대면적 절판지붕용 녹화시스템의 토성기반 수문학적 최적모델 도출을 위한 전산 모의연구

2.1. 선행연구 고찰

LID 기술의 수해방재효과 규명을 위해 SWMM을 적용한 수문해석 관련연구는 LID기술적용 면적별 우수유출 저감효과분석(김응석 등 2014), SWMM 모형을 이용한 LID 요소기술의 공간적 분포에 따른 우수유출특성 분석(연종상 등 2014), SWMM을 이용한 상습침수유역 내 유출저감효과 분석(신동수 등 2013), 강우강도에 따른 LID 시설 유출저감효과 분석(박구영 2014) 등이 보고되고 있다.

녹화시스템의 주요구성요소인 토양의 물성과 우수유출 상관관계에 대한 관련연구는 초기토양조건에 대한 분포형 모형의 유출민감도 분석(박진혁 등 2008), 우리나라 대표적인 토양의 수문학적 분류(손영란 2004), 침투해석을 통한 토양특성 분류별 유출계수 산정(이재준 등 2015) 등이 소개되고 있다.

상기 선행연구에서 SWMM을 통한 LID 기술별 저감효과 분석과 토양 물성에 따른 우수유출 상관관계에 대한 이론적 모형들이 주로 제시되고 있다. 반면 대상지 강우사상을 바탕으로 토양과 같은 LID 기술의 주요 구성요소가 우수유출 저감에 미치는 영향에 대한 연구는 상대적으로 부족한 상황이다.

본 연구는 상습침수지역에 위치한 산업단지의 대면적 금속제절판지붕을 녹화할 경우 예상되는 수해방재효과를 우수유출 저감 측면에서 주요시스템 요소인 토양기반의 전산모의로 규명하고자 한다. 여기서, 체계적인 토양의 수문학적 물성 도출 프로세스를 제시하고, 시스템 구성요소와 우수유출 저감효과 간의 영향정도를 비교하여, 사전설계에 적용 가능한 이론적 우수유출 저감모형을 도출하고자 한다.

2.2. 지붕녹화의 우수순환 메커니즘

2015년 개정된 EPA SWMM5.1은 표면유출, 저류, 침투, 여과, 증발산의 기작에 의해 소유역에 발생되는 생태적 기작을 모의할 수 있는 보다 다양한 LID Controls 모형을 제공한다.

Fig. 1.

Nonlinear Reservoir Model of a Subcatchment

일반적으로 소유역의 수순환은 강우, 융설에 의한 유입과 증발, 침투에 의한 손실로 해석된다. 소유역의 유출 q는 유입수의 가능 누적깊이d 와 실질적인 일시저류가 가능한 요지저류량 d_s의 차로 이루어지며, 요지저류량은 표면저류와 평지붕, 식재 및 습윤표면에 의한 초기 강우 집적으로 산정된다.

i : 강우 및 융설강도(m/s)
e : 표면증발률(m/s)
f : 침투율(m/s), q: 유출율(m/s)

SWMM은 토양 침투율 전산모의에 Horton, Green-Ampt, Curve Number 등의 3가지 모델을 제시하고 있다. 여기서 Green-Ampt는 대상지의 토성과 연계된 물리적 지표에 근거하여 현장적용측면에서 보다 현실적인 모의가 가능하다. SWMM에서는 Mein-Larson식이 적용되며, 관계식은 다음과 같다.

K_s : 포화수리전도도, mm/h
Φ: 토양공극률, %v
θ_o : 초기 토양수분함량, %v
ψ : 습윤점의 흡입수두, F : 누적 침투용적

2.3. 지붕녹화 토양삼상

식생환경의 수문해석에서 토양은 대상지의 중요한 물성을 결정하는 인자이다. 토양은 물리적 관점에서 크게 고상, 액상, 기상의 3상으로 구분되며, 이를 통해 토양에 의한 수순환의 정량적 해석이 가능해진다. 일반적으로 식물생육에 유리한 비율은 고상 50%, 액상 25%, 기상 25%로 구성된 미사질 양토로 토양삼상과 토성은 밀접한 상관관계를 가진다. 토양삼상은 실체적을 통해 해석 가능하며 다음의 관계식으로 정리할 수 있다.

ρ_m : 토양 입자밀도
M_m : 토양표본의 무기물 질량
V_m : 토양표본의 무기물 용적
ρ_b : 토양 용적밀도
V_s : 토양표본의 총용적
V_a : 토양표본의 공기 용적
V_ω : 토양표본의 수분 용적

2.4. 수문해석을 위한 토성기반 물성 해석

전산모의에 의한 수문해석은 개별 프로세스 간에서 요구되는 통계 또는 시계열 분석의 포괄적인 해석으로 정의된다. 특히 강우사상으로 저류된 토양수분이 대기와 식물 증발산 작용에 의해 교환되는 물리적 기작에 대한 모의는 수문학적 프로세스에 대한 이해가 필수적이다. SWMM LID Controls 모형 또한 공극률, 포장용수량, 생장위해위조점, 포화수리전도도, 흡입수두 등을 기반으로 토양의 물리적 물성을 정량화하여 수문학적 해석을 진행하게 된다.

K.E. Saxton은 토양의 수문학적 물성을 수분 보유능으로 규정하고 미국 농무성 자연자원 보호청(USDA- NRCS)의 토성 DB를 기반으로 토양수분관련 데이터셋을 제공한다. 여기서 포장용수량을 1,500 kPa, 생장위해 위조점을 33kPa의 장력조건으로 해석하고, 포화수리전도도를 sand, clay와 OM비에 의한 다음 관계식으로 정의하고 있다.

WP : 생장위해 위조점(Wilting Point moisture), %v
WP_t : 초기 위조점, %v
FC : 포장용수량(Field Capacity moisture), %v
FC_t : 초기 포장용수량, %v
K_s : 포화수리전도도, mm/h
S₀ : 포화수분(0kPa), %v
S: Sand, C: Clay, OM: Organic Matter

이와 같이 토양 물성과 수분의 상관관계는 토양물리학의 중요한 지표로 이해되고 있으며, 토성의 주요물성 관련연구를 종합하여 기준을 유추할 수 있다.

3.1. 대상지 개요

본 연구의 대상지는 수원일반산업 3단지로 수원시 권선구 고색동 412-2번지에 위치하고 있다. 면적은 847,479m², 건폐율은 80%, 용적율은 350%로 수원권역 개발 및 지역균형 촉진을 위해 추진되고 있다. 대상지는 상대적으로 주변에 비해 저지대로서 대부분 포장이 불투수면으로 이루어져 집중호우시 침수피해가 빈번히 발생되는 지역이다.

3.2. 연구 진행과정

토양 물성기반의 금속제 지붕용 녹화시스템 구성요소에 따른 우수유출 저감효과 분석은 다음 <그림 2>와 같다. 우선, 적용시스템의 인공토양에 대한 실체적, 토성비, OM지수를 분석하여 Saxton 방법으로 토성기반 수문학적 물성을 산출한다. 인공토양의 물성과 SWMM 표준토양을 기반으로 우수유출의 주요변인인 토심과 담심을 구성요소로 하여 비교분석 시나리오를 구축한다. 해당 전산모의 시나리오를 대상지의 중규모 소유역에 적용하여 비교분석하고, 이를 바탕으로 실제 적용된 녹화시스템의 인공토양과 이론적 표준토양 간의 주요구성요소별 우수유출 저감성능을 규명한다.

Fig. 2.

Step in Simulation Process

3.3. 소유역 모델링

대상지인 수원일반산업 3단지를 다음 <표 2>와 같이 7개의 소유역으로 구획하고, 단일사상모의를 진행하였다. 여기서, 절판지붕의 녹화시스템 적용 가능면적을 대상지에 조성 예정인 산업건물을 대상으로 건폐율 80%를 적용하여 산정하였다. 대상지에 유입되는 우수는 S07 우측 도로하부의 하수관거로 유출되도록 구획되었으며, 대상지와 소유역 모델은 다음 <그림 3>과 같다.

Table 2.

Area Status of Subcatchment

Fig. 3.

Study Area Map, Suwon General Industrial Complex

3.4. 기후데이터 선정

대상지에 대한 절판지붕 녹화시스템의 우수유출 저감효과를 모의하기 위해 적용되는 강우사상에 수원지방 기상청 강우자료가 적용되었다. 최근 5년간 일 최대강우량은 2009년 7월 12일에 기록된 272.5mm으로, 10시간동안 총 267mm가 집중되어 시간당 최대 44.5mm, 평균 26.7mm의 강우량이 집계되었다. 여기서, 본 연구는 강우사상을 일 최대강우량이 발생된 시점인 2009년 7월 11일부터 12일까지 총 2일간의 단일강우사상으로 설정하였으며 이 기간 총 강우량은 274mm를 기록하였다.

3.5. 지붕녹화시스템 설정

대상지 소유역의 대면적 공장건물 지붕을 녹화하기 위해 긴결철물을 활용한 유니트 기반의 녹화시스템이 사용되었으며, 기존 절판지붕의 방수문제를 최소화하는 구조로 <그림 4>와 같이 태양광 패널과 연계할 수 있는 복합적인 녹화시스템을 적용하였다.

건물의 지붕에 녹화시스템을 거치하는 제한된 구조적 조건을 감안하여 담심과 토심을 포함한 시스템 최대깊이를 300mm로 한정하고, 지붕경사도 25%, 기준 토심 및 담심 100mm, 배수판은 30mm로 설정하였다.

Fig. 4.

Green Roof Unit and Anchor System of Metal Plate Roofing

4.1. 지붕녹화의 토양물성 도출

대상지의 대면적 금속제 절판지붕용 녹화시스템에 적용되는 바텀애쉬 기반의 인공토양에 대한 물성을 정량화하기 위해 실험지에서 현장 채취하여 Daiki, Digital Actual Volumenometer로 실체적분석을 수행하였다. 여기서, 토양삼상은 고상 30.27%, 액상 33.98%, 기상 35.75%로 산출되었으며, 입자밀도 2.0, 용적밀도 0.62, 공극률 0.69를 기록하였다.

Fig. 5

Degree of Soil Three Phases and Soil Sampling

현장 채취한 인공토양은 다시 Pipet법을 통해 분석을 진행하여 Sand 96.4%로 토성이 규명되었으며, Walkley Black법으로 유기물 함량을 분석하여 OM 지수가 6.72%로 산출되었다. 도출된 토성 및 OM 지수 결과를 Saxton 모델에 적용하여, 포장용수량, 생장위해 위조점, 포화수리전도도 등의 토성기반 수문학적 물성치를 다음 <표 03>과 같이 산출하였다.

Fig. 6.

Relation Properties between Soil Moisture and Potential

Table 3.

Calculation Soil Characteristics through Saxton Method

4.2. 시스템의 물리적 기준변인 및 시나리오 도출

본 연구는 토성기반의 수문학적 물성치가 우수유출 저감에 미치는 영향을 바텀애쉬 인공토양의 실측 토성과 SWMM 5.1의 유사 표준토성 간의 비교분석을 통해 규명하고자 한다. 여기서, 녹화시스템의 수문학적 주요변인인 토심과 담심을 변수로 설정하고, 전산모의를 수행하여 도출된 결과를 바탕으로 시스템 설계에 적용 가능한 이론적 수해방재 모형을 제시하고자 한다. 모의에 적용된 식생시스템은 식생체적분율, Manning 조도계수를 각각 0.1로 설정하고, 인공토양 및 표준토양의 물성 및 변인조건은 지붕녹화의 토양물성 도출결과를 기반으로 다음 <표 4>과 같이 정리하였다.

Table 4.

Process Layer of Green Roof Model

여기서, 토심과 담심을 포함한 시스템의 최대깊이를 300mm로 한정하고 토성을 기반으로 주요변인 간의 비교에 기본 깊이를 100mm로 설정하였다. 전산모의를 위한 대표 소유역은 98,273㎡로 대상지 중에서 중간 유역면적을 지닌 S04로 선정하였으며, 유효 우수유출 저감효과를 도출하기 위해 집중강우기간을 12일 03시부터 14시로 설정하여 모의를 진행하였다.

4.3. 담심에 따른 우수유출저감 성능 시나리오

토심 100mm를 기준으로 바텀애쉬 인공토양과 SWMM 표준 Sand의 토성에 따른 담심별 우수유출저감 성능모의 결과는 다음 <그림 7>과 같다.

우선 바텀애쉬 인공토양 기반의 담심 100mm는 8시, 150mm는 9시까지 우수유출이 저감되었으며, 집중강우기간 중에 담심 100mm는 평균 41%, 150mm는 평균 47%의 우수유출이 저감되는 것으로 모의되었다. 담심 200mm는 첨두유출량을 80% 저감하고, 집중강우기간에 평균 61%의 저감효과가 예상되었다.

반면 SWMM 표준 Sand의 경우, 담심 100mm와 150mm는 바텀애쉬 인공토양과 동일한 결과가 예상되었으나, 200mm는 11시까지의 유출량을 조절하여 집중강우기간 평균 54%의 우수유출저감이 모의되었다.

Fig. 7.

Comparison of Stormwater Runoff with Ponding Depth Scenarios Based on Soil Texture (Bottom Ash Soil, SWMM Stand. Sand) July. 11∼12, 2009

4.4. 토심에 따른 우수유출저감 성능 시나리오

담심 100mm를 기준으로 바텀애쉬 인공토양과 SWMM 표준 Sand의 토성에 따른 토심별 우수유출저감 성능모의 결과는 다음 <그림 8>과 같다.

우선 바텀애쉬 인공토양 기반의 토심 100mm는 8시, 150mm는 9시까지 우수유출이 저감되었으며, 집중강우기간 중에 담심 100mm는 평균 41%, 150mm는 평균 47%의 우수유출이 저감되는 것으로 모의되었다. 토심 200mm는 첨두유출량을 80% 저감하고, 집중강우기간에 평균 54%의 저감효과가 예상되었다.

반면 SWMM 표준 Sand의 경우, 토심 100mm는 바텀애쉬 인공토양과 동일한 결과가 예상되었으나, 150mm는 집중강우기간에 평균 41%로 100mm에 비해 저감효과가 발생하지 않았다. 토심 200mm는 9시까지의 유출량을 조절하여 집중강우기간 평균 47%의 우수유출저감이 모의되었다.

Fig. 8.

Comparison of Stormwater Runoff with Soil Depth Scenarios Based on Soil Texture (Bottom Ash Soil, SWMM Stand. Sand) July. 11∼12, 2009

4.5. 토성에 따른 우수유출저감 최적모형

시스템 최적효율이 예상되었던 200mm 담심과 토심을 기준으로 바텀애쉬 인공토양과 SWMM 표준 Sand의 토성에 따른 우수유출저감 성능모의 결과는 다음<그림 9>와 같다.

우선 담심 200mm의 경우 집중강우기간 동안 바텀애쉬 인공토양은 평균 61%, SWMM 표준 Sand는 평균 54%의 우수유출 저감효과가 예상되었다.

반면 토심 200mm의 경우 집중강우기간 동안 바텀애쉬 인공토양은 평균 54%, SWMM 표준 Sand는 평균 47%의 우수유출 저감효과가 모의되어, 토심에 비해 담심이 평균 7% 높은 우수유출 저감효과를 나타냈고, SWMM 표준 Sand에 비해 바텀애쉬 인공토양이 평균 7% 높은 우수유출 저감효과가 예상되었다.

동일한 모형을 적용하여 각 소유역별 우수유출 저감량을 산출한 결과 <표 5>와 같이 도출되었으며, 최대 첨두유출량이 발생될 것으로 예상된 소유역 S07은 최대 1,033.5ltr/sec의 저감량을 나타냈다.

Fig. 9.

Comparison of Stormwater Runoff with Soil Texture Based on Ponding and Soil Depth. July. 11∼12, 2009

Table 5.

Peak Runoff Analysis of Whole Subcatchment in Site (Unit: ltr/sec)