KIEAE Journal

실험구는 경기도 화성에 위치한 한국건설기술연구원 건축물안전성능 실험센터 내에 2009년 5월에 조성되었다. 실험구는 3m×3m이며, 실물규모의 인공지반녹지를 조성하기 위하여 그림 1과 같이 구조체를 설치하고, 그 상부에 전형적인 인공지반 토양높이인 90㎝의 일반토양을 채웠다.

그림 5.  
인공지반 실험구 단면 및 측정요소

우수의 유출 및 침투효과를 알아보기 위한 실험구 상부에는 식재에 의한 변수를 최소화하기 위하여 한국형 잔디뗏장을 사용하였다.

비교실험구로 조성된 Dish형 녹지와 Mound형 녹지의 단면구성은 그림 2와 같다. Dish형 녹지는 안전성, 투수성등 공동주택 단지의 적용성을 고려하여 평균 지표면보다 약 30㎝ 깊이로 낮게 조성하였으며, 이는 우수의 침투 지연으로 인해 발생하는 물웅덩이의 수심과도 관련이 있다.

그림 6.  
Dish형 녹지(왼쪽) 및 Mound형 녹지(오른쪽) 단면구성

그림 7.  
실험구 전경

우수침투 및 표면유출량을 측정하기 위해 Bucket(0.2㎜/1pulse) 방식의 유량측정기기를 설치하였으며, 데이터로거(SDI-12-DT85)를 통해 결과를 전송받았다. 모든 데이터는 10분 간격으로 측정되도록 설정하였다.

그림 8.  
유량측정 Bucket

우수유출 및 침투량 모니터링은 여름철 강수량이 많은 8월에 수행하였으며, 결과의 정확성을 높이기 위하여 2010년과 2012년 두 번에 걸쳐 측정하였다. 강우시 우수의 침투량과 표면 유출량의 패턴을 보기 위해 모니터링 기간중 특히 강수량이 많았던 날을 기준으로 전날과 다음날까지 총 3일 동안의 우수 침투량과 유출량을 10분 간격으로 측정하였다.

본 연구의 실험결과를 실제 공동주택의 일정지역에 적용시켰을 때 우수유출 저감효과를 알아보기 위해 성남 판교지구의 아파트건설지역을 사례지로 선정하여 Dish형 녹지조성을 통한 우수유출 저감효과를 시뮬레이션 하고자 하였다. 그림 5는 시뮬레이션 대상지의 녹지구적도로 대지면적은 26,550㎡, 인공지반 녹지면적은 7,049.5㎡, 자연지반 녹지면적은 6,087.1㎡이다.

그림 9.  
시뮬레이션 대상지 포장유형

시뮬레이션을 위한 전제로 인공지반녹지에 침투된 우수는 그림 6과 같이 기존의 우수관거로 배출되지 않고, 단지내 저류조 또는 자연지반으로 연계를 통해 외부로 유출되지 않는다고 가정하였다.

그림 10.  
지하공간 상부 인공지반녹지 수처리

대상지 내 우수 저류량을 계산하기 위해 하천설계기준에서 주어진 합리식을 사용하였다. 합리식은 일정한 강우강도를 갖는 호우로 인한 소유역의 첨두홍수량을 결정할 때 대표적으로 사용하는 방법으로 우수관거, 하천제방과 같은 홍수소통용 소규모 구조물의 설계홍수량을 결정할 때 사용할 수 있으며(유철상 외, 2010) 유달시간에 상당하는 강우 강도의 비가 배수구역내에 균등히 내릴 때 지체현상이 생기지 않는 최대 유출량 산출법으로 활용하였다.

또한 본 시뮬레이션에서 적용한 기초 유출계수는 표 1과 같이 하수도 시설기준 및 하천설계기준의 유출계수 평균값을 동일하게 가정하여 적용하였다.

우수 침투량을 측정하기 위해 2010년 8월 14일～16일까지 내린 강수량을 10분단위로 측정하였다. 2010년 8월 14일 강수량은 27㎜였으며, 8월 15일은 31㎜로 측정되었다. 녹지조성 유형별로 강우 침투량을 비교해보면, 초기 강우가 시작되는 8월 14일(초기 강우발생시)에는 Dish형 녹지가 Mound형 녹지에 비해 약 2.9배 우수 침투효과가 뛰어난 것으로 나타났으며, 8월 15과 16일에는 Dish형 녹지의 우수침투량이 Mound형 녹지의 1.8배인 것으로 측정되었다. 최종적으로 1회 강우의 발생 총량으로 비교한 결과Dish형 녹지가 Mound형 녹지에 비해 1.98배 많게 침투되는 것으로 측정되었다(표 3).

녹지유형별 우수침투량을 10분 간격으로 측정하여 강우패턴을 살펴본 결과 그림 8과 같이 지면에 내린 강우가 침투되는 시간은 Dish형 녹지가 Mound형 녹지보다 빠르게 나타나는 것으로 측정되었다.

그림 12.  
녹지조성 형태에 따른 시간대별 우수침투량(2010)

2012년 8월 14일～16일까지 같은 방법으로 우수침투량을 측정한 결과 표 4에서 보는 바와 같이 강수량이 15.5㎜이었던 8월 14일에는 Dish형 녹지가 Mound형 녹지에 비해 우수 침투량이 1.7배 높았으며, 강수량이 많았던 8월15일에도 1.2배 높은 것으로 측정되다. 최종적인 1회 강우에 대한 침투량 비교값은 Dish형 녹지가 Mound형 녹지에비해 1.3배 높은 것으로 측정되었다. 2010년과 마찬가지로 강우시 우수침투시간은 Dish형 녹지가 Mound형 녹지보다 빠른 것으로 나타났다(그림 9). 이는 2년여의 실험구 경과에 따른 토양침하 및 식물생장에 따른 지반경화로 침투성능의 저하가 발생한 것으로 보인다.

그림 13.  
녹지조성 형태에 따른 시간대별 우수침투량(2012)

2010년 모니터링 기간 동안 측정된 우수 표면 유출량은 표 5에 나타내었다. 강우가 시작된 8월 14일에는 Dish형 녹지에서 우수가 표면으로 유출되는 양이 Mound형 녹지의 70%였으며, 8월 15일에는 절반으로 줄어드는 것을 알수 있다. 또한 우수 침투량 실험때와는 다르게 강우시 우수의 표면유출은 Mound형 녹지에서 먼저 시작되는 것을 알 수 있다(그림 10). 2012년 모니터링에서도 마찬가지로 Mound형 녹지에 비해 Dish형 녹지의 우수 표면 유출량이 50% 이상 적은 것으로 나타났다. 그림 10과 11에서 보는바와 같이 강우시 우수가 표면으로 유출되는 시간은 Mound형 녹지에서 더 빠른 것으로 나타나는 것으로 측정되었다.

그림 14.  
녹지조성 형태에 따른 시간대별 우수 표면유출량 (2010)

2010년에 비해 2012년에는 지반 경화와 식물생장 밀도가 증가하여 우수표면 유출량이 증가한 것으로 나타난다.

그림 15.  
녹지조성 형태에 따른 시간대별 우수 표면유출량 (2012)

인공지반 녹지의 단면구성 변화에 따른 우수유출 저감효과를 살펴본 결과 강우시 우수의 침투량은 Dish형으로 조성된 녹지에서 Mound형으로 조성된 녹지에 비해 평균약 2배 우수한 것으로 나타났으며, 반대로 우수의 표면 유출량은 Dish형 녹지에서 평균 절반정도로 감소되는 것을 알 수 있었다. 이는 Dish형으로 조성된 녹지가 강우시 우수의 침투효과가 뛰어나며, 표면으로 유출되는 양을 줄여주는 등 우수유출 지연효과 있어 도시홍수 예방은 물론 나아가 도시의 비점오염원 관리에도 도움을 줄 수 있다는 결과를 예측해볼 수 있다.

현재 공동주택 녹지조성에 있어 일반적으로 Mound형공법이 적용되고 있는 현실을 감안해서 기존의 유출계수를 적용하여 단지규모에서 발생이 예상되는 유출량 Q1은 표 7과 같이 산출된다.

이에 비해 Dish형을 인공지반녹지와 자연지반녹지에 적용한 경우 침투량이 1.98배 증가하고, 유출량이 0.53배 축소되어(2010년 측정값 대입) 녹지부분에 대한 유출계수가 0.2에서 0.06으로 변경되어 적용할 수 있고, 발생 예상 가능한 유출량 Q2는 표 8과 같이 산출된다.

즉, 녹지조성 유형의 변경에 따라 단지 내에서 발생 가능한 첨두유출량은 13%이상 저감이 가능하다는 시뮬레이션 결과를 도출할 수 있다.

대상지 내 녹지 중 인공지반 녹지(7,049.5㎡) 전체를 30㎝ 깊이의 Dish형 녹지로 조성한다고 가정한다면 총 저류량은 2,114.9㎥라고 할 수 있다. 그리고 합리식에 의한 유출량(불투수면으로 가정하여 유출계수를 0.9로 가정)은 52.87㎥/hr이다. 즉, 저류량 2,114.9㎥의 Dish형 녹지는 30㎜/hr의 강우가 약 40시간 지속되는 우수를 저류할 수 있는 규모이다(표 9). 이는 최근 빈번하게 발생하는 시간당 120㎜/hr 수준의 집중호우시에도 적절한 우배수 계획의 수립에 의해 단지 외부로의 유출량을 충분히 제어할 수 있음을 의미한다.