Water for Future
선형 침투유로시스템의 개발과 성능시험에 관한 연구
1. 연구목적
1) 도시홍수관리 : 도시화에 따른 불투수층의 증 대로 인하여 도시홍수는 매우 심각한 수준에 이르 고 있다. 도심의 지하철과 건축물의 지하 주차장 등이 홍수의 범람으로 인하여 인적·물적 인적피 해가 매년 반복되고 있으며 도시안전을 위하여 막 대한 예산 투입과 기술적 대안마련으로 끊임없는 노력을 기울이고 있으나 피해는 좀처럼 줄어들지 않는다.
2010년 9월 21일 서울광화문 침수사태는 빗물 을 관리해야하는 중앙부처와 지자체로서는 시민의 안전과 재산보호라는 공공의 역할과 물 관리에 대 한 대안정책(Governance)의 중요성을 일깨우는 계기가 되었다고 보며 본 연구는 침투·저류방식 으로 첨두유량(Peak Flow)을 낮추어 도시홍수를 저감하는데 목적이 있다.
2) 비점오염관리 : 도시안전과 함께 공공수역과
도시의 환경보존은 치수방재와 동일 선상에서 관 리해야 할 사회적인 요구라고 할 수 있으며 바로 비점오염문제를 해결하지 않고 도시 및 공공수역 의 수질오염관리를 해결할 수 없다.
선행 연구에 따르면 빗물침투는 물 순환율을 높 일 뿐 아니라 비점오염물질도 저감하게 된다는 사 실이 입증된바 있다. 이것은 오염마일리지1) 효과 와 빗물을 침투·저류·증발산을 높여 우수유출량 을 저감함으로써 공공수역의 오염을 저감할 수 있 다는 것이다.
본 연구는 당연구소가 개발한 선형침투유로시스 템을 서울도심 가로변에 설치하여 비점오염물질과 중금속, 영양 염류 등 유해물질들을 침전과 여과, 흡착 및 완충, 분해와 변환과정을 거치면서 자연 물 순환 대사방식으로 생태적 지표가치를 높일 수 있도록 성능설계를 한 것이며 이에 대하여 수질처 리용량(WQv)과 같은 합리식 방법으로 비점오염 부하 삭감량을 검증 하고자 한다.
*용어정리 : 선형 침투유로시스템은 침투통과 침투관 및 이를 둘러싸고 있는 쇄석, 여과장치와 그 밖의 여러 부품들로 구성된 일련의 침투관련 시설들을 연동한 침투시스템이며 이를 통칭하여
‘본 기술’이라 칭한다.
허 우 영 ●●●
LID워터 부설 빗물생명과학연구소 소장 lidwater@naver.com
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2.‘본 기술’의 성능설계
도시홍수 및 비점오염을 삭감하기 위하여 3가 지의 성능 설계기술을 ‘본 기술’에 적용하였다. 성 능설계는 검증된 선행기술을 기반으로 당 연구소 에서 개발한 침투시스템방식(특허 및 기술개발)을 적용하였다.
1) 성능설계-1 : 침투성능의 확대로 우수유출 의 저감
폭우처리목적의...선형침투시스템(Linear Type Infiltration Systems)은 기존 침투시스템이 빗물 의 일시적인 저류 기능이나 점적인 침투기능, 짧 은 기간 내에 집중강우가 발생하는 한국적 상황을 고려한 것이다1)
‘본 기술’은 침투기술성능을 한 단계 높여 지중 으로 연속형 유로를 조성하여 침투량을 높여 지 표면에서 빗물의 유출을 저감하는 성능설계방식 을 도입한 것이다. 연속강우 시에는 토양이 포 화상태가 됨으로써 점형침투시설(Point Type Infiltration Systems)은 성능이 급격히 저하되 게 된다. 따라서 이러한 수문학적 특성을 보완하 여 선형의 침투시설을 연속된 유로형태로 만들어 줌으로써 빗물의 지중이동성능을 높이고 침투시설 주변을 둘러싸고 있는 다공질의 쇄석과 토양지반 으로 빗물 침투를 확산시키는 방식이다.
2) 성능설계-2 : 비점오염저감기능
을 극복한 것이다. 우수의 유도기능, 초기우수 정 화기능, 침투기능과 동시에 외부공간의 조경요소 로 적용 가능한 새로운 개념의 침투시스템이다2).
‘본 기술’은 빗물 흐름의 경로와 수문특성의 메 카니즘을 이용하여 도로에서 발생되는 고농도의 초기우수의 처리 및 여과기능과 동절기에 사용하 는 염화나트륨(염화칼슙포함)을 여과 및 침투, 분 해할 수 있도록 유역구간별로 별도의 여과 및 분 해 장치를 설치하여 비점오염저감능력을 높일 수 있도록 성능설계를 한 것이다.
3) 성능설계-3 : 목표관리 30mm/D 유출저감 성능목표설정
발생원에서 빗물 유출관리 목표량을 30mm/
Day처리할 수 있도록 ‘본 기술’의 구성인자인 침 투통과 침투관 및 그 주변을 둘러싸고 있는 일련 의 빗물침투장치에 대한 성능설계기술을 적용하였 다. 선행기술을 보유하고 있는 미국의 LID협회3)에 서는 분산식 빗물관리방식인 LID기술을 이용하여 발생원(On Site)에서 빗물을 관리(침투·저류·증 발산)하여 약80~90 Percentile을 목표로 설정하 고 있으며 본 연구에서는 중위 값인 85 Percentile 을 목표로 설정하였으며 침투량 설계를 하고 이를 현장시험으로 검증한다.
3. 침투유로시설의 설치 후보지 선정
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4. 시범단지의 토양시험
1) 서울시(도시안전국 물재생과. 도봉구청)의 지 도로 본 연구소는 2012년 6월부터 11월 말까 지 전수조사를 실시하여 침수지역 발생원을 시범사업 대상지로 선정하였다.
2) 시범사업지의 수문학적 토양을 샘플링하여 한국건설자재시험연구원에서 시험한 결과는 다음과 같다.
- 투수계수 ; 8.53x10-4cm/sec(KS F 2322-05) - 흙의 밀도: 2.706g/㎥(KS F 2308-06) - 함수비 : 8.8%(KS F -05)
5.‘본 기술’의 설계개요와 시설형태
1) 설계개요
① 침투통과 침투관 및 이를 연동한 침투시설 과 침투성능을 높이기 위하여 쇄석부설과 지 반의 미세토사의 이동을 막기 위하여 부직포 등으로 구성되며 형태는 아래그림과 같다.
2) 시설의 형태
① 침투관, 침투통의 형태 : LID요소기술로서 검증된 침투통과 침투관을 적용
② 경사면이 7%이하일 것
③ 가로수 및 Gas관과 통신, 전선 등 지하지장 물이 많은 곳은 피할 것
2) 후보지의 선정
① 서울시 대부분의 도로변은 Gas관, 상하수도
관, 전기 및 통신 등 지하지장물이 매우 복잡 하게 얽혀져 있어 비교적 지장물이 없는 곳 후보지를 선정하여 관할관청(도봉구청)의 입 회하에 최종 시범대상지를 선정하였다.
② 시범단지 위치는 도봉구 마들로 11길 20 농 협유통 창동 농산물유통센터일원 양안400m
창동역 우측가로변 전경 창동역 좌측가로변 전경
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② 침투유로시스템의 형태 : 침투관과 침투통을 우수받이와 연동하여 Off-Line성능효과를 높여 침투 저류방식으로 유출량을 저감하는 시스템
③ 도로변 설치 평면도
④ 도로변 설치 단면도
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3) 침투유로 시스템의 시공사진
① 터파기
③부직포깔기
⑤침투유로설치
⑦뒷정리 및 안전시설
② 바닥다지기
④ 쇄석포설.다지기
⑥ 쇄석채움.다지고 부직포 덮기
⑧최종검사/서울시청
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6. 침투량의 설계
① 침투측정시간 : 60분
② 수위변화 : 22cm
③ 침투통 내부 침투량: π x d2 / 4 x h =0.028㎥
④ 침투통 외부 침투량:
(1.5x1.5x0.20-0.028=0.136㎥
⑤ 침투통 전체 침투량 :내부침투량+외부침투 량=0.164㎥
⑥ 종기침투량(Qt) :침투량/측정시간 0.164/1.00=0.164m3/hr
시설폭 : 0.4m 시설깊이(설계수두) : 1.0m
⑦ 시험시설 비침투량(Kt) : 5.4㎥
1) 선형유로(침투통/침투관)의 규모 결정
① 침투통 / 침투관의 설치 개요
② 침투통 설치 개수 : 2개
③ 침투관 설치길이(L, m) = (도로구간 연장) - 침투통 너비 = (20 -2 x 0.4 ≒ 20m STEP-1) 침투.유로설치의 설계강우량 및 삭감
대상부하비 최종 결정
① 침투통 / 침투관의 수질처리용량 - 총 수질처리용량
= 침투통 수질처러용량(∑WQV1’) + 침투관 수 질처리용량(∑WQV2’)
= 침투통 개수 x 단위시설당 처리용량 + 침투 관 설치길이 x 단위길이당 처리용량
= 2 개 x 1.67 m3/개 + 20 m x 0.81m3/m =
- 강우처리비 = 0.2716 × ln(P) - 0.2425 0.2716 × ln(51.40) - 0.2425 = 0.8276 - 삭감대상부하비 = exp[-0.0184 × {ln(강우
처리비)}2 + 0.6922 × ln(강우처리비)] = exp[-0.0184 x {ln(0.8276)}2 + 0.6922 × ln = 0.877
STEP-2) 침투관 단위시설당 설계침투량 / 처리용량산정
< 침투관의 개요 >
- 정방향 침투관(측면 및 저면) - 폭(W) : 1.2m
- 설계수두(H) : 1.35m - 침투관 지름(d) : 0.2m - 침투시간 T = 2.0hr - 침투관 비침투량(Kf)
계수 a = 3.093
계수 b = 1.34×W+0.677=2.285
Kf=a×H+b= 3.093x1.4+2.285 = 6.460(㎡) - 침투관 기준침투량(Qf)
Qf=k0 x Kf=0.03037×6.460=0.197m3/hr - 침투관 단위 설계침투량(Q)
Q=C×Qf=영향계수 X 기준침투량 =0.81×
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STEP-3) 침투통 단위설계침투량 / 처리용량 산정
< 침투통의 개요 >
- 정방향 침투통(측면 및 저면) - 폭(W) : 1.2m
- 설계수두(H) : 1.35m - 침투통 지름(d) : 0.4m - 침투통높이(h) : 1.0m - 침투시간 T = 2.0hr - 침투통 비침투량(Kf)
계수 a = 0.12×W+0.985=1.129 계수 b = 7.837×W+0.820=10.224 계수 c = 2.858×W-0.283=3.712
Kf = a×H2+b×H+c=1.129×1.4 2+10.224
×1.4+3.712=19.573(m2) - 침투통 기준침투량(Qf)
Qf= k0 x Kf = 0.03037 x 19.573 = 0.594 m3/hr
- 침투통 단위 설계침투량(Q)
Q = C×Qf = 영향계수×기준침투량 = 0.81
× 0.594 = 0.481 m3/hr - 침투통 단위시설당 처리용량(WQV1’))
WQV1’ = 침투통 부피 + 침투통 외부 자갈층 + 토양 침투량 = π×d2 / 4×h + ( W×W
×H - π×d2 / 4×h )×p + Q×T
= 3.14×0.4 2/4×1.0+(1.2×1.2×1.4-3.14×
0.4 2/4×1.0)×0.32+0.481 = 1.67㎥/개소
STEP-4) 침투통 / 침투관의 규모 결정
•침투통 / 침투관의 설치 개요 - 침투통 설치 개수 : 2개
- 침투관 설치길이(L, m)
= (도로구간 연장) - 침투통 너비
= (20 -2×0.4 = 19.2 ≒ 20.0m
STEP-5)
침투통 + 침투관 조합설치에 따른 설계강우량 및 삭감대상부하비 최종 결정
① 침투통 / 침투관의 수질처리용량 - 총 수질처리용량
= 침투통 수질처러용량(∑WQV1’) + 침투관 수 질처리용량(∑WQV2’)
= 침투통 개수×단위시설당 처리용량 + 침투관 설치길이×단위길이당 처리용량
= 2개×1.67 m3/개 + 20m×0.81m3/m
= 3.34+16.2 = 19.5 ㎥
② 침투통, 침투관으로 설계된 규모로 조합설치 시 처리가능한 용량 (= 19.5 m3) 에 해당하는 설계강우량 최종 결정
③ 설계강우량(P) 기준으로 강우처리비 및 삭감 대상부하비 산정
- 강우처리비 = 0.2716×ln(P) - 0.2425
= 0.2716×ln(51.40)-0.2425=0.8276 - 삭감대상부하비 = exp[-0.0184×{ln(강우처
리비)}2 + 0.6922×ln(강우처리비)]
= exp[-0.0184 x {ln(0.8276)}2 + 0.6922×
ln(0.8276)]
= 0.877
④ 삭감부하량(△L) 산정
△L = A x UL x 삭감대상부하비 x E / 100
= 400×10-6×85.9×0.877×53/ 100
= 0.0159kg/일
여기서 △L은 삭감부하량(kg/일), A = 집수유 역면적(km2)
UL = 집수유역의 원단위(kg/일/km2), WQV × 103
A x Rv
P = = 19.5×103
400×0.95= 51.40mm
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E = 저감시설의 저감효율(%, 환경부 적용기준) 3) 비점오염원관리에 따른 비점삭감량 합산
배출 비점오염부하 증가량 = 0.034 kg-BOD/일 침투.유로형시설의 비점오염삭감량
= 0.0159 kg-BOD/일 4) 배출부하량 산정결과
5) 수질오염삭감부하량의 결과
- 수질오염삭감 검토 결과 ‘본 기술’을 적용하여
최종 배출부하량이 당초에는 0.021kg/일.
- 침투유로시설을 설치하여 최종배출 부하량은 0.018kg/일 로서 0.01590kg/일의 추가 비점 삭감 효과가 13%초과 달성하였음.
7. 이론 및 설계목표에 대한 검증 1) 현장 투수시험
① 서울시에서 시범단지에 설치된 ‘본 기술’에 대한 현장 투수시험 지시를 받고2012년 10월 7일 도봉구 창동역 일원에 설치된 것 중 우측가로변에 설치된 침투유로시설 20m를 현장 투수시험장소 로 정하여 아래 사진과 같이 물을 유입하여 현장 투수시험을 실시하였다.
구 분 발생부하량 (kg/일)
비점삭감부하량 (kg/일)
최종배출부하량 (kg/일) 사업
지구 0.0340 0.0159 0.0181
②침투통 유입부
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2) 투수시험에 투입된 장비
① 장비 ; 물차10톤 1대
② 물 유입시간 : 30분
③ 침투량 측정 : 유입전후의 수두고를 Steel Staff로 측정
3) 침투량 측정 결과
① 수두고 : 침투시스템(침투통)의 80%높이 까 지 충수
② 최종 측정 시간 : 유입 후 1시간
③ 총유입량 : 18톤 4) 유역면적 계산
① 유역경계 :
유역폭 : 도로중심부에서 인도 끝단까지 : 19m , 유역길이 : 20m
② 유역면적 : 19 x 20 = 380㎡
5) 침투량 결과분석
① 유역면적에 대한 종기 침투량을 측정한 결과 를 분석
② 침투량 : 18 / 380 = 0.0474㎥
6) 수문분석 : SWMM-5모델(2014년 EPA적용) 하여 수문분석결과는 다음 표와 같다.
① 확률 강우 30년 빈도 적용
② 세유역(Sub Catchment) : 설계도와 같음
③ 매개변수와 입력 값: 물리적 수학적 매개변 수적용
④ 입력 값은 미국EPA 2014년 최신버전사용
⑤ ‘ 본 기술’적용 전후의 효과분석 결과; 우측표 참고
⑥ 소결 : ‘본 기술’을 적용하여 Peak Flow 20mm저감
소 결 ; 단위 유역면적에 대한 침투유로시설시 스템은 수문학적으로는 약20mm, 현장시험 결과 에서는 약48mm의 빗물 침투성능을 검증하였다.
8. 결 언
1) ‘본 기술’의 성능설계목표치는 일강우 30mm 가 내렸을 때 전량을 침투· 저류하도록 설계 된 것임
2) 시범지역의 수문학적 토양형 투수계수 8.53
×10-⁴cm/sec조건에서
3) 상시 침수지역인 도봉구 창동 지역에 ‘본 기 술’ 시스템을 적용하여 설계목표치보다 약 60%초과달성하여 약48mm의 침투성능을 검 증하였다.
4) 비점오염 부하량은 0.0340이며 ‘본 기술’을 적 용하여 삭감량은 0.018 kg/일(총삭감율53%) 로서 단위유역(360㎡)에서 년간 6.57kg/年 의 비점오염물질을 줄일 수 있다.
9. 전망과 시사점
1. 결언에서 보는 바와 같이 Off Line형태의 ‘본 기술’은 기존 도심의 우수관망인 On-Line의 한계를 극복하고 도시홍수와 비점오염을 설
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계목표치보다 각각 60%와 13% 초과 달성되 었으며 ‘본 기술’은 기존 시가지 뿐 아니라 신 도시 및 도심재생사업과 농공산업단지조성 등에 널리 적용이 가능함.
2. 우리나라에서도 분류식 우수관망 설계방식을 약44%이상 채택하고 있으며 ‘‘본 기술’과 ‘식 생수로(Vegetate Swale)’를 결합하여 분류식 방식의 우수관망에 적용하면 우수관경을 약 50%이상 줄일 수 있으며4) 도시화에 따른 왜 곡된 도시 물 순환 구조를 혁신적으로 바꿈으 로써 건전하고 Amenity한 도시를 만드는데 일조할 것으로 전망한다.
3. 선행기술을 보유한 미국, 독일 등에서는 「수 리분석 계산에서 침투·저류·증발산량 만큼 을 우수유출량에서 공제하여 우수배수량설계 하며 침투 및 LID시설은 우수관경을 줄이고 물 순환율을 높여 토양피복회복에 의한 생태 복원과 경제적인 효과를 도모」5)할 수 있다는 것이 검증되어 범용적으로 적용하고 있다. 우 리나라에서도 우수를 신속히 도시 밖으로 배 수하는 전통적인 배수방식의 사고의 틀에서 벗어나 도시계획단계에서 수리·수문학의 계 량적인 산출에 의한 결과를 바탕으로 인·허
가권자와 함께 물 순환방식으로 배수체계를 바꾸어나가야 할 것이다(끝).
감사의 글
서울시 물재생과에 깊은 감사를 드립니다. 우리 나라에서 처음으로 침투유로방식에 의한 우수유 출량 저감방법은 결론과 같이 그 효과가 매우 높 게 나온 것으로 검증·평가되었으며 시범단지 설 치 이후에 약15개 지자체에서 ‘본 기술’을 적용하 여 도시홍수를 저감하고 있습니다.
2010년9월21일, 광화문 침수사례는 공직자로 하여금 대안적 정책(Governance)을 강구하여 도시안전을 위한 혁신적 사고를 유인(誘因)하게 된 계기가 되었다고 보며, 서울시가 물 순환도시 의 선포 및 물 관련 조례제정과 분산식 빗물관리, LID기술적용방법 등으로 끊임없는 연구노력과 예 산투입으로 도시홍수 방지 뿐 아니라 국제적인 물 순환 생태도시로 발전하고 있다고 보며 이는 도시 경영자의 지혜로운 결정과 공직자의 책임과 사명 감 때문이라고 생각되어 지면으로나마 감사의 글 을 드립니다.
