Sizing Rain Garden to Reduce Stormwater Runoff in Hyoja Drainage Basin

Ⅰ. 서 론

한국은 1970년대 이후 고속경제성장을 거치며 급격하게 도시화가 이루어졌다. 특히 서울시는 택지 및 상가 등의 집중 개발과 인구밀도 증가가 급속히 진행된 대표적인 지역이다. 이에 따라 서울시의 불투수면적률은 1962년 7.8%에서 2010년 47.8%로 크게 증가하였다(김영란, 2012). 불투수면적의 증가는 강우 시 유출량을 증가시켜 도시침수를 일으키고, 지하 침투량을 감소시켜 지하수 고갈 및 하천 건천화 등 수순환의 문제를 야기하고 있다(환경부, 2013).

이러한 배경 아래 도시의 수순환 개선을 위한 레인가든의 역할이 주목받고 있다. 레인가든은 불투수면에서 흘러넘치는 빗물을 최대한 많이 담을 수 있도록 설계된 움푹하게 파인 모든 식재지역을 의미한다(Dunnett and Clayden, 2007).

레인가든은 강유유출수를 저류하며 유출수가 최고수위에 도달할 때 까지 걸리는 시간을 지연시키는 것으로 알려져 있다(Kohler et al., 2002, Murhanna et al., 2008, 김창수와 성기준, 2011). 실제로 포틀랜드 오리건 컨벤션센터의 레인가든(2003)은 5.5에이커의 건물 옥상으로부터 집수되는 빗물을 효과적으로 처리하고 오염물질을 걸러 도시하천의 수질 향상에 기여하고 있는 것으로 나타났다(Kinkade-Levario, 2013). 뉴욕시티의 레인가든은 폭넓은 지역의 불투수면에 도입함으로써 1-1.5인치 강우 발생시 72,000갤런의 우수유출수를 저감시킬 수 있도록 설계되어 도시에서의 레인가든 효과를 입증하였다(NYC, 2010).

서울시 역시 불투수면적 증가로 인한 빗물 침투곤란 개선 및 도시경관을 향상시키기 위하여 2012년에 레인가든 조성 사업을 추진하였다(서울시, 2012a). 현재 종로구 효자배수분구의 세종대로에 7개소(1개소: 1m×4.5m)가 시범적으로 조성되어 있다.

그런데 레인가든을 도입함에 있어서 그 규모가 적절한지 연구될 필요가 있다. 레인가든의 규모 및 기능을 정량적으로 평가하는 연구가 반드시 선행되어야 하며 연구 결과를 바탕으로 레인가든 도입 계획을 수립해야 한다. 서울시 레인가든 조성사업의 경우 레인가든의 우수유출저감효과를 분석하기 위한 시도는 있었으나 공식적인 결과는 내지 못하였다(서울시 조경과, 2014, 한국건설기술연구원, 2014). 따라서 레인가든 적정 규모 산출을 위한 추가적인 연구가 필요한 실정이다.

레인가든 적정 규모를 산출할 때에는 계획 비용 및 토지의 낭비를 최소화시킬 수 있도록 효율적인 의사결정 방법을 선택하는 것이 중요하다. 의사결정의 불확실성을 줄이기 위한 방법으로 확률론적 접근방식이 주로 이용되는데(Smith, 2002), 확률론적 분석방법 중 변수가 확정값이 아닌 확률값을 가질 때에는 변수들의 확률분포를 반영한 결과를 도출할 수 있는 몬테카를로 시뮬레이션이 이용된다. 시뮬레이션 결과를 토대로 도시 내 레인가든 필요면적을 산정하면 레인가든 도입을 위한 효율적인 토지 계획을 세울 수 있다.

따라서 본 연구에서는 레인가든 시범조성 지역인 종로구 효자배수분구를 대상으로 우수유출수를 처리하기 위한 레인가든 필요면적을 산출함에 있어서 몬테카를로 시뮬레이션을 이용하였다. 몬테카를로 시뮬레이션 결과를 바탕으로 대상지 내 적절한 레인가든 조성 계획을 제시하고자 한다.

Ⅱ. 연구 범위

본 연구의 대상지는 서울시의 4개 물재생 센터 중 하나인 중랑처리구역 내의 청계배수구역에 속하는 종로구 효자배수분구이다. 상류부는 북한산과 인왕산이 위치하여 급한 경사를 이루고 중하류부에서 급격히 완만해지는 전형적인 도시 배수분구이다(안정환 외, 2013). 배수분구의 북쪽으로는 북악산과 인왕산이 위치하며 그 아래는 광화문 일대를 포함한다.

이 지역은 2008년 2월 종로구로부터 호우 시 광화문지역의 통수능력 확보를 위해 실시된 「광화문지역 침수방지용역」등의 결과에 따라 불량 하수관거 정비를 요청받은 지역이다(김계중, 2012). 또한, 광화문광장 조성이 이루어진 이후에는 기습적인 폭우로 해마다 침수가 반복되고 있어 물 관리의 필요성이 대두되고 있는 실정이다. 이에 효자배수분구는 국내 34개 침수 취약지역 중 특별관리구역 및 환경치수 시범계획 구역으로 지정되어 있어 본 연구의 대상지로 선정하였다(서울시, 2012b).

Fig. 1.

Hyoja drainage basin

효자배수분구 내 세종대로에는 1m×4.5m 면적의 레인가든 7개소(총 31.5m²)가 현재 시범적으로 조성되어 있다. 본 연구에서 대상으로 한 레인가든은 이 지역에 시범 조성된 레인가든 구조를 기준으로 하였다(그림 2). 시범 조성된 레인가든 모듈은 최하층에 배수를 위한 60cm의 자갈층과 수분을 충분히 머금을 수 있는 60cm의 토양층(양토), 그리고 상부에 물이 고일 수 있는 20cm의 여유 공간으로 설계되어 있다. 또한 은행나무, 느티나무, 남천 등의 수목과 맥문동, 사초, 튤립, 수선화 등의 초화류가 식재되어 있다(서울시, 2012a). 서울시의 사업지시에 따르면 이와 같은 레인가든 조성 지역을 보도로 정하고 있으므로 본 연구에서도 레인가든이 조성될 수 있는 지역을 보도로 한정하였다.

Fig. 2.

Section of the rain garden

Ⅲ. 연구 방법

본 연구에서는 대상지에 필요한 레인가든의 면적을 구하기 위하여 크게 세 부분으로 나누어 연구를 진행하였다. 먼저 레인가든이 우수유출수를 처리하도록 설계되어야 하므로 대상지 내 강우 발생에 따른 유출량을 계산하기 위하여 유출곡선지수를 산정하였다. 그리고 레인가든 필요면적을 구하기 위한 입력변수인 강우 확률분포와 토양수분함유능 확률분포를 도출하였으며 앞서 도출한 유출곡선지수, 강우 확률분포, 토양수분함유능 확률분포를 레인가든 필요면적 산출식에 대입하여 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하였다. 몬테카를로 시뮬레이션 결과 최종적으로 효자배수분구에서의 레인가든 필요면적을 확률분포로 도출하였다.

Fig. 3.

Research flow

Ⅳ. 연구 결과

1. 유출곡선지수(CN) 산정

수문학적 토양분류 기준을 이용하여 토양형 A, B, C, D로 재분류한 토양도와 토지피복지도를 면적 구분하였다(그림 4). 토양-토지피복별 면적 분포를 가중인자로 두고 전체 평균함으로써 산정한 평균 유출곡선지수(CN)는 약 69.95로 산정되었다(표 1).

Fig. 4.

Soil-land cover area division

Table 1.

Curve number of Hyoja drainage basin

2. 강우 확률분포

일일 총 강우량의 발생 확률은 (표 2)와 같다. 0-10mm의 약한 강우의 발생확률이 73%로 매우 높게 나타났으며 총 강우량 30mm까지 발생할 확률이 전체의 90%를 차지하였다. 총 강우량이 증가할수록 발생확률은 줄어드는 경향을 나타냈다.

Table 2.

Frequency and probability of occurrence of precipitation

3. 몬테카를로 시뮬레이션 결과

시뮬레이션 결과 필요한 레인가든의 면적은 평균적으로 56,703.34m²-57,434.08m²으로 나타났으며 이는 광화문광장의 약 3-3.03배와 같은 면적이다. 90% 신뢰구간에서 나타나는 최댓값은 109,429.75m²-110,617.82m²으로 나타났으며 이는 광화문광장의 약 5.79-5.85배에 해당하는 면적이다. 일반적으로는 레인가든을 도입할 때 산출된 레인가든 필요면적의 평균값을 사용할 수 있다. 그러나 발생 확률은 매우 적지만 발생 시 침수 등 유출수에 의한 피해를 야기하는 강한 강우에 대해서도 기능하는 레인가든을 도입하고자 한다면 레인가든 필요면적의 최댓값을 고려해야 한다.

레인가든 필요면적의 분포 형태는 토양수분함유능 확률분포의 표준편차와 상관없이 유사하게 나타났다(그림 5). 이는 레인가든 필요면적 분포에서 토양수분함유능 확률분포보다 강우 확률분포가 더 큰 영향을 끼친다는 것을 나타낸다. 작은 값의 도출 빈도가 높게 나타나는 이유는 0-10mm, 10-20mm 강우의 발생 확률이 전체 강우사상의 각각 73%, 12%를 차지하여 약한 강우의 발생 확률이 강한 강우의 발생 확률보다 크게 높기 때문이다.

Fig. 5.

Distribution of rain garden area as different standard deviations

대상지 내에서 레인가든은 보도 위에 조성되기 때문에 시뮬레이션 결과를 바탕으로 레인가든을 조성했을 경우 보도의 면적이 얼마나 소요되는지를 분석하였다. 수치지도(1:5000)상에 나타난 효자배수분구의 보도면적은 광화문광장을 포함하여 총 110,877m²이다. 대상지에서 발생하는 우수유출 처리를 위하여 레인가든을 조성할 경우 평균적으로 전체 보도면적의 51.14-51.79%에 해당하는 면적에 레인가든이 도입되어야 하는 것으로 나타났다. 그러나 낮은 확률로 발생하는 강한 강우에 의한 우수유출량까지 고려하여 레인가든을 조성한다면 전체 보도 면적 중 98.95-99.76%가 소요되므로 도출된 레인가든 면적의 최댓값을 고려하여 레인가든을 조성하는 것은 현실적으로 불가능한 것으로 판단된다.

Table 3.

Street area ratio for installing rain garden

따라서 레인가든으로 처리할 수 있는 우수유출량을 전체 우수유출량의 일부로 한정한다면 보다 실현 가능한 레인가든 면적을 도출해낼 수 있다. 대상지 내에서 발생하는 전체 우수유출량 중에서 10%, 30%, 50%, 70% 그리고 100%의 유출량을 레인가든이 처리하도록 가정할 때 전체 보도면적 대비 레인가든 필요면적을 비교하여 (표 4)에 나타내었다. (그림 6)은 유출량 처리 비율에 따라 달라지는 레인가든 필요면적 범위를 나타낸다.

Fig. 6.

The range of required rain garden area as target runoff volume

Table 4.

Street area ratio for installing rain garden to manage a portion of runoff volume

분석 결과, 레인가든을 보도 위에 조성할 경우 레인가든이 처리할 수 있는 유출량을 전체 유출량의 10%로 한정하는 것이 실현 가능한 목표라고 판단된다. 평균적으로 전체 보도면적의 5.11-5.18%를 레인가든으로 조성할 경우 전체 우수유출량 중 10%를 처리할 수 있게 된다. 또한 전체 보도면적의 9.87-9.98%를 레인가든으로 조성한다면 발생 확률은 낮지만 강하게 내리는 비에 의한 유출수도 10%만큼 처리할 수 있다.

현재 서울시가 정한 레인가든 모듈을 그대로 사용한다면 지나치게 넓은 면적의 보도가 소요되거나 전체 유출량의 일부만을 처리할 수 있는 것으로 나타났다. 따라서 서울시 레인가든 조성사업 시 몇 가지 대안들이 고려될 수 있다. 먼저 레인가든 조성 지역을 보도뿐만 아니라 주차장이나 건물 옥상 등으로 확대시킴으로써 대상지 내 불투수면을 효과적으로 줄일 수 있다. 또한 수분함유능이 개선된 인공토양을 레인가든에 이용할 수 있으며 레인가든의 깊이 등 구조를 변화시킴으로써 개별 레인가든의 우수유출처리능력을 향상시킬 수 있다. 앞으로 최적의 레인가든 모듈 개발을 위한 연구가 필요할 것으로 사료된다.

Ⅴ. 결 론

도시의 불투수면적 증가로 인한 빗물 관리의 중요성이 대두되고 있으며 이를 해결하기 위한 그린인프라의 도입 필요성이 증대되고 있다. 본 연구에서는 빗물 관리 대안으로서 레인가든을 시범적으로 도입하고 있는 효자배수분구를 대상으로 우수유출수 처리를 위해 필요한 레인가든의 면적을 산출하였다.

2012년부터 서울시가 추진한 ‘건전한 물순환을 위한 레인가든 조성 사업’의 일환으로 현재 효자배수분구의 세종대로에 조성되어 있는 레인가든은 필요면적에 대하여 지나치게 적게 조성되어 있다.

조성된 레인가든 면적은 총 31.5m²이며 이는 필요한 레인가든 평균 면적의 0.05%에 미치는 수준이다. 따라서 대상지의 레인가든 우수유출저감 기능은 미미할 것으로 생각된다. 사업의 기본 취지대로 레인가든을 이용하여 효자배수분구의 물 관리를 하기 위해서는 레인가든 면적 확대를 적극적으로 검토해 볼 필요가 있다.

본 연구에서는 레인가든이 머금을 수 물의 양을 산정함에 있어서 식재된 수목 및 초화류의 기능은 고려하지 못하였으며 토양수분함유능을 정의함에 있어서도 많은 가정 하에 이루어졌다는 한계점이 있다. 특히 토양의 수분함량은 입경분포와 유기물 함량, 공극의 크기분포 등에 따라 달라지기 때문에(한국지하수토양환경학회, 2007) 토양수분함유능을 결정짓는 것은 쉽지 않다. 향후 레인가든 조성 시 여러 차례 실험된 인공토양을 사용한다면 보다 정확한 토양수분함유능 확률분포를 그려낼 수 있을 것이다.

적절한 레인가든 면적을 산출하는 것은 도시의 물 관리 문제를 해결하기 위한 의사결정 과정에서 비용 및 토지의 낭비를 방지하기 위해 반드시 필요하다. 이 때 확정값을 갖지 않는 변수들을 고려하여 결과를 도출해야만 결과 해석에서의 불확실성을 줄일 수 있으며 이에 따라 목표에 부합하는 의사결정을 내릴 수 있다. 따라서 본 연구에서 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 변수들의 확률분포에 따라 레인가든 필요면적을 도출했다는 점에서 의의가 있다고 판단된다. 본 연구의 결과를 바탕으로 우수유출처리를 위해 필요한 레인가든의 면적을 제시할 수 있다. 앞으로 레인가든 뿐만 아니라 다양한 그린인프라를 도입하기 위한 도시계획에서 이와 같은 방법을 이용하여 불확실성을 줄인 의사결정을 내리는 것이 필요할 것이라 사료된다.

Acknowledgments

^*본 연구는 2014년도 환경부 차세대 에코이노베이션 기술개발사업(과제번호 : 416-111-014) 및 기후변화 대응 환경기술개발사업(과제번호: 2014-001-310007)의 지원으로 수행되었습니다.

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