Earticle

본 연구에서는 고속도로 강우유출수 처리목적의 우드칩 충진 침투도랑 모니터링 연구를 통하여 설계 적정성 및 성능을 평가하였다. 강우시 모니터링 자료를 바탕으로 침투도랑의 평균 저감효율을 산정한 결과 TSS 88%, COD 94%, BOD 85%, TN 80%, TP 75%이었으며 강우조건 및 설계가 다르므로 국내외 다른 연구결과와 직접적인 비교는 어렵지만 개략적으로 유사한저감성능을 보였다. 침투도랑의 가장 중요한 설계인자인 침투속도를 산출한 결과 강우강도가 증가함 따라 침투속도도 증가하였으며 평균 침투속도는 40mm/hr, 도랑 내부의 유효 저류수심 0.8m를 기준으로 침투시간을 산출한 결과 약 0.83일로 비점오염저감시설 설치 및 관리·운영 매뉴얼(MOE, 2014)의 설치기준(이하 설치기준)을 만족하는 것으로 나타났다. 수문자료에따르면 유입량 기준으로 설계 누적강우유출고로 산출된 WQv와 유사한 유입량을 기록한 관측자료에 따르면 전량 저류, 침투되어(유출량 ≒ 0) 침투식 LID 시설로서의 고유한 기능적 목표를 달성하였으므로 설계 누적강우유출고 5mm는 타당하다고 판단된다. 침투도랑은 강우시 일시적으로 여과 및 저류과정에서 침수가 이루어지며 완전침투가 24시간 이내에 종료되므로우드칩으로 부터 유기물질 등의 용출가능성은 희박하며 현장 모니터링 자료에서도 용출기미는 나타나지 않았다. 따라서추후 침투도랑 설치기준의 개정시 국내외 연구자료를 바탕으로 여재로서 우드칩의 적용을 면밀히 검토할 필요가 있다.

In this study, design and performance of infiltration trench using woodchip as media for treating stormwater from highway were examined through field monitoring. Average reduction efficiency for TSS, COD, BOD, TN, and TP was 88%, 94%, 85%, 80%, and 75% respectively, which is similar to values reported by other studies and design manuals even though direct comparison is not possible due to different monitoring and design conditions. Mean field infiltration rate estimated by measuring the change of water depth inside the observation well was about 40mm/hr, and the time taken for complete infiltration was about 0.83days, which corresponds well with design criteria recommended by MOE guidelines in Korea. In addition, according to analysis of infiltration rate and reduction efficiency, effective rainfall depth applied for determining water quality volume(WQv), 5mm was found to be properly established as design criteria. Woodchip must be considered and included as an alternative media together with crushed rock and gravel into the design guidelines because it has more advantages in terms of weight, porosity, cost, and easiness of management than other media materials.

본 연구는 수질 및 수생태계 보전에 관한 법 53조2항에 해당하는 고속도로에서의 효과적인 비점오염관리를 위해 자동차 운행대수에 따른 고속도로의 강우유출 특성을 분석하여 비점오염 저감시설 설치 방안을 제공하고자 수행하였다. 연구대상지점은 총 5지점으로 경부, 서해안, 호남 및 통영대전 고속도로로 지점에 따라 2006~2008년과 2015년에 총 44회의 강우사상을 대상으로 모니터링을 수행하였다. 모니터링 결과, 평균 선행건기일수(ADD)는 6.2일, 평균 강우량은 19.2 mm로 조사되었다. 단위면적당 일평균 차량 통행량(ADT/CA)의 경우 경부고속도로 지점인 H-4에서 49.4대/day·m2으로 가장 높았으며 다른 지점의 경우 10대/day･m2미 만으로 조사되었다. 조사대상 지점에서 발생되는 비점오염물질의 농도는 평균적으로 TSS는 63.5 mg/L, BOD는 24.9 mg/L, TN은 3.35 mg/L, TP는 0.63 mg/L, Total Zn은 298 ug/L로 국내에서 발표된 고속도로 관련 강우유출수 EMC 값보다 비교적 낮게 조사되었다. 한편, 조사대상지점의 오염물질 농도와 ADT/CA간의 상관관계 분석결과, SS에서 R2값이 0.585로 가장 높은 상관성을 나타냈다. ADT/CA와 TSS EMC 와의 상관관계식을 통하여 국내 고속도로 평균 TSS EMC가 73.7 mg/L일 때 ADT/CA는 13 대/일･m2으로 이를 기준으로 단위면적당 차량의 통행량이 13대보다 높을 경우 입자상 물질의 발생량이 높은 지역으로 고려, 비점오염관리가 필요한 지역으로 제시할 수 있으며 본 연구에서는 선행연구에서 제시된 ADT에 단위면적을 고려하였기에 기존에 수행되었던 연구보다 일반화된 단위로 활용도 및 적용성이 높을 것으로 판단된다.

This study was conducted to analyze the runoff characteristics of the highway depending on the number of vehicles and to provide the installation proposal of an NPS pollution reduction facility. There were a total of 5 monitoring sites used for the study namely, Gyeongbu, Seohaean, Honam and Tongyeoung Dageon highway. Monitoring events started from 2006 until 2015 having a total of 44 storm events. According to monitoring statistics, the average antecedent dry days (ADD) and rainfall was 6.2 days and 19.2 mm, respectively. The Gyeongbu Highway (H-4) was recorded having the highest Average Daily Traffic and Catchment Area (ADT/CA) with 49.4 car/day·m2 while other site were less than 10 car/day･m2. The average concentration of the NPS pollutants generated from monitoring sites were 63.5 mg/L(TSS), 24.9 mg/L(BOD), 3.35 mg/L(TN), 0.63 mg/L(TP) and 298 ug/L(Total Zn). This exhibited lower values in comparison to the remarks of highway related runoff EMC values published in Korea. Moreover, through the results of the correlation analysis between the contaminant concentration and ADT/CA, R2 value of SS showed the highest correlation with 585. Through the correlation equation between ADT/CA and EMC of TSS, when there is 73.7 mg/L of TSS EMC found from a domestic highway, ADT/CA ratio is normally 13 car/day･m2. Therefore, in a case of more than 13 cars passing through a certain area, the area can be considered and present as the point of generation of nonpoint source pollutants. Also, in this study, since it considered a unit area ADT indicated in previous studies, it was determined that it has a high applicability and utilization in generalized units than conventional study which were conventionally done.

강우유출 조건에서 침투도랑의 여과기작은 수리학적 조건에 따라 변화할 수밖에 없다. 침투도랑에서 유출시간에 따른 다양한 여과조건이 입자상 물질의 제거에 미치는 영향을 이해하는 것은 매우 중요하다. 본 연구에서는 도로강우 유출수 처리를 위해 설치된 우드칩 충진 침투도랑에서 일어나는 여과기작을 조사 분석하였다. 유출수문곡선을 몇 개의 영역으로 분리하고 각 영역에서의 여과 메커니즘을 분석한 결과 여과는 수직흐름과 수평흐름, 그리고 불포화 흐름, 부분 포화흐름, 그리고 포화흐름을 거치면서 진행되는 것으로 나타났다. 불포화 흐름조건에서는 입자상 물질의 제거효율은 55-76%를 나타냈으며 주요 기작은 물리적인 억류(trapping)로 나타났으며 유출유량이 크게 증가하여 침투도랑에서 포화흐름이 조성되었을 때 제거효율은 75-95% 로 크게 증가하였는데 이는 확산기작의 작용 때문인 것으로 분석되었다. 강우 중단 후 유출량 감소로 침투도랑이 부분 포화흐름으로 전환되는 시점에는 음으로 하전된 공기와 물의 경계면의 존재로 여과효율이 감소한 것으로 추정된다. 강우시 급격히 변화하는 수리학적 조건에서 발생하는 흐름조건 및 여과 메커니즘과 이와 같은 인자가 여과효율에 미치는 영향을 도출하기 위하여 변수통제가 비교적 용이한 실험실 규모의 침투도랑에 대한 연구가 필요하다.

The particle filtration mechanisms in an infiltration trench should be varying due to the different hydraulic conditions during stormwater runoff. The understanding of these variations associated with different filtration mechanisms and their effect on the particle removal efficiency is of vital importance. Therefore, a LID (Low Impact Development) system comprising of an infiltration trench packed with gravel and woodchip was investigated during the monitoring of several independent rainfall events. A typical rainfall event was divided into separate regimes and their corresponding flow conditions as well as filtration mechanisms in the trench were analyzed. According to hydraulic conditions, it was found out that filtration changes between vertical and horizontal flows as well as between unsaturated, saturated, and partially-saturated flows. Particle separation efficiency was high (55-76%) and was mainly governed by physical straining during the unsaturated period. It was then enhanced by diffusion during the saturated period (75-95%). When the trench became partially saturated at the end of the rainfall event, the efficiency decreased which was believed to be due to the existence of a negatively charged air-water interface which limited the removal to positively charged particles.

고속도로 교량이나 성토지역 노면이 제공하는 자연적인 위치에너지(동력)를 활용하여 수리학적인 입자상 오염물질 분리장치를 실험실 조건에서 운전한 결과 운전압력 0.5기압(수두 5.6m) 이상에서 90% 이상의 제거효율을 보였다. $D_{50}$는 약$45{\mu}m$이었는데 입자의 크기가 $45{\mu}m$ 보다 굵은 입자는 거의 대부분 제거되지만 $45{\mu}m$보다 작은 입자의 제거는 쉽지 않음을 시사해주고 있다. 이러한 입자를 제거하기 위한 후속장치가 필요하며 장치의 원활한 운전을 위해서 유지관리문제에 대한 치밀한 검토가 필요하다.