Water for Future
도시유역 수문/수질 분석을 위한 불투수지 역 면적 산정에 관한 고찰 : Sutherland식과
DCIA 분석을 중심으로
도시유역의 가장 큰 특징 중 하나는 바로 불투 수 면적의 존재이다. 불투수 면적의 존재는 도시 유역의 수문현상에 큰 영향을 준다. 일반적으로 도시화가 충분히 진행되어 불투수 면적의 비율이 큰 유역의 경우 첨두유량이 증가하거나, 도달시 간이 짧아지는 특징을 가진다. 또한 불투수 면적 증가는 침투량의 감소와 지하수 함양을 줄어들게 할 수 있는 가능성을 높이며, 하천의 건천화, 수 생태계의 변화 등 다양한 환경문제를 야기하고 있 는 실정이다(Leopld, 1968; Sauer et al., 1983;
Walsh et al., 2005; Moglen and Shivers, 2006; Miller et al., 2007). 도시의 발전과 더불 어 지속가능한 수환경의 유지를 위해서는 앞서 언 급한 불투수 면적의 비율을 가능한 줄일 필요성
이 있다. 본고에서는 국내에 아직 소개된 적이 없 는 도시유역 불투수 면적에 대한 새로운 개념인 DCIA(Directly Connected Impervous Areas)와 이를 산정하는 경험식의 하나인 Sutherland 식을 소개하고자 한다. 또한, 서울 11개 소유역에 대하 여 GIS와 Sutherland 식을 사용한 DCIA 분석 결 과에 대한 비교검토 결과를 제시하고자 한다.
DCIA와 Sutehrland 식
도시유역의 수문해석을 위해서 반드시 수행하 여야할 과정 중 하나는 유역내 불투수 면적의 비 를 산정하는 것이다. 현재까지 국내의 도시유역 관련 실무 혹은 연구에서는 유역 불투수율, 즉 불 투수 지역의 면적비를 산정할 때, 유역내 전체 불 투수지역의 면적을 총 유역면적으로 나누어서 이 를 산정하여왔다. 지금까지 산정한 불투수 면적 비(TIA)가 도시화에 따른 물의 흐름을 변화시키 는 주요 지표로 사용되어 왔으나, 최근 연구에 따 르면 불투수 면적비(TIA)의 부분집합 격인 DCIA 또는 EIA를 주요지표로 사용하기를 제안하고 있 다(Booth and Jackson, 1997; Brabec et al., 2002; Walsh, 2004; Walsh et al., 2005a). 이 러한 이유는 도시유역이 가지는 인공적인 배수시 스템 때문이라 할 수 있다. 그림 1은 앞서 설명한 서 용 원 ●●●
영남대학교 건설시스템공학과 교수 [email protected]
황 준 식 ●●●
영남대학교 건설시스템공학과 박사과정 [email protected]
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도시유역의 물 흐름을 도식화한 것이다.
따라서 국내에서도 도시유역에 대한 수문/
수질 분석을 위해서는 기존에 사용한 TIA 방 법이 아닌 DCIA 또는 EIA개념을 도입한 불투 수 지역 산정방법이 필요하다. 미국을 비롯한 해외에서는 도시유역의 불투수 산정을 위하여 DCIA(Directly Connected Impervious Area) 또 는 EIA(Effective Impervious Area)개념을 도입 하여 사용하고 있다(Krug and Goddard, 1986;
Rouge Program Office, 1994; Walsh et al., 2002). DCIA란 우수관거 또는 하수관거가 불투수 지역과 직접적으로 연결되어 있는 지역의 면적을 의미하며, 기존에 국내에서 사용하는 방법으로 구 한 불투수면적은 TIA(Total Impervious Area) 혹 은 단순히 IA(Impervioua Area)로 구분된다.
DCIA의 개념은 수문관련 종사자들 및 우수/하 수관거 설계를 담당하는 엔지니어들이 매우 잘 알 고 있는 합리식(Rational Method)에서 출발 하였 다. 합리식은 아일랜드 엔지니어였던 Mulvaney (1850)에 의하여 처음으로 소개되었다. 약 50년 후 Llyod-Davies (1906)는 도시유역에서의 유 출이 DCIA 지역에서 100% 발생 한다고 가정한 British Lloyd-Davies 식을 제안하였다. British Llyod-Davies 이며, 현재는 로 사용하고 있다. 여기서 는 강우강 도, 는 DCIA의 면적, 는 유출계수, 는 유역면적을 나타낸다. 합리식에서의 유출계수 는 전체 불투수면적에서 DCIA의 비율을 나타낸 다.(Environmental 1983; Schueler 1994; Joint 1998)
그림 1. 도시유역에서의 물의 흐름(합류식 관거) (Butler and Davies, 2004)
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Booth와 Jackson (1997)은 도시수문에서 TIA 를 사용하는 것은 한계가 있다고 설명하였으며, 도시의 발달정도를 특정지울 수 있는 DCIA를 사 용하는 것을 제안하였다. 하지만 DCIA를 직접적 으로 산정하는 것은 매우 복잡한 과정이며, 이에 다양한 연구들을 통하여 지속적으로 DCIA를 산 정하는 방법들이 나오고 있다. 예를 들어 고해상 도의 인공위성 사진을 사용하여 토지피복을 분류 한 후 DCIA를 구하는 방법 등이 많이 소개되어지 고 있다(Lee et al., 2003). 하지만 이러한 방법 들은 고해상도의 위성사진이 제공되지 않을 경우 DCIA를 산정하기 어렵다는 단점이 있다. 따라서 현재 EPA에서 가장 많이 사용하고 있으며, 손쉽
게 DCIA를 산정할 수 있는 Sutherland 식을 소개 하고자 한다.
Sutherland 식은 Sutherland(2000)에 의하여 제 안된 DCIA를 구하는 경험식이다. Sutherland는 고 해상도의 위성사진을 사용하지 않고, 유역에서 계 측된 유량 자료와 SWMM 또는 HEC-1을 이용하여 산정한 유출량 모델링 결과값 검정(calibration)을 통하여 DCIA(EIA)를 산정하여 표 1의 식을 제안하 였다. 유역의 모든 불투수층이 완전히 배수망과 연 결된 경우(totally connected) DCIA는 IA와 일치한 다. 그 이외의 경우 토지이용에 따라 DCIA는 IA의 지수승 형태로 나타낼 수 있다.
Watershed Selection Criteria Assumed Land Use Equation (where IA(%)>1) Average Commercial, Industrial, Institutional,
Open land, and Med. density residential
Highly connected High density
Totally connected -
Somewhat connected low density residential Mostly disconnected Agricultural; Forested 표 1. Sutherland Equations (Sutherland, 2000)
DCIA 산정을 위한 Sutherland식과 GIS 분석결과 비교
본 고에서는 경험식인 Sutherland 식과 GIS로 산정한 DCIA값을 비교분석하기 위하여 자료 수집 과 구축이 용이한 서울지역을 선정하였으며, 이중 11개 소유역에 대하여 분석을 수행하였다. GIS로 DCIA를 산정하기 위하여 환경부에서 제공하고 있 는 세분류 토지피복자료를 사용하였다. 그림 2는 서울지역중 11개 소유역에 대한 위치를 나타내며, 표 2는 각 유역에 대한 기본적인 유역특성인자를 나타내고 있다.
먼저 세부토지피복 분류도와 GIS를 이용하여 11 개 대상유역에 대한 DCIA 분석을 수행하였으며, GIS 분석도구를 이용, 고립되어 있는 불투수 면적 을 제외하였다. 분석결과는 그림 3과 같다.
다음으로는 Sutherland 식을 이용하여 서울 지역 11개 소유역에 대한 DCIA 분석을 수행하였 다. Sutherland 식에서 TIA는 GIS에서 산정한 TIA 값을 이용하였으며, 표 3은 Sutherland 식 을 이용하여 DCIA를 산정한 결과이며, 표 4는 Sutherland 식과 GIS를 이용하여 DCIA 산정결과 를 비교한 결과이다.
Water for Future 표 2. 대상유역의 유역특성 인자
대상유역 유역면적(㎢) 경사(˚)
고덕 1.39 4.38
신림4 2.55 4.36
대방 2.02 2.88
신월1 1.52 3.01
논현 1.80 3.76
역삼 1.93 3.01
과해 3.19 0.504
서울대 7.39 14.31
남현 3.01 12.37
진관 6.23 14.54
쌍문1 3.28 17.26
그림 2. 분석대상 유역(서울시)
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고덕
(TIA : 32.8%, DCIA : 32.0%)
과해
(TIA : 30.7%, DCIA : 30.4%) 신월1
(TIA : 89.8%, DCIA : 89.5%)
진관 (TIA : 5%, DCIA : 4.7%)
신림4
(TIA : 69.6%, DCIA : 69.5%)
서울대 (TIA : 9.8%, DCIA : 9.6%)
논현
(TIA : 93%, DCIA : 92.9%)
쌍문1 (TIA : 2%, DCIA : 1.5%)
대방
(TIA : 82.3%, DCIA : 81.8%)
남현
(TIA : 9.8%, DCIA : 9.3%) 역삼
(TIA : 94.8%, DCIA : 94.8%)
그림 3. GIS를 이용한 DCIA 분석 결과
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Sutehrland 식과 GIS를 사용하여 DCIA를 산정한 결과 TIA가 30.7%인 과해유역에서의 Sutherland 식과 GIS 산정결과의 차이가 17.15%
로 가장 크게 나왔으며, TIA가 94.8%인 역삼 유
역에서 0.56%로 가장 낮은 차이를 보였다. 이러 한 차이가 발생한 원인은 첫 번째로 미국유역을 대상으로 산정된 경험식인 Sutherland 식을 사 용하였기 때문인 것으로 판된되며, 두 번째로는 표 3. Sutherland 식을 이용한 DCIA 산정결과
표 4. Sutherland 식과 GIS를 사용하여 산정한 DCIA결과 비교
대상유역 Watershed selection criteria TIA(%) Sutherland Equation DCIA(%)
신림4 Average 69.6 65.75
대방
High Connected
82.3 79.57
신월1 89.8 88.25
논현 93.0 92.14
역삼 94.8 94.24
고덕 Somewhat Connected 32.8 26.65
과해 30.7 24.62
서울대
Mostly disconnected
9.8 2.92
남현 9.8 2.90
진관 5 1.72
쌍문1 2 1.12
대상
유역 TIA(%) Sutherland Equation GIS TIA-GIS (%)
TIA- Sutherland
(%)
GIS- Sutherland DCIA(%) DCIA(%) (%)
쌍문1 2 1.12 1.5 0.5 0.88 0.38
진관 5 1.72 4.7 0.3 3.28 2.98
남현 9.8 2.90 9.3 0.5 6.9 6.4
서울대 9.8 2.92 9.6 0.2 6.88 6.68
과해 30.7 24.62 30.4 0.3 6.08 5.78
고덕 32.8 26.65 32.0 0.8 6.15 5.35
신림4 69.6 65.75 69.5 0.1 3.85 3.75
대방 92.3 79.57 81.8 10.5 12.73 2.23
신월1 89.8 88.25 89.5 0.3 1.55 1.25
논현 93.0 92.14 92.9 0.1 0.86 0.76
역삼 94.8 94.24 94.8 0 0.56 0.56
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Sutherland식의 분류기준(Watershed selection criteria)이 주관적인 기준을 포함하고 있기 때문 인 것으로 판단된다. 또한 TIA와 DCIA의 차이의 변화를 살펴보면 TIA 비율이 5% 에서 69.6% 사이 에서 가장 크게 나타나며, TIA가 89.8% 이상인 지 역에서는 TIA와 DCIA의 차이가 거의 없어지는 것 을 확인 할 수 있다. 즉 TIA가 89.8% 이상인 지역 은 대부분의 불투수지역이 하수관거(우수관거)와 직접적으로 연결이 되어 있기 때문에 유역에서 발 생하는 유량의 대부분이 관거를 통하여 배수되며, 이러한 결과로 고밀도 도시화 지역은 홍수시 취약 하게 될 수 있다는 것을 대변하는 것이기도 하다.
맺으며
본 고에서는 아직 국내에서 적용되지 않은 개
념 중 하나인 DCIA를 소개하고 이를 서울시에 적 용하여 경험식과 GIS를 이용한 산정결과를 비 교 분석하였다. DCIA의 개념은 도시유역에서 유 출량 산정시 매우 중요한 인자이며 이를 정확하 게 산정하는 것이 정확한 유출량 산정을 위해 반 드시 필요하다. 특히 최근 LID와 같은 그린 인프 라의 적용으로 도시유역에서 불투수 면적의 고 립화(isolation)가 이루어지고 있는 실정에서 이 를 반영하기 위한 가장 손쉬운 척도로 DCIA를 들 수 있을 것이다. 불투수 면적이 고립될 경우 이는 DCIA의 감소로 이어지게 되며 결국 이는 유출량 의 감소 혹은 홍수피해 저감으로 이어지게 될 것 이다. 따라서 DCIA는 그린 인프라의 효과를 검증 하기 위한 방법으로도 활용될 수 있다. 보다 활발 한 DCIA에 대한 논의와 국내 실정에 맞는 경험식 의 개발을 기대하며 본고를 마치고자 한다.
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