2.1.1. 유출량 예측

LIDMOD3는 유출곡선지수방법에 의해 설계강우량과 연 간 일별강우량에 의해 유출량을 산정하며 유출량 계산은 식 (1) ~ (5)과 같다.

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

LIDMOD2는 연구대상지역의 전체 토양배수상태의 비율 을 입력하면 각 토지이용과 LID 기술요소에 동일한 비율 로 할당하여 유출량을 계산한다. 저영향개발기법은 토양의 배수상태에 영향을 받기 때문에 LIDMOD3에서는 토지이 용별·LID 기술요소별 토양배수상태를 개별적으로 할당하 여 직접유출량을 계산하도록 개선하였다. 또한, LIDMOD2 에서는 토양배수상태에 따라 동일한 연간 침투량과 LID 기술요소별 연간침투비율을 할당하여 연구대상지역의 연 간침투량을 계산하였으나 LIDMOD3에서는 개별 토지이용 에서의 침투량은 식 (2)와 (3)을 실제 침투량(F_a)에 대하여 정리한 식 (6)에 의해 일별 침투량을 계산한다. 이에 따라 LIDMOD3에서는 LID 기술요소별 침투량은 일별 시설로 유입되는 유량과 기술요소 원지반의 침투율에 의한 침투량 중 작은 값을 일별 침투량으로 계산함으로써, 연간 일별 강우패턴과 LID 기술요소별 유입유량과 저류용량에 따라 침투량을 계산하도록 개선하였다.

2.1.2. 부하량 산정

부하량 산정은 유출지수곡선식에 의해 계산된 토지피복별 직접유출량에 유량가중평균농도(Event mean concentrations, EMCs)를 곱하여 계산하며 부하량 예측 항목으로는 TSS, BOD, T-N, T-P이다. 부하량 계산방법은 LIDMOD2와 동일 하다(^{Jeon et al., 2010}).

2.1.3. LID 기술요소 처리효과

LIDMOD2의 LID 기술요소별 처리효과분석은 기존의 SET 모형의 계산방식을 그대로 준용하였으나 기술요소별 연간 처리효율을 할당함으로써 LID 기술요소의 처리용량에 상관없이 동일한 처리효과를 나타내었다. LIDMOD3에서는 연구대상지역을 최대 10개의 배수구역으로 구분하고 기술 요소별 물수지를 식 (7)에 의해 분석한다.

여기서, dV/dt는 일별 LID 기술요소 유량변화(m³/day), V는 전날 저류용량(m³/day), I_da는 배수구역에서의 강우시 LID 기술요소로 유입되는 유입량(m³/day), P는 LID 기술요소 로 직접 유입되는 강우량(m³/day), E_T는 증발산량(m³/day), I_BMP는 LID 기술요소에서의 침투량(m³/day)이다. 침투량이 남아 있는 저류용량보다 클 경우 남아 있는 저류용량 만큼 침투하며, 옥상녹화는 유역에서의 유입과 토양내의 침투가 없어 I_da와 I_BMP는 없는 것으로 하였다.

시설별 저류(지하침투)에 의한 부하량 저감량은 배수구역 에서의 부하량에 연간 LID가 설치되지 않는 개발 후의 부 하량에 유출량저류효율을 곱한 식 (8)에 의해 계산되며, 배 수구역별 LID 기술요소의 저류용량 이상의 유입량이 발생 하여 LID 기술요소에서 유출이 발생할 경우 저류 후 유출 부하량에 시설별 처리효율을 곱한 식 (9)에 의해 LID 기술 요소내 침전/필터 등과 같은 처리에 의한 부하량 저감량을 산정한다.

여기서, R_s는 저류에 의한 부하량 저감량, L_DA는 배수구역 에서의 부하량, E_S는 저류에 의한 유출량저감효율, R_T는 LID 기술요소의 수질처리에 의한 부하량 저감량, E_T는 침 전/필터에 의한 시설별 수질저감효율이다.

식생여과대의 주요 오염물질 제거 메커니즘은 식생여과 대 내에서의 여과이며 식생여과대 폭이 오염물질의 제거효 과에 영향을 미친다. 식생여과대의 수질개선효율은 SET모 형에서 제시한 식생여과대 폭에 따른 제거효율(^{Desbonnet et al., 1994})공식을 국내에서 실제 모니터링에 의한 식생여 과대의 제거효율(^{Lee, 2008})과 비교하여 계수를 수정한 식 (10) ~ (13)을 적용하였다(Table 1). 이때 기존의 공식이 과 대평가된 경우에는 최대저감효율을 조절하여 실측치와 유 사하게 조정하였으며, 과소평가된 경우에는 기존의 공식을 그대로 사용하여 식생여과대에 의한 과대평가를 최소화 하 였다.

여기서, E는 수질처리효율, 아래첨자는 수질항목, W는 식 생여과대 폭(ft), Max.은 최대 저감효율이다.

2.1.4. 단위유량도

단위유량도는 유역전체에 균일하게 내린 유효우량(직접 유출고) 1 cm로 인한 직접유출수문곡선을 의미하며, 단위 유량도를 통해 저영향개발기법에 의한 첨두유량 저감효과 와 첨두유량 발생의 지체시간을 평가할 수 있다. 단위유량 도 작성법에는 다수의 방법이 제시되어 있으나, LID 기술 요소를 고려할 수 있는 단위유량도 작성방법 적용해야 된 다. ^{Sample et al. (2001)}은 LID 기술요소별 CN 값을 할당 한 점을 고려하여 LIDMOD3에서의 단위유량도는 SCS 합 성단위도법(^{USDA, 1972})을 사용하였다. 첨두발생시간과 첨 두유량은 각각 식 (14)와 식 (15)에 의해 계산되며, 무차원 단위도의 시간비에 첨두발생시간을 곱하고 유량비에 첨두 유량을 곱하여 SCS 합성단위도를 생성한다. LID 기술요소 별 CN값을 할당하여 저영향개발기법 적용 후의 SCS 합성 단위도를 생성하였으며, LID 기술요소별 CN값은 Table 2 와 같다.

여기서, t_p는 첨두유량 발생시간, L은 흐름의 길이(m), CN 은 유출곡선지수, S는 유역평균경사, D는 유효유량의 지 속기간(hr), Q_p는 첨두유량(m³/sec), A는 유역면적(km²)이 다. 흐름의 길이는 유역을 정사각형으로 간주하여 산정하 였다.

2.2.1. 사례연구지역

서울특별시 강남구 대치동에 위치한 R아파트를 대상지역 으로 하여 LIDMOD3의 적용성을 평가하였다(Fig. 1). 전체 면적은 71,674 m²이며 이 중 투수면이 64 %, 불투수면이 36 %를 차지하고 있으며 불투수면 중 인도(18 %), 지붕 (13 %), 도로(2 %), 놀이터(2 %), 테니스코트(1 %) 순이었다 (Table 3). 토양배수상태는 토양배수 B가 66 %, A가 34 % 로 비교적 배수상태가 양호하였다(Table 2).

Fig. 1. Study area for the LIDMOD3 application.

2.2.2. 영향개발기법 적용 방법

저영향개발기법 적용 시나리오는 옥상에서의 강우유출수 를 식생체류지에 유입시키고, 인도에 투수블록을 설치하도 록 하였다. 투수블록의 경우 저류용량만큼 강우유출수가 유 입되면 그 이상의 용량은 우수배제시설로 직접 유출되고 식생체류지의 경우 저류용량 이상의 용량은 침전/필터 효 과없이 우수배제시설로 유출되는 것으로 가정하여 투수블 록과 식생체류지에서의 수질처리효과 없이 저류 후 침투에 의해 비점오염물질이 저감되는 것으로 가정하였다. 일반적 으로 비점오염물질 저감 목적의 설계강우량은 24.5 mm (1 inch)가 주로 사용(^{PGCo, 1999})되어 본 연구에서의 식생체 류지는 24.5 mm의 강우에 의한 유출수를 저류할 수 있는 용량으로 소요 면적을 산정하였다. 본 연구대상지역에서의 배수구분은 Fig. 2와 같이 4개의 배수구역으로 구분하였다. 아파트단지내 잔디에서의 강우유출수는 별도의 우수배제시 설 없이 직접 인도로 유출되는 것으로 가정하여 배수구역 1(DA1)은 잔디의 유출수가 투수블록으로 유입되도록 하였 다. 옥상유출수의 식생여과대 처리는 하나의 배수구역으로 모의할 수 있으나 원지반의 배수상태에 따라 식생체류지의 처리효과를 분석하기 위하여 토양배수등급 A, B에 따라 배 수구역 2(DA2)와 3(DA3)으로, 그 외 LID 기술요소로 유입 되지 않는 불투수면적은 배수구역4(DA4)로 구분하여 모의 하였다.

Fig. 2. LID scenario and the drainage areas.

3.1.1. LIMDMOD3 구성

LIDMOD3은 General information, Annual precipitation, Land use, Drainage area, LID-BMPs, Cals-cap, Parameters, Results 시트로 구성되어 있다(Fig. 3 ~ 4).

Fig. 3. The components of the LIDMOD3.

Fig. 4. Screen shots of the LIDMOD3.

General information에서는 기본적인 정보, 대상면적, 기울 기, 설계강우량 등의 정보를 입력하며, Annual precipitation 에서는 연간 일별 강수량을 입력하는 시트이다. Land use 에서는 개발전과 개발 후 저영향개발기법 미적용, 개발 후 저영향개발기법 적용시의 토양배수상태별 토지피복면적, LID-기술요소 면적 등을 입력하는 시트이다. Drainage area 에서는 개발 후 저영향개발기법 적용시 배수면적에 따른 토 양배수상태별 토지피복면적을 입력하는 시트이다. LID-BMPs 는 LID 기술요소에 대한 정보를 입력하는 시트이며 설치될 기술요소의 토양배수상태별 면적과 LID 기술요소별 제원을 입력하면 각 배수구역별 LID 기술요소에 의한 저류용량을 계산한다. LID 기술요소의 저류용량은 저영향개발기법(LID) 설계 가이드라인(^{ME, 2016})을 준용하였다. LID 기술요소의 각 구성별 제원은 Recommended value와 User defined value로 구분하였는데, Recommended value는 전주시의 빗 물유출제로화 단지조성(2단계) 시범사업에 실제 설치된 준 공설계도를 참조하여 LID 기술요소별 제원을 입력한 값이 며 User defined value는 실제 적용지역에 설치될 기술요소 의 제원을 사용자가 직접입력하는 값이다. 정확한 제원을 모를 경우 Recommended value를 참조하여 User defined value에 직접 입력하면 각 배수구역별 LID 기술요소의 저 류용량이 산정된다. CalCap에서는 각 배수구역별 LID 기술 요소에 의한 총 저류량과 단일 강우사상에 따른 배수구역 에서의 유출량을 계산하여 비교하는 시트이다. 인도의 전면 을 투수블록으로 설치하여 LID 기술요소의 면적이 고정될 경우 배수구역에서의 유출량과 LID 기술요소의 저류량을 일치시키도록 강우량을 변화시키면 이때 결정된 강우량은 강우처리량이 된다. 설계강우량에 대한 배수구역에서의 유 출량을 저류할 수 있는 식생체류지의 면적을 결정하는 경 우와 같이 강우처리량이 고정될 경우 배수구역에서의 유출 량과 LID 기술요소의 저류량을 일치시키도록 LID-BMPs 시설의 면적을 변화시키면 이때 결정된 시설의 면적은 설 계강우량을 처리하기 위한 필요면적을 결정할 수 있다. Parameters는 모형의 예측에 필요한 토지배수상태별 침투 능, 유출곡선지수, 유량가중평균농도, LID 기술요소별 수질 처리효율 등을 국내 연구사례를 조사하여 데이터베이스한 시트로 사용자가 필요시 직접 모형의 입력값을 수정할 수 있다. 다만, 수질처리효율의 경우 LID 기술요소의 저류 후 침투에 의한 처리효율이 아닌 유·출입 후 농도저감에 의한 처리효율이다. Results는 모의결과를 다양한 표와 그림으로 표현한 시트로 연강수량과 단일 강우사상(설계강우량)에 대 한 개발 전·후, 저영향개발기법 적용 전·후에 대한 수문분 석과 비점오염물질 저감효과 등을 출력한다.

3.1.2. LIDMOD3 개선사항

기존의 LIMOD2와 비교한 LIMOD3의 개선사항은 Table 4와 같다. 기존의 LIDMOD2는 연구대상지역 전체의 토양 배수상태에 대한 등급별 비율을 지정하면 모든 토지피복은 동일한 비율로 할당함으로써, 토양배수상태가 양호한 A등 급을 대상으로 투수면 증가와 같은 비구조적 LID-BMP의 적용평가가 불가능하다. 이에 반해 LIDMOD3는 각각의 토 지피복과 LID-BMP시설에 토양배수상태에 대한 등급을 개 별적으로 할당할 수 있도록 개선함으로써 이를 고려할 수 있을 뿐만 아니라, LID-BMP시설의 침투능의 차이에 따른 유출량 저감효과 분석도 가능하도록 개선하였다.

LIDMOD2에서는 LID-BMP시설별 유출량 저감효율을 고정 시켜 할당하기 때문에 시설별 저류용량의 크기와 연강우량 에 상관없이 항상 동일한 저감효과를 나타낸다. LIDMOD3 에서는 LID-BMP시설별 저류용량과 배수구역에서의 유입 량, 일별 침투량과 증발산량 등을 고려한 물수지분석을 통 해 유출량 저감효과를 분석하기 때문에 시설별 저류용량과 연강우량을 고려하여 유출량 저감효과를 계산할 수 있다.

LIDMOD2에서는 토양배수상태등급별 연간 침투량을 고 정하고, LID-BMP별 침투율을 고정하여 계산함으로써 일별 강우분포와 상관없이 동일한 침투량을 계산한다. LIDMOD3 에서는 NRCS-CN의 식 (6)을 이용하여 토양배수상태등급 별로 계산하고 LID-BMP별 물수지 분석을 통하여 침투량 을 계산함으로써 일별 강우분포를 고려하여 연간 침투량을 계산할 수 있다.

그 외, 각 LID-BMP 시설별 저류용량은 환경부의 ‘저영향 개발(LID) 기법 설계 가이드라인’에 준하여 계산하도록 하 였으며 실제 설치된 제원을 초기값으로 제시하였다. 설계강 우량에 따른 배수구역에서의 유출량과 LID-BMP의 저류용 량을 비교하여 설계강우량을 저류할 수 있는 LID-BMP 면적 을 설계할 수 있는 ‘CalsCap’ 탭을 추가하였으며, LIDMOD3 에 사용되는 증발량과 토지피복별 CN값과 EMCs 등은 국 내 연구결과값을 초기값으로 입력시켜 국내 적용시 신뢰성 을 향상시켰다.

3.2.1. 강우처리량 및 소요면적

LID 기술요소 시설별 소요제원에 따른 단위면적당 저류 량과 강우처리량, 소요면적은 Fig. 5 ~ 6과 같다. 식생체류 지와 투수성포장의 소요 제원에 따른 단위면적당 저류량은 각각 0.632 m³/m², 0.064 m³/m²인 것으로 나타났다(Fig. 5). 인도에 투수블록이 설치되는 배수구역1(DA1)의 경우 투수 블록이 37,965 m²을 설치할 경우 강우처리량이 50.7 mm인 것으로 나타났으며, 옥상에서의 유출수를 토양배수등급 A 와 B에 식생체류지가 설치되는 배수구역2(DA2)와 3(DA3) 의 경우 강우처리량 24.5 mm를 처리하는데 필요한 식생체 류지의 면적은 각각 92 m²과 210 m²인 것으로 나타났다 (Fig. 6). 투수블록이 식생체류지보다 단위면적당 저류량이 작음에도 불구하고 많은 저류용량을 나타낸 것은 별도의 설치부지 없이 인도 전면에 설치가 가능하기 때문에 보다 많은 면적에 적용가능하기 때문이다.

Fig. 5. Design LID-BMPs in a LID-BMPs sheet.

Fig. 6. Captured rainfall and BMPs area in a CalCap sheet.

3.2.2. 수문 및 부하량 분석

2017년 연간 강우량 1,233.2 mm에 대한 수문분석결과는 Fig. 7과 같다. 개발이전이 잔디라고 가정하였을 경우 연간 유출량과 침투량은 각각 220 mm/yr, 339 mm/yr이었으며, 현재 상태의 아파트단지가 설치된 경우 유출량 491 mm/yr, 침투량 277 mm/yr인 것으로 모의되었다. LID 기술요소를 설치할 경우 유출량 310 mm/yr, 침투량 454 mm/yr인 것으 로 나타나 저영향개발기법에 의해 37 %의 직접유출량 저감 효과와 64 %의 침투량 증가효과를 기대할 수 있는 것으로 나타났다. 투수블록의 경우 연간 44 %의 직접유출량 저감 효과를 기대할 수 있었다. 식생체류지의 경우, 수질처리를 위한 설계강우량 24.5 mm를 저류하는데 필요한 소요 면적은 불투수면의 3 %를 필요로 하며 2017년 연간 강우량에 대하 여 토양배수등급 A(침투량 9.54 mm/hr)와 B(침투량 5.71 mm/hr)에 식생체류지를 설치할 경우 각각 연간 37 %와 34 %의 유출량 저감효과를 기대할 수 있었다. 원지반의 토양 배수등급 A와 B의 차이에 의한 연간 식생체류지에서의 직 접유출량 저감효과 차이는 3 %인 것으로 나타났다.

Fig. 7. Annual hydrology analysis in a Results sheet.

LID 기술요소내 연간 저류량의 변화는 Result에 직접 출 력되지 않지만 LID 기술요소내 물수지를 분석하는 중간계산 단계의 시트내 결과를 이용하여 식생체류지의 원지반이 토 양배수등급 A(BR-Soils-A)와 B(BR-Soils-B)인 저류심(단위면 적당 저류량, m³/m²) 비교는 Fig. 8과 같다. 토양배수상태가 상대적으로 양호한 BR-Soils-A의 저류심이 BR-Soils-B와 비 교하여 상대적으로 빨리 저하되는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 8. Comparison of stored volume per area by bio-retention on a soil layer with hydrologic soil A group (BR-Soils-A) and B (BR-Soil-B).

단위유량도에 대한 분석결과는 Fig. 9과 같다. 개발이전 을 잔디라고 가정하였을 경우 첨두유량과 첨두유량 발생 시간은 각각 0.396 m³/sec과 23분, 아파트 조성이후 0.576 m³/sec과 15분, 저영향개발기법이 적용된 아파트의 경우 0.506 m³/sec와 18분인 것으로 모의되었다. 저영향개발기법 적용을 통해 유효우량(직접유출량) 1 cm에 대하여 첨두유량 을 14 % 저감시키고 첨두유출발생시간을 3분 지체시킬 수 있는 것으로 나타났다.

Fig. 9. Unit hydrolograph analysis in a Results sheet.

연간 비점오염물질 부하량 분석결과는 Fig. 10과 같다. 개 발전 잔디로 가정할 경우 연간 7.9 BOD kg/yr, 15.8 SS kg/yr, 11.1 T-N kg/yr, 0.2 T-P kg/yr의 부하량을 나타내었 으며 아파트가 조성된 후 연간 128.9 BOD kg/yr, 963.9 SS kg/yr, 249.8 T-N kg/yr, 7.9 T-P kg/yr로 현저히 증가하는 것으로 나타났다. 저영향개발기법의 적용을 통해서 34%의 비점오염부하량 저감효과를 나타내었다. 수질항목별 동일한 저감효과를 보이는 이유는 LID 기술요소에 의한 비점오염 물질 저감효과는 저류 후 침투에 의해 이루어지며 기술요소 내 침전/필터에 의한 수질처리효과가 없는 것으로 가정했기 때문에 유출량 저감효과와 동일한 처리효율을 나타내었다.

Fig. 10. Annual Loadings analysis in a Results sheet.