제주도에 계획된 침투저류지의 수문학적 분석 사례
이상호ᆞ이정민*,†ᆞ강태욱ᆞ강신욱**
부경대학교 건설공학부
*한국토지주택공사 토지주택연구원
**한국수자원공사 K-water연구원
A Hydrologic Analysis for the Infiltration Storages Planned on Jeju-do
Sangho Lee⋅Jungmin Lee*,†⋅Taeuk Kang⋅Shinuk Kang**
Department of Civil Engineering, Pukyong National University
*Land & Housing Institute, Korea Land & Housing Corporation
**K-water institute, Korea Water Resources Corporation
(Received 27 September 2010, Revised 16 November 2010, Accepted 17 November 2010)
Abstract
An infiltration storage can be installed as a method of reducing runoff from catchment and increasing stream flow during the dry period by recharging groundwater. However, there is no proper model and method that can be used to design storage capacity of an infiltration storage in Korea. The purpose of the study is to evaluate capacities of infiltration storages planned on Jeju-do in Korea by modifying Storm Water Management Model (SWMM). The basic equations for the infiltration storage are same as those of the infiltration trench used in MIDUSS. Infiltration rates of the infiltration storages were first measured by double ring infiltrometers, and then the modified model was applied to evaluate adequacy for the capacities of three infiltration storages planned on Jeju-do in Korea. The application results show that the two infiltration storages with higher infiltration rates have adequate capacities to infiltrate the total water inflow to the storages. However, the other infiltration storage with lower infiltration rates has not sufficient capacity to infiltrate the total water inflow to the storage and release occurs to the downstream region. The simulation model and method applied can be used for capacity evaluation of future infiltration storages on highly pervious areas in Jeju-do.
keywords : Infiltration storage, MIDUSS, Storage capacity, SWMM
1. 서 론
1)유역 개발에 따른 불투수 영역의 증가는 갈수기 하천유 량을 감소시켜 건천화를 유발하고, 이에 따른 유지유량의 부족은 하천을 중심으로 수질오염 증가 등의 문제를 초래 하고 있다. 최근 정부에서는 친환경 녹색성장기조에 따라 도시의 건전한 물 순환을 강조하고 있으며, 아울러 침투 또는 침투저류 시설에 대한 설치를 강화하고 있다(한국토 지주택공사, 2010).
국내의 유역 개발에 따른 다양한 재해영향 검토서에서는 사업지구 내에 일부 침투 저류시설이 반영되고 있는 실정이 나, 침투 저류시설에 대한 정량적인 효과분석을 포함한 검토 서는 희소하다. 특히, 유역규모의 침투저류지에 대한 계획･설 계 및 규모 산정에 대한 사례 또는 방법론에 대한 연구는 거 의 전무한 상태이다. 그 이유는 유역규모에서 침투저류지의 치수효과에 대해 모의할 수 있는 모형이 제한적이거나 없을 뿐만 아니라 관련된 설계 기준도 미비하기 때문이다.
†To whom correspondence should be addressed.
예를 들어 한국수자원학회(2009)는 우수유출 저감시설에 대하여 일본에서 제시하고 있는 주차장, 운동장 등 일부 저류기능을 갖는 시설의 저류 한계수심과 우수유출 저감시 설의 설치 형태에 대해서만 간단히 제시하고 있다. 또한, 국립방재연구소(1999)는 침투집수정, 침투저류지, 침투측구 및 침투트렌치(infiltration trench) 설계에 관한 개략적인 절 차와 침투 실험방법의 일부를 소개하고 있다. 그리고 침투 저류지는 아니지만, 침투저류지와 매커니즘이 유사한 침투 트렌치에 대하여 이상호 등(2008)은 실험을 통해 유출 양 상을 검토한 바 있다.
한편 국외의 경우, Akan(2002)은 우수유출 저감을 위해 Green-Ampt 침투식을 이용한 침투트렌치의 규모 결정의 절차를 제시하였다. 그리고 Rossman(2009)은 사용자 편의 환경을 갖춘 SWMM(Storm Water Management Model)의 기존 저류지 모의 기능을 Green and Ampt 침투식을 이용 하여 침투저류지 모의가 가능하도록 개선하였다. 특히, 대 부분의 미국 주 정부는 강우-유출 관리를 위한 매뉴얼을 제공하고 있는데, 침투트렌치, 침투저류지, 배수우물(dry well) 등과 같은 침투증진 시설의 설계에 관한 내용을 포함
하고 있다(NC DEM, 1993; NY DEC, 2003). 또한, 미국의 샌디에이고 주는 도시지역의 강우-유출수의 수질 문제를 해소하기 위해 저 영향 개발(Low Impact Development, LID) 과 관련된 기술을 포함한 강우-유출수 최적관기기법(Best Management Practices, BMP)의 종합적인 강우-유출수 관리 매뉴얼을 작성하였다(CA DPLU, 2007). 유사하게 MN MC (2001)과 MD DER(1999)에서도 침투트렌치와 침투저류지 등의 침투 저류지설을 강우-유출수 최적관리 기법에 적용 하고 있다. 이러한 최적관리 기법 또는 저 영향 개발과 관 련된 침투저류지는 저류지 내 녹지의 조성이 매우 중요한 특징으로 조성된 식물의 뿌리를 통해 침투저류지의 침투 능력을 증대시킨다. 이러한 침투저류지의 수질개선 효과는 총인과 총질소의 경우 45 ~ 70%, BOD, 박테리아, 중금속, 총 부유물질의 경우 70 ~ 99%이다(Federal Highway Admini- stration, 2002).
이와 같이 국외에서는 다양한 침투 저류시설에 대한 설 계 지침이 마련되어 있으나, 국내에는 이에 대한 지침이 부재하므로 침투 또는 침투저류 시설의 설치가 활성화되지 못하고 있는 실정이다. 이에 본 연구에서는 침투 저류시설 중 침투저류지를 모의할 수 있는 모형을 개발하였고, 실제 유역에 모형을 적용하였다.
현재 제주국제자유도시개발센터(2008)는 유역개발에 따른 홍수량 증가를 제어할 목적으로 침투저류지 설치를 계획하 고 있다. 본 연구는 이러한 침투저류지의 적절성을 평가하 는데 그 목적이 있으며, 여기서는 치수적 관점에서 수문 분석을 중점으로 용량의 적절성을 검토하였다. 본 연구에서 는 대상유역에 설치 계획된 침투저류지의 적절성 평가 시, 대상유역의 지반 투수성이 매우 큰 것과 하천 및 수로가 잘 형성되지 않는 점을 고려하여 계획 빈도 홍수를 저류지 를 통해 전량 침투시켜 홍수조절이 가능한 지를 검토하였 다. 이를 위해 이정민(2007)에 의해 투수성포장과 침투트렌 치의 기능이 추가된 SWMM-GE(Storm Water Management Model-Groundwater Enhanced)를 이용하였다.
2. 연구방법
2.1. SWMM의 개요
SWMM은 도시유역 내에서 우기 및 건기의 지표유출과 지하수유출, 배수 관망 내의 유출량 추적, 수질모의, 오염 물질에 대한 처리 등을 모의할 수 있는 모형이다(이상호 등, 2009).
SWMM은 그림 Fig. 1과 같은 배수유역의 구조를 네 가 지 층으로 구분하여 유출을 모의한다. 대기(Atmospheric) 층에서는 강우, 잠재증발산, 강설, 기온의 수문기상 자료가 입력된다. 토지 영역(Land Area) 층에에서는 유역의 유출과 유출수의 수질이 모의되는데, SWMM 제4판에서 이를 수 행하는 모듈은 RUNOFF이다(Huber and Dickinson, 1988).
이에 관련된 입력자료는 유역의 면적과 평균경사, 불투수지 역의 면적, 유역의 폭, 지면의 Manning 조도계수와 저류 깊이, 침투 매개변수 등이다. 이송(Transport) 층에서는 RUN-
Fig. 1. A drainage system of SWMM.
OFF 모듈에서 유입된 유출을 하수관거나 하도를 통하여 추적한다. 이를 수행하는 모듈은 TRANSPORT와 EXTRAN 이고, TRANSPORT 모듈은 운동파(kinematic wave) 추적법 을 사용하며 EXTRAN 모듈은 동역학파(dynamic wave) 추 적법을 사용한다. 이에 관련된 입력자료는 관거 또는 하도 의 길이, 관경 또는 관의 폭과 높이, 관거의 경사(EXTRAN 에서는 관 바닥고), 관거 또는 하도의 Manning 조도계수 등이다. 이송 층에는 저류지와 하수처리장이 포함되며 이들 을 모의하는 모듈은 STORAGE/TREATMENT이다.
본 연구에서는 SWMM에 침투저류지 모의 기능을 추가 하기 위해 상기의 다양한 모듈들 가운데 RUNOFF 모듈을 수정하였다.
2.2. 침투저류지를 고려한 SWMM의 수정
침투저류지는 침투트렌치에 비해 폭이 넓고, 저류공간이 큰 것을 제외하면 물리적인 메커니즘은 유사하다. 이에 대하 여 CA DPLU(2007)는 침투저류지가 지표면 위에서 저류하 고, 침투트렌치가 지표면 아래에서 저류하는 것을 제외하면 두 저류시설이 기능면에서 유사한 것으로 제시하고 있다.
본 연구에서는 이정민(2007)에 의해 개발된 침투트렌치 모의가 가능한 SWMM-GE를 침투저류지 모의가 가능하도 록 수정하였다.
SWMM-GE에 탑재된 침투트렌치의 모의 기능은 Smith (2004)가 개발한 MIDUSS 모형에서 사용되는 침투트렌치 모듈의 이론과 방법을 반영하여 개발된 것이다. MIDUSS 모형은 트렌치에 유입되어 지하로 빠져나가는 침투를 침출 (exfiltration)로 표현하고 있다. Fig. 2는 MIDUSS 모형 내 트렌치의 모습을 나타낸다(Smith, 2004). MIDUSS 모형의 트렌치에서 물이 침출되는 과정을 모의하는 기본 방정식은 식 (1)과 같다. 식 (1)은 트렌치의 저류량()의 변화율을 트렌지의 유입량(), 유출량(), 침출량()을 이용하여 정 의한 연속방정식이다. 식 (2)는 식 (1)의 차분형으로서, 아 래첨자 1과 2는 각각 시간 와 를 나타낸다. 식 (2)
Table 1. Parameters of the modified SWMM for infiltration storage design
Item Description
Catchment parameters of infiltration storage
Area ratio of infiltration storage in a specific catchment (%) Depression storage of catchment in infiltration storage (mm) Manning's roughness of catchment in infiltration storage
Dimensions of infiltration storage
Top width of infiltration storage (m) Bottom width of infiltration storage (m) Height of infiltration storage (m)
Distance from invert elevation of infiltration storage to initial groundwater elevation (m) Invert elevation of infiltration storage (El. m)
Saturated conductivity of infiltration storage (m/hr) Side slop of infiltration storage (%)
Length of infiltration storage (m) Number of infiltration storage Fig. 2. A typical infiltration trench of MIDUSS model.
는 다시 식 (3)으로 표현할 수 있다. MIDUSS 모형은 식 (3)의 계산을 위해 저수지 추적방법 중 수정 Puls 방법을 사용한다.
(1)
(2)
(3)
MIDUSS 모형에서 침투 트렌치의 단면은 Fig. 3과 같이 가정하고 있다(Smith, 2004). 트렌치의 단면은 높이 와 상부 폭 , 그와 대응되는 바닥 폭 로 이루어진 사다리 꼴이다. 지하수위는 트렌치 바닥부터 깊이 만큼 아래에 위치하고 있다. 트렌치 간극의 수심을 로 표현하면, 트렌 치 벽면의 습윤길이는 로 나타낼 수 있으며, 여기서 는 식 (4)와 같이 주어진다.
(4)
지하수 흐름의 Darcy 법칙은 식 (5)와 같이 나타낼 수
있다. 여기서, 는 토양의 투수계수, 는 마찰경사를 나 타낸다. 그리고 는 식 (6)으로 표현할 수 있다. 따라서 트렌치의 단위길이당 침출되는 양 는 식 (7)로 추정할 수 있다. 여기서, = 1 혹은 0은 트렌치 바닥 유출구의 개폐여부에 따라 결정되는 상수이다.
(5)
(6)
(7)
Fig. 3. A typical infiltration trench cross-section of MIDUSS.
침투저류지는 강우에 의한 유출수를 저류지에 저류하고, 저류된 우수를 저류조 바닥 토양을 통해 침투시켜 대수층 과 주변의 토양층으로 배수하는 시스템이다. 따라서 침투저 류지의 저류용량을 결정하려면 소유역 면적과 같은 유역특 성 자료, 강우량과 같은 기상특성 정보 외에도 토양의 침 투능, 간극비, 지하 대수층까지의 깊이와 같은 토양 특성정 보까지 고려되어야 한다(Guo and Hughes, 2001).
Fig. 6. Constitution of infiltration storages with settling basin to be built.
본 연구에서는 침투저류지 모의를 위해 SWMM의 RUN- OFF 모듈 내의 HYDRO, RHYDRO1, CATCH, WSHED 부프로그램을 수정하였다. 그리고 침출량을 고려할 수 있도 록 침투저류지 계산 부 프로그램을 별도 작성하였고, 계산 된 침출량은 지하수에 반영될 수 있도록 RUNOFF 모듈 내 GROUND 부 프로그램에 더해지도록 수정하였다. 본 연구 에서 수정개발한 침투 저류지 모의 모형의 입력변수는 Table 1과 같다.
2.3. 대상 유역
2.3.1. 대상 유역과 침투저류지
본 연구에서는 국내에서 토양 침투가 가장 활발하게 발 생하는 제주도 지역을 대상으로 연구를 수행하였다. 특히, 제주도 내에서 일부 유역의 개발로 인해 계획되어 있는 침 투저류지를 평가하였다.
연구 대상 사업지구는 제주특별자치도 서귀포시 대정읍 일원이다. 사업지구는 경사가 완만한 산간지대이며, 투수성 이 큰 곶자왈 지역에 위치해 지구 내･외에 수로가 형성되 어 있지 않아 홍수 시에 하천 유출이 없다. 하지만, 유역 개발이 진행되면, 불투수 지역이 형성되고 여기서 발생되는 홍수 유출은 하류부에 피해를 발생시킬 소지가 있다. 따라 서 이를 방지하고자 사업지구의 적정 위치에 침투 저류지 를 설치할 예정이다. Fig. 4는 대상 지역의 유역 분할 및 저류지 설치 지점을 나타낸다. Fig. 5는 계획된 침투저류지 의 평가를 위해 수행한 침투율 측정 지점을 나타낸다.
제주국제자유도시개발센터(2008)에 의하면, 본 연구 대상 유역에서 발생하는 우수유출량은 최종적으로 각 지점의 저 류지로 배제되어 전량 침투시키는 것으로 계획되어 있다.
저류지의 전면부에는 침사지를 설치하여 저류지 내로 토사 유입을 방지함으로써 저류지의 침투 기능이 저하되지 않도 록 설계되었다(Fig. 6). Table 2는 대상 지역의 유출부에 위 치할 침투저류지의 제원을 나타낸다(제주국제자유도시개발 센터, 2008).
Fig. 4. Catchment areas and locations of infiltration storages to be built.
Fig. 5. Measurement locations of infiltration rate.
(a) Standard double ring infiltrometer (b) Small double ring infiltrometer Fig. 7. Double ring infiltrometers.
Table 2. Dimensions of infiltration storages to be built
Item Catchment
Note Item Catchment
Note
A2 B1 B2 A2 B1 B2
Invert elevation (El. m) 105.2 133.5 69.8 Crest elevation (El. m) 109.04 137.26 73.60
Flood water level (El. m) 108.44 136.66 73.00 Max. capacity (m3) 32,903 26,917 104,674 Crest elevation Capacity (m3) 28,438 23,309 89,464 Flood water
level Surface area (m2) 10,200 8,450 30,250
Free board (m) 0.60 0.60 0.60 Side slop 1:2 1:2 1:2 V : H
2.3.2. 대상 유역의 토양
본 연구 대상지역의 지표 지질은 대부분 조면현무암으로 구성되어 있다(한국자원연구소, 2000). 조면현무암(trachyba- salt)은 용암 또는 작은 관입암체로 산출된 세립의 암석으로 현무암과 조면암의 중간 성질을 지닌다. 조면현무암은 점성 이 낮고 치밀하며, 다공질이 발달한 반상구조를 갖는다.
일반적으로 수문학적 토양군은 Table 3과 같이 4개의 형 태로 분류된다(Rossman, 2009). 제주국제자유도시개발센터 (2008)에 의하면, 본 연구의 대상지역 전체는 수문학적 토 양군 중 투수성이 가장 높은 A 그룹에 속한다.
Table 3. Typical hydrologic soil group
Soil group Characteristics Major soil A High infiltration rate Gravel, sand B Moderate infiltration rate Shallow loess,
sandy loam C Slow infiltration rate Shallow sandy loam,
clay loam D Very slow infiltration Heavy plastic clay
2.4. 침투율 측정 방법
국립방재연구소(1999)에서는 저류지의 현장 침투시험 방 법으로 Bore-hole(표준형), 저면침투법, 실물시험을 참고로 하되, 현장조건에 적합한 방법을 선정하여 수행하는 것으로 제시하고 있다. 반면에, 미국의 현장 침투시험은 이중관 침 투율 측정기(double-ring infiltrometer)로 수행하는 것을 표
준으로 하고 있다(American Society for Testing and Materials, 2003).
표준 이중관 침투율 측정기는 외부관의 직경이 600 mm이 고, 내부관의 직경이 300 mm이다(Fig. 7(a)). 이 장치를 이 용한 실험은 수리전도도가 10-2 cm/s보다 크거나 10-6 cm/s 보다 작을 경우, 상당히 어렵고 시간이 많이 소모되거나 신뢰도가 떨어진다고 알려져 있다. 이외에 Turf-Tec사에서 제작한 소형 침투율 측정기가 있다(Fig. 7(b)). 이 장치는 외부관의 직경이 110 mm, 내부관의 직경이 64 mm이다.
Lantrip and Harrison(1999)에 의하면 Turf-Tec사에서 제작 한 소형 침투율 측정기는 여러 가지 지반조건에서 사용하 기 편리하다고 제시되어 있다.
국립방재연구소(1999)에서 제시한 침투시험 방법은 지하 에서 물이 수직으로만 이동하지 않고 수평 흐름이 발생하 여 지면의 수직 침투율이 과대 측정되는 심각한 단점이 있 다. 따라서 연구에서는 미국의 이중관 침투율 측정기를 사 용하되, 물의 소모량이 적은 소형 측정기를 사용하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 확률강우량의 추정
사업 지구의 적정 확률강우량을 산정하기 위해 강우자료 의 보유년수와 신뢰도 등을 고려하여 서귀포 관측소의 관 측 강우를 이용하였다. 확률강우량 산정에 사용된 서귀포 관측소의 시 우량 자료는 47년(1961 ~ 2007년) 간의 자료이
Table 4. The results of parameters for probability weighted moment method (GUM distribution)
Duration (Minutes) Location parameter Scale parameter Shape parameter Validity
10 15.11 3.42 0.00 O.K.
60 39.00 9.98 0.00 O.K.
120 53.52 16.51 0.00 O.K.
180 65.39 21.50 0.00 O.K.
240 74.76 26.11 0.00 O.K.
360 88.05 31.14 0.00 O.K.
540 101.47 39.06 0.00 O.K.
720 110.86 43.92 0.00 O.K.
1440 131.48 58.92 0.00 O.K.
Table 5. The results of fitness test for probability weighted moment method (GUM distribution) Duration
(Minutes)
Chi-square test Kolmogorov-Smirnov test Probability plot correlation coefficient test
Comp. Table Check Comp. Table Check Comp. Table Check
10 10.79 12.59 O.K. 0.085 0.196 O.K. 0.994 0.986 O.K.
60 6.88 12.59 O.K. 0.088 0.196 O.K. 0.994 0.987 O.K.
120 6.61 12.59 O.K. 0.125 0.196 O.K. 0.994 0.992 O.K.
180 13.55 12.59 O.K. 0.121 0.196 O.K. 0.994 0.984 O.K.
240 8.46 12.59 O.K. 0.098 0.196 O.K. 0.994 0.989 O.K.
360 9.91 12.59 O.K. 0.125 0.196 O.K. 0.994 0.985 O.K.
540 9.00 12.59 O.K. 0.129 0.196 O.K. 0.994 0.984 O.K.
720 6.30 12.59 O.K. 0.157 0.196 O.K. 0.994 0.981 O.K.
1440 6.37 12.59 O.K. 0.141 0.196 O.K. 0.994 0.981 O.K.
Table 6. Probability rainfalls by durations Duration
(Minutes)
Rainfall intensity (mm/hr)
Rainfall depth (mm)
360 36.76 220.58
540 29.18 262.66
720 24.50 293.99
1,080 18.89 339.98
Fig. 8. Hyetographs by durations.
고, 이는 우리나라의 강우 빈도해석의 최소 관측년수 기준 인 30년을 상회하므로 적절하다.
확률강우량 산정의 매개변수 추정 방법은 확률가중모멘 트법을 적용하였고, 확률분포형은 Gumbel 분포를 채택하여 지속기간별 확률강우량을 산정하였다. Table 4와 5는 각각 Gumbel 분포의 확률가중모멘트법에 대한 매개변수 추정 결과와 적합도 검정 결과를 나타낸다.
설계 빈도 50년의 지속기간 360분, 540분, 720분, 1080분 에 대한 확률강우량을 추정하였다. 강우의 시간분포는 Huff 분위 중 제주도 지역에 가장 우세한 제4분위 분포로 하였 다. 결정된 확률강우량과 강우주상도는 각각 Table 6, Fig. 8 과 같다.
3.2. 유역 및 하도의 분할
침투저류지 모의를 위한 유역 유출량 산정을 위해 우수 계획평면도, 우수유역도, 공사계획평면도, 토지이용 계획도 및 지반조사보고서를 이용하였다. 우수계획평면도와 우수유 역도를 이용하여 배수유역과 우수관망도를 구성하였고, 유 역 면적과 유역폭 등을 산정하였다. 공사계획평면도를 이용 하여 개발 후 유역의 경사를 산정하였으며 토지이용계획도 와 지형정보시스템 소프트웨어를 이용하여 각 소유역의 불 투수율을 산정하였다. 추정된 유역과 관거의 주요 매개변수 의 일부를 Table 7과 8에 각각 제시하였다. 그리고 Fig. 9 는 각 배수유역의 유출 모식도를 나타낸다.
3.3. 대상유역의 포화침투율
침투저류지 설치 대상지역의 침투 모니터링 결과는 Fig. 10, Table 9와 같다. 침투저류지 대상 지점 중 상대적으로 고지 대인 구억리와 보성리 87번지는 매우 큰 침투율을 나타내
Table 7. Major parameters of subcatchments Table 8. Major parameters of channels Name Area
(ha)
Width (m)
Proportion of
impervious area(%) Slope
101 0.52 72.1 18.93 0.04
102 1.04 102.0 18.93 0.03
103 2.97 172.3 10.93 0.63
……
378 1.83 135.3 66.39 0.17
379 3.06 174.9 28.37 0.14
380 3.59 189.5 62.65 0.03
Name Downstream channel
Length
(m) Slope
1001 1004 68.75 0.0075
1002 1004 56.00 0.0032
1003 1004 67.90 0.0530
……
3080 3082 32.7 0.0034
3081 3082 99.7 0.0085
3082 350 14.7 0.0015
(a) A2 catchment (b) B1 catchment (c) B2 catchment Fig. 9. Schematic diagrams of runoff simulation for catchments.
Fig. 10. The results of measurements for infiltration rate.
고 있다. 반면에 보성리 2138 지점은 포화침투율이 작아 침투가 잘 일어나지 않는 것으로 분석되었다.
Table 9. Saturated infiltration rates of infiltration storages to be built
Position Catchment Saturated infiltration rate (cm/sec)
87 Boseong-ri A2 0.00682
Gueok-ri B1 0.00380
2138 Boseong-ri B2 0.000167
3.4. 침투저류지 용량의 적절성 검토
전술한 자료들을 이용하여 홍수유출 모의를 수행하였다.
홍수유출 모의는 50년 빈도 강우의 360분, 540분, 720분, 1080분의 지속기간에 대하여 수행하였다.
본 연구에서는 저류지의 용량이 최대가 되는 지속기간의 강우를 설계 강우로 설정하였다. 그 결과, 저류지 설치 지 역인 세 유역 모두에서 지속기간이 540분일 때 저류지의 용량이 최대가 되는 것으로 분석되었다. 따라서 저류지의 설계 유입량은 50년 빈도 540분 지속기간의 강우에 의한 유출 수문곡선이다.
모의된 저류지의 설계 유입량과 침투저류지 제원 및 포 화침투율을 이용하여 침투저류지의 효과를 분석하였다. 일 반적으로 저류지는 유역의 개발 전･후에 대한 홍수량 산정 을 통해 개발에 따른 홍수량 증가분을 제어할 목적으로 설 계된다. 하지만 본 연구에서는 제주도 지역의 투수성이 매 우 크며 하천 및 수로가 잘 형성되지 않아, 개발 전･후 모 두 하천 유출이 발생하지 않음을 반영하여 개발 후 계획 빈도 홍수를 저류지를 통해 전량 침투시켜 홍수조절이 가 능한 지를 검토하였다.
Fig. 11은 대상 유역에 계획된 침투저류지에 대하여 50년 빈도 강우 사상 발생 시, 저류지의 유입량, 침투량, 저류량 을 모의한 결과이다. Fig. 11의 (a)는 A2 저류지로서 계획 된 32,903 m3의 저류용량을 거의 모두 사용하면서 침투를 통해 우수를 배제하는 것을 볼 수 있다. Fig. 11의 (b)에 제시된 B1 저류지는 계획된 저류용량이 26,917 m3이나, 50
(a) A2 catchment (b) B1 catchment (c) B2 catchment Fig. 11. Inflow-infiltration-outflow hydrographs for infiltration storages to be built.
년 빈도 홍수를 배제할 수 있는 저류용량은 계획된 저류용 량의 약 1/6인 것으로 분석되었다. 반면에 Fig. 11의 (c)에 제시된 B2 저류지는 상대적으로 침투율이 낮아 계획된 저 류용량인 104,674 m3으로 50년 빈도의 강우 사상에 의한 우수를 모두 배제할 수 없는 것으로 나타났다. 즉, 저류지 외부로 유출이 발생되는 것으로 분석되었다.
B2 저류지의 경우 다른 두 저류지에 비해 유입량이 상대 적으로 많은 반면 침투율은 현저히 떨어진다. 이 때문에 저류지의 유입량이 전량 침투되지 못하여 외부로 유출이 발생한다. 그러므로 침투저류지의 방류량에 따른 수로 설치 와 저류지 규모의 재산정 등 대안이 요구된다. 연구에서는 외부로의 유출이 전혀 발생하지 않는 저류지의 규모를 산 정하였는데, 이 때 요구되는 저류지의 용량은 약 153,000 m3 으로 분석되었다.
본 연구에서 저류지 설치 예정 지점에서 수행한 침투 모 니터링은 지면으로부터 약 1 ~ 2 m 깊이의 지반 포화 침투 능력을 조사한 것이다. 하지만 저류지 설치 시 절토 심도 에 따라 침투율은 다소 변동될 가능성도 있다. A2, B1 저 류지 지점의 경우 지하 수 m 심도에서도 투수성이 매우 큰 클링커 층이 존재하므로 유역에서 발생하는 유출이 저 류지에서 모두 침투될 가능성이 매우 높다. B2 저류지의 경우에도 실제 저류지 설치 심도와 본 연구에서 측정한 지 표면의 침투 능력이 상이할 수 있으므로 재 검토할 필요가 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 SWMM-GE 모형에 탑재된 침투트렌치 모 의 기능을 이용하여 침투저류지 모의 모형을 수정 개발하 였다. 개발된 모형은 제주도에 설치 계획된 3개의 침투저 류지 용량에 대한 적절성 검토에 사용되었다. 계획된 침투 저류지 용량의 적절성 평가는 계획 빈도 홍수에 의한 유출
량을 저류지를 이용하여 전량 침투시킬 수 있는지 검토하 는 것으로 수행되었다.
침투저류지가 계획된 지점의 침투율 측정을 위해 소형 이중관 침투율 측정기가 사용되었다. 세 지역의 포화침투율 은 각각 0.00682, 0.00380, 0.000167 cm/sec으로 측정되었 다. 측정된 포화침투율을 반영한 침투저류지의 모의 결과, 포화침투율이 상대적으로 낮은 1개의 침투저류지는 현재 계획되어 있는 저류지 용량으로 50년 재현기간의 확률강우 를 전량 침투시키지 못하는 것으로 분석되었다. 본 연구에 서는 계획 빈도 홍수를 전량 침투시키는 것으로 침투저류 지를 평가하였으나, 실질적인 침투저류지 설계에서는 하류 부 하도와 관거의 설치, 여수로의 설치 등을 포함하여 다 양한 저류지 규모에 관한 검토가 수반되어야 한다.
본 연구에서 수정 개발한 침투트렌치 모의 모형과 설치 계획된 침투저류지 용량의 적절성을 검토하는 일련의 과정 은 추후 제주도와 같은 투수성이 높은 지역의 침투저류지 설계에 활용될 수 있을 것이다.
본 연구에서는 침투저류지의 치수 측면의 수문 분석만을 수행하였다. 하지만 미국의 경우 침투저류지를 강우-유출수 최적관리기법에 활용하는 등 유역과 하천의 환경적 개선에 적용하고 있다. 따라서 추후 침투저류지 설치에 따른 수질 개 선 효과와 물 순환 분석을 통한 지하수와 하천수의 유량 증대 에 관한 분석 등 다양한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
사 사
본 연구의 내용은 한국토지주택공사의 “사전재해영향성 검토 제도의 합리적 평가기준 수립(홍수조절방안 중심으로)”
연구과제와 제주국제자유도시개발센터의 “제주영어교육도 시 실시설계용역 중 현장침투 모니터링” 연구용역의 일부 이며, 연구비 지원에 심심한 감사의 뜻을 표합니다.
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