1. 서 론
최근 30년 기준 강수량은 20세기 초와 비교하여 124 mm 증가하였으며, 연 강수량은 증가하나 강수 일수(일 강수량 1 mm 이상)에 대한 변화는 없는 것으로 보고되고 있다. 이는 기후변화에 의해 약한 강수는 감소하고 일 강수량 10 mm 이상의 강수 빈도와 강수량이 증가하였으며, 특히 80 mm 이상의 강한 강수의 증가가 뚜렷한 것을 나타낸다(NIMS, 2018). 기후변화에 따른 문제를 친환경적으로 해결하고자 저영향개발(Low Impact Development, LID)기법에 대한 연구가 증가하고 있으며, 강우 유출의 가장 큰 요인인 불투수면에 의한 다양한 문제들의 완화에 기여하고 있다(ME, 2013). LID 기법의 요소기술로는 옥상녹화, 침투 도랑, 식생 화분, 침투 저류지, 투수성 포장 등이 있다.
기후변화와 도시화로 인한 문제들을 해결하기 위한 LID의 선행 연구 사례들은 세종 행정중심복합도시의 LID 적용을 위한 도입방안 및 설계 가이드라인, 유지관리 기법을 개발하여 빗물관리 목표량 결정, 국내 현장에 적합한 시설별 상세설계도면을 제시하였으며(LHI, 2017), SWMM의 모듈 중 하나인 LID 모듈을 적용하여 상습침수구역에 적용 및 분석하여 15.62%, 13.01%의 유출저감효과를 확인하였며(Shin et al., 2013), SWMM을 활용하여 기존 도심의 도로, 중로, 소로에 대하여 투수성 포장을 적용하여 5.08%~11.73%의 유출저감 효율을 평가하였다(Lim et al., 2014). 설치 현장의 장기 모니터링을 통해 투수 콘크리트 블록 포장의 투수 성능을 확인 분석하여 사용 연도에 따른 10~25% 투수계수의 저감을 확인하였으며(Borgwardt, 2006), 강우-유출 모의장치를 개발하여 LID 기술에 대하여 투수면과 불투수면에서의 강우의 수문학적 물순환(지표유출, 중간유출, 침투량)의 관계를 정량화 하였다(Jang et al., 2014). 강우모의 장치와 현장 규모의 투수 아스팔트, 투수 블록 시설을 재현하여 불투수면 대비 침투 유출수의 비율을 각각 84~94%, 56~64%로 분석하였다(Park et al., 2020). 본 연구에서는 향후 도시유역 내 LID 기법의 요소기술 중 하나인 투수포장의 효율적인 적용과 성능 검증을 위해 포장 하부 기층을 포함한 단면 전체를 고려한 강우-유출 실험을 실시하고, 그 결과를 통해 K-LIDM 모형을 구축, 투수 면적에 대하여 유출이 발생하지 않는 최대 불투수 면적(지배면적) 산정을 시도하였다.
2. 연구방법
2.1 시설개요
본 연구는 경상남도 양산시 물금읍 부산대학로 49 부산대학교에 위치한 한국 그린인프라 저영향개발(Green Infra&Low Impact Development, GI&LID) 센터에서 주차장형 LID 시스템, 이동-조립형 강우모의장치를 활용하여 실험을 실시하였다. 한국 GI&LID 센터는 주차장형 LID를 비롯하여 도로형 LID, 빗물정원형 LID, 건축형 LID, 생태공원형 LID 시설이 설치되어 있으며, 실증실내실험동 및 연구 교육동 등으로 구성되어 있다(Fig. 1).
주차장형 LID 시설은 본 연구의 투수형 LID 외부 검증 시설로, 유출량 및 비점오염원 저감효과, 도시열섬저감 효과등의 효율성 분석이 가능하며, 불투수 아스팔트, 투수아스팔트, 불투수 콘크리트, 투수 콘크리트, 블록 포장으로 구성된다. 총 10개 구역으로 나위어져 있으며, 각 구역은 개별 포장체 적용이 가능하다.
2.1.1 이동-조립형 강우 모사 장치
LID 기법의 효율성 검증하는 방법으로 기존에는 적용된 지역에 살수차를 이용하거나, 실내 실험실에서 LID 요소기술을 시공하여 강우강도에 따라 효율성 검증을 하고 있다. 본 장치를 이용하여 LID기법의 각 기술요소의 효율성 검증을 수행할 수 있으며, 이동-조립형 강우 모사 장치는 강우를 재현하기 위하여 인공강우를 분사하는 장치로서 2(W)*2(L)*2.6(H) m의 높이로서 총 3개로 구성에 있으며 3개의 분리된 프레임은 연결이 가능하여 2(W)*6(L)*2.6(H)m로도 구성할 수 있다. 이동-조립형 강우 모사 장치는 Fig. 2와 같으며 프레임(frame), 노즐(nozzle), 펌프, 유량계, 밸브, 오실레이터, 물탱크로 이루어져 있다.
2.1.2 주차장형 LID 시스템
한국 GI&LID 센터에서는 주차장을 주요 집수면으로 하고 우수 저류조, 식생저류조 등과 연계가 가능한 LID 검증 시설이 구축되었다. 주차장은 10.85 × 2.3 × 0.9 (m) 크기로 콘크리트 박스 형태로 구성되어 있다. 따라서 원지반으로의 기저유출이 발생하지 않으며 시설 내 저류 및 유출의 정량적인 분석이 가능하도록 구축하였다. 주차장형 LID 시스템의 단면 및 조감도를 Figs. 3 and 4로 나타내었다.
2.1.3 모니터링
주차장형 LID 시스템의 모니터링을 위한 샘플링박스의 크기는 700 × 400 × 500 (mm)이며, 덮개를 씌워서 모니터링의 오차를 줄이도록 구성되었다(Fig. 5). 샘플링 박스 내부는 티핑버킷이 고정 위치되어 있으며, 주차장형 LID 시스템을 통해 유출된 침투 유출수, 지표유출수를 각각 모니터링 할 수 있는 구조로 구성되었다.
2.1.4 K-LIDM
K-LIDM 모형은 WWHM (Western Washington Hydrologic Model)을 한국형으로 개발한 모형으로 HSPF (Hydrological Simulation Program - FORTRAN) 모형을 기반으로 한 강우유출해석이 가능하며 LID시설의 상세제원에 대한 홍수추적을 엄밀하게 수행할 수 있으며 강우유출해석은 홍수유출해석, 유역유출연속모의를 수행할 수 있으며 개별 토지이용별 유역, 측방유입(투수유역), 측방유입(불투수유역)에 대한 해석을 개별적 혹은 복합적으로 수행할 수 있다. 모형에서 가장 중요한 부분인 LID 시설은 투수성토장, 식생체류지, 옥상녹화, 빗물집수통, 식생여과대, 수목여과박스, 침투저류지, 침투트렌치, 식생수로, 모래여과 등 10개 LID 시설이 탑재되어 있다. 또한, SWMM의 유역유출모의 및 우수관로 홍수추적 연계가 가능하다.
또한 투수포장 시스템의 구성 단면인 받침안정층, 쇄석층의 깊이 및 공극율, 유공관의 배치, 포장체의 공극율 등을 매개변수로 활용할 수 있어 채택하였다. K-LIDM 모형은 구성은 Fig. 6과 같다.
2.2 실험방법
2.2.1 선행토양함수조건
강우에 의한 유출수는 선행토양함수조건에 대하여 크게 변화하며, 유출지수 고려에 큰 영향을 끼친다(Kim and Ahn, 2012). 선행 5일 강수량의 기준에 따라 직접 유출량을 추정하여 정확도를 높힐 수 있다(Yoo et al., 2014). 투수형 LID 시스템의 단면을 구성하는 보조기층 등의 토양, 모래층 역시 선행 강우에 따른 토양함수율에 따라 지표유출, 침투유출에 영향을 받는다. 따라서 NRCS-SCS (The Natural Resources Conservation Service-Soil Conservation Service)의 선행 강우에 의한 선행 토양함수 조건(Antecedent Soil Moisture Condition, AMC)과 같이 유출 저감 성능 시험에서도 선행 토양함수 조건을 설정 해야한다. AMC 조건은 33.56 mm 미만은 AMC-I, 이상은 AMC-II 이며, 53.34 mm 이상은 AMC-III로 구분한다.
강우 모의를 통한 투수형 LID 시스템의 유출 저감 성능 시험을 위하여 선행토양함수조건을 구분해야 하며, 아래 조건을 통하여 선행 토양함수 조건을 AMC-II의 조건으로 설정하여 실험을 진행하였다.
강우 모의 5일 이내 자연강우 발생시
(1) AMC-III의 조건일 경우, 예정된 강우 모의 시험을 실시
(2) AMC-I, AMC-II 조건일 경우 AMC-III 조건인 53.34 mm의 강우량을 충족할 수 있도록 추가 살수를 실시
2.2.2 투수아스팔트 LID 시스템
투수 아스팔트 포장체는 기존의 아스팔트와 달리 지표면의 빗물이 포장체를 통해 지반으로 침투, 이동하는 기술로, LID 침투 요소기술의 대표 기술 중 하나이다. 본 연구에 적용한 투수포장체의 특이사항은 하부 기층의 골재층(25 mm)의 두께 300 mm 중 상부 100 mm가 콘크리트-지오셀 복합 구조보강재로 대체되어 구축되었다. 또한 구조보강재의 설치에 따라 재료 분리를 위한 토목섬유가 추가로 설치되면서 투수 아스팔트 포장체에는 3개층의 토목섬유가 설치되었다. 재료 분리를 위한 토목섬유는 시스템의 전체 투수성능에 영향을 주지 않는 제품을 사용하였다. 투수 아스팔트 포장체는 투수성 포장에 가장 일반적으로 쓰여지는 PG76-22를 사용, 공극율은 20%를 목표로 설계되었다. 골재기층의 입도는 미국 ASCE (American Society of Civil Engineers) 개립도 골재규격에 따라 Fig. 7과 같이시공을 수행하였다.
2.2.3 강우시나리오
강우량은 2017년에 행정안전부에서 제시한 지역별 방재성능목표 강우량 중 부산지역의 방재성능목표 강우량을 분사하여 각 강우량별로 표면 유출량, 표면 유출고, 발생시간, 배수유량, 배수유량 유출고, 발생시간 등을 측정하였다. 방재성능목표 강우량은 홍수, 호우 등에 의한 재해를 예방하기 위해 방재 정책 등에 적용할 강우량의 목표로 정의하고 있으며, 지역별로 재현기간 30년 빈도 상당의 확률 강우량에 미래 기후변화 시나리오로 예측되는 강우 증가율을 고려하여 할증률을 적용한 예측 강우량이다(MIS, 2017). 할증률을 적용한 후 값의 단위를 5 mm 기준으로 상향 적용하여 기준을 제시하고 있다. 본 연구에서 적용한 부산지역의 방재성능목표 강우량은 Table 1과 같다.
해당 강우량이 적용된 부산지역은 미래강우 증가율이 기준인 5%를 초과할 것으로 예측되는 관심지역으로 8%까지 할증률 상향 여부를 검토할 수 있도록 권고하고 있지만, 본 연구에서는 고시된 부산지역의 방재성능목표 강우량을 수정 없이 적용하였다.
Table 1.
Volume and occurrence time of outflow and equilibrium outflow for impervious pavement
2.3 투수-불투수 면적비
2.3.1 K-LIDM 구축 및 검증
투수형 LID 시스템 중 투수형 아스팔트 모형 구축을 위하여 설계 도면의 제원을 바탕으로 K-LIDM 모형을 구축하였으며, 실외 투수형 LID 실증 시설 및 이동-조립형 강우 모의 장치 실험값과 비교하였다. 투수형 아스팔트의 K-LIDM 모형을 구축하기 위해 시설 제원, 투수 포장층, 침투 등의 자료를 구축하고 결과를 Table 2에 나타내었다.
Table 2.
Parameter of permeable Pavement for K-LIDM
이동-조립형 강우모의장치를 이용한 투수 아스팔트 시스템의 성능 검증 실험값을 이용하여 모형의 유출량과 비교하였다. 결과값은 각 강우 100, 145, 175 mm/hr의 강우에 대한 동일면적의 침투 유출수량으로 Tables 3 and 4는 실험에 사용된 강우사상과 결정계수에 대해 나타내었다. 3개의 이벤트에서 결정계수는 0.86~0.89로 나타났으며, NSE 값은 0.83~0.88로 나타났다. Fig. 8은 투수형 아스팔트의 K-LIDM 모형의 결과값과 강우모의 실험값을 비교한 그래프이다.
Table 3.
Rainfall event of permeable pavement
|
Total Rainfall (mm) |
Duration (hr) | Peakflow | ||
| Observation (L/5 mins) | Simulation (L/5 mins) | |||
| 1 | 100 | 1 | 155.2 | 199.7 |
| 2 | 145 | 2 | 151.88 | 149.77 |
| 3 | 175 | 3 | 136.43 | 124.77 |
Table 4.
Result of flow calibration and verification
2.3.2 투수-불투수 면적비 산정 방법
투수-불투수 면적비의 산정을 위해 구축된 K-LIDM 모형을 활용하였다. 불투수면을 통하여 발생한 지표유출이 투수형 LID 시스템으로 과도하게 이송 될 경우 투수면에 지표유출이 발생하게 되며, 해당 불투수면적을 투수면적에 대한 지배면적으로 정의하였다. 지배면적의 산정을 위해여 K-LIDM 모형으로 불투수 면적을 0.1 ha씩 증가시키는 시행착오법을 적용하였으며, 투수포장의 폭은 도심지 내 소로 및 중로의 폭을 감안하여 각각 6, 12, 24 m의 시나리오를 설정하였다. 단위길이당 홍수저감 효과의 판단을 용이하게 하기 위해 투수포장 구역의 길이를 100 m로 가정하고 적용하였다. 강우 시나리오는 유출저감 산정 방법 중 하나인 퍼센타일 기법에 따라 25 mm/hr를 기준으로, 강우 지속시간 60분 기준 5년, 500년 빈도인 50, 100 mm/hr를 채택하여 총 9개의 시나리오를 설정하여 Table 5에 정리하였다.
3. 투수면적비 산정 결과
투수형 아스팔트를 사용한 LID 시스템의 지배면적 분석을 위해 강우량 별 투수성 포장 면적의 시나리오에 대해서 분석하였으며, 전체 면적에 대한 투수 면적의 비율을 나타내었다.
1) 강우량 25 mm/hr의 경우 면적 0.06 ha에서 지표 유출을 발생시키는 불투수 면적은 1.71 ha로 분석되었으며, 유역의 총 면적 1.77 ha에 대하여 3.51%의 투수면으로 유역 내 지표 유출을 100% 저감 시킬 수 있었다. 해당 불투수 면적의 첨두 유량은 70.61 m3/5 mins 였으며, 투수포장면을 통해 침투-배수된 최대 유량은 7.72 m3/5 mins로 나타났다. 전체 불투수 유역의 경우 강우 발생 55분에 첨두 유량이 발생하였으며, 투수면적을 포함한 유역의 최대 침투 배수는 강우 시작 80분에 나타났다. 면적 0.12 ha의 경우 지표 유출을 발생시키는 불투수 면적은 2.6 ha로 분석되었으며, 유역의 총 면적 2.72 ha에 대하여 4.62%의 투수면으로 유역 내 모든 지표 유출을 저감 시킬 수 있었다. 해당 불투수 면적의 첨두 유량은 108.50 m3/5 mins 였으며, 투수포장면을 통해 침투-배수된 최대 유량은 6.61 m3/5 mins로 나타났다. 전체 불투수 유역의 경우 강우 발생 55분에 첨두유량이 발생하였으며, 투수면적을 포함한 유역의 최대 침투 배수는 강우 시작 95분 후에 나타났다. 면적 0.24 ha의 경우 지표 유출을 발생시키는 불투수 면적은 4.44 ha로 분석 되었으며, 유역의 총 면적 4.68 ha에 대하여 5.41%의 투수면으로 유역 내 모든 지표유출을 저감 시킬 수 있는 것으로 나타났다. 해당 불투수 면적의 첨두유량은 186.70 m3/5 mins로 분석되었으며, 투수포장면을 통해 침투-배수된 최대 유량은 6.1 m3/5 mins로 나타났다. 전체 불투수 유역의 경우 강우 발생 55분에 지표에서 첨두 유출이 발생하였으며, 투수면적을 포함한 유역의 최대 침투 배수는 강우 시작 110분 후에 나타났다.
2) 강우량 50 mm/hr에 대하여 투수 포장 면적 각각 0.06 ha, 0.12 ha, 0.24 ha의 지배면적은 각각 0.79 ha, 1.19 ha, 2.01 ha로 나타났으며, 이는 전체 유역면적 0.85 ha, 1.31 ha, 2.25 ha에 대하여 7.59%, 10.08%, 11.94%의 면적비율을 필요로 한다. 각각의 면적에 대하여 불투수 유역의 첨두유량은 67.92 m3/5 mins, 104.67 m3/5 mins, 179.79 m3/5 mins로 나타났으며, 3가지 시나리오 모두 강우 모의 55분 후에 발생하였다. 각 투수 면적의 침투-배수 최대 유량은 8.00 m3/5 mins, 6.83 m3/5 mins, 6.29 m3/5 mins로 분석되었으며, 각 시나리오별 강우 발샐 75분, 85분, 100분 후 최대 침투-배수 유량이 발생하였다.
3) 강우량 100 mm/hr에 대하여 투수 포장 면적 각각 0.06 ha, 0.12 ha, 0.24 ha의 지배면적은 각각 0.36 ha, 0.53 ha, 0.88 ha로 나타났으며, 이는 전체 유역면적 0.42 ha, 0.65 ha, 1.12 ha에 대하여 16.67%, 22.64%, 27.27%의 면적비율을 필요로 한다. 각각의 면적에 대하여 불투수 유역의 첨두유량은 67.16 m3/5 mins, 103.94 m3/5 mins, 179.10 m3/5 mins로 나타났으며, 3가지 시나리오 모두 강우 모의 55분 후에 발생하였다. 각 투수 면적의 침투-배수 최대 유량은 8.26 m3/5 mins, 7.07 m3/5 mins, 6.50 m3/5 mins로 분석되었으며, 각 시나리오별 강우 발샐 70, 80, 90분 후 최대 침투-배수 유량이 발생하였다.
Fig. 9의 추세곡선을 활용하여 각 강우에 대한 투수면적 0.1 ha의 지배면적을 살펴보면 강우 25 mm/hr의 경우 2.393 ha의 지배면적으로 산정되었으며, 50 mm/hr의 경우 1.099 ha, 100 mm/hr의 경우 0.494 ha의 지배면적을 보였다. 각 강우량에 대한 지배면적의 수렴값은 7.02 ha, 3.07 ha, 1.27 ha로 나타났다. 투수포장면의 면적이 넓어지더라도 최대 지배면적의 70% 이상의 면적에서는 투수포장면의 증가에 대하여 지배면적의 증가 효율이 저조한 것으로 나타났다. 세 강우에 대하여 최대 지배면적의 70%에 해당하는 수치는 4.928 ha, 2.150 ha, 0.89 ha로 나타났으며, 이는 각 투수 면적 0.29 ha, 0.27 ha, 0.24 ha로 나타났다. 즉 해당 투수포장 LID 시스템의 적정 면적은 0.24~0.29 ha로 유역 내 설치 면적을 배치하는 것이 타당할 것으로 판단하였다. Table 6은 각 강우 시나리오에 대하여, 투수포장 면적별 최대 지배면적의 모델링 결과를 나타내었다.
Table 6.
Pervious-impervious area ratio of permeable asphalt
4. 결 론
본 연구에서는 불투수유역의 면적의 강우 유출수 저감을 위한 투수면적 비율을 산정하였다. 이를 위해 투수 아스팔트 시스템의 강우모의 실험을 실하였고, 그 결과를 토대로 K-LIDM 모형을 구축, 시행착오법을 통해 목표 강우에 대한 투수-불투수 면적비를 산정하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
첫째, 강우강도에 따라 불투수 면적에 대한 투수면적비는 25 mm/hr에서 3.51%~5.41%, 50 mm/hr에서 7.59%~11.94%, 100 mm/hr에서 16.67%~27.27%로 강우강도와 투수면적비는 선형으로 증가하지 않았다. 또한 투수면적이 클수록 지표유출 저감을 위한 투수-불투수 면적비율이 증가하였다. 따라서 작은 투수 포장 면적의 적절한 배치를 통해 불투수 면적에서 발생하는 지표 유출을 저감 시키는 것이 효과적일 것으로 판단된다.
둘째, 투수포장을 통해 첨두 발생 시간을 25~55분까지 지체시킬 수 있으며, 첨두 유출은 87.70%~96.72%까지 저감되었다. 하지만 투수면적이 2배 혹은 4배로 증가하더라도 첨두 유출 저감율은 크게 변화하지 않았으며, 효율적인 첨두 유출 저감을 위해서는 도시 소유역 내 소규모 투수 면적을 늘이는 것이 더욱 효과적일 것으로 판단된다.
셋째, 목표 저감 강우량이 높을수록 요구되는 투수 면적의 비율은 급격하게 상승한다. 0.06 ha의 투수면적에 대하여 25 mm/hr의 저감은 3.51%의 투수면적비로 가능하지만, 100 mm/hr의 강우에 대한 지표유출 저감을 위해서는 16.67%의 투수면적비가 필요하다. 따라서 적절한 목표 저감 선정이 필요할 것으로 사료된다.
결국 도시 유역 말단에 투수포장 등 투수면적을 배치하는 것 보다 유역의 곳곳에 투수포장 등을 배치하여 적은 투수면적으로 효율적인 유출 저감 성능을 발휘하게 할 수 있다는 것을 정량적으로 보여주었다. 투수포장에 대한 실증적 연구를 기반으로 도시유역 내 적용이 확대되어 보다 나은 기능을 제공하게 될 수 있기를 기대한다.
