2.1. 연구대상지 및 LID 적용

본 연구는 부산광역시 강서구 강동동에 위치한 신도시의 일부지역을 선정하였다. 대상지는 Fig. 1과 같이 토지이용을 주거, 상업, 녹지, 도로로 분류하였으며, 총 면적은 1,150,495 m2(주거 333,542 m², 상업 341,615 m², 녹지 188,301 m², 도 로 287,037 m²) 이다. 또한, 대상지 내에서 계획된 LID 기법 은 투수성포장, 침투 빗물받이, 식물재배화분으로 보도구간 과 차도구간에 설치할 계획을 고려하고 있으며, 이를 Fig. 2 에 나타내었다. 투수성포장 및 식물재배화분은 보도에 적용 하여 보도에서 집수된 빗물을 처리한다. 침투 빗물받이는 차 도의 토양 내에 적용하여 토지이용별로 집수된 빗물이 유입 되며, 침투 빗물받이에서 처리되지 못하는 빗물은 우수관으 로 유입되게 된다.

Fig. 1. Land use of the research area.

Fig. 2. Drainage method and LID technology in the research area.

LID 기법 설계 시 침투, 저류 등으로 지표면 유출을 저감 시키기 위해 물순환 목표를 설정하는 것이 필요하다. 연구 대상지의 물순환 목표설정을 위해 부산시 2009 ~ 2018년 강 우자료를 백분위수 분석으로 강우의 규모를 설정하였다. 또 한, 설정된 강우량의 ±10 mm를 범위로 강우사상의 지속시 간에 대해 중간값과 최대빈도수를 산정하여 강우의 지속시 간을 설정하였다. 선정된 물순환 목표량에 따른 LID 적용 전 ·후의 물순환 개선 분석을 위해 합리식을 이용하여 LID 적 용 전의 유출량을 산정하였으며, LID 적용 후의 유출량을 산 정하기 위해 환경부에서 제시한 ｢비점오염저감시설의 설치 및 관리운영 매뉴얼(2016)｣ 내의 빗물 처리용량 산정식 Eq. (1)을 적용하였다(^{ME, 2016}).

여기서, V 는 빗물 처리용량(m³), V_f는 침투시설의 체적 (m³), n은 시설내 충전재의 공극률을 나타내며, 충전재 정보 불충분시 0.32 적용한다. k는 하부토양의 침투속도(mm/h, 13~210 mm/h 범위내), T_f 는 유입시간으로 2시간 적용하며 단, 유입시간에 대한 자료가 있는 경우 해당 자료를 활용한 다. A_i 는 침투면적(m², 하부토양과 접하여 침투를 유도하는 면적)을 표시한다. 이와 같은 산정식은 LID 시설의 공극 체 적과 기저지반 침투에 의해 물순환 개선 효과가 나타난다.

2.2. SWMM 모형 선정 및 구축

물순환 개선에 대한 분석을 위해 강우-유출 및 빗물관리 시설의 해석이 가능한 SWMM 모형을 선정하였으며, 모형을 통해 LID 기법 적용 전·후에 대한 물순환 개선 효과를 분 석하였다. 대상지는 유출지점을 기준으로 1, 2, 3Urban 유역 을 구분하였으며, Table 1에서 각 유역정보를 나타내었다. SWMM 모형은 Fig. 3과 같이 신도시 실시설계를 바탕으로 구축되었으며, 집수면적은 유역별로 1U 유역은 890개, 2U 유역은 226개, 3U 유역은 262개로 구분하여 구축하였다. 또 한, 우수관망은 우수계획평면도 및 종단면도를 바탕으로 집 수정이 총 361개, 우수관은 총 359개로 구분하였고, 우수관 의 형태는 원형, 직사각형으로 구축하였다.

Fig. 3. Model Construction using SWMM.

대상지의 LID 기법은 투수성포장 47,206.9 m², 식물재배화 분 352.8 m², 침투 빗물받이 7,107.7 m²의 면적으로 계획되어 있으며, 대상지 내 적용된 LID 요소기술의 정보를 Table 2에 서 나타내었다. SWMM 내에서는 1. 투수성포장(Permeable Pavement), 2. 식물재배화분(Bio-Retention Cell) 3. 침투트렌 치(Infiltration Trench) 3가지 LID 모듈을 선정하여 지표면층, 포장층, 토양층, 저장층, 배수시스템에 대한 매개변수를 입력 하였다. 구축된 SWMM 모형에서 보도구역과 차도구역 내 LID 기법을 적용하여 물순환 개선 분석을 수행하였다.

방정식과 SWMM 모형 2가지 방법을 이용하여 LID 적용 전·후에 따른 물순환 개선 결과를 비교분석하였다. 또한, 비교분석 결과에 따라 LID 기법의 효율성을 극대화하기 위 해 각 LID 시설이 처리하는 집수유역의 유출량을 최적으로 집약 할 수 있도록 LID 시설의 규모와 배치를 재설정하였다. 이에 SWMM 모형을 재구축하여 LID 적용 전·후의 효과를 비교하였다. 즉, 집수면적에 따른 빗물을 처리하기 위해 각 LID 기법의 적절한 규모 및 배치에 따른 효과를 분석하였다.

3.1. 빗물 처리용량 산정식의 물순환 개선 효과

대상지 내에 물순환 목표량을 설정하기 위해 부산시 강우 자료(10개년)를 이용하여 강우사상별로 백분위수 분석을 실 시하였다(Fig. 4). 분석을 위한 강우자료는 시간단위 자료이 며, 유효강우를 제외하지 않고 모든 강우량을 고려하여 29.1 mm의 강우량을 선정하였다. 또한, 20 ~ 40 mm에 해당하는 강우사상의 지속시간에 대해 중간값과 최대빈도수가 13시간 으로 산정되어 강우의 지속시간을 13시간으로 설정하였으며, Huff 4분위법 중 3분위로 분포하여 물순환 목표량을 설정하 였다.

Fig. 4. Busan 10-Year Rainfall and Percentile Analysis.

대상지의 유출량을 산정하기 위해 유출계수는 ｢하수도시설 기준(2011)｣의 토지이용별 기초유출계수 범위를 고려하여 주 거 0.60, 상업 0.80, 녹지 0.15, 도로 0.95로 설정하였다(^{ME, 2011}). 물순환 목표량 29.1 mm를 적용하여 합리식에 의해 LID 적용 전의 유출량을 산정하였으며, LID 적용 후의 유출 량을 산정하기 위해 환경부에서 제시한 빗물 처리용량 산정 식을 이용하여 LID 빗물 처리량을 산정하였다. 이에 방정식 에 의한 LID 적용 전·후의 유출량 결과를 Table 3에서 나타 내었다. 합리식에 의해 산정된 유출량 결과는 22,533.5 m³으 로 산정되었다. 또한, 빗물 처리용량 산정식에 의한 유출량 결과는 7,541.4 m³으로 산정되었으며, LID 기법 적용 후의 유 출량은 14,992.1 m³으로 33.5 % 저감되는 것으로 나타났다.

3.2. SWMM 모형의 물순환 개선 효과

대상지의 토지이용으로 구분하여 Table 4에서 SWMM 모 형의 입력자료를 나타내었으며, 침투방정식은 Horton공식으 로 수문학적 토양군 B 기준을 적용하였다. 또한, 앞서 선정 한 물순환 목표량을 입력하여 24시간 모의 후 유출량을 도출 하였다. 모의결과는 Table 5에서 볼 수 있듯이 LID 적용 전 의 유출량이 21,174 m³으로 나타났으며, LID 적용 후의 유 출량은 15,664 m³으로 26.0 % 저감되었다.

본 연구에서는 SWMM 모형에서의 유출량 결과와 빗물 처 리용량 산정식에 의한 유출량 결과를 비교분석하였다. 빗물 처리용량 산정식에 의한 LID 적용 후 결과가 33.5 %의 유출 량이 저감된 것으로 볼 때, SWMM 모형에서 LID 적용 후 결과는 26.0 %로 효율성이 7.5 % 낮게 나타났다. 이러한 결 과의 원인을 분석하기 위해 Table 6에서 나타난 것과 같이 SWMM 내의 각 LID 요소기술별로 발생한 유입, 증발, 침투, 유출량을 산출하여 분석하였다.

그 결과 보도구역에서 빗물이 집수되어 투수성포장 및 식 물재배화분으로 유입되는 총 유량은 2,335.5 m³으로 나타났 으며, 침투량은 1,896.2 m³, 유출량은 438.8 m³로 나타났다. 증발산량은 모의시간이 24시간으로 비교적 단기간이기 때문 에 거의 발생하지 않았다.

보도구역의 LID 시설은 빗물 처리능력 산정식을 통해 3,915.0 m³의 빗물을 처리하는 것으로 나타났지만 SWMM 모형에서는 보도구역의 LID 시설로 2,335.5 m³만큼 빗물이 유입되며, 1,896.2 m³의 빗물을 처리하는 것으로 나타났다. SWMM 모형에서 보도구역의 LID 요소기술에 대한 물순환 체계를 Fig. 5에서 볼 수 있듯이 특정 보도구역에서 발생한 유출량은 모두 처리되고 다른 보도구역에서는 빗물을 효과 적으로 처리하지 못한 것으로 나타났으며, 보도구역에서 적 절한 LID 기법의 배치가 이루어지지 못한 것으로 나타났다. 이러한 결과를 바탕으로 LID 기법을 적절히 배치한다면 보 다 효율적인 물순환 개선이 이루어질 것으로 판단하였다.

Fig. 5. Runoff Results of each Sidewalk Areas depend on SWMM.

일반적으로 보도구역에서 LID 기법은 투수성포장으로 설 계하면서 유역단위 빗물 처리용량을 산정 및 분석하고, 배치 시에 해당 소유역마다의 물순환 개선을 분석하는 것이 부족 하다. 이에 빗물 처리용량 산정식을 통해 LID 기법의 적절한 규모와 배치를 재설정하여 SWMM 모형을 통해 LID 적용 전·후의 유출량을 분석하고자 하였다.

3.3. LID 시설 최적 규모 설정

합리식에 의해 산정된 보도구역의 유출량은 2,509.9 m³이 며, 해당 유출량을 적절하게 처리하기 위해 빗물 처리용량 산정식을 이용하여 투수성포장의 규모를 재설정하였다. 이에 보도구역에서 계획되어 있는 투수성포장은 투수성블록 이외 에 LID 시설을 제외하였으며, 2,518.6 m³의 빗물 처리용량을 갖도록 보도구역의 투수성포장 총 면적을 47,206.9 m²에서 30,790.0 m²으로 감소하였다(Table 7).

SWMM 모형에서 투수성블록 면적을 보도구역의 면적에 비율적으로 적용하여 LID 적용 전·후의 물순환 개선 효과 를 분석하였다. 그 결과 보도구역에서 투수성포장의 총 면적 이 16,416.9 m³ 감소에도 불구하고 유출량이 444 m³ 만큼 더 저감되어 유출저감 효율성이 2.1 % 증가하였다(Table 8).

LID 기법을 적용하고자 하는 유역에서 물순환 개선 효과 를 고려하여 LID 기법의 규모를 산정하는 것은 매우 중요하 다. 본 연구에서는 각 LID 시설이 처리하는 집수면적의 유출 량을 고려하여 LID 시설의 규모를 산정하였으며, LID 시설 의 물순환 개선 효율성을 극대화하는 결과를 도출하였다. LID 요소기술을 적용하는 해당 소유역의 물순환 체계를 고 려한다면 LID 요소기술의 규모가 과도하게 설계되지 않는 것을 의미한다. 즉, 도로, 보도, 공원 등 토지이용계획에 따른 배수구역별 적정규모의 LID 계획이 이루어져야한다.