2.1. 연구방법

본 연구에서는 빗물통의 규모에 따른 유출 저감량 분석 을 통해 물수지 개선 효과를 확인하고, 비용-편익 분석을 통해 빗물통 설치비의 회수 기간에 대해 연구하고자 한다. 경제성 분석시 간접편익과 같은 주관이 개입될 수 있는 항 목을 배제하였으며, 직접비용과 직접편익 등 객관적으로 정 량화 할 수 있는 항목만을 설정하도록 하였다. 연구 방법 은 다음과 같다. 10년 이상의 장기 강우사상 분석을 수행 하고, 빗물통 설치 전후의 물수지를 비교하여 빗물통의 유 출 저감량을 분석한다. 시나리오를 빗물통의 규모에 따라 설정하여 규모별 설치비를 비용 요인으로 설정한다. 편익은 장기모의로 분석했던 유출 저감량을 빗물통에 저장되었던 양으로 고려하여, 이 저장량 중 단독주택의 생활용수로 이 용이 가능한 양만큼에 대한 상수도 요금과 하수처리 비용 등으로 환산하여 산정한다. 시나리오별 경제성을 분석하여 가장 효율성 있는 빗물통의 최적 규모를 제시한다.

2.2. 대상지역 선정

단독주택의 빗물이용시설 적성 설치 규모 산정 연구를 위해 불투수면적 비율이 높은 단독주택 밀집 지구의 선정 이 필요하다. 울산광역시는 환경부의 기후변화 및 도시화로 왜곡된 도시 유역의 물순환을 회복시키기 위한 물순환 선 도도시 사업에 선정되었고, 시범사업으로서 노후 단독주택 밀집 지역인 삼호동 일원에 저영향개발 기법을 도입하여 물순환 회복 및 생태환경 개선 사업을 수행중이다.

삼호동은 Fig. 1과 같이 태화강 하류에 위치한 도심지역 으로서 불투수면적 비율이 높고, 외부 산림유역을 포함하고 있다. 대상지의 토지이용은 Table 1과 같고 외부유역을 제 외하면 주거단지 비율이 40 % 정도로 높고, 이중 대부분이 단독주택단지로서 빗물통의 적용 연구에 적합하다고 판단 하여 본 연구의 대상지로 선정하였다. 대상지는 997호의 단독주택에 8,935명이 3,830가구로 구성되어 있다. 대상지 는 대부분 불투수면적이나, 경사가 완만한 투수성 외부유역 을 포함하고 있기 때문에 유역 전체의 물순환에서 유출 대 비 침투량이 타 도시유역에 비해 클 것으로 판단된다.

Fig. 1. Location of study area.

2.3. 모형선정 및 구축

본 연구에서는 장기 강우사상에서의 도심지 전체 유출 모의 및 빗물통의 유출 처리량에 대한 분석을 동시에 수행 이 가능한 모형의 선정이 필요하다. 유역의 관망해석을 통 해 연속적인 장기 강우사상 모의가 가능하고, 수문학적 물 수지 분석 및 LID Tool의 빗물통 적용 모의가 가능한 EPA-SWMM 5.1 모형을 선정하였다. SWMM 모형은 소규 모 주거단지(^{Baek et al., 2018}; ^{Ko et al., 2016}; ^{Lee et al., 2011})에서부터 도시유역(^{Lee et al., 2014}; ^{Lee and Kim, 2016}; ^{Park et al., 2013})에 이르기까지 저영향개발 기술로 인한 물수지 변동 분석에 적용되고 있다.

울산시 물순환 선도도시 계획과 설계도면을 따라 SWMM 모형을 Fig. 2와 같이 구축하였다. 관망 정보와 유역 매개 변수는 대상지의 수리계산 및 토지이용에 따라 구축하였고, 빗물통의 입력값은 시나리오에 따라 용량별로 분류하였다. 울산시 기상청의 기상자료를 바탕으로 2008년부터 2017년 까지 10년간의 물수지 분석을 수행하였다. 빗물통의 분석 방법은 기존 도시에서의 설치 전 유출량과 설치 이후의 유 출량 차이가 빗물통에서의 유출 처리량으로 고려하였다.

Fig. 2. Design for SWMM model.

침투방정식으로는 수문 분석에서 대중적으로 사용되는 Horton’s equation을 사용하였다. 일반적인 SWMM 모의 연 구에서는 1990년대의 American Society of Civil Engineers (ASCE)에서 제시하는 매개변수를 사용하고 있으나, 본 연 구에서는 Urban Drainage and Flood Control District (^{UDFCD, 2017})의 매개변수를 이용하여 입력값을 구성하였 다. 대상지는 비교적 배수가 양호한 자갈섞인 사질토의 토 양 분포로, 정밀토양도의 분석을 통해 수문학적 토양군 B 에 해당하는 입력값을 적용하였다. 도시 유역의 조도계수 및 저류계수 또한 ^{UDFCD (2017)}에서 제공하는 매개변수 를 적용하여 Table 2와 같이 정리하였다.

2.4. 빗물이용시설 규모 결정 방안

본 연구에서 적용할 빗물이용시설은 저영향개발 요소기 술 중 하나인 빗물통으로서, 기본적인 강우-유출 프로세스 는 건물 옥상 면적에서 차집한 빗물을 건물 옆면이나 지하 의 저류 시설을 통해 저장해두었다가, 필요시 용수 공급을 하며 용량을 초과하는 강우량에 한해서는 표면유출으로 월 류시키는 시스템이다. 빗물통은 수문학적으로는 강우의 일 정량을 저류시켜, 표면유출량을 감소시킬 수 있고, 무강우 시 저장량을 용수로서 사용할 수 있어 건전한 물순환에 기 여할 수 있다.

2.5. 비용-편익 분석 방안

빗물통의 설치에 따른 비용-편익 고려 방안은 Table 5와 같다. 저영향개발 시설물과 관련한 간접편익은 정량화할 수 있는 객관적인 근거를 찾기 어려워, 비교적 합리적인 근거 를 제시할 수 있는 직접비용과 직접편익만을 고려하였다.

직접비용으로는 초기설치비와 설치후의 연간 유지관리비용 을 선정하였다. 직접편익으로는 3가지를 고려하였다. 첫째는 빗물통에 저장되는 물재이용으로 절감할 수 있는 상수도 사 용량 절감을 요금으로 환산하였고, 둘째는 첫째를 통해 절감 되는 상수도의 생산원가를 고려하였다. 셋째로 강우가 옥상으 로부터 빗물통에 차집 되므로 인해 절감할 수 있는 표면유출 량에 의한 연간 하수처리비용 저감을 요금으로 환산하였다. 그리고 녹색건축인증을 2급 이상 받으면 취득세 최대 15 %, 재산세 최대 10 %를 감면 받을 수 있는 경제적 편익이 있으 나, 녹색건축인증은 물순환 관리뿐만 아니라, 총 8가지 전문 분야를 동시에 만족해야 인센티브를 받을 수 있기 때문에 정 량화가 불가하여 본 연구의 편익 사항에서는 제외하였다.

비용-편익의 기간은 시공되는 빗물통이 스테인레스 혹은 철골 구조이고, 유지관리 비용에 보수 금액 및 관리비용을 포함하였기 때문에 2011년 개정된 법인세법 시행규칙(^{MSF, 2011})의 최대 내용연수범위인 40년을 기준으로 분석하였다. 연차별 실질할인율은 한국은행 경제통계 관리시스템(^{BK, 2018})의 2008년부터 2017년까지의 최근 10년간 금리와 물 가상승률을 이용하여 Eq. (1)에 적용하였고, 10년 평균 실 질할인율 0.62 %을 산정하여 Table 6에 정리하였다.

여기서, I_R=실질 할인율, I_N=명목 할인율(금리), F=물가 상 승율

3.1. 빗물 이용 가능량 산정

2008년부터 2017년까지 울산관측소 10개년의 시강우에 대한 물순환 분석을 수행하였다. 빗물통을 설치하기 이전의 기존 도심지의 물수지는 강우가 100 %일 때, 증발 7.8 %, 침투 46.9 %, 유출 45.3 %로 분석되었다. 대상지 전체 면적 의 41 %가 완만한 외부 산림이라 비율상 시가지에서의 표 면유출이 적은 것으로 판단된다. 대상지에 적용한 빗물통의 크기에 따라 4가지 시나리오를 분석한 결과는 Table 10과 같다.

기존의 도시에 비해 빗물통을 설치하였을 때, 시나리오 별로 8.5 ~ 10.5 % 정도의 유출량이 감소하였다. 시나리오 에서 변화를 준 것은 빗물통의 용량이기 때문에 유출 감 소량은 빗물통의 유출 저감량으로 판단할 수 있다. 앞서 설정한 삼호동의 일평균 빗물 이용 가능량은 777 m³이나, 모형 분석 결과 시나리오별로 22 ~ 27 %의 규모만 빗물을 차집하여 사용하였다. 시나리오 A는 D에 비해 빗물통 규 모가 6배 크지만 실제로 추가 유출 저감은 연평균 강우 량의 2 %인 23 mm, 유출량으로 환산하였을 때, 연간 14,421 m³에 그쳤다. 용량의 크기에 비해 보다 많은 유출 량을 저감시키지 못한 것은 대상지의 강우패턴이 대규모 강우사상을 제외한다면, 소량의 강우가 대부분이라 시나 리오 D와 같은 용량으로도 충분히 처리할 수 있다는 점 이다. 또한, 단기 대규모 강우사상일 때는 빗물통 용량의 차이만큼 추가 차집할 수 있으나, 장기 대규모 강우사상 일 경우, 빗물통 용량의 크기 차이만큼 추가 차집할 수 있지만 빗물통의 지속적인 물재이용량이 있기 때문에 사 실상 단기 대규모 강우사상에서와 큰 차이가 없을 것으 로 판단된다.

3.2. 비용-편익 분석

비용은 빗물통의 초기설치비와 유지관리비를 고려하였고, 편익은 빗물이용량을 기준으로 상수도 요금 절감과 상수도 생산원가 절감, 하수처리비용 절감을 시나리오별로 분석하 였다. 빗물 이용 가능량을 Table 9의 편익 금액 산정식에 적용하였고, 각각의 편익을 년별 원단위 금액으로 산정하여 Table 11과 같이 정리하였다.

Table 11. Calculation of annual cost-benefit for rain barrel

40년간의 분석결과, 시나리오 A, B, C는 40년이 지나도 B/C ratio가 1을 넘지 않고, 시나리오 D는 38년이 지나야 편익이 비용을 앞서는 결과가 도출되었다. 실질적으로 비용 대비 편익의 효율이 매우 낮은, 경제성이 낮은 시설이라고 판단할 수 있다. 이와 같은 결론이 도출된 것은 두가지 원 인으로 분석할 수 있다.

첫째는 빗물통 설치비용의 문제이다. 초기설치비가 편익 에 비하여 압도적인 비중을 차지하기 때문에 비용을 차감 할 수 있을 만큼의 편익을 기대하기가 어렵다. 실제로 일 반 시민들이 빗물통을 사용하지 않는 가장 큰 원인도 초기 설치비의 경제적인 부담으로 굳이 설치할 필요를 느끼지 못하고 있는 점이다. 이에 일부 지자체에서는 최대 90 %까 지 빗물통 설치비를 지원해주고 있는 실정이다.

둘째로 편익 요인 정량화의 문제이다. 빗물통의 유출량 저감 효과로 인한 홍수피해 복구액 저감, 가뭄시 물재이용 으로 인한 안정적인 용수공급 등 추가할 수 있는 요소들은 많으나, 정량화의 어려움으로 객관적인 비교가 가능한 위 세가지의 편익 요소로는 경제성을 도출하기 어렵다고 분석 되었다.

이러한 문제점을 바탕으로 본 연구에서는 설치비의 지원 비율을 0 %, 30 %, 50 %, 70 %, 90 %로 구분하여 분석하였 으며, 분석한 결과는 Table 12와 같다. 시나리오에 따라 비 교했을 때, A의 경우 70 % 이하의 지원에서는 사실상 투 자비용을 회수 할 수 없다고 판단된다. B와 C는 거의 비슷 한 그래프 경향성을 나타내는데, 역시 70 % 이하의 지원에 서는 빗물통의 경제성을 확인하기 어렵다고 판단된다. D는 50 % 수준의 지원으로도 투자대비 편익의 효과를 얻을 수 있을 것으로 확인하였다. 설치비의 지원 비율에 따라 분석 한다면, 설치비를 90 %까지 지원한다면 빗물통의 용량에 관계없이 7년 내에 B/C ratio가 1을 초과하여 투자비용에 대한 편익을 도출할 수 있는 것으로 확인되었다. 70 % 이 하의 지원시에는 시나리오 D 이외의 A, B, C에서는 투자 비용을 회수하기 어렵다고 판단된다.

Table 12. Cost-benefit curves for each scenario based on support ratio