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1. 서언
도시화에 따른 불투수면의 확대로 인해 강우시 빗물이 자연 토양으로 침 투되지 못하여 토양과 식생에 의한 자연적인 정화 과정을 거치지 않은 채 많은 오염물질이 하천으로 유입되고 있다. 또한 불투수면에 의해 늘어난 표 면 유출수는 첨두유량, 홍수량 등의 증가 요인이 되며 홍수와 함께 하천 범 람을 야기시키며, 장기적으로 지하수 고갈과 하천의 건천화로 도시의 지하 수 함양 부족을 일으키는 물순환 왜곡문제가 제기돼 왔다.
최근 건강한 물환경을 조성하고자, 물순환이 왜곡된 대도시에 저영향개 발기법을 도시 전반에 적용, 빗물의 자연 흐름을 회복하는 물순환 선도도시 사업이 추진되고 있다. 광주광역시가 물순환선도도시로 선정됨에 따라 물 순환 목표 수립, 조례를 설정하고 실시·설계가 이루어지고 있다.
광주광역시는 전 지역이 수질오염총량관리지역으로 지정되어 있으며, 비 점오염원 중 토지계 오염원 발생량이 90.4 %를 차지하고 있어 수질 개선을 위한 관리가 시급하다. “광주광역시 물순환 기본계획”은 저영향개발(LID) 을 통해 토양과 식생 등의 자연소재가 갖는 수량조절 기능과 수질정화 기능 을 이용하여 기존 하수도 인프라의 기후변화 대응 능력을 향상시키고 지하 수 함양, 하천수질 개선 그리고 홍수 피해 저감뿐만 아니라 도시 열섬 현상 완화와 생태서식처 확보 및 도시 경관 향상 등 부가적인 도시 환경 개선기 능도 제공하고자 하고 있다.
수자원 확보와 수질개선을 위한 물순환 선도도시 조성 사업
범 진 아
전남대학교 / 박사과정 [email protected]
정 민 혁
전남대학교 / 석사과정 [email protected]
윤 광 식 전남대학교 / 교수 [email protected]
2. 물순환 선도도시 조성 사업
물순환 선도도시 조성사업은 저영향개발(Low Impact Delepment, LID) 기법을 적용해 빗물 침 투·저류 능력을 회복시켜 도시의 물순환 구조의 건전성을 높이는 사업이다. 물순환 기본계획이 확 정됨에 따라 기본 및 실시설계 완료 후, 광주광역 시 상무지구 일원에 2020년까지 총 295억원을 투 입해 현장여건에 따라 빗물이 침투하고 저류될 수 있는 투수성 포장, 식생 체류지 조성 등 시범사업 을 실시하게 된다.
국내외 LID 기법 적용 사례 및 선행 연구는 많 지만 지역 특성에 맞는 LID 기법 적용 사례는 흔치 않다. LID 시설의 설치 및 운영을 통해 비점오염을 저감하고 지하수를 함양하여 건전한 물순환을 확 보하는데에 의의를 두고 있는 성공적인 물순환 선 도도시 조성사업을 추진하기 위해서는 예비 모니 터링을 통한 문제점 파악과 이에 따른 사업 효과 파악 모니터링 전략 수립, 광주광역시 맞춤 LID 시
설 설계 및 운영방안 가이드 라인이 필요하다.
3. ‘물순환 시설에 대한 효과 분석 및 최적 운영 방안’ 연구 사업
‘물순환 시설에 대한 효과 분석 및 최적 운영 방 안’ 은 영산강·섬진강수계 환경기초조사사업 중 하나로 광주광역시 물순환 선도도시 조성 사업 시 범지구에 설치·운영 예정인 LID 시설에 대한 효과 를 분석 및 평가하고 물순환 시설 개선 방안에 대한 과학적인 근거 자료를 제공하기 위한 사업이다.
물순환 선도도시 조성사업은 광주광역시 서구 치평동 상무지구 일원(약 2.0 ㎢)을 대상으로 저영 향개발(LID) 기법 적용하여 불투수면적 저감, 물 순환 회복 및 경관 가치 향상을 목적으로 2018년 8월부터 2019년 8월까지 사업에 대한 실시 설계가 수행되고 있다.
광주광역시 고유의 자연자원 네트워크화를 위
그림 1. 물순환 도시 개념도 (LID 적용)
해 상무지구 빗물관리 필요지역에 LID 기술요소 를 선택적으로 배치하여 빗물을 통합 관리하는 것 을 목표로 김대중컨벤션센터와 상무시민공원을 중점으로 물순환 시설 배치 실시·설계가 이루어 지고 있다. 본 연구 사업은 LID 시설 설치 전 기초 DB를 구축 및 함양시설별 모니터링을 실시하여 모니터링 시스템 운영 방안 및 LID 시설 설계 방 향을 제시하고자 하였다.
3.1 시범지구 공간적 DB 구축
물순환 선도도시 조성사업 시범지구(상무지구) 을 대상으로 공간적 DB구축 및 함양 효과를 분석 하기 위한 지하수 모니터링 사이트를 구축하였다.
시범지구 외곽도로 중심선을 기준으로 GIS를 이 용하여 수문·지형지질도, 토지이용도, 지하인공 구조물 분포도, 우수배수계통도 등 공간자료를 구 축하였고, 폴리곤 자료도 함께 구축하여 다른 공 간자료와 중첩, 추출 등의 공간 분석 시 경계로 활 용할 수 있게 하였다.
함양 효과를 알아보기 위하여 지하수 모니터링
관측정을 설치하였다(그림 3). 지하수 유동에 인위 적인 영향이 없고 자연적인 변화 관측이 가능하여 함양시설 공간적인 분포와 수문지질 특성 등이 고 려된 지점을 선정, 관측정을 설치하였으며, 올해부 터 지하수위 및 수리지질 특성을 조사할 예정이다.
3.2 LID 시설 사전 모니터링 및 유출특성 파악
물순환 선도도시 조성 사업 결과, LID 기법 적용 효과 최대화와 초기 빗물 유출 최소화를 위해서는
그림 2. 물순환 선도도시 대상지구
그림 3. 관측정 설치 모식도 및 관측정 (a) 충적 관측정 설치 모식도
(b) 관측정
비점오염원의 현황 파악이 제일 먼저 이루어져야 한다. 시범지구는 불투수층이 약 91 %로 이루어져 있기때문에 강우 발생시 주변 환경에 다양한 환경 수리학적 문제를 야기시킨다. 이에 강우유출수 모 니터링 결과를 바탕으로 초기강우 현상을 분석하 여 비점오염원의 관리방안을 제시할 수 있다.
3.2.1 강우유출수 유량가중평균농도 산정
강우유출수에 의해 발생하는 비점오염원 유출 은 일정한 시간간격으로 모니터링이 이뤄지지 않 을뿐더러 실시간으로 유량과 농도 변화가 있어 산 술평균에 의한 평균농도는 대표성을 갖지 못하 는 단점이 있다. 따라서 강우사상별 대표성을 갖 는 농도를 산정하기 위하여 비점오염물질의 농도 와 유량을 고려한 유량가중평균농도(Event Mean Concentration, EMC)를 산정하여 오염도를 평 가할 수 있다. EMC는 강우유출사상의 총 오염물 질량과 총 유출량의 비로 산정되며, Q는 유출량 (m3/sec), C는 특정오염물질에 대한 농도(mg/L), T는 전체 유출시간을 나타낸다.
3.2.2 강우유출수의 초기세척효과 분석
강우유출수는 지역특성, 강우특성, 토지이용 등의 영향에 따라 다양한 형태로 유출이 일어나 며, 불투수지역의 경우 강우초기에 고농도의 비 점오염원이 다량 유출되기 때문에 이를 해결하 기 위하여 많은 노력이 필요하다. 따라서, 강우 유출수의 양상을 알아보기 위하여 초기세척효과 (FirstFlush effect)를 분석할 수 있다.
초기세척효과는 누적유출유량에 따른 누적오염 부하량비를 이용하여 식(2)와 같이 산정할 수 있 으며, 여기서, 와 는 특정 강우사 상에 특정된 오염부하량에 대한 누적부하량비와 유출유량에 대한 누적유출유량비를 의미한다. 만 약, 유출오염물질 부하량의 증가비율이 1보다 크 면 초기세척현상이 강하다고 말하고, 1보다 작거 나 같을 경우, 그 반대의 현상이 발생한다고 말한 다. 그림 4는 2011년도 ‘비점오염원 유출 장기모 니터링’ 사업을 수행하면서 분석하였던 연구 결과 로 광주광역시 서구 치평동의 상업지구를 대상으 로 한 분석결과이다.
그림 4. 초기세척효과 선행연구 예시 (a) 상무지구 상업지역 : 저밀도(2011.07.06.)
(b) 상무지구 상업지역 : 고밀도(2011.11.05.)
※ 영산강물환경연구소, 전남대학교, 2011, 주요 비점오염원 유출 장기모니터링
3.2.3 누적강수량에 따른 관리 강우 시기 분석
비점오염원을 관리하는데에 있어 오염원의 유 출특성 파악은 중요하다. LID 시설을 설치하기전 에 주오염원과 관리 시기를 파악할 필요가 있다.
이를 분석하기 위해서는 시설에 유입되는 오염물 질이 어떠한 시점에서 유출되는지 파악하고 누적 강수량에 따른 강우유출특성을 분석하여 총 강우 량 대비 첨두수질까지의 누적강우량을 산정할 수 있다. 그림 5는 4대강수계 환경기초조사사업에서 토지피복별 원단위 개정을 위해 8년간(‘08∼’15) 17개 단일피복에 대해 총 1,040회 모니터링을 실 시하여 분석한 결과로 대분류 토지피복에서 대지 는 강우초기 관리가 필요하며, 임야, 전·답, 기타 지목은 강우 중기이상에서 관리가 필요한 것으로 조사 되었다.
3.3 물순환선도도시 사업지구 특성에 맞는 LID 시설 설계 방향 제시
LID 시설의 저류, 침투, 여과, 증발산 등의 기 능은 시설별로 충분히 구현되는 것이 중요하며 시 설별 집수구역 산정은 비용효율적 규모와 시설별 효율 분석에도 중요하기 때문에 설계·설치할 때 고려해야 한다.
3.3.1. 투수율 낮은 토성
물순환 선도도시 시범지구인 상무지구의 표토 와 심토는 투수율이 낮은 수문학적 토양 그룹 D에 해당하는 토양으로 일반적인 LID 기법 적용시, 배 수 불량과 같은 문제 발생으로 저감효과를 악화시 키는 원인이 될 수 있다.
그림 5. 토지피복-수질항목별 첨수수질농도 발생 누적강수량 비율 예시
[※ 국립환경과학원, 2016, 비점오염원 관리 및 물순환 개선을 위한 맞춤형 정책 지원 연구(Ⅰ)]
표 1. 토양그룹과 적합한 LID시설
토성분류 토양그룹 적용 가능한 LID 시설
모래, 양질사토 A 침투도랑, 유공포장, 침투저류지
사질양토, 양토 B 침투도랑, 식생여과대, 식생수로, 식생체류지, 나무여과상자
미사질양토, 사질식양토 C 식생체류지, 나무여과상자, 지하흐름 인공습지
식양토, 미사질식양토, 사질점토, 미사질점토, 점토 D 지표흐름 인공습지, 저류연못
이러한 문제점을 해결하기 위해서는 첫번째, 침 투형 LID 설계시 시설별 하부의 실제 토양의 침투 율 조사가 선행되어야하며, 같은 토양일지라도 건 조시와 습윤시의 침투율에 차이가 크기 때문에 습 윤시 투수계수 조사 후, 시설 설계용량을 산정하 여야 투수율이 낮은 토양일지라도 LID 시설의 효 과를 얻을 수 있다. 두번째, 자갈 혹은 쇄석층 깊 이를 키워 저장 공간을 증가시키는 방법이 있다.
저류량이 증가된만큼 침투와 증발산을 천천히 시 킬 수 있는 효과를 가져오며 유출량 감소에도 효 과적이다. 세번째, LID 시설 조합하여 적용하는 방안도 있다. 침투형 LID 시설뿐만 아니라 비침 투형(증발산) LID 시설인 옥상녹화, 빗물 저금통, 인공 습지 등을 연계하여 시설용량을 늘릴 수 있 다. 예를 들어 옥상 녹화의 경우 증발산을 주로 활 용하는 LID 시설로 처리가능한 용량 초과시, 월류 수는 침투통으로 연계하여 처리할 수 있다.
3.3.2. 정확한 집수구역 산정
시설용량 결정 및 LID 시설의 효율을 높이기 위 해서는 정확한 집수구역을 산정하는 것은 필수 요 소이다. 물순환 선도도시의 실시 설계시 Golden Software사의 Surfer 16 과 같은 프로그램을 이용
하여 강우시 강우유출수 이동경로를 예측 후, LID 시설을 배치할 수 있다. LID 시설 배치 예정인 지역 을 측량하고 측량 도면을 적용하여 벡터 값으로 수 류 방향을 산출해주면 LID 시설 내 유입되는 오염 원의 유무, 강우유출수의 유입면적, 시설 외 유출 및 LID 시설 적정 배치 구역까지 예측 가능하다.
그림 6. 옥상녹화 LID 시설 조합 적용 예
그림 7. 강우유출수 이동 경로 예측
4. 결언
지금까지 물순환선도도시 사업의 일환으로 수 행되고 있는 ‘물순환 시설에 대한 효과 분석 및 최 적운영방안’사업에 대하여 살펴보았다. 이 연구 사업을 통해 시범지구의 공간정보를 DB화 및 물 순환 도시 사업전 대상지구 잠재적 문제점 파악이 가능하다. 또한, 모니터링 시스템 구축과 물수지 분석을 통해 광주광역시 도시 물관리 체계 구축을 위한 기초자료 제공이 가능하며, 물순환 선도도시 사업 정책 개발 및 효과에 따른 대국민 홍보 기반 을 마련할 발판이 될 것으로 기대된다.
참고문헌
1. Street Edge Alternatives(SEA Streets) Project, Seatle, WA(2001)
2. 비점오염원 관리 정책방향 및 물순환 선도도시 조성계획
3. 친환경적 유역관리를 위한 저영향개발(LID)기법, 2010, 국립환경과학원 영산강물환경연구소 4. 김이호, 2012, 외국의 도시 물순환 개선 사례 및
서울특별시가 나아갈 방향, 물순환 도시포럼 5. 영산강·섬진강수계위원회, 2011, 주요 비점오
염원 장기 유출 모니터링
6. 환경부, 한국환경공단, 2016, 저영향개발(LID) 기 술요소 가이드라인
7. Matthias Obermann, Karl-Heinz Rosenwinkel, Marie-George Tournoud, 2009, Investigation of first flushes in a medium-sizes mediterranean catchment. Journal of Hydrology, 373, pp.405-
415.
8. 환경부, 2016, 비점오염저감시설의 설치 및 관 리·운영 매뉴얼
9. 국립환경과학원, 2016, 비점오염원 관리 및 물순 환 개선을 위한 맞춤형 정책 지원 연구(Ⅰ) 10. 국립환경과학원, 2012, 강우유출수조사방법 11. 광주광역시, 2018, 광주광역시 물순환 관리 기
본계획수립 보고서
12. 최지연 등, 2017, 도시지역의 강우유출수 특성 분석을 통한 적정모니터링 횟수 도출, 한국습지 학회지, 19(4), 515-522
13. 이홍신, 이승환, 2009, 국내 중소도시지역 강 우유출수의 유출특성, 대한환경공학회지, 31(3), 193-202
사사 : 본 연구는 영산강·섬진강수계관리위원회의 지원을 받아 “환경기초조사사업” 으로 수행되었음.
