2.1. 연구대상지역

연구대상지역은 경상북도 안동시 운흥동에 위치한 안동 국제탈춤공연장 일대로 하였다(Fig. 1). 연구대상지역의 토 지피복별 면적은 DAUM MAP과 현장 검증을 통하여 산정 하였다. 총 면적은 63,874 m²으로 인라인스케이트장을 포함 한 불투수포장이 39,698 m²으로 가장 많은 면적을 차지하며 다음이 지붕면적으로 12,985 m²이며 식생이 11,191 m²으로, 투수면이 전체 면적의 18 %, 불수투면이 82 %이다(Table 1). 여기에서 지붕면적은 건물과 탈춤공연장, 실내체육관의 지 붕면적을 합한 면적이다.

Fig. 1. Study area.

2.2. 국내 연구현황

투수포장은 LID 기술요소 설치를 위한 별도의 침투·저류 면적을 필요하지 않아 기존의 도시지역에 적용하기 쉬운 방법이다. ^{Lee et al. (2007)}은 투수성 보도블록의 유출저감 효과를 수리모형을 통해 수행한바 있으며, 지속시간 70분, 200 mm/hr의 강우강도에서 일반 보도블록에 비해 35 %의 유출량 저감효과가 있는 것으로 보고하였다. ^{Kim et al. (2015)}은 강우강도에 따른 투수블록의 유출량 저감효과를 분석하였는데, 30 mm/hr의 강우에서는 일반 보도블록과 투 수블록 모두 유출이 발생하지 않았으며 50 mm/hr 강우에 서는 일반 보도블록에서는 5.83 mm, 투수블록에서는 유출 이 발생하지 않았다. 100 mm/hr 강우에서는 일반 보도블록 은 30.25 mm, 투수블록에서는 9.5 mm의 유출이 발생하여 일반 보도블록에 비해 강우강도 100 mm/hr에서 69 %의 유 출량 저감효과가 있는 것으로 보고하였다.

투수포장의 가장 큰 단점은 공극폐쇄에 의한 침투저하이 다. ^{Park et al. (2016)}은 차도포장용 투수블록 4개 제품의 공용기간에 따른 투수성능을 평가한 결과 9개월 후 2개 제 품에서는 침투능이 감소하였고 나머지 2개 제품에서는 침 투능이 오히려 증가하는 것으로 보고하였는데 이는 줄눈재 의 유실로 인한 일시적인 증가인 것으로 판단하였다. 4개 사 제품 모두 품질기준을 만족하였으나 장기적인 추적조사 가 필요한 것으로 보고하였다. ^{Lee et al. (2012)}에서는 서 울특별시에 설치된 투수블록의 설치직후와 6개월 후 현장 투수성능을 비교한 결과 6개월 공용 후 투수블록의 투수기 능이 거의 상실된 것으로 보고하였다. ^{Borgwardt (2006)}은 유기물과 무기물의 미립분이 투수콘크리트블록의 막힘현상 의 원인으로 보고하였으며 공용 2년후 투수성능이 50 % 감 소하는 것으로 보고하였다.

투수블록의 공극폐쇄현상을 해결하기 위하여 ^{Lee et al. (2012)}은 투수블록사이에 우수유출수를 저류할 수 있는 포 켓형태의 저류공간을 조성한 분리형 투수블록을 개발하였 으며 저류공간은 5.33 l/m²이다(Fig. 2). 2 m×2 m의 면적 에 분당 14 l의 인공강우 장치를 이용하여 60분간 살수한 결과 일반 블록에 비해 30 %의 우수유출수 저감효과가 있 는 것으로 보고하였다. ^{Kim and Kim (2017)}은 초고성능콘 크리트를 이용한 빗물저류 블록을 개발하였으나 구조적인 해석만 이루어졌다.

Fig. 2. Detachable permeable bolck (Lee et al., 2012).

대부분의 투수성 포장 혹은 투수블록에 대한 연구는 제 한된 조건내에서의 인공강우에 의한 저감효과 혹은 투수성 능에 대한 연구가 대부분이었으며, 실제 LID 설계시 설치 지역에 대한 투수성 포장에 의한 강우처리량 혹은 연간 유 출량 저감효과에 대한 연구는 찾기 어려웠다.

2.3. 저류형 투수블록

저류형 투수블록의 개념도는 Fig. 3과 같다. 저류형 투수 블록은 상부와 하부로 구분되어 있으며, 상부는 블록당 직 경 5 mm의 직수관 25개의 구멍이 뚫려있어 블록 틈새와 직수관을 통해 강우유출수가 유입되며, 하부에 의해 조성된 저류공간에 강우유출수가 저류·침투된다(Fig. 4).

Fig. 3. Concept of ST-PCBP

Fig. 4. The shape of ST-PCBP.

저류형 투수블록은 경기도 이천시 모가면 어농리에 위치 한 S사 생활근리시설 주차장에 시공된 바 있으며(Fig. 5), 본 연구에 적용된 저류형 투수블록의 제원은 실제 시공된 제원과 동일한 상부의 블록 두께를 90 mm, 하수 블록의 저 류 높이 20 cm로 하였으며 저류용량은 1 m²당 85.6 L이다 (^{Kim et al., 2017}).

Fig. 5. A case of installation of ST-PCBP in parking lot (Kim et al., 2017).

^{County of Los Angeles (2014)}에서는 투수포장의 처리용 량을 식 (1)에 의해 산정하도록 제시하였다. 저영향개발 (LID) 설계 가이드라인(^{ME, 2016})에 제시한 투수장의 보조 기층 깊이 20 cm, 쇄석골재 공극률 32 %를 식 (1)에 적용 하면 보조기층에서의 단위면적당 저류량은 0.064 m³/m²이 며, 보조기층 상부의 저류량 0.086 m³/m²를 더하면 저류형 투수블록에서 저류할 수 있는 저류용량은 0.15 m³/m²이다. 저류형 투수블록은 기존의 투수포장에 비해 0.086 m³/m²를 더 많이 저류할 수 있다. 또한 본 연구와 유사한 개념의 상판에 저류공간을 둔 분리형 투수블록(^{Lee et al., 2012})의 상판 저류공간 0.005 m³/m²보다 0.081 m³/m²을 더 저류할 수 있다. 투수포장의 장기간 사용시 보조기층의 공극은 입 자성 오염물질에 의해 폐쇄될 수 있어 본 연구에서는 보조 기층에서 저류할 수 있는 공간을 제외한 저류형 투수블록 에서만 저류될 수 있는 0.086 m³/m²를 저류용량으로 적용 하였다.

여기서, SWQDv는 처리용량(m³), A_s는 투수포장 설치면적 (m²), d_t는 보조기층 깊이(m), n_t는 보조기층 공극률(무차원) 이다.

저류형 투수블록과 일반 불투수 포장의 부가가치세 포함 단위면적당 원가는 각각 75,518원/m², 49,539원/m²이다(^{Kim et al., 2017}). 보조기층을 포한한 총 저류공간에 대한 단가 는 1.99 L/천원이며, 장기간 사용을 가정한 저류형 투수블 록에서의 저류공간에 대한 단가는 1.14 L/천원인 것으로 나 타났다.

2.4. LID 설계

저류형 투수블록은 불투수면적 중 지붕과 인라인스케이 트장을 제외한 인도와 주차장 면적(35,890 m²)에 적용하는 것으로 가정하였으며 전체 연구대상지역의 56 %를 차지하 는 것으로 나타났다. 현장검증결과 식생지역과 인라인스케 이트장은 별도의 우수배수관 없어 강우유출수가 직접 불투 수면으로 유입되는 것으로 나타났다. 본 연구에서는 2가지 의 시나리오를 설정하였는데, 현재의 지붕에서의 유출수는 직접 우수시설로 유출되고 식생과 인라인스케이트장의 유 출수는 저류형 투수블록으로 유입되는 시나리오 1과 지붕 에서의 유출수 또한 저류형 투수블록으로 유입되는 시나리 오 2를 설정하였다(Fig. 6).

Fig. 6. LID design.

2.5. 분석 방법

시나리오 1과 시나리오 2에 의한 유출량저감 및 침투량 증가효과 분석, 강우처리량 등은 유출곡선지수식(NRCS-CN method)을 이용하였다. LID평가 모델 중 상세모델 중의 하 선택적으로 적용할 수 있도록 개발되었으며 많은 연구자들 이 유출곡선지수식을 이용하여 LID 평가를 수행하고 있다 (^{Ahiablame et al., 2013}; ^{Kwon et al., 2010}; ^{Matlock and Morgan, 2011}; ^{PGCo, 1999}; ^{Sin et al., 2014}; ^{Whittaker and Reddish, 1989}; ^{Zomorodi, 2004}).

유출곡선지수식의 총 강우량은 직접유출량과 초기손실, 침투의 합으로 이루어지며 실제 침투량 및 최대 잠재보유 수량의 비율은 실제 직집유출량 및 최대 잠재직접유출량의 비율이 동일하고, 강우초기의 손실량은 최대 잠재보유수량 의 20 %로 가정하며 식 (2) ~ (4)과 같다(^{NRCS, 1986}).

여기서, P는 강우량(mm), Q는 직접유출량(mm), I_a는 초기 손실량(mm), F_a는 실제 침투량 (mm), S는 최대잠재보유수 량(mm)이다.

토지이용별 토양배수상태별 CN값에 의해 최대 잠재보유수 량을 식 (5)에 의해 계산되며, 직접유출량은 식 (2)와 식(3)을 정리한 식 (6)에 의해 계산된다(^{NRCS, 1986}). 식 (3)와 식 (4)을 정리한 식 (7)에 의해 실제 침투량을 산정하였다.

여기서, CN은 유출곡선지수이다.

본 연구에서의 배수면적은 저류형 투수블록이 설치되는 면적과 저류형 투수블록으로 유입되는 면적의 합을 배수면 적으로 정의한다. 따라서, 시나리오 1의 배수면적은 연구대 상지역 면적에서 저류형 투수블록으로 유입되지 않는 건물 지붕은 제외된 면적이며, 시나리오 2는 연구대상지역의 면 적이 배수면적이 된다(Fig. 6). 한편 강우처리량은 배수면적 을 기준으로 저류형 투수블록의 저류량과 동일한 직접유출 량을 발생시키는 강우량을 의미한다.

CN값은 ^{Jeon, Choi, Kim et al. (2009)}이 도출한 낙동강 유역의 대표 CN값을 활용하였다. 식생을 제외한 모든 지역 이 불투수면이므로 CN값은 98로 하였으며, 식생지역의 경 우 장기간동안 다짐이 많은 것으로 간주하여 식생지역-수문학 적 토양 그룹 D인 89를 적용하였다. 과거 10년(2008 ~ 2017) 동안의 일별 강우량을 이용하여 10년 평균 연간유출량 저 감 및 침투량 증가효과를 분석하였다.

3.1. 강우처리량 산정결과

각 시나리오별 저류형 투수블록에 대한 강우처리량은 Table 2와 같다. 저류형 투수블록의 면적과 저류용량은 각각 35,890 m², 2,871 m³이며, 시나리오 1과 시나리오 2의 강우 처리량은 각각 62.6 mm, 50.8 mm인 것으로 나타났다. 이는 시나리오별 저류형 투수블록의 설치면적과 이에 따른 저류 용량은 동일하나 시나리오 1의 배수면적은 건물지붕면적을 처리대상면적에서 제외시킨 50,889 m²인 반면 시나리오 2의 배수면적은 전체 연구대상면적인 63,874 m²이기 때문이다.

연구대상지역에 대한 강우량에 따른 직접유출량은 Fig. 7 과 Table 3과 같다. 저류형 투수블록은 단일 강우사상에 대 하여 현저한 유출량 저감효과를 나타내었는데, 시나리오 1 의 경우 강우량 60 mm까지 76 ~ 78 %의 유출량 저감효과 를 나타내었으며 시나리오 2의 경우 강우량 50 mm까지 100 %의 저감효과를 나타내었다. 시나리오 1이 시나리오 2 에 비해 강우처리량이 높은 반면 10 mm의 강우량에서도 강우유출수가 발생하는 이유는 배수면적에서 제외된 건물 지붕에서 강우유출수가 우수배수시설로 직접 유출되었기 때문이다.

Fig. 7. Runoff volume and reduction rate for with LID and No LID for rainfall events: the bar and line represent runoff volume and reduction rate, respectively.

동일한 대상지역에 동일한 처리용량의 LID-BMPs을 분산 설 치하더라도 각 개별 LID-BMP의 배수면적의 범위와 LID-BMP 간의 네트워킹이 유출량 및 비점오염물질 저감효과에 영향 을 미치며 LID설계기법에 중요한 의미를 가진다. LID-BMP 의 강우처리량이 설계강우량에 비해 과도하게 클 경우 인 근의 불투수면에서의 강우유출수 유입을 유도하여 배수면 적을 넓히거나 강우처리량이 작은 LID-BMP와 강우처리량 이 큰 LID-BMP를 서로 연결시킴으로써 실제 강우에 따른 강우유출수의 저감효과를 극대화 할 수 있다. ^{Jeon et al. (2016)}은 서로 다른 강우처리량을 가지는 3개의 식생체류 지를 개별적으로 적용할 경우와 3개의 식생체류지를 서로 연결할 경우 LID의 유출량 저감효과를 분석하였는데, 3개 의 식생체류지를 연결하며 재계산된 강우처리량 이하의 강 우량까지는 식생체류지를 서로 연결할 경우 높은 유출량저 감 효과를 나타낸 것으로 보고하였다.

3.2. 연간 유출량 저감효과

과거 10년간(2008 ~ 2017) 저류형 투수블록에 의한 연간 유 출량 저감효과 분석결과는 Table 4와 같다. 연평균 973.8 mm 의 강우량을 나타내었으며, 저류형 투수블록을 설치하지 않았 을 경우 연구대상지역으로부터 연평균 632.5 mm의 유출량을 나타내었다. 시나리오 1의 경우 연평균 186.6 mm의 유출량 을 나타내어 10년 평균 연간 유출량 저감효과 71 % (66 ~ 75 %), 시나리오 2의 경우 연평균 81.3 mm의 유출량을 나타내 어 10년 평균 연간 유출량 저감효과 88 % (80 ~ 95 %)를 나 타내었다. 두 시나리오 모두 저류형 투수블록에 의해 현저한 연간 유출량 저감효과를 기대할 수 있었으며, 시나리오 2는 시나리오 1보다 추가적으로 15 ~ 20 %의 유출량 저감시킬 수 있는 것으로 나타났다.

시나리오 2의 경우 연간 강우량이 2009년(1,058.5 mm)과 2010년(1,073.8 mm) 유사한 반면 연간 유출량이 2009년 143.8 mm, 2010년 34.3 mm로 큰 차이를 나타내었다. 이는 시나리오 2의 강우처리량을 기준으로 유출발생 유무가 결 정되며, 2010년의 경우 강우처리량보다 높은 일강우량의 횟수(유출발생 일수)가 현저히 작았기 때문이다(Table 4). 반면 시나리오 1은 지붕면적에서의 유출수가 저류형 투수 블록으로 유입되지 않고 직접 유출되기 때문에 연구대상지 역을 중심으로 하였을 경우 연간 불투수면에서의 유출일수 와 동일하다. 연구대상지역을 중심으로 시나리오 1과 시나 리오 2의 10년 평균 연간 유출량 발생일수는 각각 41일과 3일인 것으로 나타났다.

저류형 투수블록에 의해 현저한 양의 강우유출수를 토 양속으로 침투시킬 수 있는 것으로 나타났다(Table 5). 저 류형 투수블록을 설치하지 않을 경우 연평균 침투량은 209.1 mm (165.8 ~ 246.2 mm)인 것으로 나타났으며 저류형 투수블록을 설치한 시나리오 1과 시나리오2의 연평균 침투 량은 각각 525.7 mm (361.7 ~ 678.7 mm), 659.0 mm (469.1 ~ 850.8 mm)인 것으로 나타났다. 저류형 투수블록을 설치 하기 전 침투량과 비교하여 시나리오 1과 시나리오 2의 침 투량 증가량은 각각 151 %, 215 %로 나타났으며 설치 전 의 전체 침투량과 비교하여 시나리오 1과 시나리오 2의 침 투량은 각각 2.5배, 3.1배인 것으로 나타났다.

3.3. 투자대비 연간 LID 효과분석

연구대상지역의 투수포장 설치 면적을 대상으로 일반 불 투수면 포장비용과 저류형 투수포장 비용은 각각 1,777,954 천원, 2,710,341 천원인 것으로 나타났으며, 두 금액의 차 이를 이용하여 투자대비 10년 평균 연간 LID 효과 분석결 과는 Table 6과 같다. 유출량 저감효과는 시나리오 1과 2 각각 연간 30.5 톤/백만원, 37.8 톤/백만원의 투자대비 유출 량 저감효과를 나타내는 것으로 나타났으며, 침투량 증가효 과는 각각 21.7 톤/백만원, 30.8 톤/백만원의 투자대비 침투 량 증가효과를 나타내었다.

3.4. 저류형 투수블록을 통한 비구조적 BMPs 적용 방안

LID 기술요소를 크게 구조적 BMPs와 비구조적 BMPs로 구분되며 비구조적 BMPs에는 불투수면 최소화, 자연완충지 보존, 불투수면 유출수 차단, 토양다짐 최소화 등이 있다 (^{SEMCOG, 2008}). 국내 저영향개발(LID) 설계 가이드라인 (^{ME, 2016})에서는 구조적 BMPs만 설명되어 있어 국내에서 의 비구조적 BMPs의 적용과 이에 대한 평가는 찾아보기 힘들다. 동일한 처리용량을 가지는 구조적 BMPs를 어떻게 배치하고 연결하느냐에 따라 LID에 의한 처리효과에 영향 을 준다. 본 연구에서도 지붕에서의 유출수를 처리하지 않 고 우수배수시스템으로 유출시키는 시나리오 1과 지붕유출 수를 저류형 투수블록으로 유입시키는 시나리오 2를 비교한 결과 시나리오 2에서 유출량 저감효과와 침투량 증가효과가 더 큰 것으로 나타났다. 시나리오 2가 전형적인 불투수면 유출수 차단 즉, 불투수면에서의 유출수를 투수면으로 유도 하여 유출수를 저감시키는 비구조적 BMPs 중 하나이다.

일반적으로 도로에서 고농도의 비점오염물질이 발생하지 만 도로에 적용할 수 있는 LID-BMPs는 제한적이며 처리용 량 또한 매우 적다. 실제 행복도시 6-4생활권의 토지이용계 획별 빗물관리량 산정결과를 살펴보면 보도·차도·주차장 용지의 경우 빗물관리량 7 mm로 제시하였는데 공동주택 25 mm, 교육·연구시설 32 mm, 공원·녹지 32 mm와 비 교하여 매우 낮은 수치이다(^{ME, 2016}). 이는 도로의 안전성 과 주행성능 유지를 위해 도로에 직접 투수성 포장을 설치 할 수 없으며 도로 주변에 별도의 공간을 차지하는 저류형 LID-BMP설치가 제한적이기 때문에 침투형 LID-BMPs 설 치가 일반적이다. 도로를 따라 인도가 설치된다는 점을 감 안한다면 도로주변의 인도에 저류형 투수블록을 설치하고 도로에서의 강우유출수의 흐름을 저류형 투수블록의 저류공 간으로 유입시킬 수 있다면 도로에서의 강우유출수 뿐만 아 니라 비점오염물질을 효율적으로 저감시킬 수 있을 것이다.

본 연구에서 제시된 저류형 투수블록은 저류용량이 크고 투수블록 설치면 전체에서 침투하기 때문에 투수블록 인근 의 지붕이나 도로와 같은 불투수면에서의 유출수를 저류형 투수블록으로 유도하여 유출수 저감효과를 극대화 할 수 있는 비구조적 BMP 중 하나인 불투수면 유출수 차단 적 용이 가능하다.