1. 서 론
2. 실험 시설 구축 및 방법
2.1 수리 실험 시설 구축
2.2 실험 조건 및 방법
3. 실험 결과 및 분석
3.1 빗물받이 형태에 따른 수심 변화
3.2 빗물받이 형상에 따른 유속 및 유량 변화
4. 결론 및 고찰
1. 서 론
최근 설계강우를 초과하는 극한강우의 발생 빈도가 증가함에 따라, 도시 배수 시스템의 용량을 초과하는 사례가 빈번하게 발생하고 있으며, 이로 인한 도시 침수 문제가 지속적으로 대두되고 있다. 도시 침수는 불투수면적과 인구밀도가 높은 도시 지역에서 인명 및 재산에 막대한 피해를 유발하는 주요 자연재해로 분류된다.
특히, 도시 내 가장 넓은 불투수면적을 차지하는 도로에는 빗물받이(Grate inlet, Catch basin 등으로 쓰임)와 측구(Gutter)를 설치하여 지표면에서 발생하는 빗물을 차집해 하부 배수 시스템으로 유도함으로써, 도로 표면 유출수를 분산시켜 도시 침수를 예방하는 기능을 하고 있다.
하지만 실질적으로 배수 시스템의 용량 초과 및 유입구 막힘으로 인해 빗물받이를 통한 유출수의 원활한 배출이 거의 이루어지지 않는다는 연구가 있었으며(Leitão et al., 2017; Cavdar and Uyumaz, 2022), 하부 배수 시스템이 수문학적·수리학적으로 최적 설계되었더라도, 지표수가 빗물받이의 형태에 따라 측구로의 차집 능력이 달라지게 되며, 평상시 담배꽁초, 쓰레기, 낙엽 등에 의해 막힐 경우 제 기능을 하지 못해 도시 침수를 더욱 악화시키는 원인이 되기도 한다.
도시 배수 시스템에 대한 실험적 연구는 Black (1967)의 여섯 가지 형태의 빗물받이와 복합 유입구를 대상으로 종·횡방향 경사를 고려한 유입 효율곡선식을 도출한 것이 시초이다. 이후 Gómez and Russo (2011)는 다양한 빗물받이 유입구를 실물 모형으로 제작하여 물리적 실험을 수행하였으며, Manuel et al. (2012)은 유입구 막힘에 따른 빗물받이 효율 저하 측정 실험을 진행한 바 있다.
일반적으로 지표와 지하 배수 과정 간의 수리학적 연계는 다양한 도시 우수 배수구조물(예: 유입구, 연석 개방형 유입구, 복합 유입구, 횡방향 빗물받이, 경사 빗물받이 등)을 통해 구현된다. 이러한 구조물에서의 수리학적 거동 특성은 빗물받이의 형상과 기하구조, 그리고 인근 지역에서 발생하는 우수 흐름의 특성에 따라 크게 달라지며(Cárdenas-Quintero and Carvajal-Serna, 2021), 이에 대한 이해는 도시 침수 저감을 위한 효율적인 배수 시스템 설계에 필수적이다.
국내에서는 주로 도로 측구에 설치된 빗물받이를 대상으로, 규모, 측구 유량, 측구 종·횡경사, 유입수심, 연결관의 수 등을 변수로 한 실험을 통해 차집유량 산정식을 도출하는 연구가 다수 수행되어 왔다(Lee et al., 2003; Choi et al., 2016; Kim et al., 2016; Kim et al., 2021). 이와 더불어 Chang et al. (2008)은 빗물받이의 설치 간격, 우수관거의 관경, 관로 연장 및 경사를 고려한 최적 설계 모형을 제시하였으며, Lee et al. (2021)은 Fluent 모형을 활용해 빗물받이 유입부 및 연결관에서의 유동 특성을 해석하였다. 또한 Kim et al. (2006)은 표면 막힘 정도에 따른 차집효율 변화를 검토하였고, Jo and Kim (2024)은 도로 종·횡 경사, 빗물받이 기하조건, 강우강도를 변수로 한 수리모형 실험을 수행하였다.
국립재난연구원(NDMI, 2013)는 1/10 축척의 수리모형 실험을 통해 도로의 종·횡경사 및 수심 조건에 따른 차집 유량식을 빗물받이 크기별로 4가지 유형으로 제시하였으며, 이를 통해 경사와 수심이 차집 유량에 미치는 영향이 크다는 점을 규명하였다. 기존 연구는 주로 축소모형이나 수치모형을 활용하여 빗물받이의 차집 효율과 유입 특성을 분석하였으나, 실제 도로 규모 조건에서의 유동 특성을 반영한 실험적 검증은 미흡한 실정이다.
이에 서울연구원(SI, 2024)은 국내 도로에 적용 중인 6종의 빗물받이를 3D 스캔하여 투수면적을 산정하고, 이를 기반으로 배수 효율을 제시하였다. 또한 각 형상별 표면 차폐율(0~70%)에 따른 수리 실험을 수행하여 배수 효율을 분석하고, 이를 바탕으로 서울형 빗물받이 설치 기준(안)을 제안하였다. 이는 빗물받이의 투수율과, 표면 차폐율에 따른 배수 효율을 검토한 연구로, 빗물받이 형상이 차집 효율에 미치는 영향을 정량적으로 규명하기 위한 실험적 연구의 필요성을 제기하였다. 이에 본 연구에서는 서울연구원 연구에서 활용된 일반형, 디자인형, 개폐형에 더해 필터형을 포함한 총 4종의 빗물받이를 대상으로 실규모 조건에서의 흐름 변화 특성과 형상별 차집 유량을 계측하였다. 이를 위해 빗물받이가 설치된 구간의 상·하류 및 측구에서 침수 상황을 재현하고, 형상별 수심·유속·차집유량 변화를 직접 계측하여 흐름 특성 변화를 정량적으로 분석하였다. 또한 빗물받이의 투수면적-차집 유량 간 상관관계식을 도출하여, 기존 연구에서 다루지 못한 형상별 차집 성능의 정량적 영향을 규명하였다. 따라서 본 연구는 서울연구원의 실험을 확장하여 빗물받이 형상별 배수 성능을 실규모 실험을 통해 검증하고 설계 기초자료를 제시하였다는 점에서 차별성을 가진다.
2. 실험 시설 구축 및 방법
2.1 수리 실험 시설 구축
본 연구에서는 경상북도 안동시에 위치한 한국건설기술연구원 하천실험센터 내 총 길이 50 m, 폭 2 m, 높이 1.25 m 규모의 순환 수로를 활용하였다(Fig. 1). 실험 수로의 종경사는 2%, 횡경사는 0%이며, 실제 도로와 유사한 조건을 모사하기 위해 Fig. 2와 같이 보도 및 도로 구간을 구분하여 설치하고, 도로 하부에 0.4 m 정사각 측구(Gutter) 및 빗물받이(Grate)를 설치하여 실규모 수리 실험을 수행하였다(Figs. 3 and 4).
실험장에는 Fig. 5(b)와 같이 레이더 수위계(Radar Level Sensor) 3개와 Fig. 5(c) 전자파 표면 유속계(Microwave Surface Velocimeter) 1개를 설치하여 일정 유입 유량 조건 하에서의 수심 및 유속을 자동 계측하였다. 레이더 수위계는 Figs. 1 and 4에서와 같이 빗물받이 설치 지점을 기준으로 상류(L1), 하류(L2), 그리고 측구 유출부(L3)에 각각 설치하였으며, 전자파 표면 유속계는 측구 유출부의 레이더 수위계와 동일 위치에 설치하여 해당 지점의 표면 유속을 자동 계측하였다.
Fig. 6은 본 연구에서 활용된 4종의 빗물받이 덮개 형상 -일반형(General), 필터형(Filter), 개폐형(Openable), 디자인형(Design)- 을 나타낸 것이다. 모든 빗물받이는 폭 400 mm, 길이 500 mm, 두께 50 mm의 국내 표준 규격을 만족하며, 보급률이 높고, 서울시에서 실사용 사례가 많은 제품을 기준으로 선정하였다.
2.2 실험 조건 및 방법
본 실험은 앞서 구축한 실험 시설을 기반으로, 빗물받이 덮개 형상에 따른 수리학적 흐름 특성의 차이를 정량적으로 분석하기 위해 수행되었다. 빗물받이 형상에 따른 차집 효율 평가를 위해 각 빗물받이별 불투수/투수 면적률을 Table 1과 같이 직접 측정을 통해 산정하였다. 산정된 불투수면적은 향후 측구를 통해 차집되는 유량과 상관성 분석을 통해 차집 효율 평가 자료로 활용될 예정이다.
Table 1.
Permeable and impermeable areas and ratios of grate
실험 조건은 도시 침수 상황을 모사하기 위해 펌프 유입 유량을 0.34 m3/s로 설정하고, 각 케이스별 30분간 일정한 유량을 유지하며 수행하였다. 수심과 유속은 초음파 수위계 및 전자파 표면 유속계를 활용하여 10초 간격으로 자동 계측하였으며, 빗물받이 상·하류 지점에서는 휴대용 음향 도플러 유속계(Acoustic Doppler Velocity, ADV)를 활용하였다. ADV는 Figs. 1 and 4에 표시된 빗물받이 설치 지점을 기준으로, 상류 약 1 m (ADV (Up)), 하류 약 3 m (ADV (Down)) 지점에서 직접 계측하였다. 각 지점에서는 Fig. 7과 같이 하상으로부터 수심의 1/2 위치에서 120초 간격으로 총 3회 유속을 측정하였다.
Kim et al. (2016)에 의하면, 일반적으로 강우가 도로 위에 떨어질 경우, 유출수는 도로 표면을 따라 하류 방향으로 흐르게 되며, 이는 지표유출(overland flow)의 한 형태로 분류된다. 이러한 흐름은 도로의 횡경사 및 종경사에 따라 양측에 설치된 측구로 집중되며, 체계적인 배수를 위해 일정 간격으로 설치된 빗물받이를 통해 차집된다. 이때 도로 상에 균일하게 빗물받이가 배치되어 있다고 가정하면, 최하단부에 설치된 빗물받이에서의 유출량은 상류 구간에서 집적된 전체 유출량과 동일한 것으로 간주할 수 있다. 따라서 빗물받이 위를 흐르는 총 유출량()은 빗물받이를 통해 측구로 유입된 유량()과 통과하는 유량()의 합으로 표현되며, 이는 다음 식 Eq. (1)과 같이 정리할 수 있다.
여기서 총 유출량()은 펌프의 유입 유량(0.34 m3/s)으로 설정하고, 는 빗물받이를 통해 측구로 유입된 차집 유량으로 볼 때, 빗물받이를 통해 차집되지 않고 표면을 따라 유출된 유량()을 산정할 수 있다. 이를 통해 각 형상에 따른 우수 차집 효율을 비교·평가하였다. 특히 측구에서의 유량은 계측된 수심 및 유속 데이터를 활용하여 Eqs. (2) and (3)에 의해 측구로 유입된 유량()을 산정하였다.
여기서, 는 측구로 유입된 유량(m3/s), 는 측구 단면적(m2)을 의미하며, Eq. (3)과 같이, 측구 가로길이(, m), 측구에서의 시간별 계측 수심(, m)을 적용하였다. Eq. (4)의 는 단면 평균 유속으로, 측구에서 계측된 지점 유속(, m/s)에 미국지질조사국(US Geological Survey, USGS)에서 제시하고 있는 전자파 표면유속계 환산계수 0.85를 곱하여 보정하였다(USGS, 1982).
3. 실험 결과 및 분석
3.1 빗물받이 형태에 따른 수심 변화
도시 침수 상황에서 빗물받이 덮개 형상이 수리학적 흐름 특성에 미치는 영향을 분석하기 위해 수로 상류, 하류, 측구 등 3개 지점에 레이더 수위계를 설치하여 수심 변화를 자동 계측하였다. 계측된 데이터는 품질향상을 위해 Z-score 기반 보정 기법을 적용하여 Eq. (5)와 같이 평균과 표준편차를 활용한 이상치 판별 기준에 따른 데이터 보정을 실시하였다.
여기서 는 표준화 된 값(Z-value), 는 계측값(raw data), 𝜇는 평균, 𝜎는 표준편차를 의미한다. 이는 곧, 정규분포를 가정하여, Fig. 8에 제시된 바와 같이, 전체 수심 데이터 중 약 95.45 %가 ±2 표준편차(2σ) 범위 내에 존재한다고 간주하였으며, 해당 범위 내의 값을 정상 구간으로 판단하여 이를 기준으로 보정을 수행하였다. 이는 전체 데이터의 약 95%가 정상 범위로 간주 된다는 통계적 해석에 기반한 보정 결과로 데이터 품질 향상을 위해 실무에서 일반적으로 많이 활용되고 있는 방법이다.
실험 결과, Table 2 및 Fig. 8에서 볼 수 있듯이, 상류 지점(L1)에서는 가장 높은 수심이 계측되었다. 이는 집중호우 시 유입 유량이 일시적으로 상류부에 집중되며, 하류로의 배출이 이루어지기 전까지 흐름이 일시적으로 정체되는 현상에 기인한 것으로 판단된다. 반면, 하류 지점(L2)에서는 유입수가 빗물받이를 통과하는 과정에서 일부 유량이 측구로 차집되고, 잔류 유량이 빗물받이 표면을 통과하면서 국부적인 수면 낙차(Plunging flow)가 형성되는 것으로 관측되었다(Fig. 10). 이러한 현상은 빗물받이 하류부의 수심이 얕을수록 차집 효율이 높음을 의미하며, 이는 곧 빗물받이 주변부의 침수 저감 성능과도 직접적인 연관이 있다. 마지막으로 측구 말단부에 위치한 L3 지점에서는 유입수가 측구를 통해 원활히 배출되는 경우 상대적으로 높은 수심이 형성되는 경향을 보였다. 이는 배수 효율이 향상됨에 따라 일시적으로 유량이 집중되기 때문으로 판단된다.
Table 2.
Average water depths at three measurement points
| Specification | Water Depth (m) | ||
| L1(Up) | L2(Down) | L3(Gutter) | |
| General | 0.158 | 0.089 | 0.222 |
| Filter | 0.163 | 0.092 | 0.148 |
| Openable | 0.163 | 0.113 | 0.116 |
| Design | 0.164 | 0.127 | 0.093 |
각 형상별 수심을 비교한 결과, 상류 지점에서는 모든 형상에서 유입 유량에 의해 전반적으로 유사한 수심이 형성되는 것으로 나타났다. 반면 하류 지점에서는 일반형과 필터형이 상대적으로 낮은 수심을 보였으며, 개폐형과 디자인형 순으로 수심이 높게 나타났다.
측구에서는 일반형의 수심이 가장 높았고, 필터형, 개폐형, 디자인형 순으로 낮아지는 경향을 보였다. 이는 측구에서의 수심이 높을수록 빗물받이를 통과한 유량이 원활히 배출되었음을 의미하며, 결과적으로 일반형의 배수 성능이 가장 우수했음을 간접적으로 시사한다.
다음으로, Table 3 및 Fig. 9는 빗물받이 형상별로 관측된 상류-하류 간 수심차 및 상류-측구 간 수심차를 비교·분석한 결과를 나타낸 것이다. 평균적으로 3 cm의 이러한 수심차는 빗물받이 주변부의 흐름 저항 및 유입·배수 조건에 따른 수리학적 특성을 정량적으로 파악할 수 있는 보조 지표로 활용될 수 있다.
Table 3.
Comparison of average water depth differences
먼저 상류-하류 수심차를 살펴보면, 일반형과 필터형이 가장 큰 감소율을 보여 약 43% 수준의 수심 감소가 관측되었으며, 그 뒤로 개폐형(30.9%), 디자인형(22.7%) 순으로 나타났다. 특히 디자인형의 경우, 상·하류간 수심차가 거의 없고, 빗물받이 주변 수심이 상대적으로 높게 유지되어, 배수 효율이 가장 낮은 형상으로 확인되었다.
다음으로 상류-측구 수심차를 비교한 결과, 일반형만이 측구 수심이 상류 수심보다 높게 나타나며 약 40.4%의 증가를 보였다. 반면, 필터형(-9.2%), 개폐형(-28.9%), 디자인형(-43.3 %) 순으로 수심차가 음의 방향으로 증가하였다. 이러한 경향은 상류부 체류수가 측구로 얼마나 많이 배출되었는지를 나타내는 정량적 지표로 해석될 수 있다.
Fig. 10의 실험 관찰 사진에서도 이러한 현상이 명확히 확인되었다. 일반형에서는 보도 경계부까지 차 있던 수심이 빗물받이를 통과하면서 하류부에서 급격히 낮아지고, 동시에 측구로의 차집 유량이 전체 측구 높이의 약 80% 이상을 점유하는 강한 배출 흐름이 형성되었다.
반면, 디자인형은 상류에서 거의 보도 경계부까지 차오른 수심이 대부분 표면으로 유출되어 하류 수심이 상류와 큰 차이를 보이지 않았고, 측구 내 수심 역시 가장 낮게 유지되었다. 실험 시간(총 30분) 동안 동일한 흐름 패턴이 지속된 점을 고려할 때, 디자인형의 배수 저감 성능이 가장 낮은 것으로 판단된다. 다만, 수심변화만으로 배수 성능을 단정하기에는 한계가 있으므로, 후술되는 유속 및 유량 분석 결과와 함께 차집 효율에 대한 종합적인 검토가 필요하다.
3.2 빗물받이 형상에 따른 유속 및 유량 변화
본 절에서는 빗물받이 형상에 따른 유속 및 유량 특성을 중심으로 흐름 변화를 분석하였다. 빗물받이 상류(L1) 및 하류(L2) 지점의 유속은 휴대용 음향 도플러 유속계인 Flow tracker- II를 활용하여 직접 계측하였으며, 실험시설 최하단의 개방된 측구(L3)에서는 전자파 표면 유속계를 활용하여 자동으로 계측된 유속 자료를 분석에 활용하였다.
Table 4 및 Fig. 11은 각 계측 지점(상류, 하류, 측구)에서의 평균 유속을 나타낸다. 전반적으로 하류 지점에서 가장 높은 유속(약 2.4 m/s)이 관측되었으며, 이어 상류 약 1.9 m/s, 측구 0.8 m/s 순으로 감소하는 경향을 보였다.
Table 4.
Average velocities at three measurement points
| Specification |
ADV (Up) |
ADV (Down) |
ESV (L3) (Gutter) |
| General | 1.927 m/s | 2.385 m/s | 0.928 m/s |
| Filter | 1.900 m/s | 2.449 m/s | 1.078 m/s |
| Openable | 1.890 m/s | 2.344 m/s | 0.684 m/s |
특히 측구(L3)에서 전자파 표면 유속계에 의해 자동 계측된 유속을 살펴보면, 각 빗물받이 형상에 따라 뚜렷한 차이가 나타났다. 먼저 디자인형 0.465 m/s이 가장 낮은 유속을 보였으며, 이어 개폐형(0.684 m/s), 일반형(0.928 m/s), 필터형(1.078 m/s) 순으로 유속이 증가하였다.
이러한 결과는 빗물받이 형상에 따른 유입 저항 및 차집 구조의 개방성 차이가 유속에 직접적인 영향을 미친 것으로 해석된다. 일반형은 앞서 수위 변화 검토를 통해서도 확인할 수 있듯이, 측구로의 차집 유량이 많아지면서, 측구에서의 수위가 높고, 이에 따른 적정 유속을 지속적으로 유지하여 안정적인 흐름이 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 그에 비해 필터형은 Fig. 10에서도 확인할 수 있듯이, 투수면적이 일반형에 비해 상대적으로 적고, 이에 따라 측구로 유입되는 유량도 감소되면서 빗물받이에서의 유입수가 수직 방향으로 집중 유입되는 경향을 보였다.
이러한 빗물받이에서의 수직 유입 형태는 측구 내부의 흐름을 교란시켜 국소적 난류를 심화시키는 원인이 된다. 이로 인한 파동이 측구 말단까지 지속되면서 측구 말단부에서의 유속이 가장 높게 계측되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 곧 난류 증가에 따른 구조물의 장기적 강도 저하 가능성을 시사하며, 결국 빗물받이 형상이 시설물의 내구성에 미치는 영향을 직접적으로 보여주는 결과로 판단된다.
또한 본 연구에서 활용된 디자인형 및 개폐형 빗물받이의 측구(L3)에서 유속은 ｢지하도로 설계지침(MOLIT, 2023)｣에서 제시된 배수구조물 침식 방지를 위한 유속 기준(0.8 m/s ~3.0 m/s)보다 낮은 값을 보였다. 이는 빗물과 함께 유입되는 부유물의 퇴적 및 막힘으로 인한 구조물의 성능 저하를 유발시킬 가능성이 있음을 시사한다.
Table 5 및 Fig. 12는 빗물받이 형상별 상류-하류 간 유속차와 상류-측구 간 유속차를 비교·분석한 결과를 나타낸 것이다. 상류-하류 간 유속 변화율은 디자인형이 29.3%로 가장 높았으며, 개폐형이 21.1%로 가장 낮게 나타났다. 이는 디자인형의 투수면적(13.3%)이 가장 작아, 빗물받이를 통해 차집되는 유량보다 지표면을 따라 통과하는 유량의 비중이 크기 때문인 것으로 판단된다. 그 결과, 하류 지점에서의 유속이 상대적으로 높게 계측된 것으로 해석된다.
Table 5.
Comparison of average velocity differences
반면, 개폐형은 디자인형보다 투수면적이 약 2.5% 넓으나, 개폐 장치로 인해 유입수가 일정하게 공급되지 못하고 흐름이 불균일하게 형성되는 특성을 가진다. 이로 인해 빗물받이를 통과하는 유량이 디자인형 보다 일정한 속도로 하류로 유하하면서 유속 변화율은 상대적으로 낮게 나타난 것으로 보인다.
한편, 상류-측구 간 유속 변화에서는 개폐형이 가장 큰 차이를 보였다. 이는 앞서 설명한 바와 같이, 개폐 장치의 영향으로 빗물받이 내부에서의 유입이 일정하지 못하고, 유량이 순간적으로 집중 또는 분산되는 현상이 반복되기 때문으로 해석된다. Fig. 10에서도 확인할 수 있듯이, 빗물받이의 대부분 형상(일반형 제외)에서 수직 방향의 유입 흐름이 발생하며, 특히 디자인형은 차집 유량 자체가 가장 적어 측구 내 흐름 교란이 상대적으로 작고, 이에 따라 유속도 가장 낮게 계측되었다. 반면 개폐형과 필터형은 디자인형보다 투수면적이 넓고, 측구 내 수위가 상대적으로 높아지면서 내부 흐름의 교란이 크게 발생하였고, 그 결과 측구 내 유속 변화가 가장 크게 나타난 것으로 판단된다.
Table 6 및 Fig. 13은 각 빗물받이 형상별 평균 유량 및 차집 효율을 나타낸 것이다. 여기서 차집 효율(Drainage Efficiency, DE)은 빗물받이를 통해 측구로 유입된 유량이 총 유량에서 차지하는 비율로 정의되며, 다음 Eq. (5)에 의해 산정되었다.
여기서 은 측구로 유입된 차집 유량(CMS)을 의미하며, 는 빗물받이로 차집되지 않고, 지표면을 따라 통과된 유량을 의미한다.
Table 6.
Average discharge at the gutter outlet
| Specification | (CMS) | Ratio (DE) | (CMS) |
| General | 0.070 | 20.6 | 0.270 |
| Filter | 0.052 | 15.4 | 0.286 |
| Openable | 0.027 | 7.9 | 0.313 |
| Design | 0.015 | 4.3 | 0.325 |
분석 결과, 전체 유입 유량의 80% 이상이 표면 유출 형태로 배출되는 것으로 나타났다. 형상별 차집 효율은 일반형이 가장 높았으며, 그 다음으로 필터형(15.4%), 개폐형(7.9%), 디자인형(4.3%) 순으로 확인되었다. 이러한 결과는 빗물받이의 형상에 따라 차집 효율이 현저히 달라짐을 보여주는 정량적 근거로, 향후 빗물받이 설계 시, 내구성과 함께 배수 효율을 종합적으로 고려한 형상 설계의 필요성을 시사한다.
본 실험 결과, 빗물받이의 차집 효율은 단순히 투수면적의 크기뿐만 아니라, 형상에 따른 표면 유동 분포 및 난류 발생 특성에 의해 크게 좌우되는 것으로 나타났다. 일반형은 단순한 직선 격자 구조로 되어 있어 유입수가 저항 없이 수직 방향으로 낙하하며, 차집 유량이 투수면적에 거의 비례하는 경향을 보였다. 이로 인해 유입수의 체류 시간이 짧고 수두 손실이 작아, 차집 효율이 상대적으로 높게 나타난 것으로 판단된다.
반면, 필터형·개폐형·디자인형은 구조적 요인으로 인해 유입수의 흐름 경로가 복잡해지는 경향을 보였다. 특히 디자인형은 투수면적이 가장 작고 격자가 불규칙하여, 유입수 대부분이 빗물받이 표면을 따라 흐르며 통과하게 된다. 이로 인해 빗물받이로의 수직 유입량이 감소하고, 표면 전단응력 증가로 인해 차집 효율이 낮아지는 것으로 판단된다.
결국 각 형상의 구조적 특성에 따라 표면 흐름 분포와, 국부 유동 저항이 달라지며, 이는 곧 차집 효율의 차이로 이어지는 것으로 해석된다. 특히 디자인형과 같이 복잡한 격자 구조를 가진 경우, 흐름이 수평 확산되거나 국부 와류가 발생함에 따라 상대적으로 큰 수두 손실이 유발될 가능성이 있다. 따라서 본 연구 결과는 단순히 투수면적 비율 뿐만아니라, 형상에 따른 유동 저항 특성을 함께 고려한 수리학적 설계 관점의 접근이 필요함을 시사한다.
마지막으로 각 빗물받이 형상별 투수 면적과 측구를 통해 유출 유량과의 관계를 분석하여 Eq. (6)과 같은 선형 회귀식을 도출하였다.
여기서 y는 측구로 유입된 차집 유량(), x는 빗물받이 투수면적(m2)을 의미한다. 회귀분석 결과는 Fig 14에 도시하였으며, 결정계수(R2)는 0.91로 높은 상관성을 보였다. 이는 빗물받이 형상별 투수면적이 측구 유출량에 직접적인 영향을 미침을 의미하며, 효과적인 빗물받이 설계를 위해 투수면적 확보가 중요함을 시사한다. 본 연구에서 도출된 상관식은 향후 도시 침수 대응을 위한 빗물받이 설계의 참고 지표로 활용될 수 있을 것이다.
4. 결론 및 고찰
최근 기후변화로 인해 설계강우를 초과하는 극한강우의 발생 빈도가 증가함에 따라, 도시 배수 시스템의 용량을 초과하는 침수 문제가 지속적으로 발생하고 있다. 특히, 불투수면적이 넓은 도로에서 발생하는 침수는 재산 및 인명 피해로 직결되며, 그 심각성은 해마다 커지고 있는 실정이다. 이에 본 연구는 도시 침수 저감을 위한 효과적인 배수 시스템 설계를 목적으로, 총 4종의 빗물받이 형상(일반형, 필터형, 개폐형, 디자인형)을 대상으로 수심 및 유속을 계측하고, 이를 바탕으로 유량을 산정하여 빗물받이 주변의 흐름 변화 특성을 실험적으로 분석하였다. 또한 측정 데이터를 기반으로 각 형상별 투수면적-차집유량과의 상관관계 식을 제시하여, 향후 빗물받이 형상 설계 시 활용 가능한 기초 지표를 제공하고자 하였다.
첫째, 빗물받이 형상에 따른 수심 분석 결과, 상류 지점에서는 모든 형상에서 유사한 수심이 관측된 반면, 하류 지점에서는 상대적으로 높은 수심이 나타났다. 이는 빗물받이의 투수면적, 차집효율과 밀접한 관련이 있는 결과로 해석된다. 일반형의 경우 하류 수심이 낮고 측구 수심이 높게 나타나, 빗물받이를 통한 유입 및 배수가 효과적으로 이루어졌음을 보여준다. 반면 디자인형은 하류 수심이 높고 측구 수심이 낮게 관측되어, 차집량 부족 및 배수 지연에 따른 성능 저하 가능성이 확인되었다. 또한 상·하류 간 수심 차가 클수록 유입수가 빠르게 배출되는 경향을 보였으며, 이는 Fig. 10의 실험 장면에서도 낙차 형성과 함께 시각적으로 확인할 수 있었다.
둘째, 빗물받이 형상에 따른 유속 분석 결과, 측구(L3) 지점에서 수심이 높게 나타난 일반형과 필터형의 경우, 유속 또한 높게 관측되었다. 이는 유입 유량이 효과적으로 측구를 통해 배출되었음을 의미한다. 그러나 필터형의 경우 일반형보다 투수면적이 작아 차집 유량이 감소하였고, 그 결과 측구 내 여유 공간이 형성되었다. 이러한 구조적 특성은 수직 유입 시 국부적인 와류를 유발하여 흐름을 교란시키며, 결과적으로 말단부 유속을 증가시킨 것으로 판단된다. 이 현상은 반복적인 국부 와류 발생에 따른 구조물 피로 손상 가능성을 시사하는 결과로, 빗물받이 형상이 시설물 내구성에 미치는 영향을 직접적으로 보여준다.
또한 디자인형과 개폐형은 ｢지하도로 설계지침｣(MOLIT, 2023)에서 제시한 배수구조물 침식 방지 기준 유속(0.8~ 3.0 m/s)을 하회하는 것으로 나타났다. 이는 유속 저하로 인한 부유물 퇴적 및 통수능 저하를 초래할 수 있으며, 해당 형상이 적용된 지역에서는 유지관리 주기의 단축 또는 차집 효율이 높은 형상으로의 교체가 필요할 것으로 판단된다.
셋째, 유량 분석 결과, 전체 유입 유량(0.34 m3/s) 중 측구로 유입된 유량을 기준으로 차집 효율을 분석한 결과, 일반형이 20.6%로 가장 높은 성능을 보였고, 이어서 필터형(15.4%), 개폐형(7.9%), 디자인형(4.3%) 순으로 나타났다. 이는 빗물받이의 형상에 따라 차집 효율이 현저히 달라짐을 보여주는 정량적 근거이다.
넷째, 각 형상의 투수면적-차집 유량 간 상관성 분석을 통해 선형식을 제시하였으며, 결정계수(R2)는 0.91로 매우 높은 상관성을 나타냈다. 이는 투수면적이 측구 유출량에 직접적인 영향을 미친다는 점을 의미하며, 향후 도시 침수 대응을 위한 빗물받이 형상 설계 시 유용한 참고 지표로 활용될 수 있을 것이다.
종합적으로, 본 연구를 통해 빗물받이 형상별 구조적 특성에 따른 표면 흐름 분포와 국부 유동 저항이 차집 효율에 직접적인 영향을 미친다는 점을 확인하였다. 일반형은 단순한 격자 구조로 인해 유입수가 저항 없이 수직으로 낙하하면서 수두 손실이 적고, 차집 효율이 높은 경향을 보였다. 반면, 디자인형, 개폐형, 필터형은 구조적 복잡성으로 인해 흐름이 수평 확산되거나 국부 와류가 발생하여 상대적으로 큰 수두 손실이 유발되는 경향을 보였다. 이러한 결과는 빗물받이 형상설계 시, 단순히 투수면적 비율 뿐만 아니라, 형상에 따른 유동 저항 특성을 함께 고려한 수리학적 설계 접근의 필요성을 시사한다.
따라서 본 연구의 결과는 향후 도시 배수계획 수립 및 관련 시설물 설계 시, 실질적인 기준 개선과 기술적 근거로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 다만, 본 연구는 4가지 대표적인 형상 및 단일 유량 조건에 한정된 실험으로, 실제 도시 현장의 다양한 강우 조건을 충분히 반영하지 못한 한계가 있다. 따라서 향후 연구에서는 실제 국내에 적용 중인 다양한 구조의 빗물받이를 대상으로, 투수면적과 차집 유량 간의 상관관계를 정량적으로 규명하고, 다양한 강우 조건에서의 빗물받이 차집 성능 평가를 수행함으로써 기후위기 대응을 위한 정량적 성능 평가 기반을 마련할 필요가 있다.
