2.1 BGR 및 유량 측정 시스템 설치

본 연구를 위해 두 개의 동일한 옥상면적(145.3m²)을 갖는 건축물을 대상으로 실험군 옥상(BGR)과 대조군 옥상(일반 콘크리트 인공지반으로 구성)을 설치하였다. BGR은 모듈형태로 구성되어 있으며 145.3m²의 면적에 733개가 설치되어 있다. 모듈 1개의 무게는 3.4kg 이며 733개가 설치될 경우 물이 없는 순수 모듈 총 무게는 2,492kg 이다. BGR의 Blue 층에 물이 없을 때의 총 모듈 무게와 모듈 상부의 마사토와 잔디층(Green Layer)의 총 무게(11,500kg)를 합할 경우 약 14,000kg 이다.

Fig. 1. (A) The roof of a building where a BGR was installed (experimental group) and the roof of a general building (control group). (B) Structural diagram of a BGR composed of green and blue layers.

모듈 1개 당 저류 가능한 Blue 층의 빗물 저류 가능량은 최대 13.2L이며 733개 모듈에 만수위로 저류되었을 때 약 9,675L 까지 저류가 가능하다. 이때 145.3m²의 옥상에는 최대 24톤의 무게가 균등하게 분포하게 되어 1m² 당 165.2kg의 하중이 작용하게 된다고 할 수 있다. 이 적재하중은 건축물 하중기준 중 등분포적재하중 기준에 제시된 주거용 건축물의 거실, 공용실, 복도의 적재하중인 200kg/m² 보다 낮은 하중에 해당되는 무게이다(건설교통부 고시 제2000-153호).

각 모듈의 Blue 층으로 침투되어 저류된 물은 평상시에는 잔디의 식생 유지를 위한 용수로 활용이 되며 잔디층까지 물을 공급시키기 위해 모세관 심지가 각 모듈에 설치되어 있다. 현재 저류된 Blue 층의 물을 비 강우시 별도로 강제 배수 하는 기능은 없다. 각 모듈에서 Blue 층이 만수위가 되거나 Green 층(잔디층)에서 침투되는 양 이상의 강우가 발생 시 Blue 층에 저류되지 못하고 overflow 되며, 이 물은 해당 건물 옥상 각 모서리에 있는 빗물 측구를 통해 배수하게 된다. 이 배수된 물은 한 곳으로 모여 이송하도록 배관을 연결하였다. 배수된 물의 유량을 관측하기 위해 이 배관의 말단부에 초음파 유량계를 설치하여 실험군과 대조군 옥상에서 유출되는 빗물을 모니터링 하였다. 유량계는 외벽부착식 초음파 유량계로써, JAIN Technology 社의 유량계(모델명: Xonic 100)이며 유속측정범위는 ±0.02~20.0m/s, 정확도는 ±1.0% 이다.

2.2 기상 데이터 및 강우 유출량 모니터링

본 연구를 위해 설치한 BGR(실험군) 및 일반 옥상(대조군)은 전라남도 강진군 성전면에 위치하고 있으며, 해당지역 주변의 기상청 AWS 관측 자료는 “강진군” 과 “성전” 두 개 지점이 있으며 이 중 “강진군” 지점의 기상관측 자료를 활용하였다. 행정구역 상 실험군과 대조군이 설치된 건축물은 강진군 성전면의 평지 지역에 위치하고 있으나, 성전 지점의 AWS 위치는 월출산의 영향을 받는 산지 지역에 설치되어 해당 강우량 값을 활용하기에 대표성이 부족하다고 판단되어 평지에 설치되어 있는 “강진군” 지점의 AWS를 사용하였다.

강우유출량 모니터링은 2022년 6월에서 2022년 9월까지 발생한 강우 중 10개의 강우 사상에 대해 모니터링 하였다. 유량값 오차를 최소화하기 위해 모든 강우 사상 2일 전에 유량계에 대한 센서 보정을 제조사의 매뉴얼에 따라 실시하였다.

2.3 옥상면적 분석 및 강우유출량 저감량 산정 대상지역 선정

BGR을 적용하여 도시지역의 강우유출량 저감량을 산정하기 위해 BGR이 적용될 수 있는 도시 내 적용 잠재량을 산정해야 한다. 잠재량 산정을 위해 옥상면적 산정과 관련한 문헌자료(^{ICEC, 2019}) 에서 적용한 산정 절차를 활용하였다(Fig 2). 이 연구에서 사용한 산정절차에서는 국토교통부 건축행정시스템 세움터(cloud.eais.go.kr)에서 제공하는 건축물 대장을 활용하였으며, 건축물 대장의 지붕 종류 중 철근콜크리트 구조물의 콘크리트평슬래브 건축물을 대상으로 BGR 설치 가용면적을 산출하였다. 건축물의 옥상면적은 건축물대장에서 확인할 수 없기 때문에 건축물대장 상 수평투영면적을 이용하여 산정하였다. 또한 모든 콘크리트평슬래브 옥상 건축물을 대상으로 하지 않고 최근 30년 이내의 건축물을 대상으로 하였다. 30년 이내의 건축물로 한정한 이유는 공동주택 노후불량 건축물 기준의 경우 지자체(조례 제5194호 광주광역시 도시 및 주거환경정비 조례) 조례에서 최대 30년으로 설정하고 있어 이 기준을 준용하였다. 옥상녹화 가능면적(BGR 기술의 설치가 가능한 면적)은 추출된 옥상면적 중 BGR과 같은 기술이 설치되기 어려운 보일러실, 승강기, 냉각탑 등의 구조물 면적을 추출된 옥상 면적에서 제외하였다. 이렇게 해서 산정된 옥상녹화 가능 면적은 건축물용도분류체계에 따른 6개 구분(주거, 교육, 공공, 의료, 업무, 상업)에 따라 상이하며, 6개 구분의 전체 옥상면적 중 평균 67.3%가 설치가능 면적으로 추산되었다(ICEC, 2019). 이렇게 추산된 설치가능 면적비율을 광주광역시 서구 지역을 대상으로 하여 설치하였을 때 어느 정도의 강우유출량을 저감시킬 수 있는지를 분석하였다. 광주광역시 5개 자치구(서구, 남구, 북구, 동구, 광산구) 중 서구 지역을 대상지역으로 선정한 이유는 집중강우 발생 시 상습침수구역인 화정동, 농성동 등이 해당지역에 속하고 있으며, 광주천 및 그 지천이 서구지역을 관통하고 있고 2016년 이후 광주 5개 자치구 중 집중강우가 서구지역에 주로 발생하는 지역적 특징(^{Kim et al., 2021})을 갖고 있기 때문이다. 또한 2016년 이전의 광주천 유역 홍수 피해지역 특징에서도 광주천 말단부의 서구지역에서 주택, 도로침수 및 하천범람 피해가 주로 발생한 점도 고려되었다(^{Park et al., 2004}).

Fig. 2. Flow chart for estimating the installable area of a BGR.

광주 서구지역을 대상으로 BGR이 설치되었을 때의 강우유출량 저감량은 1) 강우를 3개 계급으로 분류(10 mm 이하, 100 mm 이하, 100 mm 이상)하고 2) 대조군에서는 강우량 대비 실제 유출되는 유출량과 강우량, 및 BGR 설치 가능 옥상면적을 반영하여 유출량을 산정하였고, 3) 각 강우 사상 별 강우량과 강우 계급에 따른 유출율을 고려하여 강우유출량 저감량을 산정하였다.

2.4 데이터 비교를 위한 통계분석

실험군과 대조군과의 관계, 실험군 내에서 강우유출수에 미치는 변수간의 분석을 위해 상관분석(correlation analysis) 및 t-검정(t-test)을 실시하였다. 상관분석은 두 개 이상의 변수들 사이에 존재하는 밀접함을 측정하는 통계적 기법으로 본 연구에서는 실험군과 대조군의 유출량에 대해 분석을 할 때 사용하였다. t-검정은 일종의 추정 검정으로써, 두 데이터 set에서 평균의 차이가 유의하게 다르냐, 다르지 않느냐를 결정하는 방법이다(^{Kim et al., 2016}). 본 연구에서는 실험군과 대조군 사이에서 유의미한 차이가 있는지, 그리고 강우유출량에 어떤 변수가 영향을 미쳤는지 파악하기 위하여 사용하였다.

3.1 BGR의 강우유출량 저감량

총 10차례의 강우 사상 중 평균 강우유출량 저감율은 78.8%로 나타났으며, 최대 저감율은 100% 최소 저감율은 31.6% 였다. 최소 저감율이 발생한 강우의 경우 총 강우 발생량은 180.5 mm의 강우가 발생한 Event 9 였으며 이 강우의 1시간 최대 강우강도는 19.7 mm 였다. 선행건기일수가 12일, 로 전체 모니터링 강우 Event 중에 가장 길었으며, 강우 전 15일간 총 누적강우량 13.1 mm로 Blue 층에 상대적으로 여유 공간이 발생할 수 있는 상황이였고 강우 지속시간 또한 31시간으로 침투되기에 충분한 시간이 확보되었다고 볼 수 있으나, 최대 강우 강도 전후로 연속하여 시간 당 10 mm 이상의 강우가 9시간 발생하여 Green 층에서 Blue 층으로 침투되기 전에 잔디 표층에서 overflow가 발생하여 bypass 된 물이 유출 관로를 따라 배출되어 상대적으로 낮은 강우유출량 저감율을 보였다. 두 번째로 낮은 저감율을 보인 Event 4는 강우유출량 저감율 48%를 보였다. Event 9와 마찬가지로 100 mm 이상의 강우가 발생한 강우 Event로써, Event 9와 차이점은 상대적으로 짧은 선행건기일수 3일 및 강우 전 15일간 총 누적강우량 47.5 mm와 최대 강우 강도 전후로 발생한 10 mm 이상의 강우강도가 불연속적으로 5회 발생하여 상대적으로 Green 층에서 Blue 층으로 침투될 수 있는 조건이 Event 9에 비해서 양호했다고 할 수 있다.

Fig. 3. Category plot of the relationship between the stormwater reduction rate and rainfall depth for ten rainfall events.

강우유출량 저감율 80% 이상인 강우 Events는 10차례 강우 사상 중 7회에서 나타났으며, 이들 7개 강우 Event 평균 저감율은 92.3% 였다. 이들 강우 사상에서 높은 저감율이 나타난 이유는 10 mm 이하의 강우가 발생한 Event 8, Event 10을 제외하고 상대적으로 긴 선행건기일수(평균 8.5일. 낮은 저감율을 보이는 4차례 강우 Event는 6.5일) 와 긴 강우지속시간(평균 31.8시간. 낮은 저감율을 보이는 4차례 강우 Event는 14.5시간)으로 인해 Green 층에서 Blue 층으로 유입되기에 상대적으로 양호한 조건이 형성되었기 때문으로 보인다. 특히 강우 Event 1의 경우 시간당 최대 31.4 mm의 강우 강도와 짧은 강우 지속시간(7시간)을 보였음에도 유출 저감율이 99% 이상 발생한 것은 강우 전 15일간의 누적 강우량이 3.5 mm, 강우 전 30일간 누적 강우량 또한 26.9 mm로 매우 낮아 Blue 층에서 저류된 물의 양이 매우 적어 빗물 대부분을 저류 하는 것이 가능했기 때문으로 보여진다.

Fig. 4. Distribution of hourly rainfall depth for each rainfall event.

3.2 실험군과 대조군과의 강우유출 저감량 비교 분석

상관관계 분석에서는 현재까지 총 10개의 강우 Event로 인해 상세한 분석에는 한계가 있었으나, 실험군 내 각 변수들(강우 전 15일 및 30일 누적 강우량, 선행건기일수, 강우지속시간, 1시간 최대 강우강도)과 강우유출량 저감율 간의 관계에서는 강우량과 저감율 간에 통계적으로 유의미한 수준에서 음의 상관관계(-0.818, p<0.05)를 보였다. 그 외 다른 변수들은 유의미한 관계를 보이지 않았다. 이는 강우량이 증가할수록 강우유출량 저감율이 낮아질 수 있음을 의미하나 향후 추가적인 모니터링으로 강우량 이외에 변수가 영향을 미칠 가능성에 대해 분석할 필요가 있다고 보여진다.

실험군과 대조군과의 유출량에 대한 t-검정에서는 두 유출량 간에는 통계적으로 유의미한 수준에서 차이가(0.932, p<0.05) 있는 것으로 나타났다. 이는 BGF가 일반 옥상과의 강우유출량 차이에 영향을 미치고 있음을 의미한다. 또한 강우량과의 상관분석에서 두 그룹 모두 강우량과의 영향을 받고 있었다(실험군 0.929, p<0.05, 대조군 0.999, p<0.01). 이는 대조군에서 높은 유출량을 보일 때 실험군에서도 유출이 발생하였고 대조군에서 상대적으로 낮은 유출량을 보일 때 실험군에서는 유출이 되지 않거나 매우 적은양이 유출되었기 때문이다.

3.3 도시지역(광주광역시 서구지역)에 설치 시 강우유출량 저감 가능량

실험군과 대조군의 비교 실험에서 BGR은 평균 78.8%의 강우유출량 저감이 가능 한 것으로 나타났다. 강우를 3개의 계급(10 mm 이하, 100 mm 이하, 100 mm 이상)으로 분류할 경우, 각 계급별 평균 강우유출량 저감율은 각각 100%, 84.7%, 39.8%로 나타났다. 강우량 대비 일반 옥상(대조군)에서 강우량 대비 강우유출수가 유출되는 비율은 강우 계급별로 각각 49.5%, 72.7%, 78.5%로 나타났다. 이 값은 일반적인 강우 유출계수(Runoff coefficient)의 지붕에 해당하는 값의 범위인 0.75~0.95의 범위에 일부 속하며 강우량이 적을수록 그 범위에서 벗어나는 것으로 보인다.

이 기준을 바탕으로 하여 BGR이 설치되었을 경우 어느 정도 강우유출량을 저감시킬 수 있는지 산정하였다. 적용 지점 및 기간은 기상청 AWS 풍암 지점(광주광역시 서구 풍암동)에서 2020년 7월부터 9월까지 총 92일 중 강우발생일은 41일이였으며, 이 기간 동안 최대 일강우량은 272 mm(8월 7일), 강우가 연속하여 발생한 8월 5일부터 8월 12일까지 총 누적강우량은 553 mm 였다. 강우 계급에 따른 10 mm 이하 강우 발생일은 17일, 11~100 mm 범위의 강우 발생일은 20일, 100 mm 이상은 4일로 나타났다.

광주 서구지역의 옥상 전체면적은 4,589,272m² 이며 이 중 가용 면적은 2,040,941m² 였다(ICEC, 2019). 옥상면적의 계산은 Fig 2와 같은 절차에 따라 산정되며, 이 면적은 서구 전체 옥상면적의 44.5% 규모이고 광주광역시 전체의 18.2%에 해당하는 면적이다. 광주지역에 집중호우가 발생하여 광주천이 범람한 2020년을 대상으로, 2020년 7월부터 9월까지 광주 서구지역에 내린 강우량을 기준으로 강우량을 계급화하여 대조군과 실험군(BGR)의 각 옥상 별(일반 콘크리트, BGF) 유출계수(runoff coefficient)를 반영하여 산정한 결과, 우선 BGR이 설치되지 않았을 때 2,123,617m³ 의 강우유출수가 유출되는 것으로 나타났으며, BGR이 설치되었을 때는 809,934.9m³ 의 강우유출수가 유출되어 1,313,682.6m³ 의 강우유출수가 저감되는 것으로 나타났다. 이는 발생량의 61.9% 정도의 강우유출수가 저감되는 수준으로 하천으로의 유입유량을 줄여 하천범람 및 도시침수 규모를 낮추는데 도움을 줄 것으로 판단된다. 또한 저강도 강우유출수의 유입 저감으로 CSOs 발생 빈도를 저감시킬 수 있을 것으로 보여지며 이를 통해 도시 하천의 수질관리에도 도움이 될 수 있을 것으로 사료된다.