[20년01월] 4. 도시형 수로 시스템 및 시공방법

 

This technology is to let rainwater flow into a waterway that is located side gutter of a street with blocking garbage including cigarette butts at the same time. The first waterway is located beside the sidewalk and it enhances the water circulation in a city. This waterway is filled with aggregates and filter media, which removes fine dust that is washed out of the street and let water flow down to the earth. The second waterway is located beside the street and it retains rainwater temporarily with decreasing its flow speed. The second waterway shall reduce flooding damages by avoiding bottleneck situation in the street inlets and storm water pipelines which is the main causation of flooding in a city.

 

오영탁 전무, 에스비비㈜ (terry.oh.8157@gmail.com)

한승완 이사대우(자연환경관리기술사), 수자원부 (ecoriver@naver.com)

 

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1. 서론

서울시의 배수 시스템은 시간당 75mm의 강우에 대응할 수 있도록 설치되어 있다.

극심한 침수 피해가 있었던 2010년 9월 21일의 강우량은 시간당 71mm였다. 이론적으로는 침수가 발생하지 않았어야 하지만, 광화문 일대는 극심한 물난리를 겪었다.

특히, 광화문 침수 당시 빗물이 빠져나가는 통로인 청계천은 범람하지도 않았지만, 75mm의 강우에도 빗물을 청계천으로 흘려보낼 수 있는 배수 체계를 갖춘 광화문 일대는 침수되었다. 이는 빗물을 흘려보내는 배수 체계가 방해를 받아 빗물이 청계천으로 정상적인 배수가 이루어지지 못하였다는 것을 말하고 있다. 그리고 2011년 7월에는 시간당 60mm의 비가 내렸음에도 불구하고 광화문 일대가 또 다시 침수되는 피해가 발생하였다. 결론적으로 2010년과 2011년 광화문에 내린 집중 호우는 서울시의 설계 기준에 밑도는 강우량을 보였지만 일대가 침수되었다.

최근 전국에서 빈발하는 도심의 침수 피해는 지구 온난화에 의한 기후변화에 따른 것으로 분석되고 있다. 기후변화가 집중 호우의 발생빈도와 강도의 증가를 가져온 것이다. 하지만, 기후변화로 인한 집중 호우가 모든 것을 설명하지는 못하고 있다. 서울시의 경우를 보더라도 도시는 이에 대응할 수 있는 배수 시스템에 미치지 못하는 강우에도 심하게 침수되었다. 이러한 침수의 중요한 원인으로 불투수 면적의 증가를 들 수 있겠다.

 

Fig. 1. 전국의 불투수 면적 비율 (환경부, 2015)

 

 

1.1 도시 침수의 원인 및 해결 방안

 

도시 침수의 원인은 빗물이 우수관로를 통해서 원활하게 빠져나가지 못하기 때문이며, 이는 첨두 유출량의 증가와 빗물받이의 병목현상에서 기인한다고 보겠다. 따라서 첨두 유출량을 줄이고 병목현상을 해결한다면 침수 피해를 줄일 수 있다.

 

1.1.1 투수성 포장을 이용한 빗물의 분산 저류

서울시의 불투수 면적율은 54%이지만 용산구, 도봉구, 은평구, 노원구, 관악구 등 산악지형이 포함된 지역을 제외하면 평균 64%로 불투수 면적율이 상승한다. 64%에는 학교 운동장, 도심 공원 등을 포함하고 있으며, 이를 감안한다면 사람이 사는 대부분의 공간이 불투수 상태이다.

불투수 면적은 빗물이 지면으로 스며드는 것을 방해하여 빗물이 지표면에서 흘러내리도록 만들기 때문에 결국 동일한 강우량에도 투수지역보다 더 많은 양의 빗물이 도로 등 저지대로 빠르게 집수되어 침수 피해를 키우고 있다. 이로 인해 빗물이 집수되는데 걸리는 시간은 단축되고 양은 크게 증대되는 현상이 발생하고 있으며, 따라서 침수 피해가 커지고 있다.

이를 해결하기 위해서는 투수 성능이 우수한 투수성 포장을 이면도로, 주차장 등 도시 곳곳에 적용하여 빗물이 저지대로 일시에 집수되지 않도록 분산하여 저류할 필요가 있다.

 

1.1.2 빗물받이 덮개 개량

가로수에서 떨어진 낙엽은 물론이고 도로에 버려진 담배꽁초 등 각종 오물이 빗물이 유입되는 부분에 퇴적되면서 빗물받이로 제대로 들어가지 못하여 적은 양의 비에도 도로가 침수되는 현상이 발생한다. 또한, 빗물받이에 고인 물이 썩어 발생하는 악취가 올라오는 것을 방지하고자 덮개 위로 고무판 등으로 가리는 경우 비가 내리면 빗물받이로 빗물이 유입되지 못하는 문제가 생긴다.

시간당 50mm 이상의 집중 호우를 재연한 국립재난안전연구원 실험에서 빗물받이를 고무판으로 가리면 10분 만에 20cm의 물이 차올라 인도까지 물이 넘치는 현상이 발생하였다. 빗물받이가 쓰레기에 의해 막히거나, 또는 고무판으로 가리는 경우 침수 면적이 3배가 넓어지고 침수 깊이는 2.3배 이상 깊어지는 것으로 조사되었다.

담배꽁초와 비닐봉지가 빗물받이를 통과하여 우수관 내부로 진입하면 막힘을 유발하게 되고 이로 인해 우수 관로 체계가 제 기능을 하지 못하고 빗물이 맨홀로 역류하는 문제를 일으킨다. 따라서 빗물받이가 쓰레기에 의해서 막히지 않으며 악취가 스며 올라오는 것을 최대한 억제하도록 구조를 개량할 필요가 있다.

 

Fig. 2. 쓰레기로 막힌 우수관의 빗물 역류 시연 (국립재난안전연구원)

 

 

1.1.3 해양 쓰레기 1/3을 차지하는 담배꽁초는 생선이 먹는 미세 플라스틱의 주범

담배꽁초가 빗물받이와 우수관로의 막힘만을 유발하는 것이 아니다. 오히려 막히도록 하는 것이 다행일 정도로 이들이 해양으로 흘러들면 해양 생물에 치명적인 영향을 미친다. 국제 해양환경단체인 해양보존센터(Ocean Conservancy)가 발표한 자료에 따르면, 지난 32년간 전 세계 해변에서 수거한 해양 쓰레기의 3분의 1이 담배꽁초였다. 한국해양구조단에 따르면, ’18년 1~9월 전국 32곳의 해변과 해저에서 수거한 쓰레기 중 21%를 담배꽁초가 차지했다. 담배 필터는 흰 솜으로 생각하기 쉽지만, 실제로는 ‘셀룰로스 아세테이트’로 만들어져 있고, 가느다란 플라스틱 섬유를 포함하고 있다. 필터 하나에 1만2000개의 가는 섬유가 들어있다. 담배 필터는 일반 플라스틱 제품보다 더 빨리 분해돼 지름 5㎜ 미만의 ‘미세 플라스틱’으로 변화하고, 먹이 사슬을 거쳐 결국 인체에 흡수된다. 지난해 해양 환경보호전문가그룹(GESAMP) 발표에 따르면 전 세계 바닷속 플랑크톤과 물고기, 홍합, 굴 등에서 미세 플라스틱이 발견됐다. 따라서 담배꽁초가 빗물받이와 우수관로에 흘러들지 않도록 방지하는 측구 시스템의 도입이 절실하다.

 

Fig. 3. 쓰레기와 담배꽁초가 흘러드는 빗물받이

 

 

1.2 도시 미세먼지 발생의 원인 및 해결 방안

 

도로의 확대와 교통량의 증가로 인해 질소산화물 등 각종 미세먼지 발생원들이 불수투 포장으로 인해 지표면 아래로 여과되지 못하고 도로에 잔류하다가 재비산하므로 도로에 퇴적된 미세먼지를 줄인다면 미세먼지의 농도를 떨어뜨릴 수 있다.

 

1.2.1 미세먼지 발생 현황

도로의 미세먼지 농도가 대기의 평균 농도 보다 3배 이상 높다. 특히 환경부 자료에 의하면 서울 등 대도시는 도로에서 재비산되는 미세먼지가 전체 미세먼지의 20% 이상을 차지하고 있다. 전국 통계에서는 도로 재비산 먼지가 전체 미세먼지에서 차지하는 비율이 12%인데 비해 서울시의 경우에는 그 비율이 24%로 2배나 높아진다. 이는 대도시의 높은 도로율과 무관하지 않다. 서울시의 도로율은 약 22%에 달한다.

도로 재비산 먼지 이외의 미세먼지 발생 원인으로는 제조업 연소 30%, 건설공사 15%, 농축산활동 9% 등이 있다. 이들은 경제 활동과 직결되어 있어 미세먼지를 저감하는 조치를 취하기가 쉽지 않다. 하지만, 도로 재비산 먼지는 경제 활동 위축을 수반하지 않으면서 매우 높은 비중을 차지하고 있으므로 이 부분에 집중할 필요가 있다.

 

1.2.2 미세먼지 저감 방안

서울시는 도로의 재비산 미세먼지를 제거하고자 2018년도 남부순환로 일대에서 분진흡입 청소차량을 운용한 결과 연간 기준으로 58톤의 미세먼지를 제거할 수 있다고 발표하였다. 청소차량을 사용한 상당한 양의 미세먼지를 제거하는 효과를 낼 수 있으므로 이를 강화하겠다고 하였다. 그런데, 58톤의 미세먼지는 서울시 전체 미세먼지의 1%에도 미치지 못하는 양이다. 분진 흡입 청소 차량을 운용하여 일부라도 제거하는 것이 마땅하겠지만, 차량 운용에 따른 미세먼지의 발생과 미세먼지를 제대로 필터링하지 못하고 공중으로 불어 올리는 부작용까지 감안한다면 보다 효과적인 방안이 필요하다.

환경산업기술원에 의하면, 도로에서 먼지를 제거하는 방법으로 물을 사용하는 청소가 건식 흡입청소에 비해 최소 3배 이상 효과가 높은 것으로 조사되었다. 하지만, 물청소 방법도 기존 도로에서는 효과를 제대로 발휘하지 못하는 문제가 있다. 도로를 세척한 물이 가장자리로 흘러내리고 대부분이 측구 부분에 고인다. 이 상태에서 수분이 증발하면 미세먼지도 다시 공중으로 피어올라 청소 효과를 없애는 것이다.

이에 더하여, 미세먼지 제거에 효과가 높은 물청소 방법을 정작 미세먼지가 극심한 동절기에는 사용하지 못하는 상황을 맞게 된다. 기존의 도로는 앞서 설명한 바와 같이 도로를 세척한 물이 도로의 가장자리로 흘러내리는데 이들이 우수관이나 하수관을 통해서 제대로 배수되지 못하고 대부분 도로에 고인다. 이들이 하절기에는 증발하면서 먼지가 다시 피어오르지만 동절기에는 도로 표면에 빙판이 형성되어 교통사고를 유발하는 안전 문제가 발생하게 된다. 따라서 미세먼지가 극심한 동절기에는 물청소 방법을 사용하지 못하고 있는 것이 현실이다. 미세먼지가 창궐하는 동절기에 서울시가 미세먼지를 제고하고자 효율이 낮은 분진흡입 청소 차량을 운용하겠다고 하는 것은 현재까지의 상황에서 가장 합리적인 선택이었다고 보겠다. 이러한 문제점을 개선하도록 미세먼지가 극심한 동절기에 효과가 높은 물청소를 사용하는 도로 시스템을 보완하여야 한다.

 

Fig. 4. 빗물과 함께 낙엽과 먼지 쌓여있는 측구

 

 

1.3 종래의 기술 및 문제점

 

이와 같은 문제들을 해결하기 위한, 종래의 도시형 수로 시스템으로 “조립식 식생 배수로 및 그 시공방법"(이하, 종래기술이라 칭함) 등이 있다. 하지만, 종래기술을 포함한 기존의 도시형 수로 시스템의 경우, 빗물이 식생부와 블록을 통과하여 배수 통로로 투수되어야 하므로, 투수 속도가 매우 느려, 식생 주변부가 침수되는 문제점이 있다. 또한, ‘U’자형 단면을 갖는 개방형 블록이 설치된 곳으로만 빗물이 집중적으로 투수됨으로써, 개방형 블록이 연결된 배수관에서 병목현상이 일어나, 개방형 블록이 연결된 배수관 주변부가 침수되는 문제점이 있다. 그리고 식생부에 퇴적되는 담배꽁초 등과 같은 각종 오물을 처리하기 힘든 문제점이 있다.

 

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2. 물 순환 개선 및 분산 저류 기능을 제공하는 도시형 수로 시스템

본 기술은 상기 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로써, 담배꽁초와 같은 각종 오물이 수로관 내부로 유입되지 않으면서도, 빗물이 수로관 내부로 원활하게 유입될 수 있어 수로관 주변부의 침수를 방지할 수 있으며, 수로관 내부로 유입된 빗물이 배수관으로 천천히 배수되도록 유도하여 배수관의 병목현상을 방지하여 배수관 주변부의 침수를 방지할 수 있는 도시형 수로 시스템 및 이의 시공방법이다.

Fig. 5. 도시형 수로 시스템 조립 절차

 

 

2.1 침투와 배수 기능을 동시에 제공하는 도시형 수로 시스템

 

상기의 목적을 달성하도록 개발된 도시형 수로 시스템은, 인도와 도로 사이의 지중에 배치되며, 전방, 후방 및 상부가 개방된 수로공간이 형성되고, 중심부에 분리대가 설치되어 상기 수로공간은 상기 인도 측의 제 1 수로 공간과 상기 도로 측의 제 2 수로 공간으로 분리된다.

 

Fig. 6. 침투 공간과 배수 공간으로 분리된 도시형 수로 시스템

 

 

제 1 수로 공간의 내부에는 여재와 쇄석으로 구성된 채움재를 채우고, 하측에는 복수 개의 투수 구멍이 형성되어 있어 미세먼지 등을 머금은 물이 여재를 통과하면서 정화되고 지하로 투수된다.

제 2 수로 공간의 내부에는 복수개의 배수 구멍을 가져 유입된 물이 배수관으로 천천히 배수되도록 유도하는 저류 칸막이, 복수 개의 관통 구멍이 있어 도로에서 강우 초기 유출되는 오염된 빗물을 침전시키는 공간 칸막이가 있다. 침전 공간의 하측에는 투수 구멍이 형성되어 있어 유입된 물이 고여서 섞지 않고 지하로 투수된다.

특히 저류 칸막이에 형성되는 배수 구멍은 상측에 형성된 배수 구멍이 하측에 형성된 배수 구멍 보다 크게 마련되어, 제 2 수로 공간의 수위가 높아질수록 유입된 물이 배수관으로 더 빨리 배출되도록 유도한다.

수로 내부를 분리하는 분리대의 상부에는 복수 개의 투수 구멍이 형성되어 제 1 수로 공간 및 제 2 수로 공간을 연결하여 제 2 수로 공간으로 유입된 많은 빗물이 모두 배수되지 않고 일부는 지하로 투수되도록 유도한다. 수로 공간의 상부에 바이오 폴리머를 바인더로 사용한 다공성 골재 포장체와 관통 구멍이 형성된 받침판으로 제작된 덮개를 덮는다.

 

 

2.2 설치가 간편하고 유지관리가 편리한 도시형 수로 시스템

 

도시형 수로 시스템의 시공 방법은 아래와 같다.

 

2.2.1 간편한 설치

도로의 측구부 콘크리트 포장과 노상토를 제거하고 도시형 수로 시스템을 설치한다.

 

1) 기존 측구 제거

인도와 도로 사이의 측구 시멘트 콘크리트 포장의 일부를 파쇄하여 제거하고, 상기 측구 시멘트 콘크리트 포장을 파쇄한 부위를 굴착하여 일정 깊이만큼 토양을 제거한다.

Fig. 7. 기존 측구 제거

 

2) 수로관 설치

칸막이를 조립한 수로관을 골착한 공간에 설치한다.

Fig. 8. 수로관 배치

 

3) 채움재 및 저류 칸막이 배치

제 1 수로에는 채움재와 여재를 채우고 제 2 수로에는 저류 칸막이를 배치한다.

Fig. 9. 채움재 및 저류 칸막이 배치

 

4) 다공성 덮개 설치

바이오 폴리머로 접착한 투수 바이오 콘크리트로 제작한 덮개를 상부에 덮는다.

Fig. 10. 다공성 덮개 설치

 

 

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3. 기대 효과

본 기술을 도입하면 도로의 측구 전체 구간에서 다공성 덮개를 통해 빗물이 수로관 내부로 원활하게 유입될 수 있어 도로의 침수를 방지할 수 있다. 이때 담배꽁초 등과 같은 각종 오물이 수로관 내부로 유입되지 않도록 방지함으로써 댐배꽁초가 해안으로 흘러드는 것을 막고 우수 관로가 막히는 것도 방지한다. 또한, 빗물받이와 수로관 내부로 음식물 등 유기물질의 유입이 줄어들기 때문에 이들이 썩어서 악취를 발생하는 것을 줄이고 냄새가 올라오는 것도 억제한다.

 

Fig. 11. 빗물이 고인 불투수성 측구(좌)와 빗물이 흘러내린 투수성 측구(우)

 

 

인도 측의 제 1 수로 공간으로 유입되는 빗물은 채움재에 의해 미세먼지 등과 같은 오염물질이 걸러지며 제 1 투수 구멍을 통해 지중으로 투수되거나 배수관으로 천천히 배수되도록 한다. 도로 측의 제 2 수로 공간으로 유입되는 빗물은 저류 칸막이에 의해 배수관 측으로 천천히 배수되도록 유도되어, 배수관의 병목현상을 방지하여 배수관 주변부의 침수를 방지할 수 있다.

이때, 빗물받이를 기준으로 우수의 배수를 관리하도록 개폐 장치를 설치하고 원격에서 제어하는 시스템을 부가한다면, 도시 전체에서 발생하는 빗물을 구역별로 배수 시간을 조절할 수 있다. 이를 통해서 한정된 능력을 갖춘 배수 펌프장으로 빗물이 일시에 집중되지 않도록 저절하는 스마트 그리드 배수체계를 갖출 수도 있다.

 

Fig. 12. 도로 가장자리에서 빗물을 빠르게 투수시키는 도시형 수로 시스템

 

 

도로에 내린 빗물을 수로 내부로 유입시켜 미세먼지를 제거하고 여과한 빗물을 지하수 자원으로 공급한다. 이렇게 공급된 지하수가 건조할 때 증발할 수 있도록 통로를 제공하여 불투수성 포장의 증가로 인해 악화되고 있는 도시의 열섬 현상을 해결하는데도 기여한다.

Fig. 13. 미세먼지를 여과하고 지하수 증발을 유도하는 도시형 수로

 

 

도시형 수로 덮개에 사용된 다공성 포장 소재를 차도에 적용하면 도로에 퇴적된 먼지가 재비산되지 않도록 억제하여 미세먼지의 농도를 낮추는 효과를 제공한다. 차량 주행 시 타이어와 도로의 경계면에서 발생하는 미세입자와 초미세입자의 농도에 대한 연구에서 보면 지면에서 4cm 높이에서 측정한 농도가 9cm 높이의 농도 보다 10~1,000배 높은 것으로 나타났다. 즉, 차량에 의해 재비산된 먼지가 도로 표면 쪽에 집중되는 것을 알 수 있다.

다공성 포장은 도로에 퇴적된 먼지가 공극을 통해서 하부로 내려가므로 실험에서 나타난 결과를 토대로 유추하자면 10cm 두께의 다공성 포장을 차도 표층에 적용한다면 미세먼지의 재비산을 현저하게 줄일 수 있다.

 

Fig. 14. 미세먼지가 심각한 도로에 적용한 다공성 소재를 적용한 배수성 도로

 

 

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Reference

1. 곽지현 등 (2013), “차량 주행 시 타이어와 도로의 경계면에서 발생하는 조대입자, 미세입자 및 초미세임자의 특성 연구”, 한국대기환경학회지 제29권 제5호, 664페이지