전지홍
(Ji-Hong Jeon)
1†iD
정광욱
(Kwang-Wook Jung)
2iD
-
안동대학교,
(Department of Environmental Engineering, Andong National University)
-
(사)한국수계환경연구소
(Korea Water Environment Research Institute)
© Korean Society on Water Environment. All rights reserved.
Key words
Bioretention, Infiltration rate, LID infiltration practices, LIDMOD, Low Impact Development
1. Introduction
저영향개발(Low Impact Development, LID)기법은 비점오 염을 저감함과 더불어 수질 및 수생태계 건강성 향상, 도 시 침수 및 열섬현상
완화, 도시경과 개선 등의 다양한 효 과를 가진다(ME, 2016a). 이러한 다목적 기능으로 인해 환 경부에서는 건전한 물순환과 효율적인 도시비점오염물질 저감을 위해 저영향개발 기법을 최근 들어 적극 도입하고 있다.
환경부에서는 2016년 국내 5개 도시(대전광역시, 울 산광역시, 광주광역시, 안동시, 김해시)를 물순환 선도도시 일명 촉촉한 도시 조성사업에 선정하여
저영향개발 기법 적용을 권장하고 있다. 저영향개발 기법을 적용하기 위해서 는 다양한 종류의 저영향개발 기술요소들을 선택·적용해야 하며 저영향개발 기술요소에는
크게 식생형시설과 침투시 설, 빗물이용시설로 구분된다. 식생형 시설은 식생수로와 나무여과상자, 식생체류지, 식생여과대, 식물재배화분, 옥상 녹화 등이
있으며, 침투시설에는 침투트렌치, 침투도랑, 침 투측구, 침투통, 투수성 포장 등이 있다. 빗물이용시설에는 빗물통이 있다.
저영향개발 기법 적용시 저영향개발 기술요소들을 어떻 게 연계하고 어떻게 배치하느냐에 따라 유출량 저감효과가 다르기 때문에 투자비용대비 최대저감효과를
기대할 수 있 는 기술요소들간의 설계가 매우 중요하다. 국내의 경우 저 영향개발 설계 가이드라인(ME, 2016b)에서의 기술요소는 구조적 BMPs (Best management practices)만 다루고 있으 나 미국의 경우 구조적 BMPS뿐만 아니라 비구조적
BMPs 또한 중요한 기술요로소 소개하고 있다(SEMCOG, 2008). Jeon et al. (2016)은 세 개의 서로 다른 배수면적을 가지는 식생체류지들을 분리하여 운영할 경우와 세 개의 식생체류 지를 서로 연결하여 운영할 경우 강우유출수의 저감효과를
분석하였는데, 세 개의 식생체류지를 연결할 경우 보다 많 은 강우량을 저류할 수 있는 것으로 보고하였다. Park and Jeon (2018)은 비구조적 BMPs 중 하나인 불투수면 유출수 차단(impervious surface disconnect)효과를 분석하기 위하여 지붕유출수를 저영향개발
기술요소에 연결시켜 연간 유출 량 저감효과를 분석한 결과 불투수면 유출수 차단에 의해 저영향개발 기술요소만 적용하였을 경우보다 연간 32%를 추가적으로
처리가능한 것으로 나타났다.
옥상녹화와 빗물통을 제외한 저영향개발 기술요소들의 유 출량 저감의 주요 메카니즘은 저류 후 침투와 증발산이다. 동일한 용량의 저영향개발 기술요소들을
특정한 대상지구 에 설치할 경우 설치될 기술요소의 원지반 토양의 침투능 에 따라 유출량 저감효과가 결정되기 때문에 저영향개발 기 법 적용시 원지반의
침투능은 중요한 고려인자이다(Gregory et al., 2006). Davis (2008)는 식생체류지를 2년간 유출량 저감효과를 모니터링을 수행하였으며, 원지반의 토성이 침 투효율에 중요한 역할을 하며 사질토(sandy soil texture)가
식질토(clayey soil)보다 유출량 저감효과가 높은 것으로 보고하였다. Perez-Pedini et al. (2005)은 토양배수등급을 기본으로 하는 유출곡선식(Curve number method)을 이용 하는 분포형 모형과 유전자알고리즘을 연계 적용하여 유출 량
저감을 위한 침투기반의 BMPs의 최적위치를 선정한 바 있다.
본 연구에서는 식생형 저영향개발 기술요소 중 하나인 가상의 식생체류지를 선정하여 불투수면에서의 설계강우량 25.4 mm를 저류할 수 있는 면적을 산정하고,
저영향개발 기법 설계 및 평가를 위해 개발된 LIDMOD 모형을 이용 하여 다양한 원지반 침투율에 따른 연간 유출량 저감효과 를 분석한 후 원지반
침투율을 토양배수등급으로 환산하여 유출량 저감효과를 위한 식생체류지의 최소 토양배수등급 을 도출함으로써, 저영향개발 기술요소의 부지선정에 도움 을
주고자 한다.
2. Materials and Methods
2.1. LIDMOD 모형의 개요
LIDMOD는 저영향개발 기법의 설계 및 효과 평가를 위해 개발된 엑셀 기반의 모형으로 최근 버전 3(이하 LIDMOD3) 까지 개발되었다(Jeon and Seo, 2018). LIDMOD3은 크게 General information, Annual precipitation, Land use, Drainage area,
LID-BMPs, Cals-cap, Parameters, Results 시 트로 구성되어 있으며 개별 토지피복에서의 일별 유출량과 침투량은 유출곡선지수방법에
의해 식 (1) ~ (2)에 의해 계 산되며 부하량은 유출량에 유량가중평균농도를 곱하여 계 산된다(Jeon and Seo, 2018).
여기서, P는 강우량(mm), Q는 직접유출량(mm), S는 최대 잠재보유수량(mm)이다.
개별 토지피복에서의 강우유출수는 저영향개발 기술요소 로 유입되며 유출량 저감효과는 식 (3)과 같은 물수지분석 에 의해 해석된다(Jeon and Seo, 2018).
여기서, dV/dt는 일별 LID 기술요소 유량변화(m3/day), V는 전날 저류용량(m3/day), Ida는 배수구역에서의 강우시 LID 기술요소로 유입되는 유입량(m3/day), P는 LID 기술요소로 직접 유입되는 강우량(m3/day), ET는 증발산량(m3/day), IBMP는 LID 기술요소에서의 침투량(m3/day)이다.
LIDMOD3는 수문분석과 비점오염물질 저감량 등을 모의 할 수 있으며, 본 연구에서는 LIDMOD3을 이용하여 유출 량 해석만 이루어지기 때문에
그 외의 해석방법은 생략하 기로 한다.
2.2. 연구접근방법
불투수면 100 m2에 대한 설계강우량 25.4 mm의 유출수를 저류할 수 있는 식생체류지의 소요면적을 LIDMOD3을 이 용하여 산정하였으며, 식생체류지의 제원은 실제
충청북도 오송시에 설치된 나무여과상자의 제원을 준용하여 적용하 였다(Table 1).
Table 1. The dimension of bioretention
|
Parameters
|
Value
|
Description
|
|
d1 |
0.38
|
Ponded depth (m)
|
|
n1 |
0.2
|
Top soil porosity
|
|
d2 |
0.3
|
Top soil depth (m)
|
|
d3 |
0.6
|
Coarse gravel layer depth (m)
|
|
n2 |
0.32
|
Coarse gravel layer porosity
|
|
Sd |
0.632
|
Storage volume per unit area (m3/m2)
(Sd = d1 + n1 × d2 + n2 × d3)
|
LIDMOD3의 적용성을 평가하기 위하여 2017년 8월 1 일~18일 동안의 총강수량(257.1 mm)에 대하여 동일한 조건 에서의 다양한 토양의
침투율에 따른 SWMM5.1의 모의결 과와 비교하였다. 2017년 8월 1일~18일의 강우조건을 선택 한 이유는 큰 강우사상들과 무강우일수가 혼재되어
있어 식생체류지에서의 유출량과 저류고의 만수위 이후 저류고 의 변화 그리고 이후 후속강우에 의한 유출량 등을 복합적 으로 평가할 수 있기 때문이다(Fig.
1). 토양의 침투율 범위 는 미농림부에서 제시한 토양배수등급(Hydrologic soil group, HSG)별 침투율 범위를 이용하여 총 4개의
토양배수등급에 따라 각각 5개의 침투율(총 20개의 침투율)로 세분화하여 총 20가지의 침투율에 대하여 유출량 저감효과를 평가하였 으며, 토양배수등급별
침투율 범위는 Table 2와 같다.
Fig. 1. Daily precipitation between Aug. 1 ~ 18 used for LIDMOD3 applicability.
Table 2. Infiltration rate range for hydrologic soil group (Cronshey, 1986)
|
|
HSG-A
|
HSG-B
|
HSG-C
|
HSG-D
|
|
Infiltration rate (m/day)
|
> 0.18
|
0.09 ~ 0.18
|
0.03 ~ 0.09
|
< 0.03
|
LIDMOD3의 적용성 평가 후, 물순환 선도도시 중 하나 인 안동시를 대상으로 과거 10년(2008 ~ 2017)동안의 강수 량을 대상으로 LIDMOD3을
이용하여 식생체류지의 원지반 침투율에 따른 연간 유출량 저감효과를 분석하였다. Table 2의 토양배수등급에 따른 토양침투율의 범위를 이용하여 효율적인 유출량 저감효과를 기대할 수 있는 최소 토양배 수등급을 도출하였다. 장기간동안 다양한
경우의 침투율을 모의해야 하기 때문에 입출력자료 준비와 관리가 용이한 LIDMOD3 모형을 이용하였다.
2.3. LIDMOD3 적용성 평가
2017년 8월 1일~ 18일 동안의 강수에 대하여 LIDMOD3 은 일별 강수량을, SWMM5.1은 시간별 강수량을 입력하 고, LIDMOD3의
불투수면 CN값 98에 대한 SWMM의 불 투수면 저류고를 보정하여 유출량을 일치시켰다. Table 1의 식생체류지 제원을 두 모형에 입력한 후 식생체류지의 원 지반 침투율 0.001 ~ 0.06 m/day 범위에 따른 식생체류지에 서의 유출량 모의
결과를 비교하여 LIDMOD3 모형의 적 용성을 평가하였다.
3. Results and Discussions
3.1. 식생형 LID기술요소 소요면적 산정
불투수면 100 m2에 대하여 설계강우량 25.4 mm에 의해 유출되는 강우유출수를 전량 저류할 수 있는 식생체류지의 소요면적은 3.3 m2인 것으로 나타났다. 설계강우 25.4 mm 에 대한 유출량은 2.09 m3이었으며, 식생체류지 면적 3.3 m2 일 경우 오차범위 1 % 내에서 저류용량과 동일하다. 따라 서, 설계강우량 25.4 mm에 대하여 불투수면 100 m2 당 3.3 m2 혹은 불투수면의 3.2 %가 식생체류지의 소요면적이다.
3.2. LIDMOD3.0 적용성 평가
2017년 8월 1일에서 8월 18일 동안의 강우에 대하여 불 투수면적 100 m2을 처리하는 식생체류지(3.3 m2) 원지반 침 투율에 대한 SWMM5.1과 LIDMOD3.0 모의 결과는 Fig. 2 와 Table 3과 같다. 불투수면 CN값 98의 2017년 8월 1일에서 8월 18일 동안 식생체류지 총 유입량은 24.4 m3이며 SWMM 에서 불투수면 저류고(Depth of depression storage on impervious area) 0.381 mm일 경우 동일한
유입량을 나타내 었다. 원지반의 침투율이 0.08 m/day 이하일 경우 SWMM5.1 과 LIDMOD3.0에 의해 모의된 식생체류지에서의 처리 후
유출량의 상대오차는 3 % 이내였으며, 이후 상대오차는 10 % 이내였다. 두 모델간의 상대오차는 강수량의 입력자료와 계산의 시간단위 차이에서 기인하는데,
일단위로 모의하는 LIDMOD3.0은 강우유출수의 식생체류지 유입시 24시간 동 안 침투하는 것으로 계산되는 반면 SWMM5.1은 시간단위 로 강수량이
입력·계산되기 때문에 24시간 중 강우유출수 가 발생되는 시점부터 침투량이 계산된다. LIDMOD3.0은 단순모형(Simple model)으로 일별
계산단위에서 오는 불가 피한 오차를 감안할 때, LIDMOD3.0에 의한 식생체류지는 적절하게 모의하는 것으로 판단된다.
Fig. 2. The comparisons of outflow from and infiltration in bioretention between LIDMOD3 and SWMM5.1 simulation result.
Table 3. The comparisons of bioretention between LIDMOD3.0 and SWMM5.1 simulation result using water budget analysis
|
Infiltration rate (m/day)
|
SWMM5.1
|
LIDMOD3.0
|
|
Inflow
|
Evapot.
|
Infilt.
|
Outflow
|
Inflow
|
Evapot.
|
Infilt.
|
Outflow
|
|
0.001
|
24.4
|
0.3
|
0.0
|
22.9
|
24.4
|
0.3
|
0.1
|
22.5
|
|
0.005
|
24.4
|
0.3
|
0.3
|
22.6
|
24.4
|
0.3
|
0.4
|
22.2
|
|
0.010
|
24.4
|
0.3
|
0.7
|
22.3
|
24.4
|
0.3
|
0.8
|
21.8
|
|
0.020
|
24.4
|
0.3
|
1.5
|
21.8
|
24.4
|
0.3
|
1.6
|
21.1
|
|
0.030
|
24.4
|
0.3
|
2.3
|
21.2
|
24.4
|
0.3
|
2.4
|
20.5
|
|
0.040
|
24.4
|
0.3
|
3.0
|
20.7
|
24.4
|
0.3
|
3.2
|
20.0
|
|
0.050
|
24.4
|
0.3
|
3.7
|
20.2
|
24.4
|
0.3
|
4.0
|
19.5
|
|
0.060
|
24.4
|
0.3
|
4.3
|
19.6
|
24.4
|
0.3
|
4.8
|
18.9
|
|
0.070
|
24.4
|
0.3
|
4.8
|
19.1
|
24.4
|
0.3
|
5.5
|
18.4
|
|
0.080
|
24.4
|
0.3
|
5.4
|
18.5
|
24.4
|
0.3
|
6.3
|
17.9
|
|
0.100
|
24.4
|
0.3
|
6.0
|
17.9
|
24.4
|
0.3
|
7.7
|
16.8
|
|
0.120
|
24.4
|
0.3
|
6.5
|
17.4
|
24.4
|
0.3
|
8.8
|
15.8
|
|
0.140
|
24.4
|
0.3
|
6.9
|
17.0
|
24.4
|
0.2
|
9.3
|
15.4
|
|
0.160
|
24.4
|
0.3
|
7.3
|
16.7
|
24.4
|
0.2
|
9.7
|
15.0
|
|
0.180
|
24.4
|
0.3
|
7.5
|
16.4
|
24.4
|
0.2
|
9.9
|
14.8
|
|
0.200
|
24.4
|
0.2
|
7.8
|
16.1
|
24.4
|
0.2
|
10.2
|
14.6
|
|
0.300
|
24.4
|
0.2
|
9.1
|
14.8
|
24.4
|
0.2
|
11.2
|
13.6
|
|
0.400
|
24.4
|
0.2
|
10.1
|
13.9
|
24.4
|
0.2
|
12.2
|
12.6
|
|
0.500
|
24.4
|
0.2
|
10.6
|
13.3
|
24.4
|
0.2
|
12.8
|
12.0
|
|
0.600
|
24.4
|
0.2
|
11.2
|
12.8
|
24.4
|
0.1
|
13.0
|
11.8
|
3.3. 원지반 침투율에 따른 연유출량저감효과 분석
2008년에서 2017년 동안 원지반 침투율에 따른 식생체류 지의 연유출량저감효과 분석 결과는 Table 4와 Fig. 3과 같 다. 침투율 0.001 m/day에서 0.600 m/day 사이의 연유출량 저감효율은 8 ~ 68 %의 범위를 나타내었다. 토양배수 D등 급의
범위인 0.001 ~ 0.03 m/day에서는 8 ~ 35 %, C 등급인 0.04 ~ 0.08 m/day에서는 40 ~ 50 %, B 등급인 0.1
~ 0.18 m/day에서는 53 ~ 60 %, A 등급인 0.2 ~ 0.6 m/day에서는 60 ~ 68 %의 저감효과를 나타내었다. 침투율이 증가할수록
토 양배수 D와 C 등급에서 연유출량 저감효과 증가폭이 상대 적으로 컸으며, B등급부터 증가폭이 현저하게 감소하는 것 으로 나타났다.
Table 4. Annual runoff reduction rates by bioretention based on the infiltration rate (unit: %)
|
HSG
|
Infilt. (m/d)
|
2008
|
2009
|
2010
|
2011
|
2012
|
2013
|
2014
|
2015
|
2016
|
2017
|
Avg.
|
|
D
|
0.001
|
10
|
7
|
7
|
5
|
7
|
7
|
7
|
10
|
8
|
7
|
8
|
|
0.005
|
16
|
11
|
11
|
9
|
12
|
13
|
11
|
17
|
13
|
11
|
12
|
|
0.01
|
24
|
16
|
16
|
13
|
17
|
19
|
17
|
25
|
20
|
16
|
18
|
|
0.02
|
35
|
25
|
24
|
21
|
27
|
31
|
27
|
38
|
31
|
22
|
28
|
|
0.03
|
43
|
30
|
30
|
26
|
33
|
40
|
37
|
45
|
38
|
27
|
35
|
|
C
|
0.04
|
48
|
33
|
34
|
30
|
35
|
48
|
41
|
52
|
43
|
32
|
40
|
|
0.05
|
52
|
36
|
38
|
34
|
37
|
52
|
44
|
57
|
47
|
36
|
43
|
|
0.06
|
55
|
39
|
41
|
37
|
39
|
56
|
46
|
61
|
49
|
40
|
46
|
|
0.07
|
55
|
41
|
43
|
38
|
41
|
57
|
47
|
64
|
51
|
43
|
48
|
|
0.08
|
56
|
42
|
45
|
40
|
44
|
59
|
49
|
65
|
53
|
46
|
50
|
|
B
|
0.1
|
58
|
44
|
48
|
43
|
48
|
60
|
51
|
68
|
56
|
49
|
53
|
|
0.12
|
60
|
46
|
50
|
46
|
51
|
61
|
54
|
70
|
57
|
52
|
55
|
|
0.14
|
62
|
48
|
53
|
48
|
54
|
62
|
56
|
71
|
57
|
54
|
57
|
|
0.16
|
64
|
49
|
56
|
49
|
55
|
63
|
57
|
72
|
58
|
56
|
58
|
|
0.18
|
65
|
50
|
58
|
51
|
56
|
64
|
58
|
73
|
59
|
58
|
59
|
|
A
|
0.2
|
66
|
51
|
59
|
52
|
56
|
64
|
59
|
74
|
60
|
59
|
60
|
|
0.3
|
68
|
54
|
66
|
56
|
59
|
65
|
62
|
76
|
63
|
62
|
63
|
|
0.4
|
69
|
56
|
69
|
58
|
62
|
67
|
64
|
78
|
65
|
63
|
65
|
|
0.5
|
69
|
57
|
72
|
60
|
64
|
68
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66
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79
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67
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65
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67
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0.6
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70
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57
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74
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62
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66
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68
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68
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79
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68
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66
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68
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Fig. 3. Average annual runoff reduction rates according to infiltration rates and hydrologic soil group. A, B, C, and D mean hydrologic soil group A, B, C, and D, respectively.
토양 원지반의 침투율과 연유출량 저감효과의 관계는 식 생체류지의 저류수량을 완전히 비우는데 필요한 소요시간 과 건기일수와 밀접한 관련이 있다. Table
5는 토양배수등 급에 따라 식생체류지(저류고 0.63 m)를 완전히 비우는데 필요한 시간이다. 예를 들어 강우가 발생하여 식생체류지를 가득 채운 후
7일 후 후속강우가 발생할 경우 토양배수등 급 A나 B 모두 식생체류지의 저류공간이 침투에 의해 완 전히 비워져 후속강우를 저류할 수 있는 공간은
동일하게 된다. 따라서 토양배수B등급을 기점으로 유출량 저감효과 의 증가폭이 감소하는 이유는 연구대상지역의 강우특성 중 3.5~6.9일 이상의 건기일수가
많은 비중을 차지하기 때문인 것으로 판단된다. 따라서, 식생체류지의 효율적인 처리를 위해서는 식생체류지의 원지반에 대한 토양배수등급이 최 소 B등급에
설치하는 것이 유출량 저감효과에 효율적인 것 으로 판단된다.
Table 5. The days required to completely empty bioretention according to hydrologic soil group
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HSG-A
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HSG-B
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HSG-C
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HSG-D
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Days
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< 3.5
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3.5 ~ 6.9
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6.9 ~ 20.7
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> 20.7
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3.4. 식생형 LID기법 설치 및 유지관리시 고려사항
식생형 혹은 침투형 LID기법의 경우 저류된 강우유출수 는 침투와 증발산에 의해 처리되며, 침투율과 증발산율을 고려할 경우 침투가 주요 처리 메카니즘이다(Davis, 2008). 식생형 혹은 침투형 LID기법은 침투율이 높은 식생토, 쇄 석층, 모래층 등을 설치하더라도 결국은 원지반의 침투율에 의해 유출량 저감효과가 결정된다.
따라서, LID 설계요소 의 원지반에 대한 침투율을 고려하여 설치해야 보다 효율 적인 유출량 저감효과를 기대할 수 있으며, 최소 토양배수 B등급보다
침투율이 양호한 원지반에 설치함으로써 높은 유출량 저감효과를 기대할 수 있다.
도시지역 특히 도로면의 유출수 입경분석결과 100 μm 이 하의 미세입자가 대부분을 차지하는 것으로 보고(Koo et al., 2013)되고 있어 식생형 혹은 침투형 LID기법의 장기간 운영시 미세입자에 의한 막힘현상이 우려된다. 이러한 미세 입자에 의한 막힘현상은 식생토나 쇄석층의
공극에 의한 저류용량을 감소시켜 유출량 저감효과를 저하시킨다. 또한 식생토의 막힘현상으로 인해 식생토의 침투율이 원지반의 침투율보다 낮을 경우 식생토의
침투율에 영향을 받아 침 투에 의한 저감효과를 저하시킨다. 식생형 혹은 침투형 LID 기법의 효율적인 유지관리를 위해서는 물꼬 높이를 극대화하여 저류용량을
증가시키고 식생토와 쇄석층은 일 정 이상(혹은 원지반의 침투율 이상)의 침투율을 유지시킬 수 있도록 토양의 주기적인 개선이 필요하다.
4. Conclusions
본 연구는 침투기능을 포함하고 있는 저영향개발 기술요 소의 원지반 침투율에 따른 연간 유출량 저감효과를 분석 하기 위하여 LIDMOD3.0의 저영향개발
기술요소 모의 적 용성을 평가한 후, 물순환도시 지역 중 하나인 안동시의 과거 10년 강우를 이용하여 원지반 침투율에 따른 연간 유 출량 저감효과를
분석하였다.
설계강우량 25.4 mm의 유출수를 완전히 저류하는데 필요 한 저류높이 0.632 m의 식생체류지 면적은 불투수면의 3.2 %를 필요로 하는 것으로
나타났다. 2017년 8월 1일~18일 동안의 강수량(257.1 mm)에 대하여 LIDMOD3.0의 적용성 평가결과 SWMM5.1의 유출량과 비교하여
2 ~ 10 %의 상대 오차를 나타내었다. LIDMOD3.0의 입력자료 및 계산단위 는 일별이며, SWMM5.1는 시간별임을 감안할 때, 이러한 오차는
입력자료 및 계산단위 오차인 것으로 판단되어 단 순모형인 LIDMOD3.0을 스크리닝 단계에서 적용 가능한 것으로 판단된다. 토양배수등급별 침투율을
고려하여 과거 10년 동안의 연간 유출량 저감효과를 분석한 결과 토양배 수등급 D와 C 등급에서는 침투율이 증가할수록 연유출량 저감효과 증가폭이 상대적으로
컸으며, B등급부터 증가폭 이 현저하게 감소하는 것으로 나타났다. 토양배수등급 B와 A사이에서는 53 ~ 68 %의 유출량 저감효과를 나타내어 침
투기능을 가지는 저영향개발 기술요소 설치시 원지반의 토 양배수등급이 최소 B보다 클 경우 효율적인 유출량 저감효 과를 기대할 수 있는 것으로 나타났다.