KR101540356B1 - 우수유출저감을 위한 레인가든 면적 산출 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 우수유출저감을 위하여 모의(simulation)에 따라 대상지역의 불투수면에 조성되는 레인가든(Rain-garden)의 면적을 모의(simulation)에 따라 산출하기 위한 시스템으로서, 대상지역의 강우 정보 및 유출량으로부터 얻어진 유출곡선지수, 강우확률분포 및 토양수분함유능 확률분포에 기초하여 대상지역에 식재되는 레인가든의 필요면적을 산출하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 시스템 및 방법을 사용하여 도시지역에 식재, 조성되는 레인가든의 필요 면적을 효과적으로 산출할 수 있으므로, 레인가든을 도입하기 위한 효율적인 도시계획을 입안, 적용할 수 있다.

Description

우수유출저감을 위한 레인가든 면적 산출 시스템 및 방법{SYSTEM AND　METHOD FOR SIZING RAIN GARDEN TO REDUCE STORMWATER RUNOFF}

본 출원은 대한민국 환경부의 "환경정책기반공공기술개발사업"의 일환으로서 "도시생태계 적응ㆍ관리 기법 및 지원시스템 개발"(주관기관 기관명: 서울대학교 산학협력단, 과제번호: 416-111-014) 과제의 수행 결과물에 관한 것이다.

본 발명은 도시경관을 향상하기 위한 조성 규모를 산출하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 우수유출저감을 위해 조성되는 레인가든의 면적을 효율적으로 산출하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

우리나라는 1970년대 이후 고속경제성장을 거치며 급격하게 도시화가 이루어졌다. 특히 서울시를 비롯한 수도권 지역은 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. 물이 침투하지 못하는 불투수면적의 증가로 인하여, 도시 지역에서 강우가 발생하는 경우, 유출량을 증가시켜 도시침수를 일으키고, 지하 침투량을 감소시켜 지하수 고갈 및 하천 건천화 등 물순환의 문제를 야기하고 있다.

이러한 배경 아래 도시의 물순환 개선을 위한 레인가든의 역할이 주목받고 있다. 레인가든(Rain Garden)은 불투수면에서 흘러넘치는 빗물을 최대한 많이 담을 수 있도록 설계된 움푹하게 파인 모든 식재 지역을 의미한다(비특허문헌 1).

레인가든은 강우유출수를 저류하며 유출수가 최고수위에 도달할 때까지 걸리는 시간을 지연시키는 것으로 알려져 있다(비특허문헌 2). 실제로 포틀랜드 오리건 컨벤션센터의 레인가든(2003)은 5.5 에이커의 건물 옥상으로부터 집수되는 빗물을 효과적으로 처리하고 오염물질을 걸러 도시하천의 수질 향상에 기여하고 있는 것으로 나타났다. 또한 뉴욕시의 레인가든은 폭넓은 지역의 불투수면에 도입함으로써 1-1.5인치 강우 발생시 72,000갤런의 우수유출수를 저감시킬 수 있도록 설계되어 도시에서의 레인가든 효과를 입증하였다.

서울시 역시 불투수면적의 증가로 인한 빗물 침투곤란 개선 및 도시경관을 향상시키기 위하여 2012년에 레인가든 조성 사업을 추진하였다. 현재 종로구 효자배수분구의 세종대로에 7개소(1개소: 1 m × 4.5 m)가 시범적으로 조성되어 있다. 그런데 레인가든을 도입함에 있어서 그 조성 규모가 대상 지역에 적절한지 연구될 필요가 있다. 즉, 레인가든의 규모 및 기능을 정량적으로 평가하는 연구가 반드시 선행되어야 하며 연구 결과를 바탕으로 레인가든 도입 계획을 수립해야 한다.

하지만, 종래에는 지방자치단체의 가용 예산이나 대상 지역의 가용 면적에 맞춰서 레인가든을 임의로 조성, 설치하였으므로, 실제 발생할 수 있는 강우 피해를 방지, 최소화하기 위한 효과를 실현하기 곤란하였다. 실제로, 서울시 레인가든 조성사업의 경우 레인가든의 우수유출 저감 효과를 분석하기 위한 시도는 있었으나 공식적인 결과는 나오지 못하였다. 따라서 레인가든 적정 규모 산출을 위한 추가적이고 지속적인 연구와 개발이 필요한 실정이다.

1. Dunnett, N, Clayden A, 2007. Rain gardens: Managing water sustainably in the garden and designed landscape, Timber press. 2. 김창수, 성기준, 2011. 레인가든이 지하유출 및 첨두유량 감소에 미치는 효과, 「한국환경복원기술학회」, 14(5): 69-79.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 대상 지역에 적절한 규모의 레인가든 조성 면적을 효율적으로 산출하기 위한 시스템 및 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 대상 지역의 강우피해를 최소화할 수 있는 적정 규모의 레인가든 조성 면적을 산출하여, 효율적인 도시계획을 위한 입안, 집행 과정에서 의사 결정을 효과적으로 지원할 수 있는 시스템 및 방법을 제공하고자 하는 것이다.

전술한 목적을 가지는 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 우수유출저감을 위하여 모의(simulation)에 따라 대상 지역의 불투수면에 조성되는 레인가든(Rain Garden)의 필요 면적을 산출하기 위한 시스템으로서, 레인가든이 조성되는 대상 지역의 강우 정보 및 토양형 정보를 추출하는 대상지역 설정 모듈; 상기 대상지역 설정 모듈에서 추출된 대상 지역의 토양형 정보에 기초하여 대상 지역에서의 유출량을 계산하기 위하여 유출곡선지수를 산정하는 유출곡선지수 산정 모듈; 상기 대상지역 설정 모듈에서 추출된 대상 지역의 강우 정보 및 토양형 정보에 기초하여 강우 확률분포 및 토양수분함유능 확률분포를 도출하는 확률분포 도출 모듈; 및 상기 유출곡선지수 산정 모듈과 상기 확률분포 도출 모듈에서 각각 얻어진 상기 유출곡선지수와, 상기 강우 확률분포 및 상기 토양수분함유능 확률분포에 기초하여 상기 대상 지역에 조성되는 레인가든의 필요면적을 산출하는 레인가든 면적 분석 모듈을 포함하는 레인가든의 필요 면적을 산출하기 위한 시스템을 제공한다.

상기 레인가든 면적 분석 모듈은 몬테카를로 모의에 기초하여 상기 레인가든의 필요면적을 산출할 수 있다.

예를 들어, 상기 유출곡선지수 산정 모듈은 상기 대상지역 설정 모듈에서 선택된 대상지역의 정밀토양도를 기반으로 분류된 토양형별 면적 구분을 토지피복도의 피복형별 면적 구분과 중첩시켜 동일 토양형-피복형별 면적으로 구분하고, 상기 동일 토양형-피복형별 면적에 대하여 면적 가중 평균하여 평균 유출곡선지수를 산정할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명은 우수유출 저감을 위하여 모의(simulation)에 따라 대상지역의 불투수면에 조성되는 레인가든(Rain Garden)의 필요 면적을 산출하기 위한 방법으로서, 대상지역 설정 모듈에 의하여 레인가든이 조성되는 대상 지역의 강우 정보 및 토양형 정보가 추출되는 단계; 유출곡선지수 산정 모듈에 의하여 상기 추출된 대상 지역의 토양형 정보에 기초하여 상기 대상 지역에서의 유출량을 계산하기 위한 유출곡선지수가 산정되는 단계; 확률분포 도출 모듈에 의하여 상기 추출된 대상 지역의 강우 정보 및 토양형 정보에 기초하여 강우 확률분포 및 토양수분함유능 확률분포가 도출되는 단계; 및 레인가든 면적 분석 모듈에 의하여, 상기 산정된 유출곡선지수 및 상기 도출된 상기 강우 확률분포 및 상기 토양수분함유능 확률분포에 기초하여 대상 지역에 조성되는 레인가든의 필요면적이 산출되는 단계를 포함하는 레인가든의 필요 면적을 산출하기 위한 방법을 제공한다.

본 발명에서는 빗물 관리 대안으로서 레인가든을 시범적으로 도입하고 있는 대상 지역에서의 우수유출수 처리를 위해 필요한 레인가든의 면적을 산출하였다. 적절한 레인가든 면적을 산출하는 것은 도시의 물 관리 문제를 해결하기 위한 의사결정 과정에서 비용 및 토지의 낭비를 방지하기 위해 반드시 필요하다. 이 때 확정 값을 갖지 않는 변수들을 고려하여 결과를 도출해야만 결과 해석에서의 불확실성을 줄일 수 있으며 이에 따라 목표에 부합하는 의사결정을 내릴 수 있다.

따라서 본 발명에서 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 변수들의 확률분포에 따라 레인가든 필요 면적을 도출했다는 점에서 의의가 있다고 판단된다. 본 발명의 결과를 바탕으로 우수유출 처리를 위해 필요한 레인가든의 면적을 제시할 수 있다. 앞으로 레인가든 이외에도 다양한 그린인프라를 도입하기 위한 도시계획에서 이와 같은 방법을 이용하여 불확실성을 줄인 의사결정에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 대상 지역에 우수유출수의 효율적인 처리를 위한 레인가든의 면적을 산출하는 시스템을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 대상 지역에 우수유출수의 효율적인 처리를 위하여 레인가든의 면적을 산출하는 방법을 개략적으로 도시한 플로 차트이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 종로구청에서 제공한, 레인가든이 설치된 대상지역인 효자배수분구를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 서울시에서 제공한, 레인가든이 조성된 대상지역의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 레인가든이 조성된 대상지역의 토양-토지피복 면적 구분도이다.
도 6은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 선정된 대상 지역에 대한 토양수분함유능 표준편차에 따른 레인가든 면적의 분포 곡선이다.
도 7은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 선정된 대상 지역의 유출량 처리 비율에 따른 레인가든의 필요면적 범위를 분석한 결과를 도시한 그래프이다.

이하, 필요한 경우에 첨부하는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

종래, 대상 지역에 레인가든을 설치하고자 하는 경우에 단순히 지방자치단체의 가용 예산이나 가용 면적만을 고려하였기 때문에, 실제 강우 피해의 방지 및 최소화라는 레인가든의 목적을 달성하기 곤란하였다. 이는 기본적으로 레인가든이 식재, 조성되는 대상 지역에서 강우량이나 강우분포 확률을 충분히 고려하지 못하였다는 점에 기인한다.

우수유출수의 효과적인 처리를 위하여 레인가든의 적정 규모를 산출할 때에는 식재, 조성되는 레인가든을 비롯한 전체 도시계획 비용 및 해당 대상 지역 토지의 낭비를 최소화시킬 수 있도록 효율적인 의사결정 방법을 선택하는 것이 중요하다. 의사결정의 불확실성을 줄이기 위한 방법으로 확률론적 접근방식이 주로 이용될 수 있는데, 확률론적 분석방법 중 변수가 확정 값이 아닌 확률 값을 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.

이에 본 발명자들은 레인가든이 조성되는 대상 지역에서 산출되는 다양한 정보와 소정의 모델을 적용함으로써, 조성되는 레인가든의 필요 면적을 효율적으로 산출할 수 있다는 점을 발견하고 본 발명을 완성하였다. 즉, 본 발명에서는 레인가든이 설치될 대상 지역에 대하여 우수유출수를 처리하기 위한 레인가든 필요면적을 산출함에 있어서 몬테카를로 시뮬레이션을 이용하였다. 몬테카를로 시뮬레이션 결과를 바탕으로 대상지 내 적절한 레인가든 조성 계획을 제시할 수 있다.

본 발명에서는 대상 지역에 필요한 레인가든의 면적을 구하기 위하여 크게 세 부분으로 나누어 진행하였다. 먼저 레인가든이 우수유출수를 처리하도록 설계되어야 하므로 대상 지역 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 대상 지역에서의 레인가든 필요면적을 확률분포로 도출하였다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 대상 지역에 우수유출수의 효율적인 처리를 위한 레인가든의 면적을 산출하는 시스템을 개략적으로 도시한 블록도이다. 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 레인가든 면적 산출 시스템(100)은 레인가든이 설치되거나 설치될 예정인 대상 지역의 강우량 정보에 따른 모의(simulation) 분석을 통하여 대상 지역에 조성되는 레인가든의 적절한 규모 및 면적을 분석, 산출한다.

예시적인 실시형태에서, 대상 지역에 대한 레인가든 면적 산출 시스템(100)은 대상 지역에 대한 정보 등을 저장하는 데이터베이스 모듈(110)과, 선정된 대상 지역 정보를 추출하는 대상지역 설정 모듈(120)과, 대상 지역에서의 유출량을 계산하기 위한 유출곡선지수를 산정하는 유출곡선지수 산정 모듈(130)과, 대상 지역에서의 강우 확률분포 등을 도출하는 확률분포 도출 모듈(140)과, 산정된 유출곡선지수 및 도출된 확률분포를 토대로 대상 지역에 조성되는 레인가든의 필요면적을 산출하는 레인가든 면적 분석 모듈(150)과, 이들 모듈을 제어하기 위한 CPU와 같은 제어부(160)를 포함한다.

본 명세서에서 모듈(module)이란, 본 발명의 기술 사상을 수행하기 위한 하드웨어 및 이 하드웨어를 구동하기 위한 소프트웨어의 기능적, 구조적 결합을 의미할 수 있다. 예를 들어, 모듈은 소정의 컴퓨터 언어로 작성된 코드와 이 코드가 수행되기 위한 하드웨어 리소스의 논리적인 단어를 의미할 수 있으며, 반드시 물리적으로 연결된 코드를 의미하거나, 특정의 한 종류의 하드웨어를 의미하는 것은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게는 용이하게 인식될 수 있을 것이다.

예시적인 실시형태에서 데이터베이스 모듈(110)은 개발 대상 지역에 대한 정보를 저장하는 대상지역 데이터베이스(대상지역 DB, 112)와, 산정된 유출곡선지수를 저장하는 유출곡선지수 데이터베이스(유출곡선지수 DB, 114)와, 도출된 확률분포를 저장하는 확률분포 데이터베이스(확률분포 DB, 116)와, 산정된 레인가든의 필요면적을 저장하는 레인가든 면적 데이터베이스(레인가든 면적 DB, 118)를 포함할 수 있다.

대상지역 DB(112)는 레인가든이 조성되었거나 또는 조성될 예정인 대상 지역에 대한 강우 정보 및 토양형 정보 등의 정보를 적어도 저장한다. 대상 지역에 대한 강우 유형 특성 정보는 기상청 등에서 제공하는 자료로부터 수집할 수 있으며, 토양형 정보는 환경부, 국토교통부, 농촌진흥청 또는 해당 지역을 관할하는 지방자치단체 등에서 저장, 관리하는 설계도면, 지반조사보고서, 환경영향평가서 등의 자료에서 수집할 수 있다.

하나의 예시적인 실시형태에서, 대상지역 DB(112)에 저장된 강우 정보는 해당 대상 지역에서의 1-10년간의 일일 총 강우량 데이터일 수 있다. 바람직하게는 해당 대상 지역에서의 3-10년간의 일일 총 강우량 데이터를 저장함으로써, 후술하는 확률분포 도출 모듈(140)에서 대상 지역의 강우확률 분포를 도출할 때, 해당 대상 지역에서의 집중 호우 및 돌발적인 호우 발생으로 인한 불투수면적 증가에 따른 우수유출수의 증가를 고려할 수 있을 것이다.

유출곡선지수 DB(114)는 선택된 각각의 대상지역에 대하여 유출곡선지수 산정 모듈(130)에서 산정된 유출곡선지수에 대한 정보가 저장된다. 예를 들어, 유출곡선지수 DB(114)는 대상 지역의 토양형 정보에 기초하여 얻어진 평균 유출곡선지수 정보가 저장될 수 있다.

확률분포 DB(116)는 선택된 각각의 대상지역에 대하여 확률분포 도출 모듈(140)에서 도출된 강우확률 분포 정보 및/또는 토양수분함유능 확률분포 등의 정보가 저장된다. 또한, 레인가든 면적 DB(118)는 선택된 각각의 대상지역에 대하여 레인가든 면적 분석 모듈(150)에서 산출된 레인가든의 필요면적 등의 정보가 저장될 수 있다.

한편, 대상지역 설정 모듈(120)은 대상지역 DB(112)에 저장된 정보 중에서 레인가든이 조성되는 특정 대상 지역의 정보를 선정, 추출한다. 예를 들어, 대상지역 설정 모듈(120)은 대상 지역의 강우 정보(예를 들어 1-10년, 바람직하게는 3-10년간의 총 강우량 정보)와, 토양형 정보를 선정, 추출할 수 있다. 대상 지역의 토양형 정보와 관련해서, 예를 들어 대상 지역의 토양형은 침투율이 매우 크며, 자갈이 있는 토양인 타입 A, 침투율이 대체로 크고, 자갈이 섞인 사질토인 타입 B, 침투율이 대체로 작고 세사질 토양층인 타입 C, 침투율이 대단히 작고 점토질 토양인 타입 D로 구분될 수 있다.

유출곡선지수 산정 모듈(130)은 대상지역 설정 모듈(120)에서 추출된 대상 지역의 토양형 정보에 기초하여 대상 지역에서의 유출량을 계산하기 위한 평균 유출곡선지수(CN, runoff curve number)를 산정한다. 예시적으로 대상 지역의 토양 조건에 따라 우수유출량을 산정하는 방식으로서 가장 보편적이고 합리적으로 알려져 있어 국내에서 채택하고 있는 미국 자연자원보존국(NRCS, Natural Resources Conservation Service)의 토양보존국 유출곡선지수(SCS-CN, soil conservation service curve number)를 사용할 수 있다.

예시적인 실시형태에서, 유출곡선지수 산정 모듈(130)은 ESRI(Environmental System Research Institute)에서 제공하는 지리정보시스템(GIS, geographic information)인 ArcGIS를 이용하여 평균 유출곡선지수를 산정할 수 있다. 보다 구체적으로, 유출곡선산정모듈(130)은 우리나라 농촌진흥청에서 제작한 정밀토양도를 기반으로 분류한 토양형별 면적 구분을 토지피복도의 피복형별 면적 구분과 중첩시켜 동일 토양형-피복형별 면적으로 구분하고, 동일 토양형-토지피복별 면적에 대하여 SCS-CN값을 부여한 뒤, 면적 가중 평균하여 유역의 평균 유출곡선지수를 산정할 수 있다.

필요한 경우, 선행 토양함수조건에 따라 유출곡선지수를 조정할 필요가 있는데, 총가우량과 유효 우량간의 관계 분석에 있어서 예를 들어 5일 혹은 30일 선행강수량은 유역의 초기토양수분량을 대변하는 지표로 사용하기 위한 지표로서 선행토양함수조건(AMC, antecedent soil moisture condition)을 채택할 수 있다. 이 경우, 예시적으로 1년을 성수기(growing season)와 비성수기(dormant season)로 나누어 AMC-Ⅰ ~ AMC-Ⅲ 등의 3가지 조건을 부여할 수 있는데, AMC-Ⅰ은 유출률이 대단히 낮은 상태, AMC-Ⅱ는 유출률이 보통인 상태, AMC-Ⅲ는 유출률이 대단히 높은 상태를 가정한 것이다. 대상 지역의 토양형이나 사회적 조건을 고려하여 적절한 선행토양함수조건이 채택될 수 있다.

이어서, 유출곡선지수 산정 모듈(130)은 산정된 평균 유출곡선지수(CN)를 토대로 레인가든의 필요면적의 산출식을 선정할 수 있다. 레인가든 필요면적은 대상지 내에서 발생하는 유출량 Q(<식 1>)를 계산하고 이를 레인가든이 머금을 수 있는 물의 양으로 나누어 계산할 수 있다. SCS 방법의 총강우량-유효우량 관계 모형을 이용하여 유출량 Q를 계산하였으며 <식 1>의 Area는 대상 지역의 면적, P는 총 강우량(mm/day), CN은 앞서 산정한 평균 유출곡선지수를 나타낸다. 레인가든이 머금을 수 있는 물의 양은 레인가든의 토양수분함유량과 토양 상부에 고이는 물의 양을 더하여 산정하였다.

<식 1>

한편, <식 1>에서 확정된 하나의 값으로 표현되지 않고 특정 확률분포를 따르는 값들로 표현되는 변수에 대해서 정의할 필요가 있다. 대상 지역에서 요구되는 레인가든 면적을 결정하는 두 변수인 강우량과 수분함유능이 모두 확률분포로 나타나는데, 확률분포 도출 모듈(140)은 대상지역 설정 모듈(120)에서 추출된 대상 지역의 강우 정보 및 토양형 정보 등을 토대로 강우 확률분포 및 토양수분함유능 확률분포를 도출할 수 있다.

강우 확률분포를 도출하기 위하여 예를 들어 대상 지역에서의 1-10년, 바람직하게는 3-10년간의 일일 총 강우량 데이터를 이용할 수 있다. 장기간 강우 데이터를 이용함으로써, 돌발적인 호우 발생 및 대상 지역에서의 불투수면적의 증가에 따른 유출수 증가를 고려할 수 있다. 필요한 경우, 강우 사상을 적절한 기준(예를 들어 0 mm부터 100 mm까지 10개 구간)으로 구분한 뒤, 발생 횟수를 기록하여 각 구간에서의 강우 발생 확률을 도출할 수 있다.

또한, 확률분포 도출 모듈(140)은 대상 지역에서의 토양형 정보를 토대로, 전술한 유출곡선지수 산정 모듈(140)에서 산정한 AMC 조건을 반영하여 레인가든이 조성되는 대상 지역의 토양수분함유능 확률분포를 도출할 수 있다.

레인가든 면적 분석 모듈(150)은 추출된 대상 지역에 대하여 유출곡선지수 산정 모듈(130)에서 산정된 유출곡선지수와, 추출된 대상 지역에 대한 확률분포 도출 모듈(140)에서 도출한 강우 확률분포 및/또는 토양수분함유능 확률분포를 토대로 적절한 모형을 이용하여 대상 지역에 조성되는 레인가든의 필요면적을 분석, 산출한다. 예시적으로, 레인가든 면적 분석 모듈(150)은 수치적으로 해답을 찾기 위하여 확률 모형의 변수의 확률분포를 얻어내고, 이 분포를 따른 수많은 난수들의 조합을 통해 결과의 확률분포를 도출하는 몬테카를로 모의(Monte Carlo simulation)를 이용할 수 있다.

계속해서, 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 대상 지역에 조성되는 레인가든의 필요면적을 산출하는 방법에 대해서 도 2를 참조하면서 설명한다. 도 2는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 대상 지역에 우수유출수의 효율적인 처리를 위하여 레인가든의 필요면적을 산출하는 방법을 개략적으로 도시한 플로 차트이다.

대상지역 설정 모듈(120, 도 1 참조)은 대상지역 DB(112, 도 1 참조)에 저장되어 있는 대상지역 정보 중에서 레인가든이 조성되는 대상 지역에 대한 강우 정보 및 토양형 정보를 선택, 추출한다(S210 단계). 예를 들어 강우 정보는 해당 대상 지역에서의 1-10년간, 바람직하게는 3-10년간의 일일 총 강우량 데이터일 수 있으며, 토양형 정보와 관련해서 대상 지역의 토양형은 예를 들어, 침투율이 매우 크며, 자갈이 있는 토양인 타입 A, 침투율이 대체로 크고, 자갈이 섞인 사질토인 타입 B, 침투율이 대체로 작고 세사질 토양층인 타입 C, 침투율이 대단히 작고 점토질 토양인 타입 D 등으로 구분될 수 있다.

유출곡선지수 산정 모듈(130, 도 1 참조)은 대상지역 설정 모듈(120)에서 추출된 토양형 정보 등에 기초하여, 대상 지역에서의 유출량을 계산하기 위한 유출곡선지수(CN)를 산정한다(S220 단계). 이때, 예를 들어, SCS-CN이 채택될 수 있는데, 상기 대상지역 설정 모듈에서 선택된 대상지역의 정밀토양도를 기반으로 분류된 토양형별 면적 구분을 토지피복도의 피복형별 면적 구분과 중첩시켜 동일 토양형-피복형별 면적으로 구분하고, 상기 동일 토양형-피복형별 면적에 대하여 면적 가중 평균하여 평균 유출곡선지수를 산정할 수 있으며, 필요한 경우에 적절한 AMC 조건을 사용하여 유출곡선지수를 조정할 수 있다. 해당 대상 지역에 대하여 산정된 유출곡선지수는 유출곡선지수 DB(114, 도 1 참조)에 저장될 수 있다.

이어서, 확률분포 도출 모듈(140, 도 1 참조)에 의하여 추출된 대상 지역의 강우 정보 및 토양형 정보에 기초하여 강우 확률분포 및 토양수분함유능 확률분포를 도출한다(S230 단계). 이때, 대상 지역에서의 1-10년간의 일일 총 강우량 데이터를 토대로 강우 확률분포를 도출할 수 있으며, 레인가든이 조성되는 대상 지역 토양형과, 유출곡선지수 산정 과정에서 사용한 AMC 조건 등을 고려하여 대상 지역의 토양수분함유능 확률분포를 도출할 수 있다. 해당 대상 지역에 대하여 도출된 강우 확률분포 및/또는 토양수분함유능 확률분포는 확률분포 DB(116)에 저장될 수 있다.

계속해서, 레인가든 면적 분석 모듈(150)은 산정된 유출곡선지수와, 도출된 강우 확률분포 및 토양수분함유능 확률분포를 토대로 선정된 대상 지역에 조성되는 레인가든의 필요면적을 분석, 산출한다(S240 단계). 이 단계에서 몬테카를로 모의가 사용될 수 있다. 해당 대상 지역에 대하여 산출된 레인가든의 필요면적은 레인가든 면적 DB(118, 도 1 참조)에 저장될 수 있다.

도 1 및 도 2에 각각 예시적으로 도시되어 있는 레인가든 면적 산출 시스템과 레인가든 면적 산출 방법을 사용하여 적정 규모의 레인가든 면적을 산출할 수 있다. 따라서 본 발명의 시스템 및 방법에 따라 산출된 체계적인 분석 결과를 토대로, 대상 지역에 대하여 레인가든을 포함하는 도시계획의 입안 및 의사결정 과정에서 실질적인 도움을 줄 수 있다. 이하, 예시적인 실시예를 참조하면서 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

실시예 1 : 대상지역 선정

본 발명의 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. 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. 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(도 1 참조).

효자배수분구 내 세종대로에는 1 m × 4.5 m 면적의 레인가든 7개소(총 31.5 ㎡)가 현재 시범적으로 조성되어 있다. 본 연구에서 대상으로 한 레인가든은 이 지역에 시범 조성된 레인가든 구조를 기준으로 하였다(도 4). 시범 조성된 레인가든 모듈은 최하층에 배수를 위한 60 cm의 자갈층과 수분을 충분히 머금을 수 있는 60 cm의 토양층(양토), 그리고 상부에 물이 고일 수 있는 20 cm의 여유 공간으로 설계되어 있다. 또한 은행나무, 느티나무, 남천 등의 수목과 맥문동, 사초, 튤립, 수선화 등의 초화류가 식재되어 있다. 서울시의 사업지시에 따르면 이와 같은 레인가든 조성 지역을 보도로 정하고 있으므로 본 연구에서도 레인가든이 조성될 수 있는 지역을 보도로 한정하였다.

실시예 2 : 레인가든 면적 산출

(1) 유출곡선지수(CN) 산정

대상지 내에서 발생하는 우수유출량을 계산하기 위하여 대상지의 평균 유출곡선지수(CN)을 산정하였다. 토양의 조건에 따라 우수유출량을 산정하는 방식 중 가장 보편적이고 합리적으로 알려져 있어 국내에서 채택하고 있는 미국 자연자원보존국의 SCS-CN 방법을 이용하였다. 본 실시예에서는 ArcGIS 9.3을 이용하여 농촌진흥청에서 제작한 정밀토양도를 기반으로 토양형을 분류하였다. 수문학적 토양 분류 기준을 이용하여 대상 지역의 토양형을 A, B, C, D로 분류한 토양도(토양형별 면적 구분)를 중분류 토지피복도의 피복형별 면적 구분과 중첩시켜 동일 토양형-피복형별 면적으로 구분하였다. 도 5는 본 실시예에 따라 대상 지역의 토양-토지피복 면적 구분도를 도시한 것이다. 동일 토양-토지피복별 면적에 대하여 SCS-CN값을 부여한 다음, 면적 가중 평균하여 유역의 평균 유출곡선지수를 산정하였다.

계속해서, 대상 지역은 인왕산, 북악산 등의 자연지역과 역사 보존지역을 포함하고 있으므로 유출률이 보통인 상태를 가정한 AMC-Ⅱ조건을 사용하여 평균 유출곡선지수를 조정하였다. 토양-토지피복별 면적 분포를 가중 인자로 두고, 전체 평균함으로써, 산정된 대상 지역의 평균 유출곡선지수는 약 69.95로 산정되었다. 표 1은 본 실시예에 따라 대상 지역에서의 평균 유출곡선지수(CN)를 보여준다. 이어서, 레인가든의 필요면적을 산정하기 위하여 전술한 <식 1>을 이용하여 대상 지역에서 발생하는 유출량을 계산하였다.

(2) 강우 확률분포 도출

강우량의 확률분포를 정의하기 위하여 기상청이 제공하는 최근 5년간(2009년-2013년)의 일일 총 강우량 데이터를 이용하였다. 이는 최근 들어 돌발적인 호우 발생률이 증가하고 있으며 광화문광장 조성으로 인한 불투수면적 증가에 따른 유출수 증가를 고려하기 위한 것이다. 강우 데이터는 효자배수분구가 속한 종로구에서 관측된 값을 사용하였다. 0 mm부터 100 mm까지의 강우사상을 10 mm를 기준으로 총 10개 구간으로 나누어 발생 횟수를 기록한 뒤 각 구간의 강우가 발생할 확률을 도출하였다. 각 구간 내에서 도출되는 값은 균등한 확률을 갖는다고 가정하였다. 예를 들어 10개 구간 중 0-10mm 구간의 강우가 발생할 확률을 도출하고 0-10mm 사이에서는 균등한 확률로 강우가 발생하는 것으로 설정하였다. 하기 표 2에 구간별 강우량의 발생 빈도 및 확률이 표시되어 있다.

(3) 레인가든 토양수분함유능 확률분포 정의

레인가든 토양수분함유능 확률분포는 토양수분함유능에 따라 달라진다. 대상 지역은 토양수분함유능 및 침투능이 커 우수유출저감시설에 적합한 토양이며, 현재 시범 조성된 레인가든에 사용되고 있는 양토를 레인가든 토양 기준으로 하고 토양수분함유능 확률분포를 정의하였다. 양토의 경우 레인가든 토양 깊이인 60 cm의 흙에서 최대 10cm 깊이만큼 물을 저장할 수 있다고 알려져 있다. 강우사상 발생 시 토양수분함유능은 선행강수량 등의 초기 토양수분량의 영향을 받으므로 레인가든의 토양수분함유량을 최소 0 cm부터 최대 10 cm로 두었다. 또한 본 연구에서 우수유출량을 계산할 때 토양수분량이 50%라고 가정한 AMC-Ⅱ조건을 사용하였으므로, 레인가든 토양이 최대 수분함유량의 50%인 5cm의 수분을 함유하고 있음을 평균으로 하는 정규분포를 따른다고 가정하였다. 그러나 이 확률분포의 표준편차는 알 수 없기 때문에 표준편차를 1, 1.5, 2, 2.5, 5로 바꾸어가며 시뮬레이션 하였다.

(3) 몬테카를로 시뮬레이션 실행

입력변수의 확률분포를 고려한 레인가든 필요면적을 산출하기 위해서 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하였다. 몬테카를로 시뮬레이션은 수치적으로 해를 찾기 위하여 확률모형의 변수의 확률분포를 얻어내고, 이 분포를 따르는 수많은 난수들의 조합을 통해 결과의 확률분포를 도출해내는 방법이다. Excel의 VBA(Visual Basic for Application)를 이용하여 몬테카를로 시뮬레이션을 프로그래밍 하였다. 2만 번의 반복시행을 통해 강우 및 토양수분함유능 확률분포로부터 무작위로 값을 뽑아낸 후 면적 산출식에 대입하여 레인가든 필요면적의 확률분포를 도출하였다. 시뮬레이션 결과값을 히스토그램으로 나타내어 결과값의 발생빈도를 파악하였다. 결과의 확률분포로부터 평균값 및 90% 신뢰구간에서의 최댓값을 해석함으로써 레인가든 도입을 위한 의사결정에 이용하고자 하였다.

시뮬레이션 결과 선정된 대상 지역에서 필요한 레인가든의 면적은 평균적으로 56,703.34㎡-57,434.08 ㎡으로 나타났으며 이는 광화문광장의 약 3-3.03배와 같은 면적이다. 90% 신뢰구간에서 나타나는 최댓값은 109,429.75㎡-110,617.82㎡으로 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 필요 면적의 최댓값을 고려할 필요가 있다.

한편, 레인가든 필요면적의 분포 형태는 토양수분함유능 확률분포의 표준편차와 상관없이 유사하게 나타났다(도 6). 이는 레인가든 필요면적 분포에서 토양수분함유능 확률분포보다 강우 확률분포가 더 큰 영향을 끼친다는 것을 나타낸다. 작은 값의 도출 빈도가 집중적으로 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 때문인 것으로 판단된다.

한편, 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 110,877㎡이다. 표 3에서 대상지에서 레인가든을 조성할 때 소요되는 보도 면적을 나타낸다.

대상지에서 발생하는 우수유출 처리를 위하여 레인가든을 조성할 경우 평균적으로 전체 보도 면적의 51.14%에서 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%에서 99.76%만큼이 소요되므로, 도출된 레인가든 면적의 최댓값을 고려하여 레인가든을 조성하는 것은 현실적으로 불가능한 것으로 판단되었다.

레인가든 조성 시 소요되는 보도면적 비율

레인가든 /보도(%)	토양수분함유능 본포의 표준 편자
	0.5	1	2	2.5	5
평균	51.14	51.18	51.42	51.12	51.79
최대 (90% 신뢰)	98.95	98.69	99.12	99.37	99.76

레인가든으로 처리할 수 있는 우수유출량을 전체 우수유출량의 일부로 한정하여 보다 실현 가능한 레인가든 면적을 도출하였다. 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 4에 나타내었다. 한편, 도 7은 유출량 처리 비율에 따라 달라지는 레인가든 필요면적 범위를 나타낸다.

우수유출량의 일부를 처리할 때 소요되는 보도면적 비율

레인가든 /보도(%)	목표 유출수 부피 비율
	10%	30%	50%	70%	100%
평균	5.11-5.18	15.34-15.54	25.58-25.90	35.80-36.25	51.14-51.79
최대 (90% 신뢰)	9.87-9.98	29.60-29.93	49.35-39.89	60.08-69.83	98.69-99.76

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.

상기에서는 본 발명의 예시적인 실시형태 및 실시예에 기초하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명이 상기 개시된 기술사상으로 한정되지 않는다. 오히려, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 전술한 실시형태 및 실시예를 토대로 다양한 변형과 변경을 용이하게 추고할 수 있다. 하지만, 이러한 변형과 변경은 모두 본 발명의 권리범위에 속한다는 사실은 첨부하는 청구의 범위를 통하여 더욱 분명해질 것이다.

100 : 레인가든 면적 산출 시스템 110 : 데이터베이스 모듈
112 : 대상지역 데이터베이스 114 : 유출곡선지수 데이터베이스
116 : 확률분포 데이터베이스 118 : 레인가든 면적 데이터베이스
120 : 대상지역 설정 모듈 130 : 유출곡선지수 산정 모듈
140 : 확률분포 도출 모듈 150 : 레인가든 면적 분석 모듈
160 : 제어부

Claims (6)

1. 우수유출저감을 위하여 모의(simulation)에 따라 대상 지역의 불투수면에 조성되는 레인가든(Rain Garden)의 필요 면적을 산출하기 위한 시스템으로서,
   레인가든이 조성되는 대상 지역의 강우 정보 및 토양형 정보를 추출하는 대상지역 설정 모듈로서, 상기 강우 정보는 상기 대상 지역의 5년간의 일일 총 강우량 정보로 구성되고, 상기 토양형은 상기 대상 지역 토양의 침투율에 따라 구분되는 대상지역 설정 모듈;
   상기 대상지역 설정 모듈에서 추출된 대상 지역의 토양형 정보에 기초하여 대상 지역에서의 유출량을 계산하기 위하여 유출곡선지수를 산정하는 유출곡선지수 산정 모듈로서, 상기 대상지역 설정 모듈에서 선택된 대상지역의 정밀토양도를 기반으로 분류된 토양형별 면적 구분을 토지피복도의 피복형별 면적 구분과 중첩시켜 동일 토양형-피복형별 면적으로 구분하고, 상기 동일 토양형-피복형별 면적에 대하여 면적 가중 평균하여 평균 유출곡선지수를 산정하고, 상기 대상 지역의 선행토양함수조건(AMC, antecedent soil moisture condition)에 따라 산정된 평균 유출곡선지수를 조정하는 유출곡선지수 산정 모듈;
   상기 대상지역 설정 모듈에서 추출된 대상 지역의 강우 정보 및 토양형 정보에 기초하여 강우 확률분포 및 토양수분함유능 확률분포를 도출하는 확률분포 도출 모듈로서, 상기 강우 확률분포는 상기 대상 지역의 5년간의 일일 총 강우량 정보에 기초하여 0 ㎜부터 100 ㎜까지의 강우사상을 10 ㎜를 기준으로 10개 구간으로 나누어 발생 빈도를 기록하고 각각의 구간에서 강우가 발생할 확률을 도출한 뒤 각각의 구간 내에서 균등한 확률로 강우가 발생하는 것으로 설정하여 도출되고, 상기 토양수분함유능 확률분포는 상기 대상 지역의 선행토양함수조건(AMC)을 반영하여 도출되는 확률분포 도출 모듈; 및
   상기 유출곡선지수 산정 모듈과 상기 확률분포 도출 모듈에서 각각 얻어진 상기 유출곡선지수와, 상기 강우 확률분포 및 상기 토양수분함유능 확률분포에 기초하여 상기 대상 지역에 조성되는 레인가든의 필요면적을 산출하는 레인가든 면적 분석 모듈로서, 몬테카를로 모의에 기초하여 레인가든의 필요면적을 산출하는 레인가든 면적 분석 모듈
   을 포함하는 레인가든의 필요 면적을 산출하기 위한 시스템.
   
2. 우수유출저감을 위하여 모의(simulation)에 따라 대상지역의 불투수면에 조성되는 레인가든(Rain Garden)의 필요 면적을 산출하기 위한 방법으로서,
   대상지역 설정 모듈에 의하여 레인가든이 조성되는 대상 지역의 강우 정보 및 토양형 정보가 추출되는 단계로서, 상기 강우 정보는 상기 대상 지역의 5년간의 일일 총 강우량 정보로 구성되고, 상기 토양형은 상기 대상 지역 토양의 침투율에 따라 구분되는 단계;
   유출곡선지수 산정 모듈에 의하여 상기 추출된 대상 지역의 토양형 정보에 기초하여 상기 대상 지역에서의 유출량을 계산하기 위한 유출곡선지수가 산정되는 단계로서, 상기 유출곡선지수 산정 모듈은 상기 대상지역 설정 모듈에서 선택된 대상지역의 정밀토양도를 기반으로 분류된 토양형별 면적 구분을 토지피복도의 피복형별 면적 구분과 중첩시켜 동일 토양형-피복형별 면적으로 구분하고, 상기 동일 토양형-피복형별 면적에 대하여 면적 가중 평균하여 평균 유출곡선지수를 산정하고, 상기 대상 지역의 선행토양함수조건(AMC, antecedent soil moisture condition)에 따라 산정된 평균 유출곡선지수를 조정하는 단계;
   확률분포 도출 모듈에 의하여 상기 추출된 대상 지역의 강우 정보 및 토양형 정보에 기초하여 강우 확률분포 및 토양수분함유능 확률분포가 도출되는 단계로서, 상기 강우 확률분포는 상기 대상 지역의 5년간의 일일 총 강우량 정보에 기초하여 0 ㎜부터 100 ㎜까지의 강우사상을 10 ㎜를 기준으로 10개 구간으로 나누어 발생 빈도를 기록하고 각각의 구간에서 강우가 발생할 확률을 도출한 뒤 각각의 구간 내에서 균등한 확률로 강우가 발생하는 것으로 설정하여 도출되고, 상기 토양수분함유능 확률분포는 상기 대상 지역의 선행토양함수조건(AMC)을 반영하여 도출되는 단계; 및
   레인가든 면적 분석 모듈에 의하여, 상기 산정된 유출곡선지수 및 상기 도출된 상기 강우 확률분포 및 상기 토양수분함유능 확률분포에 기초하여 대상 지역에 조성되는 레인가든의 필요면적이 산출되는 단계로서, 몬테카를로 모의에 기초하여 레인가든의 필요면적이 산출되는 단계
   를 포함하는 레인가든의 필요 면적을 산출하기 위한 방법.
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