주변 토지이용이 도로의 강우유출특성 및 장치형 비점저감시설에 미치는 영향분석 = Impacts of surrounding landuse on the characteristics of roadways runoff and nonpoint pollutants removal equipments performance

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study was performed to investigate and compare the effects of surrounding landuse activities on stormwater runoff from roadways and nonpoint pollutants removal equipments in Korea. Two separate monitoring stations were selected in Unhakdong and Wangsanri sites that were paved by No.45 roadways type. In case of Unhakdong (Site1) elevated roadway site, it does not include any surrounding landuse, whereas, Wangsanri (Site2) roadway site includes gas stations, accommodations, restaurant, and mountain. Periodic monitoring was conducted for total of twelve stormwater events from June-November, 2011. Water quality parameters such as electric conductivity, pH, temperature, and turbidity were measured in situ using field instruments (Model No. Horiba U-10), whereas, other pollutants such as, TOC, CODmn, SS, T-N, T-P, Chloride, n-H, Pb, Cu, Cr, and Cd were analyzed in laboratories according to standard method. The rainfall mechine(Model No. HB 3207-09) was installed at Site1 and Site2. The runoff flow was measured using automatic flow meter (model: PCM F) in Site1, whereas, in Site2, flow meter was used manually and was calculated for every 1~2 minute interval. In Site1, the concentration tendency decreased gradually for most of the pollutants after 1~2 hours of rainfall. In later period of rainfall event, the flow rate was increased, but pollutants didn’t show tendency to increase in concentration. Therefore, Site1 showed first flush effect (higher concentrations of pollutants at the beginning of runoff events). In Site 2, the majority of the pollutants concentration decreased in the initial period of stormwater event but in the later period, the concentration level increased or decreased with the flow rate change. As results of comparison of EMCs on road runoff of Site1 and Site2, it showed a significant difference of EMCs in monitoring sites. Overall, in Site2, EMC values of TOC, COD, SS, TN, TP, Cl-, n-H, Pb, Cu, Cr, and Cd were averagely 2.6times, 2.6times, 4.6times, 1.5times, 3.4times, 5.5times, 168times, 2.7times, 1.7times, 4.6times, and 1.2times higher than Site1. It means that Site2 is affected by surrounding the land use, though traffic volume in Site1 was almost 1.5 times higher than Site2.
In this study, evaluation of nonpoint pollutants removal equipment, performance was also observed. In Site1, removal efficiency of Continuous Deflective Separation (CDS) was 37.53%, 28.47%, and 34.52% (maximum, minimum, average) and the can be compared to SS range 30~70% of common removal, whereas, Stormfilter did not operate well. it did not range in SS removal efficiency, it shows that nonpoint removal equipment in roadways installed for first flush effect.
The results showed that roadway runoff became a mean of transportation for various pollutants due to micro landuse effect. After first flush effect, the change in pollutants concentration were also observed with rainfall variation which restricts and limits the nonpoint pollutant removal equipments efficiency. because those were designed considering first flush effect. Therefore this study suggests that surrounding landuse consideration in urban stormwater runoff is important characteristic to design, manage and control roadway runoff.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 강우 시 주변토지이용이 도로의 강우유출수와 장치형 저감시설에 미치는 영향을 분석하기 위해 수행되었다. 모니터링 지점으로 선정된 곳은 경기도 용인시 처인구 왕산리(site1)와 모현면(site2)의 같은 45번 지방 국도로 선정하였다. 이 두 지점을 선정한 이유는 왕산리의 도로는 일부 고가도로이면서 방음벽이 설치되어 거의 주변토지이용에 영향을 받기 어렵고, 모현면의 도로는 주변에 숙박업소와 주차장, 음식점, 주유소, 산지 등이 있으면서 도로가 강우 시 주변토지지용에 영향을 받기 쉬운 구조를 가지고 있기 때문이다. 모니터링 기간은 2011년 6월부터 11월까지 총 18번의 샘플을 채취하였다. 분석항목으로는 TOC, CODmn, SS, T-N, T-P, Chloride, 노르말 헥산물질, 그리고 중금속인 Pb, Cu, Cr, Cd 등이 있다. Turbidity는 현장계측기(Model No. Horiba U-10)을 이용하여 현장에서 측정하였다. 그리고 각 연구지역의 강우량 조사는 현장에 강우량계(Model No. HB 3207-09)을 설치하였으며, 유량은 1~2분 간격으로 Automatic flow meter(Model No. PCM F)를 사용하여 조사하였다. 주변 토지이용에 거의 영향을 받지 않는 도로인 site1에 대한 강우유출수의 유량 및 일반항목 수질분석 결과를 살펴보면, 일반적으로 강우 발생 초기에 높은 농도를 나타내다가 sampling number 6~8(모니터링 이후 1~2시간)에서 급격히 농도가 감소하는 현상을 관찰할 수 있으며, 이후 유출되는 유출수는 유량이 증가해도 초기유출보다 낮은 농도로 유지되는 초기유출현상을 확인할 수 있었다. 하지만 주변 토지이용에 영향을 받는 도로인 site2에 대한 강우유출수의 유량 및 일반항목 수질분석 결과를 살펴보면, 강우 발생 초기에 높은 농도를 나타내다가 시간이 지남에 따라 감소하다는 경향을 보이다가 강우량이 증가하여 다시 유량이 증가할 때 오염물질의 농도가 증가하는 현상을 관찰할 수 있었다. 산정된 Site1과 Site2의 EMC를 비교하면, TOC는 site2가 site1보다 평균 2.6배 높고, COD 평균 2.6배, SS 평균 4.6배, T-N 평균 1.5배, T-P 평균 3.4배, Cl- 평균 5.5배, n-H 평균 168배 높았다. 여기서 n-H의 평균값이 가장 높게 나왔는데 이는 site1이 초기농도가 낮을 뿐만 아니라 1~2시간 이후 거의 유출되지 않았기 때문이다. 중금속의 EMC를 비교하면, Pb은 site2가 site1보다 평균 2.7배 높고, Cu는 평균 1.7배, Cr은 평균 4.6배, Cd은 평균 1.2배 높았다. 일반 항목뿐만 아니라 중금속의 모든 EMC값이 site2가 높게 나왔다. 이는 site2가 다양한 주변토지이용에 영향을 받아 site1보다 교통량이 약 1.5배 적음에도 불구하고 EMC값이 높다는 것을 알 수 있었다.
CDS에 대한 SS의 처리효율은 최대 37.53%, 최소값 28.47%, 평균 37.52%으로 일반적인 CDS의 SS 처리효율인 30~70%의 범위 안에 들어 적절하게 운영되고 있는 것을 알 수 있었다. 이에 반해 일반적인 Stormfilter의 SS 처리효율인 70~80%의 범위 안에 들어가지 않으므로 적절하게 운영되지 않는 것으로 확인되었다. 이는 주변토지이용에 영향을 받는 도로의 강우유출수는 초기 고농도의 오염물질이 유입될 뿐만 아니라 다시 강우량이 증가하여 유출량이 증가할 때 오염물질이 다시 유입되어 초기유출현상을 기준으로 설계된 도로의 장치형 비점저감시설은 적절하게 운영되지 않아 일반적인 설계효율을 달성하지 못하는 것으로 추측된다.
본 연구에서 주변토지이용에 영향을 받는 도로의 강우유출수 분석 결과 강우시 도로는 다양한 토지이용의 오염물질을 운송하는 수단이 되어 많은 양의 유출되는 것이 확인되었으며, 초기유출현상이 일어난 이후 다시 강우량이 증가할 때 오염물질 유출되는 현상을 보이기 때문에 주변토지이용에 영향을 받는 도로는 초기유출현상 이후에 오염물질이 배출되는 현상까지 고려해서 장치형 비점저감시설을 설계해야 할 것이다. 따라서 본 연구에서 주변 토지이용이 도로의 강우유출수와 장치형 비점저감시설에 미치는 영향이 크다는 것으로 판단되었다.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 그림목차 ⅲ
• 표목차 ⅴ
• 국문초록 ⅵ
• 제 1장 서론 1
• 1.1 연구의 배경 및 필요성 1
• 1.2 연구의 목적 3
• 제 2장 문헌고찰 4
• 2.1 비점오염원의 정의 및 특징 4
• 2.2 비점오염저감시설의 종류 6
• 2.3 장치형 비점저감시설의 원리와 특징 7
• 제 3장 연구방법 12
• 3.1 연구지역 선정 12
• 3.2 모니터링 방법 16
• 3.3 모니터링 지역의 교통량 조사 17
• 제 4장 연구결과 18
• 4.1 연구지역 모니터링 18
• 4.2 도로의 교통량 28
• 4.3 유량가중평균농도(EMC) 33
• 4.4 장치형 비점저감시설의 처리 유출수 40
• 제 5장 결론 45
• 참고문헌 48
• 부록 50
• 영문초록(Abstract) 71