 이때 안동시청과 탈춤공원에서 각각 한 곳의 유출지점을 선정하여 두 번의 강우 사상에 대해 측정/모니터링된 결과와 모형 모의 결과를 비교하여 검·보정하였다. 이때 실제 사상에 대한 모형 보정에는 관로 내 조도계수, 관로 통수능, 하구부 수위 등과 같은 매개변수를 조정하여 정확한 결과를 도출하고자 하였다. 그러나 모형 매개변수를 조정하는 과정에서 실제 관로의 노후화 및 퇴적물 축적과 같은 국지적인 부분을 완벽하게 반영하진 못하였다. 또한, 보정에 적용된 강우 사상을 넘어서는 극한 강우가 발생할 경우, 모형이 예측하지 못한 침수 양상이 나타날 수 있다는 한계가 존재한다. Fig. 10(a)에서 안동시청에서의 유출량 모니터링 지점과 관망, 맨홀 등에 관한 정보를 나타내고 Fig. 10(b)에서 탈춤공원에서의 유출량 모니터링 지점과 관망과 맨홀 등에 관한 정보를 나타내고 있다.

Fig. 10.

Monitoring points of study area

검 보정 과정은 각각 맨홀에서 강우 유출수가 유출되는 시점부터 5분, 10분, 15분, 30분 그리고 1시간 이후로 매 시간 간격으로 총 12개의 시점에 대해 측정된 유량과 SWMM 분석 결과의 비교를 통해 NSE와 평균제곱근오차(RMSE)를 산정하였다. 또한 실측된 유량과 SWMM 모형 분석결과의 산포도(Scatter plot)를 통해 적용성을 평가하였고 추정신뢰도가 낮은 지점에 대해 매개변수 보정을 실시하여 추정정확도를 높이고자 하였다. SWMM 모형의 보정을 위해 실측자료 중, 1차 모니터링 유출량과 SWMM 분석결과 유량값을 산포도로 비교하였고 시행착오법을 통해 모형을 보정하였으며 2차 강우 시 실측자료에 대해 검증을 실시하였다.

안동시청과 탈춤공원에 대한 SWMM 모형 보정결과로는 안동시청에서 NSE는 0.930을 나타내었고 탈춤공원에서는 NSE는 0.979의 결과를 나타내어 모형의 신뢰성이 높게 나타났다고 판단하였다. Table 10에서 연구지역, 안동시청과 탈춤공원에서의 보정결과를 나타내고 Table 11에서는 모형의 검증결과를 나타내고 있다.

Table 10.

Model calibration results

1st Monitoring (Calibration)
(a) Andong city hall runoff curve		(b) Talchum park runoff curve
(c) Andong city hall applicability evaluation		(d) Talchum park applicability evaluation
Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE)	0.930	Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE)	0.979
Root Mean Square Error (RMSE)	0.0015	Root Mean Square Error (RMSE)	0.0004

Table 11.

Model verification results

2nd Monitoring (Verification)
(a) Andong city hall runoff curve		(b) Talchum park runoff curve
(c) Andong city hall applicability evaluation		(d) Talchum park applicability evaluation
Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE)	0.986	Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE)	0.914
Root Mean Square Error (RMSE)	0.0031	Root Mean Square Error (RMSE)	0.0035

3.5 LID 시설 효과 비교 분석

본 연구에서는 대상 지역에 적용된 LID 기법들의 효과를 분석하기 위해 2021년에 발생한 5개 강우 사상을 적용하였다. 분석 결과로 가장 넓은 면적, 29,040 m³에 적용된 투수 블록 포장 기법이 LID 설치 전과 비교하여 유출량이 25.0%, 7,829 m³ 가량 감소하여 가장 큰 효과를 나타냈다. 그리고 식물재배화분을 적용하였을 때 단위면적당 유출량 저감 효율이 47%로 가장 우수한 것으로 나타났다. 식물재배화분은 다른 LID 기법에 비해 집수면적이 넓은 영향으로 타 기법에 비해 유출량 저감 효율이 높은 것으로 나타났다. Table 12과 Fig. 11에 LID 시설별 유출량 저감효과를 비교하여 나타내었다.

Fig. 11.

Runoff reduction effect by LID facility

4. 결 론

도시화로 인한 불투수면의 증가는 전 세계적으로 도시의 물순환 체계를 왜곡시키고, 수질과 수생태계 악화, 하천의 건천화, 지하수 고갈 등 다양한 물환경 문제를 야기하고 있다. 이에 따라 세계 여러 국가에서, 공통적으로 지역 내 강우를 분산식 우수관리 기법을 통해 관리하여 도시의 개발 이전 상태로 수문 특성을 유지하고 생태 및 자연을 보호하는 노력을 하고 있다. 이에 관한 본 연구의 결과는 아래와 같았다.

안동시의 시청과 탈춤공원을 대상으로 다양한 저영향개발(LID) 기법을 적용하여 물수지 변화를 분석하고자 장기강우와 2021년 안동시에서 발생한 5개 강우사상을 사용하여 분석했으며, 확률강우량에 따라 다양한 강우 시나리오를 적용하였다.

장기강우 조건, LID 시설 적용 전후 총 유출량이 안동시청에서 34.1%, 탈춤공원에서 40.1% 가량 저감되었다. 그리고 연속강우에서는 증발량과 침투량이 각각 45.9%, 117% 증가하였고 유출량은 총 39.6% 감소로 분석되었다. 또한 확률강우 조건에서 증발량과 침투량은 9.8%~12.5%, 111.0%~139.2% 가량 증가하였고 유출량은 31.8%~38.8% 가량 감소하여 유출 저감에 효과적인 것으로 나타났다.

기법별 유출 저감효과로는 가장 넓은 면적에 설치된 투수블럭포장 기법이 25.0%의 유출을 저감시켜 가장 효과가 컸으며 시설단위면적당 유출 저감효과로 식물재배화분이 전체 시설별 유출 저감에 47%를 차지하여 효율이 우수한 것으로 확인되었다.

LID (Low Impact Development) 기법은 표준 방안이 모든 지역에 일관적으로 적용될 수 없기에 유역의 면적, 경사, 시설, 자연적 특성 등을 고려하여 각 지역의 상황에 맞는 적절한 기법을 선택해야 한다. 또한, LID 시설의 효과를 지속적으로 유지하기 위해 적절한 유지관리가 필요하며, 이를 위한 연구도 필요한 실정이다.