2.1 ROADMOD 개요

2.2 연구방법

연구대상지역은 경기도 광주시 곤지암읍 일대에 위치한 중부고속도로에서의 비점오염물질을 처리하는 모래여과시설이다. 모래여과시설의 제원은 폭 1.5 m, 길이 3.8 m, 깊이 1.5 m이며 면적은 164 m²으로 모래여과시설로 유입되는 고속도로 배수면적은 715 m²이다. 강우시 채수방법은 국립환경과학원의 강우유출수 조사방법(^{NIER, 2012})에 의해 이루어졌으며, 시간에 따른 고속도로에서의 노면퇴적량을 모니터링 하였다. 강우시 모니터링은 2021년 8월 31일 12시~9월 1일 11시까지 강우 74.5 mm에 대하여 모래여과시설의 유입수와 유출수를 모니터링하였다.

Fig. 1. Study area.

모델의 보정은 모래여과시설의 유입수와 유출수의 유량과 TSS 부하량을 대상으로 실시하였다. 강우시 고속도로에서의 유출수가 모래여과시설로 유입되기 때문에 모래여과시설의 유입수는 고속도로에서의 유출수와 동일하고 간주하였다. 모델의 입출력 자료의 시간간격이 1시간이기 때문에 모델결과 시간과 동일한 시간의 모니터링자료를 선택하여 보정하였다. 보정결과의 적용성은 실측치와 예측치의 분산도와 결정계수를 이용하여 평가하였으며 결정계수는 식(9)에 의해 계산하였다.

여기서, 은 실측치, 은 실측치의 평균 는 예측치이다.

보정된 모델을 이용하여 2012년~2021년 10년 동안의 도로에서의 연평균 유출량과 모래여과시설과 도로청소에 의한 TSS 저감효과를 분석하였다. ^{Korea Express Corporation Research Institute (2019)}는 수도권 인근 4개의 고속도로에서 도로청소시 노면퇴적물 수거율이 평균 69%인 것으로 보고하고 있으며 본 연구에서도 도로청소시 노면퇴적물 수거율을 69%로 하였다. 30일 간격의 도로청소만 실시한 경우 시나리오1, 모래여과시설을 설치한 경우 시나리오2, 모래여과시설과 도로청소를 모두 실시한 경우 시나리오3으로 하여 무대책과 비교하여 노면퇴적물 부하량 저감효과를 분석하였다(Table 1).

3.1 수질모니터링

2021년 8월 31일 13시 강우시 모래여과시설의 유입수와 유출수의 시간에 따른 유량과 SS의 모니터링 결과는 Table 2와 같다. 유입수의 TSS 농도변화는 11.5~94.7 mg/L의 범위를 나타내었으며, 유출수의 TSS 농도변화는 2.0~6.4 mg/L의 범위를 나타내었다. 유입수와 유출수의 유량가중평균농도(Event mean concentration, EMC)는 각각 4.5 mg/L, 54.2 mg/L 인 것으로 나타났으며, EMCs를 비교해 볼 때, 모래여과시설에 의한 수질농도 저감효과는 92%인 것으로 나타났다.

3.2 ROADMOD 보정

모래여과시설의 유입수와 유출수에 대한 시간에 따른 유출량 보정결과는 Fig. 2와 같으며 실측치와 예측치의 분산도는 Fig. 3과 같다. 유입수와 유출수의 유량에 대한 결정계수는 각각 0.67, 0.86인 것으로 나타났다. 모래여과시설의 유입수와 유출수의 시간에 따른 TSS 부하량 보정결과는 Fig. 4와 같으며 분산도는 Fig. 5와 같다. 유입수와 유출수의 TSS 부하량에 대한 결정계수는 각각 0.50, 0.84인 것으로 나타났다. 도로에서의 강우유출수는 초단위로 시시각각 강우에 따라서 변화하기 때문에 모니터링 자료는 측정 순간의 유량과 부하량이며 모델의 결과는 시간 평균의 유량과 부하량인 것을 고려해 볼 때, 예측치를 실측치와 일치시키는 과정은 매우 어려운 과정일 것이다. ROADMOD는 상세모델(Detail model)이 아닌 단순모델(Simple model)로써 스크리닝 단계에서 도로에서의 BMPs의 상대적인 비교 평가에는 적용성이 있는 것으로 판단된다.

Fig. 2. Comparison of hourly simulated and observed flow at inlet and outlet of sand filtration.

Fig. 3. Scatter plot of hourly simulated and observed flow at inlet and outlet of sand filtration.

Fig. 4. Comparison of hourly simulated and observed sediment loading at inlet and outlet of sand filtration.

Fig. 5. Scatter plot of hourly simulated and observed sediment loading at inlet and outlet of sand filtration.

2021년 8월 31일~9월 1일 강우(강우량 74.5 mm)에 대한 물질수지분석 결과는 Fig. 6과 같다. 배수구역에서 유출된 유량 및 노면퇴적물량은 각각 46.6 m³, 1,751.5 g이었으며 이중 21%인 9.6 m³과 349.6 g이 모래여과시설로 유입되고 나머지 79%는 미처리 월류수로 유출되었다. 모래여과시설로 유입된 노면퇴적물은 312 g이 처리되어 전체 유입량의 18%를 처리하였으며 처리효율은 89%를 나타내었다. 미처리 월류수와 처리수의 합인 TSS 유출부하량은 1,438.4g으로 전체량의 82%를 차지하였다.

Fig. 6. Mass balance analysis of TSS loading in sand filter facility for rainfall event during calibration period.

3.3 고속도로 유출율

고속도로에서의 과거 10동안의 연간 강수량과 유출량, 유출율은 Table 3과 같다. 연간유출율은 0.79~0.86의 범위를 나타내었으며, 유출율은 강수특성에 영향을 받아 연간강우량이 많을수록 유출율이 높았다. 10년 평균 유출율은 0.82였다. ^{Huber and Helmreich (2016)}는 도로에서의 유출율은 0.9로 나타났으며, ^{Lee (2013)}는 아스팔트의 유출율 범위를 0.70~0.95로 제시한 결과와 유사한 유출율을 나타내었다.

3.4 강우시 고속도로 노면퇴적물에 의한 TSS 부하량

고속도로에서의 2012년에서 2021년 사이의 강우시 연간 단위길이당 TSS 부하량은 Table 4와 같다. 무대책의 경우 연평균 545.6 kg/km⋅yr, 시나리오1(도로청소)의 경우 연평균 495.0 kg/km⋅yr, 시나리오2(모래여과시설)의 경우 연평균 357.0 kg/km⋅yr, 시나리오3(도로청소+모래여과시설)의 경우 연평균 333.3 kg/km⋅yr가 강우시 강우유출수와 함께 노면퇴적물에 의해 유출되는 것으로 모의되었다(Table 4).

3.5 시나리오별 TSS 유출저감효과

시나리오별 TSS 유출저감효과는 Table 5와 같다. 30일 간격으로 도로청소만 실시한 시나리오 1의 경우 무대책시 강우에 의해 유출되는 TSS 부하량과 비교하여 TSS 저감효과는 3~17%(평균 9%)였으며, 연간 15.6~99.8 kg/km(평균 50.6 kg/km)의 TSS를 저감할 수 있었다. 모래여과시설만 설치한 시나리오2의 경우에는 무대책시와 비교하여 29~39%(평균 35%)의 TSS 유출부하 저감효과를 나타내었으며, 연간 169.4~226.9 kg/km(평균 188.6 kg/km)를 저감할 수 있는 것으로 모의되었다. 도로청소와 모래여과시설을 설치한 시나리오 3은 무대책과 비교하여 강우시 TSS 부하량의 32~49% (평균 39%) 저감효과를 나타내었으며 연간 178.6~279.8 kg/km(평균 212.3 kg/km)의 TSS를 저감할 수 있는 것으로 나타났다.

도로청소시 도로노면 퇴적물 수거효율이 69%임에도 불구하고 강우시 비점오염유출량 저감효율이 상대적으로 낮으며 연간 변화폭이 큰 것으로 나타났다. 도로 노면에서의 퇴적물량은 도로청소 후 제거된 노면퇴적물은 대기낙진에 의해 최대축적량 만큼 쌓이는데, 도로청소 후 최대축적량 도달하기 전까지 강우유출수가 발행하지 않으면 도로청소에 의한 노면퇴적물의 유출량 저감효과는 없다. 도로청소에 의한 연도별 저감효과의 차이가 큰 것은 도로청소 이후에서 최대축적량이 쌓이기 전까지 강우발생횟수가 연도별 다르기 때문이다. ^{Kang and Jeon (2021)}은 도로청소간격에 따른 노면퇴적물의 비점오염저감효과를 분석하였는데, 강우사상 발생전날 도로청소를 실시할 경우 연간 26회 도로청소만으로 비점오염저감효과가 43%를 나타내었으며 이는 4일 간격의 도로청소에 의한 비점오염물질 저감효과와 유사한 것으로 보고하였다. 따라서, 도로청소는 일정한 간격으로 실시하기보다는 강우발생일을 고려하여 실시하는 것이 비점오염저감측면에서 유리하다.

도로청소와 모래여과시설에 의한 TSS 부하량 저감효과를 비교하면 10년평균 도로청소는 9%, 모래여과시설은 35%로 모래여과시설이 약 3.5배 이상의 높은 효율을 나타내었다. 도로청소가 비록 낮은 저감효과를 나타내지만, 도로청소의 경우 고속도로 전체 면적에 대한 저감효과이며, 모래여과시설과 같은 구조적 BMPs는 배수구역에 한정된 저감효과이며 이를 고속도로 전체면적으로 환산하였을 경우 고속도로 청소의 중요성은 더욱 강조될 것이다. 노면퇴적물은 바람에 의해 재부유되어 대기오염을 유발시킨다. ^{Chang et al. (2005)}은 공기순환식과 살수식을 혼합한 도로청소에 의해 대기 미세먼지(Total suspended particles, TPS)를 30% 저감한 것으로 보고하고 있다. 이러한 측면에서 도로청소는 수질오염뿐만 아니라 대기오염을 저감시키는 중요한 관리기법 중 하나이다.