침수위험지역에 대한 저영향개발기법의 적지선정 및 경제성 분석

우원희 ( Wonhee Woo ),이한용 ( Hanyong Lee ),최현석 ( Hyunseok Chol ),박윤식 ( Youn Shik Park ) 한국농공학회 2018 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2018 No.-

도시화에 따른 토지이용패턴의 변화로 불투수면적이 증가하여 빗물의 침투량이 감소하고, 유출량은 증가하는 등 집중호우시 침수피해를 야기하게 된다. 또한 오염원의 증가로 수질오염과 지하수고갈에 따른 건천화 등 부정적 효과를 초래하는 것으로 알려져 있다. 최근 기후변화에 따라 물순환 체계가 변화하고 있으며, 이로 인해 도시의 홍수 및 가뭄이 극심해지고 시민의 삶의 질도 위협받고 있다. 우리나라의 경우 지속적으로 도시화 및 불투수면적이 증가하고 있으며, 집중호우의 발생빈도 또한 높아 심각한 수자원 물재와 홍수피해위험이 높다. 이에 도시의 물환경 변화 및 왜곡된 물순환 체계를 지속가능하도록 개선해야 할 필요성이 제기되었다. 환경부 및 국토부 등 정부기관에서는 물환경지속가능성을 위하여 저영향개발 기술요소를 도입하고 적용하고 있다. 본 연구에서는 침수위험지역의 저영향개발기법을 도입하여 유출저감 효과를 모의하고, 경제성 분석을 하였다. 본 연구의 대상지역은 경상남도 김해시 안동지구이며, 면적 364.2ha, 투수층면적 160.7ha, 불투수층면적 203.5ha로 불투수율은 55.90%로 산정되었다. 대상지역인 안동지구 우수관로현황 조사 결과 (30년빈도 강우강도 적용) 관로의 통수능 검토시 전체관로 26.97km 중 통수능 부족관로는 15.60km로 전체대비 약 57.8%로 나타났다. 안동지구 내 우수관거는 간선관로의 경우 10년빈도, 지선관로의 경우 5년빈도로 설계, 시공되어 있으므로 각종 공단이 입지한 시가지인 안동지구는 도로포장등으로 인해 불투수층이 대부분을 차지해, 강우시 도로표면 유출수의 증대로 침수피해가 가중되는 것으로 판단되었다. 이에 저영향개발기법을 적용하여 맨홀로 유입되는 직접유출(DCIA, Directly Connected Impervious Area)를 줄이고, 유지관리 등을 고려하여 경제성을 평가하여 향후 침수위험지구 관거개량시 저영향개발기법을 활용할 수 있도록 하고자 한다.

하천 유량 모의를 위한 QGIS 기반의 모형 개발 및 적용

이한용 ( Hanyong Lee ),우원희 ( Wonhee Woo ),채민서 ( Min Suh Chae ),박윤식 ( Youn Shik Park ) 한국농공학회 2023 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2023 No.0

강수 유역이나 토지이용의 변화는 유역에서 수문학적 거동에 적지 않은 영향을 미친다. 이러한 변화에 대한 모의를 위해서 Long-Term Hydrologic Impact Analysis (L-THIA) 모델이 이용이 되어 왔는데, 이 모델은 토지이용조건과 수문학적 토양군에 의해서 Curve Number를 정의한 뒤에, 강우량에 의해 직접유출량을 계산하기 때문에 모형의 간편성 측면에서 장점을 가지고 있다. 또한 최근 이 모형에서 기저유출을 예측할 수 있는 방법이 제안되면서 하천 유량 예측에도 이용될 수 있을 것으로 판단된다. 그러나 이 모형은 토지이용조건과 수문학적 토양군의 공간적인 분포를 고려하며, 더욱이 다수 지점에서의 강수 자료를 이용해야하기 때문에 지리정보시스템이 이용될 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 GIS 분야에서 그 이용이 점차 증가하고 있는 QGIS에서 토지이용도 및 토양도와 함께 다수 지점에서 측정된 강우량 자료를 이용하여 하천유량을 예측할 수 있는 모형을 개발하였으며, 15개 유역에 시범 적용하였다.

대규모 도시개발부지에 대한 저영향개발 시나리오 설계를 위한 SWMM-ING 소프트웨어의 적용

이한용 ( Hanyong Lee ),우원희 ( Wonhee Woo ),채민서 ( Minsuh Chae ),박윤식 ( Youn Shik Park ) 한국농공학회 2021 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2021 No.-

가축에 의한 비점오염원 발생량 고려가 가능한 QGIS 기반의 모형 개발 및 적용

이한용 ( Hanyong Lee ),우원희 ( Wonhee Woo ),채민서 ( Min Suh Chae ),박윤식 ( Youn Shik Park ) 한국농공학회 2023 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2023 No.0

유역관리는 유역에서의 수량과 수질 측면에서 모두 이루어져야 한다. 이를 위해서 다양한 수문 모형들이 다양한 목적과 수문 및 수질 예측 방법을 이용하여, 다양한 소프트웨어의 형태로 개발되어 왔다. 미국에서 수질 규제 정책 수행을 위해서 개발된 Spreadsheet Tool for Estimating Pollutant Loads 모형은 수량과 수질 예측이 가능한 모형으로 가축에 대한조건도 고려할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 이 모형은 유역의 복잡한 특성들을 사용자가 직접 생성하여 입력 자료로 이용해야 한다는 것과 연평균 단위로 모의가 이루어진다는 한계점을 가지고 있다. 이에 본 연구에서는 지리정보자료를 이용하며, 월단위 예측 방법을 이용할 수 있도록 하여 이 한계점을 개선한 모형을 개발하였다. QGIS 소프트웨어에서 구동 되도록 개발하여 12.87km2의 면적을 가지는 유역에, 토지이용 및 토양 조건과 함께 가축에 대한 조건을 반영하여 적용하였다. 개발된 모형은 모형의 보정 및 검정 과정에서 하천유량과 네 가지 비점오염원 부하량 예측에 대해서 모두 신뢰할 수 있는 수준의 예측 정확성을 나타냈다.

SWMM 모형 입력자료와 LID 시나리오 제안에 대한 사용자 친화적 소프트웨어 패키지 개발

이한용 ( Hanyong Lee ),우원희 ( Wonhee Woo ),박윤식 ( Youn Shik Park ) 한국농공학회 2020 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2020 No.-

도시화 및 산업화가 유역에 미치는 수문학적 영향을 줄이기 위해서 저영향개발기법이 적용될 필요가 있다. 저영향개발기법은 불투수면에서의 침투나 저류를 유도하여 지표로의 강유유출수를 감소시키는데, 현재까지 다양한 기법들이 개발되어 적용되고 동시에 강우유출수 및 비점오염원 저감에 대한 평가가 이루어지고 있다. Environmental Protection Agency(EPA)의 Storm Water Management Model(SWMM)은 강우유출수 및 비점오염원에 대한 예측뿐만 아니라 다양한 저영향개발기법 모의가 가능하지만, 다양한 저영향개발기법의 비용을 고려하여 대상지역에 적합한 기법의 선정 및 배치에는 많은 시간과 노력을 요구한다. 이에 본 연구에서는 저영향개발기법의 비용을 고려하여 최적 설계가 가능한 소프트웨어(Storm Water Management Model - low Impact development design proGram; SWMM-ING)를 개발하였다. SWMM-ING은 저영향개발기법을 설계하고자 하는 대상지역에 대해서 각 저영향개발기법의 설치비용, 유지관리비용, 이자율, 기대수명, 대상지역 내 공간적인 위치를 반영하여 강우유출수 및 비점오염원 저감을 위한 저영향개발기법 시나리오 제시가 가능하다. SWMM-ING을 불투수면적 85%를 포함하는 6.7ha 면적을 가지는 지역에 강우유출수 10% 저감, 총 부유물질 15% 저감, 총인 15% 저감할 수 있는 저영향개발기법 최적화 과정을 수행하였는데, Permeable paving, Bioretention cell, Infiltration trench, Green roof의 공간적 배치 및 규모가 결정되여 연간 $399,681의 비용이 소요되는 시나리오가 제시되었다. 본 연구에서 개발된 SWMM-ING은 graphical user-friendly interface를 가지고 있고, 저영향개발기법의 최적화 과정은 간단하고 직관적이기 때문에, 전문적 지식을 요구하지 않는다는 장점을 가지고 있다.

SWMM 모형을 이용한 다양한 저영향개발 기법 효과 모의

박윤식 ( Youn Shik Park ),우원희 ( Wonhee Woo ) 한국농공학회 2015 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2015 No.-

Urbanization increases the percentages of impervious area, compared to predevelopment status. This leads to decreases of the water volume infiltrating into soil layers and lack of groundwater. And, this could be problematic in lower watersheds since agricultural water uses for crop growth would be possibly limited. In addition, direct runoff might cause water quality degradation in stream, transporting pollutants on soil surfaces. One such technique to minimize the impact of landuse changes is to apply the low impact development (LID) practice. Basically, LIDs are to maintain impervious area percentages of predevelopment status. They are effective approaches to sustain soil infiltration capacity, there is a need to simulate them prior to LID applications in fields. Storm Water Management Model (SWMM) provides opportunities to estimate runoff quantity and quality and to evaluate LIDs. However, the model provides seven LID types which are Permeable pavement, Rain gardens, Green roofs, Street planters, Rain barrels, Infiltration trenches, and Vegetative swales. While seven LIDs are allowed in the model, it is often required to evaluate other practices not listed in the model. In the study, it was requested to evaluate eleven LIDs, that are Permeable block paving, Porous grass block paving, Rain cistern, Green roof, Infiltration trench, Harvested rainwater draining, Rain garden, Bio-retention cell, Rain barrel, and vegetative swale. The objectives of this study are 1) to demonstrate how various LIDs can be applied in SWMM model and 2) to evaluate LIDs for minimization of landuse changes.

SWMM-STORM을 활용한 침수지역 유출저감효과 분석

이한용 ( Hanyong Lee ),우원희 ( Wonhee Woo ),권경호 ( Kyungho Kwon ) 한국농공학회 2018 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2018 No.-

SWMM(Storm Water Management Model)과 STORM.XXL©은 수문학적 강우유출 모델이며, 하천유역의 모든 수문현상을 모의할 수있다. 또한 연속강우데이터와 확률강우 및 단기강우데이터를 모의할 수 있으며, 저영향개발(LID; Low Impact Development) 또는 건강한 도시 배수체계(SUDS: Sustainable Drainage Systems)를 위한 모든 요소를 포함하고 있어, 하천수문분석 뿐 아니라 도시내 분산형 빗물관리에 대한 계획수립에 용이한 모델이다. 본연구에서는 두 모델을 연계하여 침수지역내 LID시설 적용을 통한 유출저감효과를 모의해 보고자 한다. STORM모델의 소유역별 수문곡선을 추출하여 SWMM모형의 맨홀 입력자료로 활용하여 유출저감효과를 분석하였으며, 5분단위로 결과를 산정하여 최종 방류구에서의 유출저감 및 침수심, 침수면적 저감효과를 모의하였다. 침수지역 대상지는 대전광역시 풍수해 저감 조합계획보고서 (2015, 대전광역시)를 활용하여 선정하였으며, 중구 은행동 일원으로 총면적은 20.1㎢ 맨홀 357개소(빗물받이 제외), 관로는 총 12,542.98m로 분석되었다. 분석 시나리오는 대전광역시 물순환선도도시 기본계획 보고서 (2018, 대전광역시)의 물순환 분담량 10mm, 20mm, 30mm에 대하여 불투수면적 적용률에 따라 시나리오를 적용하였으며, 유출저감에 효율적인 저영향개발기법(식생형, 침투형, 투수형 등)을 선정하여 적용하였다. 침수면적 및 침수심 검토 강우자료는 대전 광역시 방재성능목표 1시간 강우를 Huff 2분위로 분포하여 적용하였다. 본 연구 분석결과 시나리오에 따라 5∼30%의 저감효과가 나타났으며, 하수도법에 의해 노후관로 개설 및 관로공사시 저영향개발기법을 활용할 수 있을 것이라 판단된다.

LID시설 중 투수성포장의 유출 및 침투에 관한 연구

이태우 ( Taewoo Lee ),우원희 ( Wonhee Woo ),박윤식,최계운 ( Gyewoon Chol ) 한국농공학회 2018 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2018 No.-

도시화로 인해 녹지면적과 투수면적이 감소하고 이로 인해 홍수발생시 유출이 지연되지 못하고 관거를 통해 빠르게 하천에 도달하는 집중호우가 최근 증가하고 있다. 기후변화 시나리오에 따르면, 2020년까지 현재보다 고온현상이 2∼6배 증가하고, 80mm이상의 비가 내리는 호우일수가 60%이상 증가할 것으로 예상되고 있다. 따라서 도시계획 시 자연상태의 물순환체계를 유지함과 동시에 빗물을 관리하는 저영향개발(LID, Low Impact Development)를 정부에서 추진하고 있다. 또한 빗물의 침투 및 저류, 이용을 목적으로 한 친환경적 관리방안에 관심이 증가함에 따라 도시개발에 있어 LID를 적용하는 추세이다. 그러나 구체적인 실행방안에 대한 매뉴얼 또는 가이드라인이 부족하고 실제 도심지 유역에 대한 사례 및 효과검증 등이 미비한 실정으로 LID를 적용하기에는 많은 한계점이 있다. 이에 본 연구에서는 실제유역을 바탕으로 LID적용에 따른 유출저감 및 침투증가량을 예측하여 체계적인 접근방법을 제시하고, 실제유역을 바탕으로 한 효과검증을 실시하고자 한다. 또한 Mock up을 이용한 투수성포장의 실험적 분석을 통해 유출 및 침투효과를 검토하고, 침투성능이 우수한 LID시설을 선정하고 평가하였으며, 투수성포장의 성능평가 도출 및 설치대안을 제시하기 위하여 계획 강우에 따른 유출침투 분석 및 평가(수문학적평가), 교통기능, 미관개선, 기후변화 분석 및 평가(기대효과평가)를 실시하였다.

에코빌리지의 흙탕물 저감효과 평가

박운지 ( Woonji Park ),최용훈 ( Yonghun Choi ),우원희 ( Wonhee Woo ),김기철 ( Kicheol Kim ),신민환 ( Minhwan Shin ),임경재 ( Kyoungjae Lim ) 한국농공학회 2023 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2023 No.0

한강상류 비점오염관리지역의 흙탕물 저감을 위한 대부분의 저감대책들은 지정지역 단위로 필지별 저감시설을 설치하고 독립적·개별적인 저감사업을 진행해 오고 있어 유기적이고 복합적인 저감효과를 기대하기 어렵다. 흙탕물 저감효과를 극대화하기 위해서는 소유역 단위의 맞춤형 관리방안 마련이 필요하다. 이에 홍천군은 소유역 단위의 흙탕물 관리방안으로“에코빌리지 시범조성 계획”을 추진하였으며, 에코빌리지는 비점저감효과를 극대화하기 위해 소유역 특성에 맞추어 계단밭, 완충식생대등의 저감시설을 단지화·체계화하여 조성한 곳이다. 그동안 계단밭 등 개별 저감사업에 대한 효율 연구는 계속적으로 진행된바 있으나, 에코빌리지와 같이 소유역에 저감시설 단지화 조성 후 영향을 분석하거나 저감효율을 평가한 연구는 전무하다. 이에 본 연구에서는 자운지구내 솔무치유역에 위치한 에코빌리지의 비점오염 저감효과를 평가하고자 하였으며, SWAT 모형을 활용하여 저감시설 설치 전·후의 흙탕물 발생량을 비교·분석하였다. SWAT 모형의 모의 기간은 2013년부터 2023년 7월까지이며, 솔무치유역 말단 지점에서 모니터링한 실측 유량(N=516) 및 SS(N=29) 농도 측정결과 자료를 활용하여 유량 및 SS 농도에 대해서 보·검정을 실시하였다. 모의 결과에 대한 적합성 검토는 결정계수(Coefficient of determination, R²)와 유효지수(Nash-Sutcliffe efficiency. NSE)를 활용하였다. SWAT 모델의 유량 보·검정 결과 결정계수(R²)는 0.849, NSE는 0.795로 나타났으며, 수문모의에 대한 모형효율 평가결과 NSE 및 R² 모두 Very Good으로 평가되었다. SS 농도에 대한 보·검정 결과에서도 R² 0.870, NSE 0.858로 높은 값을 보였으며, 모두 Very Good으로 모의치가 실측치를 잘 반영하는 것으로 나타났다. 에코빌리지내 다양한 저감시설 설치에 따른 효과를 분석한 결과, 시설을 적용한 농경지에서 에코빌리지 시설조성을 통해 연간 평균 21.8 ton의 유사가 감소하는 것으로 나타났으며, 40%의 저감효과를 보이는 것으로 분석되었다. 전체 소유역을 대상으로 살펴보면 저감시설 조성전 연간 흙탕물 발생량은 706.1 ton, 조성 후 발생량은 623.3 ton으로 에코빌리지 조성을 통해 전체 소유역 대비 11.7%의 저감효과가 있는 것으로 평가되었다.

SWAT 모형을 활용한 흙탕물 거동특성 평가

박운지 ( Woonji Park ),최용훈 ( Yonghun Choi ),우원희 ( Wonhee Woo ),김기철 ( Kicheol Kim ),신민환 ( Minhwan Shin ),임경재 ( Kyoungjae Lim ) 한국농공학회 2023 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2023 No.0

한강상류 비점오염원관리지역의 흙탕물 발생 원인은 대부분 상류지역의 고랭지 농업에 의한 것으로, 고랭지 농업은 경작 기간이 짧아 대부분 나지로 방치되어 강우시 고농도의 탁수를 발생시켜 하천 환경의 오염뿐만 아니라 상·하류 지역사회간의 갈등 문제도 유발한다. 상류유역에 위치한 고랭지밭에서 강우시 배출되는 흙탕물로 인해 하류지역 주민들은 심각한 피해를 호소하므로 상·하류 지역간 갈등을 해소하기 위해서라도 상류지역에서 발생한 흙탕물의 거동을 파악하는 것은 매우 중요하다. 하지만, 상류부터 하류 사이에는 많은 유입 지류하천이 존재하고 있어, 실측을 통해 흙탕물의 거동을 파악하기에는 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하고 흙탕물의 거동을 파악하기 위해서는 강우시 실측 모니터링과 모델링을 활용한 흙탕물 거동 특성 평가가 필요하다. 현재, 한강상류 비점오염관리지역 중 하나인 자운지구에서 발생한 흙탕물은 내린천을 거쳐 소양호까지 영향을 미치고 있으나, 상류유역에서 발생한 흙탕물이 하류유역에 미치는 영향을 정량적으로 평가하고 흙탕물의 거동 특성을 파악한 연구는 전무하다. 따라서 본 연구에서는 자운지구를 포함한 내린천유역을 대상으로 강우시 실측 모니터링을 수행하고 SWAT 모델을 활용하여 흙탕물의 거동특성을 평가하였다. SWAT 모형의 모의 기간은 2013년부터 2023년 7월까지이며, 모의 결과에 대한 적합성 검토는 결정 계수(Coefficient of determination, R²), Nash-Sutcliffe efficiency(NSE)를 활용하였다. 유량 및 SS에 대한 적합도 검정은 대부분 GOOD 등급 이상으로 모의치가 실측치를 잘 반영하는 것으로 나타났다. 흙탕물 거동특성 분석을 통해 상류유역에 해당하는 자운지구에서 발생한 유사가 하류지역인 내린천까지 이동하고 있는 것으로 모의가 되었으며, 내린천 전체의 유사 이동량은 52,476 ton/year이며, 이중 자운지구에서 발생한 유사량은 3,757 ton/year로 7.2%의 기여도가 있는 것으로 분석되었다. 강우시 상류에서 발생한 다량의 흙탕물로 인해 하류지역 주민들은 심각한 피해를 호소하므로 상·하류 지역간 갈등 해소를 위해 보다 명확한 평가가 이루어질 필요가 있으며, 이에 지속적인 모니터링과 모델링 평가를 통한 흙탕물 거동특성 분석이 필요할 것으로 판단된다.