2.2.1. 대상지 선정

대상지는 경기도 화성시에 위치한 교육 및 연구센터로 계획중인 시범지구로써, 저영향개발 기술을 적용하여 실증 적인 물순환 시스템을 구현하도록 다양한 요소기술들이 적 용되어 상호 연계성 확인에 적합하여 대상지로 선정하였다. 대상지는 Fig. 1과 같이 기상청 강우 관측소 중 수원시와 인접하여 수원관측소를 대상관측소로 선정하였다. 2008년 에서 2017년까지 10년간의 관측자료를 대상으로 연간 강우 량 평균과 월간 증발산 및 기온은 Table 1 및 Table 2와 같 다. 대상지역의 10년 평균 강수량은 1,345 mm로 분석되어, 국토교통부에서 발행한 수자원장기종합계획(^{MLIT, 2016})의 우리나라 연평균 강수량 1,300 mm 보다 다소 큰 강수량을 보이는 것으로 나타났다.

Fig. 1. Location of study area.

2.2.2. 모형 선정 및 설정

저영향개발 효과 분석이 가능한 모형의 종류로는 단순 알고리즘을 Excel 시트 상에서 간략 계산할 수 있는 Spreadsheet 모형, 소규모 유역을 대상으로 설치 전후의 유 출량 저감, 수질개선을 비교적 간단히 계산 가능한 Simple 모형, 요소기술 간의 수리·수문학적 해석을 통해 유역의 유 출을 복합적으로 분석이 가능한 Complex 모형으로 구분할 수 있다. 본 연구에서는 Complex 모형 중유역의 관망 모의 를 통해 수문학적 분석이 가능한 EPA-SWMM 모형에 LID Tool을 추가한 SWMM 5.1 모형을 선정하였다. SWMM 5.1 모형은 도시 유역의 장기 연속 강우 모의가 가능하고 강우, 유출, 침투, 저류, 증발산 등 수문학적 물수지 산정 및 저영향개발 기술의 적용 모의가 가능하여 ^{Baek et al, (2017)}, ^{Baek et al. (2018)}, ^{Kang et al. (2014)}, ^{Suh and Lee (2013)}등 다수의 연구에서 적용되었으며, 본 연구의 대 상지역에 설치되는 LID 시설물의 분석이 가능하여 대상모 형으로 선정하였다.

대상지역의 실시계획과 수리계산서를 기반으로 Fig. 2와 같이 SWMM 모형을 구축하였다. 소유역의 저류깊이, 조 도계수 등의 매개변수는 ^{Koo and Seo (2017)}의 실제 모 니터링 및 검증 자료를 적용하여 Table 3과 같이 설정하 였다. 대상지의 토양은 자갈 섞인 사질토로 비교적 투수성 이 양호한 수문학적 토양그룹 Type-B에 해당하며, 관련 매개변수는 Urban Drainage and Flood Control District (^{UDFCD, 2017})의 Horton’s equation에서 제시한 값을 적 용하였다.

Fig. 2. Design for SWMM model.

2.3.1. 대상지 적용 요소기술

대상지역은 향후 저영향개발 요소기술들의 실증적 효율 분석을 위해 다양한 기술들이 부지내에 계획되어있다. 공 원·녹지에는 건식우물(Dry well), 연못(Pond), 식생여과대 (Riparian buffer), 실개천(Swale), 나무여과상자(Tree box filter)를 적용하였으며, 건물에는 옥상녹화(Vegetated roof), 소규모 지하저류조(Wet vault), 대규모 지하저류조(Underground detention)를 계획하였다. 도로·교통 부지에는 침투집 수정(Infiltration collect well), 침투트렌치(Infiltration trench), LID 원형교차로(LID roundabout), 투수성포장(Permeable pavement), 식생처리장치(Street planter)를 적용하였다. 각 요소기술들이 적용되는 위치는 Fig. 3과 같이 공원·녹지, 건물, 도로·교통에 따라 분류하였으며, 적용된 요소기술별 상세한 규모 및 규격은 Table 4와 같다.

2.3.2. 요소기술간 연계 방안

저영향개발 요소기술간의 연계는 집중호우시 우수관망의 순간적인 집중부하를 저감시켜 통수능을 개선할 수 있고, 일반적인 강우사상에서는 최대한의 강우량을 저장 및 침투 시킬 수 있다. 강우가 직접적으로 접하는 면적에 따라 연 계가 가능한 방안을 Fig. 4와 같이 계획하였다.

Fig. 4. Flowchart for LID linkage.

각 저영향개발 시설의 연계방안은 Fig. 3의 (a) 대상지역 에 표시된 A, B, C, D로 구분하였으며, 요소기술별 연계 세부사항은 Table 5와 같다. 요소기술의 연계방안은 대상지 의 고저차나 경사에 의해 자연적으로 처리될 수 있는 유출 흐름 방향에 따라 설정하였다. A지역으로 유출되는 강우는 옥상녹화를 통해 1차 처리되고, 처리용량을 초과하는 월류 수는 건물 외벽에 설치된 식생처리장치를 통해 2차 처리되 며, 식생처리장치 옆에 설치된 소규모 지하저류조를 거친 후 최종 유출되도록 하였다. B지역은 옥상녹화 처리용량을 초과하는 월류수가 지하저류조로 연계하도록 설정 하였으 며, C지역은 저영향개발 시설이 적용되지 않았다. D지역은 실개천으로 유입된 유출수를 연못으로 차집하고, 연못이 일 정 수위 이상에서 월류시에 지하저류조로 유출되도록 처리 과정을 설정하였다. 나머지 대지의 포장면적을 따라 유출되 는 유출수는 침투트렌치와 침투집수정을 통해 최종 유출되 도록 계획하였다.

Fig. 3. Applied component technologies by type.

3.1.1. 단기 강우사상 분석

2008년부터 2017년까지의 10년 강수량을 분석하여 Fig. 5와 같이 80, 90, 95, 98 percentile의 각 백분위수에 해당하 는 17, 34, 55, 95 mm/day의 일강우량을 선정하였으며, 확 률강우량도 개선 및 보완연구(^{MLTMA, 2011})를 기반으로 Huff 3분위에 따라 10분 단위 강우자료를 구성하고 시나리 오를 구축하였다. 구축된 시나리오를 바탕으로 저영향개발 기술의 적용 전, 적용 후 및 요소기술 간의 연계로 3가지 시나리오를 구성하였으며, 분석을 수행하였다.

Fig. 5. Precipitation by each percentile.

물수지 분석 결과는 Table 6 및 Fig. 6과 같다. 일강수량 이 증가할수록 증발, 침투 및 저장은 감소하고 유출량은 증가하는 것으로 분석되었다. 대상지는 일반적인 평시 강우 사상으로 고려할 수 있는 17.1 mm/day에서, 저영향개발 적 용 이전에 66.1 %의 유출이 발생하는 것으로 확인되었다. 같은 강우사상에서 저영향개발의 개별적인 적용시 유출이 28.6 %로 분석되어 37.5 %의 유출저감 효과가 발생하였고, 연계 적용시에는 22.0 %의 유출로 44.1 %의 유출저감 효과 가 있는 것으로 확인되었다. 단기 강우사상에서는 저영향개 발 기술간의 연계시를 통해 유출을 저감할 수 있는 것으로 분석되었다. 95.3 mm/day의 극한 강우사상에서 저영향개발 적용시 40.2 %, 연계시 34.5 %의 유출이 발생하는 것으로 확인되었고, 이는 저영향개발 적용전보다 각각 32.3 %, 38 %의 유출저감 효과가 있는 것으로 분석되었다. 강우강도의 증가에 따른 유출률 변화는 Fig. 7과 같다.

Fig. 6. Water balance analysis by each events.

Fig. 7. Ratio of runoff by rainfall intensity.

3.1.2. 장기 강우사상 분석

2008년부터 2017년까지 총 10년간의 시강우 자료를 기반 으로 저영향개발 적용 전과 후, 그리고 저영향개발 요소기 술간 연계시에 대한 3가지 시나리오를 모의하였다. 장기 강우사상의 분석 결과를 연평균을 기준으로 Table 7과 같 이 정리하였다. 저영향개발 적용시, 적용 전에 비해 증발산 은 2.9 %, 침투는 6.7 %, 저장은 10.0 %가 증가하였고, 유출 은 19.8 % 감소하였다. 요소기술간 연계시 저영향개발 적용 전보다 증발산이 3.8 %, 침투는 7.7 %, 저장은 6.7 % 증가 하고, 유출은 18.2 % 감소하였다. 요소기술간 연계시 저영 향개발 적용시에 비해 증발산이 0.9 %, 침투가 1.0 % 증가 하였고, 저장은 3.3 % 감소, 유출은 1.6 % 증가하였다. 저영 향개발 적용으로 인해 유출량은 약 20 % 정도 저감되는 것 으로 나타났으나, 개별적인 저영향개발 적용과 연계시의 적 용에서는 물수지 증감차가 미미하게 나타났다. 이는 일반적 인 강우량에는 유출저감에 효과적인 반면, 극한 강우사상에 는 취약하기 때문인 것이라 판단하였다.

3.1.3. 갈수기, 풍수기 비교

단기와 장기 강우사상에서의 결과를 재확인하기 위하여 10년 연평균 강우자료를 토대로 강우가 가장 적은 갈수해 와 가장 많은 풍수해를 선별하여 연별 모의를 수행하였다. 갈수해는 강우량 751 mm의 2015년, 풍수해는 1,976 mm의 2011년으로 선정하였다. 갈수해와 풍수해 모두 저영향개발 의 적용으로 증발, 침투, 저장이 증가하고 유출이 감소하는 것으로 Table 8과 같이 나타났다. 개별 적용과 연계 적용을 비교한 결과 갈수해에는 연계로 인해 유출량을 5.1 % 추가 저감하였고, 풍수해에는 개별 적용시에 유출량이 1.4 % 증 가 하는 것으로 분석되었다. 이는 평수기 시에는 개별 적 용보다 연계 적용이 유출 저감에 효과적이나, 극한 강우시 에는 연계로 인한 유출 저감 효과가 미미한 것으로 확인되 었다. 원인 분석 결과, 극한 강우시에 소유역별로 설치된 시설의 용량을 초과하는 월류량은 우수관망을 통해 배수되 어야 하나, 연계된 요소기술로의 배수로 인해 각 시설의 처리 기능이 짧은 시간동안만 제 기능을 유지하고 이후의 강우는 모두 유출되기 때문이라고 판단된다.