Experimental Study of Runoff Induced by Infiltration Trench

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침투 트렌치로 인한 유출 양상의 실험 연구

이상호․조희호․이정민^*,†․박재현^**

부경대학교 건설공학부

*한국토지공사 국토도시연구원

**인제대학교 토목공학과 건설기술연구소

Experimental Study of Runoff Induced by Infiltration Trench

Sangho Lee․Heeho Cho․Jungmin Lee^*,†․Jaehyun Park^**

Department of Civil and Construction Engineering, Pukyong National University

*Land & Urban Research Institute, Korea Land Corporation

**Construction Technology Research Center, Department of Civil Engineering, Inje University (Received 5 November 2007, Accepted 7 January 2008)

Abstract

Infiltration facilities are effective instruments to mitigate flood and can increase base runoff in urban watersheds. In order to analyze effects of infiltration trenches physical model experiments were conducted. The physical model facility consists of two soil tanks, artificial rainfall generators, tensiometers, and piezometers. The experiment was conducted by nine times and each case differed in rainfall intensity, rainfall duration and the type of ground surface. Measured quantities in the experiments are as follows: surface runoff, subsurface runoff, trench pipe runoff, groundwater level, water content, etc. The following resulted from the model experiment: The volume of subsurface runoff at trench watershed was maximum 78.3% compared with rainfall. This value is bigger than that of ordinary rate of subsurface runoff, and shows a groundwater recharge effect of trench. The time of runoff passing through the trench became earlier and the volume of runoff became larger with the increase of inflow into the trench, while trench exfiltration into ground became relatively smaller. The results of this study presented above show that infiltration trenches are effective instruments to increase base runoff during dry periods.

keywords : Infiltration trench, Physical model experiments, Subsurface runoff

1. 서 론¹⁾

우리나라는 1960년대부터 꾸준히 지속된 산업화로 인하 여 도시화가 진행되면서 유출의 변화를 초래하였다. 도시로 의 인구집중으로 인한 인구 증가와 주거공간의 고밀도화, 상가 및 업무용 면적의 증대 등과 같은 도시화로 인해 도 시지역은 우수의 유출 특성이 변화되고 자연 하천 유역과 는 다른 유출특성을 가지게 되었다.

이러한 도시화 현상에 의해 발생되는 기상 및 수문환경 의 변화는 도시주변의 기후변화, 홍수지체시간의 감소, 첨 두 및 총 유출량의 증가, 침투능 및 기저유출의 감소 등이 다. 집수유역의 대부분이 불투수층으로 포장됨으로 인해 유 출계수가 커지고, 자연 상태에 비해 표면의 저류량은 감소 하여 첨두유출량과 총 유출량이 증가하게 된다. 또한, 배수 시설의 설치 등으로 수리학적 통수능이 증가하게 되는데, 이는 자연하천이 직선화가 되고 수심도 깊어지며 수로벽이 콘크리트 등으로 정비되어 우수가 유출되는 속도가 빨라지

†To whom correspondence should be addressed.

[email protected]

기 때문이다. 그 결과 첨두유출의 도달시간이 빨라지게 되 고 아울러 첨두유출량도 증가하게 된다. 한편 땅 밑으로 침투되는 우수량이 감소하여 지하수위가 하강하고 이에 따 라 갈수기에 도시하천이 마르는 건천화가 진행되어 환경에 도 좋지 않은 영향을 주고 있다(전상미, 2006).

이와 같은 도시의 홍수피해 및 건천화 문제를 감소시킬 수 있는 여러 가지 방안들이 검토되고 있다. 본 연구에서 는 여러 가지 방안들 중에서 침투 증진시설의 하나인 침투 트렌치의 설치 효과에 관해 모형실험을 통하여 분석하고자 한다. 이러한 과정을 통하여 최종적으로 침투 트렌치의 정 량적인 평가와 유출 양상을 분석하고자 한다.

2. 연구방법

2.1. 국내․외 연구동향

현재까지 국내에서 침투 트렌치를 포함한 침투 증진시설 의 연구는 미진한 실정이지만, 1990년대 중․후반에 이르 면서 본격적인 연구가 시도되고 있다. 조원철 등(2000)은 시범유역에 우수유출 저감시설을 직접 설치하여 저감 효과 를 분석하였고, ILLUDAS 모형을 이용하여 실제 강우와

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(a) Front view (b) Side view Fig. 1. Structure of infiltration trench.

설계 강우에 대한 저감 효과를 모의하였다. 또한, 박재로 등(2004)은 한국건설기술연구소 내 부지에 침투통과 침투 트렌치를 설치하여 네 가지 강우사상에 대한 모니터링을 실시하여 유출저감 효과를 분석하였다. 노성진 등(2006)은 청계천 유역에 침투 트렌치 설치 가능 지역을 계산한 후, WEP(Water and Energy transfer Process) 모형을 사용하여 4년간의 연속유출모의를 수행하였다.

외국의 경우, Skaggs(1982)는 Richard 식을 사용하여 침 투 트렌치의 침투량 산정에 대해 연구한 바 있다. Michael (1991)은 유공관을 가지는 침투 트렌치를 제작하여 실험을 수행하였으며, Richard 방정식을 기반으로 한 2DUSAT 모 형을 사용하여 침투 트렌치의 개별적인 침투 능력을 수치 모의하였다. 또한, 2DUSAT 모형에 의해 수치모의된 결과 를 Darcy 법칙을 기본으로 하는 간단한 모형과 비교하였 다. Eric 등(1999)은 덴마크 코펜하겐의 도심에 침투 트렌 치를 설치하여 2년 9개월간 운영하면서 침투 트렌치의 수 문학적 현상에 대해 연구하였으며, 침투 트렌치의 현장 투 수계수를 Darcy 법칙에 근거하여 산정하였다. Jia 등(2001) 은 일본 Chiba현의 해노천 유역에 50 m의 격자 크기로 모 형을 구축한 후 하천 유출량, 지하수위의 시계열, 지표면 온도 등의 관측자료를 이용하여 보정을 한 후 1993년(현 재), 2035년(미래), 침투 트렌치를 적용한 2035년(미래)의 물수지를 비교하였다.

상기한 바에 의하면 침투 트렌치를 비롯한 침투 증진시 설의 국내 연구는 초기 단계에 있으며, 수행된 연구의 초 점은 토지이용 변화와 침투 증진시설이 홍수 시 유출 증감 에 미치는 영향분석에 있어 왔다. 국외의 경우 다양한 연 구가 진행되어 왔으며, 실제 현장 적용이나 모형실험을 거 쳐 수치모의를 통해 결과를 분석하였다. 그러나, 지금까지 수행되어진 국내․외 연구에서는 트렌치 설치 시 지표유출 이나 트렌치 내 수위를 측정한 사례는 있지만, 지하수유출 을 측정한 사례는 희소하다. 기존의 연구와 달리 본 연구 에서는 모형실험을 통하여 지표유출 뿐만 아니라 지하수유 출도 측정하였다.

2.2. 침투 트렌치의 개요

침투 트렌치는 강우가 쇄석의 공극에 찬 후 인근의 토양

으로 침투될 수 있도록 쇄석으로 채워진 도랑이다. 굴착한 도랑에 쇄석을 충진하고 그 중심에 침투통(집수통)과 연결 되는 투수관(이하 유공관)을 설치하여 우수를 통하게 하며, 쇄석의 측면 및 저면으로부터 강우를 지중으로 침투시키는 구조를 가지고 있다. 침투 트렌치는 침투시설의 대표적인 것으로서 침투 및 저류 기능 이외에 우수의 통수기능도 가 지고 있기 때문에 하수관거의 대체시설로 활용할 수 있다.

침투 트렌치는 유공관, 충진쇄석, 모래, 투수시트, 관 입 구 필터로 구성되며, Fig. 1은 침투 트렌치의 구조를 나타 낸다.

2.3. 침투 트렌치 실험의 개념

본 실험에서는 4 m × 2 m × 2 m(가로×세로×높이) 크기의 실험 토조를 이용하여 침투 트렌치 실험을 수행하였다. 침 투 트렌치 미설치 구역(유역 I)과 설치 구역(유역 II)을 구 분하고 각각의 유출량을 측정하기 위하여 토조를 2 m × 2 m × 2 m (가로×세로×높이) 두 개조로 구분하여 설치하였 다. 이 때 유역 I에서 발생한 지표유출은 유역 II와 연결된 관을 통해 유역 II에 설치된 침투 트렌치의 유공관으로 유 입된다. 그 양은 연결관에 설치된 유량계를 통해 측정할 수 있다. 그리고 각각의 토조 내에 노상(마사토), 기층(쇄 석), 표층(마사토 등), 배수 및 지하수위 조절을 위한 배수 층을 설치하였다. 실험 토조 상부의 강우 장치는 강우 특 성에 따른 시간별 침투량과 침루량을 분석하기 위해 설치 하였다. 실험 토조의 전체적인 개념도는 Fig. 2와 같다.

2.4. 침투 트렌치 실험 토조의 제작

침투 트렌치 토조의 하중을 지지하고 수평을 유지하기 위해서 콘크리트 바닥에 토조를 위치시키고 토조 내 배수 및 지하수위 조정을 위해 배수시설을 설치하였다. 쇄석층은 직경 20～25 mm 쇄석을 사용하였고 다짐기를 이용하여 20 cm 높이로 다졌다. 토양시료에 의한 쇄석층 폐색을 막 기 위하여 쇄석층과 토양시료는 투수시트를 이용하여 분리 시켰다. 침투 트렌치 저류층의 토양 시료를 형성하기 위해 시료를 30 cm 높이로 쌓고 다짐기로 충분히 다진 후 다시 토양 시료를 쌓고 다지는 과정을 반복하였다. 침투 트렌치

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Fig. 2. Conceptual schematization of experiment system.

Photo 1. Constructing infiltration trench. Photo 2. A complete view of infiltration trench soil box.

가 설치되지 않는 구역(유역 I)에는 높이 2 m까지 토양 시 료를 채우고, 침투 트렌치가 설치되는 구역(유역 II)에는 135 cm까지 토양을 쌓아 올렸다. 그 위에 투수시트가 부착 된 2 m × 0.5 m × 0.5 m(가로×세로×높이) 크기의 침투 트 렌치 구조물을 설치하였다. 구조물 내부에 쇄석을 20 cm 채우고 그 위에 직경 10 cm의 유공관을 가로방향의 중앙 에 놓고 쇄석을 다시 채운다. 트렌치의 전체적인 경사는 1%를 두었다. Photo 1은 시공 중인 침투 트렌치를 보여준 다. 계속해서 설치된 침투 트렌치 위로 토양시료를 높이 2 m까지 다지면서 채워 토조를 완성하였다(Photo 2).

2.5. 실험기기의 구성 및 설치 2.5.1. 함수비 측정

초기 토양의 함수비와 인공강우의 침투에 따른 함수비 변화를 측정하기 위하여 유역 I에 2개, 유역 II에 4개의 흡 수력계(tensiometer)를 설치하였다. 흡수력계는 모세관 압력 수두를 측정하고 물보유함수를 이용하여 함수비를 산정하 는 장치이다. 각 흡수력계에 압력계를 설치한 후 데이터

로거(data logger)에 연결하여 실시간으로 토양의 함수비를 측정한다. Fig. 3은 흡수력계 설치위치를 나타낸다.

2.5.2. 지하수위 측정

각 유역의 지하수위 변화와 트렌치 내부의 수위 변화를 분석하기 위하여 각 유역에 2개씩 총 4개의 위압수두계 (piezometer)를 설치하고, 침투 트렌치 내부의 수위변화를 측정하기 위하여 2개의 위압수두계를 설치하였다. 위압수두 계 설치 위치는 Fig. 4와 같다.

2.5.3. 유출량 측정

각 유역의 지표, 지하수유출량과 침투 트렌치 통과 후의 유출량을 총 6개 지점에서 측정하였다. 이 중 침투 트렌치 를 통과하는 유량은 먼저 트렌치 하부에 위치한 직경 10 mm의 유출구를 통해 유출이 발생하며, 트렌치가 포화된 후에는 트렌치 상부에 위치한 유출지점(월류 형식)으로 배 출된다. 유출량 측정 방법에 대해 자세히 설명하면, 먼저 유역 I에서 발생하는 지표 유출은 유역 I의 하류부에 있는

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Fig. 3. Plane and side view of tensiometers installed. Fig. 4. Plane and side view of piezometers installed.

Fig. 5. Runoff measurement point.

지표유출의 유입구를 통해서 유역 II에 설치된 침투 트렌치 의 유공관으로 유입된다. 이것은 본 연구에서 침투 트렌치 로 기여하는 유역(유역 I)은 현재 대부분의 도시유역처럼 100% 포장되었고 또한, 이 유역에서 발생한 강우가 유역출 구에 설치된 집수정을 통하여 전량 침투 트렌치로 유입된 다고 가정하였기 때문이다. 이때 연결관 사이에 설치된 유 량계로 그 양을 목측(目測)하였다. 그 외 유출량 측정지점 의 경우 각 유출구에 호스를 연결하여 토조 외부에 아크릴 로 제작한 50 cm × 50 cm × 50 cm (가로×세로×높이) 크기 의 집수통으로 유출수를 모은 후 10분마다 그 양을 목측하 였다. Fig. 5에 유출량 측정지점을 표시하였다.

2.6. 실험조건 및 방법 2.6.1. 함수비 계산

본 실험에서 함수비의 계산은 Van Genuchten(1980)식(식 (1))을 이용하였다.

_{ }

  ^^     



 (1)

여기서,

 : 유효 포화도(effective degree of saturation, = _ _

  _ )

 : 함수비(water content)

_ : 포화 함수비(saturated water content)

_ : 잔여 함수비(residual water content)

 : 모세관 압력 수두(capillary pressure head)

   : 경험 상수(empirical parameter)

이 식을 함수비에 관한 식으로 고치면 식 (2)와 같다.

    ^^

  

  (2)

토조 샘플 함수비 측정 실험을 통하여 _,  값을 구하 고  값들과 샘플채취 당시  값들을 이용하여 ,  ,  값을 추정하였다.  값은 일반적인 사질토값 0.08을 사용 하였다.

추정한 값들을 함수비에 관한 식 (2)에 대입하면 다음과 같은 함수비 식이 된다.

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Table 1. Experimental condition Case

Rainfall intensity (mm/hr) Rainfall duration

(hr)

Ground condition

Initial groundwater level (m)

Watershed I Watershed II Watershed I Watershed II

1-1 90 30 5 100% Impervious 100% Pervious About 0.5

1-2 90 30 5 100% Impervious 50% Pervious

50% Impervious About 0.5

1-3 90 30 5 100% Impervious 100% Impervious About 0.5

     × ^^{}

   (3)

본 연구에서는 식 (3)을 이용하여 모세관 압력 수두에 따 른 함수비를 계산하였다.

2.6.2. 모형실험 조건 및 방법

실험 시 일정한 조건을 유지하기 위하여 실험을 수행한 후 48시간 이상 배수시켜 토조 내 초기 토양함수비가 0.23 이하가 되도록 유지시켜 다음 실험 수행 시 일정한 조건을 유지하도록 하였다.

본 실험에서는 실험조건으로 크게 세 가지를 고려하였는 데, 지표면의 상태, 강우지속기간, 강우강도가 그것이다. 먼 저 지표면 상태의 경우, 먼저 유역 I은 100% 불투수면으로 하여 발생한 강우가 전량 트렌치로 유입되는 것으로 가정 하였다. 그리고 유역 II는 지표면 상태를 100% 투수면인 경우, 50%는 투수면이고 50%는 불투수면인 경우, 100%

불투수면인 경우로 나누어 실험을 수행하였다.

강우지속기간의 경우 5시간으로 고정하여 실험을 수행하 였다. 이는 본 실험의 목적이 침투 트렌치 설치에 따른 기 저유출의 시간적 변화를 측정하기 위한 것이므로 강우 발 생 후 일정한 양으로 기저유출이 발생하는 시간을 강우지 속기간으로 채택하였다. 본 실험에 앞선 예비 실험에서 강 우 발생 약 3시간 후부터 기저유출이 일정해졌으며, 강우 강도와 지표면의 상태가 기저유출의 안정화에 영향을 줄 수 있다는 판단 하에 본 실험의 강우지속기간은 5시간으로 하였다.

마지막으로 강우강도의 가정이다. 본 실험에서 적용한 강 우강도는 유역 I은 60, 75, 90 mm/hr이며, 유역 II는 20, 25, 30 mm/hr이다. 이와 같이 강우강도를 결정한 이유는 다음과 같다.

본 실험 토조의 경우, 침투 트렌치에 기여하는 유역인 유 역 I과 침투 트렌치가 설치된 유역 II의 면적을 동일하게 하였다. 그러나, 일반적으로 침투 트렌치에 기여하는 집수 유역의 경우 침투 트렌치보다 더 큰 면적을 가지고 있다.

Fig. 6. Experimental soil box conceptual schematization inclu- ding area of imagination.

그러므로, 실제 상황을 고려하여 집수유역의 면적을 수정할 필요가 있다.

실험 모형과 원형(prototype)에서 동일한 유량이 발생하도 록 하는 조건 하에서 본 실험의 경우 원형의 집수면적이 실험 모형의 집수면적보다 3배 크다고 가정하였으므로 본 실험에서 적용하기로 한 강우강도인 20, 25, 30 mm/hr를 3 배하여 실험 모형에 적용하였다. 실제 집수면적은 실험에서 가정한 3배보다 훨씬 더 크겠지만 실험에 사용한 펌프의 최대 용량을 고려해 3배로 결정하였다. 그러나, 침투 트렌 치가 설치된 유역 II의 경우는 원형이라고 가정하였으므로 본래의 강우강도를 적용하였다. 이상 기술한 내용을 Fig. 6 에 실험 토조의 개념도로 제시하였다. 그리고 이상에서 언 급한 실험조건을 Table 1에 정리하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1. 사례 1-1

Fig. 7(a)는 유역 I과 유역 II의 유출량 변화를 나타내고 있다. 자료에 의하면 유역 I의 경우, 강우가 시작된 시점부 터 지표유출이 발생하였으며, 강우가 종료된 10분 후부터 는 유출이 발생하지 않았다. 발생한 강우의 전량이 지표유 출에 기여하므로 지하수유출은 발생하지 않았다. 유역 II의 경우, 지표유출은 강우가 시작된 후 약 1시간 후부터 발생 하기 시작하여, 강우가 종료된 10분 후부터는 유출이 발생

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(a) Change of runoff

(b) Change of groundwater level

(c) Change of water content Fig. 7. Experiment result of case 1-1.

하지 않았다. 지하수유출은 강우가 시작되고 약 30분 후부 터 발생하기 시작하여 시간이 지남에 따라 그 양이 증가하 지만 강우가 종료된 후 다시 양이 감소하였고, 실험 시작 약 11시간 이후부터는 그 양이 일정해졌다. 실험 종료 후, 약 12시간 후 추가로 0.3 m³의 지하수유출이 측정되었다.

지하수유출의 발생시간이 지표유출의 발생시간보다 빠른 것은 강우가 시작되자마자 발생한 유역 I의 지표유출이 트

렌치로 바로 유입되기 때문이다. 그리고 트렌치 유출구를 통한 유출은 강우 시작 약 2시간 40분 후부터 발생하기 시 작하여 그 양이 거의 일정하다가 강우 종료 약 30분 후부 터 유출이 발생하지 않았다. 유역 I과 II를 통합해서 분석 했을 때, 총 지표유출량은 총 강우량 대비 약 10.6% 정도 이고, 총 지하수유출량은 총 강우량 대비 약 69.0%, 트렌 치 내 총 유출량은 총 강우량 대비 약 16.5%였다. 이때, 지하수유출량은 실험 종료 후 유출량 측정값인 0.3 m³을 포함한 것이다.

Fig. 7(b)는 지하수위의 변화를 보여준다. 유역 I(P11)의 경우는 지하수위 변화가 거의 없는데, 이는 발생한 강우가 지하로 침투되지 않기 때문이다. 유역 II(P21)의 경우는 실 질적으로 지표면에서 흡수되는 양은 많지 않으나 트렌치에 서 유입되는 양이 많기 때문에 지하수위가 강우 시작시점 부터 종료시점까지 상승하는 것을 알 수 있다. 지하수위의 경우, 실험을 진행할수록 토조의 사질토층에 설치한 위압수 두계(P11, P21)는 지하수위가 유사하게 측정되었지만, 트렌 치 내부에 설치한 위압수두계(P22, P24)는 실험에 따라 지 하수위가 불안정한 값으로 측정되었다. “지하수위가 불안정 하게 측정되었다”는 의미는 지하수위가 측정된 실험 사례 와 지하수위가 측정되지 않은 실험 사례가 있다는 뜻이다.

이렇게 지하수위가 불안정하게 측정된 이유는 위압수두계 의 설치 지점과 트렌치로의 유입량에 기인할 것으로 판단 된다. 현재 토조에서 위압수두계는 트렌치 유출구보다 상부 에 설치되어 있다. 트렌치 내에서 지하수위가 상승하다가 트렌치 유출구까지 수위가 차게 되면 유출이 발생하게 되 며, 이렇게 발생하는 유출로 인해 위압수두계가 설치된 지 점까지 수위가 상승하지 않아서 트렌치 내 지하수위가 나 타나지 않은 것으로 판단된다. 그러나, 본 실험 조건에서도 트렌치로 유입되는 물의 양이 많으면 지하수위가 측정될 것이다. 실제로 본 연구의 실험 사례 중에서 트렌치로 유 입되는 물의 양이 많았을 경우(사례 1-1, 1-2, 1-3) 지하수 위가 나타났지만, 반대로 유입되는 물의 양이 적었을 경우 는 지하수위가 나타나지 않았다.

또 하나 눈여겨 볼 것은 같은 깊이에 설치된 P22와 P24 의 값 차이이다. P22는 트렌치 유입부 쪽에, P24는 트렌치 유출부 쪽에 설치되어 있다. 아무래도 물이 들어오는 유입 부 근처가 유출부보다 수위가 먼저 측정되고, 그 값도 컸 다. 그리고 Fig. 7(b)에서 P22의 값이 강우 종료 후에도 떨 어지지 않는 것은 기계 자체의 결함으로 추정된다.

마지막으로 Fig. 7(b)에서 주의할 점은 P22와 P24가 나타 내는 0의 값이 토조 내에 지하수위가 존재하지 않는다는 의미가 아니라, 단지 트렌치 내에서 지하수위를 기계가 측 정하지 못했다는 것이다.

Fig. 7(c)는 함수비의 변화를 보여주는데, 자료에서 강우 가 시작되면 함수비가 급격히 증가하여 일정값을 유지하다 가 강우 종료 후 서서히 감소하는 것을 알 수 있었다. 그 러나, T11, T12 흡수력계의 경우 유역 I에 내린 강우가 전 량 지표유출로 발생하여 지하로 침투되지 않으므로 함수비 가 일정하였다.

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3.2. 사례 2-2

Fig. 8(a)는 유역 I과 II의 유출량 변화를 나타내고 있다.

사례 1-1과 비교했을 때, 지표유출, 지하수유출은 발생시간 이 빨라졌고, 트렌치 유출은 10분 정도 지체되었다. 유역 I 과 II를 통합해서 분석했을 때, 총 지표유출량은 총 강우량 대비 약 9.1% 정도이고, 총 지하수유출량은 총 강우량 대 비 약 62.1%, 트렌치 내 총 유출량은 총 강우량 대비 약 16.8%였다. 이때, 지하수유출량은 실험 종료 후 유출량 측 정값인 0.225 m³을 포함한 것이다.

Fig. 8(b)는 지하수위의 변화를 보여준다. 유역 II의 경우, 강우가 시작된 후 수위가 점점 높아지다가 강우가 종료된 이후 다시 낮아졌다. 이때, 트렌치 유입부 쪽에 설치된 위 압수두계(P22)가 트렌치 유출부에 설치된 위압수두계(P24) 보다 약 40분 빨리 수위가 나타나서 약 5분 늦게 수위가 낮아졌으며, 수위도 P24에 비해서 다소 높게 나타났다. 그 러나, 그 차이가 크지는 않았다.

Fig. 8(c)는 함수비의 변화를 보여주는데, 사례 1-1과 유 사한 양상으로 변화하였다.

3.3. 사례 1-3

Fig. 9(a)는 유역 I과 II의 유출량 변화를 나타내고 있다.

대체적인 유출량 변화는 상기한 사례 1-1과 사례 1-2와 유 사하게 나타났다. 실험 종료 후, 약 12시간 후 추가로 0.145 m³의 지하수유출이 측정되었다. 유역 I과 II를 통합 해서 분석했을 때, 총 지표유출량은 총 강우량 대비 약 25.1% 정도이고, 총 지하수유출량은 총 강우량 대비 약 59.9%, 트렌치 내 총 유출량은 총 강우량 대비 약 14.4%

였다. 이때, 지하수유출량은 실험 종료 후 유출량 측정값인 0.145 m³을 포함한 것이다.

Fig. 9(b)는 지하수위 변화를 보여준다. 트렌치 내의 수위 는 실험 시작 약 2시간 20분 후부터 나타나기 시작해서 강 우가 종료된 이후 다시 낮아졌다.

Fig. 9(c)는 함수비의 변화를 보여준다. T22를 보면, 강우 가 시작되면 함수비가 떨어졌다 상승하는 것을 알 수 있다.

다른 실험에서도 유독 T22의 경우만 강우 중임에도 불구하 고 함수비가 떨어졌다 다시 상승하는 현상을 볼 수 있는데 이는 기계 자체의 결함으로 인해서 압력값이 순간적으로 작게 측정된 것으로 판단된다.

나머지 6개의 실험사례에 대해서도 결과를 분석하였으나 그 내용이 상기한 사례와 유사하여 지면관계상 그 결과를 그림(Fig. 10∼15)으로 정리하였다. 그리고 Table 2에 사례 별 유입량과 유출량을 정리하였다.

3.4. 실험결과 고찰

본 실험의 목적은 강우량과 시간의 변화에 따른 침투 트 렌치 설치 효과를 분석하는데 있다. 이를 위해 강우강도와 지표면 형태를 변화시키면서 총 9번의 모형실험을 수행하 였으며, 지하수유출과 트렌치 통과 유출의 변화를 중점적으 로 관측하였다.

분석 결과, 트렌치로의 유입량이 많을수록 트렌치 통과 유출의 발생시간이 빨라지고 그 양도 증가하는 등 트렌 치의 설치 효과가 감소함을 알 수 있었다. 그러나, 실험 시 트렌치 유공관의 외부 유출구를 막는다면 보다 많은 양의 물이 트렌치를 탈출하여 지하수유출로 기여할 것이 다.

토조 내 지하수위는 강우가 시작되면 수위가 상승하다가 강우종료를 기점으로 다시 낮아졌다. 그러나, 트렌치 내의 수위는 불안정하게 측정되었는데 그것은 위압수두계의 설 치 지점과 트렌치로의 유입량에 그 원인이 있는 것으로 판

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단된다. 앞서 기술하였듯이 현재 토조에서 위압수두계는 트 렌치 유출구보다 상부에 설치되어 있다. 트렌치 내에서 지 하수위가 상승하다가 트렌치 유출구까지 수위가 차게 되면 유출이 발생하게 되며, 이렇게 발생하는 유출로 인해 위압 수두계가 설치된 지점까지 수위가 상승하지 않아서 트렌치 내 지하수위가 나타나지 않은 것으로 판단된다. 그러나, 본 실험 조건에서도 트렌치로 유입되는 물의 양이 많으면 지

하수위가 측정될 것이다. 또한, 본 실험 결과에서 지하수위 가 160 cm 이상으로 상승하지 않는 것을 알 수 있는데, 이 는 트렌치 내 쇄석의 영향으로 판단된다. 즉, 쇄석층 내 공 극의 영향으로 인해 지하수위가 트렌치 설치 지점 이상으 로 상승하지 않은 것으로 판단된다.

함수비의 경우, 100% 불투수면인 유역 I은 지하로의 침 투가 발생하지 않으므로 함수비의 변화가 없다. 그러나, 유

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역 II는 강우가 시작되면 함수비가 급격히 증가하였다가 강우종료를 기점으로 서서히 낮아지는 것을 알 수 있었 다. 그런데, 흡수력계 T22의 경우 일부 실험 사례에서 강우 중임에도 불구하고 함수비가 떨어졌다 다시 상승하 는 것을 확인할 수 있었는데, 이는 기계 자체의 결함으 로 인해서 압력값이 순간적으로 작게 측정된 것으로 판 단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 침투 증진시설 중 하나인 침투 트렌치의 설치 효과에 관하여 모형실험을 통하여 분석하였다. 이를 위해 강우량과 지표면 형태를 변화시켜가면서 총 9번의 모 형실험을 수행하였다. 그리고 모형실험을 통하여 시간 변화 에 따른 지하수유출의 유출 양상과 트렌치로의 유입량에 따른 트렌치 통과 유출의 발생시간과 그 양의 변동 등을

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중점적으로 관측하였다.

9번의 모형실험을 통해서 지하수유출과 트렌치 통과 유 출, 지하수위, 함수비 등을 측정하였다. 그 결과 불투수 유 역에서 침투 트렌치의 설치로 인해 지표유출이 지하수유출 로 기여한다는 측면에서 트렌치의 효과를 판단할 수 있었 다. 그리고 트렌치 내의 유공관으로 유입되는 수량(水量)이 많으면 트렌치 통과 유출의 발생시간이 빨라지고, 그 양도

증가하는 등 침투 트렌치의 설치 효과가 상대적으로 감소 됨을 알 수 있었다. 만약, 트렌치 유공관의 외부 유출구를 막으면 보다 많은 양의 물이 트렌치를 탈출하여 지하수유 출을 증가시켰을 것이다.

본 연구를 통하여 축적한 실험 수행 노하우(knowhow) 및 분석결과는 향후 현장기술 적용 시 활용할 수 있을 것 으로 판단된다.

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Table 2. Comparison of inflow and runoff

Case Inflow (m³) Runoff (m³)

Runoff / Inflow (%) Surface runoff Subsurface runoff Trench pipe runoff Total runoff

1-1 2.4041 0.2550 (10.6%) 1.6598 (69.0%) 0.3955 (16.5%) 2.3103 96.1

1-2 2.3706 0.2155 (9.1%) 1.4718 (62.1%) 0.3983 (16.8%) 2.0856 88.0

1-3 2.3862 0.6000 (25.1%) 1.4300 (59.9%) 0.3425 (14.4%) 2.3725 99.4

2-1 1.9895 0.1385 (7.0%) 1.3215 (66.4%) 0.4100 (11.8%) 1.8700 94.0

2-2 1.9440 0.2499 (12.9%) 1.3395 (68.9%) 0.3758 (19.3%) 1.9652 101.1

2-3 1.9279 0.4960 (25.7%) 0.8210 (42.6%) 0.2775 (14.4%) 1.5945 82.7

3-1 1.6211 0.0758 (4.7%) 1.2698 (78.3%) 0.2083 (12.8%) 1.5539 95.8

3-2 1.6186 0.2010 (12.4%) 1.2048 (74.4%) 0.1100 (6.8%) 1.5159 93.6

3-3 1.6062 0.3990 (24.8%) 1.0233 (63.7%) 0.1650 (10.3%) 1.5873 98.8

사 사

본 논문은 21세기 프론티어연구개발사업인 수자원의 지 속적 확보기술개발사업단(과제번호 1-7-3)의 연구비 지원으 로 수행되었습니다. 연구비 지원에 심심한 감사의 뜻을 표 합니다.

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