투수형 LID 시스템의 수문학적 검증 기술 및 기법 개발 = Development of Hydrological Verification Technology and Technique of Permeable LID System

국문 초록 (Abstract)

우리나라는 근대화 이후 지난 수십 년간 토지이용의 효율을 높이기 위하여 급속도로 도시화가 진행되었다. 도시화로 인한 시민 생활의 질은 향상 되었으나, 지나친 도시화 및 효율화로 인한 불투수 포장 면적의 증가는 도시 물순환 체계의 교란과 여러 가지 환경 위기를 초래하고 도시민들의 재난 노출을 증가시켰다. 도시화로 인한 불투수면적의 증가와 함께 기후변화로 인한 극한 수문 사상의 규모와 빈도는 전 지구적인 영향을 끼쳤으며 우리나라뿐만 아니라 전 세계적으로 그 규모와 빈도는 최근에 더욱 커지고 빈번하게 발생하여 전 세계적으로 우려되는 자연 현상으로 나타났다. 인간의 삶의 질을 유지하며 자연의 물순환으로 되돌아가기 위해 개발된 저영향개발(Low Impact Development, LID)는 재해와 오염에 대한 문제를 해결하기에 적합한 기술로 대두되었으며 투수성 포장은 기후변화와 도시화에 따른 빗물과 도시홍수를 효과적으로 제어하고 관리할 수 있는 저영향개발기법의 요소기술이다. 도시유역의 기존 빗물 관리 목표는 침수방지 및 빗물의 신속 배제였다. 이를 위해 지표면을 포장, 포장면의 유출수를 우수관을 통해 하천 배수시켰다. 하천으로 배수된 빗물은 바다로 유입되지만, 과도하게 신속해진 빗물의 배제는 도시 유출수량을 빠른 시간 안에 증가시키고, 하천과 우수 관거의 통수능을 초과하여 배수되지 못한 빗물에 의해 도시 침수가 발생한다. LID의 요소기술 중 하나인 도로 포장 분야에서는 효율적인 빗물 관리를 위한 투수 블록, 투수성 콘크리트, 배수 아스팔트 포장등이 실시되고 있다. 투수성 블록 포장은 1990년대 중반에 도입되었으며, 주로 보도 또는 도심지 이면도로 등에 시공되고 있다. 투수블록은 크게 두가지로 나뉘는데, 하나는 블록 사이의 줄눈에 의해 강우를 투수시키는 틈새 투수블록이며, 다른 하나는 블록 자체의 투수성을 이용한 자체 투수블록이다. 틈새 투수블록은 블록 형상에 따라 틈새 형성 블록, 줄눈 확대 블록, 결합 틈새 블록으로 구분된다. 상기의 투수성 포장들은 일반적인 아스팔트 포장과 비교하여 강도가 약하며, 시공 후 도로 협잡물로 인한 공극 막힘 현상으로 투수성능이 급격히 저하되는 문제를 갖고 있다. 공극에 의해 여과는 침투 유출수의 수질은 개선되나 투수성 포장의 공극 막힘으로 급격한 투수성능의 저하를 야기한다. 본 논문은 투수성 포장의 포장 표면체에 대한 단순 평가와 공극 막힘에 의한 투수성 저하, 투수성능 유지에 대한 규정이 아닌 표면 포장과 하부기층을 포함한 포장 시스템 전체의 물순환에 대한 평가 방법의 의문점에서 출발하였다. 현재 생산되고 있는 도로 포장 제품의 경우 포장체의 표면 투수능만으로 단순 평가하는 방법이며, 포장체 하부로 침투된 우수의 거동과 도시 내 물순환의 평가에는 한계가 있다. 또한 포장체의 물리적 성능뿐만 아니라 포장을 구성하는 하부를 포함한 전체 포장 시스템에 대한 수문학적 평가 방법과 시험장비를 개발하여, 현장 적용시 소유역 내 강우수의 수문학적 거동을 예측하는데 기여하고자하였다. 투수형 LID 시스템의 성능을 분석하기 위하여 장비 및 기술을 개발하여 투수형 LID 시스템 성능 분석 기법을 제시하였다. 이를 적용하기 위하여 한국 GI&LID 센터의 주차장형 LID 시설을 활용하여 실제 산업체 및 지자체의 제품을 시공, 설치하였으며, 이를 대상으로 투수형 LID 시스템의 성능 시험 및 분석을 실시하였다. 또한 K-LIDM 모형의 적용으로 시험의 결과와 시공 이후 변경이 불가능한 변수들에 대하여 모형 모의 결과를 비교하였으며, 이를 통해 여러 환경의 현장을 고려하여 투수형 LID 시스템의 성능을 예측 방향을 제시하고자 하였다. 이를 위하여 기존 투수포장의 성능 검증의 경우 초기 투수계수와 폐색에 의한 투수 지속성으로 투수 포장제를 평가하였다. 이는 단면을 통한 홍수 저감효과를 고려하지 않은 평가 기법으로 LID의 주요 목적인 물 순환의 건전화, 빗물관리 등을 전체적으로 고려할 수 없다. 투수형 LID 시스템의 수문학적 특성 분석을 위한 불투수면과의 유출 곡선 비교 시 평형 유출 구간, 평형 유출량의 개념을 제시하였다. 이는 단일강우 모의를 통한 투수형 LID 시스템의 시험 시 바람, 노즐의 선택, 모니터링에 의한 오차등에 의해 첨두 유량의 산정에 불확실성이 내제하여 지체시간의 산정의 어려움을 겪을 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 평형 유출 구간의 개념을 도입하여 첨두 유출을 보다 쉽게 결정하고 지체시간을 산정하여 대조군에 대한 저감율 등을 산출 할 수 있게 하였다. 또한 이론적 지배면적 산정 방법을 제시하고 지반 침투능과의 관계 산정을 시도하였다. 마지막으로 투수형 LID 시스템을 통해 유출된 침투 유출수의 예측을 위한 침투 유출계수(CNi)의 개념과 활용 방안을 제시하였다. 연구결과의 향상을 위해서는 투수형 LID 시스템의 단면을 고려한 성능 분석 및 검증 기준에 대한 추가 적인 연구가 필요하며, 침투, 투수형 LID 시스템의 배수 시스템의 침투 유출수 배출에 관한 연구도 함께 수행되어야 할 것이다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1장 서론 1
• 1.1 연구의 배경과 목적 1
• 1.2 연구목적 4
• 1.3 연구내용 및 범위 5
• 제 2장 연구동향 및 기초이론 7
• 2.1 투수성 포장의 유출 저감 연구 7
• 2.2 투수성 포장의 성능에 관한 연구 10
• 2.3 그린인프라 관련 제도 현황 12
• 2.4 저영향개발기술 검증 기준 15
• 2.5 저영향개발 기법의 이론 22
• 제 3장 투수형 LID 시스템의 수문학적 성능 검증 기술 개발 27
• 3.1 한국그린인프라저영향개발센터 27
• 3.2 LID 수문 성능 검증 장비 개발 37
• 3.3 투수지속 성능 검증 장비 개발 52
• 3.4 부유물 분사용 교반 장치 64
• 3.5 이동-조립형 강우 모사 장치 67
• 3.6 투수형 LID 실외 검증 시설 72
• 3.7 K-LIDM 80
• 제 4장 투수형 LID 시스템의 수문학적 성능 검증 기법 개발 93
• 4.1 투수형 LID 시스템의 수문학적 유출저감 성능 검증 93
• 4.2 검증 시험 시나리오 설정 97
• 4.3 유출 실험의 선행 토양함수 조건 101
• 4.4 실내 유출저감 성능 검증 시험 방법 105
• 4.5 실외 유출저감 성능 검증 시험 방법 108
• 4.6 투수지속 성능 검증 시험 방법 111
• 4.7 부유물질 저감 효율 시험 방법 116
• 4.8 K-LIDM 모형 평가 120
• 4.9 성능 검증 평가 항목 124
• 제 5장 성능 검증 평가기법의 적용 133
• 5.1 검증 시험의 구성 133
• 5.2 분석의 대상 135
• 5.3 실내 검증 평가 136
• 5.4 실외 검증 평가 139
• 제 6장 성능 검증 결과 147
• 6.1 자체 투수블록 147
• 6.2 투수아스팔트 (하부기층보강포장체) 161
• 6.3 틈새 투수 블록 (친환경 틈새 투수 블록) 172
• 6.4 K-LIDM 분석 평가 186
• 제 7장 결론 및 제언 229
• 7.1 결 론 229
• 7.2 제 언 231
• 참고문헌 232

참고문헌 (Reference)

1. 홍수량 산정 표준지침, 환경부, , 2019

2. 수문자료빈도해석 프로그램 매뉴얼, 환경부, 연세대학교, , 2020

3. 유출율 추정을 위한 토용수문군의 분류, 정경화, 한국농공학회, 37(6), 12-33, , 2003

4. 아산탕정 물순환 그린도시 조성 방안 연구, 이유진, 현경학, 김종남, 김정곤, 이정민, 정종석, 한국토지주택공사 토지주택연구원, , 2019

5. 차도포장용 투수블록의 재료특성 및 투 수성능 평가, 정두원, 정원경, 이진욱, 백종은 , 박대근, 응용생태공학회논문집, Vol. 3 No. 2 pp. 110-116, , 2016

6. 유역의 강우-유출 특성을 고려한 NRCS-CN 방 법의 선행토양함수 조건의 재설정: 선행 5일강우량을 기준으로, 안재현, 유지영, 문건우, 김태웅, 대한토목공학회 논 문집, 6(1), 849-858, , 2014

7. 건전한 물순환 도시 조성을 통 한 수자원 확보 및 재해 저감 기술 개발, 한국건설기술연구원, 부산대학교, 한국토지 주택공사, 김이호, 현경학, 이상진, 이상진, 오현제, 신현석, 한국수자원공사, , 2012