대면적 절판지붕용 녹화시스템의 토성기반 수문학적 최적모델 도출을 위한 전산 모의연구
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Abstract
This study aimed to investigate the flood prevention effect expected from the afforestation of a large area metal roof of an industrial complex located in an area prone to floods in the rainwater outflow reduction aspect through computer simulation based on soil, which is a key element of the system. In order to conduct a more realistic simulation, the properties of the surveyed soil were generated through substantive analysis, soil texture analysis, and saxton method. A comparative performance evaluation was conducted by using soil depth and ponding depth, which are key elements of the system, as variables. The study result showed that during the heavy rainfall period, the bottom ash artificial soil had 61% rainwater outflow reduction effect, which was 11% higher than the SWMM standard sand.
Keywords:
Plate Roof Greenery System, Soil Texture Analysis, Saxton Method, Hydrologic Computer Simulation, Hydrologic Properties키워드:
절판지붕용 녹화시스템, 토성분석, Saxton 방법, 수문학적 전산모의, 수문학적 물성1. 서론
최근 산업단지 인허가 절차 간소화를 위한 특별법 등에 의해 지난 3년 간 200여개 이상의 산업단지가 증가하였다. 산업단지증가로 인해 녹지 확충, 주변 환경영향 저감, 온실가스 감축 등 환경 관련 요구가 확산되고 있는 상황이다.1) 한편, 산업단지 내 건물지붕은 공기 단축과 비용 절감을 위해 대부분 금속제 절판으로 시공되는데, 대면적 금속제 절판지붕은 상기 환경적 요구에 부합되지 않아 이에 대한 근원적 해결방안이 요구되고 있다.
한편 2014년 8월 부산 금정구에는 244.5mm에 이르는 집중호우로 인하여 인명피해가 발생하는 등 기후변화에 따른 기상재해가 점차 증가추세에 있다. 이러한 기후변화재해에 대한 환경적 개선방안으로 저영향개발(LID)기술이 활발히 논의되고 있으며, 건축물에 적용 가능한 대표적인 LID 기술로는 지붕녹화가 제시되고 있다. 지붕녹화는 생태적인 역할 외에 구성요소의 물성에 따라 강우사상별 첨두유출량 조절이 가능하여 집중강우 시 배수관망 부하를 저감할 수 있는 분산형 홍수 저감시설로 해석되고 있다. 도심의 치수역할과 더불어 생태적 기능성 제고가 가능한 지붕녹화의 활성화를 위해 성능 정량화가 요구되며, 이를 위해보다 구체적인 구성요소의 물성연구가 시급한 상황이다.
2. 지붕녹화의 수문해석 개념과 이론
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.
일반적으로 소유역의 수순환은 강우, 융설에 의한 유입과 증발, 침투에 의한 손실로 해석된다. 소유역의 유출 q는 유입수의 가능 누적깊이d 와 실질적인 일시저류가 가능한 요지저류량 ds의 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.
[1] |
Ks : 포화수리전도도, mm/h
Φ: 토양공극률, %v
θo : 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.
[2] |
ρm : 토양 입자밀도
Mm : 토양표본의 무기물 질량
Vm : 토양표본의 무기물 용적
ρb : 토양 용적밀도
Vs : 토양표본의 총용적
Va : 토양표본의 공기 용적
Vω : 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.
[3] |
WP : 생장위해 위조점(Wilting Point moisture), %v
WPt : 초기 위조점, %v
FC : 포장용수량(Field Capacity moisture), %v
FCt : 초기 포장용수량, %v
Ks : 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. 연구내용 및 분석
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.
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.
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.
4. 결과 및 고찰
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.
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.
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.
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.
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.
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.
5. 결론
본 연구는 상습침수지역에 위치한 산업단지의 대면적 금속제절판지붕의 녹화에서 기대할 수 있는 우수유출 저감효과를 실측한 인공토양과 표준토성의 데이터베이스를 기반으로 주요 녹화 시스템 설계요소인 토심과 담심의 변수에 의해 유추하였으며, 다음과 같이 연구결과를 정리할 수 있다.
1) 바텀애쉬 기반의 인공토양의 실측과정을 통해 토성기반의 수문학적 물성 유추가 가능하였으며, SWMM의 동일한 Sand 토성과 유의미한 우수유출 저감효과에 대한 변별성을 확인할 수 있었다.
2) 최대 300mm로 깊이를 한정할 경우 바텀애쉬 인공토양을 적용한 토심 100mm, 담심 200mm의 금속제 절판지붕용 녹화시스템이 SWMM 표준 Sand를 적용한 동일한 시스템에 비해 집중강우기간 동안 평균 7% 높은 우수유출 저감효과가 예상되어 수해방재에 보다 효과적인 것으로 해석된다.
3) 상기 최적모형을 대상지에 적용할 경우 평상시 토심 200mm 모형에 비해 하중부하가 적을 것을 예상되며, 소유역 S07의 경우 1,033.5ltr/sec의 가장 높은 첨두유출량을 저감하여 내수피해예방에 긍정적인 영향을 미칠 수 있다는 이론적 해석이 가능하였다.
본 연구를 통해 인공지반 녹화시스템의 전산 수문해석에 필수적인 토성을 실측하여 정량화하는 체계적인 과정을 정리할 수 있었으며, 토성에 따른 우수유출저감 경향을 확인할 수 있었다. 또한, 녹화시스템의 주요변인인 토심과 담심에 따른 성능변화를 유추하여 대상지에 따른 최적화 모형 제시가 가능하였다.
다만 본 연구결과가 녹화시스템의 이론적 모형으로 제한되어 있어, 전산모의 결과를 기반으로 성능 비교 모니터링에 의한 모형의 검증 및 보완이 후속연구를 통해 이루어져야 할 것이다.
Acknowledgments
본 연구는 2014학년도 상명대학교 교내연구과제지원으로 수행되었음.
Notes
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